ЛЕКЦИЯ № 10

ОСНОВНЫЕ ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ СТРУКТУРЫ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Литосферные плиты

Геологические структуры дна мирового океана

Структурные элементы материковой земной коры

Литосферные плиты

Под геологической структурой понимаются обособленные участки земной коры, разделяемые воображаемыми (предполагаемыми) или реальными границами и отличающиеся характером залегания слагающих их горных пород. В рельефе планеты крупнейшими структурами земной коры разного знака являются континенты и океанические впадины. Между ними существуют серьезные различия в строении земной коры и верхней мантии:

1. под континентами толщина земной коры составляет 35-80 км, под
океанским дном 5—10 км;

2. в разрезе земной коры континентов выделяются «осадочный», «гранитный» и «базальтовый» слои; под океанами «гранитный» слой отсутствует;

3. «астеносфера» - слой, в котором мантийное вещество частично
расплавлено, под материками залегает на глубине 150 км, под океанами -
15-150 км.

Наиболее крупными структурными элементами земной коры являются литосферные плиты - крупные участки коры, ограниченные планетарной и непрерывной системой рифтовых трещин общей протяженностью около 60 тыс. км (в 1,5 длиннее экватора). Литосферных плит на Земле немного - шесть крупных и около полутора десятков мелких (рис. 29).

Своей подошвой они опираются на вещество астеносферы и перемещаются под влиянием конвективных течений в мантии подобно льдинам в море со скоростями от 1-2 до 15-20 см/год.

Места расхождения плит вдоль рифтовых трещин называют зоной спрединга, а места схождения, столкновения – субдукцией. В местах расхождения плит в образующуюся трещину (рифтовую зону) поступает вещество мантии, которое здесь и застывает, наращивая дно океана. Когда литосферные плиты сходятся, на их границе происходит коробление земной коры, образуя крупные линейные хребты (Анды, Гималаи и др.).

Рис. 29. Рифтовые долины (пунктирные линии) и направления движения (стрелки) шести основных литосферных плит:

Геологические структуры дна мирового океана

Границы литосферных плит образуют планетарные пояса активного современного вулканизма и сейсмичности (Тихоокеанское огненное кольцо). Литосферные плиты исследуются преимущественно с геофизических позиции. В структурной геологии принята иная система классификации структурных элементов, включающих материковые и океанические блоки (табл. 7).

Таблица 7

Схема строения земной коры

Согласно этой схеме, океаны и материки – структуры первого порядка, отличающиеся как по строению и составу земной коры, так и по общей направленности геодинамических движений (нисходящее или восходящее). Структуры первого порядка делятся на структуры более мелкого порядка по двум параллельным линиям (материки и дно океанов).

На дне океанов, как структурные элементы второго порядка, выделяются; срединно-океанические хребты, океанические котловины, глубоководные желоба и островные дуги (рис. 30, 31).

Рис. 30. Гипсографическая кривая (А) и обобщенный профиль дна океана (Б)

(по О.К. Леонтьеву).

На материках по рангу им соответствуют подвижные (орогенические, складчатые) пояса и платформы.

Срединно-океанический хребет - крупнейший элемент земной коры, расположенный на границе литосферных плит; мощная горная система с ответвлениями, протянувшаяся через все океаны. Длина хребтов превышает 60 тыс. км, средняя ширина 200-1200 км (максимальная - 4000 км), отдельные вершины поднимаются над уровнем моря, образуя небольшие острова (о. Пасхи).

Рис. 31. Атлантическая подводная окраина Северной Америки: шельф, материковый склон с каньонами и материковое подножие

(из книги А. Аллиссона и Д. Пальмера).

Океанская котловина - крупная структура дна океана, обширные впадины, ограниченные материковым склоном и срединными хребтами; имеет двухслойное строение коры (осадочный и базальтовый слои), преобладают нисходящие движения.

Глубоководный океанический желоб - одна из главных одна из главных структур дна океанов на границе схождения литосферных плит (зона субдукции). Желоба представляют собой узкие, сильно вытянутые (до 2000-4000 км) прогибы глубиной до 5-11 км, которые либо примыкают к материкам (Чилийский, Перуанский, Центрально-Американский желоба), либо сочетаются с островными дугами (Алеутский, Курило-Камчатский, Зондский и др.).

Островная дуга - сложный структурный комплекс, находящийся в подвижной зоне сочленения материка и океана. С внешней (океанской) стороны островная дуга (цепь островов) ограничена глубоководным желобом, а с материковой - окраинным морем.

Островная дуга - мобильная и тектонически активная зона современного вулканизма и высокой сейсмичности. Нередко островные дуги, глубоководные желоба и окраинные моря выделяют в самостоятельную группу структурного элемента земной коры - переходная зона от материка к океану.

