Существенные особенности мантийно-корового взаимодействия как важного фактора морфоструктурного процесса

УДК 551.24

СУЩЕСТВЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ МАНТИЙНО-КОРОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КАК ВАЖНОГО ФАКТОРА МОРФОСТРУКТУРНОГО ПРОЦЕССА

12 12

А.А. Предовский ’ , И.В. Чикирёв ’

1Г еолологический институт КНЦ РАН

2Апатитский филиал Мурманского государственного технического университета

Аннотация

На базе синтеза большого объема геологических и геофизических данных предлагается вариант нового подхода к интерпретации морфоструктурного процесса. В качестве определяющего фактора этого явления рассматривается механизм взаимодействия вертикальных и горизонтальных энергомассопотоков, реализующихся в зоне перехода кора-мантия, который возбуждается под влиянием глубинных флюидов-теплоносителей, поступающих в мантию и кору по долгоживущим линеаментным зонам. Приводятся примеры и обобщенная модель мантийно-корового взаимодействия.

Ключевые слова:

морфоструктуры, мантийно-коровое взаимодействие, энерго-массопотоки,

долгоживущие глубинные линеаментные зоны.

Область перехода от коры к мантии является ареной взаимодействия вертикальных и горизонтальных энергомассопотоков. Результаты взаимодействия имеют гравитационное выражение и фиксируются в тектоническом плане в рождении морфоструктур. Относящиеся к этому направлению фактические данные и интерпретации рассеяны в многочисленных публикациях и крупных сводках [1], анализ которых не входит в задачу данной работы. Авторы предлагают свои варианты подхода к главным особенностям мантийно-корового взаимодействия, перекликающиеся с идеями Е.В. Артюшкова [2, 3], но в аспекте происхождения морфоструктур в связи с новыми представлениями о глобальной системе глубинных долгоживущих линеаментных зон (ДЛЗ) и иерархически подчиненных им региональных и локальных разломных систем [4, 5].

Адекватное понимание сущности многих тектонических процессов, происходящих на коровом уровне, по глубокому убеждению авторов достижимо при соблюдении, по крайней мере, четырех следующих условий.

1. Признание необходимости комплексного использования двух базовых моделей вертикального деления земной коры: традиционной геофизической (в составе слоев - осадочного, гранитно-метаморфического и гранулит-базитового) или вариантов этой модели и геоисторической. Данный вопрос был недавно рассмотрен в специальной публикации [6]. Схема геоисторического деления коры показана на рис. 1, а сопоставление результатов того и другого подхода - на рис. 2.

2. Активное вовлечение в обиход геолого-геофизических исследований структурнотектонических и геоисторических (эволюционных) проблем представления о сиалической протокоре Земли, возникшей в гадейское, доархейское время на последней стадии аккреции нашей планеты и являющейся древнейшим фундаментом стратисферы. Последняя объединяет все супракрустальные толщи земной коры (от архея до четвертичного) и является главной и единственной книгой геологической истории Земли, хранящей достоверную память о необратимой эволюции процессов породообразования, развития континентов и океанов, их строения и рельефа, минерагенических процессов, что имеет теоретическое и прикладное значение, в том числе для обеспечения выживания человечества.

Проблемы стратисферы и сиалической протокоры были предварительно рассмотрены авторами в ряде публикаций [6-8].

3. Признание реальности существования переходной зоны кора-мантия при сохранении представления о границе Мохоровичича, котрая имеет четкое геофизическое обоснование. Суть дела заключается в том, что поверхность залегания стратисферы на сиалической протокоре стационарна. Она может быть опознана и зафиксирована несмотря на ряд трудностей, связанных с

деформациями, метаморфическими и ультраметаморфическими процессами архея и раннего протерозоя. А поверхность Мохоровичича, как граница фазового перехода, может перемещаться (или разбиваться на промежуточные ступени) в зависимости от меняющихся термодинамических условий в низах коры и верхах верхней мантии. Примеров этого в геолого-геофизической литературе достаточно. Предлагаемое решение о выделении переходной зоны не противоречит традициям изучения глубинных зон Земли. В объем переходной зоны могут быть включены «гранулит-базитовый слой» и часть прилегающей к нему верхней мантии (рис. 2).

