Современные представления о механизме тектонических движений и деформаций

Как было изложено в начале настоящей книги, в основе современных представлений о механизме тектогенеза лежит концепция тектоники литосферных плит, сформулированная к 1968 г. Там же была сделана оговорка, что эта концепция в свете накопленных за четверть века фактов нуждается в уточнении и дополнении, что и является предметом данного раздела. Начнем с основных положений концепции, которые были перечислены в гл. 3.

1. Исходной предпосылкой тектоники плит служит представление о разделении верхней твердой Земли на две резко различные по реологическим свойствам оболочки — литосферу и астеносферу. В общей форме это положение, как и остальные, сохраняет силу, но с теми существенными оговорками, что, во-первых, контраст между вязкостью литосферы и астеносферы существенно уменьшается от океанов к континентам, и это, очевидно, обусловливает меньшую подвижность континентальных плит, и, во-вторых, мощность литосферы и соответственно глубина залегания и мощность астеносферы испытывают значительные изменения при переходе от океанов к континентам; под последними мощность литосферы может достигать 150—200 и, возможно, 400 км.

Серьезной поправки требует и тезис о монолитности и жесткости литосферы. В действительности литосфера, особенно континентальная, характеризуется реологической расслоенностью и в ней наряду с жесткими и хрупкими верхней корой и литосферной мантией выделяется пластичная нижняя и (или) средняя кора.

2. Основополагающим постулатом рассматриваемой концепции является разделение литосферы в глобальном масштабе на ограниченное число (в настоящее время 7) крупных и примерно столько же среднемасштабных плит, каждая из которых монолитна, т.е. не способна к внутриплитным деформациям. Последние сосредоточиваются, как показывает распределение сейсмичности, на границах плит. Этот тезис нуждается в двух поправках. Во-первых, наряду с главными плитами и между ними в подвижных поясах Земли приходится выделять большое число малых плит, микро- и мини-плит, из которых последние являются, очевидно, не литосферными, а коровыми. Во-вторых, главные плиты не являются, строго говоря, монолитными, в них существуют ослабленные зоны на месте древних межплитных швов — сутур, а также древних и молодых рифтовых систем, вдоль которых и концентрируются внутриплитные деформации. Это дает основание выделять в пределах крупных плит субплиты, разделенные, в частности, континентальными рифтовыми системами.

3. Согласно третьему положению тектоники плит, литосферные плиты испытывают относительные горизонтальные перемещения трех родов — дивергенцию (раздвиг, спрединг) вдоль осей срединно-океанских хребтов и межконтинентальных рифтов, конвергенцию, (субдукцию, коллизию) вдоль окраин океанов и во внутриконтинентальных орогенах и смещение по трансформным разломам. Все эти три процесса оказались значительно более сложными, чем это первоначально рисовалось, хотя их реальность и получила полное подтверждение.

Спрединг, как выяснилось, существенно изменяет свою скорость не только в пространстве, но и во времени, протекает не всегда симметрично относительно своих осей, а сами оси испытывают неоднократный перескок параллельно самим себе. Наблюдается разрастание осей спрединга по простиранию, а в ряде случаев они распадаются на короткие искривленные отрезки, кулисообразно заходящие друг за друга.

Субдукция протекает в существенно различающихся формах; соответственно изменяются и сопровождающие ее процессы. Значительной изменчивостью отличаются скорость субдукции, наклон ее поверхности — от почти горизонтального до почти вертикального, глубина проникновения субдуцируемой плиты в мантию. Субдукция не всегда сопровождается наращиванием, аккрецией континентальной коры в форме образования аккреционных клиньев и роста вулканических дуг. В ряде случаев вместо аккреции наблюдается тектоническая эрозия нависающей плиты, а над очень пологими участками зон субдукции — отсутствие вулканизма.

Трансформные разломы оказались не одинаковыми по своей протяженности и значению, разделяясь на несколько порядков — от трансокеанских, магистральных, до пересекающих лишь гребневые зоны срединно-океанских хребтов. Перемещения по ним сводятся не только к сдвигам, но и к раздвигам или надвигам, т.е, происходит транстенсия или транспрессия.

4. Следующее положение тектоники плит, согласно которому взаимные перемещения плит подчиняются теореме Эйлера, полностью сохраняет свое значение и служит основой для реконструкции кинематики плит в геологическом прошлом с помощью ЭВМ.

5. Иначе обстоит дело с постулатом, касающимся автоматической компенсации спрединга субдукцией и неизменности радиуса Земли. Постулат этот может считаться справедливым лишь относительно, с некоторым допуском, ибо уже периодические изменения скорости вращения Земли указывают на изменения объема и радиуса; с этим может быть увязана и определенная периодичность в колебаниях интенсивности сейсмичности, вулканизма, интрузивного магматизма, метаморфизма и тектонических формаций.

