ДРЕЙФ МАТЕРИКОВ. ЛИТОСФЕРНЫЕ ПЛИТЫ

Рифтовые трещины. Модель восходящего мантийного потока. Развитие сводово-вулканических материковых рифтовых областей

ДИВЕРГЕНТНЫЕ ГРАНИЦЫ ПЛИТ — НАРАЩИВАНИЕ ОКЕАНИЧЕСКОЙ ЛИТОСФЕРЫ

Как было отмечено выше, наиболее характерная черта сейсмической активности в пределах рифтовых трещин, как континентальных, так и океанических — неглубокие очаги землетрясений. Максимальные глубины очагов — самые первые десятки километров под материковыми рифтовыми впадинами и первые километры в осевой рифтовой зоне океанических хребтов. Другая их общая, существенная отличительная черта — преобладание в очагах землетрясений механизмов субгоризонтального растяжения в направлении, ортогональном простиранию рифтовой трещины. Именно сейсмологические данные стали той первой объективной, инструментальной информацией, которая и позволила выделить рифтовые трещины (в том числе и на дне океана) в качестве дивергентных, т.е. расходящихся, границ литосферных плит.

На основании сейсмологических и гравиметрических данных установлена связь между глубиной кровли астеносферы и высотой срединно-океанического хребта: чем ближе к поверхности кровля астеносферы (т. е. чем меньше толщина океанической литосферы), тем выше поднят над абиссальной глубиной океана соответствующий участок срединно-океанического хребта (Сорохтин, 1973; Ушаков, Галушкин, 1978). Еще одно сходство континентальных и океанических рифтовых трещин — петрологическое: в океанических рифтовых трещинах повсеместно наблюдаются непрерывные (в геологическом масштабе времени) проявления базальтового вулканизма, в континентальных рифтовых трещинах базальтовый вулканизм существенно преобладает.

Кроме разнообразных базальтов в пределах континентальных рифтовых зон достаточно широко распространены породы кислого состава, часто щелочные; вместе с базальтами они образуют характерную для континентальных рифтовых областей сводо- вулканического типа контрастную по составу серию вулканических пород. Эту серию обычно называют бимодальной — по распределению в виде двух максимумов как основных, так и кислых пород в одной и той же рифтовой вулканической провинции. С позиций тектоники литосферных плит образование такой контрастной серии вулканических пород обычно принято объяснять с помощью модели вторжения в континентальную литосферу восходящего мантийного, аномально горячего потока, который переводит в астеносферное состояние сначала материковую литосферу, а затем приводит к расплавлению и низов континентальной коры (в ее традиционном понимании, как пород, расположенных выше поверхности Мохо).

По мере подъема поверхности астеносферы щелочные базальты сменяются ще л о ч н о -о л и в и н о в ы м и, а затем толе- итовыми. Когда аномально горячая астеносферная область (возможно, сначала по отдельным трещинам в материковой литосфере) достигает кислых или карбонатных пород и переплавляет их на глубине, то на поверхность изливаются карбонатиты или кислые вулканиты; последние вместе с базальтами и образуют контрастную по п ет ро л о ги ч е с к о м у составу (бимодальную) серию изверженных пород.

На дне таких трещин толщина слоя грубообломочных осадков может достигать 6—7 км. Сл е д о в ате л ьио, глубина до фундамента в этих трещинах может достигать 8—10 км. Большинство в нутри м ате р и ковы х рифтов ых трещин развивается в пределах обширного, сравнительно пологого свода. Как свидетельствует геоисторический анализ развития сводово-вулканических рифтов ых областей (Мила- новский, 1975), сначала происходит пологое возды мание обширной области; по мере увеличения подъема и расширения области возды мания начинается приуроченное к отдельным небольшим трещинам излияние и реи м у ще етве н но щелочных и щелоч- но-глиноземистых базальтов. Затем процесс растяжения концентрируется в ограниченном числе наиболее глубоких рифтовых трещин, как правило эшелонированных, реже параллельных между собой. Именно в осевой зоне этих наиболее глубоких рифтовых впадин и начинается проявление толеитового вулканизма.

