Трицкий. общая геология. лекция.тема 2

Считалось, что на глубине 7,5 км скважина должна была пересечь границу Конрада и далее углубиться в «базальтовый» слой. Однако, пройдя до 12261 м она так и не вышла из «гранитного» и ниже ожидаемой поверхности вплоть до забоя скважины (12261 м) были встречены породы не соответствующие предполагаемому составу «базальтового» слоя (рис.3.9.).

. Это явилось одной из причин ревизии представлений о двухслойной петрологической модели земной коры, ее делении на гранулит-базитовый и гранитогнейсовый слои.На основе этих материалов был сделан вывод о том, что горизонтальная расслоенность коры, выделение в ее составе, прежде всего, «базальтового» и «гранитного» слоев, разделенных поверхностью Конрада, обусловлена не сменой петрохимического состава пород, а их физическим состоянием, различными прочностными и реологическими свойствами.

Рис.2.24.Общий вид Кольской сверхглубокой скважины

В ряде мест (Альпы, Пиренеи, Скандинавия, Аравия и др.) изучены обнажения пород, которые по скоростным (6,5-6,6 км/сек) и плотностным (2,7-2,8 г/см3) характеристикам относят к самым нижним частям континентальной коры и верхам мантии. Нижняя кора представлена гранулитами, гнейсами, гранатсодержащими и безгранатовыми амфиболитами. Малые количества водосодержащих минералов, обусловливают высокие плотность и скорость прохождения сейсмических волн. Лабораторное изучение реологических свойств этих пород нижней коры и сравнение их с основными породами океанической коры при

31

одних и тех же Р-Т условиях указывает на большие различия в реологии континентальной и океанической коры.

Океаническая кора оливинового состава по сравнению с кварцполевошпатовой континентальной корой оказывается более прочной. Особенно это касается нижних частей земной коры, где температура невысока, а давление соответствует большой глубине. В этих условиях кварц-полевошпатовые породы становятся податливыми и при приложении напряжений способны к пластическому течению с образованием зон рассланцевания.

Поэтому в настоящее время общепринято разделение континентальной коры на верхнюю хрупкую и пластичную нижнюю, что является важным вкладом в теорию литосферных плит. Положение о существовании квазипластичной астеносферы и жесткой литосферы дополняется появлением нового квазипластичного горизонта астенослоев и астенолинз в нижней части континентальной коры. Континенты, будучи впаянными в литосферу, совершают горизонтальные перемещения, подчиняясь законам геодинамики литосферных плит. Одновременно внутри континентальных блоков земной коры, особенно в условиях конвергенции и коллизии, стрессовые напряжения реализуются в образование субгоризонтальных и наклонных срывов с сопровождающими их шарьяжами и надвигами, т.е. в образование покровно-складчатой структуры орогенных поясов и фундамента платформ.

Рис.2.25.Разрез Кольской сверхглубокой скважины (по В.С.Ланеву, М.С.Русанову, Ю.П.Смирнову, упрощенно): 1 - авгитовые диабазы с прослоями пироксеновых и пиркитовых порфиритов; 2 - туфы и туффиты основного состава; 3 - филлиты, алевролиты с прослями туфов; 4 - ритмично-слоистые песчаники с подчиненными алевролитами и филлитами; 5 - актинолитизированные диабазы; 6 - доломиты, аркозовые песчаники; 7 - серицитовые сланцы; 8 - метадиабазы; 9 - доломиты, полимиктовые песчаники; 10 - диабазовые порфириты и сланцы по ним; 11 - полимиктовые

32

конгломераты, гравелиты; 12 - биотит - платиоклазовые гнейсы; 13 - мигматизированные и гранитизированные биотит-плагиоклазовые гнейсы; 14 - магнетит-амфиболовые сланцы; 15-17 - интрузивные образования (15 - андезитовые порфириты, 16 - верлиты, 17 - габбро-диабазы); 18 - тектонические нарушения. Толщи: I, III, V, VII - мусковит-биотит-плагиоклазовых гнейсов (андалузит, ставролит, силлиманит, гранат) с телами амфиболитов; II, IV, VI - биотит-плагио-клазовых гнейсов, биотит-амфибол-плагиоклазовых гнейсов и амфиболитов

Рис.2.26.Изменение химического состава пород, вскрытых Кольской сверхглубокой скважиной. Обратите внимание на содержание кремнезема-главного показателя типов пород. В предполагаемом ранее «базальтовом слое» содержание двуокиси кремния составило 65-75 %, что соответствует сотаву кислх пород гранитного ряда.Тем самым были пересмотрены прежние представления о делении континентальной коры на «базальтовый» и «гранитный» слои.

