План введение элементарные тектонические структуры Классификация тектонических движений Геотектонические гипотезы

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».
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.
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]

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.
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.

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

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.
Наиболее обоснованной системой взглядов об условиях деформации складчатых поясов является гипотеза тангенциального сокращения геосинклинальных поясов во время складкообразования путем поддвигания по направлению к осевым глубинным разломам. Недавно было детально описано тектоническое строение Канадских Скалистых гор (Д. Роедер, 1967). Хорошая обнаженность и большое количество глубоких буровых скважин обеспечили надежность геологических представлений об этом районе. С другой стороны, наши сведения о строении Альп, Карпат, Аппалач, Кавказа и других горных сооружений позволяют утверждать, что Канадские Скалистые горы не являются исключением. Главные, характерные черты строения, образованные боковым сжатием, устанавливаются на том же Кавказе или Аппалачах (Г.Д. Ажгирей, 1956, 1966; Е. Жен, 1967, 1968; Дж. Роджерс, 1968) вполне отчетливо, поэтому пример формирования Скалистых гор полезно изучать каждому геологу, работающему в любой складчатой горной стране, молодой или древней.
Несомненно, столь протяженная линейная структура является отражением какой-то весьма глубинной тектонической зоны в земной коре. Такого рода структуры известны и в других складчатых поясах во всем мире, например грабен Кито в Эквадоре, центральная долина в Чилийских Андах, осевые грабены северо-восточной Суматры в Индонезии и др. До сих пор происхождение подобных больших и, следовательно, важных тектонических структур мало обсуждалось в геологической литературе.
Некоторые геологи склонны приравнивать эти грабены к грабенам Африканских рифтовых долин, что является ошибкой, судя по фактическим данным Роедера. На значительной части протяжения грабен Скалистых гор отделяет Ларамийский складчатый пояс от Невадского складчатого пояса. Мало того, на схеме распространения фаций осадочных пород в Скалистых горах в поперечном разрезе, между фациями пород, развитых к востоку и к западу от современного грабена Скалистых гор видны большие изменения и, что очень важно, на многих профилях, проведенных поперек Скалистых гор, видно резкое усиление деформации и крутое погружение слоев пород непосредственно около грабена или вблизи него.
Если принять во внимание все эти факты, можно прийти к определенному выводу, что осевой грабен Скалистых гор не простое новообразование по центру тектонического поднятия горной системы. Советская геологическая школа давно разработала принципы распознания больших глубинных разломов, являющихся характерными и важнейшими составными частями тектонической структуры практически всех складчатых и складчато-глыбовых поясов. И в данном случае молодой, плиоцен-плейстоценовый осевой грабен Скалистых гор отражает существование древнего глубинного разлома, энергично функционировавшего, судя по различиям в фациях пород по одну и другую сторону разлома, уже с докембрия. Отсюда вывод, что грабен Скалистых гор имеет геологическую историю и механизм образования, коренным образом отличающиеся от геологической истории и механизма образования грабенов типа Африканских рифтов.
Другой важнейшей особенностью строения Скалистых гор, является огромное тангенциальное сокращение ширины складчатого пояса, отражающееся в образовании многочисленных, многоэтажных тектонических покровов.
Корни всех надвиговых покровов (шарьяжей) погружаются в сторону оси горного сооружения, следовательно, не может быть речи о том, что в данном случае шарьяжи имеют гравитационное происхождение, хотя в их лобовых, фронтальных частях по мере окучивания пород могли быть местные гравитационные соскальзывания.
Механизм образования системы шарьяжей подобного типа нельзя объяснить действием сил, которые выталкивали мощные пластины пород из осевой части горного сооружения в стороны, к периферии (к подножию) гор. Такие силы не могут существовать, потому что надвиговые пластины двигались не сверху вниз под действием силы тяжести из осевой зоны растущих гор, а, наоборот, перемещались снизу вверх. Так как ширина системы надвиговых пластин от их лба до корней далеко превосходит 50 км и обычно составляет около 100 км, прочность любых пород, составляющих надвиговые пластины, недостаточна для того, чтобы передать тектонические усилия на такое расстояние (В.В. Белоусов, 1948), даже если учесть физические явления, связанные с давлением поровых вод в горных породах, существенно уменьшающих силы трения (Хабберт и Раби, 1959; Л.В. Беляков, 1968).
Отсюда неизбежен вывод, что тангенциальное сжатие и образование складчатого пояса происходят единственно возможным путем поддвигания пород, образующих фундамент складчатого сооружения, в направлении от периферии к оси подвижного пояса. Осью же подвижного пояса, как видно из профилей Роедера, является зона круто залегающего глубинного разлома (в настоящее время - грабена).
Хотя современные гипотезы складкообразования имеют в своей основе механизм поддвигания и всасывания (предложенный О. Ампферером), однако имеются и существенные отличия. Главной частью первоначальной гипотезы являлось всасывание, связанное с действием конвекционного потока. Известные в настоящее время факты вынуждают относиться с осторожностью к этой части первоначальной гипотезы. Складкообразование в каждой структурно-фациальной тектонической зоне любого крупного горного сооружения осуществляется очень быстро, геологически почти мгновенно. Затем складкообразование перемещается в другие структурно-фациальные зоны (Штилле, 1919; Фурмарье, 1932; Д. Андрусов, 1958, 1967; Ажгирей, 1960, 1969; Обуэн, 1965, 1967). Объяснить такой механизм действием конвекционных потоков затруднительно.
Кроме того, всасывание представляет подчиненный элемент деформации. Активным элементом деформации является поддвигание. Причем часто поддвигание одностороннее, отнюдь не симметрично направленное с одной и другой стороны.
Поэтому нельзя утверждать, что в результате изучения складчатых деформаций и геологической истории их развития в большом числе горных стран всего мира эмпирически установлены закономерности этих деформаций. Однако внутренний механизм, вызывающий складкообразование, пока остается загадкой Важно одно - выяснены определенные, отчетливые закономерности, позволяющие отвергать старые, мало обоснованные гипотезы, и любая удовлетворительная гипотеза должна будет считаться с обнаруженными закономерностями.