Рис. 68. Развитие задугового морского бассейна восточноазиатского типа в ходе асимметричного соскабливания верхней части осевой зоны островной дуги мантийным диапиром.
Зона Беньоффа представляет собой пластообразной формы зону очагов землетрясений, которая, начинаясь у океанического желоба, погружается под ороген под углом около 50° до глубин примерно 300 км. Над тем участком зоны Беньоффа, где она достигает глубины 120 км, обычно распространены андезитовые вулканы. Отдельные сейсмические очаги встречаются на глубинах до 700 км, но эти глубокофокусные землетрясения, хотя они и безусловно связаны с нормальной зоной Беньоффа, оказываются в чем-то независимыми от нее: они происходят лишь в наиболее активных районах, а на больших участках продолжений зон Беньоффа глубокофокуоных землетрясений не бывает. Кроме того, по падению этой зоны в распределении очагов встречается перерыв; даже там, где отмечаются глубокофокусные землетрясения, между очагами нормальной зоны Беньоффа и областью, где сосредоточены наиболее глубокие землетрясения, имеется заметный пробел. В плане между ними также может наблюдаться несовпадение. Например, самые глубокофокусные землетрясения происходят там, где предполагается погружение зоны Беньоффа от Бонинско-Марианского желоба, но этот сейсмический пояс меньше изогнут в плане, чем нормальная часть зоны Беньоффа, и продолжается на юге, пересекая дуги орогена и глубоководный желоб у его южного окончания вблизи острова Гуам, а его северное продолжение пересекает приблизительно под прямым углом островную дугу, глубоководный желоб Хонсю и Японское море, после короткого перерыва достигая Азиатского материка около Владивостока. Эта независимость от зоны Беньоффа совершенно очевидна там, где распределение землетрясений в объеме детально изучено с помощью компьютера. Многие из наиболее глубоких сейсмических толчков свидетельствуют о сдвиговом смещении вдоль этого пояса, чем можно объяснить его прямизну. В отличие от этого форма самого активного пояса глубокофокусных землетрясений точно соответствует серповидному изгибу дуги Тонга, однако и там имеется заметный пробел между нормальной зоной Беньоффа, содержащей очаги мелкофокусных и промежуточных землетрясений (до 300 км), и областью весьма многочисленных глубоких очагов.
Модель расширения Земли и модель субдукции сходятся в том, что эта зона представляет собой зону разломов скалывания, причем относительное движение ее орогенного крыла направлено вверх и на океаническое крыло. Это относительное перемещение подтверждается знаком первых вступлений сейсмических волн, наблюдаемых при землетрясениях и распространяющихся от этих разломов. Но в модели субдукции принимается, что океаническая литосфера поддвигается под оро ген, и это происходит на протяжении тысяч километров. В модели расширения Земли, напротив, океаническая кора неподвижна, а зона Беньоффа представляет собой границу поднимающегося и надвигающегося диапира, который по мере своего роста расширяется кверху и приобретает форму перевернутого колокола. Направленное вверх суммарное перемещение в центре орогена достигает примерно сотни, а никак не тысяч километров, движение же в зоне Беньоффа — самое большее несколько десятков километров. Вопрос в том, какое крыло перемещается: океаническое или орогеническое?
Данные непрерывного сейсмопрофилирования свидетельствуют об относительно маломощных выдержанных осадках на океаническом крыле, совсем недеформированных на расстоянии тысяч километров вплоть до глубоководного желоба. Но когда мы пересекаем желоб, активно проявляются тектонические процессы всех видов: сейсмичность, надвигание и крупномасштабное оползание в направлении желоба, неоднократно повторяющееся, когда постоянно увеличивающаяся крутизна склона растущего орогена достигает угла неустойчивого откоса. Тепловой поток из недр Земли со стороны океана неизменно низкий, но при пересечении желоба он возрастает более чем вдвое, и местами даже в 10 раз. Эта ситуация несовместима с моделью субдукции, в которой вся система глубоководный желоб—орогеническая островная дуга располагается там, где холодная океаническая литосфера погружается глубоко в мантию. Общий тепловой поток в таком регионе обязательно должен быть намного меньше средней величины. Напротив, в модели расширяющейся Земли вся орогеническая зона находится там, где более горячее мантийное вещество выдавливается вверх и наружу при расширении внутренних частей Земли; для этого требуется, чтобы общий тепловой поток в регионе был существенно выше среднего; именно это и наблюдается в природе.
