Литосфера- внешняя сфера «твердой» оболочки Земли. Верхняя часть ее называется земной корой. Средняя плотность земной коры составляет 2,8 г/см 3 . Она отделяется от верхней мантии границей резкого изменения скорости распространения сейсмических волн с 6 до 8 км/с. На материках это происходит на глубине 35 – 70 км; в пределах океанов - 5 - 15 км. Эта граница получила название границы Мохоровичича(по имени открывшего её югославского ученого Андрея Мохоровичича).

Земная кора различна по составу, строению и мощности на континентах и в океане (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Схема строения литосферы: 1 – вода океана; 2 – осадочный слой; 3 - гранитный слой; 4 – базальтовый слой; 5 - верхняя мантия; 6 – межблоковые разломы

Континентальная (материковая) кора имеет мощность 30-40 км, достигая 70-75 км под Гималаями и Андами. В строении континенталь­ной коры различают три слоя:

· осадочный слой, состоящий из осадочных пород мощностью до 20 км и плотностью 1,8 – 2,5 г/см 3 ;

· «гранитный», образованный гранитоидами - светлоокрашенными горными породами мощностью 10 - 40 км и плотностью 2,5 – 2,8 г/см 3 . Скорость распространения волн в этом слое 5,5 – 6,2 км/с;

· «базальтовый», скорость распространения сейсмических волн в этом слое 6,1-7,4 км/с, что характерно для базальта, отсюда название слоя - базальтовый. Мощность базальтового слоя 15-30 км. Граница между гранитным и базальтовым слоем называется границей Конрада.

Океаническая кора обычно не содержит «гранитного» слоя, а мощность осадочного слоя, представленного глубоководными осадками, не превышает 600 – 700 м. Нижний «базальтовый» слой распространен повсеместно и имеет мощность 4,1-5,8 км.

Сплошность земной коры прерывается большим количеством вертикальных и наклонных нарушений, разбивающих её на блоки. Некоторые нарушения уходят в мантию, образуя коромантийные блоки.

Структурными элементами земной коры являются литосферные плиты (платформы), геосинклинали (подвижные пояса) и океанические плиты.

Платформы (массивы, глыбы) занимают огромные пространства на Земле. К ним относятся Русская платформа, Австралийская, Северо-Африканская и др. Платформы чаще всего имеют двухэтажное строение. Их основанием (фундаментом) являются складчатые осадочные породы либо метаморфические и магматические породы. На фундаменте располагаются породы осадочного происхождения в относительно горизонтальном залегании, которые называются осадочным чехлом платформы. Для платформ, как наиболее жестких частей земной коры, характерны сравнительно спокойные колебательные движения вертикаль­ного характера.

Платформы являются центральной частью более обширных структур­ных образований - литосферных плит с континентальной корой, на которых располагаются современные материки.

океанические плиты - это обширные области дна океанов, которые являются слоем океанической коры базальтового состава, с незначительным по мощности осадочным чехлом. В них через рифтовые зоны, или зоны спрединга (англ. spreading, от spread- растягивать, расширять) поступают вещество и тепло из верхней мантии, постоянно наращивая океаническую кору.

На современном уровне знаний утвердились представления о развитии Земного шара в последние 4 млрд лет путем его расширения. Глобальные тектонические процессы сопровождались постепенным увеличением радиуса Земли и её поверхности за счет постоянного прироста площади океанических плит. Действующее со стороны расширяющихся океанов горизонтальное давление на континенты не является уравновешенным. При преобладающем давлении с какой-либо стороны происходит перемещение литосферных плит, «дрейф» материков по верхней мантии Земли.

перемещаясь по верхней мантии Земли, континентальные плиты надвигаются на океанические, которые, являясь более тяжелыми, погружаются, переплавляются и уходят в глубины Земли (рис. 3.1).

Между континентальными и океаническими плитами находятся глубокие прогибы, которые называются геосинклиналями (от греч.Ge - земля + Syn - вместе + Klino – наклоняюсь). Геосинклиналь - обширная, обычно линейно вытянутая, дугообразная в плане тектоническая структура, отличающаяся повышенной подвижностью, большой мощностью осадочных отложений, которые легко проницаемы для внедряющейся

в них магмы.

В начале своего развития они представляют собой морские бассейны, дно которых испытывает прогибание. В них сносится обломочный материал, накапливаются многокилометровые толщи осадков. Примером геосинклиналей такой стадии развития являются Японское и Средиземное моря.

Рис. 3.2. Положение и динамика основных структурных элементов земной коры. 1 – гранитный слой континентальной коры; 2 – базальтовый слой; 3 – осадочный слой; 4 - направление горизонтальных сдвигов от океанических рифтов; 5 – вынос глубинных базальтовых расплавов и тепла через рифтовые зоны

Со временем, в результате горизонтального движения и давления плит, геосинклинальные осадки, зажатые между плитами, сминаются в складки и, являясь более легким материа­лом по сравнению с расплавом океанической коры, как бы выталкиваются («всплывают») из-под воды в виде горных сооружений. Так возникли складчатые горные хребты Альп, Карпат, Крыма, Кавказа, Памира и т. д. Для районов геосинклиналей типичны интенсивные и разнообразные тектонические движения. Это вызывает изменение первоначального положения пород. Горизонтальное залегание пород сменяется смятием, перемещением, разрывами. Районам геосинклиналей свойственны повышенная сейсмичность (землетрясения). К ним приурочено большинство современных вулканических поясов.