Заметим, что такой процесс развития сводово-вулканических материковых рифтовых областей получает хорошее объяснение в рамках модели восходящего мантийного потока. Такой поток прогревает континентальную литосферу, постепенно переводит ее нижние слои в разуплотненное астеносферное состояние. Результатом термического расширения и является постепенный подъем поверхности, а также инициальные разрывы. Продолжение воздействия восходящего потока приводит к значительному утончению и растяжению материковой литосферы. На поверхности это проявляется в углублении отдельных рифтовых трещин и в излиянии на их дне толеитовых базальтов, выплавляемых из мантии на глубинах 20 км и менее. Наконец (если выходящий мантийный поток настолько мощный, что способен значительно изменить структуру течений в астеносфере) происходит полный разрыв материковой литосферы по системе главных рифтовых трещин. Затем начинается постоянное раздвижение краев двух половинок единого континента (теперь уже двух самостоятельных материков) и заполнение образующейся между ними трещины мантийными диффе- ренциатами, т. е. начинается процесс образования океанической литосферы. Переход от в н у т р и ко н т и ментального разрыва к образованию новой молодой океанической впадины наглядно виден в районе треугольника Афар —тройного соединения рифтовых трещин Эфиопии, Красного моря и Аденского залива.

Концепция тектоники литосферных плит позволила дать хорошее объяснение природы с ре д и н но -о к е а н и ч е - ских хребтов и расположенных на их вершине осевых рифтовых трещин. Раздвижение краев плит (они поэтому и получили название дивергентных, т. е. расходящихся) приводит к внедрению в непрерывно образующуюся осевую трещину новых порций мантийного материала, который изливается на дно в виде толеитовых океанических базальтов. Мантийные диффе- ренциаты, застывая в рифтовой трещине, «запечатывают» ее на короткое время, пока растяжение не приведет к новому разрыву на самом тонком участке недавно застывших мантийных дифференциатов. Так происходит симметричное наращивание океанской литосферы на каждый дивергентный край. Ввиду того что на дивергентных краях плит происходит непрерывное в геологическом масштабе времени наращивание океанической литосферы, дивергентные границы плит часто называют конструктивными.

Принимая температуру кровли литосферы близкой к 0°С и температуру подошвы литосферы близкой к 120()°С (она определяется исходя из температуры кристаллизации или плавления базальтовой компоненты мантии), можно теоретически рассчитывать изменения теплового потока через поверхность океанической литосферы в функции ее возраста. При таких предположениях уменьшение величины удельной теплопотери (т. е. через единицу площади дна за единицу времени) должно быть прямо пропорционально увеличению толщины литосферы и, следовательно, подчиняться зависимости f1/2. Сравнение теоретических и экспериментальных данных показало, что для возраста дна океана, превышающего 5—10 млн, лет, установлено хорошее соответствие между теоретическим тепловым потоком и экспериментальными данными, измеренными на дне океана ( 7). На участках близ рифтовой оси, в области с возрастом коры менее 5—10 млн. лет, измеренные величины теплового потока, как правило, значительно меньше теоретических. Такое расхождение обусловлено значительным конвективным выносом тепла термальными водами, циркулирующими в молодой океанической литосфере до тех пор, пока она сверху не покроется слоем осадков толщиной в первые десятки метров. Гидротермальная циркуляция в верхних горизонтах молодой литосферы (вероятно, до глубины 5—8 км от дна) теснейшим образом связана с процессом ее гидратации (серпентинизации) и с формированием металлоносных осадочных отложений близ осевой зоны за счет выноса из литосферы железа и марганца.

По мере разрастания молодой океанической впадины рифтовая трещина, оставаясь все время на ее середине, постепенно отодвигается от каждого из материковых краев. Поэтому самая первая океаническая литосфера оказывается «припаянной» к каждому краю материковой литосферы, т. е. к каждой из двух половинок некогда единого материка. При отодвигании рифтовой трещины от материковых окраин и материковая, и самая древняя, «припаянная» к ней, океаническая литосфера начинают остывать. Но тонкая океаническая литосфера остывает с большей скоростью, а поэтому дно океана опускается быстрее, чем поверхность континентальной окраины. Дифференциация вертикальных движений в зоне перехода между материковой и океанической литосферами усиливается благодаря быстрому накоплению толстого слоя осадков на самой древней океанической литосфере. В настоящее время толщина осадочного слоя в переходной зоне Атлантики местами превышает 12 км. Следовательно, величина вертикального смещения, а именно опускание океанической литосферы относительно континентальной, может достигать в пассивных переходных зонах (атлантического типа) 10 км и более. Скорость таких вертикальных относительных подвижек наибольшая в первые 20—30 млн. лет после образования океанической литосферы как из-за остывания, так и благодаря быстрому накоплению осадков в небольшой океанической впадине.

