Геодинамика докембрийской земной коры (стр. 4 из 4)
Рис.5. Трехмерная модель поверхности Лапландского гранулитового пояса.
Как известно, кора континентов в первом приближении состоит из двух оболочек: нижней - базальтовой и верхней - гранитной. Нижняя - более плотная и вязкая. Это значит: что процесс гравитационного перераспределения пород в первичных вулканогенно-осадочных разрезах не остановился на уровне образования гранит-зеленокаменных поясов, а дошел до конца. Каков же должен быть механизм такого перераспределения?
Опыт изучения вулканогенно-осадочных разрезов подсказывает, что их слоистость далеко не всегда изменяется по разрезу однородно, как это продемонстрировано на примере разреза вулканогенной толщи, слагающей ложе окраинного моря. Чаще это ритмически неоднородные толщи [3, 8]. Каждый ритм в них состоит из последовательности пород с разными физическими свойствами. При такой структуре можно говорить о гравитационной неустойчивости не всего первичного разреза, а о локальной потенциальной неустойчивости слоев в отдельных его ритмах. При нагревании таких ритмически-слоистых толщ, сложенных породами разной плотности и вязкости, гравитационная неустойчивость в каждом данном ритме реализуется в виде перераспределения отдельных слоев в зависимости от их вязкости и плотности. Нагрев пород снижает их вязкость и обуславливает гравитационное перераспределение материала в каждом данном ритме. Взаимодействие ритмов в конечном итоге приводит к лавинообразному гравитационному перераспределению вещества во всей толще. Оказалось, что этот механизм описывается уравнениями цепной реакции. Как и в случае взрыва и горения, этот механизм обеспечивает катастрофически быстрые процессы: в случае ритмически-слоистых толщ скорости гравитационного перераспределении возрастают на несколько порядков. В геологически значимых скоростях относительно низкоплотные породы могут достаточно быстро подняться к поверхности Земли с глубин порядка 25-30 км.
Предварительные оценки показывают, что скорости полного гравитационного упорядочения первичных слоисто-ритмических разрезов в первом приближении сопоставимы с приведенными выше скоростями всплывания гранулитовых комплексов в верхние части земной коры даже при кондуктивном подводе тепла. Но флюидные потоки катализируют процесс и скорость тепломассопереноса резко возрастает. Численное моделирование показало, что такой механизм весьма эффективен в приложении к породам земной коры. Им легко объясняются РТ-тренды метаморфизма (рис. 2), отражающие широкомасштабную циркуляцию в ней метаморфических комплексов.
В качестве примера рассмотрим четырехритмовый разрез с трехслойным строением каждого ритма (рис. 6). Первичный разрез в целом гравитационно устойчив. Но отдельные ритмы в нем потенциально не устойчивы, так как плотность слоев возрастает вверх по разрезу. Термальное возмущение пород вдоль РТ-тренда группы 3 на рис. 2 приводит к гравитационному перераспределению слоев в каждом ритме. В результате лавинообразного процесса значительная часть менее плотных и менее вязких пород всплывает к поверхности, а более плотный материал опускается в нижнюю часть коры. Подробнее механизм процесса гравитационного перераспределения подробно рассмотрен в работе [3]. Там приведен не только математический аппарат описания процесса гравитационного перераспределения пород , но и его приложение к конкретным геологическим объектам. Все они представлены гигантскими телами, форма которых в разрезе очень напоминает рис.4 и 5.
Кроме рассмотренных выше метаморфических пород, образованных в условиях нормального РТ-градиента, существуют комплексы, сформированные при аномально высоких значениях давления. Например, в последние годы открыты алмазоносные метаморфические комплексы. Причем сложены они обычными регионально метаморфизованными породами с реликтовыми минералами, которые могли возникнуть лишь при очень высоких значениях давления, соответствующих глубинам более 120 км. Среди таких минералов - мелкий алмаз, часто встречающийся в сростках с цирконом (Zr2SiO4) и Ca-Mg карбонатами, коэсит (высокобарная форма кремнезема), глиноземистые сфен (твердый раствор систем Al2O3 -СаТiO3) и рутил (ТiO2- Al2O3), а также калийсодержащий клинопироксен (твердый раствор Ca(Mg,Fe)Si2O6 - KAlSi2O6). Такие аномальные явления пока не нашли физического объяснения: нам не известен механизм, который позволил бы погрузить крупные массы континентальной коры в верхнюю мантию на глубину более 120 км. и вернуть их на дневную поверхность. Петрологи настойчиво работают сейчас на этой и подобными проблемами, стараясь разгадать загадки, задаваемые природой [10].
Заключение
В этой статье мы рассмотрели примеры применения минеральной термобарометрии для двух реологически различных типов горных пород - магматических и метаморфических. Из этого обзора очевидно, сколь широк спектр приложения теории фазового соответствия [1]. На первый взгляд локальное химическое равновесие минералов в объемах микронного масштаба, с одной стороны, и перемещение в пространстве десятков, а порой и сотен тысяч кубических километров горных пород - с другой, являются несовместимыми проблемами. Однако тщательный анализ минеральных равновесий позволяет совместить эти объекты и достаточно корректно решить сложную геологическую задачу. И чем она сложнее, тем интересней путь к ее решению. Он неизменно приводит к новым открытиям.
Перчук Л.Л. Фазовое соответствие и геологическая термобарометрия. Соросовский образовательный журнал. 1996. N 6, стр.74-82
Попов В.С. Магматизм Земли. Соросовский образовательный журнал. 1996, N 1, стр.74-81.
Perchuk L.L., Yu.Yu.Podladchikov, A.N.Polyakov. Geodynamic modeling of some metamorphic processes. Journal of Metamorphic Geology. 1992. V. 10, pp.311-318.
Аранович Л.Я. Минеральные равновесия многокомпонентных твердых растворов. Наука, Москва, 1991.
Маракушев А.А. Петрология метаморфических горных пород. Издательство МГУ, Москва. 1973.
Герасимов В.Ю. Температурная эволюция метаморфизма и обратимость минеральных равновесий. Наука, Москва, 1992.
Артюшков Е.В. Физическая тектоника. Наука, Москва, 1993.
Рамберг Х. Сила тяжести и деформации в земной коре. Недра. Москва. 1983.
Фролова Т.И., Перчук Л.Л., Бурикова И.А. Магматизм и происхождение земной коры активных окраин. Недра. Москва. 1989.
Перчук Л.Л. "Геотермометрия и перемещение кристаллических пород в коре и верхней мантии Земли." Соросовский Образовательный Журнал, 1997, N7, стр. 64-72