Тепловой режим земной коры

Развитие земной коры происходило последние 4 млрд лет за счет поступающей энергии Солнца и внутреннего тепла Земли. Примерное количество поступающей солнечной энергии на поверхность Земли – 1,72*10 17 Вт. Конвективный перенос тепла из внутренних сфер Земли к её поверхности оценивается в 3,05*10 13 Вт. Соотношение поступающей энергии на поверхность Земли от Солнца и из недр планеты составляет 140:1, что обусловливает сложный характер изменений температуры в толщах горных пород.

В верхней части земной коры выделяют три температурные зоны: I - сезонных колебаний, II-постоянной температуры и III-нарастания температур (рис. 3.3). Изменение температур в зоне I определяется климатическими условиями местности – сезонной прогреваемостью и промерзанием почвогрунтов.

Рис. 3.3. Схема распределения температур в земной коре

Общая мощность зоны I достигает 12-15 м. По мере углубления в недра Земли влияние суточных и сезонных колебаний температур уменьшается и на глубине примерно 15-40 м находится зона постоянной температуры, равная среднегодовой для данной местности. В северном полушарии она равна +15,5°С, а в южном - +13,6°С.

В пределах зоны III температура с глубиной возрастает. Величина нарастания температуры на каждые 100 м глубины называется геотермическим градиентом,а разность глубин, при которой температура повышается на один градус, называется геотермической ступенью. Средняя величина этой ступени составляет 33 м. В районах вулканической деятельности, где в недрах земли располагаются участки расплавленной магмы, величина геотермической ступени уменьшается до 5-7 м.

О температуре глубоких зон земной коры и верхней мантии можно судить по температуре лав вулканов. Она примерно равна +1 500°С.

За счет энергии Солнца происходят основные геодинамические процессы на поверхности Земли. Их принято называть экзогенными. Источниками внутреннего или эндогенного тепла, является энергия, постоянно возникающая за счет гравитационного уплотнения ядра и распада радиоактивных элементов, находящихся в земной коре и мантии. За счет эндогенного тепла в земной коре происходят такие процессы, как горообразование, тектонические деформации и подвижки, землетрясения. Возникают и существуют очаги и зоны расплавленных магм, вулканические пояса и геотермальные системы.

Совокупность долговременных в геологическом масштабе времени эндогенных и экзогенных процессов в земной коре привело к формированию современного облика и состава земной поверхности, в том числе современной конфигурации континентов и морей, их структурного и вещественного строения.

Вещество земной коры

Вещество земной коры представлено различными горными породами (гранитами, песчаниками, песками, глинами и др.), которые, в свою очередь, состоят из минералов.

Минералы - это природные соединения, имеющие определенный химический состав и внутреннее строение, образующиеся в недрах земной коры и на ее поверхности. Они представляют собой хорошо ограненные кристаллы или зерна с элементами огранки, обладающие определенными физическими свойствами.

3.3.1. Происхождение минералов

В земной коре содержится более I7 000 видов и разновидностей минералов, но лишь около 100 из них имеют широкое распространение и слагают главнейшие горные породы. Эти минералы называют породообразующими, а остальные - второстепенными.

Все многообразные процессы их образования можно разделить на три группы: эндогенные, экзогенные и метаморфические.

Эндогенные процессы протекают в недрах Земли. Минералы рожда­ются по мере кристаллизации магмы - силикатного огненно-жидкого расплава, при высоких температурах и давлениях. Эти минералы плотные, с большой твердостью, стойкие к воде, кислотам, щелочам (кварц, силикаты и др.).

Экзогенные процессы свойственны поверхности земной коры, где имеют место сложные явления взаимодействия литосферы с гидросферой, атмосферой и биосферой. В этих процессах минералы образуются на суше, а также путем выпадения их из водных растворов (озер, морей и др.). Экзогенные минералы в большинстве случаев имеют низкую твердость и активно взаимодействуют с водой или растворяются в ней.

Метаморфические процессы - это перерождение ранее образовавших­ся минералов (эндогенных и экзогенных) под воздействием высоких температур, давлений, а также магматических газов и воды.

ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМНОЙ КОРЫ: Наиболее крупными структурными элементами земной коры являются континенты и океаны.

В пределах океанов и континентов выделяются менее крупные структурные элементы, во-первых, это стабильные структуры - платформы, которые могут быть как в океанах, так и на континентах. Они характеризуются, как правило, выровненным, спокойным рельефом, которому соответствует такое же положение поверхности на глубине, только под континентальными платформами она находится на глубинах 30-50 км, а под океанами 5-8 км, так как океанская кора гораздо тоньше континентальной.

В океанах, как структурных элементах, выделяются срединно-океинские подвижные пояса, представленные срединно-океанскими хребтами с рифтовыми зонами в их осевой части, пересеченными трансформными разломами и являющиеся в настоящее время зонами спрединга , т.е. расширения океанского дна и наращивания новообразованной океанской коры.

На континентах как структурных элементах высшего ранга выделяются стабильные области - платформы и эпиплатформенные орогенные пояса, сформировавшиеся в неоген-четвертичное время в устойчивых структурных элементах земной коры после периода платформенного развития. К таким поясам можно отнести современные горные сооружения Тянь-Шаня, Алтая, Саян, Западного и Восточного Забайкалья, Восточную Африку и др. Кроме того, подвижные геосинклинальные пояса, подвергнувшиеся складчатости и орогенезу в альпийскую эпоху, т.е. также в неоген-четвертичное время, составляют эпигеосинклинальные орогенные пояса, такие, как Альпы, Карпаты, Динариды, Кавказ, Копетдаг, Камчатка и др.

