Мы живем на краю континента

Пятая лекция проекта «Научные weekend'ы» состоялась за неделю до введения дополнительных коронавирусных ограничений. Доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры динамической геологии геологического факультета ИГУ Алексей Корольков рассказал слушателям, что такое «Террейновый анализ в геологии».

Как образуются океаны и континенты

По формальному определению, которое можно найти в «Википедии», террейн – это ограниченное разломами геологическое тело региональной протяженности, которое характеризуется своими собственными стратиграфическими, магматическими, метаморфическими и структурными особенностями, определяющими тектоническую историю, отличающую его от соседних геологических тел. С представлениями о террейне связана гипотеза о дрейфе материков, которую сформулировал в своем докладе в 1912 году Альфред Вегенер. Примечательно, что Вегенер не был геологом, он изучал льды, то есть был гляциологом. Именно он предположил, что 250 миллионов лет назад все материки Земли образовывали единый суперматерик Пангея, и всю дальнейшую жизнь собирал доказательства и аргументы в пользу своей идеи.

Поначалу гипотеза Вегенера очень заинтересовала ученых, но геофизика в то время была слабо развита, и никто не знал, что под мантией имеется частично расплавленный слой – астеносфера. Поэтому вскоре профессиональные геологи и геофизики стали критиковать «дилетанта» Вегенера, и его гипотезу практически забыли на долгие 30 лет. В 1961 году были созданы первые батиметрические карты мирового океана, на которых ученые с большим удивлением обнаружили в огромных океанических пространствах гигантские поднятия – срединные океанические хребты. Авторы этой работы Роберт Дитц и Гарри Хесс предположили, что срединные океанические хребты – это активные зоны, от которых «растекаются» континентальные плиты.

Подтверждением этой гипотезы стали «полосовидные магнитные аномалии», параллельные срединным океаническим хребтам. Преподаватель Д. Мэтьюз и его студент В. Вайн в начале тех же 1960-х годов опубликовали работу, посвященную изучению инверсий магнитного поля в океане. Если говорить совсем просто, то планета Земля представляет собой магнит, у которого один полюс находится на севере, а другой на юге. Но в прошлом это было не так, и за миллиарды лет истории планеты полюса много раз менялись местами – в последний раз это произошло около 750 тысяч лет назад. По континентальным разрезам было известно, что каждая магнитная аномалия имеет свое время, а Вэйн и Мэтьюз применили это знание для изучения скорости движения плит в океане.

Составив карту изменения магнитных аномалий в океане, Вэйн и Мэтьюз пришли к выводу: самые молодые аномалии находятся в районе срединных хребтов. Полярность фиксирует вулканическая магма, которая изливается в районе срединных хребтов и «записывает» ту магнитную полярность, которая существует на Земле в данный момент времени. По расстоянию от срединного хребта и полярности пород можно установить их возраст. После изучения имеющихся данных ученые пришли к выводу, что океаны моложе, чем континенты: самые древние породы имеют возраст всего 180 млн лет.

Изучая дно океана, геологи обнаружили разломы, которые проходили под углом 90 градусов к оси срединных океанических хребтов. Такие разломы получили название «трансформных» разломов, и на континентах ничего подобного нет. Это открытие стало следующим шагом в развитии теории литосферных плит: по разломам отдельные участки плит, как по рельсам, перемещаются от срединных хребтов. Изучая далее количество и силу землетрясений, геологи установили, что сейсмические события в океане происходят на небольшой глубине – 5–7 км, в то время как землетрясения на границе океанов и континентов – на глубине до 650 км. Происходит это потому, что в срединных хребтах магматический слой находится ближе всего к поверхности.

Куда ползут континенты

Все полученные сведения (полосовидные аномалии, трансформный разлом и сейсмическая активность) привели ученых к созданию карты литосферных плит Земли и позволили измерить скорость их движения. В Атлантическом океане она небольшая – до 4 см в год, а вот в юго-восточной части Тихого океана литосферная плита сдвигается в сторону побережья Чили со скоростью 18 см в год. Байкальская рифтовая система тоже движется – Бурятия сдвигается на восток, а Иркутская область на запад со скоростью 3–4 мм в год. Есть и обратные процессы: Гималаи, Анды, западная часть Тихого океана и некоторые другие регионы мира находятся в зоне сдвижения литосферных плит. Активные зоны взаимодействия плит можно опознать по высокому горному рельефу, сейсмическим явлениям, извержениям магмы. Но есть и пассивные зоны – Африканский континент, например, находится внутри африканской литосферной плиты, где нет ни высокого рельефа, ни вулканической активности. 

