Кинематика процесса формирования штамповых складок
Приведенный выше фактический материал не оставляет сомнений в том, что среди многочисленных складчатых структур герцинского мегантиклииория Каратау довольно четко выделяются формы, характеризующиеся обычно наиболее крупными размерами, изометричными очертаниями в плане, простыми поперечными сечениями и имеющие как антиклинальное, так и синклинальное строение. Примеры этих форм приводились в конце всех разделов, посвященных характеристике выделенных в районе зон. Подробное рассмотрение их важнейших морфологических признаков позволяет сделать выводы и о наиболее вероятных особенностях кинематики процесса их формирования.
Как было установлено, данного типа складчатые структуры Каратау характеризуются в плане чаще всего изометричной или эллиптической формой со сравнительно небольшим эксцентриситетом. Антиклинали имеют обычно неправильные округлые очертания, синклинали характеризуются чаще всего эллиптическими контурами. Данные складки отличаются также от всех остальных складчатых структур района относительно крупными размерами. Обычно они измеряются по площади сотнями квадратных километров. Их продольные и поперечные размеры нередко достигают нескольких десятков километров.
Указанные черты строения этих крупнейших складчатых структур района делают мало вероятным предположение об участии в их образовании тангенциальных сил. Напротив, создается впечатление, что ведущая роль в этом процессе могла принадлежать только вертикально действовавшим силам. Дело в том что последние, в отличие от первых, чаще всего создают именно изометричные в плане дислокации. Широкий фронт тангенциальных сил, напротив, должен в общем случае обусловливать возникновение преимущественно линейных складок. К сказанному можно добавить также и то, что для распространения сил, действующих нормально на слоистую толщу, не требуется наличия особых физических свойств слагающих ее пород. Передача же тангенциальных сил на достаточно большие расстояния для создания столь крупных складчатых форм в обычного типа породах, представляется почти невозможной (Бронгулеев, 1951).
Было выяснено далее, что формы поперечных сечений рассматриваемых складок характеризуются большой простотой и обычно являются весьма пологими. Антиклинали имеют преимущественно неправильно-аркообразные очертания, тогда как синклинали — либо чашеобразные, либо корытообразные. Их амплитуды достигают в иных случаях 1500—2000 м, хотя чаще изменяются от 1000 до 1500 м:
Эти черты строения также подтверждают сделанное заключение о преимущественном участии в их формировании нормальных, а не тангенциальных сил. Действие первых по чисто принципиальным причинам в наиболее общем случае должно приводить к образованию именно простых пологих форм. Возникновение изоклинальных или веерообразных складок в этом процессе вообще почти невозможно. Таким образом, отмеченные особенности строения данных форм с рассматриваемой точки зрения получают вполне естественное объяснение. Находя в природе крупные простые открытые складки, исследователи вправе заключить, что их образование было связано скорее всего с деятельностью именно нормальных, а не каких-либо иначе ориентированных к слоям сил.
В строении рассматриваемых форм Каратау почти всюду констатировалась асимметрия. У антиклиналей более крутыми являются северо-восточные крылья (в некоторых случаях в пределах последних в толще пород фаменского и турнейского ярусов наблюдались даже небольшие запрокидывания отдельных пачек), у смежных синклиналей — соответственно юго-западные.
Указанная черта строения складок не противоречит предполагаемой схеме их образования. Вряд ли можно представлять, что локальные поднятия и опускания отдельных участков земной коры происходили равномерно на всей их площади. Скорее наоборот, их движения должны были почти всегда характеризоваться значительной сложностью, хотя бы уже в связи с неоднородными физическими свойствами слагающих их пород. Прямым следствием такой неравномерности во всех случаях окажется определенная асимметрия возникающих в соответствующих структурных этажах складок.
Для большинства складок рассматриваемого порядка характерны крутые или вертикальные положения осевых поверхностей или осевых стержней.
