Статья: Сдвиги и трансформные разломы литосферы (тектонофизический анализ проблемы)

Несколько позже моделирование трансформных разломов провели Р. Френд и Л. Мерзер [Freund R., Merzer А., 1976]. Они использовали парафин и показали, что при застывании на его поверхности пленки в стадии ламинарного течения (в сторону спрединга) в ней образуются устойчивые оптически ориентированные волокна, параллельные течению. Малейшие неоднородности в них предопределяют появление трещин растяжения. Когда же последние растут одновременно из разных точек и достигают своими концами общей «нити» волокна, вдоль нее происходит сдвижение, и именно здесь зарождается трансформный разлом. Авторы приводят дополнительные примеры образования структур, подобных трансформным разломам, на затвердевающей корке лавы, в которой четкая полосчатость ориентируется в направленииспрединга. По их мнению, направление трансформных разломов на дне океанов подчинено его анизотропной структуре, предопределенной, в свою очередь, подкоровыми конвекционными потоками.

Таким образом, общим в экспериментах Олденбурга -- Брунэ и Фрейда Мерзера является представление о подкоровом энергетическом источнике в виде теплой восходящей и расходящейся струи, вызывающей растяжение перекрывающей пленки, ее сложный, неровный разрыв и одновременноеформирование трансформных разломов, параллельных растяжению. Первые экспериментаторы считают, что трансформные разломы только в процессе развития переориентируются и приобретают направление, согласное со спредингом, вторые -- что простирание трансформных разломов контролируется структурой субстрата, в котором они образуются.

Геологическая и геофизическая ситуация в зонах трансформных разломов дает много примеров, подтверждающих большую правомочность представлений Р. Френда и А. Мерзера. В частности, хорошо известно, что в верхней мантии под океанами, в направлении, параллельном трансформным разломам, скорости Р-волн повышены. Это отражает сейсмическую анизотропию верхней мантии [HessН. Н., 1964] и подтверждает выводы Р. Фрейда и А. Мерзера.

Теоретические исследования проблемы ортогональности рифтовых зон и трансформных разломов провел А. Г. Лахенбрух [LachenbruchA.H., 1976]. Необходимое условие ортогональности рассматриваемых структур заключается в соблюдении неравенства

, (9)

где S -- сопротивление сдвигу в зоне трансформного разлома, ? -- сопротивление раздвижениюна стенках рифтового канала. Чтобы трещины среза располагались ортогонально трещинам растяжения, сопротивление сдвигу в трансформном разломе должно быть существенно меньше, чем сопротивление на стенках осевого канала.

Интересные теоретические исследования по этому же вопросу провел К. Фруадево [Froidevaux С., 1973]. Он показал, что трансформные разломы оказывают исключительно малое сопротивление движению плит. Расчет потерь энергии на единицу длины трансформного разлома, расположенного перпендикулярно рифтовой трещине, много меньше скорости диссипации энергии в самой рифтовой трещине и других разломах, не перпендикулярных ей. Отсюда вывод об энергетической целесообразностирасположения трансформных разломов ортогонально оси раздвижения, если они развиваются в гомогенной среде.

Какое же напряжение в литосфере необходимо для формирования трансформного разлома и каково его соотношение с напряжениями в собственных сдвиговых зонах?

Расчеты показывают, что максимальные дополнительные напряжения, которые выдерживают породы коры в условиях всестороннего давления, не превышают 10 000 ат (UffenR.,Jessop А. U., 1963; Гзовский М. В., 1975; Шерман С. И., 1977; идр. ]. Если коре или литосфере передано такое давление, то только при чистом сдвиге максимальные касательные напряжения могут достигнуть требуемой величины. Как было отмечено выше, возникновение чистого сдвига -- исключительное явление в коре. Чаще всего плоскости концентрации касательных напряжений располагаются к активному вектору сжимающих или растягивающих сил под углом ? ? 45°. Отсюда максимальные касательные напряжения, вызывающие образование сдвигов в литосфере, всегда меньше 10 000 ат.

Таблица 1. Основные критерии сдвигов и трансформных разломов

Способ приложения нагрузки при образовании трансформных разломов совершенно другой. Силы прилагаются под литосферой, параллельны друг другу и имеют разную величину. Образуется деформация среза, т. е. трансформная зона. Как показывают расчеты, для ее формирования фактически требуется относительно невысокое напряжение из-за значительной неупругой составляющей при деформации нижних частей литосферы.

Изложенные обстоятельства приводят к тому, что при прочих равных условиях трансформные разломы «легче» образовать в литосфере Земли, чем сдвиговые зоны.

Механизм образованиятрансформныхразломов, как видим, отличен от процессов формирования сдвигов. Это находит отражение в ряде специфических черт трансформныхразломов и сдвигов (табл. 1).