Структурные элементы материковой земной коры

К числу крупных геологических структур континентов относятся платформы, горно-складчатые области, подводные окраины и кольцевые структуры.

Платформа (фр. «плат» - плоский, «форм» - форма) - обширный участок материковой коры, обладающий слабой подвижностью, равнинным или платообразным рельефом Площадь платформ может достигать несколько миллионов км (Восточно-Европейская, Западно-Сибирская, Восточно-Сибирская и др.).

Обычно они имеют двухъярусное строение: осадочный чехол перекрывает более древний фундамент (рис. 12). Породы фундамента интенсивно смяты в складки, метаморфизованы. Осадочный чехол залегает на породах фундамента почти горизонтально со значительным угловым несогласием.

Области платформ с двухъярусным строением называются «плитами». Они возникают на месте выровненных эрозией складчатых областей, погрузившихся под уровень моря. К плитам относится, в частности, Туранская плита. Она охватывает обширные территории Закаспия. В областях длительного прогибания земной коры, например в Прикаспийской низменности, мощность платформенного чехла достигает 20 км.

В пределах плит различают тектонические структуры более низкого порядка, в первую очередь, антеклизы и синеклизы.

Антеклизы - это крупные пологие выпуклые тектонические структуры, осложненные сводами, впадинами, валами и прогибами. Синеклизы подобны им по внутреннему строению, но в целом являются вогнутыми структурами (рис. 12). Своды - округлые или овальные в плане приподнятые структурные элементы. Они разделяются подобными по морфологии впадинами. Своды нередко осложняются валами - узкими и длинными цепочками антиклинальных поднятий, разделенных прогибами.

В течение геологической истории Земли платформы многократно покрывались сравнительно неглубокими морями. В периоды трансгрессий и регрессий в них создавались благоприятные условия для формирования месторождений фосфоритов, бокситов и других осадоч1сых полезных ископаемых. В широко распространенных на платформах болотах и озерах накапливались бурые железные руды и угли.

Там, где фундамент не погружался под уровень моря, осадочный чехол отсутствует. И породы фундамента (граниты и др.) в настоящее время выходят на земную поверхность (рис. 32). Такие участки платформ с одноярусным строением называются щитами. Примерами щитов являются: Балтийский щит Русской платформы, Алданский щит Сибирской платформы, Канадский щит Северо-Американской платформы, Южно-Африканский щит и др. Возраст щитов составляет от 1,5 до 4,0 млрд. лет. Породы, слагающие щиты, возникли на больших глубинах в условиях высоких температур и давлений.

Рис. 32. Основные тектонические структуры платформ (по В.Е. Хаину):

1 - фундамент; 2-5 – чехол; 2 – галечники (конгломераты); 3 – пески (песчаники); 4 – глины (аргиллиты); 5 – карбонатные породы.

Подвижные горно-складчатые области, или орогены (греч. «орос» - гора, «генезис» - происхождение), разделяют платформы, возвышаясь над ними и собой систему сложно построенных горно-складчатых структур, протянувшихся на десятки тысяч километров. К орогенам приурочена большая часть вулканов. Здесь часты землетрясения. Горно-складчатые пояса имеют различный возраст. В течение длительного периода времени они разрушаются под воздействием выветривания и эрозии и превращаются в молодые платформы.

Выделяют два типа орогенических поясов - окраинные (Тихоокеанское огненное кольцо) и внутриматериковые (Альпийская система, протянувшаяся от Пиренеи и Альп через Кавказ, Копет-Даг, Гималаи и до Юго-восточной Азии). Структуры подвижных поясов характеризуются большой мощностью осадочных и метаморфических горных пород (до 10-15 км), широким развитием всех форм магматизма, образованием рудных скоплений, землетрясениями и др. Для объяснения образования орогенических поясов издавна привлекается теория геосинклиналей - длинные (сотни км) и узкие прогибы на дне океанов, ограниченные глубокими разломами в коре и заполненные мощными толщами осадочных и вулканогенных пород, подобные современным глубоководным желобам. Геосинклинали в своем развитии проходят два этапа: первый - нисходящее движение с накоплением осадочных и вулканогенных пород, второй - восходящее движение, сопровождаемое складкообразованием и магматизмом.

Геосинклинальные пояса развиваются в течение 1,5-2 млрд. лет и более. За такой отрезок времени они испытывают несколько циклов горообразования. Со временем интенсивность вертикальных движений затухает, горные сооружения постепенно разрушаются и выровненные участки присоединяются к платформам, которые изначально возникли на месте геосинклиналей: складчатый фундамент платформ - остаток выровненной экзогенными процессами геосинклинали. Процессы развития геосинклиналей существенно корректируются движением литосферных плит и это в настоящее время наблюдается по всему периметру Тихого океана.