Строение Земной коры континентов и океанов: Земная кора - внешняя твёрдая оболочка Земли (геосфера). Ниже коры находится мантия, которая отличается составом и физическими свойствами - она более плотная, содержит в основном тугоплавкие элементы. Разделяет кору и мантию граница Мохоровичича, на которой происходит резкое увеличение скоростей сейсмических волн.

Масса земной коры оценивается в 2,8·1019 тонн (из них 21 % - океаническая кора и 79 % - континентальная). Кора составляет лишь 0,473 % общей массы Земли.

Океаническ ая кора: Океаническая кора состоит главным образом из базальтов. Согласно теории тектоники плит, она непрерывно образуется в срединно-океанических хребтах, расходится от них и поглощается в мантию в зонах субдукции (место, где океаническая кора погружается в мантию). Поэтому океаническая кора относительно молодая. Океан. кора имеет трехслойное строение (осадочный – 1 км, базальтовый – 1-3 км, магматические породы – 3-5 км), общая ее мощность 6-7 км.

Континентальная кора: Континентальная кора имеет трёхслойное строение. Верхний слой представлен прерывистым покровом осадочных пород, который развит широко, но редко имеет большую мощность. Большая часть коры сложена под верхней корой - слоем, состоящим главным образом из гранитов и гнейсов, обладающим низкой плотностью и древней историей. Исследования показывают, что большая часть этих пород образовались очень давно, около 3 миллиардов лет назад. Ниже находится нижняя кора, состоящая из метаморфических пород - гранулитов и им подобных. Средняя мощность 35 км.

Химический состав Земли и земной коры. Минералы и горные породы: определение, принципы и классификация.

Химический состав Земли: состоит в основном из железа (32,1 %), кислорода (30,1 %), кремния (15,1 %), магния (13,9 %), серы (2,9 %), никеля (1,8 %), кальция (1,5 %) и алюминия (1,4 %); на остальные элементы приходится 1,2 %. Из-за сегрегации по массе внутреннее пространство, предположительно, состоит из железа (88,8 %), небольшого количества никеля (5,8 %), серы (4,5 %)

Химический состав земной коры : земная кора чуть более, чем на 47 % состоит из кислорода. Наиболее распространённые породосоставляющие минералы земной коры практически полностью состоят из оксидов; суммарное содержание хлора, серы и фтора в породах обычно составляет менее 1 %. Основными оксидами являются кремнезём (SiO2), глинозём (Al2O3), оксид железа (FeO), окись кальция (CaO), окись магния (MgO), оксид калия (K2O) и оксид натрия (Na2O). Кремнезём служит главным образом кислотной средой, формирует силикаты; природа всех основных вулканических пород связана с ним.

Минералы: - природные химические соединениявозникающие в результате определенныхфизико-химических процессов. Большинство минералов представляют собой кристаллические тела. Кристаллическая форма обусловлена строением кристаллической решеткой.

По распространённости минералы можно разделить на породообразующие - составляющие основу большинства горных пород, акцессорные - часто присутствующие в горных породах, но редко слагающие больше 5 % породы, редкие, случаи нахождения которых единичны или немногочисленны, и рудные, широко представленные в рудных месторождениях.

Св-ва минералов: твердость, морфология кристаллов, цвет, блеск, прозрачность, спаянность, плотность, растворимость.

Горные породы: природная совокупность минералов более или менее постоянного минералогического состава, образующая самостоятельное тело в земной коре.

По происхождению горные породы делятся на три группы: магматические (эффузивные (застывшая на глубине) и интрузивные (вулканический, излившийся)), осадочные и метаморфические (горные породы, образованные в толще земной коры в результате изменения осадочных и магматических горных пород вследствие изменения физико-химических условий). Магматические и метаморфические горные породы слагают около 90 % объёма земной коры, однако, на современной поверхности материков области их распространения сравнительно невелики. Остальные 10 % приходятся на долю осадочных пород, занимающие 75 % площади земной поверхности.

Структуры земной коры и литосферы

При рассмотрении деформаций горных пород, которые являются следствием (результатом) движений земной коры и литосферы, видно, что Земля находится в беспрерывном развитии. Древние движения и связанные с ними другие геологические процессы сформировали определенное строение земной коры, т.е. геологическиеструктурыилитектонику земной коры. Современные и частично новейшие движения продолжают изменять древние структуры, создавать современные структуры, которые нередко как бы накладываются на «старые» структуры.

Термин тектоника с латинского языка обозначает «строительство». Под термином «тектоника» понимают, с одной стороны, «строение какого-либо участка земной коры, определяющееся совокупностью тектонических нарушений и историей их развития», а с другой стороны, «учение о строении земной коры, геологических структурах и закономерностях их расположения и развития. В последнем случае синоним термина геотектоника».

В.П. Гаврилов дает наиболее оптимальное понятие: «Геологическиеструктуры – участкиземнойкорыилитосферы, которые отличаются от соседних участков определенными сочетаниями состава (название и генезис), возраста, условий (форм) залегания и геофизических параметров слагающих их горных пород». Ис- ходя из этого определения, геологической структурой можно называть и пласт горной породы, и разлом, и более крупные структуры земной коры, состоящие из системы элементарных структур, т.е. можно выделять геологические структуры разных уровней или рангов: глобальные, региональные, локальные и местные. На практике геологи-съемщики, выполняющие геологическое картирование, выявляют местные и локальные структуры.

