Аномалии силы тяжести и генезис структур Русской платформы
А.А. БОРИСОВ
К настоящему времени гравитационное поле Русской платформы обстоятельно изучено маятниковыми и гравиметровыми съемками. Средний уровень аномалий Буге этой территории близок к нулю; большая часть аномалий не превышает 30-40 мгл, и лишь единичные достигают 60-80 мгл.
Многочисленными работами доказано, что гравитационные аномалии этой территории в основном связаны с внутренней неоднородностью кристаллического фундамента, однако влияют и другие причины, в частности изменения мощности и состава осадочных толщ и, по-видимому, проявление глубинной анизотропии земли [1, 2, 3].
Э. Э. Фотиади [7], детализируя и развивая известные выводы А. Д. Архангельского, проанализировал гравитационное влияние дефекта плотностей осадочного покрова платформы по сравнению с кристаллическим фундаментом и определил его равным примерно -10 мгл для присводовой части Воронежского массива и -30, -50, -80 мгл соответственно для осевых зон Московской, Днепровско-Донецкой и Северокаспийской синеклиз.
Несмотря на такую значительную величину указанного эффекта, из сопоставления региональных (осредненных) аномалий с основными структурными элементами платформы видно отсутствие однозначных соотношений между платформенными структурами первого порядка (синеклизы, антеклизы), с одной стороны, и распространенными на их площадях региональными аномалиями - с другой. Например, Балтийский щит и Воронежский массив характеризуются слабо отрицательными, а Украинский положительными средними значениями аномалий Буге. В пределах площади Днепровско-Донецкой синеклизы средние значения аномалий слабо отрицательные, а в Причерноморской впадине - положительные. В общем же средние значения аномалий совершенно не коррелируется с различиями мощностей осадочного комплекса районов Русской платформы, а эго может быть объяснено только тем, что относительный дефект поверхностных масс синеклиз восполняется их избытком на глубине.
Только вводя поправку за недостаток масс осадочных пород (в связи с их относительно малой плотностью), можно выявить связи между структурой местности и характером гравитационных аномалий. Э.Э. Фотиади [7] исправил карту региональных (осредненных) аномалий Буге Русской платформы, исключив гравитационный эффект осадочных толщ, и получил этим путем схему «глубинных» аномалий Русской платформы. При этом ко всем синеклизам оказались приуроченными относительные положительные, а к областям поднятий относительные отрицательные глубинные аномалии.
Было высказано несколько гипотез для объяснения генезиса платформенных структур в связи с особенностями поведения гравитационных аномалий описываемой территории. Приуроченность к некоторым положительным структурам (Балтийский щит и Воронежский массив) отрицательных, а к прогибам (Московская синеклиза и др.) положительных аномалий рассматривалась как указание на различие мощностей кристаллического фундамента в их недрах с соответствующим более высоким всплыванием наиболее мощных глыб. Приуроченность к мощным глыбам отрицательных аномалий трактовалась как указание на наличие у них глубоких корней, погруженных в относительно более тяжелый субстрат. Однако приуроченность к другим поднятиям положительных (Украинский массив), а к ряду синеклиз отрицательных аномалий опровергает эту гипотезу.
Более детально этот вопрос разработан Е.Н. Люстихом [4] и С.И. Субботиным [6]. Е. Н. Люстих связал образование платформенных структур с процессами, протекающими в подкоровом субстрате, и предположил, что прогибы (синеклизы) формируются либо над зонами избыточного уплотнения, либо над зонами оттока глубинного вещества.
Первый из названных вариантов, по его мнению, мало реален, так как синеклизам, сформировавшимся над зонами уплотнения, должны были бы соответствовать положительные аномалии интенсивностью в 200-300 мгл. Эти аномалии, как известно, нигде не наблюдаемые, по его мнению, должны возникнуть в связи с тем, что веса пород в двух столбиках одинакового сечения, вырезанных на площади антеклизы и синеклизы между поверхностью фундамента и поверхностью выравнивания плотностей в субстрате, примерно одинаковы и, следовательно, весь вес осадочных пород, выполняющих синеклизу, представляет собой избыточную нагрузку и всей своей массой создает аномалию.