О принципах классификации сдвиговых смещении литосферы

Физический процесс разрушения твердых тел состоит в образовании на разных уровнях трещин отрыва и скола. Первые образуются под действием нормальных напряжений, вторые -- касательных. Трещины отличаются друг от друга по форме, напряжения -- по величине и ориентировке. Отличны они и по кинематике движений.

В геологии в основу морфогенетической классификации разрывов положено соотношение между направлением относительного движения разрываемых частей блока и падением плоскостисместителя. Отсюда сбросы, сдвиги, надвиги -- существенно отличающиеся друг от друга типы разрывов, хотя характер напряженного состояния и физический процесс разрушения у них идентичны.

Нет необходимости пересматривать всю систему классификации разрывов. Введение нового термина -- трансформные разломы, существенно расширило объем понятия сдвиговых смещений и даже привело к некоторой путанице. Ее усугубило и использование в ряде работ понятия поперечный разлом как синонима трансформного разлома. Другие же авторы [Garfunkel Z., 1972] разницу между трансформными и поперечными разломами видят лишь в том, что первые образуются на океанической коре, вторые -- на континентальной.

Ликвидировать подобную ситуацию могут только сами геологи. Для этого необходимо строже пользоваться существующими определениями разрывных смещений, подчиняя их механизму образования дислокаций. В табл. 2 приведены основные типы деформаций литосферы и соответствующие им морфогенетические разновидности крупных разломов. Таблица содержит наименования геологических структур, по отношению к которым можно использовать принятую в геологии дополнительнуютерминологию разломов: продольные, поперечные, диагональные или косые.

Выделение трансформных разломов как особого класса дизъюнктивных границ расширило наши представления о сдвигах литосферы и поставило задачу научиться их дифференцировать. Серьезный вклад в изучение признаков собственно трансфорных разломов, с одной стороны, и поперечных сдвигов -- с другой, внесла статья Р. Френда [Freund R., 1974]. В ней акцентируетсявнимание на отличие сдвигов и их разновидностей -- поперечных сдвигов -- от трансформных разломов, также поперечных к срединно-океаническим хребтам, рифтовым зонам и зонам Беньофа.

В. Джилиланди Г. Мейер [Gilliland W. N., Meyer G. P., 1976] предложили выделять два класса трансформных разломов: «пограничные трансформные разломы» -- как границы между сдвигающимися плитами, и «трансформные разломы хребтов» -- серию синхронно образующихся поперечных к единому срединно-океаническому хребту разломов, разделяющих плиты с различной скоростью спрединга. В основу предлагаемой классификации положен генетический критерий. Пограничные трансформные разломы являются структурами глобальной значимости, «разрешающими» дифференциальные движения между плитами. Трансформныеразломы хребтов -- структуры второго ранга по отношению к первым. Их образование связано со спредингом двух плит, в результате которого болееудаленные от центра расширения сегменты имеют различную линейную скорость, из-за которой происходит разрыв и формируется поперечно к конструктивной границе (рифтовой зоне) серия взаимно параллельных трансформных разломов. Геологическая значимость второго класса трансформных разломов меньшая, и их зарождение и формирование не являются теоретически необходимым звеном спрединга.

Серьезные результаты по изучению трансформных разломов Анатолийской системы (Средиземноморье) получены А. Сенджером[SendorA. М., 1979]. Внутреннеестроениетрансформных разломов и некоторые их количественные параметры описаны в работах Де Лонга и др. [DeLong S. Е., е. а.. 1977, 1979]. Обобщение накопленного материала по трансформным разломам Атлантики выполнено Р. Уилсоном и К. Вильямсом[Wilson R. С. L.,Williams С. А., 1979].

Тем не менее геолого-геофизическая изученность трансформных разломов еще недостаточна. Это хорошо было подчеркнуто Б. Вайндлеем [Windley В. F., 1979] на конференции, посвященной океаническим и континентальнымтрансформным разломам. Ведущиеся исследования дают основание надеяться на скорое получение новых результатов и более глубокое понимание этих важных геологических дизъюнктивных границ.

Таблица 2. Типы деформаций литосферы и морфогенетические разновидности генеральных разломов

* Подробно не анализируются в статье

Заключение

В тектоносфере Земли фиксируются разные типы деформаций, реализация которых ведет к формированию сдвигов. Отсюда и широкое распространение сдвигов в литосфере. Принятая в геологии терминология для характеристики сдвигов не отражает специфики механизма их образования, связанного прежде всего со способами приложения тектонических сил. В общем случае к сдвигам относятся и собственно сдвиги в геологическом понимании этого термина, и трансформные разломы. Собственно сдвиги в литосфере образуются в условиях сложного напряженного состояния как при сжатии, так и при растяжениикоры. Их появление -- результат разрядки внутренних касательных напряжений, абсолютное значение которых превосходит предел прочности пород на скол. Трансформные разломы в литосфере образуются лишь при определенном способе приложения сил, вызывающем деформацию среза. В этом механизме образования и типа деформации принципиальное отличие сдвигов от трансформных разломов.