С точки зрения предполагаемой схемы эта черта является вполне естественной, так как само их возникновение обусловливалось, с данной позиции, результатом вертикально действовавших сил. В литологическом составе девонских и каменноугольных отложений в разных частях антиклинальных и синклинальных зон каких-либо существенных фациальных изменений не наблюдалось. Однако в пределах сводовых частей отдельных антиклинальных структур рассматриваемого типа были установлены изменения характера слоистости карбонатных пород, которая становится здесь чрезвычайно тонкой. Более существенны особенности изменения мощности. В пределах антиклинальных зон, в их относительно погруженных участках, констатировалось значительное увеличение мощности фаменских отложений, тогда как в поднятых, т. е. именно в пределах рассматриваемых антиклиналей — сокращение. Сокращения были зафиксированы местами и в направлении смежных синклинальных складок того же порядка, что указывает на возможность существования в их пределах обращенных антиклинальных структур.
Следует сказать, что отмеченные закономерности распределения фаций и мощностей отложений, образующих рассматриваемые крупнейшие складки Каратау, служат весьма убедительным доводом в пользу выдвигаемой автором точки зрения о ведущей роли в их формировании вертикальных сил. Сокращение мощностей пород и изменение типа их слоистости в сводах антиклиналей свидетельствуют о сингенетичностк их развития и следовательно указывает на прямую связь данных форм с локальными вертикальными движениями подстилавшего их субстрата.
При характеристике зон было отмечено далее, что в каждом из трех подэтажей герцинского структурного этажа Каратау характер и степень интенсивности деформаций пород оказываются существенно различными. Однако весь комплекс среднепалеозойских отложений однозначно участвует в формировании рассматриваемых складчатых структур, что указывает на их гармоничное строение в целом.
Данная черта строения складок получает наилучшее истолкование, если допустить, что они были сформированы в результате перемещения в вертикальном направлении блоков подстилающего субстрата. Эти блоки как раз и следует рассматривать в качестве активных складкообразующих штампов.
Общий вывод о штамповом типе крупнейших складчатых структур герцинского этажа Каратау подтверждается и типами осложняющих их разрывных нарушений. Как видно из многочисленных фактических данных, в подавляющем большинстве случаев эти нарушения представляют собой крутые сбросы, взбросы и трещины. По соотношению с рассматриваемыми складчатыми формами они являются продольными, диагональными и поперечными. Разрывы имеют в плане чаще всего более или менее прямолинейные, реже неправильно-дугообразные формы. Они располагаются в разных частях осложняемых ими складок, пересекая как крылья, так и своды последних. Обычно разрывы нарушают весь среднепалеозойский структурный этаж и либо угасают близ его нижней границы, либо продолжаются в комплексе более древних отложений. Однако встречаются и такие разрывы, которые фиксируются только внутри отдельных подэтажей. Некоторые из них (например, Бельмазарский), заполнены брекчиями и сильно деформированными подстилающими породами. В связи с таким характером строения они имеют черты амагматических инъекций (Бронгулеев, 1947).
Нетрудно понять, что относя рассматриваемую группу складок Каратау к типу штамповых, следует квалифицировать происходившие при этом деформации слоистых толщ как их поперечное растяжение. Естественным следствием такой деформации будет возникновение именно всех указанных выше разрывных нарушений.
В заключение следует проанализировать те особенности данных складок, которые характеризуют их взаимные соотношения в пределах групп, а также и с более крупными структурными элементами района. Антиклинальные и синклинальные формы этого типа имеют более или менее независимую ориентировку в пространстве, хотя в целом и располагаются в соответствии с общим направлением тех зон, в пределах которых они развиваются. Складки представляют собой своеобразные цепочки поднятий или прогибов, расположенные благодаря изгибам самих зон кулисообразно. В связи с таким характером расположения некоторые антиклинали (антиклинальных зон) нередко сменяются по простиранию синклиналями (смежных синклинальных зон) и наоборот.