Совершенно иной, по его мнению, будет картина при возникновении синеклизы за счет оттока глубинных масс. В этом случае веса вертикальных столбов пород равной высоты и сечения, вырезанные на площади антеклизы и синеклизы между дневной поверхностью и любой поверхностью внутри субстрата, должны быть близки между собой. Небольшое различие между ними обусловлено тем, что оттекающее из-под дна синеклизы тяжелое вещество субстрата компенсируется отложением у поверхности равных по объему, но сравнительно легких осадочных толщ.
В связи с предположением о таком распределении масс Е.Н. Люстих считает, что синеклизам, как правило, должны отвечать относительные отрицательные региональные аномалии со значением в несколько десятков миллигал. Однако фактически, как известно, это наблюдается далеко не всегда и во всяком случае не может считаться закономерным. Кроме того, если исходить из этой концепции, то приходится ожидать, что отрицательные аномалии на площадях синеклиз сохранятся также и после введения поправки за гравитационный эффект дефицита масс осадочного комплекса, так как земная кора под их дном сравнительно глубоко прогнута и более погружена в тяжелый субстрат, чем под антеклизами. Однако фактически, как уже указывалось [7], глубинные аномалии площадей синеклиз положительны, а не отрицательны.
Если допустить, что глубинное вещество оттекает из-под синеклиз, то необходимо предположить, что оно подтекает, по-видимому, прежде всего под площади смежных антеклиз. Это непосредственно вытекает из представлений Е.Н. Люстиха, который считает, что отток идет на небольшое расстояние. Поэтому прогиб синеклизы должен сопровождаться одновременным и притом абсолютным поднятием смежных антеклиз, т. е. синеклизы и антеклизы должны испытывать одновременные вертикальные движения противоположных знаков. При этом объемы масс оттока и подтока, очевидно, равны между собой, но так как площади синеклиз обычно больше площадей антеклиз, то амплитуда поднятия последних должна превосходить амплитуду прогиба смежных синеклиз, например амплитуды прогиба Московской и Днепровско-Донецкой синеклиз соответственно равны приблизительно 3 и 4-5 км (по поверхности складчатого фундамента) и, следовательно, расположенная между ними Воронежская антеклиза, начиная с девонского времени, должна была подняться минимум на 5 км. В действительности же ничего подобного не наблюдается. Названные синеклизы интенсивно прогибались в девонское время; также прогибалась, но на меньшую глубину (судя по мощности осадков) и расположенная между ними Воронежская антеклиза. В качестве Другого примера укажем на Украинский кристаллический массив, погрузившийся ниже уровня моря в третичный период, т. е. во время интенсивного прогибания смежных Днепровско-Донецкой и Причерноморской синеклиз. Наконец, Балтийский щит, как это показал Н.С. Шатский, начиная с кембрия, поднялся на сравнительно небольшую высоту, несмотря на длительное и глубокое прогибание смежной Московской синеклизы. Кроме приведенных, можно указать еще ряд примеров одинакового направления движения смежных синеклиз и антеклиз, так что противоположные по знаку движения сегментов литосферы, к которым приурочены эти структурные элементы, никак не могут быть приведены к общему правилу, а гипотеза формирования синеклиз в связи с оттоком глубинного вещества таким образом наталкивается на несоответствие с фактическими геологическими данными.
Можно, конечно, выдвинуть предположение, что глубинное вещество, оттекающее из-под синеклиз, устремляется не под смежные антеклизы, а минуя их и другие платформенные структуры, перемещается за границы платформы - под соседние геосинклинальные области. Помимо натянутости и необоснованности такого представления, оно встречает и прямое возражение, так как в случае его справедливости эпохи наибольших прогибов синеклиз должны были бы отразиться поднятиями в смежных геосинклинальных областях, что, как известно, в несколько иной форме и предполагалось Э. Огом. Однако А.Д. Архангельский доказал, что как трансгрессии, так и регрессии на территориях смежных геосинклиналей и платформ наступают примерно одновременно, лишь с небольшим запаздыванием на платформе, и таким образом опроверг закон Э. Ога. Следовательно, оказывается отрезанным и этот весьма искусственный путь оттока из-под синеклиз глубинного вещества, а гипотеза «оттоков» в целом по совокупности приведенных геолого-гравитационных данных оказывается совершенно неприемлемой, так же как и ранее рассмотренная гипотеза образования платформенных структур в связи с всплыванием на разную высоту различных по мощности глыб докембрия. Необходимо отметить, что и ее автор Е.Н. Люстих [4] считает, что образование платформенных прогибов и поднятий не всегда связано с оттоком вещества, и допускает в некоторых случаях их образование в связи с изменением плотности на глубине.
