Эволюция геотектонических гипотез

Размещено на http://www.allbest.ru/

Эволюция геотектонических гипотез

Введение

геотектонический гипотеза порода горный

Земная кора образована горными породами, имеющими различные формы залегания, с чем связано определённое строение коры. Породы лежат горизонтальными слоями или нарушены разломами и смяты в складки. Залегание горных пород чаще всего обусловлено внутренними силами. Строение земной коры, созданное эндогенными процессами, называется тектоникой, что с древнегреческого переводится как «строительство».

На сегодняшний день существует множество тектонических гипотез, предлагаемых для объяснения движений земной коры. Чрезвычайная медленность тектонических движений позволяет только в некоторых наиболее подвижных районах изучать современное вертикальное и горизонтальное движение земной коры. Обычно изучению доступны лишь результаты тектонических процессов. Данных о состоянии вещества и движениях, протекающих на большой глубине, еще недостаточно. Всё это пока не даёт возможности создать полноценную теорию геотектонических процессов.

1. Элементарные тектонические структуры

Тектоникой называют также отдел геологии, изучающий строение земной коры и сил, вызвавших деформации земной коры, а также изучающий историю развития структур земной коры. Структура (от лат. structura) - строение, расположение, порядок. Соответственно структурная геология изучает простейшие формы залегания горных пород и механизм их образования. К элементарным тектоническим структурам относят слоистые структуры, складчатые структуры, трещинные структуры и разрывные структуры.

1.1 Слоистые структуры

Простейшей формой залегания осадочных горных пород является слой, образующийся в результате осаждения обломочного, химического или органогенного материала на дне моря или озера, а иногда на поверхности суши. В большинстве случаев слои осадочных горных пород отлагаются горизонтально или слабо наклонены. Поэтому когда наблюдаются слоистые горные породы, собранные в складки или разорванные и перемещённые, то это означает, что первоначальные слои были деформированы.

Раньше предполагали, что слоистая структура осадочных горных пород образована в связи с климатическими и другими экзогенными явлениями и не имеет прямого отношения к тектоническим процессам. Однако данный процесс образования слоистости, хотя и происходит очень широко, является далеко не единственным, и даже не главным.

Например, одним из важнейших процессов образования слоистых структур в горных породах является тектонический. Он вызывает опускание и поднятие суши и морского дна. Земная кора никогда и нигде не остаётся неподвижной. Если в каком-либо прибрежном районе происходит опускание земной коры, море наступает на сушу, происходит трансгрессия моря. Если же происходит поднятие - регрессия. При этом границы распространения разных осадков будут перемещаться. Так образуется очень важный тип слоистой структуры, имеющий одновременно осадочное и тектоническое происхождение, т.к. он вызван движениями земной коры.

Рисунок 1- Тектоническое образование слоистости

Ещё один важный тектонический тип слоистой структуры образуется на дне морей и океанов в связи с часто возникающими землетрясениями, которым подвергается не только суша, но и морское дно. На слабо наклонном морском дне, в областях перехода шельфа в континентальный склон могут накапливаться относительно грубые терригенные осадки, приносимые сюда морскими течениями. Достаточно тектонического толчка даже небольшой силы, чтобы вызвать их скатывание вниз по континентальному склону (мутьевой или суспензионный поток).

Слой (пласт) представляет собой геологическое тело плитообразной или линзообразной формы, сложенное породами более или менее однородного состава и ограниченное двумя поверхностями, отделяющими его от подстилающего и налегающего слоёв. М.С. Швецов различает две главные причины, почему слой отделяется в качестве самостоятельного геологического тела от вышележащего и нижележащего слоёв: 1) породы соседних слоёв имеют иной состав и строение и 2) породы слоёв имеют одинаковый состав и строение, но отделяются друг от друга поверхностями раздела. Образование поверхностей раздела может быть вызвано кратковременными изменениями в осадконакоплении. Верхняя поверхность, ограничивающая слой имеет название кровля или висячий бок слоя. Нижняя поверхность - подошва или лежачий бок слоя. Самое короткое расстояние (перпендикуляр) между кровлей и подошвой - мощность слоя (истинная мощность). Ширина слоя, обнажающегося на дневной поверхности, называется видимой мощностью. [1]

Рисунок 2 - Слой

1.2 Складчатые структуры

Складки представляют собой изгибы слоистых пород, образованные тектоническими силами. В зависимости от направления изгиба (вниз или вверх) среди них выделяют антиклинальные и синклинальные складки. В антиклиналях изгиб слоёв обращён выпуклостью вверх, и в центральных частях расположены более древние породы, чем в краевых. В синклиналях изгиб слоёв направлен вниз, и во внутренних частях располагаются более молодые породы.

В каждой складке выделяются следующие элементы:

1) замок - место перегиба слоёв. В антиклиналях замок часто называют сводом;

2) крылья - боковые части складки;

3) ядро - внутренняя часть складки, примыкающая к замку;

4) угол, образованный пересечением продолженных поверхностей крыльев складки;

5) шарнир - линия, проходящая через точки максимального перегиба любого из слоёв, собранных в складки;

6) осевая поверхность - поверхность, проходящая через точки максимального перегиба слоёв, образующих складку;

7)ось складки - линия пересечения осевой поверхности складки с горизонтальной поверхностью.

А - антиклиналь, Б - синклиналь

Рисунок 3 - Складки и их элементы

Классификация складок основана на различных признаках:

Формы складок по положению осевой поверхности:

1)прямые симметричные складки - осевая поверхность вертикальна и наклон крыльев одинаков;

2)наклонные (косые) складки - осевая поверхность наклонная, крылья падают в противоположные стороны. Падение одного крыла круче падения другого;

3)опрокинутые складки - осевая поверхность значительно наклонена и крылья падают в одну сторону - одно крыло подвёрнуто под другое;

4)лежачие складки - осевая поверхность горизонтальна или почти горизонтальна;

5)ныряющие (перевёрнутые) складки - осевая поверхность изогнута относительно вертикального положения на угол, больший 90?.