Процессы складчатости и горообразования развивались в истории Земли не равномерно, а с определенной периодичностью: длительные отрезки времени сравнительно спокойного развития земной коры заканчивались существенным ускорением вертикальных движений в подвижных поясах (геосинклиналях) и образованием молодых горных сооружений.

Такие пары геологического развития коры принято называть тектоническими циклами. Продолжительность каждого цикла составляла 150-200 млн. лет. Сравнительно хорошо изучены тектонические циклы последнего крупного отрезка в истории развития земной коры продолжительностью 580-600 млн. лет, который называется фанерозоем (от греч. "фанерос" - явный, "зоо" - жизнь). Таких циклов выделяется (от древних к молодым) четыре: каледонский, герцинский, киммерийский и альпийский. Названия эти даны по местности, где впервые был выделен соответствующий цикл.

Каледонский цикл (от лат. названия Шотландии - Каледония) - совокупность геологических процессов (складчатость, горообразование, интрузивный и эффузивный магматизм) начала палеозойской эры (от 580 до 400 млн. л.н.), завершивших развитие древних геосинклинальных систем. К каледонидам относятся: в Европе - горы Шотландии, Скандинавии, Шпицбергена и др.; в Азии - Саяны, Горный Алтай, горы Центрального Казахстана, Монгольского Алтая и др., в Северной Америке - Аппалачи и др.

Герцинский цикл (от лат. названия Богемского леса -Герциния) - складко- и горообразование, интрузивный преимущественно гранитоидный, магматизм второй половины палеозойской эры (от 400 до 240 млн. л.н.). В результате repцинского цикла возникли складчатые гарные сооружения Урала, Сев. Кавказа, Тянь-Шаня, и др. В последующем горные сооружения большей частью разрушились и вступили на путь платформенного развития, образуя щиты или фундамент.

Киммерийский цикл (от киммерийцы - названия древних племен, населявших Причерноморье) - одна из основных эпох проявления, горообразования и интрузивного (граниты) магматизма в конце мезозойской эры (190-130 млн.л.н.). Проявился в горных сооружениях Крыма, Таймыра, Андах, Кордильерах и др.

Альпийский цикл складчатости и горообразования начался в конце мезозоя (65 млн.л.н.) и продолжается до настоящего времени. Формирование хребтов альпийского цикла сопровождается вулканизмом, землетрясениями, дислокациями. Горы этого, самого молодого, цикла обрамляют Тихий океан, а также протягиваются в широтном направлении от Атлантического до Тихого океана вдоль южных окраин Европы и Азии: Кордильеры, Анды, Альпы,

Карпаты, Кавказ, Памир, Гималаи, Сихотэ-Алинь, горы Камчатки и Чукотки и многие другие.

Горные сооружения одного цикла отделены от сооружений другого глубокими тектоническими разломами и обширными пространствами платформ. Общая закономерность также очевидна: чем моложе горные сооружения цикла, тем они выше и сохраннее. Другая закономерность заключается в том, что чем древнее горные сооружения, тем ближе к поверхности продукты магматизма, а следовательно и богаче рудными минералами.

Специфическими тектоническими структурами в пределах материков являются линеаменты (лат. «линеаментум» - линия). Это - линейные или дугообразные элементы планетарного значения, связанные с зонами крупных глубинных разломов, рассекающих земную кору на протяжении многих сотен и даже тысяч километров. С помощью космической съемки линеаменты выявлены в области горных сооружений Тянь-Шаня, Кавказа, в Центральных Альпах, в районе плато Колорадо, в районе Невады, в области Южно-Африканского кристаллического щита и т.д. Примером может служить Урало-Оманский линеамент. Он протягивается от экватора до полярных областей России. Проходит вдоль Оманского залива, омывающего восточный край Аравийской плиты, к ирано-афганской и ирано-пакистанской границам, затем пересекает юг Туркмении и вдоль Урала доходит до Российского Заполярья.

Океанское дно занимает более 2/3 поверхности Земли. Основными структурами его являются обширные океанские котловины, срединно-океанические и другие горные хребты и глубоководные желоба.

В области глубоководных желобов Тихий океан, например, отделен от материков зонами сверхглубоких разломов, уходящих на глубину до 700 км. Некоторые ученые отрицают существование принципиальных различий между земной корой континентов и океанов. Ош полагают, что океанам присущи те же структуры, что и материкам. Большая часть океанской котловины сопоставляется с континентальными платформами, а срединно-океанические хребты - с горными системами суши.