Геологи выделяют три типа границ литосферных плит: раздвижения (дивергентные), сближения (конвергентные) и трансформные. Нижней границей литосферных плит является астеносфера – расплавленный слой поверхности Земли. Как и в любой нагретой жидкости, в этом слое происходит постоянное перемещение вещества: нагретое поднимается, остывшее опускается. Там, где вещество поднимается, плиты расходятся. Там, где вещество остывает, океаническая кора опускается и погружается в мантию. Дивергентные границы называют также конструктивными, потому что вся океаническая кора когда-то возникла именно в районе срединных океанических хребтов. Соответственно конвергентные границы являются деструктивными, потому что для океанической коры это зона разрушения.

Изучая эти процессы, геологи пришли к выводу, что океанические плиты могут погрузиться в мантию Земли до самого ядра, где происходит переработка этого материала. После чего расплавленное вещество вновь струями поднимается через всю мантию и создает вулканы внутри плит – плюмы.

Океаны возникают из континентальных рифтов, и мы с вами живем на одном из них – есть гипотеза, что через 10 миллионов лет на месте Байкала будет молодой океан. Примером таких геологических процессов могут служить и Красное море, которое образовалось 25 млн лет назад, и Атлантический океан, который возник 180 млн лет назад. Если же плиты сталкиваются в конвергентном море, то возникают, к примеру, Японские острова, отделяющие от Тихого океана Японское море, а впоследствии на этом месте появится новый континент. Научное определение этого явления – островодужная зона субдукции. В Южной Америке находится активная континентальная окраина, а в Гималаях – горно-складчатая область, возникшая на месте древнего океана. Современный Индийский океан содержит в себе до 15–16 км осадков, накопленных этим древним океаном. В частности, там должно храниться большое количество нефти.

Практически в центре Тихого океана находятся Гавайские острова, образованные вулканами. Эти вулканы – те самые плюмы, которые поднимаются от ядра Земли и пробивают Тихоокеанскую плиту. По мере движения плиты потухшие вулканы сдвигаются в сторону Камчатки, указывая направление движения плиты. При этом 40 млн лет назад движение шло строго в сторону Камчатки, а позднее направление изменилось, и теперь плита смещается в сторону Японии.

Где найти полезное

Еще в середине 1980-х советские ученые, среди которых был и иркутский академик Михаил Кузьмин, определили четыре поля внутриплитового магматизма – в Африке, на западном побережье США и Канады, в Тасмании (южнее Австралии) и в восточной Азии. Здесь образуются рифты, которые связаны с конвекцией внутри мантии. Породы в таких зонах отличаются повышенным содержанием солей алюминия и натрия, с которыми связаны месторождения полезных ископаемых. Следует учитывать, что геологи хорошо умеют определять возраст пород, имеющих органические остатки, то есть сформированных после кембрийской эры, а вот все, что было до нее, изучать гораздо сложнее. Лишь в начале ХХ века был придуман изотопный метод, основанный на скорости распада определенных изотопов того или иного элемента.

Составленные геологами на основе изотопного метода карты показывают, где располагаются древние докембрийские платформы: в Гренландии и на северо-востоке Канады, на востоке Бразилии, в Африке, Австралии и Скандинавии, на юге Индостана. Горно-складчатые пояса, возникшие на месте древних океанов, содержат в себе фрагменты островных дуг и другие обломки, которые и называют террейнами. По сути, это небольшие блоки и плиты, оставшиеся после формирования новых гор, и ученые различают несколько типов террейнов: пассивной континентальной окраины, островодужные, активной континентальной окраины, океанические, метаморфические и даже микроконтиненты.

Изучение террейнов требует последовательного выполнения серии исследований: выделения террейна по разрезу; выделение осадочных образований, перекрывающих террейны и «сшивающих» его (магматических и метаморфических); определение и типизация границ террейна; выделение последующих разломов; анализ данных, в том числе палеомагнитных, позволяющих судить о происхождении террейна; датирование осадочных толщ и перекрывающих образований уран-свинцовым методом. Сибирская платформа, на которой мы живем, образовалась от 4,5 до 1,6 млрд лет назад, а вот осадочные породы на ней накапливались от 600 млн лет до сегодняшнего дня. По магнитным породам, выходящим на поверхность в районе деревни Шаманки, например, удалось установить, что когда-то, около 530 млн лет назад, наша платформа находилась на широте Австралии. В это же время сформировались залежи соли, которые добывают в Усолье-Сибирском.