(а- прямые, б-косые, в- опрокинутые, г- лежачие, д- перевёрнутые)

Рисунок 4

Формы складок по соотношению между крыльями и характером замка:

нормальные (обычные) - острые и округлые;

1)изоклинальные - с параллельными крыльями;

2)веерообразные;

3)сундучные (коробчатые) - с плоским замком и крутыми крыльями.



а-округлые, б-острые, в-изоклинальные, г-веерообразные, д-сундучные

Рисунок 5

По соотношению мощностей слоёв на крыльях и в замке выделяются 2 типа складок: концентрические - с одинаковой мощностью слоёв в замке и на крыльях и подобные - с уменьшенной мощностью в крыльях.

В различных структурных зонах земной коры наблюдается та или иная совокупность складок, которая называется складчатостью. По форме складок и их взаимоотношению на площади и в разрезе выделяют два основных типа складчатости:

Полная (линейная) складчатость. Для неё характерно полное заполнение складками всего пространства. Линейные складки - антиклинали и синклинали, имея примерно одинаковую форму и размеры, располагаются параллельно друг другу с одним и тем же простиранием на значительном протяжении. Прерывистая складчатость наблюдается чаще всего в пределах платформ. Для неё характерны отдельные изолированные складки среди области с горизонтальным залеганием слоёв; неравное развитие антиклиналей и синклиналей, с преобладанием первых; отсутствие линейности; большое морфологическое разнообразие складок и др.[2]

1.3 Трещинные структуры

геотектонический порода горный

Трещинами в горных породах называют небольшие разрывы, вдоль которых не происходило значительных перемещений. Часто трещины образуются по поверхностям лёгкой делимости, вдоль которых порода особенно хорошо раскалывается.

По происхождению различают трещины скалывания и трещины отрыва.

Известно, что в хрупкой породе в условиях лабораторных опытов при сжатии образуется две системы трещин скалывания, наклонённых под углом 45? к направлению действующей силы. Однако французский инженер Гартман выяснил, что, чем пластичнее вещество, подвергаемое сжатию, тем больший угол с действующей силой образуют трещины скалывания. В абсолютно пластичной породе трещины скалывания располагаются под углом 90? к действующей силе. Такие трещины были названы трещинами сплющивания.

Казалось бы, в прочных горных породах трещины сплющивания не должны образовываться, но геологи обнаружили широчайшее распространение именно трещин сплющивания во многих складчатых горных породах. Это явление вызвано тем, что в условиях даже небольших глубин и невысоких температур, при очень длительном действии тектонических сил, горные породы деформируются как абсолютно пластичные материалы.

Трещины отрыва образуются при действии растягивающих сил и располагаются под прямым углом к направлению силы. Форма этих трещин значительно отличается от формы трещин скалывания. Они обычно неправильные, изгибающиеся, стенки их имеют рваную поверхность отрыва.

1.4 Разрывные структуры

При тектонических движениях земной коры пласты горных пород могут быть разорваны и смещены относительно друг друга. Среди разрывных (дизъюнктивных) нарушений принято различать разрывы со смещением и разрывы без смещения (трещины). Протяженность разрывных нарушений изменяется от нескольких миллиметров и сантиметров до десятков и сотен километров. Разрывы образуются из больших трещин в горных породах, вдоль которых, в отличие от обычных трещин, происходят значительные перемещения. Разрывы разделяют горные породы земной коры на тектонические блоки. В каждом разрыве различают поверхность разрыва, висячий и лежачий бока разрыва, образованные горными породами двух тектонических блоков, соприкасающихся по поверхности разрыва, и амплитуду перемещения по разрыву, т.е. размеры смещения по разрыву двух тектонических блоков.

Различают крутопадающие и пологопадающие разрывы. Точного разграничения между ними нет, но принято разрывы с углом падения более 50? называть крутыми, а разрывы с углом падения менее 30? - пологими.

1.4.1 Разрывы со смещениями

Классификация разрывов со смещениями основана на морфологических признаках и генезисе разрывов. Обычно выделяют сбросы, взбросы, сдвиги, раздвиги, надвиги (покровы). Среди них в зависимости от ориентировки разрывов по отношению к складчатым структурам, которые они осложняют, различают поперечные, продольные и диагональные.

а - нормальный сброс, б --взброс, в --сдвиг, г -- надвиг

Рисунок 6 - Разрывные нарушения

В зависимости от наклона поверхности сместителя к горизонту (более или менее 45°) различают пологие и крутые сбросы, взбросы и сдвиги. Сбросы -- это нарушения, в которых поверхность разрыва наклонена в сторону крыла, занимающего более низкое положение. Это крыло называется опущенным (лежачим). Другое, занимающее более высокое положение - поднятым (висячим). Сбросы образуются в условиях растяжения земной коры, поэтому при сбросах всегда возникает горизонтальное растаскивание пласта, и измеряемое величиной «зияния». В зависимости от соотношения углов наклона слоев в крыльях сброса и поверхности сместителя различают нормальные (согласные) и обратные (несогласные) сбросы. У нормальных (согласных) сбросов слои пород и сместитель наклонены в одну сторону. У обратных (несогласных) сбросов--в разные стороны.

а -- нормальный сброс в горизонтальных слоях; б -- взброс в горизонтальных слоях; в -- согласный сброс; г -- несогласный сброс; д -- согласный взброс; е -- несогласный взброс

Рисунок 7 - Типы сбросов и взбросов

Пологие сбросы с большой величиной зияния иногда называют раздвигами. Наряду с этим существует представление, что раздвиги это нарушения, у которых перемещение пород в крыльях происходит перпендикулярно их отрыву. Разрывы, образующиеся при раздвигах, обычно выполнены инородными породами или минералами.

Взбросы-- это нарушения, в которых поверхность paзрыва наклонена в сторону расположения приподнятых слоев. Взбросы возникают в условиях сжатия и характеризуются перекрытием разорванных крыльев. Так же как и среди сбросов, различают нормальные (согласные) и обратные (несогласные) взбросы.

Надвиги -- это взбросы с наклоном поверхности сместителя менее 45--60°. Надвиги с очень пологим сместителем и большой горизонтальной амплитудой смещения (перекрытия) называют шарьяжами или покровами.