Космическими снимками на континентах установлены «кольцевые структуры», сходные визуально с метеоритными кратерами, полученными на снимках Луны и Марса. Считается, что некоторые из наблюдаемых кратеров на земной поверхности образовались в результате столкновения астероидов и их осколков с Землей. Такие кольцевые структуры названы «астроблемами» (греч. «астрон» - звезда, «блема» - рана). На Земле известно более 170 астроблем. Треть из них находится в Северной Америке и четверть - в Европе.

При столкновении метеорита с Землей возникает ударная волна. Она дробит горные породы. Подсчитано, что при образовании кратера диаметром 30-80 км энергия метеоритного удара сопоставима с энергией катастрофических землетрясений. Но в отличие от них при ударе метеорита вся энергия выделяется мгновенно, за время в 10 тыс. раз более короткое. Согласно расчетам, в момент соударения с Землей возникает давление до 10 млн. атмосфер. Почти половина высвобождающейся энергии превращается в тепло. Температура в месте падения метеорита превышает 10 000˚уС. В результате горные породы оплавляются и частично испаряются. Возникают новые минералы, которые не могут появиться на Земле при обычных условиях.

Один из первых метеоритных кратеров установлен на Земле в конце XIX в. В штате Аризона (США) между городами Уинслоу и Флагстаф расположена чашеобразная котловина Метеор, имеющая 1220 м в поперечинке и 184 м глубиной. Она возникла около 50 тыс. лет назад при ударе железного метеорита, названного Каньоном Дьявола.

В кратере и вокруг него собрано более 30 т обломков метеоритного железа. Самый крупный из них весил более 639 кг. В измененных ударом метеорита песчаниках, слагающих плоскогорье, здесь впервые на Земле были обнаружены плотная и сверхплотная формы кремнезема. Обычно кремнезем (окись кремния SiO2) находится в земной коре в виде минерала кварца с плотностью около 2,65 г/см³. В Аризонском же кратере возникли два новых минерала - коэсит (с плотностью 3,01 г/см³) и стишовит (4,35 г/см³). Для их образования требуется давление в 35 и 100 тыс. атмосфер соответственно. На поверхности Земли такие температуры и давления отсутствуют. По мнению ученых, указанные минералы могли появиться на земной поверхности только в астроблеме - древнем метеоритном кратере.

Самый древний из известных метеоритных кратеров на Земле - Суавъярви - находится в Карелии. Его возраст около 2,5 млрд. лет. Диаметр - 16 км. Самый молодой - Стерлитамакский метеоритный кратер (Башкирия) - образовался в результате падения метеорита 17 мая 1990 г. Вокруг кратера, имеющего диаметр около 10 м и глубину 5 м, собрано много обломков космического железа весом от долей грамма до 6,6 кг. По этим обломкам и размерам воронки кратера определили, что метеорит до удара имел в поперечнике около 1 м.

Одной из крупных кольцевых структур является кратер «Ришат» (Мавритания). Ее сфотографировали с американского пилотируемого космического корабля «Джемини» (1965 г.) и советского «Союз-9» (1970 г.). В 1969 г. было установлено, что около 39 млн. лет назад на севере Сибири в районе реки Попигай упал гигантский метеорит массой примерно 1 млрд. т. Он достигал в поперечнике 1-1,5 км. Здесь обнаружена огромная круглая котловина, глубина которой 0,5 км, а ширина в поперечнике достигает 100 км.

Самый большой метеоритный кратер на Земле - Чиксулуб возник около 65 млн. лет назад в Мексике на полуострове Юкатан. Его диаметр - 180 км. По- видимому, тогда с Землей встретился астероид, имеющий а поперечнике примерно 10 км. Встреча Земли с таким астероидом, по расчетам, равнозначна взрыву миллиарда таких ядерных бомб, как бомба, уничтожившая в 1945г. японский город Хиросиму.

На подходе к Земле астероид развалился на несколько обломков разного размера. Столкновение с ними оказало катастрофическое воздействие на жизнь на Земле. Гигантские взрывы вызвали землетрясения и воздушную ударную волну. Тепловое излучение сжигало все вокруг на десятки километров. Дым от пожаров, пыль и пар, выброшенные из кратеров, затмили Солнце. Это вызвало резкое долговременное похолодание. При образовании кратера Чиксулуб испарилось огромное количество ангидрита (сернокислого кальция). Вследствие этого на Землю выпал дождь из серной кислоты. На каждый квадратный километр поверхности планеты в среднем приходилось 1200 г кислоты.

Это вызвало гибель растений и животных на суше и в верхних слоях океанских вод. По мнению некоторых исследователей, именно с этой катастрофой связаны массовая гибель динозавров, летающих и плавающих ящеров, морских моллюсков, а также резкое сокращение разнообразия кораллов, фораминифер и других микроорганизмов, сильное изменение наземных растений и водорослей.