Наиболее крупными и глобальными структурами земной коры являются континентыили участки с континентальным типом земной коры и впадиныокеановили участки с океаническим типом земной коры, а также области их сочленения, отличающиеся зачастую активными современными движениями, которые изменяют и усложняют древние структуры (рис. 38, 39). Строители осваивают, прежде всего, участки континентов. В основе всех континентов лежат древние (дорифейские) платформы, которые окружены или пересекаются горно- складчатымипоясамииобластями.

Платформаминазывают крупные блоки земной коры, обладающие двухъярусным (этажным) строением. Нижний структурный этаж, сложенный дислоцированными комплексами осадочных, магматических и метаморфических пород, называют складчатым (кристаллическим) фундаментом (цоколем, основанием), который был образован древнейшими дислокационными движениями.

Верхний этаж, сложенный почти горизонтально залегающими осадочными породами значительной мощности – осадочным (платформенным) чехлом. Он был образован за счет более молодых вертикальных движений – опусканий и поднятий отдельных блоков фундамента, которые неоднократно были залиты морем, в силу чего оказались покрытыми чередующимися слоями осадочных морских и континентальных отложений.

В течение длительного времени формирования чехла блоки земной коры в пределах платформ отличались слабой сейсмичностью и отсутствием или редким проявлением вулканизма, поэтому они по характеру тектонического режима от- носятся к относительно устойчивым, жестким и малоподвижным структурам континентальной земной коры. Из-за мощного почти горизонтального чехла платформам свойственны выровненные формы рельефа и характерны медленные современные вертикальные движения. В зависимости от возраста складчатого фундамента различают древние и молодые платформы.

Древниеплатформы (кратоны) имеют докембрийский, по некоторым авторам даже дорифейский, фундамент, перекрытый осадочными породами (отложениями) верхнепротерозойской (рифейской), палеозойской, мезозойской и кайнозойской систем.

В течение более 1 млрд лет блоки древних платформ были устойчивыми и относительно малоподвижными с преобладанием вертикальных движений. Древние платформы (Восточно-Европейская, Сибирская, Китайско-Корейская, Южно- Китайская, Таримская, Индостанская, Австралийская, Африканская, Северо- и Южно-Американские, Восточно-Бразильская и Антарктическая) лежат в основе всех континентов (рис. 40). Главными структурами древних платформ являются щиты и плиты. Щитыпредставляют собой положительные (относительно при- поднятые), как правило, изометричные в плане, участки платформ, в которых на поверхность выходит дорифейский фундамент, а осадочный чехол практически отсутствует или имеет ничтожную мощность. В фундаменте выделяют раннеархейские (беломорские) блоки гранитогнейсовых куполов, позднеархейско- раннепротерозойские (карельские) складчатые зоны зеленокаменных поясов из метаморфизованных зеленокаменно измененных вулканитов основного состава и осадочных пород, в т.ч. железистых кварцитов.

Большая площадь фундаментов перекрыта осадочным чехлом и называетсяплитой. Плитыпо сравнению со щитами представляют собой опущенные участки платформы. В зависимости от глубины залегания фундамента и соответственно мощности осадочного чехла выделяются антеклизы и синеклизы, перикратонные прогибы и авлакогены и другие более мелкие структурные элементы.

Антеклизы– участки плит, в пределах которых глубина залегания фундамента не превышает 1…2 км, а на отдельных участках фундамент может выходить на земную поверхность. Маломощный осадочный чехол имеет антиклинальную форму изгиба поверхностей (Воронежская антеклиза).

Синеклизы представляют собой крупные пологие изометричные или слегка вытянутые структуры в пределах плит, ограниченные смежными щитами, антеклизами или др. Глубина залегания фундамента и соответственно мощность осадочных пород более 3…5 км. Крылья имеют синклинальную форму изгиба поверхностей (Московская, Тунгусская). Склоны антеклиз и синеклиз обычно сложены валами (пологими поднятиями) и флексурами (изгибами складок, отражающими глубинные разломы – Жигулевская флексура).

Наибольшая глубина залегания (до 10…12 км) фундамента наблюдается в авлакогенах. Авлакогены представляют собой относительно протяженные (до нескольких сотен километров) и узкие прогибы, ограниченные разломами и заполненные мощными толщами не только осадочных, но вулканических пород (базальтами), что сближает их по строению со структурами рифтового типа. Многие авлакогены переродились в синеклизы. Среди более мелких структур на плитах выделяются прогибы и впадины, своды и валы, соляные купола.

Молодыеплатформы имеют молодой архейско-протерозойско-палеозойский или даже палеозойско-мезозойский возраст пород фундамента и соответственно еще моложе возраст пород чехла – мезо-кайнозойский. Самым ярким примером молодой платформы является Западно-Сибирская плита, осадочный чехол кото- рой богат залежами нефти и газа. В отличие от древних молодые платформы не имеют щитов, а окружены горно-складчатыми поясами и областями.

Складчатыепояса заполняют промежутки между древними платформами или отделяют их от впадин океанов. В их пределах горные породы разного происхождения интенсивно смяты в складки, пронизаны большим количеством разломов и интрузивных тел, что указывает на формирование их в условиях сжатия и пододвигания литосферных плит. К крупнейшим складчатым поясам относятся Урало- Монгольский (Охотский), Северо-Атлантический, Арктический, Тихоокеанский (часто подразделяется на Восточно- и Западно-Тихоокеанский) и Средиземноморский. Все они зародились в конце протерозоя. Первые три пояса завершили свое развитие к концу палеозоя, т.е. они как складчатые пояса существуют уже более 250…260 млн. лет. В течение этого времени в их пределах преобладают уже не дислокационные горизонтальные, а вертикальные относительно медленные движения. Два последних пояса – Тихоокеанский и Средиземноморский, продолжают свое развитие, выражающиеся в проявлении землетрясений и вулканизма.