Сдвиг -- это разрывное нарушение, у которого смещение крыльев происходит по горизонтам вдоль линии простирания поверхности сбрасывателя. Если смещение крыльев ориентировано косо по отношению к линии простирания поверхности разрыва, то выделяют сбросо-сдвиги, взбросо-сдвиги.

Сдвиги возникают в том случае, когда действие сил направлено горизонтально, параллельно поверхности сместителя.

В пространстве разрывные нарушения со смещением могут группироваться в протяженные зоны, в пределах которых наблюдаются блоки, приподнятые на разную высоту. В результате одни участки земной коры могут быть опущены, а другие подняты относительно смежных. Такие тектонические структуры называют соответственно грабенами и горстами. Иногда борта грабенов и склоны горстов могут быть ограничены несколькими параллельными разрывами. Такие горсты и грабены называют сложными, ступенчатыми.

1.4.2 Разрывы без смещения

Трещины -- это разрывные нарушения в горных породах по которым не происходило видимых смещений.

Принято выделять трещины вертикальные, горизонтальные и наклонные. Кроме того, в зависимости от ориентировки их по отношению к пластам, в которых они находятся, выделяют пластовые трещины, поперечные и диагональные. Характеристика трещин в пространстве определяется азимутом простирания, азимутом наклона и углом наклона. Для того чтобы представить положение трещины в пространстве, достаточно замерить азимут наклона и угол наклона трещины.

По характеру проявления различают: открытые трещины с хорошо видимой полостью, закрытые -- полость по разрыву неразличима и скрытые, которые обнаруживаются только при специальном изучении.

Размеры трещины изменяются в широком диапазоне. Они могут пересекать толщи пород с мощностями, измеряемыми сотнями метров, но могут и не выходить за пределы сантиметров и миллиметров. Трещины, имеющие одинаковую или близкую ориентировку, объединяются в системы, которые обусловливают отдельность горных пород. Отдельность -- способность породы раскалываться на характерные по форме блоки, глыбы, куски вдоль видимых или скрытых пересекающихся систем трещин.

Генетическая классификация предусматривает выделение тектонических и нетектонических трещин, среди которых выделяют ряд разновидностей.

Нетектонические трещины: 1) первичные трещины, 2) трещины выветривания, 3) трещины оползней, обвалов и провалов, 4) трещины расширения пород при разгрузке.

Тектонические трещины: 1) трещины с разрывом сплошности пород (трещины отрыва и скалывания), 2) кливаж.

Нетектонические трещины. Нетектонические трещины возникают при изменении физико-химических свойств горных пород вблизи или на поверхности Земли.

Первичные трещины в осадочных породах возникают на стадии диагенеза -- осадок теряет влагу, уменьшается в объеме и постепенно переходит в горную породу. Первичные трещины приурочены только к отдельным слоям или пачкам слоев. По отношению к слоистости они могут располагаться перпендикулярно, косо, параллельно. В эффузивных породах первичные трещины возникают при остывании лавы и уменьшении объема породы. Эти трещины обусловливают отдельность эффузивных пород (столбчатую, пластинчатую и плитчатую).

Трещины выветривания образуются в горной породе в основном под воздействием атмосферных агентов. Глубина трещиноватой зоны и степень трещиноватости зависит от характера породы, длительности процессов выветривания и обычно распространяется до 10--15 м, в редких случаях до 30--50 м от поверхности. Трещины не имеют общего направления -- извилистые, часто пересекают друг друга.

Трещины оползней, обвалов и провалов имеют локальную приуроченность и возникают от неравномерности напряжений, испытываемых породой при подвижках. Они характеризуются неровными стенками, зиянием, частой сменой ориентировки.

Трещины расширения пород при разгрузке возникают вокруг выработанного пространства горных выработок, а также в бортах речных долин (в скальных и полускальных породах). Возникновение их обусловлено изменением соотношения сил, действующих на горные породы внутри массива.

Тектонические трещины. Тектонические трещины возникают в горных породах под влиянием эндогенных процессов. Проявление складкообразовательных движений приводит к возникновению в горных породах трещин с разрывом сплошности, среди которых выделяют трещины разрыва (отрыва) и трещины скалывания.

Трещины разрыва (отрыва) образуются в породах, испытавших растяжение при вертикальных движениях. Они имеют локальное и региональное распространение и приурочены в основном к сводовым частям антиклинальных поднятий, складок и т. д. Эти трещины представляют собой систему взаимно пересекающихся трещин (под прямым или близким к нему углом) и проявляются по простиранию и падению слоев. Они обычно вертикальные или круто наклонные. Поверхности трещин разрыва (отрыва) шероховатые, иногда неровные, с рваными краями. Они могут быть зияющими или выполнены минеральными образованиями (кварц, кальцит, гипс и др.).

Трещины скалывания возникают в условиях сжатия земной коры. Они хорошо выдерживаются на значительных рас стояниях по падению и простирание слоев. Стенки трещин скалывания плотно сжаты и имеют гладкую поверхность. Иногда по ним происходят подвижки отдельных блоков пород, о чем свидетельствуют следы скольжения в виде борозд, царапин и зеркал скольжения на поверхности трещины.

Кливаж. Кливаж -- это способность горных пород раскалываться на пластинки, призмы по густо развитой системе параллельных трещин, секущих слоистость или согласных с ней.

Полагают, что сланцеватость возникает в горных породах при пластических деформациях. Трещины кливажа могут быть открытыми и закрытыми, с ровными поверхностями, иногда со следами скольжения.[3]

2. Классификация тектонических движений

Классифицировать тектонические движения достаточно сложно. В настоящее время имеется ряд классификаций, отражающих направление тектонических движений, области их проявления, результаты проявления и т. д. Из предложенных в последние годы советскими учеными остановимся на классификациях В.Е. Хаина и В.В. Белоусова.

