МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ
ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ»
ГЕОТЕКТОНИКА
Учебное пособие
А. И. Трегуб
Издательско-полиграфический центр
Воронежского государственного университета
2019
Стр.1
ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1.
1.1
Современные представления о строении Земли
Земная кора и верхняя мантия
1.2 Литосфера, астеносфера и мезосфера. Тектоносфера
1.3. Глубокие геосферы: средняя и нижняя мантия, ядро Земли
2. Методы геотектоники
2.1. Современные движения земной коры и методы их изучения
(актуотектоника)
2.2. Неотектонические движения и методы их изучения
2.3. Методы изучения тектонических движений и деформаций
геологического прошлого (палеотектонический анализ)
3.
Строение и развитие главных структурных единиц
литосферы
3.1. Литосферные плиты
3.2. Океаны
3.3. Области перехода континент-океан.
3.4. Континенты.
4.
Складчатые и разрывные дислокации
4.1. Региональные разломы и шовные зоны (сутуры)
4.2. Складчато-разрывные дислокации
4.3. Тектонические покровы (шарьяжи).
4.4. Развитие тектонических деформаций во времени
5. Основные этапы и общие закономерности развития
земной коры.
6. Основные источники энергии и механизмы тектонических
процессов
6.1. Ротационный и космические факторы в геодинамике
6.2. Некоторые представления о глубинных механизмах
тектонических движений
Тектонические карты
Литература
7.
4
6
6
8
10
11
11
13
14
18
18
23
31
39
52
52
54
57
58
59
63
63
69
73
74
3
Стр.3
коры и верхней мантии, должна рассматриваться как часть более общей
геодинамической концепции, находящейся в стадии становления.
1.СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЗЕМЛИ
Современные представления о строении нашей планеты получены на
основе комплекса данных, включающих, прежде всего, результаты
геофизических исследований, материалы дистанционного зондирования
Земли из космоса, данные изучения геохимических особенностей
магматических пород, а также результаты геологического картирования и
полевых геологических наблюдений.
Строение Земли описывается моделями, в которых выделяются, с
одной стороны, концентрические оболочки – геосферы, а с другой –
латеральные неоднородности внутри геосфер. Разделение геосфер может
проводиться двояко - по вещественному (минералого-петрографическому)
составу и по реологическим (деформационным) свойствам вещества.
По вещественному составу выделяются земная кора, мантия и ядро
Земли.
1.1. Земная кора и верхняя мантия
Земная кора – самая верхняя оболочка, в минералогопетрографическом
отношении характеризуется наиболее сложным и
разнообразным составом. Это и широкий спектр осадочных, вулканогенноосадочных
пород, и магматические образования кислого, среднего,
основного и ультраосновного состава, представленные эффузивными,
интрузивными, экструзивными породами. Мощность земной коры
изменяется от 0 км на некоторых участках срединно-океанических хребтов и
трансформных разломов до 70-75 км под высокими горными сооружениями
Анд, Гималаев и Тибета. По латерали земная кора делится на два основных
типа: кору океаническую и кору континентальную. Помимо этого
выделяются переходные типы коры: субокеаническая и субконтинентальная
кора.
Океаническая кора по площади занимает 56% земной поверхности. Ее
мощность в среднем составляет 5-6 км, закономерно увеличиваясь к
подножию континентов. В разрезе океанической коры выделяются три слоя.
Самый верхний – осадочный слой (1) мощностью не более 1 км - в
центральных областях океанов, выклинивается в осевых частях срединноокеанических
хребтов, а у подножий континентов увеличивается до10-15 км.
Слой состоит из глинистых, кремнистых и карбонатных глубоководных
пелагических осадков. Причем карбонаты распространяются лишь до
некоторой глубины, вследствие растворения. Ближе к континентам
появляется примесь терригенного материала (гемипелагические осадки).