Установлено вместе с тем, что компенсация спрединга осуществляется не только путем субдукции океанской литосферы, но и обдукции, а также субдукции континентальной литосферы и перемещения по крупным сдвигам в орогенах и коробления на периферии зон коллизии.

6. Причиной перемещения плит признается конвекция в мантии Земли, причем эта конвекция считается общемантийной и тепловой, а ее воздействие на движение плит — осуществляющимся через сцепление литосферных плит с движущимся под влиянием конвекции астеносферным конвейером, т.е. волочением (drag) литосферы.

В настоящее время в механизме перемещения плит не меньшая роль отводится их расталкиванию (push) в осях спрединга и особенно их затягиванию (pull) в зоны субдукции под воздействием силы тяжести. Сама конвекция рассматривается не как просто тепловая, а как химико-плотностная, и наряду с моделью общемантийной конвекции активно обсуждается модель двухъярусной конвекции, раздельно в нижней и верхней мантии. Наиболее вероятно, что в истории Земли чередовались периоды общемантийной и двухъярусной конвекции, так же как одноячеистой и двух(или более) ячеистой. Кроме того, приходится допустить проявление относительно мелкомасштабной конвекции в астеносфере океанов и континентов, а в районах интенсивного разогрева — и в самой литосфере. Таким образом, следует полагать, что конвекция является многоярусной; подчиняясь расслоению твердой Земли на оболочки (геосферы), но наряду с ее автономным проявлением в отдельных геосферах имеет место взаимодействие их конвективных систем — более глубокие системы инициируют конвекцию в менее глубоких.

Как можно видеть из вышеизложенного, суммированного в табл. 18.1, основные положения тектоники плит выдержали испытание временем, но лишь в самой общей форме, в глобальном масштабе и, добавим, применительно к последнему миллиарду лет истории Земли. Что касается более раннего времени, то, как было изложено в гл. 17, в раннем протерозое господствовала «тектоника малых плит», а для архея можно предполагать эмбриональную плитотектонику.

Из аспектов тектогенеза, не нашедших своего объяснения в классической тектонике плит, одним из важнейших является внутриплитная тектоника (и магматизм тоже). Мы видели, что значительная часть проявлений внутриплитной тектоники, а именно окраинно- и внутриплатформенные дислокации и внутриконтинентальное горообразование, вполне удовлетворительно объясняется отдаленным воздействием коллизии крупных плит с «раздавливанием» ансамбля промежуточных микро- и мини-плит (см. гл. 13 и 14). Но остаются линейные и изометричные вулканические и невулканические (криптовулканические) цепи и поднятия, для объяснения происхождения которых была предложена гипотеза горячих точек, изложенная в гл. 7. В пользу этой гипотезы, связывающей появление горячих точек на поверхности Земли с мантийными струями, поднимающимися с больших глубин, в основном от границы мантии и ядра, говорят две категории фактов: 1) закономерное увеличение возраста вулканических построек линейных хребтов с удалением от современного вулканического центра, совпадающее по направлению с наиравлением движения соответствующей литосферной плиты (классический пример — Гавайско-Императорская цепь в Тихом океане), и 2) установленное сейсмической томографией совпадение области максимального сгущения горячих точек в Тихом океане с областью наибольшего возмущения граничной поверхности мантии и ядра.

Однако гипотеза горячих точек — мантийных струй («плюмов»), по крайней мере в той ее форме, которая принимает подъем последних из нижней мантии или даже с границы мантия—ядро, не может считаться доказанной. Главное, что вызывает возражения, это каким образом картина вертикального подъема струй с больших глубин сочетается с конвективными течениями в мантии, с их длинными горизонтальными ветвями. Другое серьезное возражение, выдвинутое О.Г. Сорохтиным и С.А. Ушаковым, касается глубины зарождения щелочно-базальтовых магматических расплавов, характерных для горячих точек, которая, по их расчетам, не может превышать 60—80 км; иначе говоря, эти магматические очаги должны располагаться непосредственно под литосферой (это относится, очевидно, к океанам). Локализация горячих точек может определяться глубокими разломами литосферы и особенно их пересечениями. Действительно, в океанах большая часть горячих точек тяготеет к пересечениям рифтов срединноокеанских хребтов зонами крупных трансформных разломов (Исландия, Азорские острова, о. Пасхи и др.) или к тройным сочленениям рифтов (например, о. Буве), а на континентах — к современным или древним рифтовым системам и к их пересечению разломами или сочленению.