Таблица 1 - Наиболее распространенные классификации тектонических движений

По В.Е. Ханну, 1973 г., упрощено *	По В.В. Белоусову, 1975 г.
Существенно вертикальные	Существенно горизонтальные	Внутрикоровые
Поверхностные (покровные)
Складчат(нагнетан)	блоковые	складчатые (общего сжатия, скольжения и др.)	сдвиги, надвиги, шарьяжи	складчатые (глыбовые, нагнетания, общего смятия, глубинные)	разрывные (сбросы, взбросы, надвиги и др.)
Коровые	Общекоровые
склад-чатые (обле-каиие)	блоковые	складчатые	сдвиги, региональные надвиги	колебательные (общие и волновые)	разрывные(глубинные разломы, сдвиги, сбросы и др.)
Глубинные
волновые	глыбо-вые	волновые	глубинные сдвиги и надвиги

* Исключены экзотектонические и сверхглубинные движения, не связанные с эндогенными процессами земной коры.

2.1 Классификация по Хаину

По направлению перемещения В.Е. Хаин выделяет существенно вертикальные и существенно горизонтальные тектонические движения, по области проявления движений поверхностные (покровные) движения, связанные с процессами в осадочном чехле (например, соляной диапиризм), коровые движения, охватывающие практически весь объем консолидированной коры, и глубинные движения, обусловленные процессами в верхней мантии. Эти типы движений, в свою очередь, делятся на складчатые, блоковые, глыбовые и др.

2.2 Классификация по Белоусову

Более простая классификация тектонических движений предложена В.В. Белоусовым. Она основана на делении тектонических движений по масштабам проявления, величине охватываемых ими объемов пород. По В.В. Белоусову, тектонические движения делятся на внутрикоровые, распространяющиеся на отдельные образования земной коры, и общекоровые (глубинные), проявляющиеся в виде перемещений коры в целом. В свою очередь, внутрикоровые движения делятся на складчатые и разрывные, а общекоровые -- на колебательные и разрывные движения, приводящие к образованию пликативных и дизъюнктивных дислокаций различного ранга.

2.3 Более детальная классификация

Разработана и более детальная классификация тектонических движений. Так, к складчатым внутрикоровым движениям относятся глыбовая складчатость, обусловленная относительными перемещениями блоков коры, складчатость нагнетания , проявлением которой является, например, соляной диапиризм, и др.

В составе колебательных общекоровых тектонических движений выделяют общие и волновые движения. Общие движения проявляются в виде одновременных воздыманий или опусканий крупных участков земной коры; волновые движения приводят, например, к формированию крупных поднятий и впадин на континентах. Разрывные внутрикоровые и общекоровые движения сопровождаются образованием сбросов, надвигов и т. д. различного порядка, т. е. затрагивающих часть разреза земной коры или кору в целом.

Характерной особенностью тектонических движений является их непрерывное и практически повсеместное проявление на протяжении всей геологической истории. Несомненные проявления тектонических движений довольно детально зафиксированы не только в течение длительных геологических эпох, но даже на таком сравнительно коротком отрезке времени, каким в геологическом масштабе является продолжительность человеческой цивилизации. Широко известны факты, связанные с опусканием побережья Северо-Западной Европы (Нидерланды, Бельгия, ФРГ), где возведена целая система дамб, предотвращающих затопление суши. Существуют многочисленные археологические свидетельства в виде уходящих в море дорог, затопленных развалин древних храмов, расположенных далеко на суше причалов древних портовых сооружений и т. д.

В самые последние годы ученые получили возможность регистрировать тектонические движения еще меньшей продолжительности, буквально за десятилетия. Конечно, амплитуды колебаний земной поверхности за такой короткий отрезок времени невелики и измеряются миллиметрами, но точность современных геодезических приборов позволяет их зафиксировать достаточно надежно. Движения земной коры, регистрируемые в настоящее время, называются современными.

Результаты таких измерений обобщены на карте скоростей современных вертикальных движений Восточной Европы, составленный коллективом ученых социалистических стран под руководством Ю.А. Мещерякова. На фрагменте этой карты (рис. 5) видно, что скорость современных тектонических движений достигает ± 10 мм/год и даже более. Наиболее контрастны современные движения в горных областях (Карпаты, Кавказ), где на небольших расстояниях зафиксированы даже движения разного знака. В равнинных областях современные однозначные движения обычно охватывают значительные территории, однако скорость их также может достигать 8--10 мм/год.

Воздымание разной интенсивности в мм/год 1 -- 8-10; 2 -- 6-8, 3 -- 4-6; 4 --2-4; 5 -- 0-2. Опускание различной интенсивности в мм/год. 6 -- 2-0, 7 -- 4-2, 8 -- 6-4

Рис 5. Фрагмент карты скоростей современных вертикальных движений земной коры Восточной Европы (под редакцией Ю.А. Мещерякова)

За более продолжительные отрезки геологического времени удается зафиксировать тектонические движения значительно большей амплитуды. И такие геологические свидетельства многочисленны. Более того, если за исторические отрезки времени могутбыть отмечены колебания амплитудой обычно не более 10--50 м, то геологические данные свидетельствуют о значительно более крупных масштабах изменения рельефа Земли.

Важные геологические свидетельства тектонических движений получены в результате геоморфологических исследований, основанных на геологическом анализе современного рельефа. Изучение роли экзогенных и эндогенных факторов в формировании рельефа позволяет выявить обширную категорию тектонических движений ближайшего геологического прошлого, называемых новейшими.[4]

3. Геотектонические гипотезы

Развитие геотектоники было всегда тесно связано с прогрессом всех наук о Земле: сначала геологии, а в последнее время геологии, геофизики и геохимии. Возникновение научной геологии следует отнести к XVIII в., когда стала развиваться горнодобывающая промышленность и появилась практическая необходимость понимать строение земной коры для поисковых и разведочных работ. Попытки объяснить причины горообразовательных процессов, распределения суши и моря были предприняты еще выдающимися учеными древности Ксенофонтом, Геродотом, Аристотелем, который отмечал, что «море приходит туда, где была суша, суша вернется туда, где мы сегодня видим море». [4]

3.1 Гипотеза поднятия

В России первая научная геотектоническая гипотеза была предложена М.В. Ломоносовым (1711 --1765). Учение Ломоносова изложено в его сочинении «О слоях земных». Ломоносов пришел к заключению, что силы, изменяющие лик Земли, бывают внешние и внутренние. Внутреннее «действие» -- это землетрясения. Последние приводят к поднятию и опусканию земной поверхности, к смещению берегов, к появлению и исчезновению гор.

