Главная
Новости
Строительство
Ремонт
Дизайн и интерьер




18.10.2017





Яндекс.Метрика
         » » О петрографическом составе коры и мантии в области раздела Мохоровичича

О петрографическом составе коры и мантии в области раздела Мохоровичича

16.11.2017

Вопрос о петрографической интерпретации геофизических данных был рассмотрен мной в докладе на сессии отделения геолого-географических наук AН бывш. СССР в феврале 1960 г.

Большинство современных геофизиков и геохимиков считают, что раздел Мохоровичича представляет границу между земной корой и подстилающей ее мантией Земли, т. е. между оболочками, существенно отличающимися по составу.

Многочисленные геофизические исследования позволяют с достаточной надежностью утверждать, что раздел Мохоровичича залегает под континентами на глубинах 40 км от поверхности, а в глубоководных частях океанов — на глубине 6 км от поверхности дна этих участков. Речь, таким образом, идет о земной коре как о незначительной пленке Земли по сравнению с ее радиусом: па континентах земная кора представляет пленку мощностью 0,6%, а под океанами — 0,1% радиуса Земли.

Для геологов эти верхние части Земли имеют наибольшее значение, так как к ним приурочены разнообразные геологические процессы, и эта «пленка» служит пока единственным источником ценнейших полезных ископаемых, в значительной мере обусловивших развитие техники и прогресс человеческой культуры.

Одним из важнейших результатов геологического познания поверхности земного шара является доказанность того, что благодаря тектоническим и вулканическим (или, шире, магматическим) процессам геология может непосредственно изучать материальные объекты глубинного происхождения.

Такие обобщения геологии, как геологические, тектонические и другие карты, ее теоретические выводы об эволюции геосинклиналей, магматической дифференциации и магматических ассоциациях горных пород, связанных кровным родством, парагенезах элементов, минералов и горных пород, уже сейчас позволяют в значительной мере объективно представлять строение и основные особенности развития земной коры на континентах за геологический период истории существования Земли как планеты.

Что же касается участков Земли, покрытых океанами, то здесь арсенал познаний геологов о строении земной коры заключается в отрывочных данных о геологическом строении океанических островов, сведениях о донных осадках и рельефе дна океана. За последние 20—25 лет накопился значительный геофизический материал о скоростях прохождения сейсмических волн и об аномалиях силы тяжести в различных участках земной коры. Ho этот материал по своей сущности имеет, естественно, лишь косвенный геологический смысл. Прямая геологическая обоснованность суждений о строении земной коры в области континентов и океанических участков, несомненно, несоизмерима.

В настоящее время в итоге геофизических исследований, основанных на изучении прохождения упругих волн, вызванных специальными взрывами, или на изучении сейсмических волн, вызванных землетрясениями, а также на изучении аномалий силы тяжести, не остается сомнений в том, что скорости распространения упругих волн с глубиной в различных участках (континентальных и океанических) земной коры меняются различно.

Повсеместно в земной коре наблюдается поверхность раздела Мохоровичича, характеризующаяся некоторым скачком в увеличении скоростей упругих волн V от 7 до 8 км/сек.

Выявлено, что под современными континентами эта поверхность раздела проходит на глубине в среднем около 40 км, а под океанами, в их глубоководной части,— на глубине в среднем около 10 км, включая мощность столба океанической воды около 5 км.

Подробный обзор литературы о строении земной коры сделан мной ранее.

Океаническая кора, по мнению многих исследователей, представляет слой основных пород со скоростью в пределах 6,4-6,9 км/сек. Выше коры в океанах лежит уплотненный или полууплотненный слой осадков мощностью меньше 1 км, а подстилается она предположительно мантией из пород перидотитового или, может быть, эклогитового состава.

Кадер в резюме доклада о структуре коры под западной частью Тихого океана на основе изучения сейсмических волн от ядерных взрывов в районе атоллов Бикини, Эниветок указывает, что глубина залегания поверхности Мохоровичича здесь около 18 км и что под островами строение коры близко к континентальному.

Все исследователи-геофизики отмечают некую зависимость между строением земной коры по геофизическим данным и глубиной покрывающих ее водоемов.

М. Юинг и Пресс пишут: «Во всех без исключения случаях установлено, что на больших площадях, занятых водным слоем мощностью меньше 1000 фатомов (1820 м), кора обладает типично континентальным характером, а при мощности водного слоя свыше 2000 фатомов (3640 м) она имеет типично океанический характер».