Глубинная структура океанической коры получена на основании сейсмических данных. Первый сейсмический слой составляют осадки, характерные особенности литологического состава которых описаны выше. Океаническая кора имеет толщину в среднем 6—8 км. По сейсмическим данным она сначала была разделена на два слоя — второй и третий, а затем каждый из них по скоростям продольных волн — еще на два: «А» и «Б». Наиболее вероятный петрологический состав океанической коры получен на основании сопоставления сейсмических скоростей, измеренных на дне океана и в лабораторных условиях, по образцам пород, поднятым из глубоких рифтовых трещин и трансформных разломов. Океанические осадки залегают на пиллоу-базальтах (слой 2А), излившихся и застывших на дне рифтовой трещины. Глубже по разрезу слоистые базальты переходят в дайковые и сменяются габбро (слои 2Б и ЗА), а затем пироксенитами и перидотитами, которые в значительной степени серпентинизированы. Океаническая кора имеет в своем основании слабо дифференцированные гипербазиты — ультраосновные породы, преимущественно гарцбурги- ты и лерцолиты, которые принято отождествлять с границей Мохо. Магматические породы океанической коры и верхов мантии, а именно толе- итовые базальты, габбро и гипербазиты, составляют единую петрологическую триаду очень близкую к офиоли- товым комплексам складчатых поясов на континентах. Такая петрологическая близость и характерная тектоническая обстановка позволили Г. Хес- су, а в нашей стране А. В. Пейве сделать принципиальный вывод о том, что офиолитовые ассоциации на континентах есть не что иное, как куски океанической литосферы геологического прошлого, и, следовательно, офиолиты на современных континентах — это маркеры ныне «захлопнувшихся» палеоокеанических впадин.

Разумеется, приведенный выше усредненный разрез океанической коры надо рассматривать лишь как первое приближение. Геофизическими исследованиями выявлены значительные вариации глубинной структуры и, как вероятное следствие, изменение петрологического состава. Особенно резкое различие наблюдается в структуре и составе океанической коры, образованной над восходящими мантийными потоками (например, в районах Исландии), и океанической коры, образованной вдали от них: толеитовые базальты над восходящими мантийными потоками богаче железом и магнием.

Формирование восходящих (и нисходящих) мантийных потоков и таких свойственных им характеристик, как структура, распределение температур и петрологический состав, является основополагающим в теории глобальной тектоники, теснейшим образом связанной с эволюцией литосферы Земли. Действительно, образование внутриматериковых сводово- вулканических поднятий и рифтовых трещин, наконец, полный раскол континента и раздвижение двух самостоятельных, образовавшихся после раскола материков наиболее просто и естественно могут быть объяснены с помощью модели восходящего мантийного потока. С большой степенью вероятности (на основании анализа геоморфологических, геофизических и геологических данных) можно предполагать, что фокусы мощных восходящих потоков, приводящих к раз- движению литосферных плит, расположены под Исландией в Атлантике, под треугольником Афар на севере Индийского океана, в районах Галапагосских островов и острова Пасхи в Тихом океане, под провинцией Бассейнов и Хребтов (фокус — Йелло- устон) на западе Северо-Американ- ского материка, а также, возможно, в некоторых других местах. Проблема «горячих» мантийных пятен (точек) остается дискуссионной среди исследователей, развивающих тектонику литосферных плит. Некоторые выделяют всего 2—3 таких крупных восходящих потока, другие — несколько десятков. Для объяснения генезиса многих базальтовых вулканических провинций, развивающихся ныне как на дивергентных границах, так и внутри плит (и на океанической, и на континентальной литосфере), можно назвать несколько механизмов. Первый, наиболее мощный — восходящие мантийные потоки конвективных ячей, охватывающих всю мантию Земли; второй — восходящие потоки конвекции в верхней мантии; третий — трещины растяжения в литосфере, обусловленные внутриплито- выми напряжениями; к последним, возможно, относится Байкальская рифтовая зона.