Тектонические движения земной коры

В 1907 по инициативе Э. Резерфорда Б. Болтвуд в Канаде определил возраст ряда радиоактивных минералов по накоплению в них свинца. В СССР инициатором радиологических исследований был В. И. Вернадский. Его начинания продолжили В. Геохронология Хлопин, И. Е. Старик, Э. К. Герлинг. В 1937 была создана Комиссия по определению абсолютного возраста геологических формаций.

Цифры, полученные в результате первых определений абсолютного возраста пород, позволили английскому геологу А. Холмсу в 1938 предложить первую геохронологическую шкалу фанерозоя. Эта шкала неоднократно уточнялась и перерабатывалась. В табл. 1 она воспроизводится на основании новейших данных (Геохронология Д. Афанасьев, 1968).

Табл. 1. - Геохронологическая шкала фанерозоя

Группа (эра)

Система (период)

Начало, млн. лет назад

Продолжительность, млн. лет

Кайнозойская (продолжительность 67 млн. лет)

Антропогеновая (четвертичная) 1,5* 1,5*

Неогеновая 25 23,5

Палеогеновая 67 42

Мезозойская (продолжительность 163 млн. лет)

Меловая 137 70

Юрская< 195 58

Триасовая 230 35

Палеозойская (продолжительность 340 млн. лет)

Пермская 285 55

Каменноугольная 350 75-65

Девонская 410 60

Силурийская 440 30

Ордовикская 500 60

Кембрийская 570 70

*По разным данным, от 600 тыс. до 3,5 млн. лет.

Геохронологическая шкала докембрия (см. табл. 2) из-за отсутствия остатков скелетной фауны построена главным образом по данным многократных определении абсолютного возраста магматических пород на различных материках, что позволило установить одновременность крупных тектономагматических циклов, лежащих в основе деления докембрия (см. Докембрийские эпохи складчатости).

Табл. 2. - Геохронологическая шкала докембрия

Подразделения докембрия

Начало, млн. лет назад

Продолжительность, млн. лет

Протерозой верхний

(рифей) 1600 1030

средний 1900 300

нижний 2600 700

Архей >3500 >900

Каждое из принятых в СССР подразделений докембрия - архей и протерозой - по длительности значительно превышает отдельные группы фанерозоя. Протерозой подразделяется на три части - нижний, средний и верхний. Последний вошёл в Геохронология под названием рифея, который многие геологи считают подразделением, соответствующим группе.

Наиболее древние породы, найденные на Земле, имеют возраст около 3500 млн. лет и знаменуют собой начало архея. Пород, возникших в интервале времени от 3500 до 4500 млн. лет (предполагаемый возраст Земли), с достоверностью не обнаружено.

Методы определения абсолютного возраста. Накопление продуктов радиоактивного распада в течение времени, положенное в основу определений абсолютного возраста, выражается формулой: D = Р (еlt - 1), где D - число атомов нерадиоактивного вещества, возникших за время t; Р - число атомов радиоактивного элемента в настоящий момент; е - основание натуральных логарифмов; l - константа распада, которая показывает, какая часть атомов радиоактивного элемента распадается за единицу времени (год, сутки, минуты и т.д.) по отношению к первоначальному количеству. Иногда скорость распада выражают периодом полураспада (T) - временем, в течение которого любое количество вещества распадается наполовину. Отношение D/P является функцией возраста (t) минерала. Так:

Отсюда возраст образца минерала (t) может быть вычислен по формуле:

Истинный возраст может быть определён в том случае, если отношение D/P изменяется только от радиоактивного распада, т. е. минерал представляет собой замкнутую систему.

Основные типы радиоактивного распада, используемые для определения возраста, следующие:

238U®206Pb + 84He,

235U®207Pb + 74He,

232Th®208Pb + 64He,

®40Ar

40K + e®Ca + b

87Rb®87Sr + b,

187Re®187Os + b.

В зависимости от конечных продуктов распада выделяют следующие методы ядерной Г: свинцовый (уран-торий- href="http://Pb-Lead.info/" title="Lead">свинцовый), гелиевый, аргоновый (аргон- href="http://K-Potassium.info/" title="Potassium">калиевый), кальциевый, стронциевый (стронциево- href="http://Rb-Rubidium.info/" title="Rubidium">рубидиевый) и осмиевый. Наиболее широкое применение из них получили свинцовый, аргоновый и стронциевый.

