Сдвиги и трансформные разломы литосферы (тектонофизический анализ проблемы)
В последние годы при исследовании разломов внимание акцентировалось на их морфологогенетической классификации. Обнаружилось, что сдвиги среди разломов наиболее распространены. Даже в таких классических по геотектоническому режиму развития структурах растяжения, как рифтовые зоны, сдвиги или сдвиго-сбросы играют ведущую роль. Дно океана также «насыщено» сдвиговыми структурами, среди которых обнаружены разновидности, не совсем точно укладывающиеся в сложившееся у геологов понятие сдвиг. В частности, у таких сдвигов на концах вместо постепенного затухания амплитуды смещения и перехода в зону повышенной трещиноватости фиксировались резкие трансформации в другие структуры. Названную разновидность сдвигов Д. Уилсон [Wilson G. Т., 1965] предложил назвать трансформными разломами. Первоначально их выделяли только в океанической коре.
Изучение трансформных разломов шло параллельно с развитием новой глобальной тектоники и способствовало ему. Было установлено, что трансформные разломы -- одна из трех принципиальных разновидностей границ между плитами. Интерес к трансформным разломам повысился. Их стали выделять в структурах континентов, чему способствовала одна из специфических черт трансформных разломов -- их поперечное расположение к срединно-океаническим хребтам и рифтовым зонам, большая протяженность и другие признаки. К классу трансформных стали относить и некоторые континентальные сдвиги, расположенные поперек главной тектонической структуры. К сожалению, этот процесс не ограничился крупными сдвигами, и к числу трансформных стали относить поперечные сдвиги регионального и даже более локального значения. При определении сдвигов геометрические (поперечные) соотношения превалировали над генетическими. Одним из первых обратил на это внимание Р. Френд [Freund R., 1974].
В настоящее время в геологической литературе с одинаковой значимостью и частотой практически на равных основаниях используются термины сдвиг, трансформный и поперечный разломы, причем два последних часто употребляются как синонимы. Правила классификации естественных объектов здесь грубо нарушены: последовательно изменяется критерий, взятый за основу выделения главного свойства названных структур, вносится неопределенность в собственно генетическую нагрузку терминов, механизм образования структур и энергетический источниких развития.
Принимая во внимание широкое развитие сдвиговых структур в литосфере, их большую значимость и, следовательно, важность правильной и однозначной интерпретации наблюдаемых фактов, автор нашел необходимым более подробно рассмотреть их механизм формирования и выделить критерии дляморфологогенетической классификации.
СДВИГИ
Определение и классификация. К сдвигам относят группу разрывов, у которых смещение происходит по простиранию сместителя. Заметим, что это определение достаточношироко и включает и собственно трансформные разломы. К сожалению, в геологии сохраняется традиция использования уже принятых терминов, что не всегда соответствует современному уровню знаний.
По направлению относительного смещения крыльев сдвиги делятся на правые (дальнее от наблюдателя, стоящего перпендикулярно сместителю, крыло смещено вправо) и левые (соответственно наоборот); по протяженности они разделяются па локальные, региональные, генеральные и более крупные глобальные. Критерием отнесения к тому или иному рангу служит длина сдвига и ее отношение к мощности коры. Региональные сдвиги соизмеримы с мощностью коры, локальные меньше ее, генеральные по длине превышают мощность коры в два раза и более. С длиной тесно коррелирует и глубина проникновения сдвигов. Как правило, генеральные и глобальные сдвиги секут всю земную кору и даже литосферу и являются, в свою очередь, разновидностью глубинных разломов. По морфологии и структуре генеральные и глобальные сдвиги представляют собой сдвиговые системы, так как состоят из серии сближенных региональных или локальных сдвигов.
Ряд исследователей [Муди Дж., Хилл М., 1960; Павлинов В. Н., 1977; и др.] считают сдвиги господствующим типом разрывов в земной коре. С этим следует согласиться, особенно если принять во внимание близкую к ним, по существу, группу переходных разновидностей разломов типа сбросо- и взбросо-сдвигов.
Общая характеристика. Геология сдвиговых зон достаточно хорошо описана в литературе. Образцами изученности и эталонами сдвигов являются Талассо-Ферганский, Главный Саянский разлом, Монголо-Охотский, Урало-Тяньшанский, Азорско-Гибралтарский, Грейт-Глен и др. Наиболее хорошо изучен современными геологическими, геодезическими и геофизическими методами разлом Сан-Андреас -- один из самых крупных сейсмически активных сдвигов Земли. Сейчас он трактуется как трансформный разлом.