Что касается причин землетрясений, то «сила, поднявшая такую тягость, ни чему... приписана быть не может, как господствующему жару в земной утробе».

А так Ломоносов рисует картину изменения залегания слоев под влиянием внутреннего огня: «и... избыточествующая горячая материя, произведши сильный обширный пламень, под самым тем местом терзает на себе лежащую плоскость и расселинами ищет пути на воздух. Потом, вышед на волю, отдаст разорванные заклепы собственной их тягости, которая раздробленных частей не может привести в прямое положение и порядок. Падают, как обрушенные кирпичные своды разными звенами одно на другое, краями, поперек, тычмя, ребром; и таковою обрушиною много больше места занимают, оставив частьми пустые промежки: от того подымаются горы выше протчей земной поверхности».

Но помимо таких быстрых, катастрофических движений Ломоносов говорил и о медленных, незаметных движениях поверхности, называя их «нечувствительным и долговременным земной поверхности понижением и повышением».

Упоминание о «нечувствительных» движениях означает, что Ломо- ' носов впервые, хотя и в не очень явной форме, выдвинул эволюционное представление о развитии Земли. Этим самым он начал порывать с широко распространенными в то время идеями сторонников «всемирных катастроф». Эти идеи являлись попыткой примирить, с одной стороны, наличие следов многократных перемен на поверхности земли, а с другой -- ту краткость жизни земного шара, которая утверждалась библейским учением. Церковная легенда отводила на все время существования Земли 6 тыс. лет. Знаменитый французский естествоиспытатель Бюффон в середине XVIII в., вызвав бурные нападки на себя церковников, «осмелился» расширить продолжительность существования Земли до 75 тыс. лет. Дальше в то время идти не решались. В пределах столь малого отрезка времени надо было разместить всю последовательность геологических событий, запечатлевшихся в строении горных пород. Тут нельзя было обойтись без грандиозных катастроф, вызывавшихся действием необычных, сверхъестественных сил, которые время от времени проявляли себя на поверхности планеты. Ломоносов первый говорил о медленности хотя бы некоторых геологических процессов. Данная гипотеза занимала ведущее положение до середины XIX века. На смену ей пришла гипотеза контракции.[5]

3.2 Гипотеза контракции

Второй этап в развитии геотектонических гипотез начался во второй половине XIX в. В 1830--1852 гг. французским ученым Эли де Бомоном была выдвинута гипотеза контракции, которая развивалась Э. Зюссом, Э. Огом, Г. Штилле и другими учеными. Эти идеи разделяли А.П. Карпинский, В.А. Обручев, И.В. Мушкетов.

В это время господствовала космогоническая гипотеза Канта и Лапласа об образовании планет путем сгущения (сжатия) вещества, первоначально находившегося в рассеянном состоянии. В полном соответствии с этими представлениями в геологии почти всеобщим признанием пользовалась контракционная гипотеза (contractio- стяжение). [6]

Согласно гипотезе земная кора приспосабливается к сокращающимся в объеме, охлаждающимся внутренним частям Земли в связи с тем, что Земля теряет свою теплоту в космическое пространство. При этом в земной коре развиваются напряжения тангенциального сжатия, смятие пород в складки и образуются разрывы. Происходит также обрушение, по системам сбросов, больших блоков земной коры, которая таким образом приспосабливается к уменьшающемуся объему планеты. Э. Зюсс (1831 --1914) говорил: «Мы присутствуем при всеобщем обрушении земной коры», подразумевая под этим новообразование океанических впадин, широко развивающихся в последних геологических периодах -- плиоцене и четвертичном. Наряду с этим Зюсс установил, что горные цепи образовались путем сокращения земной коры. Он описал в их строении многочисленные признаки тангенциального сжатия.

Открытие во второй половине XIX в. геосинклинальных поясов, в глубоких впадинах которых накапливались мощные толщи осадков, противостоящих жестким платформам, сложенным в своем основании кристаллическими породами, казалось, хорошо объясняло механизм деформации в геосинклиналях и рост гор. Считалось, что массивы платформ действуют как щеки тисков, между которыми сминаются в складки и нарушаются разрывами мягкие (малоконсолидированные), мощные геосинклинальные толщи. При этом вырастают складчатые или (если породы сравнительно жестки и нарушаются разрывами) глыбовоскладчатые горы.

Именно эти представления в настоящее время не могут быть приняты, но многие другие положения контракционной гипотезы сохраняют свою силу и поныне.

Контракционная гипотеза сыграла очень большую роль в развитии наиболее фундаментальных геологических представлений, направляя внимание исследователей на изучение огромного количества тектонических структур, образование которых вызвано тангенциальными сжимающими силами. Поэтому не было случайностью, что в наше время (признанного крушения классической контракционной гипотезы) один из крупнейших тектонистов -- Н.С. Шатский (1895-- 1960) не раз подчеркнуто называл себя контракционистом. Очевидно, что он не имел в виду возможность возрождения контракционной гипотезы, в полном объеме понятий, которые вкладывались в нее в конце XIX в. Но Н.С. Шатский считал обязательным указать, что, отвергая гипотезу как универсальную, нельзя забывать прочно установленных фактов широкого распространения тектонических структур, сформированных первичным, тангенциальным сжатием.

Физико-химические и геологические основы контракционной гипотезы в настоящее время уже не являются достаточными, а частью даже ошибочны.

Охлаждение первоначального раскаленного газово-жидкого тела Земли и сокращение в связи с этим его объема не может быть главной причиной тектонических процессов. Известно также, что многие современные космогонические гипотезы предполагают происхождение Земли из скоплений холодной, твердой космической пыли и метеоритов. Дальнейшее развитие вещества Земли представляет результат очень разнообразных физико-химических процессов. Происходит дифференциация вещества, постепенный подъем вверх легких атомов -- Н, Не, О, Si, AI и др. Тяжелые атомы -- Mg, Fe, Ni и другие перемещаются во внутренние части земного шара.