Выделяемый в последнее время промежуточный тип коры, характеризующийся менее глубоким залеганием раздела Мохоровичича и в силу этого меньшей мощностью коры — 18—20 км, обнаруживается в шельфовых частях океана, а также на дне морей с глубинами 2000—3000 м (Средиземное, Черное и другие моря).

Данные последних лет о сейсмическом изучении дна Атлантического океана еще более отчетливо выявляют корреляцию глубины океана с изменениями типа коры. В зависимости от рельефа дна кора океанического типа, как это видно из результатов работ Дж. Юинга и М. Юинга, выделяется под дном Атлантического океана в виде беспорядочно разбросанных пятен.

При интерпретации геофизических данных чувствуется явная недостаточность экспериментальных исследований в области изучения скоростей прохождения упругих волн через разные природные материалы при различных давлениях и температурах. В указанном выше случае для Атлантического океана поверхность Мохоровичича выделялась зачастую по увеличению скорости, только приближающейся к 8 км/сек, хотя для перидотитовых пород эксперименты даже в условиях нормальных давлений и температур дают скорости, превышающие 8 км/сек.

В докладе к XXI сессии Международного геологического конгресса «Результаты сейсмоакустических исследований строения земной коры в морях и океанах» Ю.И. Непрочиов, А.П. Лисицын, Г.Б. Удинцев и другие приводят новейшие данные по строению земной коры в области Черного и Японского морей.

В Черном море общая мощность коры 22—30 км. «Базальтовый» слой с V = 6,4—6,8 км/сек = 10—18 км. Над ним залегают осадочные породы мощностью 7—14 км.

В Японском море поверхность Мохоровичича находится на глубине около 12 км. На этой глубине скорость упругих волн 8 км/сек. Выше лежит «базальтовый» слой с V = 6,2—6,4 км/сек, мощностью около 7 км; столб воды около 4 км.

Почему скорости 6,2—6,4 км/сек в этих условиях характеризуют соответствующий «слой» как «базальтовый», остается неясным, так как накопленный к настоящему времени геофизический и экспериментальный материал позволяет считать (Ю.В. Ризниченко и многие другие авторы), что скорость упругих волн в «гранитном» слое коры может приближаться к 6,4 км/сек.

Во всяком случае, фантом, не вызывающим сомнения, является отмеченная выше сопряженность «уменьшения» мощности коры в морях и океанах с увеличением глубины соответствующего бассейна.

Причины такого корреспондирования увеличения V и глубины бассейна еще не имеют достаточно обоснованного научного объяснения, если не считать за таковые предположения некоторых геологов о частичном или полном уничтожении гранитного слоя земной коры за короткое геологическое время активностью подлежащего базальтового субстрата.

Ранее уже была показана мной малая вероятность того, что под океаном земная кора, «базальтовая» по составу, подстилается на глубине всего 6—7 км под дном океана мантией из пород перидотитового состава. Этому, в частности, противоречат:

а) экспериментальные исследования Хьюза и Кросса, показавшие, что в этих условиях давления и температуры скорость упругих волн в дунитах превышает 8,8 км/сек, а не колеблется около 8 км/сек, что специфично для среды, лежащей под разделом Мохоровичича;

б) равенство теплоизлучения над континентами и океанами, приближающееся к значению 1,2*10в-6 кал/см2*сек, показывает, что общее количество радиоактивных веществ в оболочке Земли на глубине порядка 150—200 км приблизительно одинаково; сказанное имеет значение для разбираемого вопроса в том случае, если тепловой поток Земли обусловливается в основном радиоактивными элементами, заключенными в верхней части Земли (по Слихтеру, в толще до глубины 200—300 км);

в) известно, что дуниты из числа земных горных пород обладают наименьшей радиоактивностью; суммарное содержание в них (по Берчу) U+Th = 0,06*10в-4%.

Все это плюс геологические факты делает гипотезу о залегании перидотитовой мантии Земли на глубинах порядка 6—7 км под дном глубоководных частей океана малообоснованной.

В 1958 г. Ловеринг опубликовал статью, в которой доказывает, что эклогитовый состав верхней части оболочки соответствует новым данным о составе метеоритов (эвкритовые ахондриты) и физическим свойствам верхней части мантии. Граница Мохоровичича определяет фазовый переход от базальта (габбро) малых давлений к эклогиту высоких давлений.

