Тектонофизика и структурная геология

Тектонофизика и структурная геология

Геологический факультет МГУ, Москва, m. *****@***ru

Определение предметов. Как известно, классическая механика, подразделяется на статику, кинематику и динамику. В таком аспекте структурная геология – это своеобразная «геологическая статика», а именно описание и классификация специфических объектов геологии – структурных форм (складок, разрывов, кливажа, трещин и т. п.) и их сочетаний (структурных парагенезов) посредством полевых наблюдений. Структурные формы и структурные парагенезы в совокупности представляют собой то, что обычно обозначают термином «современная структура». Тектонофизика, в том же аспекте – это «геологическая кинематика и динамика». Ее предмет – выявление механизма формирования и эволюции структурных форм и их парагенезов с помощью физического и компьютерного моделирования и теоретического анализа.

Соподчинение предметов. Структурная геология – это базис тектонофизики, подобно тому как, например, элементарная математика является базисом для высшей математики. Однако на этом аналогия заканчивается. Элементарная математика вполне «обходится» без высшей математики. А вот структурная геология вынуждена привлекать тектонофизику не только в познавательных целях, но и для более качественных геологической съемки и поиска полезных ископаемых. Пример – построение «сбалансированных разрезов (balanced cross-sections)», основанный на представлении о компенсационной организации тектонического течения (КОТТ). Все учебники по структурной геологии содержат элементы тектонофизики. Пример – учебник [1].

Триада «объект – процесс – причина». Такая триада присутствует практически во всех формулах того раздела классической механики – динамики, – о котором мы упомянули выше. Например, в формуле 2-го закона Ньютона (F = m∙a) в качестве объекта выступает тело с массой m, процессом является ускорение a, испытываемое телом под воздействием причины (приложенной к телу силы F).

В нашем случае объектом является литосфера или ее отдельные участки, ее структура (область структурной геологии) и ее деформационные свойства – область тектонофизики. Процесс – тектоническое течение (ТТ, см. ниже). Причина – силы и напряжения – также область тектонофизики.

В классической механике изучение этой триады обычно производится в таком порядке: объект → процесс → причина. В качестве примера можно привести небесную механику: сначала Кеплер открыл кинематический закон обращения планет вокруг Солнца и только потом Ньютон обосновал его причину (закон всемирного тяготения). Однако в физике твердого тела изучение названной триады обычно ведется в ином порядке: объект → причина → процесс. В качестве причины здесь фигурирует сила («нагрузка»), приложенная к телу, а в качестве процесса – деформация этого тела.

Хотя тектонофизика создавалась на базе физики твердого тела [2], однако, опираясь на данные структурной геологии (статику), она выводит из них кинематику (ориентировку главных осей деформации, реже величину деформации), и только затем динамику (ориентировку главных осей напряжений и, в единичных случаях, например, [3, 5], величину напряжений). Следует подчеркнуть, что ориентировка главных осей напряжений и величина последних ни в физике, ни в тектонофизике не определяются непосредственно, а только по ориентировке и величине производимых ими деформаций. Даже в простейшем случае двух сопряженных систем трещин скалывания по умолчанию предполагается породившая их малая деформация.

Весьма опасен кажущийся «легкий» путь от объекта непосредственно к действующим силам. Например, весьма часто считается достаточным для объяснения генезиса складчатости в зоне коллизии или субдукции нарисовать на разрезе стрелки, обозначающие действующие силы. Однако при более детальном анализе выясняется, что пропущенное в этом случае звено триады познания – деформация объекта – свидетельствует против такого скороспелого решения. Силы, предусмотренные концепцией тектоники литосферных плит, могут быть непомерно большими для формирования складчатости [3]. Количественная реконструкция складчатой деформации может противоречить «простому» предположению о роли субдукции как причине процесса [6].

Фундаментальные свойства геологической среды (область структурной геологии и геотектоники). Геологическую сплошную среду характеризуют пять ее фундаментальных свойств [3]: 1) Непрерывность геологической среды. 2) Расслоенность геологической среды на отдельные геосферы, толщи, пачки слоев и слои, различающиеся по их деформационным свойствам. 3) Иерархия геосфер, толщ, пачек и слоев. 4) Разрывно-пластическая реакция геологической среды на нагружение. 5) Твердо‑жидкий состав геологической среды.