Свинцовый метод основан на исследованиях радиогенного свинца в минералах (уранините, монаците, цирконе, ортите). Он является наиболее достоверным, поскольку решение задачи о возрасте урано-ториевого минерала достигается по трем независимым уравнениям:

Pb, U и Th обозначают содержание в минералах изотопов свинца, урана и тория; l1, l2 и l3 - константы распада изотопов 238U, 235U, 232Th.

Если разделить уравнение (1) на (2), то получится уравнение

даёт наиболее близкие к истинным значения возраста, что связано с малой его зависимостью от возможных потерь урана и свинца минералом на протяжении его геологической жизни. Оно позволяет вычислить возраст только по одному измеренному отношению , поскольку в настоящее время отношение равно 137,7 и практически во всех минералах и горных породах одинаково. Совпадение значений возраста, полученных по всем четырём уравнениям, свидетельствует о хорошей сохранности исследованного минерала, правильности проведённых анализов и достоверности вычисленного абсолютного возраста. Измерение изотопного состава свинца производится на масс-спектрометре

Однако чаще различные уравнения дают разные значения возраста одного и того же минерала. В этом случае для установления истины прибегают к построению диаграммы в координатах 206Pb/238U: 207Pb/235U (см. ниже). На неё наносят кривую OA (конкордия), вычисленную теоретически для разных возрастов, и прямую OB (изохрона), на которую ложатся результаты измерений для нескольких исследованных одновозрастных минералов. Истинным возрастом считается значение на пересечении кривой OA с прямой OB.

Поскольку все радиоактивные минералы содержат наряду с радиогенным свинцом примесь свинца обыкновенного, при вычислении возраста приходится вносить поправку. Для того, чтобы избежать этого, был предложен метод определения возраста, основанный на измерении изотопного состава свинца в нескольких минералах одной и той же породы с целью построения по полученным результатам изохроны. Диаграмма строится в координатах 207Pb/204Pb; 206Pb /204Pb. Данные изотопного состава свинца минералов, если они одновозрастны, ложатся на одну прямую - изохрону. Тангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс является отношением 207Pb/206Pb, по которому согласно формуле определяется возраст породы.

Может быть вычислен также возраст обычных свинцовых минералов, если известен изотопный состав Pb. Обычный свинец состоит из смеси четырёх изотопов 204Pb, 206Pb, 207Pb, 208Pb, из которых 204Pb не связан с радиоактивным распадом и его содержание условно принимается за единицу. Остальные изотопы порождаются и постепенно накапливаются в результате радиоактивного распада урана и тория, причём темп прироста того или иного изотопа определяется соответствующей константой распада. Поэтому свинец разных эпох имеет различный изотопный состав: свинец более древних эпох содержит пониженное количество изотопов с массами 206, 207, 208, а в свинце более молодых эпох количество их увеличено относительно 204Pb. Возраст, вычисленный по изотопному составу рудного свинца, принято называть модельным возрастом, поскольку он справедлив лишь для такой модели (системы), в которой отношение Pb: U: Th изменяется во времени только вследствие радиоактивного распада. В действительности имеют место как совпадения модельного возраста с истинным для ряда месторождений, так и существенные расхождения, которые становятся более частыми в молодых геологических формациях.

Аргоновый метод. Основан на радиогенном накоплении аргона в калиевых минералах. Будучи более доступным благодаря лёгкости получения необходимого материала (калиевые минералы) и относительно простой его обработке, пользуется большой популярностью. Отрицательной чертой его является отсутствие внутреннего контроля (одно уравнение). Как показали многочисленные экспериментальные исследования, калиевые минералы сравнительно легко теряют радиогенный аргон. В меньшей степени это относится к слюдам и в значительно большей степени к полевым шпатам, что делает их малопригодными для определения возраста. Важной положительной чертой аргон- href="http://K-Potassium.info/" title="Potassium">калиевого метода является возможность применения его для определения возраста осадочных отложений по минералу глаукониту. Опыт определения возраста неизмененных глауконитов как молодого (мезокайнозойского), так и древнего возраста показал, что глауконит хорошо удерживает аргон и калий вне зависимости от времени. Несмотря на свою сравнительно малую устойчивость, минерал этот удобен тем, что даже при небольших изменениях, ставящих под сомнение пригодность данного образца, он сразу же обнаруживает изменение окраски и химического состава.