В орогенической зоне все движется вверх. Изотермы поднимаются по сравнению с их средним положением на десятки километров. Вулканы в осевой зоне выносят лавы из частично расплавленной мантии; магмы поднимаются, застывая в плутонах; кристаллические метаморфические породы, первоначально находившиеся на большой глубине под дном геосинклинали, выдавливаются вверх на десяток километров или больше, выходя на поверхность высоко в горах; то же самое происходит с серпентинитами и перидотитами, первоначально залегавшими даже еще глубже; гнейсовые купола в виде диапиров внедряются снизу в слои геосинклинальных отложений. Эти диапиры проникают вверх в порядке убывающей вязкости, как показано на рис. 46, образуя гнейсовые купола, мигматитовые диапиры, магматические плутоны, вулканические лавы и палящие тучи. Надвиги многочисленны, причем орогенное крыло всегда надвинуто на желоб по поверхностям смещения, очень крутым около оси орогена, но постепенно выполаживающимся с удалением от осевой зоны.
Какие же силы заставляют все эти тела подниматься? Это не плавучесть, так как, за исключением магм, они имеют большую плотность, чем породы, сквозь которые они проникают, и поднимаются на большую высоту, чем та, что оправдывается их плотностью. Они выжимаются вверх восходящим мантийным материалом, фазовое состояние которого меняется на иное, характеризующееся меньшей плотностью, когда более высокие температуры распространяются до уровней более низкого всестороннего давления.
От осевой зоны орогена вплоть до зоны Беньоффа располагается один сложный диапир. Зона Беньоффа представляет собой границу между поднимающимся диапиром и неподвижной океанической литосферой. Граница соляного диапира является резкой из-за разницы в «вязкости» соли и прорываемых ею пород. Граница же орогенического диапира постепенна, так как сопротивление деформации («вязкость») меняется не скачкообразно, а постепенно уменьшается с ростом температуры. Осевая зона поднимается быстрее всего, поскольку здесь самые высокие температуры, и эта ситуация сохраняется, так как в процессе ее подъема продолжает выноситься вверх более горячее вещество. Давление, заставляющее диапир двигаться, достаточно велико для того, чтобы вызвать образование разрывов в любом месте орогена, но в его центральной зоне породы приобретают способность течь при меньшей разности напряжений, чем напряжение, при котором образуются трещины; при более низких температурах надвиги начинают возникать даже в центральной зоне орогена. В стороны от осевой зоны разность напряжений достигает уровня образования разрывов прежде, чем напряжения снимутся за счет течения. Образующаяся в результате зона разлома и есть зона Беньоффа. Она является конечной границей диапира. Распределение очагов землетрясений отражает эту картину. На небольших глубинах сейсмогенные разломы встречаются по всему орогену, но с глубиной постепенно концентрируются, образуя узкую зону Беньоффа.
Представим себе раскаленный докрасна цилиндр, сжимаемый вместе с пластиной из мягкой стали гидравлическим прессом. На контакте с раскаленным цилиндром в пластине будет происходить медленное пластическое течение, но в холодном кольце по периферии пластины должны появиться трещины — зона Беньоффа. Сравним это с полоской горячей ириски, одним концом закрепленной горизонтально в тисках, с подвешенным к выступающему концу тяжелым грузом. Ириска немедленно изогнется вниз. Проделаем это с подобной же полоской ириски, но не такой горячей, и подвесим тот же груз. Снова ириска изогнется, но медленнее. Повторим опыт с еще более холодной ириской — она снова изогнется вниз, но еще медленнее. Проделаем это с совсем холодной ириской — изгиб будет едва заметен перед тем, как она разломится, если вес груза превышает ее прочность. То же самое происходит в зоне Беньоффа на внешней границе орогенного диапира.