Изучение сдвигов разных рангов выявило четкое их различие. Сдвиговые трещины и локальные сдвиги хорошо выражены в обнажениях, на аэрофотоснимках и великолепно картируются. Региональные и генеральные сдвиги представляют собой сочетание групп или систем одиночных сдвиговых трещин или разрывов. Они хорошо проявляются при мелкомасштабном картирования, на космических или других дистанционных снимках.
Подробное исследование сдвигов провели Дж. Муди и М. Хилл (1960). Они разработали ранговую и иерархическую схему соотношения между направлением одного из главных нормальных напряжений в коре, главной сдвиговой зоной и сопряженными с ней структурами других более высоких порядков. При этом ученые опирались на теоретическую модель Г. Мак Кинстри [McKinstry Н. Е., 1953], в которой динамическая обстановка в крыльях разлома тождественна динамической ситуации в пластине, находящейся между двумя смещающимисяплоскостями. Все различие между сдвигами и сопряженными с ними структурами они видели только в масштабности проявления дислокаций. Авторы в едином региональном поле напряжений выделяли сдвиги первого порядка, сопряженные с ними другие структуры, в том числе сдвиги второго порядка, сопряженные с последними структуры, в том числе сдвиги третьего порядка и т. д. Накопившийся геологический материал показывает, что амплитуды сдвигов (в континентальной коре) по простиранию меняются, и сопряженные со сдвигами структуры имеют не столь идеальную картину. Нередко хорошо изученные крупные сдвиговые зоны практически не имеют необходимых по схеме Дж. Муди и М. Хилла структур оперения.
Дж. Муди и М. Хилл составили одну из первых основ системного анализа сдвигов, которая сыграла неоценимую роль в изучении сдвиговой тектоники Земли. Авторы не придавали значения тому факту, что и по строению,и по механизму образования локальные и генеральные сдвиги существенно различаются между собой. Между тем физика процесса образования даже этих двух различающихся только по масштабам проявления разновидностей единой группы разрывов различна. Дело в том, что генеральные сдвиги секут всю кору или литосферу, локальные проникают только на определенную глубину. Механизмысдвижения здесь совершенно различны. Прежде чем более детально рассматривать эти вопросы, суммируем некоторые общие геологические признаки сдвигов.
1. Сдвиги развиваются, как правило, двумя сопряженными системами. Наиболее хорошо эта закономерность выражена у сколовых трещин в обнажениях. С увеличением размеров сдвигов одна из сопряженных систем практически не развивается.
2. Длина сдвигов по простиранию изменяется от сентиметров (небольшие сколовые трещины в обнажениях) до тысяч километров. Отношение длины сдвига к мощности коры или литосферы может изменяться от 0 до 10100.
3. Амплитуды смещениясдвигова имеют конечную величину и связаны с их длинойL зависимостью а=kLb, где k и b -- коэффициенты пропорциональности, соответственно численно равные (0,01--0,08 и 0,8--1,2 [Шерман С. И., 1977]. Амплитуда сдвигов максимальна в центральной части (0,1 длины сдвига [Ружич В. В., Шерман С. И., 1978]) и постепенно снижается до нуля на их окончаниях.
4. Глубина проникновения локальных и региональных сдвигов коррелирует с их длиной и, как правило, не превышает половины мощности коры, вовлеченной в деформацию. Сдвиг может рассечь и весь объем вовлеченной в деформацию коры, что характерно для их генеральных разновидностей, когда сопряженная с ними другая система сдвигов практически не развивается. При этом наиболее вероятна внутрикоровая переориентировка напряжений, и сдвиги на глубине переходят в сбросы.
Ограниченность амплитуды сдвигов, ее изменение по простиранию накладывают определенные рамки на широкое практическое использование теоретической схемы сдвигов и сопряженных с ними структур более высоких порядков, разработанной Дж. Муди и М. Холлом (I960).
5. Сдвиги, образованные в едином поле напряжений, субпараллельны и имеют общие параметры. Расстояние между сдвигами коррелирует с их длиной и толщиной (мощностью), вовлеченной в деформацию частью коры или литосферы. Поскольку параметры у такой системы сдвигов идентичны, шаг внутри системы сдвигов сохраняет постоянную величину. Такая система разломов хорошо выражается на геологической карте.
Перечисленные основные признаки сдвигов наиболее существенны при анализе механизма их образования. Физика процессов формирования крупных сдвигов еще не изучена.