В самой верхней твердой оболочке -- земной коре -- накапливаются породы, богатые Si и Аl, -- граниты и менее богатые Si и Аl, -- базальты. В породах нижележащей верхней мантии, по-видимому, значительно меньше Н, О, Si, Аl и больше Mg, Fe, и они представлены перидотитами. Не известно, из какого вещества состоят нижние части мантии и ядро Земли. Многие полагают, что здесь преобладают тяжелые металлы Fe, Ni, и это находит подтверждение в составе железных метеоритов. Другие исследователи считают, что во внутренних частях Земли, при огромных давлениях, происходит «раздавливание» электронных оболочек атомов и вещество приобретает высокую плотность, сравнимую с плотностью металлов. Но само вещество содержит, кроме тяжелых элементов, также легкие элементы.

Процессы дифференциации сопровождаются выделением значительного количества тепла. Тепловая и другие формы, высвобождающиеся при дифференциации энергии могут быть одной из причин тектонических процессов. Другим источником энергии являются процессы радиоактивного распада К, U, Th и других элементов.

Кроме энергии, выделяющейся внутри планеты, значение имеет энергия, получаемая Землей из космического пространства. Эти явления мало изучены. Геолог Дж. Умбгров отметил возможную связь горообразовательных процессов с изменениями космического гравитационного поля. Он указал на периодичность больших орогенезов, повторяющихся через 200 млн. лет, что соответствует времени одного оборота нашей Галактики. Другие геологи обращают внимание на большие количества энергии, которые получает Земля от Солнца. Эта энергия захватывается (аккумулируется) минералами, образующимися при экзогенных процессах, например глинами, а за тем выделяется при метаморфизме экзогенных пород.

Оценка количеств энергии, участвующих в сложных процессах развития Земли, в том числе в тектонических движениях земной коры, чрезвычайно трудная задача. Мы находимся в самом начале исследований энергетического баланса нашей планеты и можем в настоящее время утверждать только одно: потеря Землей теплоты вместе с Н, Не и другими летучими газами в космическое пространство является не главной, а всего лишь одной из причин тектонических процессов.

Серьезным ударом, который был нанесен контракционной гипотезе самими геологами, явилось открытие большой независимости складкообразования от горообразования. Геологи, изучавшие Альпы, выяснили, что наиболее интенсивные фазы образования складчатости н шарьяжей произошли задолго до главных горообразовательных движений, поднявших современные горные хребты Альп. [7]

Рисунок 6 - Схема образования горных цепей

Таким образом, было доказано самостоятельное значение также первичных вертикально направленных (радиальных) тектонических сил.

Многие геологи и геофизики стали считать, что вообще первичными являются радиальные силы, а тангенциальные, тектонические силы образуются только как производные, вторичные. Тангенциальные напряжения возникают якобы только как результат разложения радиальных сил или в связи со скольжением горных масс вниз, под действием гравитационных сил, с высоких поднятий, образованных первичными радиальными силами.

Новые данные о земной коре также оказались в противоречии с простым способом деформации коры, предполагаемым контракционной гипотезой. Кора океанических впадин в семь раз тоньше коры материковых платформ. Поэтому, если бы всеобщий механизм деформации, предусматриваемый контракционной гипотезой, действительно существовал, тонкая океаническая кора должна была бы сминаться с большой легкостью. Между тем исследованиями с применением глубинного сейсмозондирования, например на обширных пространствах впадин Атлантического океана (М. Юинг, Дж. Юинг, Дж. Ворзел и др., 1966), установлено, что в течение последних 100 млн. лет во многих современных глубоких океанических впадинах не происходило существенных деформаций морского дна. Характерные отражающие горизонты среднеэоценового и мелового возраста прослеживаются на огромных пространствах океанических впадин и не подверглись смятию.

Следовательно, океанические плиты, так же как и континентальные платформы, устойчивы не потому, что они противостоят тангенциальному сжатию.

Такое предположение в свете современных данных нелепо, поскольку океаническая кора имеет малую мощность. Главная причина устойчивости континентальных платформ и океанических плит заключается в том, что кора в этих областях покоится на пассивных в данное время участках мантии, там, где не происходит бурных процессов развития вещества.

Контракционная гипотеза не может объяснить одновременное распространение в земной коре явлений тангенциального сжатия и тангенциального растяжения.

Некоторые типы впадин в земной коре образуются в связи с действием тектонических сил, направленных по радиусам Земли, сверху вниз. С другой стороны, определенная компонента горных поднятий вызвана действием сил, направленных по радиусам Земли, снизу вверх. Таким образом, кроме тектонических сил тангенциального сжатия и растяжения, в земной коре проявляются радиальные тектонические силы, положительные (направленные снизу вверх) и отрицательные (направленные сверху вниз). Многие геофизики предполагают, что образование радиальных тектонических сил в земной коре связано с тем, что вещество нижележащей мантии в некоторых участках уменьшается или увеличивается в плотности (т. е. увеличивается или уменьшается в объеме).

Старая контракционная гипотеза не могла объяснить существования таких различных тектонических сил в земной коре. Поэтому в начале XX в. наблюдается появление огромного числа гипотез, предложенных, чтобы заменить контракционную гипотезу. Многие из этих гипотез очень остроумно объясняют образование отдельных типов тектонических структур, но они оказались неудовлетворительными в других случаях.

Общий недостаток большинства новых гипотез заключается в том, что, хотя содержащаяся в них критика слабых сторон контракционной гипотезы справедлива, нельзя было забывать огромный и неоспоримый материал о существовании тектонических структур, образованных тангенциальным сжатием в геосинклинальных поясах. Поэтому все геотектонические гипотезы, которые не считаются с широчайшим распространением структур, вызванных тангенциальным сжатием в складчатых поясах, объясняют только ограниченный, частный круг явлений. Они совершенно не пригодны в качестве универсальных гипотез.

Большое разнообразие и независимое проявление первичных тектонических сил в земной коре, изученных к настоящему времени, указывает на то, что вряд ли правильно искать единственную (универсальную) причину тектонических деформаций земной коры. Вещество нашей планеты развивается разнообразными путями, и это развитие управляется многими природными законами.