Фундаментальные аспекты организации тектонического течения (ТТ), происходящего в геологической среде (область тектонофизики и геодинамики). Перечисленные пять фундаментальных свойств геологической среды («геологическая статика») определяют пять аспектов организации ТТ («геологическая кинематика и динамика») [3]. Вслед за [4], ниже под ТТ понимается процесс, состоящий из трех компонентов – поступательного перемещения, вращения и деформации элементарных объемов геологической сплошной среды.

1. Компенсационная организация тектонического течения (КОТТ) и универсальность конвективного процесса. Среди фундаментальных уравнений конвективной гидродинамики: уравнение движения Навье‑Стокса, общее уравнение переноса тепла и уравнение непрерывности – важную роль играет последнее уравнение. Оно отражает тот факт, что удлинение элементарного объема в одном направлении компенсируется его укорочением в перпендикулярном направлении. Пример – укорочение слоистого массива при складкообразовании в горизонтальном направлении и его удлинение по вертикали. Но представление о компенсации не ограничивается только элементарным объемом. Некоторый элементарный объем на земной поверхности в области поднятия рельефа испытывает восходящее перемещение (рис. 1, а). Поэтому расположенные ниже объемы также должны перемещаться вверх. Однако в нижнем конце этой цепочки найдется объем, который не смещается вверх и поэтому, во избежание образования над ним пустоты, удлиняется по вертикали и укорачивается по горизонтали. Тем самым освобождается некоторое пространство сбоку, в которое должна сместиться, на этот раз по горизонтали, теперь уже горизонтальная цепочка объемов. По той же логике должна испытать нисходящее перемещение целая цепочка объемов под впадиной. В результате мы имеем движущуюся цепочку элементарных объемов, состоящую из трех звеньев. Это объясняет давно подмеченную закономерность сопряженности соседних поднятий и впадин.

Рис. 1. Компенсационная организация тектонического течения как неизбежное следствие непрерывности геологической среды (пояснения в тексте)

В том случае, когда восходящий поток не выражается в рельефе, например, при формировании соляного купола с образованием «карниза», мы можем распространить наши рассуждения на горизонтальную поверхность – четвертое звено цепочки (рис. 1, б). (В случае «а» функцию этого горизонтального потока выполняют денудация поднятия, перенос осадочного или растворенного материала и осадконакопление во впадине.)

Таким образом, наша цепочка естественным образом замыкается. В этом и состоит компенсационная организация тектонического течения (КОТТ). Такая компенсационная организация течения имеет место и при конвекции в горизонтальном слое жидкости при подогреве его снизу, и при формировании соляных куполов. Однако там мы отталкиваемся в наших рассуждениях от причины конвекции – инверсии плотности. Здесь же (см. рис. 1) утверждается, что в геосферах Земли происходит ТТ конвективного типа независимо от причины такого течения. То есть мы констатируем определенную кинематику ТТ, не зависящую от его динамики. Сейчас мы усматриваем причину такой организации течения в инверсии плотности. Но завтра найдется какая-либо иная причина. А кинематика ТТ – его компенсационная организация – останется незыблемым фундаментом наших дальнейших рассуждений на эту тему. Ибо в основе этой кинематики лежит фундаментальное свойство геологической сплошной среды – ее непрерывность. Тем самым мы возвращаемся в нашей методологии к господствующей в физике триаде объект → процесс → причина.

Кинематическая картина КОТТ в своих деталях есть не что иное, как картина конвекции в некотором горизонтальном слое (геосфере), включая разделение слоя на отдельные конвективные ячейки.

2. Многоярусная организация тектонического течения (ТТ). Расслоенность геологической среды на отдельные геосферы, толщи, пачки слоев и слои, различающиеся по их деформационным свойствам, обусловливает обозначенную организацию ТТ. Покажем на простейшем примере двух геосфер неизбежность двухъярусной КОТТ конвективного типа.