В складчатых поясах выделяют складчатые области, которые сформировались на месте резко дифференцированных и подвижных областей геологического прошлого, т.е. там, где были, вероятно, и процессы спрединга, и субдукции или др. тектонические движения, характерные для современных областей. Складчатые области различают между собой по времени образования составляющих их структур и по возрасту горных пород, которые смяты в складки, пронизаны разломами и интрузиями. На обзорных картах строения земной коры выделяются обычно следующие области: байкальской складчатости, образовавшейся в позднем протерозое; каледонской – в раннем палеозое; герцинской или варисцийской – на границе карбона и перми; киммерийской или ларамийской – в поздней юры и мела; альпийской – в конце палеогена, кайнозойской – в середине миоцена. Отдельные участки подвижных поясов, в которых формирование основных складчатых структур продолжается (сейсмофокальные зоны глубокофокусных землетрясений), рассматриваются многими учеными как современные геосинклинальныеобласти. Таким образом, понятия геосинклиналь иконвергентные границы, особенно зоны Вадати-Заварицкого-Беньофа, применяются для одних и тех же структур (участков) земной коры. Только понятие геосинклиналь используется, как правило, для древних складчатых областей и поясов сторонниками геосинклинальной теории (фиксизма), согласно которой в образовании складчатых областей ведущую роль играли вертикальные движения. Второе понятие применяется сторонниками теории движения литосферных плит (мобилизма) для конвергентных границ, на которых преобладают горизонтальные движения в условиях сжатия, приводящие к образованию разломов, складок и как следствие поднятию земной коры, т.е. современных развивающихся областей складчатости.

Геосинклиналяминазываются наиболее активные подвижные участки земной коры. Они располагаются между платформами и представляют собой как бы их подвижные сочленения. Для геосинклиналей характерны разнообразные по вели- чине тектонические движения, землетрясения, вулканизм, складкообразование. В зоне геосинклиналей происходит интенсивное накопление мощных толщ осадочных пород. К ним приурочено около 72 % всей массы осадочных пород, а на платформах только 28 %. Развитие геосинклинали завершается образование складчатостей, т.е. областей с интенсивным смятием горных пород в складки, активными разрывными дислокациями и, как следствие, восходящими вертикальными тектоническими движениями. Этот процесс называется орогенезом (горообразованием) и ведет к расчленению рельефа. Так возникают горные хребты и межгорные впадины – горные страны.

В пределах горно-складчатых областей выделяются антиклинории, синклинории, краевые прогибы и другие более мелкие структуры. Отличительной особенностью строения антиклинориев является то, что в их ядрах (осевых частях) залегают наиболее древние или интрузивные (глубинные) магматические горные породы, которые к периферии структур сменяются более «молодыми» породами. Осевые части синклинориевсложены более «молодыми» горными породами. На- пример, в ядрах антиклинориев Уральской горно-складчатой герцинской (палеозойской) области вскрываются архейско-протерозойские метаморфические породы или интрузивные породы. В частности, ядра Восточно-Уральского антиклинория сложены гранитоидами, поэтому его называют иногда антиклинорием гранитных интрузий. В синклинориях данной области залегают, как правило, девонско-каменноугольные осадочно-вулканогенные породы в разной степени мета- морфизованные; в краевомпрогибе – мощные толщи самых «молодых» палеозойских – пермских, горных пород. В конце палеозоя (примерно 250…260 млн лет тому назад), когда формировалась Уральская горно-складчатая область, на месте антиклинориев существовали высокие хребты, а на месте синклинориев и краевого прогиба – впадины-прогибы. В горах, где горные породы обнажаются на земной поверхности, активизируются экзогенные процессы: выветривание, денудация и эрозия. Речные потоки разрезают и распиливают поднимающуюся область на горные хребты и долины. Начинается новый геологический этап – платформенный.

Таким образом, структурные элементы земной коры – геологические структуры, разных уровней (рангов) имеют определенное развитие и особенности строения, выраженные в сочетании различных горных пород, условиях (формах) их залегания, возрасте, а также влияют на формы земной поверхности – рельеф. В связи с этим, инженеры-строители при подготовке различных проектных материалов и при строительстве, эксплуатации сооружений, особенно дорог, трубопроводов и других магистралей должны учитывать особенности движения и строение земной коры и литосферы.

Тектонические движения земной коры

То, что поверхность Земли никогда не бывает в состоянии покоя, было известно уже древним грекам и жителям Скандинавского полуострова. Они догадывались, что Земля испытывает поднятия и опускания. Доказательством этого являлись древние приморские поселения, оказавшиеся через несколько веков вдали от моря. Причина этого – тектонические движения, которые располагаются в глубинах Земли.

Определение 1

Тектонические движения – это механические перемещения внутри земной коры, в результате которых она изменяет свое строение.

Типы тектонических движений впервые выделил в $1758$ г. М.В. Ломоносов . В своем труде «О слоях Земли » ($1763$) он дает им определение.

Замечание 1

В результате тектонических движений происходит деформация земной поверхности – изменяется её форма, нарушается залегание горных пород, происходят процессы горообразования, возникают землетрясения, вулканизм, глубинное рудообразование. Характер и интенсивность разрушения поверхности Земли, осадконакопление, распределение суши и моря тоже зависят от этих движений.