Стронциевый метод, основанный на радиоактивном распаде 87Rb и превращении его в 87Sr, в СССР не приобрёл пока большого распространения. Причина заключается в том, что в районах с высоким общим содержанием рубидия последний может быть привнесён в минералы значительно позже времени их образования, в результате чего при определении возраста этих минералов возможны сильные искажения в сторону «омоложения»; наоборот, в районах с интенсивным щелочным метасоматозом рубидий легко выносится из минералов и тогда значение возраста по 87Sr/87Rb становится сильно преувеличенным. Обычно при измерении возраста по 87Sr/87Rb из гранита выделяют составляющие его минералы и в каждом из них определяют 87Sr/86Sr и 87Rb/86Sr. На диаграмме в координатах 87Sr/86Sr: 87Rb/86Sr данные анализов отдельных минералов гранита располагаются на одной прямой - изохроне, вытянутой вправо вверх. Тангенс угла наклона изохроны с осью абсцисс представляет собой величину 87Sr/87Rb, определяющую возраст данной породы.

Для оценки возраста геологических объектов в пределах 60000 лет огромное значение приобрёл радиоуглеродный метод, основанный на том, что в атмосфере Земли под воздействием космических лучей за счёт обильного азота идёт ядерная реакция 14N + n= 14С + Р; вместе с тем 14С радиоактивен и имеет период полураспада более 5700 лет. В атмосфере установилось равновесие между синтезом и распадом этого изотопа, вследствие чего содержание 14С в воздухе постоянно. Растения и животные при их жизни всё время обмениваются углеродом с атмосферой, поэтому концентрация в них 14С поддерживается на постоянном уровне; в мёртвых организмах обмен с атмосферой прекращается и концентрация в них 14С начинает падать по закону радиоактивного распада. Измеряя содержание 14С с помощью высокочувствительной радиометрической аппаратуры, можно установить возраст органических остатков. Так, например, по костям и шкуре мамонта на Таймыре был установлен возраст его захоронения (11000 лет). Тот же метод помог датировать эпохи оледенения в Европе и Северной Америке, определить возраст следов древних человеческих культур и т.д.

7.Тектонические гипотезы

Тектонические гипотезы, научно обоснованные предположения о причинах движений и деформаций земной коры, создающих её структуру. Вопрос о причинах тектонических деформаций нельзя считать окончательно решенным, поскольку основной источник их возникновения следует искать в мантии Земли, а точные данные о состоянии и движении вещества ниже подошвы земной коры отсутствуют. Недостаточно использованы также возможности количественной обработки данных региональной и исторической геологии, позволяющих восстановить ход эндогенных процессов в планетарном масштабе (развитие трансгрессий и регрессий, поднятий и опусканий, складчатости, магматизма и т. п.). Поэтому существует множество Тектонические гипотезы, усматривающих причины тектонического развития в весьма различных факторах. Все имеющиеся гипотезы можно объединить в две группы: гипотез фиксизма, в основе которых лежит предположение о неизменности взаимного расположения отдельных глыб земной коры на протяжении геологической истории и ведущей роли вертикальных тектонических движений, и гипотез мобилизма, допускающих крупные перемещения материковых глыб коры в горизонтальном направлении и отводящих этим горизонтальным движениям основную роль.