Вдоль верхней границы квадратной в вертикальном сечении ячейки КОТТ существует горизонтальный тектонический поток, направленный в левую сторону (рис. 2). Из-за вязкого сцепления на общей границе двух геосфер существует горизонтальный тектонический поток также в подошве верхней геосферы. Распространив вышеприведенные аргументы (см. рис. 1), на верхнюю геосферу, мы приходим к аналогичной картине КОТТ. Следует подчеркнуть, что если в нижней геосфере происходила свободная тепловая конвекция, то в верхней геосфере конвекция является вынужденной. В двухъярусной КОТТ участвует еще один компенсационный процесс – изостатическое уравновешивание поднятия его «корнем», а впадины – «антикорнем». Но этот выходит за рамки данной статьи.

Рис. 2. Простейшая модель двухъярусной КОТТ в тектоносфере. а – поле скоростей течения в виде эпюр, характеризующих скорость течения на осях координат. б – искривленные линии первоначально образовывали ортогональную сетку. Вращение в противоположных направлениях (наподобие смежных шестерен) происходит в ячейках, смежных не только по горизонтали, но и по вертикали. Горизонтальные размеры нижних и верхних ячеек одинаковы; их вертикальные размеры различаются, в соответствии с разной мощностью конвектирующих геосфер.

3. Иерархическая организация тектонического течения (ТТ). В Земле существует иерархия геосфер и толщ. В таблице приведен далеко не полный перечень такой иерархии. В качестве следствия имеет место иерархическая организация ТТ.

Такой подход позволил создать концепцию геодинамики иерархически соподчиненных геосфер (сокращенно «иерархической геодинамики») [3], в схематичном виде отраженную в таблице:

Геодинамика иерархически соподчиненных геосфер

Ранг ГС	Геосфера, h (км)	Ареал	Процессы, структуры	Ранг ГЦ, t, Ма	h / t, см/год
ГС–0	Вся мантия 6370	Повсеместно	Меридиональная компонента дрейфа континентов, связанная в новейшее время с поднятием Антарктиды и опусканием Арктики	Цикл меридио- нального дрейфа, 1600	0,18
ГС–1	Вся мантия 2900	Повсеместно	Созидание и распад суперконтинентов	Циклы Вилсона, 800	0,36
ГС–2	Верхняя мантия 660¸670	Под океанами	Субдукция, коллизия, спрединг	Циклы Бертрана, 175	0,38
ГС–3	Астеносфера + литосфера	В зонах повышенного теплопоток (субдукции, коллизии, спрединга)	Двухъярусная конвекция:
ГС–3а 300¸400	В зонах субдукции и коллизии – мантийные диапиры, впадины над ними, дугообразные желоба и зоны Беньофа или центробежно-вергентные складчато-покровные сооружения на периферии	?	?
ГС–3б 100¸220	В зонах коллизии – системы линейных продольных поднятий с «корнями» и впадин с «антикорнями»	Циклы Штилле, 30	0,53
ГС–3в 50¸100	В зонах спрединга – системы линейных поперечных поднятий с «корнями» и впадин с «антикорнями»	?	?
ГС–4	Осадочный чехол 5¸15	В зонах коллизии	Термофлюидная конвекция. Региональный метаморфизм. Антиклинории и синклинории, складки	Фазы складчатости, 1¸3	~ 0,50

Примечание. ГС – геодинамические системы. ГЦ – геодинамические циклы; циклы Вилсона, Бертрана и Штилле – по . h – мощность геосферы; t – длительность цикла; Ма - млн. лет.

Господствующая ныне концепция тектоники литосферных плит занимает в приведенной схеме свое строго обозначенное место – ГС‑2 [7]. А «тектоника суперплюмов – это ГС‑1.

4. Разрывно-пластическая организация тектонического течения (ТТ). Разрывно-пластическая реакция геологической среды на нагружение обусловливает КОТТ с участием разрывных нарушений. Этот аспект проблемы разработан слабо, поэтому мы ограничимся самыми общими соображениями. По отношению к упомянутой выше компенсационной ячейке можно выделить три ранга разрывов.