33

Рис.2.27.Стандартный разрез континентальной коры

Обоснование двухслойного строения разрезов земной коры континентов, выделение в ее составе хрупкой верхней и относительно квазипластичной нижней позволило объяснить сосредоточение очагов землетрясений в верхней коре, дисгармонию складчатых структур коллизионных областей и многих других явлений, обусловленных изменениями реологических свойств разреза. Именно это послужило основой совершенствования общей теории тектоники литосферных плит, т.е. их двухуровенной геодинамики (Л.И.Лобковский).

Химический состав земной коры.Верхняя каменная оболочка Земли— земная кора—сложена различными по составу и происхождению горными породами. Любая горная порода представляет собой определенное сочетание минералов, являющихся, в свою очередь, химическими элементами или их природными соединениями.Таким образом, вещество земной коры в порядке усложнения степени его организации образует иерархический ряд: химический элементминерал—горная порода.Именно в такой последовательности и рассматривается ниже вещественный состав земной коры.

Наиболее достоверные сведения о химическом составе земной коры относятся к ее верхней части (до глубины 16-20 км), доступной для непосредственного изучения. Проблемами химического состава, закономерностями его изменения в пространстве и во времени занимается сравнительно молодая еще наука геохимия.По

34

данным современной геохимии, в земной коре установлено 93 химических элемента. Большинство из них являются сложными, то есть представлены смесью различных изотопов. Лишь 22 химических элемента (например, натрий, марганец, фтор, фосфор, золото) не имеют изотопов и поэтому называются простыми.

Распределены химические элементы в земной коре крайне неравномерно.Первые серьезные исследования, касающиеся распространенности химических элементов, принадлежат американскому геохимику Ф. Кларку. Путем математической обработки имевшихся в его распоряжении результатов 6000 химических анализов различных горных пород Ф. Кларк установил средние содержания в земной коре 50 наиболее распространенных химических элементов. Данные Ф. Кларка, опубликованные впервые в 1889 г., впоследствии уточнялись многими исследователями:.В знак особой заслуги Ф. Кларка перед геохимической наукой средние содержания химических элементов в земной коре называют клар-ками и выражают в весовых, атомных или объемных процентах. Наиболее часто используют весовые кларки элементов. В табл. приведены кларки наиболее распространенных элементов земной коры по данным различных исследователей.

Приведенные данные показывают, что главными элементами-строителями земной коры являются О, Si, Al, Fe, Ca, Na, К, Mg, составляющие более 98 % ее веса. Ведущее место среди них принадлежит кислороду, на долю которого приходится почти половина массы земной коры и около 92 % ее объема. По преобладающим химическим элементам земную кору иногда называют сиалической оболочкой.

Распространенность химических элементов связана с их положением в периодической системе. Как отмечал еще Д. И. Менделеев, наиболее распространенные элементы земной коры располагаются в начале периодической системы. С увеличением порядкового номера распространенность элементов неравномерно убывает.Так, среди первых 30 элементов кларки редко опускаются ниже сотых долей процента и чаще выражаются в десятых долях или даже в целых процентах. У остальных элементов преобладают малые кларки, которые лишь очень редко поднимаются до тысячных долей процента.Таким образом, в земной коре явно преобладают легкие элементы, что отличает ее от других внутренних геосфер, более бедных этими элементами и обогащенных тяжелыми металлами.

Весовые кларки наиболее распространенных химических элементов земной коры

35

Взаимосвязь между кларками химических элементов и их положением в периодической системе позволяет предположить, что одной из основных причин различной распространенности химических элементов в земной коре являются строение и энергетическая устойчивость ядер их атомов.