Описанные выше основные черты гравитационных аномалий и их соотношение с платформенными структурами позволяют по-иному подойти к разрешению вопроса о генезисе последних. Прежде всего обращает внимание наличие тесной связи между анизотропией в глубинных зонах земли, отображаемой поведением глубинных аномалий, с одной стороны, и структурными формами в поверхностных слоях платформы - с другой. При этом синеклизы оказываются приуроченными к поверхностным слоям тех сегментов литосферы, в недрах которых имеется относительный избыток масс. Но так как избыток масс территорий синеклиз относительно масс территорий антеклиз имеет место для равных объемов вещества, то становится очевидным, что он обусловлен относительным переуплотнением - сжатием глубинного вещества под синеклизами в глубоких недрах земли. Отсюда возникновение синеклиз над зонами относительного переуплотнения глубинного вещества представляется как непосредственный результат этого процесса, а именно сжатие (относительное переуплотнение) глубинного вещества, очевидно, приводит к прогибанию вышележащих слоев и к постепенному образованию в поверхностных слоях впадины, заполняющейся по мере углубления осадками.
Наконец, часто наблюдающаяся согласованность в направлении движений синеклиз и антеклиз, в частности одновременное их погружение, свидетельствует, что прогибание синеклиз и образование антеклиз представляют собой лишь относительные движения, происходящие на фоне более общих движений, охватывающих территорию платформы в целом или ее значительные части. Накопление на территории платформы сравнительно мощных осадочных толщ (до 2-3 км, местами 5 км) указывает на общее преобладание процессов погружения данного сегмента литосферы и преобладание тенденции сжатия глубинного вещества в недрах платформы.
Следовательно, прогибание синеклиз и образование антеклиз происходят на фоне общего погружения платформенной территории. Однако погружение платформы, очевидно, идет с различной скоростью в разных ее частях, т.е. происходит неравномерно вследствие также общего, но неравномерного уплотнения (сжатия) глубинного вещества. При этом участки литосферы, в недрах которых вещество уплотняется больше, чем под смежными территориями, прогибаются быстрее и глубже последних и преобразуются в относительные прогибы - синеклизы, тогда как участки литосферы, отстающие по степени уплотнения (сжатия) глубинного (вещества, отстают и в своем прогибании и вследствие этого оказываются относительно приподнятыми - преобразуются в антеклизы. Отсюда также напрашивается вывод, что ведущими (активными) структурами являются синеклизы, тогка как разделяющие их антеклизы представляют собой пассивные образования, возникающие в связи с более быстрым (активным) опусканием смежных участков, т. е. в связи с формированием синеклиз.
Мы уже указывали, что предположение о возникновении синеклиз в связи с уплотнением глубинных масс было оставлено Е.Н. Люстихом прежде всего в связи с тем, что ему рисовалось неизбежным при таком их генезисе возникновение на территориях впадин весьма интенсивных аномалий.
Однако эти аномалии должны возникнуть только в том случае, если уплотнение вещества под дном синеклиз происходит на сравнительно небольших глубинах, порядка нескольких десятков километров, т. е. непосредственно под докембрийским комплексом. Действительно, при таком распределении глубинных пертурбирующих масс вся аномалия, создаваемая избыточными массами (поверхностными и глубинными), локализируется на площади данного сегмента литосферы. Совершенно иной будет гравиметрическая картина, если пертурбирующие массы лежат не непосредственно под подошвой земной коры, а весьма глубоко и фокусы (центры) уплотнения располагаются на глубинах, соизмеримых с шириной синеклиз, например на глубине 200-300 км, В этом случае становится очевидным неприменимость при расчетах формул для бесконечных плоско-параллельных слоев, которыми пользуется Е.Н. Люстих, так как соотношение между глубиной и шириной пертурбирующих масс близко к единице.