3.3 Гипотезы всасывания и конвекционных потоков

Существует несколько групп геотектонических гипотез, претендующих на замену контракционной гипотезы: гипотезы всасывания (и конвекционных потоков), гипотезы радиальной тектоники (и гравитационных скольжений), гипотезы изостазии и др.

Основоположник гипотез всасывания -- австрийский геолог О. Ампферер (1906, 1911). Детальные геологические исследования в Альпах убедили этого исследователя в существовании затягивания (всасывания) пород кристаллического основания Альп внутрь по так называемым рубцам (Narbe), которые есть не что иное, как глубинные разломы, протягивающиеся вдоль осей складчатых сооружений.

Рисунок 7

Всасывание осуществляется параллельно с поддвиганием пород, образующих фундамент осадочных толщ; поддвигание направлено в сторону крутозалегающей тектонической зоны глубинного разлома.



Рисунок 8

Причиной подобного механизма Ампферер, Швиннер, Штауб и Краус (1933, 1963) считали действие подкоровых конвекционных потоков. При этом породы геосинклинального, осадочного чехла собираются в сложные складки и смещаются вдоль пологих поверхностей -- шарьяжей.

Примеры реального существования процесса поддвигания пород фундамента геосинклинальных сооружений, сопровождаемого небольшим всасыванием вышележащих толщ, многочисленны.

Объяснение механизма поддвигания и всасывания представляет большие трудности. Считают, что в нижних слоях земной коры и в мантии существуют тепловые конвекционные потоки, которые вызывают движение вещества. Особенно активизировались сторонники существования конвекционных потоков после открытия огромных тепловых потоков вдоль подводных хребтов в океанах. Буллард, Герцен и некоторые другие исследователи установили, что вместо обычного теплового потока, имеющего интенсивность под океаническими плитами в среднем 1 микрокалорию в сек/см2, в срединных океанических хребтах тепловой поток имеет величину около 3--5 микрокалорий в сек/см2. Отсюда был сделан вывод, что под срединными хребтами в океанах, равно как и в рифтовых поясах на континентах, происходит подъем конвекционного теплового потока, тогда как под хребтами складчатых поясов континентов происходит опускание конвекционного потока вниз.

Гипотеза конвекционных потоков в таком варианте особенно заманчива тем, что она пытается объяснить действительно существующие коренные различия в тектонической обстановке в складчатых и в рифтовых поясах. В складчатых поясах существование складок и шарьяжей указывает на боковое сокращение, т.е. на тангенциальное сжатие, тогда как в рифтовых поясах нет складок и шарьяжей. В них развиты рифтовые долины и глыбовые структуры, указывающие на расширение земной коры.

Но существование именно таких конвекционных потоков очень сомнительно. Гипотеза конвекционных потоков находится в плохом согласии со многими известными нам особенностями строения земной коры и мантии Земли. Расчеты Е.Н. Люстиха (1952, 1966) показали несоответствие физических свойств вещества мантии с таким вариантом гипотезы о конвекционных потоках. Еще хуже обстоит дело с объяснением некоторых важных геологических фактов. Оказывается, что в периоды максимумов регионального метаморфизма и формирования гранитов, которые совпадают с наиболее интенсивным сжатием и всасыванием, тепловые потоки в складчатых поясах, по всей видимости, далеко превосходят величину современных тепловых потоков под срединными океаническими хребтами и континентальными рифтовыми поясами. Поэтому, внешне как будто привлекательная, гипотеза о конвекционных потоках в таком виде оказывается непригодной, хотя отрицать существование конвекционных явлении в Земле нельзя.

Гипотеза тангенциального сжатия в связи с поддвиганием земной коры и всасыванием в зоны осевых глубинных разломов удовлетворительно объясняет многие главные особенности развития и образование тектонических структур только в осевых зонах складчатых поясов. Однако она не может объяснить такие явления, как рост гор (горообразование) или образование предгорных и межгорных впадин.

Движения, сопровождающие всасывание, формируют геосинклинальную (линейную) складчатость и шарьяжи. Явления всасывания при горообразовании играют сравнительно подчиненную роль, а рост гор вызван не столько всасыванием, сколько процессами наращивания сравнительно легких корней и изостатического поднятия, связанного с образованием корней. Независимость этого явления от всасывания доказывается интересным фактом. Горообразование развивается в одни и те же геологические века как в складчатых, так и в рифтовых поясах, где всасывание неизвестно.

Образование предгорных впадин также трудно объяснить обычным механизмом всасывания. Во многих предгорных впадинах на внешней их стороне, обращенной к континентальной платформе или к океанической плите, развиваются характерные системы нормальных сбросов, что указывает на явления растяжения во внешних частях предгорных впадин.

Образование первоначальных геосинклинальных прогибов, из которых впоследствии вырастут складчатые пояса, также не может быть объяснено гипотезой бокового сокращения. В первоначальных геосинклинальных впадинах, как установлено В. Бухером, Р. Штаубом и Р. Трюмпи, развиваются системы нормальных сбросов. Очевидно, что всасывание и поддвигание земной коры в сторону осевых глубинных разломов на этом этапе геологической истории геосинклинальных областей еще не проявляются. Отсюда мы должны сделать вывод, что гипотеза бокового сокращения в связи с поддви ганием земной коры и всасыванием тоже не может быть универсальной.

Образование рифтовых поясов связано с боковым растяжением. Боковое растяжение устанавливается также на определенных этапах в складчатых поясах. В.А. Обручев, В. Бухер и М.А. Усов были крупнейшими геологами нашего времени, различавшими широкое развитие в земной коре как тектонических сил бокового сжатия, так и тектонических сил бокового растяжения. Они даже пытались объединить известные им факты в гипотезе пульсационного развития тектонических сил. Предполагалось, что эпохи сжатия на Земле сменялись эпохами растяжения. Однако в таком универсальном виде гипотеза не может быть принята, потому что в ней слишком упрощается действительная тектоническая картина деформаций земной коры. Не существует универсальных эпох сжатия и эпох растяжения. Мы уже видели, что в современную эпоху в складчатых поясах преобладают явления сжатия. В эту же эпоху существуют рифтовые пояса, где преобладают явления растяжения.