Там, где направленная вверх сила велика и диапир поднимается сравнительно быстро, зона разрывов (зона Беньоффа) погружается глубже, до области более высоких температур. (Если полоска теплой ириски изгибается быстро, она может разломиться, так как хрупкое разрушение произойдет раньше, чем она сможет изогнуться.) Там же, где движущая диапир сила мала, его направленное вверх движение может компенсироваться медленным течением в граничащих с диапиром относительно более холодных породах; в этом случае разрывы зоны Беньоффа распространяются вниз всего на пару сотен километров, даже если поднимающийся диапир зародился на гораздо большей глубине, чем эта.
Породы, залегающие непосредственно у внешнего контакта зоны Беньоффа (под ней), находятся в состоянии упругого деформирования, при этом уровень напряжений чуть ниже предела прочности пород. Они представляют собой боковую раму диапира. Трещина скалывания не может возникнуть без наличия такого ограничения, потому что без него сдвиговое напряжение приводит к вращению, а не к образованию трещины скалывания, как в - зоне Беньоффа. Эксперименты на горных породах, находящихся под действием сдвиговых напряжений величиной ниже предела прочности, показывают, что в этих породах звуковые и сейсмические волны распространяются со скоростью на 5% большей, чем при отсутствии напряжения. Как было обнаружено, сейсмическая скорость в области, расположенной под зоной Беньоффа, выше нормальной. Это интерпретировалось как доказательство опускания холодной литосферной пластины; однако такие аномальные скорости неизбежны в напряженных породах поднимающегося диапира там, где величина напряжения чуть меньше прочности пород на разрыв.
В соляном куполе зоне Беньоффа эквивалентна его внешняя граничная поверхность — между растущим диапиром и слоями, лишь затянутыми вверх, т.е. поверхность, к которой приурочено крупное стратиграфическое несогласие (рис. 56).
Сейсмограммы одного и того же землетрясения, полученные на целом ряде сейсмостанций, дают возможность определить направление смещения в точке разрыва и распознать его характер — горизонтальный сдвиг, разрыв растяжения (сброс) или разрыв скалывания (надвиг). Для всех землетрясений, кроме мелкофокусных, разрывные смещения в зоне Беньоффа представляют собой разрывы скалывания. Их интерпретировали как свидетельства сжатия коры, несовместимого с общим режимом растяжения. Однако на границе диапира, имеющего форму перевернутого колокола, должна возникать именно такая обстановка, когда висячее крыло, принадлежащее диапиру, надвигается на неподвижное крыло. Тем не менее, как уже отмечалось (рис. 19 и относящийся к нему текст), даже в режиме общего растяжения образование разрывов растяжения возможно только на небольших глубинах, где вес нагрузки меньше, чем сопротивление породы скалыванию, поскольку на любой большей глубине скалывание должно произойти до того, как региональное растяжение сможет уменьшить любое напряжение до нуля, чтобы вызвать образование разрыва растяжения.
Проф. Уильям Таннер из Университета штата Флорида продемонстрировал эмпирически и экспериментально, что диапиры образуются только в областях, испытывающих растяжение.
Орогенические дуги Восточной Азии, особенно Японии,— типовые области, в результате исследования которых возникло представление о зоне Беньоффа, — отличаются от внутриконтинентальных орогенов, модель развития которых представлена на рис. 62, по трем важнейшим характеристикам. Во-первых, они являются полициклическими, причем третичный орогенический цикл наложен на позднемезозойский вдоль зоны, которая была активной начиная со времени зарождения Тихого океана в протерозое. Во-вторых, мезозойские и третичные орогены были существенно асимметричными в поперечном сечении, поскольку их западное крыло было образовано континентальной литосферой, а восточное — океанической. В-третьих, рост диапиров в случае орогенических дуг Восточной Азии происходил исключительно быстро (рис. 68).
Рис. 68. Развитие задугового морского бассейна восточноазиатского типа в ходе асимметричного соскабливания верхней части осевой зоны островной дуги мантийным диапиром.
Процесс орогенеза, модель которого изображена на рис. 62, начинается с нормальной континентальной литосферы, которая постепенно становится тоньше и исчезает, замещаясь орогеническим диапиром. Если в ходе дальнейшего более быстрого растяжения скорость подъема поступающего из мантии вещества увеличится, орогенический комплекс может быть разорван и раздвинут в разные стороны и над осевой зоной диапира останется только симатическое вещество. В результате зарождается океанская впадина с центральным разрастающимся хребтом.
Нижняя часть зоны Беньоффа там, где ее можно проследить на достаточную глубину, находится под небольшими морями, образовавшимися при растяжении (которые 30 лет назад я назвал «дизъюнктивными морями», т.е. морями разрыва сплошности, а теперь сторонники тектоники плит называют «задуговыми бассейнами»); примером является Японское море.
Проф. Форезе Вецель из Урбино показал, что здесь была расположена ось мелового орогена, но по мере того как диапир продолжал подниматься, вынося вещество из мантии, наступила стадия, когда центральная зона орогена оказалась сложенной только мантийным веществом. В результате возникло новое море, дно которого состоит из материала, поступившего из мантии (т.е. с океанической корой). Более древние «континентальные» части орогена в течение палеогена были в значительной степени отодвинуты в стороны, подобно «пене» на поверхности конвективной ячейки, хотя его остаточные «ломти»-горсты сохранились в виде хребтов в центре Японского моря. Если бы Африканские рифтовые долины раздвигались под действием подобного процесса до тех пор, пока между их бортами не образовалось расширяющееся океаническое дно, горст Рувензори остался бы в виде такого хребта в центре нового моря.
Вецель отметил, что в течение эоцена — олигоцена образование разломов растяжения преобладало на берегах по обе стороны этих дизъюнктивных морей, после чего они были несогласно перекрыты миоценовыми молассовыми осадками. Поскольку Японское море располагается на месте размытой центральной области диапира, тепловой поток из мантии там гораздо выше нормального и обычно превышает 2,4 единицы теплового потока.
Недавно группа ученых французского океанографического судна «Жан Шарко», руководимая Ги Пато, установила отмершую ось спрединга длиной 500 км в Южно-Китайском море по обращенным к его внутренней зоне сбросовым уступам, вытянутым в направлении СВ 50°±10°, и по наклоненным наружу блокам.
Как отмечалось в связи с конусами обломочных отложений Аппалачей (рис. 66), ороген не растет однородно по всей своей длине, но в нем проявляется тенденция к формированию диапировых очагов примерно через 600—700 км. Если бы условия были симметричными, трубообразные диапиры сформировали на поверхности орогены округлых очертаний (крикогены Вецеля). Однако литосфере свойственна асимметрия, связанная с тем, что континентальная литосфера имеет тенденцию двигаться в западном направлении по отношению к океанической. В результате в зоне спрединга хребты разрастались несимметрично, поскольку приращение коры происходило не равномерно с обеих сторон, как в обычной модели тектоники плит, а главным образом на западных флангах таких хребтов. В итоге возникла цепочка бассейнов с расколотой рифтами континентальной корой на западной стороне, дном, образованным океанической корой, которая наращивалась с запада на восток, и орогенической дугой на восточной стороне.
Выдавливание соляного диапира в идеале тоже должно происходить симметрично, но соляной глетчер на рис. 53 течет только в одну сторону. Подобным же образом расширяющийся язык соляного купола Хайде (рис. 56) растет только в одном направлении. Дальше мы увидим, что существуют более убедительные фундаментальные причины асимметрии, связанные с вращением Земли. За исключением Алеутской и Зондской дуг, которые по сходным причинам обращены выпуклостью к экватору, все дуги, связанные с зонами Беньоффа, в том числе дуги Антильских островов и Скоша, выпуклы к востоку, и орогеническое надвигание обычно направлено на восток не только в орогенах Восточной Азии, но и в орогене Кордильер.
Разрастание внутри материков, как, например, в Африканских рифтовых долинах, продолжающихся в Красном море, а также спрединг в Южной Атлантике и южной части Тихого океана происходят в значительной степени симметрично, так как в этих случаях симметричными были контролирующие условия: первоначальный рифт на материковой платформе рассекал материковую область и затем океаническую кору, образуя срединную зону разрастания.
Из приведенного выше ясно, что орогенические зоны генетически идентичны неправильно названным «срединно-океаническим разрастающимся (спрединговым) хребтам», которые в действительности не всегда располагаются посередине океана (позднее я покажу, что в северной части Тихого океана они никогда не были срединно-океаническими), и там, где они сочленяются с орогеническими поясами, видно, что на самом деле они окружают материки (т.е. являются циркумконтинентальными).
Часто задают вопрос, почему орогенические зоны располагаются главным образом на окраинах материков? Само это представление унаследовано с тех времен, когда еще не было установлено, что материки движутся. Если реконструировать Пангею, окажется, что крупный ороген Тетис разрезает этот мегаконтинент пополам, а Каледонско-Аппалачский ороген сформировался в пределах существовавшего в то время континента, отделив Америку от Африки и Европы. Далее мы увидим, что ороген Кордильер также зародился как внутриматериковый ороген, отделивший Восточную Азию от Северной Америки и Австралазию вместе с Антарктидой от Южной Америки (см. рис. 97 в гл. 22).
Орогеническая зона, раз сформировавшись, остается более разогретой и ослабленной зоной вплоть до мантии, и последующее расширение Земли обычно имеет тенденцию сосредотачиваться в этой зоне. Таким образом, в мезозое Северная Атлантика в основном следовала еще недавно активной Каледонско-Аппалачской орогенической зоне, хотя и была повернута относительно нее в результате сдвиговых явлений, что мы рассмотрим позднее. Ороген Кордильер зародился около миллиарда лет тому назад как крупная рифтовая зона, разделившая Азию и Северную Америку, и с тех пор продолжал расширяться, образовав Тихий океан. Ороген Тетис оставался ослабленной зоной, вдоль которой происходило левостороннее перемещение на огромное расстояние (об этом будет сказано в дальнейшем), но, кроме того, и раскрытие Средиземного и Карибского морей.
Другой возникающий вопрос: почему в Атлантике нет современного орогена, если орогены и испытывающие спрединг океанические хребты генетически одинаковы? Тот же вопрос можно было бы задать и о Южном океане между Австралией и Антарктидой. Ответ заключается в скорости, с которой расширяется диапир. Позднее мы увидим, что скорость расширения Земли быстро увеличивалась в течение позднемезозойского и третичного времени. При таком быстром расширении зона разрастания вскоре сместилась за пределы остаточной континентальной коры и области быстрого осадконакопления. Таким образом, хотя мантийный диапир продолжает расти точно так же, как и раньше, только скорость его роста увеличивается, вершина этого испытывающего спрединг хребта редко достигает уровня моря, поэтому ни снос с соседнего материка, ни размыв самого этого хребта («самопожирание») не способствуют образованию осадков. Обширные подводные излияния лавы, сейсмичность (заметно пониженная из-за более высокой температуры непосредственно у поверхности), типичные корни (по сейсмическим и гравитационным данным, рис. 64), отложение сульфидов неблагородных металлов и неровности рельефа такого же масштаба, как на материковом орогене (рис. 65),— все это здесь имеется. Но здесь нет гранитов и андезитов, типичных для орогенов, расположенных рядом с материками, так как для образования этих пород необходимо присутствие осадков и остатков континентальной коры. Отсутствие зоны Беньоффа и каких-либо землетрясений с очагами на промежуточных глубинах или мелкофокусных землетрясений, приуроченных в основном к поперечным разломам, должно указывать на то, что расширение в значительной мере компенсируется излияниями базальтовых лав.