Удревнение возраста вулканических построек в линейных цепях океанов в направлении их окраин может быть естественно объяснено их первоначальным зарождением на осях рифтов, а затем расщеплением и удалением от этих осей в процессе спрединга. Труднее всего объяснить удревнение возраста в случаях, подобных Гавайско-Императорской цепи, когда нет локализации вдоль трансформных разломов, но здесь речь может идти о древних трансформах, ориентированных иначе, чем современные и молодые; за это говорит уже сама конформность этих цепей направлению движения плит. О.Г. Сорохтин и С.А. Ушаков объясняют эту закономерность с позиций «мембранной» гипотезы Д. Тёркота—Е. Оксбурга, согласно которой литосферные плиты, перемещаясь по поверхности Земли и приспосабливаясь к изменяющейся кривизне ее эллипсоида вращения испытывают деформации растяжения или сдвига, могущие способствовать раскрытию разломов и проявлению вдоль них магматизма.

Другая, также весьма важная в практическом отношении сторона внутриплитного тектогенеза и магматизма, — это формирование осадочных бассейнов. В настоящее время практически общепризнано, что такие бассейны возникают на основе рифтинга. Соответственно со времени основополагающей работы Д. Маккензи (1978) в развитии осадочных бассейнов выделяют две стадии: 1) синрифтовую, с быстрым утонением коры и изостатическнм опусканием ее поверхности в условиях растяжения, а также подъёмом изотерм нижней части литосферы и 2) пострифтовую, медленного остывания и погружения утоненного участка литосферы с образованием самого бассейна. Однако анализ развития и структуры многих конкретных бассейнов показал, что масштаб их реального погружения более значителен, чем обусловленный просто остыванием литосферы и (или) выступа астеносферы под бассейном. Это привело к поискам дополнительного фактора, могущего вызвать погружение бассейна. Была, в частности, предложена модель фазового перехода габбро в эклогит в низах континентальной коры (Е.В. Артюшков и др.). Однако экспериментальные данные и теоретические соображения не подтверждают эту гипотезу.

Рис 18.4 Возможный глубинный механизм формирования пострифтового внутриконтинентального бассейна, а - г - последовательные стадии (объяснения в тексте). по Л.И. Лобковскому и др. (1993):
1 - осадки, 2—3 — континентальная кора, ее хрупкая (2) и пластичная (3) части; 4 - частично расплавленная среда; 5 - астеносфера: 6 - расплав в магматической линзе. 7 - эклогитовые породы; 8 - погружение эклогитовой линзы; 9 — магматизм; 10 — подкоровая часть литосферы

Другой, более вероятный механизм недавно был обоснован группой исследователей (Л.И. Лобковский и др., 1993). Исходной посылкой является утонение литосферы снизу и подъем кровли астеносферы в процессе рифтинга. Это вызывает вследствие декомпрессии дополнительное частичное плавление вещества в астеносферном выступе (рис. 18.4, а) с восходящей фильтрацией образовавшейся магмы. Поскольку перекрывающая астеносферный выступ нижняя литосфера пластична, она оказывается непроницаемой для магмы, которая должна накапливаться вблизи кровли этого выступа (рис. 18.4, б). Если произойдет прорыв магмы к поверхности, то это приведет к проявлениям вулканизма (рис 18.4, в), вплоть до образования крупных платобазальтовых, трапповых полей (см. выше). В противном случае после прекращения растяжения литосферы магматический расплав кристаллизуется, превращаясь в условиях высокого давления в эклогит. Эклогитовая линза должна тонуть в более легкой астеносфере, что приводит к дополнительному прогибанию поверхности литосферы (рис. 18.4, г). Возможен и промежуточный вариант с частичным излиянием магмы на поверхность и с эклогитизацией остаточного расплава.

Сходная проблема, оставшаяся за рамками концепции тектоники плит как имеющая, очевидно, более частное значение, чем глобальная кинематика плит, но тем не менее достаточно важная, — это проблема происхождения окраинных и внутренних морей с корой океанского типа. В общей форме можно констатировать, что процессы сжатия в конвергентных системах желоба — островные дуги и желоба—окраины континентов андского типа повсеместно сопровождаются и в той или иной степени компенсируются процессами растяжения в их тылу, приводящими в менее развитой форме к образованию рифтов (в том числе внутридуговых) и щелочно-базальтовому магматизму, а в более развитой — к раскрытию окраинных морей и толеит-базальтовому магматизму. Конкретный механизм этих процессов еще подлежит уточнению.

Следующая проблема подлинно глобального масштаба, также обойденная вниманием в классической тектонике плит, — происхождение регматической сети разломов и планетарной трещиноватости. Как указывалось в гл. 7, единственным механизмом, предложенным для объяснения этого тектонического феномена, остается механизм, связывающий его с режимом вращения Земли, т.е. ротационный механизм. Он может рассматриваться в двух вариантах:
1) изменение фигуры Земли, степени ее полярного сжатия в связи с изменением скорости вращения (М.В. Стовас) и
2) перестройка фигуры Земли в связи с изменением положения оси ее вращения и, следовательно, полюсов (последний вариант выдвинут К.Ф. Тяпкиным и А.В. Долицким). В обоих случаях возникающая сеть разломов и трещин должна приспосабливаться к ранее образованной, и фиксированной в литосфере и, таким образом, представление о регмагенезе увязывается с тектоникой плит.