Возраст пород осадочного слоя увеличивается от осевых частей срединноокеанических
хребтов, но не превышает 170 млн. лет. Скорость продольных
сейсмических волн в осадочном слое изменяется от 2 до 5 км/с.
6
Стр.6
Второй слой – базальтовый (2) в верхней части (2А) представлен
базальтами с подушечной отдельностью (пиллоу-лавы), в которых
отмечаются редкие и тонкие прослои пелагических осадков. В его нижней
части (2В) развиты параллельные дайки долеритов. Мощность второго слоя
1,5-2 км, а скорость продольных сейсмических волн 4,5–5,5 км/с.
Третий слой – габбровый (3) состоит из полнокристаллических пород
основного и в самых низах ультраосновного состава. В верхней части разреза
третьего слоя залегают массивные габбро, а в нижней части разреза
расслоенные при магматической дифференциации габбро («полосчатый
комплекс»). Мощность третьего слоя около 5 км. Скорость продольных
сейсмических волн в третьем слое достигает 6-7,5 км/с.
Континентальная кора занимает 41% площади земной поверхности.
Ее средняя мощность 35-40 км. Мощность коры уменьшается к окраинам
континентов и возрастает под горными сооружениями до 70-75 км. В разрезе
континентальной коры выделяются осадочный слой и консолидированная
кора.
Осадочный слой (осадочный чехол) характеризуется весьма изменчивой
мощностью: от 0 км (на щитах платформ, в осевых частях складчатых
сооружений)) до 20 км (во впадинах платформ, в передовых и межгорных
прогибах складчатых поясов). Вещественный состав осадочного слоя
образован континентальными и относительно мелководными морскими
образованиями: известняками, доломитами, мергелями, глинами, песками и
песчаниками, алевритами и алевролитами, галечниками и конгломератами,
гипсами, ангидритами и др. породами. Помимо осадочных пород в разрезе
осадочного чехла могут участвовать магматические трапповые образования
основного состава. Скорость продольных сейсмических волн в осадочном
слое 2-5 км/с, возраст пород достигает 1,7 млрд. лет.
Консолидированная кора в верхней части разреза представлена
гранитогнейсовым (гранитно-метаморфическим) слоем, мощность которого
составляет 15-20 км на платформах и 25-30 км в горных сооружениях.
Скорость продольных волн в пределах верхнекорового слоя колеблется от 5,5
до 6,5 км/с. Нижняя часть разреза консолидированной коры (гранулитбазитовый
слой) представлена кислыми гранулитами с пластовыми
внедрениями основных пород, выраженными многочисленными
отражающими площадками (рефлекторами). Скорость продольных волн в
нижней части коры 6,4 -7,7 км/с.
Субокеаническая кора распространена вдоль континентальных
склонов и подножий континентов. Она представляет собой утоненную до 15
км, пронизанную дайками магматических пород континентальную кору.
Субконтинентальная кора – это кора энсиматических островных дуг.
Ее мощность менее 25 км, а степень консолидации более низкая, чем у
континентальной коры, что отражается в скоростях продольных волн – не
более 5-5,5 км/с.
Поверхность Мохоровичича (Мохо, М) представляет подошву земной
коры и выражена скачком скорости продольных сейсмических волн от 7,5 -
7
Стр.7
7,7 км/с до 7,9-8,2 км/с. В океанах она в некоторых местах доступна
непосредственному наблюдению и представлена переходом «полосчатого
комплекса» третьего слоя к сплошным серпентинизированным перидотитам.
Вдоль поверхности Мохо в океанах отмечены значительные смещения по
горизонтальным срывам и сильная тектонизация пород. На континентах
поверхность Мохоровичича недоступна непосредственному наблюдению.
Здесь переход от коры к мантии носит более сложный характер. В некоторых
районах выделяются несколько границ Мохо.
Верхняя мантия по сравнению с земной корой обладает менее
разнообразным составом. Верхняя часть разреза океанической мантии
образована перидотитами, в основном гарцбургитами (разновидность
перидотита, состоящая из оливина и ромбического пироксена – энстатита).