Первая попытка научно объяснить деформацию пластов горных пород была сделана в 18 в. А. Г. Вернером в гипотезе нептунизма, которая рассматривала нарушения горизонтального залегания слоев как результат подводных оползней или обвалов. Тогда же была выдвинута гипотеза плутонизма Дж. Геттона. в основе которой лежала идея о преобладании в развитии Земли вертикальных поднятий. Эта идея была развита в первой четверти 19 в. немецким учёными Л. Бухом. А. Гумбольдтом и Б. Штудером, которые объясняли образование складчатых горных сооружений подъёмом магмы при вулканических и интрузивно-магматических процессах (гипотеза «кратеров поднятия»). Однако такое объяснение оказалось недостаточным, и во 2-й половине 19 -- начале 20 вв. почти всеобщее признание получила контракционная гипотеза, в разработке которой принимали участие Л. Эли де Бомон. А. Гейм, Э. Зюсс. Х. Джефрис, а из русских геологов -- А. П. Карпинский, Ф. Н. Чернышев, И. В. Мушкетов, А. П. Павлов, К. И. Богданович. Контракционная гипотеза исходила из представления о первоначально расплавленной и постепенно охлаждающейся Земле (космогоническая гипотеза Канта -- Далласа). Тектонические деформации она объясняла охлаждением Земли и сокращением её радиуса; смятие слоев в складки рассматривалось как результат сжатия под действием горизонтальных сил, возникающих в земной коре при сокращении размеров планеты. Однако открытие радиоактивности горных пород поставило под сомнение исходное положение контракционной гипотезы -- об изначально расплавленной и охлаждающейся Земле. Было показано, что тепловая энергия, выделяемая при радиоактивном распаде, компенсирует (возможно даже с избытком) потерю тепла Землёй. В 1-й половине 20 в. на смену контракционной гипотезе выдвигаются гипотезы глубинной дифференциации, подкоровых течений, пульсационная, перемещения (дрейфа) материков, расширения Земли.

Гипотеза глубинной дифференциации (голландский учёный Р. В. ван Беммелен и советский геолог В. В. Белоусов) основана на концепции первично холодной Земли. Высокая температура её недр объясняется разогревом за счёт выделения тепла при распаде радиоактивных элементов. Разогрев вызывает частичное плавление вещества мантии и его дифференциацию, которая проявляется неравномерно; в зонах максимального накопления выплавленного лёгкого силикатного материала формируется кора материков. В соответствии с законом изостазии происходит поднятие верхних слоев коры и образование возвышенностей. Т. о., первичными считаются вертикальные движения. Складчатость рассматривается частично как проявление гравитационного тектогенеза (результат смятия слоев при оползании масс на склонах возвышенностей), частично как следствие подъёма глубинных масс коры вдоль оси складчатых сооружений при региональном метаморфизме и гранитообразовании (глубинный диапиризм, Белоусов); при этом на периферии этих сооружений возникает складчатость, связанная с раздвиганием и смятием осадочных толщ. Формирование океанических впадин рассматривается как результат опускания их дна без значительного растяжения с преобразованием материковой коры в более тонкую базальтовую (так называемая океанизация, или базификация, коры -- В. В. Белоусов, С. И. Субботин).

Гипотеза подкоровых течений (австрийский тектонист О. Ампферер, немецкие ученые Р. Швнннер и Э. Краус, голландский геофизик Ф. Венинг Мейнес) допускает существование в мантии круговорота конвекционных течений, увлекающих за собой земную кору и вызывающих тем самым её деформации; среди движений земной коры равное значение придаётся и вертикальным, и горизонтальным. Остаётся не вполне доказанным само существование и возможность образования в мантии постоянных или длительных конвекционных течений.

Пульсационная гипотеза (американский геолог У. Х. Бачер, советские учёные М. А. Усов и В. А. Обручев) дополнила идею контракционной гипотезы о сжатии Земли представлением о чередовании глобальных эпох сжатия и эпох её расширения, пытаясь объяснить на этой основе явления магматизма, трансгрессии и регрессии Мирового океана и некоторые др. явления, не объяснённые контракционной гипотезой.

Гипотеза расширения Земли (немецкий геолог О. Хильгенберг, венгерский геофизик Л. Эдьед, американский геолог Б. Хейзен и др.) представляет попытку объяснить происхождение океанических впадин раздвиганием материковых глыб вследствие увеличения радиуса Земли в ходе геологического времени. Причины такого расширения остаются, однако, неясными.

Принципиально новый подход к тектоническим процессам связан с появлением гипотезы перемещения материков (американский геолог Ф. Тейлор и особенно немецкий геофизик А. Вегенер). Гипотезы дрейфа допускают возможность крупных (в тысячи км) горизонтальных перемещений материковых глыб по подкоровым слоям или вместе с ними (вследствие подкоровых течений в мантии Земли). Причиной таких перемещений первоначально считались силы, возникающие при вращении Земли.