Рис. 1. Принципиальная схема геоисторического деления земной коры по [9]:

1 - верхняя стратисфера (включая базальты океана); 2 - нижняя стратисфера;

3 - сиалическая протокора; 4- гранулит-базитовый слой; 5 - вода океана;

6 - граничный разлом Беньофа-Заварицкого

4. Выделение и детальное комплексное геолого-геофизическое изучение переходной зоны кора-мантия актуально еще и потому, что оно требует реального и интенсивного сотрудничества геологов и геофизиков, которое в настоящее время недостаточно развито. Оно крайне необходимо, так как в обсуждаемой переходной зоне и ее обрамлении реализуются процессы вертикального и горизонтального движения масс горных пород, определяющего развития морфоструктур различного масштаба, в свою очередь контролирующих размещение месторождений ряда полезных ископаемых. Обсуждение некоторых причин и главных особенностей тектонических процессов, происходящих в переходной зоне и выше ее, составляет содержание дальнейшего текста.

На настоящем этапе исследований проще всего начать с обращения к некоторым изученным авторами примерам. Один из таких примеров - попытка объяснить механизм формирования гигантских петель Земли как самостоятельного класса криволинейных тектонических морфоструктур [9]. Результаты исследования (рис. 3) кратко сводятся к следующему.

1. Объектом анализа, проводившегося по литературным данным, явились крупнейшие петлевые морфоструктуры: Антильская (или Карибская) и Южно-Антильская (или моря Скоша), имеющие серьезные отличия от классических островных дуг, к которым они обычно относятся. В основу работы были положены географические, океанографические, геофизические (сейсмика, гравика), тектонические и стратиграфические данные.

2. Изученные объекты формировались длительно, на протяжении альпийского (в широком смысле этого понятия) этапа эволюции Земли. Их развитие продолжается и в настоящее время.

3. Основными рабочими элементами механизма образования гигантских петель, по-видимому, являются: пересекающиеся ДЛЗ (см. рис. 3), одна из которых, наиболее активизированная, служит каналом восходящего транспорта глубинных теплоносителей, вызывающих разуплотнение мантийного вещества и поднятие мантийного диапира на уровень коры; мантийный диапир (он легче мантии, но тяжелее корового материала) начинает растекаться, расталкивает коровые толщи и формирует тело петли (цепи островов); возникают поля гравитационных аномалий (положительные внутри петли и отрицательные по ее периферии (из-за скучивания корового вещества).

Геофизические слои Геоисторическое деление

Осадочный слой Верхняя стратисфера

Гранитно-метаморфический слой

Нижняя стратисфера

Сиалическая протокора

Гранулит-базитовый слой граница Мохоровичича Гранулит-базитовый слой и переходная зона к верхней мантии

Верхняя мантия

Верхняя мантия

Рис. 2. Схема сопоставления геофизического и геоисторического деления земной коры по А.А. Предовскому, А.О. Полушкину [6]. Важнейшая в геоисторическом аспекте внутрикоровая граница, разделяющая доархейскую сиалическую протокору и залегающую на ней нижнюю стратисферу, показана двойной линией

4. Продольная асимметрия высоты подъема мантийного диапира вызывается взаимодействием ДЛЗ. Оно мощнее вблизи их пересечения.

5. Важно подчеркнуть, что область замыкания петель отличается многократными нарушениями из-за того, что там тело петли пересекается активной продольной ДЛЗ. Там же чаще всего проявляется вулканизм, в том числе и современный. Всё рассматриваемое относится к специфике новейшего, мезокайнозойского (альпийского) этапа развития Земли.

Другим, важным для настоящего обсуждения примером являются особенности строения и развития петлевых структур, расположенных в пределах складчатых (геосинклинальных) зон мезокайнозоя Средиземноморского пояса. Эти криволинейные структуры, как и предыдущие, именуются по традиции дугами, хотя по особенностям строения это типичные петли. Важно подчеркнуть, что для проведения анализа нами были взяты классические исследования, и особенно работы 1970-х - 1980-х гг., авторы которых однозначно стояли на позициях неомобилизма. Естественно, что анализировался только фактический материал, содержащийся в этих фундаментальных трудах. Он был рассмотрен в свете развиваемой авторами данного сообщения концепции существования глобальной системы ДЛЗ. Для краткости изложения здесь приводятся только выводы и предложения, имеющие прямое отношение к обсуждаемой проблеме. Полностью полученные нами результаты предполагается опубликовать позднее. Наиболее существенные выводы отражены на рисунках 4 и 5. К ним необходим ряд пояснений, приводимых ниже.