При достаточно большой глубине распространения в недрах земли плотностных неоднородностей и соответственно низко лежащих центрах пертурбирующих масс их форма с наименьшими погрешностями может быть приравнена к горизонтальному цилиндру. При этом вызываемый ими на поверхности гравитационный эффект далеко выйдет за контуры проекции на поверхность земли этих масс. Поэтому глубинная пертурбирующая масса вызовет изменения напряжения силы тяжести не только над собой, но и на смежных территориях (см. рисунок). Так как контуры переуплотненной (сжатой) массы и обусловленного ею прогиба в поверхностных слоях синеклизы должны примерно совпадать между собой, то, следовательно, часть гравитационного эффекта, вызванного глубоко залегающей под синеклизой переуплотненной массой, выйдет за ее границы и распространится на территории смежных антеклиз. Очевидно, что чем больше глубина до центра пертурбирующей массы и чем уже синеклиза, тем большая часть площади глубинной аномалии выйдет за границы синеклизы и распространится на территорию смежных антеклиз. В пределе аномалии, соответствующие двум ограничивающим синеклизам, сольются в единую с максимумом над промежуточной антеклизой.
С.И. Субботин [6] произвел расчеты для ряда структурных элементов юго-западной части Русской платформы и показал, что при залегании пертурбирующих масс на глубине до 300 км результирующий эффект дефицита поверхностных масс и избытка глубинных масс сводится к нулю, доказав таким образом несостоятельность предположения, что при формировании синеклиз за счет относительного переуплотнения глубинного вещества к их площадям должны быть приурочены положительные аномалии интенсивностью в сотни миллигал. Наоборот, вся совокупность изложенных геолого-гравитационных данных свидетельствует о том, что платформенные структуры первого порядка действительно возникают в связи с общим, но неравномерным уплотнением вещества в недрах земли, причем выясняется, что этот процесс распространяется на большие глубины и анизотропия земли отнюдь не ограничивается верхними десятками километров, а захватывает глубины, измеряемые сотнями километров. Мы опускаем расчеты, так как они содержатся в статье С.И. Субботина и наши выводы находятся в полном соответствии с выводами названного автора.
Синеклизы и антеклизы Русской платформы, как известно, различны по своим конфигурациям, площадям и глубинам прогибания, поэтому глубинный гравитационный эффект как на площадях синеклиз, так и за их пределами (на площадях антеклиз) не может быть повсеместно одинаковым. В одних случаях для узких антеклиз, расположенных между узкими же синеклизами, амплитуда напряжения глубинных аномалий за счет сложения крыльев аномалий, присущих синеклизам, будет наибольшей. В других случаях для площадей более широких антеклиз, расположенных между более широкими синеклизами, амплитуда эта будет меньше.
Это хорошо согласуется с поведением глубинных аномалий. Они, например, характеризуются наименьшими напряжениями на площади Балтийского щита, ограниченного лишь одной и притом весьма широкой впадиной - Московской синеклизой, тогда как на площади Воронежской антеклизы, расположенной между двумя впадинами- широкой Московской и сравнительно узкой и глубокой Днепровско-Донецкой синеклизами, напряжение глубинных аномалий больше и, наконец, оно еще больше на площади Украинского кристаллического массива, ограниченного двумя сравнительно узкими и глубокими впадинами.
Так как Балтийский щит лишь с одной стороны ограничен синеклизой, можно было бы ожидать на его площади наличия еще более интенсивных отрицательных глубинных аномалий, чем это наблюдается в действительности. Это несоответствие между вероятными и фактическими значениями глубинной аномалии, по-видимому, объясняется тем, что под синеклизами земная кора глубже прогнута в тяжелый субстрат, чем под антеклизами и тем более под щитами. Разница в глубине погружения земной коры в субстрат примерно равна разности амплитуд их прогибов по поверхности докембрийокого комплекса.
В области Балтийского щита докембрийские кристаллические породы наиболее приподняты. Учитывая их частичный размыв, можно предполагать, что поверхность субстрата под этой территорией лежит на 2-3 км выше, чем под Украинским и Воронежским массивами, и на 6-8 км выше, чем под Московской и Днепровско-Донецкой синеклизами.
Мы полагаем, что в связи с образованием антеклиз как промежуточных структур, а не как самостоятельных областей воздымания предположение С.И. Субботина [6] о наличии под антеклизами самостоятельной активной зоны разуплотнения маловероятно, и относительное разуплотнение вещества здесь рассматриваем как результат его большого сжатия по синеклизам. В частности, в связи с этим нам представляется преувеличенной принимаемая С.И. Субботиным амплитуда в 10 км между подошвой земной коры территорий Украинской антеклизы и Днепровско-Донецкой впадины.