Распространение трансгрессий и регрессий океана, суммарная толщина осадочных отложений и распределение их фаций, обломочный материал, снесенный в депрессии, являются показателями тектонических движений геологического прошлого. Они имеют определенную периодичность, выражающуюся в изменениях знака и (или) скорости во времени.

Тектонические движения по скорости могут быть быстрые и медленные (вековые), протекающие постоянно. Землетрясения, например, относятся к быстрым тектоническим движениям. Происходит кратковременное, но значительное по силе воздействие на тектонические структуры. Медленные движения незначительны по величине силы, зато по времени растянуты на многие миллионы лет.

Типы тектонических движений рассматривают по признакам:

• Направление движения;
• Интенсивность воздействия;
• Глубина и масштаб их проявления;
• Время проявления.

Тектонические движения земной коры могут быть вертикальными и горизонтальными.

Тектонические структуры земной коры

Определение 2

Тектонические структуры – это огромные участки земной коры, ограниченные глубинными разломами, отличающиеся строением, составом и условиями образования.

Важнейшими тектоническими структурами являются платформы и геосинклинальные пояса

Определение 3

Платформы – это устойчивые и стабильные участки земной коры.

По возрасту платформы могут быть древние и молодые, получившие название плит. Древние занимают около $40\%$ суши, а площадь молодых платформ значительно меньше. Строение тех и других платформ двухслойное – кристаллический фундамент и осадочный чехол.

Специалисты в пределах плит различают:

• Синеклизы – крупные пологие впадины фундамента;
• Антеклизы – крупные и пологие поднятия фундамента;
• Авлакогены – линейные прогибы, ограниченные сбросами.

Определение 4

Геосинклинальные пояса – представляют собой вытянутые участки земной коры с активно проявляющимися тектоническими процессами.

В пределах этих поясов выделяют:

• Антиклинорий – сложный комплекс складок земной коры;
• Синклинорий – сложная форма складчатых дислокаций слоев земной коры.

Помимо геосинклинальных поясов и платформ существуют и другие тектонические структуры – сквозные пояса, рифтовые пояса, глубинные разломы.

Типы тектонических движений

Современная геология выделяет два основных типа тектонических движений – эпейрогенические (колебательные) и орогенические (складчатые).

Эпейрогенические или медленные вековые поднятия и опускания земной коры не изменяют первичного залегания пластов. Они имеют колебательный характер и обратимы. Это значит, что поднятие может смениться опусканием.

Результатом этих движений является:

• Изменение границ суши и моря;
• Накопление осадков в море и разрушение прилегающей части суши.

Различают среди них следующие движения:

• Современные со скоростью $1-2$ см в год;
• Неотектонические со скоростью от $1$ см в год до $1$ мм в год;
• Древние медленные вертикальные движения со скоростью $0,001$ мм в год.

Орогенические движения происходят в двух направлениях – горизонтальном и вертикальном. При горизонтальном движении горные породы сминаются в складки. При вертикальном движении область складкообразования поднимается, и возникают горные сооружения.

Замечание 2

Горизонтальные движения являются основными , потому что идет смещение крупных участков земной коры относительно друг друга. Конвекционные тепловые потоки в астеносфере и верхней мантии считаются факторами этих движений, а длительность и постоянство во времени – их особенностями . В результате горизонтальных движений образуются структуры первого порядка – материки, океаны, планетарные разломы. К образованиям второго порядка относятся платформы и геосинклинали.

Тектонические нарушения

Лавовые потоки и осадочные породы первоначально залегают в виде горизонтальных слоев, но встречаются такие слои редко. На стенках карьеров и высоких обрывов можно увидеть, что слои чаще всего наклонены или раздроблены – это тектонические нарушения . Они бывают складчатые и разрывные. Выделяются антиклинальные и синклинальные складки.

Определение 5

Антиклинали – это слои горных пород, выпуклостью обращенные вверх. Синклинали – это слои горных пород, выпуклостью обращенные вниз.

Помимо складчатых нарушений существуют разрывные тектонические нарушения, которые образуются тогда, когда крупные трещины раскалывают горную породу на блоки. Эти блоки перемещаются относительно друг друга вдоль трещин и образуют разрывные структуры. Возникают эти нарушения при интенсивном сдавливании или при растягивании горных пород. В процессе растяжения горных пород возникают взбросы или надвиги, а в месте разрыва происходит сокращение земной коры. Разрывные нарушения могут образовывать определенные структуры, а могут встречаться и поодиночке. Примерами таких нарушений являются горсты и грабены.

Определение 6

Горст – это поднятый блок горных пород между двумя сбросами. Грабен – это опущенный блок горных пород между двумя сбросами.

В сплошных слоях земной коры даже без перемещения блоков могут появиться трещины, что является результатом каких-либо напряжений при движении коры. В породах, где появляются трещины, возникают ослабленные зоны, поддающиеся выветриванию.

Трещины могут быть:

• Трещины сокращения и уплотнения – идет обезвоживание пород;
• Трещины остывания, характерные для магматических лав;
• Трещины параллельные контактам интрузии.

Наиболее крупными структурными элементами земной коры являются континенты и океаны, характеризующиеся различным её строением. Эти структурные элементы выделяются по геологическим и геофизическим признакам. Не все пространство, занятое водами океана, представляет собой единую структуру океанического типа. Обширные шельфовые области, например, в Северном Ледовитом океане, обладают континентальной корой. Различия между этими двумя крупнейшими структурными элементами не ограничиваются типом земной коры, а прослеживаются и глубже, в верхнюю мантию, которая под континентами построена иначе, чем под океанами. Эти различия охватывают всю литосферу, подверженную тектоносферным процессам, т.е. прослеживаются до глубин примерно в 750 км.