Петлевые структуры Средиземноморского складчатого пояса (рис. 4) были выделены в ХХ в. и именовались дуговыми или дугами. Мы интерпретируем их в соответствии с полученными нами ранее результатами [9] и связываем их развитие с двумя системами контролирующих ДЛЗ -продольной и поперечной. Можно думать, что не все существующие поперечные ДЛЗ показаны на рисунке 4. Ситуация нуждается в уточнении, особенно в западной, краевой части пояса.

Поразительным является сходство двух явлений, отраженных на рисунках 3 и 5. Первое из них - это показанное стрелками на рис. 3 направление растекания вещества мантийного диапира, поднявшегося на коровый уровень. Следствием этого и явилось рождение петли, построенной из корового материала, пережившего горизонтальный транспорт под давлением растекавшегося мантийного диапира. Второе -видимые на рисунке 5 направления тектонического транспорта в надвиговых и шарьяжных, т.е. близповерхностных структурах петлевых образований западной части Средиземноморского складчатого пояса. Следует иметь в виду, что рисунок 5 это буквальное воспроизведение схемы К.А. Де Джонга [10],

дополненное нами очертаниями петлевых структур, которые тоже были под названием дуг описаны в эпоху классических исследований 1950-х - 1980-х годов, но объяснялись с позиций неомобилизма - тектоники движущихся литосферных плит. Анализ текстов и карт тех времен показывает, что наши предшественники видели разнообразные проявления основного мантийного материала в глубоких частях исследуемых структур, но, в отличие от данной работы, трактовали их как реликты океанического дна, офиолиты и т.п., т.е. как одно из следствий, а не как признаки причин процессов тектонического транспорта масс пород.

Рис. 3. Обобщенные особенности возможного механизма образования петлевых структур:

1 - долгоживущие линеаментные зоны (ДЛЗ); 2 - направление и относительный масштаб подъема разуплотненного мантийного материала по плоскости активизированной ДЛЗ; 3 - область неравномерного по объему проникновения мантийного вещества в кору; 4 - направление растекания в коре поднявшегося подплавленного мантийного вещества (стрелки); 5 - коровое вещество петли, возникшей в связи с растеканием мантийного диапира и оттеснением им более легкого корового материала Примечание. Схема 1 - объемная модель диапира, возникающего на пересечении возбужденной и стабилизированной ДЛЗ на момент, предшествующий его растеканию; схема 2 - проекция на уровень поверхности Земли системы из пересекающихся ДЛЗ, мантийного диапира

и зарождающейся петли

Совпадение рисунков тектонического транспорта (якобы под влиянием движения плит) и нашей интерпретации петель как следствия растекания вещества мантийных диапиров на глубине, на базе многих новых данных и возникшего представления о ДЛЗ необходимо истолковать в пользу развиваемых нами представлений о механизме мантийно-корового взаимодействия. Можно предположить, что авторы материалов ХХ века находились под влиянием концепции, которая по качеству была намного хуже, чем полученные этими авторами фактические данные, сохраняющие свою ценность и на сегодняшний день. Для того чтобы убедиться в этом читателю достаточно вернуться к упоминавшейся выше статье К.А. Де Джонга [10], в заключительной части которой он пытается объяснить разнообразие направлений тектонического переноса породных масс надвиговых и шарьяжных блоков на мезокайнозойском этапе развития исследованной области с позиции движения крупных литосферных плит и видит непреодолимые противоречия. Множественность же этих направлений несовместима с неомобилизмом (см. рис. 5), так как эта множественность связана с существованием в данной области более десятка структурных петель, каждой из которых соответствует своя схема меняющихся направлений тектонического транспорта, определяемая конфигурацией и горизонтальным растеканием вещества поднимающихся мантийных диапиров.

Отметим, что Средиземноморский складчатый пояс замечателен тем, что активные горизонтальные движения вещества (тектонический транспорт) охватывают средние и верхние части коры и проявлены на поверхности ее (шарьяжи), хотя главный фактор их реализации в вертикальном движении вещества разуплотненной верхней мантии (мантийных диапиров).

Европа

Рис. 4. Принципиальная схема соотношения в пространстве существенных элементов тектоники западной части Средиземноморского складчатого пояса (с использованием материалов [10]).

