Теория террейнов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Теория террейнов

Введение

террейн тектонический геологический

Изучение современных и палеоактивных окраин континентов приводит к более ясному пониманию процессов поглощения океанической и формирования континентальной коры. В настоящее время существуют чисто океанические литосферные плиты, но нет чисто континентальных. Наращивание континентальной коры происходит на активных окраинах за счет надвигания участков океанической коры и находящихся на ней неоднородностей (офиолиты, океанические острова и подводные горы, поднятия, микроконтиненты, островные дуги). Прибавление массы континентальной коры обусловлено также вулканизмом субдукционных зон. Одновременно происходит и разрушение континентальной окраины за счет субдукционной эрозии и сноса осадков в желоб и затягивание их в зону субдукции. Вместе с тем происходит возврат эродированной части континентальной коры в виде аккреционных призм, надвигающихся на активную окраину. В зависимости от соотношения скоростей перечисленных процессов континентальная активная окраина может как наращиваться, так и сокращаться.

Для осуществления перечисленных процессов необходимо относительное встречное смещение активной окраины континента и океанической плиты, сопровождающееся поглощением океанической коры. Формирование активной окраины сопровождается высокой сейсмической активностью, способствующей аккреционному смещению блоков, ускорению эрозии и сноса осадков, уплотнению аккреционных призм и т.п. Закрывшиеся палеоокеаны оставили свои следы, нарастив континенты, например, в Алтае-Саянской складчатой области, Прибайкалье, на Урале, в Альпийском поясе.

Поэтому представляет интерес попытка количественной оценки столь сложного геологического явления. Понятно, что эта оценка должна включать огромное количество факторов: скорости субдукции, толщины океанической и континентальной коры, количество и тип неоднородностей океанической коры и т.д.

1. Что такое террейны?

Геологическими исследованиями установлено, что активные окраины представляют собой нагромождение (коллаж) блоков, надвинутых на край континента. Эти блоки называют «террейнами».

Несмотря на широкое употребления термина «террейн», не существует его однозначного определения.

Согласно работе [Зоненшайн, Кузьмин, 1993] «террейном можно, по-видимому, назвать блок любых (но в разумных пределах) размеров, который включен в состав складчатого пояса, который отделен от окружающих одновозрастных или более древних пород тектоническими контактами и который по составу слагающих его горных пород, их структуре, происхождению, геохимической, палеобиогеографической, палеомагнитной характеристикам резко отличается от вмещающих отложений или смежных блоков». Авторы подчеркивают условность разграничения понятий «микроконтиненты» и» терррейны».

Террейнами называют, в общем случае, геологические тела, отделенные четкой тектонической границей от соседних тел и имеющие отличное от них литолого-стратиграфическое строение. Террейны имеют различный генезис и собственную историю. Некоторые из них представляют собой неоднородности океанической коры (офиолиты, вулканические острова, поднятия, микроконтиненты, осколки кратонов, островные дуги), другие сформировались в процессе субдукции (аккреционные призмы, островные дуги). На рис. 1 показана тектоническая карта северного обрамления Пацифики масштаба 1:5000000 [Summary…, 1998], на которой видны террейны самого разного размера и происхождения. Обращает на себя внимание мозаичность картины - неупорядоченность расположения и разнообразие форм террейнов.

Рис. 1. Карта террейнов северного обрамления Пацифики

Оттенками серого цвета показан разный возраст террейнов.

Обстановки формирования активных окраин также различны, зависят от направления и скорости субдукции, ее фазы, угла наклона, от геометрии желоба, наличия трансформных разломов, от неоднородностей на субдуцирующей океанической коре и т.п. Согласно многочисленным палеомагнитным данным, некоторые террейны (террейны-странники) проделали огромный путь в тысячи километров, прежде чем оказались на активной окраине, другие (может быть, террейны-сидельцы?) проделали совсем небольшой путь - десятки и сотни километров. Некоторые террейны испытали вращение относительно соседних террейнов или кратонов. Другие террейны раскололись, став субтеррейнами, прежде чем оказались на активной окраине (Врангелия, Омолон), какие-то раскалывались в процессе аккреции. Значительные по размеру террейны иногда называются «супертеррейнами».

В известной мере, неопределенность термина «террейн» отражает сложность и разнообразие процесса формирования активных континентальных окраин. Во многих областях науки для изучения подобных процессов оказывается плодотворным подход с использованием понятий фрактальной геометрии.