На континентах выделяются два главных типа структур земной коры: спокойные устойчивые – платформы и подвижные - геосинклинали . По площади распространения эти структуры вполне соизмеримы. Отличие наблюдается в скорости накопления и в величине градиента изменения мощностей: платформы характеризуются плавным постепенным изменением мощностей, а геосинклинали - резким и быстрым. На платформах магматические и интрузивные породы встречаются редко, в геосинклиналях они многочисленны. В геосинклиналях подстилающими являются флишевые формации осадков. Это ритмично многослойные глубоководные терригенные отложения, формирующиеся при быстром погружении геосинклинальной структуры. В конце развития геосинклинальные области подвергаются складкообразованию и превращаются в горные сооружения. В дальнейшем эти горные сооружения проходят стадию разрушения и постепенного перехода в платформенные образования с глубоко дислоцированным нижним этажом отложений горных пород и полого залегающими слоями в верхнем этаже.

Таким образом, геосинклинальная стадия развития земной коры – это самая ранняя стадия, далее геосинклинали отмирают и преобразуются в орогенные горные сооружения и в последующем в платформы. Цикл завершается. Всё это стадии единого процесса развития земной коры.

Платформы - основные структуры континентов, изометричной формы, занимающие центральные области, характеризующиеся выровненным рельефом и спокойными тектоническими процессами. Площадь древних платформ на материках приближается к 40% и для них характерны угловатые очертания с протяженными прямолинейными границами - следствием краевых швов (глубинных разломов), горных систем, линейно вытянутых прогибов. Складчатые области и системы либо надвинуты на платформы, либо граничат с ними через передовые прогибы, на которые в свою очередь надвинуты складчатые орогены (горные цепи). Границы древних платформ резко несогласно пересекают их внутренние структуры, что свидетельствует об их вторичном характере в результате раскола суперматерика Пангеи, возникшего в конце раннего протерозоя.

Например, Восточно-Европейская платформа, выделенная в границах от Урала до Ирландии; от Кавказа, Черного моря, Альп до северных пределов Европы.

Различают древние и молодые платформы .

Древние платформы возникли на месте докембрийской геосинклинальной области. Восточно-Европейская, Сибирская, Африканская, Индийская, Австралийская, Бразильская, Северо-Американская и др. платформы образованы в позднем архее - раннем протерозое, представлены докембрийским кристаллическим фундаментом и осадочным чехлом. Их отличительная черта - двухэтажность строения.

Нижний этаж, или фундамент сложен складчатыми, глубоко метаморфизованными тол­щами пород смятыми в складки, прорванными гранитными интрузивами, с широким развитием гнейсовых и гранито-гнейсовых куполов - специфической формой метаморфогенной складчатости (рис. 7.3). Фундамент платформ формировался в течение длительного времени в архее и раннем протерозое и впоследствии подвергся очень сильному размыву и денудации, в результате которых вскрылись породы, залегавшие раньше на большой глубине.

Рис. 7.3. Принципиальный разрез платформы

1 - породы фундамента; породы осадочного чехла: 2 - пески, песчаник, гравелиты, конгломераты; 3 - глины и карбонаты; 4 - эффузивы; 5 - разломы; 6 - валы

Верхний этаж платформ представлен чехлом, или покровом, пологозалегающих с резким угловым несогласием на фундаменте неметаморфизованных отложений - морских, континентальных и вулканогенных. Поверхность между чехлом и фундаментом отражает основное структурное несогласие в пределах платформ. Строение платформенного чехла оказывается сложным и на многих платформах на ранних стадиях его образования возникат грабены, грабенообразные прогибы - авлакогены (авлос - борозда, ров; ген - рожденный, т.е. рожденные рвом). Авлакогены чаще всего формировались в позднем протерозое (рифее) и образовывали в теле фундамента протяженные системы. Мощность континентальных и реже морских отложений в авлакогенах достигает 5-7 км, а глубокие разломы, ограничивавшие авлакогены, способствовали проявлению щелочного, основного и ультраосновного магматизма, а также специфического для платформ траппового (пород основного состава) магматизма с континентальными базальтами, силлами и дайками. Очень важное значение имеет щелочно-ультраосновная (кимберлитовая) формация, содержащая алмазы в продуктах трубок взрыва (Сибирская платформа, Южная Африка). Этот нижний структурный ярус платформенного чехла, соответствующий авлакогенному этапу развития, сменяется сплошным чехлом платформенных отложений. На начальном этапе развития платформы имели тенденцию медленного погружения с накоплением карбонатно-терригенных толщ, а в более поздний этап развития отмечается накоплением терригенных угленосных толщ. В позднем этапе развития платформ в них образовывались глубокие впадины заполненные терригенными или карбонатно-терригенными отложениями (Прикаспийская, Вилюйская).

Платформенный чехол в процессе формирования неоднократно претерпевал перестройку структурного плана, приуроченную к рубежам геотектонических циклов: байкальского, каледонского, герцинского, альпийского. Участки платформ, испытывавшие максимальные погружения, как правило, примыкают к той пограничной с платформой подвижной области или системе, которая в это время активно развивалась (перикратонные, т.е. на краю кратона, или платформы).

Среди наиболее крупных структурных элементов платформ выделяются щиты и плиты .

