Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2022, T. 507, № 2, стр. 277-289

ВВЕДЕНИЕ

Механизм образования осадочных бассейнов на континентах и на их окраинах – одна из главных проблем геодинамики. Ее различным аспектам посвящено большое количество исследований. В центральной части Восточно-Европейской платформы на литосфере с возрастом ≥1.5 млрд лет расположен осадочный бассейн Московской синеклизы. В конце раннего девона, около 400 млн лет назад, после долгого периода относительной стабильности, в этой области началось погружение коры. История его развития на протяжении 40 млн лет в среднем и позднем девоне изучена с исключительно высокой степенью детальности ([8] и ссылки в этой работе).

Формирование литосферы в области, занятой Московской синеклизой, завершилось более чем за 1 млрд лет до начала девона. Это не позволяет связать погружение в ней с часто используемым механизмом растяжения земной коры. Анализ истории развития погружений в среднем девоне ([3] и др.) исключает также заметный вклад таких возможных механизмов, как упругий изгиб литосферы вблизи конвергентных границ или воздействие на подошву литосферы нисходящих течений в мантии. Как было показано в цитированной работе, единственный известный механизм, который мог обеспечить в таких условиях погружение в Московской синеклизе, это уплотнение пород в коре в результате проградного метаморфизма ([1] и др.). Для его реализации был необходим приток в кору мантийных флюидов, катализировавших метаморфические реакции. В девоне на Восточно-Европейской платформе во многих местах проявлялся вулканизм, а в ряде областей и кимберлитовый магматизм ([10] и др.). С большой вероятностью это свидетельствует о поступлении в литосферу флюидов из нижележащей мантии. Рядом исследователей девонский вулканизм на Восточно-Европейской платформе связывался с подходом к литосфере мантийного плюма ([20] и др.). Такое явление должно было сопровождаться образованием крупного сводового поднятия и мощными излияниями траппов ([13] и др.).

Однако в девоне значительных поднятий коры на платформе не было, а объем девонских эффузивов на ней на порядки меньше объемов траппов в Больших магматических провинциях. В этих условиях поступление в литосферу глубинных флюидов не могло быть связано с подъемом плюмов, и, следовательно, оно представляло собой независимый процесс, протекающий в мантии.

Существование восходящих потоков флюидов в мантии под внутриплитными областями рядом исследователей предполагалось для объяснения различных магматических и тектонических процессов ([6] и др.). Достоверные данные о потоках флюидов в подлитосферной мантии, однако, отсутствовали. Анализируя историю развития погружения земной коры в Московской синеклизе, нам удалось показать, что под всей этой областью в среднем девоне в течение 18 млн лет в литосферу поступали из глубины мантийные флюиды, приток которых сильно изменялся как во времени, так и на площади [3].

В настоящей работе рассматриваются главным образом погружение коры и его глубинные причины, характерные для позднедевонского этапа развития Московской синеклизы. Для развития погружений в эту эпоху типичны те же особенности, что и для предшествующего среднедевонского этапа. Поэтому нисходящие движения коры в среднем и позднем девоне следует рассматривать как единый процесс, продолжавшийся около 40 млн лет. Вместе с тем, учитывая большой объем имеющихся фактических данных ([8] и др.), целесообразно рассмотреть позднедевонский этап развития в отдельной работе.

ДИНАМИКА ПОГРУЖЕНИЙ ПО ДАННЫМ АНАЛИЗА МОЩНОСТЕЙ

Сопоставление карт мощностей по среднему девону [3] и карт по позднедевонским единицам разреза, представленным ниже, позволяет в наглядном виде отразить динамику погружения коры в осадочном бассейне Московской синеклизы.

Предыстория (погружение коры в среднем девоне). В работе [3] приведены карты мощностей осадков, накопившихся в течение трех последовательных интервалов времени с конца раннего девона (~398 млн лет) и до начала позднего девона (~380.5 млн лет). С учетом датировок стратиграфических границ, имеющихся в последней версии Международной шкалы¹¹, продолжительность этих интервалов составляет приблизительно 6.5, 5.5 и 4 млн лет. Осадконакопление происходило в обстановках крайнего мелководья ([8] и др.). Как хорошо известно, в таких условиях мощности быстро затвердевающих осадков близко соответствуют величине погружения коры на каждом из интервалов.

При толщине докембрийской литосферы под Московской синеклизой ~ 200 км, характерная ширина ее упругого изгиба L должна составлять несколько сотен километров. На картах, приведенных в процитированных выше работах, величина погружения коры в ряде мест сильно изменяется на коротких расстояниях L ~ 20–50 км. Такое неоднородное погружение указывает на уплотнение пород на глубинах, в ≤1.5–2 раза меньших величины L, т.е. в пределах земной коры. На древней литосфере причиной уплотнения коры за столь короткие промежутки времени (4–6 млн лет) мог быть только метаморфизм с переходом пород в более высокоградные фации.

Для проявления метаморфизма после долгого периода стабильности требовалось появление в коре мантийных флюидов, катализировавших реакцию. На такую возможность уже давно указывал Д.С. Коржинский. В древнюю литосферу флюиды могли поступать только из нижележащей мантии. Анализ карт мощностей [3] показывает, что распределение на них погружений по площади бассейна существенно различается. За время ~4–6 млн лет строение и состав коры и мантийной литосферы с возрастом ≥1 млрд лет существенно измениться не могли. В таких условиях изменчивость картины погружения коры указывает на сильные вариации притока глубинных флюидов в литосферный слой. Это включает как интенсивность самой инфильтрации, так и ее распределение на площади, и, возможно, изменения в составе флюидов.