Еще одна сторона тектогенеза первостепенной важности, не учитывавшаяся классической тектоникой плит, — периодичность в изменении интенсивности тектонических и вообще эндогенных процессов. Периодичность эта проявляется в различных масштабах — от короткопериодических, происходящих на наших глазах изменений сейсмической и вулканической активности до тектонических (тектономагматических) мегациклов длительностью порядка 600 млн лет. Эта периодичность эндогенных процессов находит отражение в процессах изменения рельефа, осадконакопления, развития органической жизни и увязывается, с одной стороны, с изменениями частоты инверсий магнитного поля, т.е. с изменениями в глубоких недрах Земли, и, с другой стороны, с изменениями скорости осевого вращения Земли и параметров ее орбитального вращения (эксцентриситет орбиты, наклон оси, прецессия). Последние были привлечены М. Миланковичем для объяснения периодичности четвертичных покровных оледенений и получили теперь убедительное подтверждение, причем применительно и к более ранней истории Земли. Можно говорить, следовательно, о проявлении определенного резонанса между внутренними и внешними, космическими, факторами геодинамики и согласованной периодичности изменений их интенсивности.

Необходимость учета явлений и процессов, не нашедших истолкования в первоначальной концепции тектоники литосферных плит, не подрывает ее основ, но показывает, что она нуждается в расширении и дальнейшем развитии, которое и происходит на наших глазах.

Наконец, еще один важный вопрос — о существовании общей тенденции в изменении радиуса и объема Земли, Происходит вековое охлаждение Земли в связи с утратой тепла, запасенного в эпоху ее аккреции, со снижением темпов глубинной дифференциации, с постепенным исчерпанием запаса радиоактивных элементов, с убыванием интенсивности лунных приливов. Свидетельством уменьшения объема Земли служит почти повсеместное, кроме рифтовых зон, преобладание сжатия в земной коре и то обстоятельство, что замедление вращения Земли, обусловленное влиянием лунных приливов, оказывается меньшим, чем можно было ожидать по расчетам; его объясняют наложением ускорения, обусловленного уменьшением радиуса планеты. Как отмечалось выше, имеются основания считать, что на эту монотонную тенденцию накладывается эффект периодического возрастания тепловыделения, ведущий к пульсации Земли, с чередованием периодов уменьшения ее радиуса и временного его увеличения.

Как известно, существует и противоположная концепция, согласно которой пульсация Земли происходит на фоне ее нарастающего расширения (Е.Е. Милановский) или что такое расширение является абсолютно преобладающим (У. Кэри). С точки зрения сторонников этой гипотезы еще в начале мезозоя Земля была одета сплошной сиалической оболочкой (океаны отсутствовали), которая затем оказалась разорванной вследствие быстрого, с увеличением радиуса в 1, 5 раза и объема в 3, 4 раза, расширения Земли и образования океанов. Признавая, таким образом, спрединг (но в некоторых работах ограничивая его масштаб современными срединно-океанскими хребтами), сторонники данной гипотезы отрицают субдукцию.

Гипотеза расширяющейся Земли с физической ее стороны исчерпывающе раскритикована О.Г. Сорохтиным и С.А. Ушаковым, показавшими, что не существует сколько-нибудь удовлетворительного механизма, который мог бы обусловить расширение Земли. Несостоятельна эта гипотеза и с геологических позиций. Без признания субдукции невозможно объяснить образование складчато-покровных горных сооружений, асимметрию Тихого океана в отношении распределения коры разного возраста. Распространение офиолитов, а также типичных отложений пассивных континентальных окраин океанов, свидетельств приливно-отливных явлений и апвеллинга указывает на существование доюрских океанов; кроме того, невозможно допустить образование лишь начиная с юры того огромного объема воды, который заполняет современные океаны. Пульсации объема Земли представляются более правдоподобными, тем более, что для ограниченных (в пределах первых процентов) изменений радиуса Земли предложен удовлетворительный механизм, связывающий их с фазовыми превращениями в мантии Земли (В.Л. Барсуков, В.С. Урусов). Было бы неправильным, однако, считать, что в истории Земли чередовались периоды абсолютного растяжения — рифтогенеза и абсолютного сжатия — орогенеза, ибо в действительности, как это наблюдается в современную эпоху, эти явления всегда сосуществовали на лике Земли. Речь может идти лишь о преобладании в одни периоды рифтинга, а в другие, вероятно более короткие, — субдукции и коллизии.

Оглавление