1 - долгоживущие линеаментные зоны (ДЛЗ), контролирующие главные структуры геосинклинального

пояса; 2 - петлевые структуры (1 - Альпийская, 2 - Карпатская, 3 - Балканская, 4 - Эгейская,

5 - Гибралтарская, 6 - Испанская, 7 - Тирренская); 3 - поперечные к подвижному (геосинклинальному) поясу ДЛЗ одного из трендов глобальной системы; 4 - номера петлевых структур

Петлевые структуры, как показывает изучение геологической, геолого-геофизической и геоморфологической литературы, карт и современных атласов, широко распространены в складчатых (геосинклинальных) поясах Земли, практически на всех континентах и во всех случаях у них проявлены многие из отмеченных выше признаков, если они хоть сколько-нибудь изучены.

Третий пример, существенный для рассмотрения проблемы ведущих факторов морфоструктурного процесса, - это пример специфики морфоструктурного развития крупных шельфов Земли, в особенности гигантского Арктического супершельфа, приуроченного к периферии Арктического глобального сегмента [5, 11]. Эволюция морфоструктурных процессов в пределах Арктического шельфа России исследовалась начиная с работ И.П. Герасимова, Ю.А. Мещерякова,

В.Д. Дибнера [12].

В настоящее время появились перспективные исследования - Б.В. Сенина, Э.В. Шипилова и А.Ю. Юнова [13], Э.В. Шипилова и Г.А. Тарасова [14], базирующиеся на большом фактическом материале и отражающие поиск авторами, независимо от господствующих концепций, пути интерпретации этого материала.

Появились материалы по региональным международным геолого-геофизическим профилям, позволившим построить сейсмогеологическую модель литосферы Северной Европы [15, 16] и другие содержательные издания подобного рода, в том числе и издания прошлых лет [17]. Проведенный нами предварительный анализ названных работ показал, что на их основе могут быть созданы новые подходы к пониманию факторов морфоструктурных процессов, важных для освоения известных и прогнозирования новых перспективных площадей развития углеводородных месторождений. И не только углеводородных, т.к. вообще область Арктического шельфа и перехода к континентальному обрамлению отличается повышенной интенсивностью минерагенических процессов [18]. Во всяком случае, у нас появились новые интерпретации заложения и механизма развития крупных нефтегазоносных трогов Карско-Баренцевоморской продуктивной провинции, которые предполагается отдельно опубликовать и которые связаны с тем, что изложено выше.

Рис. 5. Фактически установленные направления тектонического транспорта в надвиговых и шарьяжных образованиях петлевых (дуговых) структур западной части Средиземноморского складчатого пояса (по материалам [3] с дополнениями). 1 - петлевые структуры (1 - Альпийская, 2 - Карпатская, 3 - Балканская, 4 - Эгейская, 5 - Гибралтарская, 6 - Испанская, 7 - Тирренская); 2 - направления тектонического транспорта; 3 - номера петлевых структур

В заключение предлагается обобщенный модельный вариант мантийно-корового взаимодействия, контролирующего морфоструктурные процессы, в котором определяющую роль играют ДЛЗ или иерархически подчиненные им разломные системы (рис. 6). К рисунку необходимы пояснения.

Рис. 6. Обобщенная модель мантийно-корового взаимодействия с участием вертикальных и горизонтальных энерго-массопотоков при определяющей роли активизированной ДЛЗ:

1 - поверхность Мохоровичича; 2 - уровни возможного всплывания вещества разуплотненной мантии (мантийного диапира); 3 - переходная зона мантия-кора, включающая «гранулит-базитовый слой» и верхи верхней мантии; 4 - сиалическая протокора; 5 - метаморфический слой (нижняя стратисфера); 6 - верхняя стратисфера; 7 - направления горизонтального пластического «растекания» мантийного диапира и расталкивания им и скучивания корового материала; 8 - контур возможного прогибания в верхней стратисфере; 9 - ДЛЗ; 10 - направление транспорта глубинных и сверхглубинных флюидов-теплоносителей и сопровождающих веществ

Обобщенный вариант является в связи с этим и упрощенным: он показывает систему на базе одной работающей ДЛЗ (обозначение 9). При активизации ДЛЗ, которая управляется глубинными явлениями (а те в свою очередь определяются космическим сценарием, который будет понят не скоро), в разном темпе и масштабе происходит подъем по ДЛЗ глубинных и сверхглубинных (из области внешнего ядра) флюидов-теплоносителей и сопровождающих веществ (обозначение 10).

Теплоносители (или теплоноситель) обуславливают нагрев и разуплотнение вещества верхней мантии, что приводит к рождению мантийного диапира и его всплыванию, пересечению границы Мохоровичича (с нарушением его целостности - что обычно отражается и в волновых полях) и подъему на уровень переходной зоны или выше - до уровня сиалической протокоры и нижней стратисферы.