Мелкие разрывы – это разрывы, размеры которых соизмеримы с размерами элементарных объемов, в которых образуются структурные парагенезы: соскладчатые взбросы и надвиги в областях горизонтального сжатия, сбросы в областях горизонтального растяжения и т. п. Эти разрывы свидетельствуют, что деформация элементарных объемов может происходить как в пластической, так и в разрывной форме. Средние разрывы – это разрывы, вдоль которых располагаются целые цепочки элементарных объемов. Типичный пример – разрывы листрического типа, которые обеспечивают в разрывной форме КОТТ, выражающуюся в том, что вертикальные смещения на участках крутого залегания сместителя компенсируются горизонтальными смещениями на участках его пологого залегания. Крупные разрывы соизмеримы с целой компенсационной ячейкой. Пример – сдвиги, на фронте движущегося крыла которых формируется структурный парагенез горизонтального сжатия, а в тылу – компенсационный парагенез горизонтального растяжения.

5. Твердо-жидкая организация тектонического течения (ТТ) является результатом сосуществования твердой и жидкой (магма, флюиды) фаз геологической среды (пример – рис. 3)

Рис. 3. Конвективный характер взаимной компенсации доменов сжатия и растяжения в зоне динамического влияния разрыва. По А. Николя, из книги [3], Во фронтальных частях крыльев разрыва, рассекающего известняк, в обстановке сжатия формируются стилолитовые швы посредством механизма растворения под давлением. Растворенный материал отлагается в непосредственной близости, в тыловых частях противоположных крыльев разрыва, где в обстановке растяжения формируются трещины отрыва, «поглощающие» этот материал. Имеет место компенсационное сочетание двух пар противоположно направленных потоков вещества: в твердом состоянии вдоль разрыва и в растворенном состоянии поперек к нему.

.

Перечисленные 5 аспектов организации ТТ находятся в тесной взаимосвязи, и выявление этой взаимосвязи является наиболее перспективным направлением дальнейшего развития как тектонофизики, так и геодинамики.

Соотношение структурной геологии с геотектоникой, а тектонофизики с геодинамикой. Существует качественное различие названных дисциплин не только по масштабу изучаемых ими объектов, но и по характеру процессов, порождающих эти объекты. Геодинамика имеет дело с конвективными процессами, о чем говорилось выше. Тектонофизика же описывает, как правило «не‑конвективные» процессы, однако это не значит, что в этих процессах отсутствуют элементы компенсационной организации.

Простейшим примером является изгиб единичного слоя в складку. В его кровле в антиклинали имеет место растяжение, а в синклинали – компенсационное сжатие, в результате чего кровля слоя на крыле испытывает смещение от антиклинали в сторону синклинали. В подошве же слоя сжатие в антиклинали и компенсационное растяжение в синклинали вынуждают кровлю слоя к смещению в противоположную сторону – от антиклинали к синклинали. Сходство с конвективной ячейкой усиливается с учетом того, что нейтральная линия слоя в антиклинали испытывает восходящее, а в синклинали – нисходящее движение.

Литература

1. Структурная геология. 3-е изд. М.: Изд-во Моск. ун-та. 1986. 244 с.

2. Основы тектонофизики. М.: Наука. 1975. 536 с.

3. Гончаров М. А., , Введение в тектонофизику. М.: Книжный дом «Университет». 2005. 496 с. Премия им. Президиума РАН за 2006 г.

4. Пластическая деформация и тектоническое течение в литосфере. М.: Наука. 1991. 144 с.

5. Тектонические напряжения и прочность природных массивов. М.: ИКЦ «Академкнига». 2007. 406 с.

6. Реконструкция структур линейной складчатости с использованием объемного балансирования // Физика Земли. 2009. № 11. С. 1023–1034.

7. Goncharov M. A. Plate tectonics as a component of geodynamics of hierarchically subordinate geospheres: Сhapter 3 in the book “Horizons in Earth Science Research. Volume 5”. Eds. B. Veress and J. Szigethy. New York: Nova Science Publishers. 2011. P. 133–176. https://www. /catalog/product_info. php? products_id=31679