ТРАНСФОРМНЫЕ РАЗЛОМЫ
Определение и классификация. Д. Уилсон [Wilson G. Т., 1965] обратил внимание на серию сдвигов, закартированных на океаническом дне, для которых амплитуда смещения по простиранию не изменялась. Более того, эти сдвиги по простиранию не выклинивались и затухали, а резко переходили в другого типа структуры сжатия или растяжения. Выражаясь словами Д. Уилсона, они внезапно прерывались. Следуя принятой в геологии системе понятий, подобные разломы уже нельзя называть сдвигами, хотя физический процесс разрушения, как увидим ниже, у них практически тот же. Ограниченный геологическими рамками мышления, Д. Уилсон[WilsonG. Т., 1965] предложил сдвиговые разломы, по которым смещение внезапно прекращается или изменяет характер и направление и трансформируется в другой тип геологических - структур, называть- трансформными. Таким образом,трансформные разломы -- это особая разновидность широкого класса сдвигов в литосфере Земли.
Трансформные разломы классифицируются, во-первых, по направлениюотносительного движения блоков (на право- илевосторонние) и, во- вторых, по комплексу структур трансформации, развиваемых на концах разломов. По последнему критерию выделяют 12 типов трансформных разломов (рис. 1). Различия между отдельными типами могут показаться, на первый взгляд, незначительными, если не учитывать вариаций в характере их развития. Оно заключается в том, что в зависимости от «соединяемых» структур трансформные разломы могут либо расти по простиранию, либо уменьшаться, либо в течение определенного периода оставаться неизменными. Весьмасущественного (см. рис. 1, а, а'), что направление движения по трансформнымразломам иногдапротивоположно тому, какое необходимо для привычного в геологии сдвигового перемещения.
Рис. 1. Типы правостороннихтрансформных разломов в момент активизации (а -- е) и после некоторого периода их развития (а' -- е')[по WilsonG. Т., 1965]. Генетическиетипытрансформныхразломав; а - хребет-хребет (рифт-рифт);б - хребет (рифт)- вогнутая дуга; в- хребет (риф)- выпуклая дуга; г -вогнутая дуга-вогнутая дуга; д - вогнутаядуга- выпуклаядуга; е - выпуклаядуга - вогнутаядуга; d- поддвигание, u - надвигание
тектонофизический трансформный разлом сдвиговый
В.Г. Казьминым (1978) рассмотрены случаи, когда характер сдвига вдоль одного и того же трансформного разлома изменяется (рис. 2). Это связано с различной скоростью смещения сегментов, приводящей к тому, что по активной континентальной составляющей трансформного разлома относительное смещение маркеров будет «противоположным» по сравнению с его пассивной частью. Правый трансформный разлом в своей активной части между двумя рифтами может продолжиться активным левым сдвигом. Это весьма важное наблюдение В. Г. Казьминарасширяет наши представления о кинематике подвижек трансформных разломов на континентальной коре. Рассмотренный случай, скорее всего, типичен для дистальныхокраинных частей рифтовых зон, под которыми более резко выражена дифференциация скоростей подкорового конвекционного потока.
Эти, казалось бы, несущественные факты отражают принципиальную разницу в способе приложения нагрузки и последующего разрушения литосферы при образовании собственно сдвигов и трансформных разломов.
Выделение трансформных разломов не является неожиданно новым фактом для геологии. Такие разломы были известны и до исследований Д. Уилсона[WilsonG. Т., 1965]. Его жезаслуга в том, что он дал принципиально новую интерпретацию кинематики движения вдоль некоторых сдвигов, энергетическим источником которого мог служить только мантийный конвекционный поток.
К моменту появления статьи Д. Уилсона очень активно возрождалась концепция подвижности плит литосферы -- новая глобальная тектоника. Она во многом способствовала внедрению идей Д. Уилсона в жизнь, поскольку трансформные разломы -- одна из трех разновидностей межплитных границ. В свою очередь, концепциитектоники плит способствовали более глубокому генетическому пониманиюпроцессов, связанных с формированием трансформных разломов. Как отмечает Д. Уилсон, «если данный класс разломов не был распознаниопределен ранее, то только потому, что при обсуждении механизма разломообразования всегда молчаливо допускались сплошность и неподвижность раскалывающегося субстрата» [Wilson G. Т., 1965]. Поэтому механизм формировании трансформных разломов несколько иной, их сдвиговый характер имеет совершенно иную природу.