Следствием подъема диапира является его горизонтальное растекание (обозначение 7), т.е. смена направления энерго-массопотока. Она происходит из-за того, что вещество диапира в общем тяжелее корового материала.

При значительных масштабах растекания и расталкивания корового материала возникает возможность проседания слоистых толщ стратисферы, т.е. возникают прогибы разного масштаба. В их обрамлении возможно поднятие скученного корового вещества, в том числе и на поверхности. Пример - острова периферии гигантских петлевых структур.

Охарактеризованная обобщенная и упрощенная модель мантийно-корового взаимодействия описывает вариант возникновения прогибов (синклиналей, трогов). Сложнее выглядит переход к стадии инверсии прогибов крупных подвижных поясов (или геосинклинальных зон). Но это самостоятельная тема для обсуждения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Фундаментальные проблемы общей тектоники. М.: Научный мир, 2001. 519 с. 2. Артюшков Е.В. Геодинамика. М.: Наука, 1979. 327 с. 3. Артюшков Е.В. Физическая геотектоника. М.: Наука, 1993. 455 с. 4. Предовский А.А. К проблеме основных элементов тектонического развития Земли: какова альтернатива новой глобальной тектоники литосферных плит // Межвузовский сборник трудов научно-технической конференции «Наука и образование - 2003». Мурманск: Изд-во МГТУ, 2о0з. С. 223-227. 5. Предовский А.А. Об одной проблеме геологического сознания: насколько же важна разломная тектоника? // Тиетта. 2009. № 2 (8). С. 15-19.

6. Предовский А.А., Полушкина А.О. Вариант геоисторического деления земной коры и возможности его согласования с традиционным геофизическим // Тиетта. 2010. № 2 (12). С. 12-16. 7. Предовский А.А. Методические указания к процедуре геохимической реконструкции первичной природы регионально метаморфизованных горных пород. Мурманск: Изд-во МГТУ, 2008. 8. Предовский А.А., Чикирёв И.В. Проблема стратисферы Земли: когда началась собственно геологическая история планеты // Фундаментальные проблемы геологии Кольского п-ова и шельфа Баренцева моря. Межвузовский сборник трудов научно-технической конференции «Наука и образование - 2008». Мурманск: Изд-во МГТУ, 2008. С. 202-206. 9. Предовский А.А. и др. О возможном механизме развития гигантских структурных петель Земли / А.А. Предовский, И.В. Чикирёв, Н.С. Абмаева // Межвузовский сборник трудов научно-технической конференции «Наука и образование - 2010». Мурманск: Изд-во МГТу, 2010. С. 246-249. 10. Де Джонг К.А. Альпийская система Средиземноморской области // Сила тяжести и тектоника. Фундаментальные труды зарубежных ученых по геологии, геофизики и геохимии. М.: Мир, 1976. С. 141-153. 11. Предовский А.А. Глобальные сегменты - главные структурные элементы внешних оболочек Земли // Тиетта. 2010. № 1 (11). С. 14-16. 12. Дибнер В.Д. Морфоструктура шельфа Баренцева моря. Л.: Недра, 1978. 211 с. 13. Сенин Б.В., Шипилов Э.В., Юнов А.Ю. Тектоника Арктической зоны перехода от континента к океану. Мурманск: книжное издательство, 1989. 176 с. 14. Шипилов Э.В., Тарасов Г.А. Региональная геология нефтегазоносных бассейнов Западно-Арктического шельфа России. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1998. 306 с. 15. Сейсмогеологическая модель литосферы Северной Европы: в 2 ч. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1998. Ч. 1. 236 с. 16. Сейсмогеологическая модель литосферы Северной Европы: в 2 ч. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1998. Ч. 2. 204 с. 17. Сейсмические модели литосферы основных геоструктур территории СССР. М.: Наука, 1980. 184 с. 18. Российская Арктика. Геологическая история, минерагения, экология. СПб.: ВНИИ Океангеология, 2002. 958 с.

Сведения об авторах

Предовский Александр Александрович - д.г.-м.н., профессор, ведущий научный сотрудник, e-mail: kafgeol@afmgtu. apatity.ru

Чикирёв Игорь Владимирович - к.г.-м.н., научный сотрудник, e-mail: chikiryeviv@afmgtu.apatity.ru