Только наибольшим приближением тяжелого субстрата к поверхности под Балтийским щитом можно объяснить сравнительно небольшое значение распространенных на этой площади отрицательных глубинных аномалий и относительно небольшое различие в напряжении силы тяжести площади Балтийского щита и площадей Воронежской и Украинской антеклиз, хотя последние и расположены между синеклизами, а Балтийский щит лишь с одной стороны ограничен синеклизой. Отметим попутно, что в отношении глубины залегания субстрата под Балтийским щитом мы пришли к выводу, прямо противоположному взглядам А. Борна. Преобладание отрицательных аномалий и быстрое поднятие в течение четвертичного времени Скандинавии, как известно, объясняются им тем, что Балтийский щит давлением ледника был вдавлен в субстрат и теперь после стаяния льда стремится всплыть до уровня изостатического выравнивания. Однако несостоятельность этой концепции А. Борна в свое время была показана А.Д. Архангельским [2], а позднее более детально Е.Н. Люстихом [5]. Что же касается быстрых колебательных движений Балтийского щита, то они, как это показал Н.С. Штатский, характерны для этой площади, так же как и для других древних щитов, с геологически весьма отдаленных времен и, очевидно, объясняются причинами, не имеющими ничего общего с четвертичным оледенением этой территории.
Следует оговориться, что изложенные соображения относительно генезиса платформенных структур первого порядка не могут быть автоматически приложены к анализу развития структур низших порядков (валы, купола и т. д.). Формирование их, по-видимому, связано отчасти с механическими усилиями, возникающими в связи с изменением радиуса кривизны земной коры, происходящим при образовании синеклиз и антеклиз, а также, вероятно, при глубинных процессах (неравномерное уплотнение и, возможно, местное расширение вещества земных недр), однако протекающими на значительно меньших глубинах, чем те процессы, которые управляют развитием синеклиз и антеклиз. Следовательно, образование валов, куполов и подобных структур является результатом процессов отчасти вторичных и отчасти наложенных.
В общем же платформенные структуры различных порядков формируются в результате процессов, протекающих на различных глубинах, по- видимому, начиная чуть ли не от дневной поверхности вплоть до очень больших глубин, измеряемых сотнями километров.
Развитие платформы с изложенной точки зрения представляет собой составную и самостоятельную часть общего процесса развития земли. Структурное развитие каждого сегмента литосферы обусловлено процессами, протекающими в его недрах, а отнюдь не внешними силами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Андреев Б.А. О геологическом значении гравитационной карты Карелии, Финляндии и Ленинградской области. Материалы ЦНИГРИ, вып. 7, 1938.
2. Архангельский А.Д. Геология и гравиметрия, вып. 1, Новосибирск, 1933.
3. Архангельский А.Д., Михайлов А.А., Федынский В.В. и Люстих Е.Н. Геологическое значение аномалий силы тяжести СССР, Изв. АН СССР, сер. геол., № 4, 1937.
4. Люстих Е.Н. Гравиметрический метод изучения причин колебательных движений земной коры и некоторые результаты его применения. Изв. АН СССР, сер. геол., № 6, 1948.
5. Люстих Е. Н. О расчетах геологических свойств астеносферы по «всплыванию». Фенноскандий. Изв. АН СССР, сер. геофиз., № 3, 1956.
6. Субботин С.И. О связи аномалий силы тяжести с вертикальными движениями земной коры. Изв. АН СССР, сер. геофиз., № 4, 1955.
7. Фотиади Э.Э. К проблеме геологической интерпретации аномалий силы тяжести на Русской платформе. Прикладная геофизика, вып. 12. Гостоптехиздат, 1955.
ВНИИ Геофизика
Рисунок Схема взаимоотношений аномалий силы тяжести синеклиз и антеклиз.
а и b-синеклизы; с-актеклиза; А и В-соответствующие синеклизам зоны избыточного уплотнения вещества субстрата ΔgA и ΔgB-аномалии силы тяжести, соответствующие зонам избыточного уплотнения; ΔgR - результирующая кривая аномалий; ΔgA, ΔgB'- оставшиеся относительные аномалии синеклиз по сравнению с аномалией антеклизы