Также нельзя предполагать прямой связи между сжатием в одних тектонических зонах с растяжением в других, как это иногда допускают геологи со времен А. Вегенера и Дж. Джоли. Эти ученые предполагали, что блоки земной коры испытывают относительное перемещение по нижележащим горизонтальным поверхностям скалывания, что вызывает сжатие на одной стороне блоков и растяжение на другой стороне. Е. Н. Люстих (1962) показал невероятность таких явлений в земной коре.

Различные условия сжатия и растяжения в тектонических поясах подчиняются не изученным пока процессам, происходящим в глубинных тектонических зонах разных типов. Будущие геологи и геофизики займутся этими проблемами, сейчас же важны твердо установленные факты о том, что в земной коре в разных поясах проявляются тектонические силы сжатия и растяжения, создающие существенно различные комплексы тектонических структур.

3.4 Гипотезы радиальной тектоники и гравитационных скольжений

Геологи, придающие большое значение явлениям гравитационного сползания пород в верхних горизонтах земной коры, при образовании высоких поднятий и глубоких впадин предлагают отказаться от представлений о существовании в земной коре первичных тектонических сил тангенциального сжатия и растяжения.

Хаарман (1930) разработал гипотезу преобладающего значения в земной коре радиальных, вертикально направленных первичных тектонических сил. В своей гипотезе Хаарман видоизменил старую гипотезу Рейера (Е. Beyer, 1888). Скольжение вниз, с поднятий, под действием силы тяжести, считалось Рейером главной причиной тектонических дислокаций.

Хаарман указывал, что сторонники контракционной гипотезы неправильно рассматривают поднятия как результат сжатия земной коры. Они не могут объяснить существование встречающихся в близком соседстве комплексов структур сжатия и растяжения. Первоначальной причиной тектонических дислокаций Хаарман считает скопления подкоровой пластической массы вещества, которые вызывают вспучивание (поднятие) земной коры (геотуморы). В областях оттока подкорового вещества образуются опускания земной коры -- геодепрессии. Эти движения земной коры представляют первичный тектогенез. Гипотеза Хаармана была названа осцилляционной, т. е. гипотезой колебаний земной коры.

Вторичный тектогенез, по Хаарману, заключается в том, что осадочные толщи соскальзывают под действием силы тяжести с геотуморов в геодепрессии. Происходит смятие слоистых горных пород в складки с образованием разрывов там, где складкообразование оказывается особенно напряженным. В тыльных частях, т. е. позади соскальзывающего покрова осадочных пород, в коре образуются трещины растяжения, по которым поднимаются вверх магматические массы.

В настоящее время сторонниками радиального тектогенеза являются голландский геолог Р.В. Ван Бемеллен, советский геолог В.В. Белоусов и Ж. Гогель во Франции.

Наиболее полно гипотеза поднятий (туморов) и гравитационных шарьяжей и складчатости разработана Ван Бемелленом сперва для Индонезии, а затем на примере Альп (1960, 1965). Бемеллен предлагает различать геотектонические уровни в разрезе земной коры и мантии. По его мнению, геотектонические процессы нельзя понять ни с точки зрения обычного мобилизма (т. е. относительных перемещений материковых массивов), ни с точки зрения фиксизма (под фиксизмом подразумевают представления о фиксированном, неизменном расположении материков и океанов). В действительности, считает Бемеллен, большие движения в земной коре и в мантии имеют характер относительных движений.

Так, например, по Бемеллену, в земной коре можно предполагать существование двух типов горизонтальных (боковых) смещений: 1) активное, гравитационное скольжение масс горных пород, вызванное их собственной потенциальной энергией, и 2) пассивное волочение их, вызванное тем, что горные породы, залегающие ниже, испытывают реоморфическое 1 размягчение и движутся в стороны быстрее, чем вышележащие массы горных пород.

Первый тип движений вызывается образованием огромных пологих вздутий в земной коре, возможно в связи с увеличением объема вещества мантии. Существование таких вздутий, нарушающих форму геоида, доказано наблюдениями над движением искусственных спутников Земли. Второй тип движений (т. е. пассивное волочение пород) был предположен в форме гипотезы астенолитов. Астенолитами называют накопление на глубоких горизонтах больших масс вещества, сравнительно богатого кремнеземом и алюминием (т. е. гранитоидного состава). Астенолиты, будучи легче, чем окружающие породы, разрастаясь, нарушают гидростатическое равновесие и выжимаются кверху, приподнимая верхние части земной коры.

Рисунок 9

Бемеллен считает, что и в более глубоких горизонтах мантии Земли происходят движения, вызывающие нарушения равновесия и тектонические процессы в земной коре и в верхней мантии. В частности, он считает, что в слое D мантии имеют место энергичные перемещения (потоки) вещества, вызванные взаимодействием слоя D мантии с оболочкой внешнего ядра Земли. Эти два слоя, по Бемеллену, образуют «тектонический двигатель» Земли.

В.В. Белоусов в своей гипотезе рассматривает складчатость в земной коре как прямую или косвенную реакцию слоистых толщ земной коры на дифференциальные вертикальные движения различных ее частей (1964). В соответствии с представлениями Белоусова (1966) самым общим процессом, определяющим развитие тектоносферы является дифференциация вещества верхней мантии, проявляющаяся его частичным плавлением. Оно осуществляется в сейсмическом волноводе, или астеносфере (слое Гутенберга). Частичное плавление приводит к накоплению капель жидкого базальта. В связи с этим плотность вещества волновода меньше плотности вышележащего слоя мантии. Происходит объединение базальтовых капель в крупные массы -- астенолиты, которые, будучи легче окружающего вещества волновода, поднимаются вверх, и это ведет к формированию выступов на верхней поверхности волновода. Астенолитовые массы, используя разломные зоны в верхнем слое мантии и земной коры, поднимаются вверх, частью прорываются на поверхность, однако главные массы астенолитов останавливаются вблизи подошвы земной коры. Остывающие астенолиты являются важными источниками тепла, поток которого вызывает дегранитизацию в нижней части земной коры.