Следует отметить, что наши представления о распространенности химических элементов не всегда согласуются с истинными значениями их кларков. Например, такие обычные элементы, как медь, цинк, свинец, имеют кларки во много раз меньшие, чем считающиеся редкими цирконий, ванадий. Причиной такого несоответствия является различная способность химических элементов к образованию значительных концентраций в земной коре—месторождений. Эта способность определяется их химическими свойствами, зависящими от структуры внешних электронных оболочек атомов, а также термодинамическими условиями земной коры.

Химический состав земной коры изменяется в течение геологического времени, причем эта эволюция продолжается по сей день. Основными причинами изменения химического состава являются:процессы радиоактивного распада, приводящие к самопроизвольному превращению одних химических элементов в другие,более устойчивые в условиях земной коры. Согласно расчетам В. И. Вернадского, в современную эпоху только за счет ядерных превращений ежегодно обновляют свой химический состав 106- 1010 т вещества земной коры;поступление метеорного вещества в виде метеоритов и космической пыли (16 тыс. т. ежегодно);продолжающиеся

36

процессы дифференциации вещества Земли,приводящие к миграции химических элементов из одной геосферы в другую.

Атомы химических элементов в земной коре образуют разнообразные сочетания друг с другом, главным образом химические соединения. Формы их нахождения достаточно многообразны, однако основной формой существования химических элементов в земной коре является минеральная. При этом в одних случаях они образуют самостоятельные минеральные виды, в других — входят в кристаллические решетки других минералов в виде примесей.

Тепловой поток. Земля-тепловая» машина». Любой геологический процесс связан с источником энергии. Тепловая энергия необходима для образования магмы, без нее не могут протекать процессы метаморфизма. Землетрясения, как и разломы, не могут возникать без накопления потенциальной энергии. Поднятия горных хребтов, движения литосферных плит немыслимы без связи этих процессов с мощнейшими источниками энергии. Каковы эти источники, где они находятся и каким способом эта энергия доставляется к поверхности?

Земля генерирует энергию в своих недрах, что является первопричиной развития различных эндогенных геологических процессов. Тепловая энергия ответственна за магматизм и метаморфизм и связанных с ними образованием рудных полезных ископаемых. Трансформация энергии в кинетическую обуславливает круговорот вещества мантии и связанных с ним тектонических деформаций, землетрясений, ростом гор и множества других процессов.

Тепловой поток. Наиболее объективным показателем режима генерации тепловой энергии является тепловой поток. Он представляет расходную часть тепловой энергии, которая теряется Землей. Современная скорость потери тепла с поверхности Земли составляет примерно 4 1013 Вт в год. Из них 75% приходится на океаны и около 25% - на континенты.

Распределение температуры в Земле. Почти всегда температура пород увеличивается с глубиной. Показателем этих изменений служит геотермический градиент (dT/dZ ,(где Z - глубина). В невулканических областях суши он равен примерно 30С на 100м. Однако многочисленные примеры показывают, что значения геотермического градиента могут меняться в широких пределах, что зависит от интенсивности теплового потока.

37

Рис.2.28.Изменение интенсивности теплового потока (температуры) в различных тектонических структурах

По разным оценкам температура в разрезе Земли составляет в кровле астеносферы по солидусу перидотита от 1150 до 13500С, на глубине 400 км она близка к 15000С. В основании нижней мантии (400-700 км), где происходят фазовые переходы минералов, температура оценивается от 1500 до 19000С. На границе мантии и ядра, если судить по жидкому состоянию железа во внешнем ядре, температура находится в интервале 3000-38000С и внешнего и внутреннего ядра (40000С).

Районирование современного геотермического поля Земли. Различные масштабы генерации тепловой энергии, закономерное распределение генерирующих центров в разрезе мантии находит свое зеркальное отражение в современном геотермическом поле Земли, что подчеркивает особенности тектонического строения и геодинамический режим литосферы и коры. Геодинамический режим мантии особенно наглядно проявляется в распределении теплового потока (рис 4.5).