При сближении двух и более террейнов (инденторов) возникает специфическая складчатость, известная нам, например, как Альпийско-Гималайский пояс. В этих зонах происходят различные процессы – где-то возникают складки, направленные вдоль меридианов, а где-то перпендикулярные им, вдоль широт. Там, где происходит извержение плюмов, геологи находят месторождения тантала, ниобия, железа, алмазов, нифелинов (богатых алюминием), а в Норильских траппах – медь, золото, платину и редкоземельные металлы. Такие же месторождения можно найти и на дне океанов, рядом со срединными хребтами. Там же находятся и выходы офиолитов, тяжелых базальтов и других пород, богатых хромом. Если такие породы удается найти в горах, то там окажутся месторождения нефрита.

Формирование месторождений металлов происходит постоянно. Рядом с подводными вулканами (черными курильщиками) идет постоянный процесс, в результате которого горячая магма выносит на дно океана соединения железа, меди, серы, кремния, марганца, цинка и других элементов. Черный «дым», который можно видеть на подводных съемках, – это как раз соединения этих элементов, вынесенные водяным паром из глубин. Активная вулканическая деятельность такого рода происходит восточнее Индонезии и Австралии, причем вблизи островов эти зоны уже менее активны, а восточнее, дальше в Тихий океан, процессы идут сильнее. Остров Новая Гвинея – один из террейнов.      

Изучая западную часть Северной Америки, геологи пришли к выводу, что в этой зоне столкнулись террейны, сформировавшиеся за 1000 и более километров от континента. В этом районе Североамериканская плита по сдвигу совмещается с Тихоокеанской плитой, причем процесс этот идет с мезозойской эры. Именно поэтому в Калифорнии часто происходят землетрясения – это граница знаменитого разлома Сан-Андреас, который начинается в океане и выходит на континент, формируя Калифорнийский залив. В Бодайбинском районе Иркутской области имеется свой террейн – тот самый сложенный из осадочных пород золоторудный район, который находится в его центре и смыкается на юге с Муйским террейном.

По структуре пород месторождения Сухой Лог геологи могут сказать, что они имеют наклон с юга на север и сформированы из черносланцевых пород, которые формировались на большой глубине в океане. Породы потому и стали черными, что это происходило на глубине более двух километров, где не хватало кислорода для преобразования органики. Муйский золоторудный район сформирован из древних островных дуг, в которых золото находится в соединениях с кварцем. В Еравненском и Балейском террейнах золоторудные месторождения образовались на обломках дуги островов и окраины континента, оказавшихся под воздействием вулканов.

– Это гигантские места распределения месторождений золота, по краям которых образовались полиметаллические месторождения меди, свинца, цинка, железа. Эти металлы характерны и для современных островов. Или Аргунский супертеррейн: это была окраина океана, где позднее сформировалась активная континентальная окраина с плюмами и вулкано-купольной структурой, – пояснил Алексей Корольков. 

Впереди – новые открытия

До формирования 25–30 млн лет назад Байкальской рифтовой системы существовал Сибирский континент, отделенный от другой суши океаном. В этом океане где-то в районе современного Алдана уже существовали Ольхонский террейн и островная дуга, под которую погружалась океаническая кора. После того как островная дуга надвинулась на Ольхонский террейн, он сомкнулся с континентом, и сформировались гигантские разломы, окруженные породами, переработанными в ходе сдвигов. Возраст этих пород удалось установить только по анализу распада циркона, и оказалось, что породы, считавшиеся в прошлом очень древними, архейскими, как раз напротив – очень молодые. Именно этой работой занимались более 20 лет специалисты Института земной коры СО РАН.   

Поскольку ученые сегодня считают тектонику литосферных плит наиболее распространенной геологической теорией, а в том, что рудные полезные ископаемые формируются в активных зонах у границ плит и во внутриплитовых плюмовых обстановках, изучение террейнов еще долго будет перспективной сферой для исследований. Применение террейнового анализа позволяет установить закономерности формирования месторождений, а значит, нас ждут новые интересные открытия. 

Записал Борис Самойлов, «Байкальские вести».

На фото: 250 миллионов лет назад все материки
Земли образовывали единый суперматерик Пангея;

В числе советских исследователей, определивших в 1980-х
четыре поля внутриплитового магматизма, был
иркутский ученый, будущий академик Михаил Кузьмин