Щит - это выступ поверхности кристаллического фундамента платформы ((нет осадочного чехла) ), который на протяжении всего платформенного этапа развития испытывал тенденцию к поднятию. Примерами щитов можно указать: Украинский, Балтийский.

Плиту считают или частью платформы, обладающей тенденцией к прогибанию, или самостоятельной молодой развивающейся платформой (Русская, Скифская, Западно-Сибирская). В пределах плит различаются более мелкие структурные элементы. Это синеклизы (Московская, Балтийская, Прикаспийская) - обширные плоские впадины, под которыми фундамент прогнут, и антеклизы (Белорусская, Воронежская) - пологие своды с поднятым фундаментом и относительно утоненным чехлом.

Молодые платформы сформировались либо на байкальском, каледонском или герцинском фундаменте, отличаются большей дислоцированностью чехла, меньшей степенью метаморфизма пород фундамента и значительной унаследованностью структур чехла от структур фундамента. Эти платформы имеют трехярусное строение: фундамент из метаморфизованных пород геосинклинального комплекса перекрыт толщей из продуктов денудации геосинклинальной области и слабометаморфизованным комплексом осадочных пород.

Кольцевые структуры . Место кольцевых структур в механизме геолого-тектонических процессов пока точно не определено. Самыми крупными планетарными кольцевыми структурами (морфоструктурами) являются впадина Тихого океана, Антарктида, Австралия и др. Выделение подобных структур можно считать условным. Более тщательное изучение кольцевых структур позволило выявить во многих из них элементы спиралеобразных, вихревых структур).

Однако можно выделить структуры эндогенного, экзогенного и космогенного генезиса.

Эндогенные кольцевые структуры метаморфического и магматического и тектоногенного (своды, выступы, впадины, антеклизы, синеклизы) происхождения имеют размеры диаметра от единиц километров до сотен и тысяч километров (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Кольцевые структуры к северу от Нью-Йорка

Крупные кольцевые структуры обусловлены процессами, происходящими в глубинах мантии. Боле мелкие структуры обусловлены диапировыми процессами магматических пород, поднимающихся к поверхности Земли и прорывающих и приподнимающих верхний осадочный комплекс. Кольцевые структуры обуславливаются и вулканическими процессами (конусы вулканов, вулканические острова), и процессами диапиризма пластичных горных пород типа солей и глин, плотность которых меньше, чем плотность вмещающих пород.

Экзогенные кольцевые структуры в литосфере образуются в результате воздействия выветривания, выщелачивания, Это карстовые воронки, провалы.

Космогенные (метеоритные) кольцевые структуры – астроблемы. Эти структуры возникают в результате ударов метеоритов. Метеориты диаметром около 10 километров падают на Землю с периодичностью один раз в 100 млн лет, менее крупные значительно чаще Кратер структуры имеет чашеобразную форму с центральным поднятием и валом из выброшенных пород. Метеоритные кольцевые структуры могут иметь диаметр от десятков метров до сотен метров и километров. Например: Прибалхашско-Илийская (700 км); Юкотан (200км.), глубина – более 1км: Аризона (1,2км), глубина более 185м; Южная Африка (335км), от астероида поперечником около 10км.

В геологическом строении Беларуси можно отметить кольцевые структуры тектономагматического происхождения (Оршанская впадина, Белорусский массив), диапировые солевые структуры Припятского прогиба, вулканические древние каналы типа кимберлитовых трубок (на Жлобинской седловине, Северной части Белорусского массива), астроблема в районе Плещениц диаметром 150 метров.

Кольцевые структуры характеризуются аномалиями геофизических полей: сейсмического, гравитационного, магнитного.

Рифтовые структуры континентов (рис. 7.5, 7.6) небольшой ширины до 150 -200 км выражены протяженными литосферными поднятиями своды которых осложнены грабенами проседания: Рейнский (300 км), Байкальский (2500 км), Днепровско-Донецкий (4 000 км), Восточно-Африканский (6 000 км) и др.

Рис. 7.5. Разрез Припятского континентального рифта

Континентальные рифтовые системы состоят из цепочки отрицательных структур (прогибов, рифтов) ранжированного времени заложения и развития, разделенных поднятиями литосферы (седловинами). Рифтовые структуры континентов могут находиться между другими структурами (антеклизами, щитами), пересекать платформы и продолжаться на других платформах. Строение континентальных и океанических рифтовых структур подобно, они имеют симметричное строение относительно оси (рис. 7.5, 7.6), отличие заключается в протяженности, степени раскрытия и наличием некоторых особых черт (трансформных разломов, выступов-мостиков между звеньями).

Рис. 7.6. Профильные разрезы континентальных рифтовых систем

1-фундамент; 2-хемогенно-биогенные осадочные отложения; 3- хемогенно-биогенно -вулканогенная формация; 4- терригенные отложения; 5, 6-разломы

Частью (звеном) Днепровско-Донецкой континентальной рифтовой структуры является Припятский прогиб. Верхним звеном считается Подляско-Брестская впадина, возможно она имеет генетическую связь с аналогичными структурами Западной Европы. Нижним звеньями структуры является Днепровско-Донецкая впадина, затем аналогичные структуры Карпинская и Мангышлакская и далее структуры средней Азии (общая протяженность от Варшавы до Гиссарского хребта). Все звенья рифтовой структуры континентов ограничены листрическими разломами, имеют иерархическое соподчинение по возрасту возникновения, обладают мощной осадочной толщей перспективной на содержание углеводородных залежей.