38

Рис.2.29.Схема плотности теплового потока в Тихом, Атлантическом и Индийском океанах, Северной и Южной Америке и Африке (Л.Э Левин): Интенсивность теплового потока в Вт/м2, 1- более 80 в океанах и на континентах, 2-3- в океанах (2-80- 26, 3- менее 26), 4-5- на континентах (4-8-26, 5- менее 26), 6- экстремально высокие (более 80) в океанах и на континентах, 7-8- экстремально низкие (менее 26), 7- в океанах, 8- на континентах, 9 - зоны субдукции, 10 - континентальный склон

Глобальное распределение теплового потока крайне неравномерное, а его значения меняются в широких пределах от крайне низких (20 Вт/м2 и менее) до крайне высоких, ураганных (350 Вт/м2 и более). Важнейшим элементом теплового поля является глобальная система экстремально высоких тепловых потоков, совпадающих с положением мировой системы срединноокеанских хребтов и рифтовых поясов. К их числу относятся Атлантик-Антарктический и ИндоокеанскоТихоокеанский пояса термических аномалий, а также их продолжение на континентах в составе Западно-Американской (область Бассейнов и Хребтов) и ВосточноАфриканской рифтовых систем. Их тепловой поток составляет более 80 Вт/м2. Срединноокеанические аномалии сопровождаются апофизами высокого теплового потока вдоль трансформных разломов, рассекающих срединноокеанические хребты. Особую группу экстремальных аномалий, обособляющихся в виде пятен, составляют

вулканические хребты, типа Гавайско-Императорских подводных гор. Их тепловой поток также может превышать 80 Вт/м2.

Следующая категория аномалий совпадает с активными континентальными окраинами. Они образуют глобальную кольцевую систему, окружающую Тихий океан. Его западная окраина включает вулканические островные дуги (Камчатка, Япония, Филиппины и др.) и задуговые котловинные моря типа Японского, Филиппинского и др. Тепловые потоки здесь могут достигать ураганных значений, что особенно наглядно проявляется в районах действующих вулканов. Вдоль восточной окраины океана высокие тепловые потоки образуют ЗападноАмериканский пояс, включающий поднятия горных систем Кордильер и Анд. Здесь также максимальные значения потоков приурочены к районам активного вулканизма. Внутри континентов аномальным термическим полем характеризуются внутриконтинентальные горные системы. Их представителем является АльпийскоГимайлайский складчатый пояс, протягивающийся по югу Евразии от Атлантики до Тихого океана. Его апофизом служит Центрально-Азиатская горная система, включающая Тянь-Шань, Алтай, Саяны, поднятия Монголии, вплоть до Прибайкалья и Забайкалья. Тепловой поток горных систем дифференцирован (рис.2.12.). Наряду с аномально высокими значениями теплового потока (60-80 Вт/м2) выделяются изометрические поля с потоками менее 30-20 Вт/м2.

Областям экстремальных значений теплопотерь противопоставляются регионы с низкими и ультранизкими (менее 20 Вт/м2) величинами теплового потока как в океанах, так и континентах. В первом случае к ним относятся области абиссальных и батиальных равнин океанов. Масштабы теплопотерь закономерно снижаются по мере удаления от срединноокеанического хребта и возраста континентальной коры. Если в осевой зоне хребта значения потока составляет обычно более 80 Вт/м2, то на удалении от хребта они снижаются, а над глубоководным желобом достигают величины (25 и менее Вт/м2). Особое положение в геотермическом поле Земли занимают платформы, особенно древние, а среди них архейско-протерозойские щиты.

Древние платформы характеризуются потоком менее 20 Вт/м2, молодых платформ значительно высоким. Таким образом, внутреннее строение геотермического поля Земли отражает неравномерное поступление тепловой энергии из глубоких недр. Максимальные значения теплового потока приурочены к срединно-океаническим хребтам, по обе стороны от которых значения потока закономерно падают. Предполагается, что эти зоны соответствуют выходу тепла генерируемого глубокими частями мантии, вплоть до ядра. Их отождествляют с мантийными струями - плюмами. С ними также связывают аномалии рифтовых

40