Очевидно можно сделать вывод, что рассматриваемые складчатые формы в своем расположении на площади, с одной стороны, подчинялись некоторой обшей закономерности, в соответствии с которой они сгруппировались в линейно вытянутые зоны, а с другой,— обладали достаточной свободой в своем расположении и как следствие — значительной степенью идиоморфизма. Первая закономерность, представляющая огромный теоретический интерес, вряд ли может быть объяснена сейчас с необходимой достоверностью. Вероятно причины, которые обусловливали движение отдельных блоков земной коры и вызывали тем самым возникновение данного типа антиклинальных и синклинальных складок, контролировались в свою очередь какими-то более общими и более мощными факторами, приведшими к появлению как самого герцинского мегантиклинория Каратау в целом, так и составляющих его зон. Учитывая концентрическое расположение зон, нет оснований говорить об участии в их образовании тангенциальных сил. Скорее здесь речь должна идти о своеобразном центре тектонической активности, имевшей некогда радиальный характер распространения. Этот вывод подтверждается и упомянутым выше идиоморфизмом рассматриваемых складок, выражающимся в причудливости их расположения на площади и в неправильности контуров в плане.
Заслуживает, наконец, внимания и то, что складки данного типа герцинского этажа Каратау не обладают той степенью конгруэнтности, которой характеризуются вмещающие их антиклинальные и синклинальные зоны. Антиклинали и синклинали, располагаясь на площади довольно прихотливо, чаще всего не образуют ритмически сменяющих друг друга волн. Это кажется вполне естественным при учете их обычно изометричных или эллиптических очертаний.
Обе отмеченные черты строения складок лишний раз подтверждают правильность сделанного здесь вывода о их образовании под действием разобщенных, нормально прилагавшихся к слоистым толщам сил.
Итак, совокупность важнейших морфологических признаков охарактеризованного типа герцинских складок Каратау позволила сделать общий вывод, что по кинематическому типу они должны относиться к формам поперечного растяжения слоистых толщ, т. е. к типу складок, названному автором штамповым. Складки этого типа играют очень большую роль в строении изученной складчатой структуры. Являясь формами первого порядка, они определяют основные черты ее тектонического плана. Следует полагать, что они всегда должны присутствовать в любых геотектонических зонах, т. е. другими словами, представлять собой чрезвычайно распространенный тип тектонических деформаций.
Учитывая полученные выводы, необходимо рассмотреть все кинематические особенности образования подобных форм, которые должны характеризовать их в наиболее общем случае.
Процесс возникновения различных по масштабам штамповых складок в любых геотектонических условиях и в любых по своим физическим свойствам горных породах сравнительно с другими складкообразовательными процессами является, по-видимому, наиболее простым. Выше уже отмечалось, что кинематически он представляет собой результат местных поперечных растяжений слоев, обусловленных действием сил, приложенных к ним перпендикулярно. В случаях, когда речь идет об образовании штамповых антиклиналей, силы должны действовать на нижнюю поверхность деформируемого комплекса слоев (рис. 129). По характеру приложения эти силы будут относиться к типу «поверхностных». Образование синклинальных форм того же кинематического типа будет вызываться действием гравитационных сил, т. е. уже сил «объемных» (рис. 130). Очевидно, что развитие как антиклинальных, так и синклинальных штамповых складок возможно при любых физических свойствах слоистых толщ. Деформации поперечного растяжения слоев могут происходить как в упругой, так и в пластической фазе. Кинематический же тип образующихся при этом складок будет во всех случаях одним и тем же. Существенно важным является то обстоятельство, что деформация должна осуществляться в результате общего поступательного перемещения частиц вещества слоев главным образом по вертикали снизу вверх или сверху вниз. Горизонтальная составляющая траекторий их движения при этом в общем случае будет очень незначительной. Чаще она должна отсутствовать. Траектории частиц вещества пород будут близки к прямым.
Выяснив эти общие черты рассматриваемого механизма формирования штамповых складок, обратимся к тем многочисленным следствиям, которые логически из них вытекают. Частично они уже упоминались при анализе морфологических особенностей штамповых форм Каратау.
Так, прежде всего размеры и конфигурация штамповых складок в плане во всех случаях будут всецело зависеть от соответствующих габаритов и формы активных субстратов, которые приподнимают слоистую толщу или опускаются под нею, т. е. от прилагающихся штампов. Эта особенность существенно отличает данные складки от любых других их типов, размеры и форма которых в общем случае должны лимитироваться физическими свойствами подвергающихся деформации пород. В отличие от них, здесь в полном смысле слова должно осуществляться своеобразное штампование (в случае антиклинальных) или «формование» (в случае синклинальных) складок. Вероятно, наиболее простыми формами штампов будут неправильно-округлые; однако несомненно возможны и существенно иные, в частности эллиптические и даже вытянутые — линейные. Таким образом, среди данного типа складок можно ожидать большого разнообразия их морфологических разновидностей.