По результатам изучения включений в лавах и кимберлитах из трубок взрыва
на континентах верхи мантии также образованы в основном перидотитами,
причем как здесь, так и под океанами в верхней части это шпинелевые, а
ниже – гранатовые перидотиты. Но в континентальной мантии, кроме
перидотитов, в подчиненном количестве присутствуют эклогиты (глубоко
метаморфизованные основные породы – реликты океанской коры,
затащенные в процессе субдукции). Верхняя часть мантии вторично
обеднена кремнеземом, щелочами, ураном, торием, редкими землями и
другими, так называемыми некогерентными элементами благодаря
выплавлению из нее базальтов земной коры. Эта «истощенная»
(«деплетированная») мантия под континентами уходит на большую глубину,
чем под океанами и сменяется «неистощенной» мантией. Средний
первичный состав мантии должен быть близок к шпинелевому лерцолиту или
гипотетической смеси перидотита и базальта в пропорции 3:1, названной
австралийцем А. Е. Рингвудом пиролитом. Верхняя мантия охватывает
объем планеты до глубин около 410 км. Сейсмическая граница на этой
глубине объясняется фазовым переходом оливина в более плотную
модификацию с выделением тепла.
1.2. Литосфера, астеносфера и мезосфера. Тектоносфера
Кроме выделения оболочек по вещественному составу существует их
градация по реологическим свойствам. В этом отношении в верхних
геосферах твердой Земли выделяются литосфера, астеносфера и мезосфера.
Литосфера – это хрупкая оболочка, объединяющая земную кору и
часть верхней мантии. Ее нижняя граница по сейсмическим данным
выражена затуханием сейсмических волн. По данным магнитотеллурического
зондирования – снижением электрического сопротивления. В
гравитационном поле литосфера отделяется от подстилающей ее
астеносферы по явлению изостазии. В тепловом поле граница проводится по
изотерме 1200-1300° С. Мощность литосферы под океанами изменяется от 34
км в осевых частях срединно-океанических хребтов и до 100 км на
8
Стр.8
периферии океанов. На континентах она составляет 150-200 км и более (в
Южной Африке 350 км).
Астеносфера, как ослабленная пластичная оболочка, впервые
гипотетически была выделена американским геологом Дж. Баррелом а 1916
г. Исходным основанием для ее выделения была необходимость объяснить
гравитационную уравновешенность земной коры, обнаруженную при
измерениях силы тяжести у подножия горных сооружений. Оказалось, что
даже крупные неровности земной поверхности уравновешены на глубине.
Это явление получило название изостазии. Выделяются две модели,
объясняющие изостазию. Модель английского астронома Дж. Эри
утверждает, что горные сооружения обладают корнями, погруженными в
мантию, и изостазия обеспечивается тем, что подошва коры обладает
зеркальным рельефом по отношению к рельефу земной поверхности. В
соответствии с моделью другого англичанина Дж. Пратта подошва коры
может быть горизонтальной, а поднятые участки земной поверхности
соответствуют менее плотным частям коры по сравнению с пониженными
участками. Исследования показывают, что уравновешенность континентов и
океанов достигается комбинацией обоих механизмов – кора под океанами
тоньше и плотнее чем под континентами. Для осуществления изостатической
уравновешенности необходимо наличие на некоторой глубине пластичной
оболочки – астеносферы. Пластичность астеносферы объясняют частичным
(1-5%) плавлением вещества, при котором пленка расплава окружает твердые
зерна. Этот процесс обусловлен повышением температуры, эффект которого
на определенной глубине может превзойти эффект повышения давления,
препятствующего плавлению. Аналогичную роль может играть и снижение
давления (декомпрессия) в условиях растяжения или в областях
динамического влияния разломов. Дальнейшее повышение температуры или
снижения давления может стать причиной образования магматических камер
с базальтовой магмой или даже с магмой ультраосновного состава.
Продуктом мантийных магм являются толеитовые базальты,
образовавшиеся за счет деплетированной мантии и отличающиеся низкими
содержаниями щелочей и некогерентных элементов. Если в образовании
магмы участвует вещество, поступающее с больших глубин из неистощенной
мантии, формируются щелочные базальты, обогащенные некогерентными
элементами. Астеносфера является, таким образом, одним из главных
источников магматической деятельности на Земле. Магматические очаги
могут возникать и в коре, и в литосферной мантии, но они обычно вторичны
по отношению к астеносферным и играют подчиненную роль. Коровые
магмы имеют более разнообразный и кислый состав (до риолитов и
гранитов). Широко распространены породы, образовавшиеся в результате
взаимодействию мантийных магм с коровым веществом (диориты,
монцониты и др.). Течение астеносферы перемещает литосферные плиты.
Вязкость астеносферы изменяется по латерали, что определяется изменением
содержания расплава или аморфизацией вещества (под толстой литосферой
континентов). Мощность астеносферы может изменяться в широких
9
Стр.9
пределах. Под щитами древних платформ она составляет примерно 80 км (в
интервале глубин 220-300 км); под молодыми платформами – 150 км (в
интервале глубин от 50 км до 200 км). Максимальная толщина астеносферы
наблюдается под океанами. Литосфера и астеносфера в совокупности
образуют тектоносферу (тектосферу) – основной объект изучения
геотектоники.
Подстилается астеносфера мезосферой вплоть до глубины 410 км
(подошвы верхней мантии). Процессы в тектоносфере тесно связаны, а часто
и обусловлены процессами в глубоких геосферах планеты.
1.3. Глубокие геосферы: средняя и нижняя мантия, ядро Земли
Средняя и нижняя мантия составляют основной объем планеты. В
интервале глубин от 410 км до 660 - 670 км выделяется переходный слой от
верхней к нижней мантии (слой Голицына). На глубине 670 км
предполагается фазовый переход, обусловленный превращением оливина
(шпинели) и пироксена (граната) в метасиликат перовскит – (Ca,Mg) SiO3 и
окисел магнезиовюстит – Mg,FeO. Скачок плотности сопровождается
поглощением тепла. Допускается, что здесь же увеличивается содержание
железа. Ниже 670 км вплоть до глубины 2900 км традиционно выделяется
нижняя мантия. Но в последнее время предлагается выделение средней
мантии до глубины 1000 км, включающей и переходную зону. Еще одна
граница намечается на глубинах 1700-1900 км. Вероятно, что ниже этой
границы в составе мантии присутствуют лишь окислы Ca, Mg, Fe, Si. Вблизи
подошвы мантии выделяется слой мощностью 200-300 км, обозначающийся
индексом D´´ (д – дубль прим). Он отличается резко меняющейся толщиной
и значительной неоднородностью по латерали, позволяющей предполагать
его неоднородность как по вещественному составу, так и по реологическим
свойствами. В основании этого слоя выделяется тонкая прерывистая область
с частично расплавленного материала. Возможно, что здесь происходит
обмен веществом между ядром и мантией.
Ядро Земли по реологическим свойствам делится на внешнее и
внутреннее. Судя по затуханию поперечных сейсмических волн внешнее ядро
находится в расплавленном состоянии. В нем происходит конвективное
перемешивание, что в сочетании с вращением планеты создает ее главное
магнитное поле. Состоит внешнее ядро из железа и никеля с примесью
кремния, кислорода, серы и, возможно, калия и водорода.
Внутреннее ядро начинается на глубине около 5150 км, находится в
твердом состоянии и состоит из железа и никеля. Его поверхность неровная,
а скорость вращения несколько больше, чем скорость вращения остальных
геосфер. Средний радиус Земли составляет 6371 км и средний диаметр
внутреннего ядра составляет, таким образом, 2442 км.
Литература к разделу 1:[1,6,10]
10
Стр.10