Эклогитовый состав верхней части мантии как будто бы снимает противоречие, связанное с распространением радиоактивных элементов. Точно так же как будто бы легче произвести образование океанической коры путем дифференциации мантии, если она имеет эклогитовый состав (т. е. содержит глинозем и щелочи), чем если бы она являлась перидотитовой и дунитовой.

Некоторым геофизикам и тектонистам такая гипотеза служит основой для существенных выводов. В частности, В.В. Белоусов на основании допущения об эклогитовом составе мантии выделяет «базальтовую» стадию развития Земли и говорит, что в конце палеозоя—начале мезозоя начался «базальтовый потоп», особенно проявившийся в неогене.

В мезозое, по В. В. Белоусову, произошли массовые излияния плато-базальтов, базальтизация грабенов типа Красного моря и океанизация, выраженная в образовании средиземных морей и океанов на основе разрушения «гранитной» коры и замещения ее базальтовой.

В.А. Магницкому равенство тепловых потоков позволяет отрицать мобилизм (т. е. горизонтальные перемещения участков коры порядка тысяч километров). Он признает наличие двух типов коры и присоединяется к взгляду Ловеринга об эклогитовом составе мантии Земли.

Так как за предположениями о составе мантии и о различиях земной коры в области континентов и океанов часто следуют кардинальные геологические и петрологические выводы, необходимо в дополнение к тому, что отмечено мной в отношении предположения о перидотитовом составе «мантии» под океаном, рассмотреть также факты, на которых базируется представление об эклогитовом составе верхней части мантии.

В данном случае нас, геологов, прежде всего интересуют допущения о кардинальных различиях в строении самой верхней пленки Земли, главным образом вызвано ли появление раздела Мохоровичича различиями петрографического состава между породами, слагающими земную кору, и породами, слагающими верхнюю часть мантии, и действительно ли земная кора различна по мощности и составу для современных континентов и современных океанов и средиземных морей!

По расчетам Ловеринга, раздел Мохоровичича под океанами характеризуется температурой около 123° и давлением порядка 2200 бар, а под континентами для него рассчитаны температура около 480° и давление 10 000 бар (фиг. 2). В этих условиях, по Ловерингу, возможны фазовые превращения базальта в эклогит, что ведет к скачкообразному повышению плотности, а следовательно, и скоростей упругих волн. При этом им положены в основу представления о том, что базальты (габбро) и эклогиты — изохимические образования, переход которых из одного состояния в другое обусловлен лишь оптимальными сочетаниями температур и давлений в общем без привноси вещества. Таким образом, он получает две точки (фиг. 3), по которым проводит кривую, выделяющую поле равновесия в зависимости от температуры и давления для фазового перехода базальта в эклогит.
Ho как становится ясным из текста и фиг. 3, если точка С (раздел Мохоровичича на глубине 35 км под континентами), в какой-то мере по расчетным данным, имеет температуру и давление (t=480°, P = 10000 бар), приближающиеся к условиям перехода Ab+Ne—>2 жадеит, изученным экспериментально, то для точки О (раздел Мохоровичича под океаном с Р=2200 бар и t = 123°) результаты расчета оказались для самого Ловеринга неожиданными — слишком мала температура. Он выходит из этого затруднения, аргументируя возможность перехода базальта в эклогит при этих параметрах длительностью геологического времени.

В связи с рассмотрением кривой фиг. 3 следует сказать, что экстраполирование экспериментально и теоретически установленной точки перехода альбит+нефелин—>2 жадеит с параметрами t ~ 600° и P порядка 12 000 бар к точкам О и С с параметрами соответственно для точки О t~123°, Р~2200 бар и для точки С t~480°, Р~10000 бар не может служить основой для допущения, что в точках О и С (раздел Мохоровичича под океанами и континентами соответственно!) происходит переход базальта в эклогит.

Главными минеральными фазами эклогита являются: 1) пироксен—омфацит, натриевый компонент которого — жадеит в разных количественных соотношениях образует, видимо, твердые растворы с другим компонентом — диопсидом. Каковы параметры (t и Р) образования омфацита с тем или иным содержанием жадеитовой молекулы — неисследованный вопрос; 2) специфический гранат эклогитов из той же диаграммы (фиг. 3) образуется при гораздо более высоких температурах и давлениях, чем параметры t и Р, при которых экспериментально доказан переход Ab+Ne—>2 жадеит. Допуская, что раздел Мохоровичича под океаном отвечает переходу базальт <—> эклогит, в соответствии с экспериментальными данными мы должны также ожидать, что необходимые для этой реакции температуры вызвали бы прогревание океанической воды. Этого не наблюдается.