Формы поперечных сечений штамповых складок почти во всех случаях будут зависеть от профилей соответствующих штампов. В тех случаях, когда последние окажутся «мягкими», формы возникающих под их воздействием антиклинальных складок определятся естественной формой пластических масс, т. е. в общем случае будут наиболее простыми (аркообразными). При действии «жестких» штампов формы складок могут оказаться более разнообразными. В этих случаях легко возникнут, например, «сундучные», «трамплинообразные» и многие другие типы складок. В случаях, когда будет перемещаться не единый штамп, а их система, формы образующихся над ними складок могут оказаться весьма сложными. Крылья таких складок могут быть ступенчатыми или нарушаться иного типа деформациями.
Специфика механизма образования штамповых складок предопределяет как правило крутое или вертикальное расположение их осевых поверхностей. Лишь в исключительных случаях среди них возможны сильно наклоненные или тем более лежачие формы. При этом последние будут уже не простыми, а скорее гибридными образованиями.
В наиболее общем случае вертикальные перемещения жестких штампов должны происходить неравномерно в их разных частях. Это следует прежде всего из неравномерности физических свойств самих деформируемых пород, о чем говорилось выше, а также и из весьма вероятной неравномерности в распределении вертикальных сил, приводящих в движение штампы подстилающего субстрата. Естественным следствием этих вполне вероятных условий рассматриваемого процесса, должна быть определенная асимметрия возникающих штамповых складок. Асимметрию и вообще неправильность очертаний в любых сечениях следует считать таким образом одним из важных морфологических признаков данного типа структур.
Чрезвычайно существенным является то обстоятельство, что рассматриваемый процесс по существу представляет собой, как уже подчеркивалось, результат местных растяжений слоев. Общая поверхность их после деформации всегда должна увеличиваться. Вместе с тем неизбежно будет происходить сокращение мощности деформируемых слоев. Именно за счет этого сокращения и возможно увеличение их поверхности.
Очень важной особенностью процесса формирования штамповых складок является, далее, возможность их роста одновременно с осадконакоплением. Результатом такого совпадения процессов во многих случаях должны быть закономерные изменения мощностей и фаций отдельных слоев или их комплексов в пределах различных частей единичных складок. Поскольку в данном случае речь идет о формах, рост которых должен осуществляться в результате действия вертикальных сил, есть полная возможность захвата данным процессом и тех слоев, накопление которых еще продолжается. Они могут представлять собой даже полужидкий осадок. Мощность этих слоев чаще всего должна быть сокращенной на сводах антиклиналей и увеличенной в наиболее опущенных частях синклиналей. Таким образом, сделанный ранее общий вывод о том, что формирование штамповых складок всегда будет происходить при сокращении мощности слоев, сейчас может быть уточнен оговоркой, что при этом имеются в виду слои не сингенетичные. В последних же при росте, например, синклиналей возможны и некоторые увеличения мощностей вследствие первично неравномерного осадконакопления. Что касается фаций, то в общих случаях в сводовых частях штамповых антиклиналей сингенетичные толщи должны быть представлены более грубыми фракциями осадков. Напротив, в синклинальных штамповых формах материал сингенетичных слоев, как правило, должен быть более тонким, тогда как толщина слоев несколько (иногда значительно) увеличена.
Нетрудно понять, далее, что в пределах слоистых толщ, испытывающих воздействие различных штампов, формирующиеся складки должны быть построены в целом гармонично. Они не «угаснут» на глубину (в слоях, расположенных над штампом), так как сам процесс их возникновения обусловливается силами, идущими именно от штахмпа (при образовании антиклиналей). Тем не менее возможны случаи, когда затухание деформаций произойдет вверх и складки «не дойдут» до каких-то более высоких слоев.