В 60--70-е гг. 20 в. идеи мобилизма были возрождены на новой фактической основе в виде «новой глобальной тектоники», или «тектоники плит» (американские учёные Х. Хесс, Р. Диц и др.). Эта гипотеза предполагает существование подкоровых конвекционных течений и опирается на данные палеомагнетизма, сейсмологии, особенности магнитных аномалий и результаты бурения дна океанов. Согласно «новой глобальной тектонике», сравнительно хрупкая литосфера, подстилаемая пластичной астеносферой, разделена на жёсткие плиты, отделённые друг от друга тектоническими разрывами (швами) по осевым линиям сейсмических поясов Земли. Плиты включают не только материки, но и «припаянные» к ним части океанического дна, образовавшиеся главным образом в течение мезозоя и кайнозоя. Плиты испытывают друг относительно друга раздвиг (с образованием рифтов и затем океанов), поддвиг (с погружением одной плиты под другую) или горизонтальное смещение типа сдвига. Расширение литосферы в области океанов и новообразование океанической коры компенсируются сокращением поверхности земной коры при поддвигании (субдукции) одних плит под другие у периферии океанов, в области островных дуг, а также у подножия молодых складчатых хребтов (Предгималайский прогиб и др.). Это подтверждается распределением напряжений в очагах землетрясений. Смятие слоев в таких зонах сжатия коры выражается в складчатости горных пород. Геодезические данные указывают на раздвигание глыб (Северо-восточная Африка), их взаимное скольжение по разломам со скоростью 0,5--3 см в год (Калифорния) или сближение по надвигам (Таджикистан). Значения скорости горизонтальных перемещений того же порядка определяются по палеомагнитным данным, по ширине полос магнитных аномалий вдоль срединноокеанических хребтов и на основании палеогеографических реконструкций.

Довольно полное и простое объяснение разнообразных геологических, геофизических и геохимических фактов с позиций «новой глобальной тектоники» явилось причиной быстрого и широкого успеха этой концепции. Однако в гипотезе имеется и много неясных положений, например представление о движущей силе, перемещающей плиты, характер геологических процессов в рифтовых зонах срединных хребтов, механизм поддвигания и засасывания океанической коры в зонах островных дуг, причины тектонических процессов внутри плит литосферы, и, в частности, континентальных платформ и др. Предпринимаются попытки преодолеть эти недостатки, объяснить с позиций «новой глобальной тектоники» образование месторождений полезных ископаемых. Вероятно, выбор между конкурирующими моделями и создание общей теории развития земной коры станет возможным после накопления геодезических данных о взаимном перемещении материков и более достоверных сведений о составе и строении литосферы (особенно под океаном) и более глубоких оболочек Земли.

8.Тектонические деформации

Тектонические деформации, изменение формы залегания, объёма, внутренней структуры и взаимного расположения тел горных пород под действием глубинных сил Земли, порождающих в земной коре условия местного направленного или всестороннего растяжения, сжатия или сдвига (см. Тектонические движения). Наиболее четко Тектонические деформации проявляются в осадочных, вулканических и метаморфических горных породах в виде различных складчатых и разрывных нарушений их первично горизонтального залегания; в магматических породах и кристаллических сланцах Тектонические деформации приводят к переориентировке или перекристаллизации слагающих их минералов (см. Петротектоника, Тектониты).

Классификация Тектонические деформации построена главным образом на основе изучения слоистых толщ горных пород; выделяются складчатые (см. Складчатость горных пород) и разрывные (см. Разрывы тектонические) Тектонические деформации Складчатость -- результат остаточной (пластичной) деформации горных пород, когда тектонические напряжения превосходят их предел упругости; разрывы происходят вследствие разрушения горных пород, когда тектонические напряжения превосходят их предел прочности.

Отдельные участки земной коры, различные по своей геологической истории и строению, характеризуются определённым сочетанием Тектонические деформации, составляющим тот или иной тектонический режим. Внешний облик, тип, размеры Тектонические деформации зависят от многих факторов: физических свойств горных пород, направления, интенсивности и длительности действующих тектонических сил. Механизм и причины Тектонические деформации -- важная часть общей проблемы развития земной коры и возникновения землетрясений (см. Сейсмология, Тектоника). Помимо детального изучения природных объектов, для решения различных вопросов возникновения Тектонические деформации всё большее значение с середины 20 в. начали приобретать экспериментальные исследования на моделях, основанные на физической теории подобия (см. Тектонофизика), и изучение геохимических процессов, происходящих в земной коре и внутренних оболочках Земли. См. также Тектонические гипотезы.