Отождествлению вещества, залегающего ниже раздела Мохоровичича, с эклогитами противоречит и несоответствие значений скоростей продольных волн около 8 км/сек высокой плотности эклогитов (удельный вес 3,5).

По экспериментальным данным Хьюза и Кросса, скорость упругих волн в дуните (плотность 3,16) при давлении 70 бар и температуре 20° равна 8,60 км/сек, а при давлении 2400 бар и температуре 100°, т. е. при параметрах раздела Мохоровичича, вычисленных Ловерингом, она равна 8,89 км/сек.

Естественно, что для эклогитов, пород с гораздо большей в поверхностных условиях плотностью (удельный вес до 3,6), для давления 2200 бар следует ожидать и значительно большего увеличения скорости упругих волн, чем для дунита с плотностью, равной в поверхностных условиях 3,16.

При отсутствии экспериментальной проверки скоростей упругих волн в эклогитах при разных давлениях и температурах, конечно, нельзя назвать какую-либо другую величину скорости волн, но она априори должна быть выше скорости в дупите с плотностью 3,16.

Куно на основе изучения включений в лавах Гавай и Японии возражает Ловерингу и считает, что раздел Мохоровичича есть граница между габбровым слоем и перидотитовым субстратом.

Эклогиты — породы достаточно редкие и еще слабо изученные в геолого-петрографическом отношении. В табл. 1 и 2 приведены данные химического анализа и содержания радиоактивных элементов в базальтах, эклогитах и дунитах по Ловерингу. Из сравнения этих цифр не следует достаточного тождества по составу ни между эклогитами и базальтами, ни тем более между эклогитами и эвкритовыми ахондритами. В особенности это касается щелочей и воды, которая откинута в приводимых Ловерингом анализах. Эклогиты, описанные для Средней Европы, Калифорнии и Урала, очень разнообразны по составу, и в большинстве случаев их генезис связан с преобразованием ультрабазитов, что происходит с привносом вещества. В частности, Швитцер, рассматривая генезис эклогитов Калифорнии, указывает, что глаукофановые сланцы и эклогиты, в них залегающие, образовались в условиях средних температур и давлений в результате контактно-гидротермального метаморфизма.
Смуликовский, изучавший эклогиты Восточных Судет, считает, что они образовались не в силу особо высоких условий давления (по Эскола), а в результате гранитизации сланцевого комплекса, содержащего меж-пластовые тела ультрабазитов внутри комплекса, не обязательно при сверхвысоких давлениях. В данном случае он отрицает изохимический метаморфизм основных пород по Грубенманну—Бекке, считая, что формирование эклогитов не только статический, но и кинетический процесс.

Хан-Вейнгеймер и Маршалл, изучавшие в разное время геохимию эклогитовых массивов Фихтельгебирге (изотопы свинца — Маршалл, углерод и редкие элементы — Хан-Вейнгеймер), склонны рассматривать эклогиты этого района как метаморфизованные (переработанные) карбонатные породы среди сланцевых толщ.

Во всяком случае, исследователи последнего времени в противоположность Эскола склоняются к мнению и достаточно убедительно доказывают, что эклогиты — это метаморфические породы, образовавшиеся за счет ультрабазитов, габброидов или карбонатных пород при воздействии на них частью регионального метаморфизма, а в ряде случаев активного влияния определенных гранитных интрузий.

Обычно эклогиты образуют небольшие тела, линзы среди амфиболитов, ультрабазитов и кристаллических сланцев, причем вмещающие породы по своим минеральным ассоциациям относятся к средним ступеням метаморфизма (глаукофановая, амфиболитовая и другие стадии).

Интересный материал по эклогитам Полярного Урала собран и в значительной мере изучен Н.Г. Удовкиной. Из этого материала явствует, что типичные полярноуральские эклогиты — метаморфические породы, образовавшиеся главным образом из перидотитов при воздействии на них производных гранитной магмы, богатой глиноземом и щелочами (Na!).

Учитывая также изученный материал по древнейшим породам других районов, в частности Кавказа, включающий гранатовые амфиболиты, цоизиты и другие метаморфические породы, вполне обоснованно можно считать, что эклогиты появляются в метаморфических сериях средних глубин, включающих активние интрузии натриевых гранитоидов, специфичных для геосинклинальных комплексов, включающих ультраосновные породы как обязательный член.