Заслуживает внимания и характер разрывных смещений, морфологически и генетически связанных со штамповыми складками. Очевидно, преобладающим типом таких смещений должны быть сбросы и взбросы. Этот вывод следует из того факта, что рост штамповых складок представляет собой главным образом вертикальное перемещение вещества пород. Ориентировка поверхностей разрывов по отношению к контурам складчатых форм (в плане) может быть сколь угодно разнообразной. Здесь можно ожидать возникновения продольных, диагональных и поперечных смещений. Однако при диагностике типа изучаемых складок следует учитывать все те закономерности, которые хорошо известны из курсов сопротивления материалов (разрывы по схемам Людерса, Моора и т. д.).
Значительный интерес представляет, наконец, и вопрос о соотношениях между единичными штамповыми складками в пределах их групп. В связи с тем что рост каждой отдельно взятой складки обусловливается в данном процессе воздействием особого штампа, можно сделать вывод, что они должны развиваться независимо друг от друга. Следовательно, нужно ожидать весьма большой сложности в расположении штамповых форм на площади. Их простирания в пределах некоторых групп (в случае линейного, или брахиформного строения) могут быть весьма пестрыми. Однако нужно иметь в виду, что это заключение не может во всех случаях считаться вполне достоверным, так как все еще остаются неизвестными причины, вызывающие движения самих штампов. В одних случаях эти движения будут иметь сложный, разобщенный характер, в других они окажутся обусловленными факторами, общими для данной группы штампов. Естественно, что в этих последних случаях можно будет ожидать проявления определенных закономерностей в расположении не только штампов, но и самих развивающихся над ними складок.
В заключение следует обратить внимание на степень конгруэнтности штамповых складок. Эта черта их строения, так же как и предыдущая, всецело зависит от особенностей механизма, приводящего в движение штампы. Однако в общем случае с чисто теоретической точки зрения данные формы должны характеризоваться скорее инконгруэнтностью, так как формирование каждой отдельной складки может происходить вне зависимости от формирования соседних с ней структур.
Динамика процесса формирования штамповых складок
Вопрос о силах, вызывающих движение штампов, теснейшим образом связан с наиболее трудной проблемой геотектоники, а именно: с выяснением общих причин, обусловливающих тектоническую активность земной коры в целом. Эта проблема является еще более широкой и сложной, чем проблема складкообразования; и в отечественной и в зарубежной литературе ей уделяется очень большое внимание. Не имея возможности рассмотреть ее здесь во всех подробностях, автор сделал попытку суммировать лишь самые общие соображения, причем применительно только к формированию складчатых структур.
Вертикальные перемещения отдельных участков осадочного чехла земной коры независимо от масштабов могут вызываться действием либо жестких, либо мягких штампов. Естественно, что такое подразделение последних является в значительной мере условным, так как возможности изменения физического состояния пород образующих те или иные штампы весьма велики. Однако для практических целей данное подразделение вполне приемлемо и несомненно полезно.
Перемещения жестких штампов могут быть следствием действия либо первично-вертикальных сил, либо сил первично-тангенциальных. При этом имеются в виду силы и движения, реализующиеся на уровне самих перемещающихся штампов. В более глубоко расположенных частях земной коры процессы могут иметь совершенно иной характер. В числе причин, способных вызывать появление первично-вертикальных сил, могут быть указаны изменения объемов нижних частей земной коры и, вероятно, верхней мантии. Известно, что такие изменения способны обусловливаться результатом как непосредственного воздействия температуры, так и полиморфных,
электронных и фазовых переходов вещества пород, вызывающих их химические и петрохимические перестройки (Афанасьев, 1961; Субботин, 1960, 1962, 1964; Тихомиров, 1963). Во всех этих случаях изменения объемов тех или иных участков (или зон) земной коры будут трансформироваться в преимущественно односторонние вертикальные перемещения масс, а следовательно и в непосредственно вертикальные перемещения расположенных над ними систем жестких штампов. Очевидно такие штампы рационально называть условно «первично-вертикальными» (рис. 131).