9.Петротектоника

Петротектоника, микроструктурный анализ горных пород, раздел петрографии, изучающий структуры динамометаморфизованных пород -- тектонитов. Разработана немецким учёным Б. Зандером в 1930. При этом из геологических разрезов отбираются определённым образом ориентированные в пространстве образцы изучаемых пород. В шлифах на Федорова столике в большом количестве зёрен одного или нескольких минералов измеряется ориентировка их спайности, оптических осей или других кристаллографических элементов. Эти данные наносятся на стереографическую сетку. Узоры полученных диаграмм позволяют судить о симметрии и характере тектонических движений, обусловивших метаморфизм горных пород. Для более полной расшифровки таких диаграмм проводится экспериментальное изучение механизма пластической деформации различных минералов и горных пород при высоких гидростатических давлениях и температурах.

10.Тектонофизика

Тектонофизика, раздел тектоники, изучающий физические условия возникновения тектонических деформаций (складок, разрывов и пр.) в слоях горных пород. Тектонофизика использует данные физики и механики о пластических деформациях и разрушении твёрдых тел при изучении крупных деформаций, происходящих в земной коре неоднородного (например, зернистого или слоистого) строения. Поскольку тектонические деформации развиваются длительно и постепенно, в задачу Тектонофизика входит проследить все стадии пластических деформаций горных пород и распространения в них разрывов, учесть условия протекания этих деформаций, характерные для земной коры (влияние силы тяжести, всестороннего давления и повышенных температурных градиентов). Конечная цель тектонофизических исследований - выяснение генезиса наблюдаемых тектонических структур, сформированных в тех полях напряжений, которые ранее существовали в земной коре. Значение Тектонофизика определяется тем, что правильные представления о механизме образования тектонических структур позволяют предвидеть закономерности их распространения в земной коре.

Методы исследования Тектонофизика основаны, с одной стороны, на восстановлении древних полей тектонических напряжений в масштабе отдельных регионов и земной коры в целом по данным структурного анализа, а с другой - на эксперимент, воспроизведении тектонических структур в лабораторных условиях на моделях по принципу физического подобия с помощью так называемых эквивалентных материалов (силикон, глина, битум, нефтяные масла, желатина) или естественных горных пород.

Термин «Тектонофизика» введён советскими геологами (В. В. Белоусов, М. В. Гзовский, 1954). В СССР проблемы Тектонофизика разрабатываются в институте физики Земли АН СССР и МГУ (В. В. Белоусов и др.), в Геологическом институте АН Казахской ССР (Е. И. Паталаха и др.), в лаборатории эксперимент, тектоники института геологии и геофизики СО АН СССР (И. В. Лучицкий и др.). Вопросы Тектонофизика обсуждаются на сессиях Международного геологического конгресса, им посвящаются международные симпозиумы. В СССР тектонофизические исследования освещаются в периодических журналах: «Геотектоника», «Известия АН СССР. Серия физика Земли». В Нидерландах издаётся международный журнал «Tectonophysics» (1964).

Список литературы

Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://ecosoft.iatp.org.ua/ Страхов Н. М., Основы исторической геологии,

Хаин В. Е.. Общая геотектоника, 2 изд., М.. 1973; Белоусов В. В.. Основы геотектоники, М.. 1975. Современные тектонические движения земной коры и методы их изучения. Сб. ст., М., 1961; Новейшие движения, вулканизм и землетрясения материков и дна океанов, М., 1969; Современные движения земной коры, № 1-5, М., Тарту, 1963-73. Лукин Л. И., Чернышев В. Ф., Кушнарев И. Петротектоника

Гзовский М. В., Основы тектонофизики, М., 1975: Рамберг Х., Моделирование деформаций земной коры с применением центрифуги, пер. с англ., М., 1970.

Белоусов В. В.. Структурная геология, 2 изд., М.. 1971; Хаин В. Е.. Общая геотектоника, 2 изд., М.. 1973.

Размещено на Allbest.ru