2. Террейновый анализ

Террейновый анализ (террейнология, террейновая тектоника, концепция коллажа террейнов) - раздел тектоники плит, занимающийся изучением структуры и истории развития складчатых поясов. С точки зрения этой теории в пределах складчатых поясов можно выделить отдельные блоки - террейны, которые обладают индивидуальной историей. Террейновый анализ состоит в комплексе специфических методов для изучения этих исключительно сложных частей земной коры.

Содержание террейнового анализа заключается в выделении террейнов, определении характера их границ, изучении и выяснении геодинамических обстановок формирования террейнов, их геологической истории, траектории перемещения, амальгамации, аккреции и связи с соседними террейнами.

В числе типичных задач террейнового анализа можно указать:

1. Выделение террейнов. Как правило разные исследователи в одном и том же районе выделяют разные террейны, и спорят друг с другом чья схема правильнее.

2. Сопоставление разных террейнов, и определение среди них блоков, образовавшихся в результате разделения одного участка земной коры.

3. Восстановление истории каждого террейна. Так как данные принципиально не полны и ограничены, то это область блестящих предсказаний и смелых предположений.

Как правило террейн представляет собой относительно небольшой участок земной коры, и сложен более менее однородным комплексом пород. В таком случае обычные методы геодинамических реконструкции, основанные на комплексном использовании различных методов, не могут применяться, и приходится вытягивать максимум информации их доступных формаций.

Террейновый анализ это одновременно и теория и набор методов. Многие исследователи исходят из того, что в складчатой зоне сгребается всё подряд, а значит и выделять в её пределах отдельные блоки бессмысленно.

3. Основные понятия террейнового анализа

Объектами террейнового анализа кроме самих террейнов служат, ограничивающие их шовные зоны, а также перекрывающие и сшивающие геологические комплексы.

Разломы, ограничивающие террейны (шовные зоны, сутуры) могут иметь различную кинематику (сдвиги, надвиги, сбросы) и геологическое строение. Они представлены зонами катаклаза и милонитизации, в них часто локализуются меланжи, в том числе офиолитовые. Иногда шовные зоны маркируют продукты высокобарического метаморфизма - голубые сланцы и эклогиты. Перекрывающие и сшивающие образования формируются после аккреции или амальгамации террейнов и позволяют определить максимальный предел возраста этих процессов.

Перекрывающие образования представлены осадочными, вулканогенно-осадочными и осадочными породами, которые накапливались после амальгамации или аккреции террейнов и стратиграфически перекрывают два или более смежных террейнов или террейны и окраину кратона. К перекрывающим образованиям относятся чехлы древних или молодых платформ, молассы краевых и межгорных прогибов, флишевые толщи континентальных окраин и др.

Сшивающими служат интрузивные комплексы и ассоциирующие с ними метаморфические пояса, которые пронизывают смежные террейны и окраину кратона. Плутонические образования могут быть генетически связаны с перекрывающими вулканическими породами (например гранитоиды мелового Охотско-Чукотского окраинно-континентального вулканического пояса). К сшивающим образованиям относят также тектонические меланжи шовных зон.

В тектонической эволюции отдельных террейнов или их групп выделяются следующие основные события:

* Аккреция - тектоническое причленение террейна или террейнов к континенту (кратону). Аккреция является кардинальным событием в тектонической эволюции террейна. Геологические образования, сформированные до аккреции, определяются как доакреционные, а сформированные после аккреции - как постаккреционные.

* Амальгамация - тектоническое объединение двух или более террейнов в единую более крупную тектоническую единицу, до их причленения к кратону.

* Дисперсия - тектоническое разрушение, расчленение на фрагменты ранее аккретированных или амальгамированных террейнов. Дисперсия террейнов может осуществляться

1. путём расчешуивания и трансляции по крупным сдвиговым зонам,

2. путём рифтогенеза,

3. путём расчленения террейна глубинными надвигами на серию пластин.

При террейновом анализе, возникает необходимость выделять супертеррейны (композитные или составные террейны) и субтеррейны.

* Субтеррейнами называют обособленные части одного и того же террейна, Субтеррейны имеют одинаковую природу, но могут отличаться по составу, деформированности и другим структурно-вещественным особенностям: например, отдельные тектонические пластины в террейне аккреционной призмы, отличающиеся по степени метаморфизма блоки в субдукционном метаморфическом террейне, разобщенные фрагменты офиолитового разреза в палеоокеаническом террейне и т.д.

* Супертеррейны возникают, если в результате столкновения происходит амальгамация нескольких террейнов, и в дальнейшем они развиваются как единое целое. Возраст формирования супертеррейна определяется по сшивающим и перекрывающим образованиям, а также по палеомагнитным данным (так как с момента амальгамации ТКДП для входящих в его состав террейнов имеют сходную форму). Геодинамическая природа супертеррейна определяется по обстановке накопления перекрывающих образований.

Террейны классифицируются по геодинамической обстановке формирования, или, если она не определена - по составу. Террейны могут представлять собой обломки микроконтинентов, энсиалических и энсиматических островных дуг и их отдельных элементов (аккреционного клина, задугового или преддугового бассейна), вулканических поднятий, симаунтов и др. Кроме того, по особенностям истории и взаимоотношениям с соседними комплексами выделяются перемещённые, экзотические и мистические террейны.

* Перемещенные (displaced) или аллохтонные (allochtonous) - террейны для которых доказаны значительные перемещения.

* Экзотическими (exotic) - т. называют, чтобы подчеркнуть их чужеродную природу по отношению к окружающим геологическим комплексам. Например, если во внешней зоне складчатой области, насыщенной микроконтинентами, отколовшимися от ближайшей континентальной окраины и имеющими почти идентичный чехол, встречается обломок континентальной коры, резко отличного строения, то можно предположить, что этот микроконтинент откололся от одного из противоположных берегов океана.

* Мистические (suspect) - употребляется, если первоначальное положение и происхождение т. неясно.

4. Самоподобие и фрактальная размерность множества террейнов

В наиболее общем виде фракталом можно назвать объект, состоящий из частей, которые в каком-то смысле подобны целому - самоподобны, - причем это подобие может быть как геометрическим, так и статистическим [Mandelbrot, 1983; Шредер, 2001]. При внимательном рассмотрении карты террейнов (рис. 1) видно, что каждый террейн из всего неупорядоченного множества уникален, в том числе по геометрической форме контура и размерам. Является ли множество форм террейнов фрактальным и какова его фрактальная размерность?

Для получения ответа воспользуемся соотношением:

S=So. PE,

Где P - длина контура (периметр объекта), S - площадь, заключенная внутри контура, So=const. Показатель степени E связан с фрактальной размерностью d контура соотношением E=2/d (Мандельброт, 1988; Turсotte, 1997). Близость величины фрактальной размерности d к единице свидетельствует о «гладкости» линии контура, тогда как при d близком к двум - о сильной изрезанности линии контура. Если существует самоподобие объектов самых разных размеров, показатель степени E яавляется константой и определяет фрактальную размерность всего множества.

Для определения фрактальной размерности для множества объектов (террейнов) строилась эмпирическая зависимость Ln(S) от Ln(P) и методом наименьших квадратов вычислялся наклон аппроксимирующей прямой линии и ее статистические характеристики - коэффициент корреляции и значимость по критерию Стьюдента.

Для анализа использовались наборы данных о террейнах, сопровождающие цифровые геологические карты северо-востока России от Чукотки до Приморья и северо-запада Северной Америки, от Аляски до Калифорнии, подготовленные большими коллективами авторов - геологами и геофизиками России, Японии, Канады, Соединенных штатов. В этих наборах данных для каждого террейна рассчитаны его площадь, периметр и указаны геологические и тектонические характеристики и времена образования и причленения.

Рис. 2. Зависимость площадь-периметр в двойном логарифмическом масштабе.

а - для множества террейнов северо-востока России.

б - для множества террейнов северо-запада Северной Америки.

Для множества террейнов зависимость площади от периметра в двойном логарифмическом масштабе хорошо аппроксимируется прямой линией, что свидетельствует о самоподобии форм террейнов. Определенная по всему множеству (n=12586) террейнов северо-востока России (рис. 2а) фрактальная размерность d имеет значение 1.377, коэффициент корреляции r=0.977 и статистическая значимость по критерию Стьюдента t=183, что существенно превышает пороговое значение, равное 3. Аналогичная зависимость установлена для множества (n=2693) террейнов северо-запада Северной Америки: фрактальная размерность d=1.202, коэффициент корреляции r=0.998, критерий Стьюдента t=82. (рис. 2б). Различие фрактальных размерностей террейнов северо-востока Росcии и северо-запада Северной Америки может быть связано с различием строения океанического дна в западной и восточной частях Палеопацифики и различием их эволюции.

Обсуждение

Степенной закон распределения множества террейнов в зависимости от размеров охватывают 10 порядков по величине площади, 9 порядков - величины периметров. На рис. 3 показано распределение количества террейнов в зависимости от величины логарифма площади. Это распределение сильно скошено в сторону больших значений площади. Оно существенно отличается от нормального тем, что вклад объектов с размерами, лежащими правее максимума, относительно велик. Про такие распределения говорят иногда, что у них «тяжёлый хвост» - именно в том смысле, что «хвостом» здесь нельзя пренебрегать, как это делается для нормальных распределений. В двойном логарифмическом масштабе правый склон хорошо аппроксимируется прямой линией.

Рис. 3. Распределение количества террейнов в зависимости от логарифма площади для множества террейнов с.-в. России

Такие характеристики распределения свидетельствуют об отсутствии каких-либо выделенных характерных размеров в совокупности объектов, поскольку вероятность встретить объект (террейн) с размерами, отличающимися от «среднего», здесь значительно выше, чем в нормальном распределении. Слово «средний» заключено в кавычки, поскольку, вообще говоря, понятие среднего для таких распределений неприменимо - можно говорить о величине, соответствующей максимуму на распределении.

Были определены фрактальные размерности для множеств террейнов разного типа, от d=1.286 для кратонов до 1.517 для подводных гор, офиолитов и фрагментов океанической коры.

На рис. 4а и 4б показаны вариации фрактальной размерности множеств террейнов в зависимости от возраста причленения по данным для северо-востока России и запада Северной Америки, соответственно.

Рис. 4.

а - зависимость фрактальной размерности от возраста для множества террейнов с.-в. России.

б - зависимость фрактальной размерности от возраста для множества террейнов с.-з. Северной Америки

Можно ожидать, что вариации фрактального размерности со временем отражают различные этапы формирования активной окраины. Однако, выделенные геологами рубежи 145, 80-60, 43, 15 миллионов лет не отражаются на изменении фрактальной размерности множеств террейнов того возраста, который соответствует выделенным рубежам (рис. 4а). От возраста зависит количество причлененных террейнов. Наибольшая вариация фрактальной размерности выявлена по данным для западной части Северной Америки для возраста 200 миллионов лет (граница Триаса и Юры) (рис. 4б).

Малая вариация фрактальной размерности в зависимости от возраста причленения свидетельствует, по-видимому, об относительно малой деформации террейнов после их причленения. Это означает, что не существует механизмов взаимного притяжения террейнов, они остаются неизменными, ведя себя как жесткие блоки, и подчиняются законам гранулярной механики. На больших временах механизм аккреции не обладает обратной связью - уже сформированная окраина формируется так же, как и молодая. Это наводит на мысль о независимости причленения нового террейна к совокупности террейнов уже образовавшейся континентальной окраины. Процессы такого типа носят названия Марковских. Береговая линия растущей активной окраины так же является фракталом.

С этой же точки зрения были проанализированы цифровые данные координат береговых линий континентов и островов, по которым рассчитывались периметры и площади. Фрактальная размерность множества современных континентов и островов равна d=1.220, r=0.983, t=50, что демонстрирует рис. 5.

Рис. 5. Зависимость площадь-периметр в двойном логарифмическом масштабе для современных континентов и крупных островов

Таким образом установлено самоподобие форм различных геологических тел в огромном диапазоне размеров - от километров до тысяч километров. По-видимому, не существует объективных критериев классификации геологических объектов по размерам, поэтому Австралия называется континентом, а Гренландия - островом. Могло быть и наоборот.

Это позволяет сделать вывод и о подобии процессов их формирования: объединение континентов в суперконтинент происходит подобно присоединению террейнов на активной окраине - вследствие уничтожения океанической литосферы. При таком механизме формирования линия растущего фронта (береговая линия) так же является фракталом.

Современная активность по границам аккретированных блоков

Сейсмичность Западной Аляски и Чукотки исследована в работе. Большинство землетрясений в этом регионе - слабые, для их регистрации необходима локальная сеть сейсмостанций. Точность определения координат эпицентров составляет 25-50 км, глубины гипоцентров не определяются. Однако, согласно этой работе, записи некоторых землетрясений свидетельствуют о возможной глубине очага ниже подошвы коры. Автор связывает особенности проявления сейсмичности с возможностью существования в регионе небольших независимых плит.

Распределение эпицентров по данным Геофизической службы РАН (ОМЭ, Обнинск) за интервал 1957-1989 гг. показано на рис. 6 вместе с основными тектоническими границами. Наиболее примечательным является приуроченность землетрясений к границам блоков, соседствующих друг с другом много миллионов лет и тем не менее перемещающихся друг относительно друга, порождая землетрясения.

Рис. 6. Распределение эпицентров землетрясений на Чукотке по данным каталогов «Землетрясения в СССР» 1962-1989 гг. Линии - границы блоков по Скотизу и др., стрелки - вектораскорости по данным GPS., 2001

Другим прямым свидетельством относительного смещения блоков служат измерения GPS, (глобальные и региональные, выявляющие большие горизонтальные градиенты скоростей смещения, так же показанные на этом рисунке.

Выводы

1. Установлено самоподобие форм террейнов в огромном диапазоне размеров.

2. По соотношению периметр - площадь в двойном логарифмическом масштабе определена фрактальная размерность множества террейнов северо-востока России d=1.377 и западной части Аляски d=1.202, а также множества континентов и островов d=1.220.

3. Наличие степенного закона распределения площадей и периметров множества террейнов и вычисленная фрактальная размерность свидетельствует об отсутствии каких-либо выделенных характерных размеров геологических тел в диапазоне размеров от первых километров до тысяч километров (континенты).

4. Достаточно узкий диапазон значений фрактальной размерности для столь разных объектов дает основание полагать о единстве механизма их взаимодействия (объединения и распада).

Литература

1. Алексютин М.В., Соколов С.Д., Морозов О.Л., Харберт В., Бондаренко Г.Е., Баженов М.Л. Конфигурация океанических плит северо-западной Палеопацифики в мезозое. В сб.: Палеомагнетизм и магнетизм горных пород. М., ОИФЗ РАН, 1998, с. 6.

2. Зоненшайн Л.П., Кузьмин М.И. Палеогеодинамика. М., Наука, 1993, с. 146-162

3. Ломизе М.Г. Тектонические условия заложения зон субдукции на континентальных окраинах. В сб.: Тектоника и геофизика литосферы. Т1. М., ГЕОС, 2002, с. 309-312.

4. Мандельброт Б. Самоаффинные фрактальные множества. В сб.: Фракталы в физике. М., Мир, 1988, с. 10-48.

5. Соколов С.Д. Эволюционная модель активных окраин Тихого океана. В сб.: Тектоника Азии. М., ГЕОС, 1997, с. 204-206.

6. Соколов С.Д., Диденко А.Н., Алексютин М.В., Григорьев В.Н., Крылов К.А., Бондаренко Г.Е. Тектоника Северо-Востока Азии и проблема палеотектонических реконструкций. В сб.: Тектоника Азии. М., ГЕОС, 1997, с. 206-207.

7. Соколов С.Д., Бондаренко Г.Е., Морозов О.Л., Лучицкая М.В., Григорьев В.Н., Силантьев С.А. Худолей А.К. Тектоника зоны сочленения Верхояно-Чукотских мезозоид и Корякско-Камчатской сладчатой области. 7-ая Международная конференция по тектонике плит им. Л.П. Зоненшайна. М., Научный мир, 2001, с. 359-360.

8. Соловьев А.В., Брэндон М.Т., Леднева Г.В., Гарвер Д.И. Ансамбли структурных парагенезов в сложно построенных зонах аккреции. В сб.: Структурные парагенезы и их ансамбли. М., ГЕОС, 1997, с. 161-163.

9. Соловьев А.В., Шапиро М.Н., Гарвер Д.И. Оценка скорости формирования коллизионного надвига по данным изотопного датирования (Лесновский надвиг, Северная Камчатка). В сб.: Тектоника Неогея: общие и региональные аспекты. Т 2. М., ГЕОС, 2001, с. 211-214.

10. Храмов А.Н. (ред.). Палеомагнитология. Ленинград, Недра, 1982, 312 с.

11. Шредер М. Фракталы, хаос, степенные законы. Ижевск, 2001, с. 302-305.

Размещено на Allbest.ru