Вертикальные перемещения жестких штампов способны вызываться, как уже говорилось, и тангенциальными силами. Возникновение последних в земной коре принципиально возможно, например, в результате проявления ее общей, или частной контракции. Первая, по соображениям, неоднократно уже излагавшимся многими исследователями (Тетяев, 1934; Белоусов, 1962; Люстих, 1958 и др.), вряд ли может считаться реальной. Что же касается второй, то ее роль, по-видимому, весьма значительна. Появление тангенциальных сил в земной коре возможно и в результате подкоровых течений вещества пород, например как это представляет А. Холмс (Holmes, 1928—1931), Венинг-Мейнес (Vening—Meinesz, 1940) и главным образом Э. Краус (Kraus, 1960). В общем случае в результате тангенциального сдавливания масс, вызванного какими угодно причинами, их отдельные блоки (штампы) могут оказаться выжатыми и поднятыми на ту или иную высоту. В перекрывающих блоки породах смогут возникать типично штамповые складки (рис. 132).
Однако характер движения самих штампов в данном случае будет существенно отличаться от рассмотренного выше. Таким образом, вертикально движущиеся штампы, обусловленные первично-тангенциальными силами, можно условно называть «вторично-вертикальными».
Несколько иначе дело должно обстоять с движениями «мягких штампов». Силы, вызывающие перемещение высокопластичных или даже жидких масс, не имеют определенной тангенциальной или нормальной по отношению к земной коре ориентировки. Они действуют во всех направлениях, подчиняясь лишь закону Паскаля. Однако обусловив в том или ином месте подъем «мягкого штампа», эти силы обеспечивают его направленное, обычно вертикальное движение и тем самым образование в покрывающих породах штамповых складок. В данных случаях говорить о первично-вертикальном или вторично-вертикальном характере штампов трудно, ибо речь скорее идет о их смешанном типе.
В заключение следует отметить, что формирование штамповых складок возможно во всех тех случаях, когда размеры в плане поднимающихся или опускающихся участков земной коры являются меньшими по сравнению с общей площадью подвергающихся деформации растяжения пластов. Другими словами, этот процесс возможен лишь тогда, когда части слоистого комплекса, остающиеся за пределами формирующихся складок, способны сохранять свою целостность и неподвижность. Если же поднятия или опускания охватывают всю или большую часть площади слоистого комплекса, то в полном смысле слова штампования ожидать в этом случае нельзя. Здесь будет простое перемещение пластов с одного гипсометрического уровня на другой.
Какой же тип штампов обусловил возникновение герцинских штамповых складок Каратау?
Применяя метод исключения, здесь прежде всего следует отвергнуть существование типа мягких штампов. Всюду, где было возможно видеть, наблюдались только «жесткие штампы», роль которых играли блоки догерцинских структурных этажей.
Отказ на общих основаниях от эффекта широкой (планетарной) контракции земной коры сужает решение поставленного вопроса и приводит к заключению, что формирование указанных складок могло быть результатом действия либо первично-вертикальных, либо вторично-вертикальных жестких штампов. Наиболее логичной является мысль, что рассматриваемые складки формировались в результате процесса, теснейшим образом связанного с движениями включающих эти складки зон, а следовательно, и с движениями всего среднепалеозойского мегантиклинория Каратау в целом. Приняв эту точку зрения, можно прийти к выводу, что движение простых и гибридных складчатых форм данного типа скорее всего обусловливалось действием сложно дифференцированных первично-вертикальных штампов. В совокупности эти последние представляли собой очень своеобразную разномасштабную «клавиатуру», управлявшуюся некогда каким-то единым процессом. Об этом свидетельствуют размеры рассмотренных форм, характер их взаимного расположения, ориентировка в пространстве, сложные соотношения с сопредельными аналогичными по масштабу сооружениями и т. д.
Процесс формирования герцинских штамповых форм был весьма длительным. Начало роста некоторых антиклиналей этого типа совпадает со временем отложения нижней хантагинской свиты фаменского яруса. Они продолжали развиваться, то активизируясь, то испытывая временную стабилизацию на протяжении фаменского и отчасти турнейского и визейского веков. В некоторых случаях происходили изменения знака их движений. Такая перестройка плана имела место в частности перед началом накопления каменноугольных отложений.
—Источник—
Бронгулеев, В.В. Проблема складкообразования в земной коре/ В.В. Бронгулеев.- М.: Недра, 1967.- 282 с.
Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава
