Слово «диапир» (от греческих слов δία — через и πειρω — пронзать, протыкать) означает, что материал проникает снизу сквозь вышележащие породы, часто достигая земной поверхности. В этом смысле и вулкан можно считать диапиром, потому что лава и обломки раздробленных пород (называемые туфом) выбрасываются на поверхность. Но слово «диапир» обычно относят к внедрению пластичного или твердого материала, и внедряется он не резко, а медленно, подобно тому как течет ледник.
В течение некоторых геологических периодов в результате испарения обширных внутренних морей или морей, водообмен которых с океанами был ограничен, накапливались многокилометровые толщи соли. Позднее соляные отложения были перекрыты другими осадками, образовавшими сланцеватые глины и песчаники. Последовавшее затем внедрение соли лучше всего можно понять, рассматривая и соль, и перекрывающий ее осадок как жидкости с высокой вязкостью и считая, что движущая сила, заставляющая их течь и формировать соляные купола, — это разность в весе толщ, обусловленная различием плотностей между солью и окружающими отложениями. Таким образом, энергия, обеспечивающая внедрение соли, — это гравитационная потенциальная энергия.
Плотность каменной соли равна 2,2 (по отношению к плотности воды) и при упругом сжатии под нагрузкой увеличивается очень мало. Плотность связанных с солью осадков быстро возрастает с ростом глубины залегания от менее 2,0 на поверхности до почти 2,35 на глубине 4000 м (рис. 52). Следовательно, на небольших глубинах соль плотнее осадка, но примерно на уровне 500 м их плотности равны, а на больших глубинах осадок становится постепенно все более плотным, чем соль. Поэтому если слой соли погребен на глубине 4000 м, то его перекрывает 3500-м толща осадков более плотных, чем соль, плюс залегающая выше 500-м пачка менее плотных осадков. Такое состояние является неустойчивым. Оно напоминает ситуацию, когда густой слой нефти перекрыт слоем воды и центр тяжести всей системы понижается по мере медленного подъема нефти в виде капель или столбов сквозь воду.
Рис. 52. Кристаллическая соль поднимается сквозь перекрывающие ее более тяжелые песчаники и глины подобно тому, как слой густой нефти поднимается сквозь толщу воды. Шляпа из менее растворимых осадков образуется в результате растворения поднимающейся верхней части диапира подземными водами.
В точности то же самое происходит и с солью, образующей приблизительно цилиндрические столбы диаметром примерно от 1 до 5—6 км, которые поднимаются вертикально вверх на расстояние до 6 км, внедряясь в вышележащие слои. Около двухсот таких соляных куполов известно на прибрежной равнине Мексиканского залива и у его берегов, более ста — в Эмбинском районе вблизи Каспийского моря и еще множество — в Румынии, Германии, Иране и других районах.
Когда соляные купола достигают глубины около 500 м от поверхности и плотность перекрывающих осадков становится меньше плотности соли, то соль может растекаться в горизонтальном направлении, образуя «шляпку гриба», силлы или «козырьки», так как при сводообразном изгибании более легких осадков производится меньшая работа, чем в том случае, когда соляной столб продолжает подниматься (рис. 52). Однако вес одного столба соли до поверхности все еще уступает весу столба осадков до той же глубины, поэтому еще сохраняется энергия, необходимая для того, чтобы столб соли продолжал двигаться вверх и расширяться в стороны. В известняках, плотность которых значительно выше плотности соли, такой столб может прорваться на поверхность, и поскольку давление соляного столба на квадратный метр меньше, чем известняка, соль может продолжать течь вверх до тех пор, пока ее источник у основания столба не иссякнет. При этом соль растекается по поверхности в виде соляного «глетчера» (рис. 53).
Рис. 53. Соляной «глетчер», экструдирующий из соляного купола Кух-и-Ангуру в Иране (по схематической зарисовке д-ра Дж.М.Лиса).
Когда кровля зарождающегося купола оказывается на 100 м выше общего уровня соляного пласта, разница в давлении на купол по сравнению с остальным соляным пластом равна примерно 10 тс/м2, но к тому времени, когда купол поднимается на 3000 м, разность давлений между его основанием и окружающим соляным пластом уже превышает 200 тс/м2. Поэтому по мере роста купола скорость его подъема увеличивается и в окружающих и перекрывающих его слоях начинают возникать трещины, но не в самой соли, потому что ее вязкость намного ниже.
Движущаяся верхняя часть купола прорывает последовательно залегающие слои, насыщенные водой, причем некоторые из них обладают высокой проницаемостью. Эти воды постоянно растворяют верхнюю часть поднимающейся соли и оставляют нерастворимые примеси, накапливающиеся в виде «шляпы». На самой вершине находится наименее растворимая примесь — кальцит, ниже него—несколько более растворимый ангидрит с некоторым количеством кальцита, дальше — гипс с добавлением ангидрита и кальцита, а затем — обычная соль с тонкими прослойками гипса и ангидрита и редкими зернами кальцита.
Рис. 54. Тороидальный контур движения вещества в соляном куполе обусловлен инверсией плотностей того же типа, что и тороидальный контур тепловой конвекции, так что схема движения у них одинакова.
Характер течения в соляном куполе очень похож на течение в конвективной ячейке (рис. 54), циркуляция в которой происходит по такой же причине — благодаря подъему более горячего (и, следовательно, менее плотного) флюида и опусканию более холодного (т.е. более плотного). Выше шляпы соляного купола течение вещества направлено радиально наружу, так что здесь мы обнаруживаем структуры растяжения с радиальными разрывами и рифтовыми трогами (рис. 55). Это радиальное течение добавляется к описанному выше растеканию соли, образуя нависающие и надвинутые структуры, подобные горизонтальным покровам, перекрывающим круто наклоненные вмещающие слои (рис. 56). Вокруг купола расположена зона проседания, поскольку соль, сначала находившаяся под ней, перетекла в поднимающийся купол. Если мощность пласта соли первоначально равнялась 1000 м, вся соль могла переместиться в купол, и, следовательно, опускание поверхности могло достигать этой величины. Однако обычно соляные купола начинают расти, когда осадконакопление еще продолжается, и окружающая купол впадина имеет тенденцию заполняться в то время, как он растет, так что депрессия на поверхности, как правило, не отражает всей величины опускания. Поэтому образующаяся в результате вокруг купола «кольцевая синклиналь» имеет большую глубину в нижней части разреза, чем в верхней. Это направленное вниз течение представляет собой часть циркуляционной схемы «конвективной ячейки», которая заканчивается конвергентным течением соли в сторону купола и далее вверх по столбу.
На рис. 56 показано строение соляного купола Хайде. «Козырек» в правой части рисунка продвинулся более чем на километр в осадки сенонского возраста. Он поднял триасовые осадки с глубины 1000 м или больше, опрокинул их и надвинул на самую верхнюю часть меловых отложений. В горном поясе ортодоксально мыслящие геологи, вероятно, интерпретировали бы такое надвигание перевернутых нижнетриасовых пород на самые молодые меловые отложения как доказательство сжатия коры. Действительно, здесь отмечается локальное горизонтальное сжатие, но оно имеет поверхностный характер и представляет собой вторичный побочный результат развития соляного купола, двигавшегося вертикально под действием силы тяжести. Очевидно, что здесь не происходило никакого сокращения коры.
Рис. 55. Образование разрывов под действием радиальных напряжений в слоях над соляным куполом. Тонкие кривые — изолинии глубин, проведенные через 100 футов (30 м) по кровле эоценовой формации Вудбайн, перекрывающей соляной купол Хокинс в шт.Техас. Цифрами указаны глубины ниже земной поверхности; буквами П и О обозначены поднятые и опущенные крылья разломов соответственно. (Из работы Т.Дж.Паркера и Э.Н.Макдоуэлла.)
Рис. 56. Внутреннее строение соляного купола Хайде, ФРГ (по данным А Бентца).
Внутреннее строение этого купола хорошо изучено благодаря интенсивной добыче калийных солей шахтным способом. Сначала стала подниматься соль, обозначенная на рисунке беспорядочными штрихами, затем в нее внедрились незаштрихованные на рисунке пласты соли, и наконец соль, показанная черным цветом, прорвала всю соль, поднявшуюся раньше, как зубная паста, если ее выдавливать в мягкую глину. На протяжении всего этого времени все соляные пласты представляли собой крупнокристаллическую метаморфическую породу, причем во время течения каждый кристалл соли искривлялся и перекристаллизовывался множество раз. Эта непрерывная перекристаллизация похожа на ту, которая происходит в движущемся леднике (где лед тоже является метаморфической породой) и в кристаллах железа, когда из стальной заготовки вытягивают проволоку длиной в километры. Точно так же в ядра складчатых поясов инъецируются гнейсы и кристаллические сланцы.
В плане складчатость в соляном куполе чрезвычайно сложна, но в вертикальных стенках едва ли можно увидеть какие- либо складки или изгибы слоев, поскольку течение направлено по вертикали. То же самое наблюдается, если поставить стопкой множество высоких бумажных колпаков так, чтобы получился единый высокий столб. Теперь сожмем их в ряде мест так, чтобы на них образовались вертикальные зазубрины. Разрежем стопку по горизонтали, и у нас будет модель очень сложного в плане соляного купола. Разрежем колпаки по вертикали и получим простую картину колпаков с обрезанными краями, которые уходят вверх параллельными линиями, одна внутри другой. Структурный узор на карте, подобный изображенному на рис. 57, может соответствовать многим участкам в глубоко эродированных ядрах любого древнего орогена. В южной части карты преобладает восточно-северо-восточное направление структур, которое в юго-восточном углу меняется на северо-восточное. В северной части преобладает направление северо-северо-западное. Это явно свидетельствует о том, что данный участок подвергся наложенной (т.е. повторной) складчатости с интенсивным сжатием с северо-северо-запада и северо-востока. На карте, изображенной на рис. 57 справа, в более мелком масштабе представлена обширная область, в центре которой находится показанный слева участок. На ней хорошо прослеживаются эти два простирания, ориентированные почти под прямым углом друг к другу. В северо-восточном углу начинает проявляться северное простирание, которое преобладает на площади, расположенной непосредственно к востоку от этой карты. Падения слоев устойчиво крутые. В плане наблюдается интенсивная мелковолнистая складчатость (плойчатость) самых разных масштабов — от нескольких миллиметров до размеров обнажении. Линии гребней плойчатости и линейная ориентировка минералов мало отличаются от вертикального направления. Это линии течения.
Рис. 57. План складчатости слоев в соляном куполе Гранд-Селайн в шт.Техас. Расположение в регионе большого прямоугольника показано на правом рисунке. Север находится вверху. (По данным проф. У.Р.Мюльбергера.)
Не сомневаюсь, что если бы на этом рисунке была изображена область развития гнейсов и кристаллических сланцев, мы могли бы заключить, что их в значительной степени переработанные структуры являются результатом интенсивного горизонтального сжатия, происходившего в течение не менее чем трех орогений. Но как мы были бы не правы! Горизонтального сжатия в этой области не было вовсе. Течение было направлено вдоль линейности и осей складок перпендикулярно к плоскости рисунка, а не поперечно к ним в плоскости карты. Изображенная на рис. 57 карта представляет собой часть горизонтального плана шахты в соляном куполе Гранд-Селайн в Техасе, составленного проф. Уильямом Мюльбергером.
Купола кристаллических гнейсов, перекрытых кристаллическими сланцами, обычны для орогенических поясов всех возрастов. Они проникают вверх почти так же, как соляные купола, и верхние их части обычно имеют грибообразную форму (рис. 58). В древних горных поясах, таких, как каледониды Норвегии, они так глубоко эродированы, что отчетливо видна форма структур. Однако в последнее время проф. С.Д.Оллиер из Университета Новой Англии и д-р С.Ф.Пейн из Сиднея описали на юго-востоке Папуа группу таких же гнейсовых куполов, которые продолжают активно расти и поднялись на несколько километров в недавнее время, раздвинув в стороны окружающие породы (рис. 59). Они имеют высоту 2000—3000 м и поперечник в десятки километров, форма их в плане скорее эллиптическая, чем круговая. Самый лучший пример — остров Гуденаф. (Первоначальный номер рисунка в приводимой ниже цитате заменен на номер 59.)
Рис. 58. Реконструкция грибообразного ядра мигматитового диапира в раннепалеозойском (каледонском) орогене Гренландии после удаления перекрывающих слоев эвгеосинклинальных образований. Мигматиты первоначально представляли собой осадочные слои, но в результате проникновения перегретых вод с температурой выше критической были перекристаллизованы с образованием полевых шпатов, кварца и других минералов и превратились в породу, промежуточную между осадочной и гранитом. (По Дж.Холлеру.)
«Гуденаф — один из наиболее гористых островов в мире: самая высокая его точка превышает 2500 м, хотя размеры острова всего 35x25 км, и возвышенная его часть представляет собой рассеченный эрозией купол размерами только 20х16 км, обрамленный аллювиальными конусами выноса и вулканической областью на юге. На рис. 59, а приведена гипсометрическая карта острова. Как и на рис. 59,б, на ней выявляется куполообразный характер центральной части острова. Эрозионная сеть груборадиальная, крутостенные долины выходят на внешние равнины, и здесь образуются гигантские конусы выноса. Эти долины рассекают поверхность купола, в результате чего остаются треугольные грани слабо расчлененных останцов первоначальной поверхности купола. Они аналогичны треугольным граням первичной поверхности на рассеченном долинами вулкане или утюгообразным граням, выработанным на периклинально залегающих осадочных породах, прорезанных V-образными долинами. Склоны таких граней довольно ровные, с наклоном около 20°. Отдельные грани достигают высоты 2000 м. Обобщенная карта этого купола в горизонталях построена по очертаниям граней, которые легко распознать в поле и на аэрофотоснимках, а также на гипсометрических картах.
Геологически большая часть купола сложена кварц-полевошпатовыми гнейсами с небольшим количеством амфиболитов и обогащенных кальцием гнейсов и мелкими интрузиями гранодиоритов в центре. Все метаморфические породы относятся к амфиболитовой фации. Сланцеватость гнейсов у поверхности купола параллельна ей как внутри купола, так и в обрамляющих его породах. Следовательно, направления простираний основных плоскостей гнейсовидности описывают круги, концентрические по отношению к обнаженной части купола, и почти нет сомнений в том, что между ними существует причинная связь. Вблизи поверхности купола мы обнаруживаем сжатые складки, сдвиги и будинаж, что указывает на весьма значительную деформацию и на то, что гнейсовидность не просто параллельна первоначальному напластованию».
Рис. 59. Куполовидный гнейсовый диапир на о. Гуденаф, все еще продолжающий подниматься (по С.Д.Оллиеру и С.Ф.Пейну).
Этот купол, как показано на рис. 59, в, был выдвинут под действием залегающего ниже гранита. Как и в описанных выше случаях вытягивания проволоки, течения глетчерного льда и соли куполов, кварц, полевой шпат и другие минералы гнейсов непрерывно перекристаллизовывались в процессе течения интрузии в твердом состоянии.
Интересно сравнить характер движения в гнейсовом куполе с характером движения льда в крупном леднике Маласпина на Аляске, выходящем на прибрежную равнину (рис. 60). Ширина ледникового языка примерно такая же, как и купола Гуденаф, и рисунок сланцеватости в куполе похож на структурный рисунок языкообразного выступа ледника.
Кроме того, картина течения в леднике Маласпина напоминает рисунки течения в структурах Альп, но поскольку размеры Альп в пять раз больше, а сила тяжести сильно ограничивает движение вверх, то на рис. 61 для сравнения с характером течения в структурах Альп изображен язык ледника Маласпина, сжатый в три раза по долготе. В Альпах существует относительно узкая осевая зона «корней», откуда тектонические покровы круто поднимаются из доорогенного трога. Затем один за другим они изгибаются, выполаживаются и текут к «северо-западу» в виде огромных покровов, большинство которых надвинуто на тыловые части расположенных впереди них покровов, а некоторые вдвинуты внутрь их тыловых зон. Самые внешние покровные структуры «Предальп» переместились дальше всего. Некоторые языки, но их меньше, развернуты к «юго-востоку».
Рис. 60. Там, где ледники Сьюард и Марвин выходят из гор на прибрежную равнину юго-восточной Аляски, они соединяются, образуя ледник Маласпина. На этой карте показана схема течения льда, построенная по моренным грядам. (По Р.П.Шарпу.)
Рис. 61. Схема течения ледника Маласпина показана здесь в виде, сжатом в 3 раза в меридиональном направлении, как если бы течению льда что-то препятствовало. Эта схема имитирует диапир, сжимаемый действием собственного веса. Сравните ее с настоящей схемой строения Альпийских покровов.
Хоть и не совпадая в деталях, схема течения ледника Маласпина содержит основные черты Альпийских структур. Правда, ортодоксально мыслящие геологи говорят нам, что в Альпах произошло огромное сокращение коры и что зона надвигов была сжата до 1/8 от ее первоначальной ширины. Но мы знаем, что язык ледника Маласпина обладает сходными геометрическими и структурными чертами, хотя он гораздо шире Альпийских покровов! Можно ли сомневаться в том, что покровные структуры Альп могли образоваться в результате выжимания кверху содержимого геосинклинали и его распространения в стороны там, где отсутствовали ограничивающие его упоры? В то время когда этот материал выжимался из бывшего геосинклинального трога, борта последнего могли оставаться неподвижными или даже раздвигаться. В таком случае во время формирования Альп кора, вероятно, расширялась.
Кроме очевидных ороклинов, где ороген изгибается в плане, орогены столь часто состоят из дуг, что можно предположить существование общей причины этого явления. Итальянский тектонист проф. Форезе Вецель из Урбино назвал такие структуры крикогенами (генераторами колец) (от греч. слова ϰριϰοξ — кольцо, круг). Их общие характеристики таковы: 1) угол при вершине сектора — от 50 до 80° и радиус 1000—2000 км; 2) выпуклость обычно обращена к востоку или реже к экватору; 3) обычно расположение между континентом и океаном; 4) высокий тепловой поток из мантии и цепочки андезитовых вулканов; 5) недавнее воздымание на несколько километров, сопровождавшееся складкообразованием; 6) желоб на выпуклой стороне с сейсмической зоной Беньоффа и 7) область растяжения внутри дуги, часто вплоть до появления небольшого морского бассейна, возможно, с остаточными горстами докрикогенных пород.
Эти характеристики согласуются с интерпретацией крикогенов как диапиров. Их радиус определяется глубиной зарождения вещества диапира и эффективной мощностью коры, сквозь которую он должен проникнуть. Вулканизм и высокий тепловой поток свидетельствуют о подъеме расплавленного материала и об общем направленном вверх движении диапира, перемещающем вверх изотермы. Внутри дуги над диапиром обычно располагается зона растяжения (рис. 52—54). Ось диапира находится под областью растяжения. В конечном итоге развития диапира его центральная часть лишается континентальной коры и в ней обнажается океанское ядро. Зона Беньоффа представляет собой границу диапира и обрамляющей его коры. (Ср. это с границей диапира, обозначенной как «зона Беньоффа» на рис. 56.) Идеальный диапир должен быть округлым и симметричным, но вертикальное движение сочетается с региональной геодинамикой. Ни в одном из приведенных выше примеров (соляной купол Хайде и соляной глетчер на рис. 56, язык ледника Маласпина или гнейсовые купола) диапир не является симметричным и не образует полного круга. Обычно силой, осложняющей тектонические процессы, является вращение Земли в восточном направлении. Тирренское море, впадина По, Паннонская впадина, Эгейское и Черное моря — примеры таких крикогенов, где поднимающиеся тектонические диапиры раздвинули «раму» и вынесли мантийное вещество к поверхности. Так называемые «задуговые (тыловые) бассейны» вдоль Тихоокеанской окраины Азии — это тоже тектонические диапиры.