Таким образом, известные нам эклогиты, несомненно, являются метаморфическими породами, образовавшимися за счет различных но составу пород — от ультрабазитов и, возможно, до первично-осадочных мраморов, в условиях средних глубин с обязательным активным воздействием интрузий натриевых гранитов. По концентрации радиоактивных элементов они мало отличаются от габброидов и ультрабазитов и, следовательно, не сравнимы в этом отношении с гранитоидами, являющимися носителями главной массы радиоактивных веществ поверхностных частей Земли.

Все сказанное о происхождении известных нам эклогитов, их физических свойствах (удельный вес 3,5), их радиоактивности не позволяет нам считать доказанным, что распространение мантии Земли, в ее верхней части (до глубин порядка 200 км во всяком случае), а также появление раздела Мохоровичича на континентах па глубине 35—40 км и под дном океанов на глубине 5—6 км могут быть объяснены тем, что «базальтовый» слой коры ниже поверхности Мохоровичича во всех случаях сменяется породами, подобными известным нам эклогитам.

Таким образом, в нашем распоряжении имеются лишь косвенные данные о строении земной коры и верхней части мантии, а также о различиях океанической и континентальной коры в виде меняющихся с глубиной скоростей упругих волн.

Для обоснованных суждений о составе и мощности земной коры и верхней части подстилающей ее мантии не хватает прямых фактов.

Кардинальным решением вопроса явилась бы проходка глубокой буровой скважины на дне океана в участках с предполагаемой незначительной мощностью земной коры в виде ее нижнего, «базальтового» слоя. Проект такого бурения серьезно обсуждается в США. Мне лично представляется, что этот проект, помимо технической сложности его осуществления, не даст существенных результатов, так как при разнообразии строения земной коры, ее мозаичности, мы вряд ли можем данные одного пятишестикилометрового разреза океанического дна распространить на весь океан.

Было бы целесообразнее поставить ряд буровых опорных скважин на континентальных участках, где внутри коры выделяются поверхности раздела, отличающиеся заметным изменением скорости продольных волн. Такие границы раздела на относительно небольших глубинах (7—6 км) известны в строении Украинского кристаллического массива и Балтийского щита. В работе Ю.Н. Грачева, М.Я. Дехнич и др. приведены данные по Балтийскому щиту.

Изучение колонок этих скважин позволит понять, каким образом круто поставленные складчатые образования метаморфических и кристаллических пород оказываются как бы стратифицированными в горизонтальной плоскости, образуя слои с различными V мощностью около 5 км.

Происходит ли здесь по вертикали смена петрографического состава этих «слоев» или лишь изменение их физических свойств, в частности плотности, в связи с увеличением всевозрастающей нагрузки лежащих выше пород?

Изучение реальных геологических образований в этих зонах перепада скоростей позволит иметь основание и для суждений о причинах перепада скоростей упругих волн на более глубоких горизонтах, включая и поверхность раздела Мохоровичича. Особо интересны кристаллические породы Балтийского щита, среди которых выявлены древнейшие в Союзе формации возрастом до 3 млрд. лет; эклогитового типа породы, развитые там же,— друзиты имеют возраст, близкий к 2 млрд. лет. Вместе с тем надо подчеркнуть, что мощность коры здесь до раздела Мохоровичича остается все же равной 40 км. Такие же величины мощности континентальная кора имеет и в районах молодых складчатых сооружений, на Кавказе например. Вряд ли можно думать, что в области Балтийского щита, где, по И.Г. Судовикову, обнажаются корневые части складчатых сооружений, положение раздела Мохоровичича является стабилизированным в течение времени порядка 2 млрд. лет!

В свете изложенных здесь и приводившихся в уже опубликованном докладе данных достаточно обоснованным является предположение, что скорости прохождения упругих волн 8,0+0,1 км/сек, обнаруженные в самой верхней части так называемой мантии в области океанов, отвечают более быстрому изменению с глубиной физических свойств вещества коры, находящейся в отличие от континента под многомиллиониолетним давлением свыше 1000 кг/см2. В отдельных участках океанического дна возможно и массовое развитие на больших площадях базальтовых излияний.

Земная кора, т. е. область активных геологических эндогенных процессов, мозаичная по строению и в основном состоящая из силикатных пород, простирается до глубин не менее 60—70 км (геофизические данные для некоторых горных хребтов). На этом протяжении в глубину в ней вряд ли имеется стратификация в горизонтальной плоскости типа «гранитный», «базальтовый» слои, и она не имеет принципиальных различий по вещественному составу в области как континентов, так и океанов.