На среднедевонском этапе погружение коры с разной интенсивностью охватывало почти всю Московскую синеклизу. Отсюда следует, что глубинные флюиды проходили в разном объеме через мантийную литосферу по всей площади синеклизы. Над расположенными в фундаменте синеклизы докембрийскими грабенами и авлакогенами значительное увеличение погружения вблизи разломов прослеживается лишь на самой ранней стадии (поздний эмс–ранний эйфель). Судя по заметной смене картины погружения, флюиды проходили через поликристаллическую среду мантийной литосферы и достигали земной коры не более, чем за 4–6 млн лет. Столь быстрое проникновение флюидов указывает на то, что они обладали особыми свойствами. В терминологии физикохимии дисперсных систем по П.А. Ребиндеру эти флюиды были поверхностно-активными и, образуя тончайшие пленки на их поверхности, они смачивали зерна пород мантийной части литосферы.

Важно отметить, что в течение отрезка времени 384.5–380.5 млн лет, соответствующего концу среднего (поздний живет) и началу позднего (ранний фран) девона, погружение земной коры в Московской синеклизе, оставаясь сильно неоднородным на площади, резко ускорилось в несколько раз. На этом этапе в двух глубоких депрессиях на востоке и на севере области средняя скорость погружения достигала ~80 м/млн лет, что для древних платформ является весьма высоким значением.

Средний фран. Снижение тектонической активности. На рис. 1 показана мощность осадков, накопившихся на крайнем мелководье в центральной части Московской синеклизы на интервале ~380–376.5 млн лет во второй половине среднего франа (семилукское время). Его продолжительность (3.5 млн лет) была примерно такой же, как и для отрезка времени в конце среднего и начале позднего девона (см. [3]). Несмотря на то что эти интервалы времени следовали почти один за другим, на втором из них картина погружения резко изменилась, а средняя скорость погружения коры на основной части площади уменьшилась по крайней мере в четыре раза – до 6–18 м/млн лет. Одновременно резко снизилась контрастность погружения, которая была характерна для конца среднего девона.

Рис. 1.

Карта мощностей отложений среднефранского подъяруса верхнего девона (семилукский горизонт) ([8], с изменениями). Местоположение рассматриваемой области показано на врезке справа цветным прямоугольником. Пунктирные линии (здесь и на рис. 2–7) – разломы в фундаменте (см. ссылку в работе [3]), черная линия – эрозионная граница закартированных стратиграфических подразделений, штриховка – выходы подстилающих отложений.

Поздний фран. Быстрое погружение. После относительно спокойного погружения в течение 3.5 млн лет в среднефранское время (см. рис. 1) на следующем интервале продолжительностью около 1 млн лет (376.5–375.5 млн лет) скорость погружения коры вновь возросла (рис. 2). При этом резко изменились распределение погружения на площади и его контрастность. Примерно за 1 млн лет кора погрузилась на 80–130 м на востоке и на 80–100 м на севере синеклизы. В нескольких местах погружение коры характеризовалось высокими градиентами. Так, южнее Шарьи, на палеосклоне 1 на расстоянии 19 км величина погружения изменяется на 40 м, а к югу от Галича образовался палеосклон 2 шириной 24 км и высотой 50 м. Ширина склона 3 высотой 40 м, расположенного к югу от Плавска, составляет 37 км.

Рис. 2.

Карта мощностей отложений верхнефранского подъяруса верхнего девона (петинский и воронежский горизонты) ([8] с изменениями). Черными отрезками (1–3) показаны зоны высоких градиентов изменения мощностей (пояснения в тексте).

Формирование таких крутых палеосклонов указывает на то, что, как и в среднем девоне, уплотнение пород, обусловленное метаморфизмом, происходило на относительно небольших глубинах, т.е. в пределах земной коры. Резкое ускорение метаморфизма свидетельствует о поступлении в литосферу значительного объема глубинных мантийных флюидов по всей площади Московской синеклизы. Судя по большой пространственной неоднородности погружения коры (см. рис. 2), приток в литосферу глубинных флюидов также был сильно неоднородным на площади. Перестройка картины погружения коры, показанная на рис. 1 и 2, произошла за время около 1 млн лет. Эта величина, сравнительно небольшая для тектонических процессов на древних платформах вместе с тем характеризует и время, за которое глубинные флюиды, поступившие в литосферу, прошли через ее мантийную часть мощностью ~150 км и достигли земной коры.

Быстро замедляющееся погружение в конце позднего франа. На следующем интервале продолжительностью ~2 млн лет (евлановско-ливенское время, ~375.5–373.5 млн лет) область быстрого погружения сильно сократилась и распалась на две значительно менее крупные области на севере и на востоке бассейна (рис. 3). Скорость погружения снизилась в них до ~50 м/млн лет, что для древних платформ тем не менее является достаточно высоким значением. В ряде мест погружение еще оставалось контрастным, как например, на северо-востоке в районе Шарьи.

Рис. 3.

Карта мощностей отложений верхнефранского подъяруса верхнего девона (евлановский и ливенский горизонты) ([8] с изменениями).

Длительное медленное погружение в раннем и в начале среднего фамена. В эту эпоху общей продолжительностью 10 млн лет (~372–362 млн лет) погружение коры сильно замедлилось. Так, на рис. 4 в течение ~4.5 млн лет (задонское и елецкое время, ~372–367.5 млн лет) на основной части площади средняя скорость погружения составляла ${v}$ ≈ 5–15 м/млн лет, лишь на востоке достигая значений ${v}$ ≈ 18 м/млн лет. На юго-востоке зафиксирована область со значительно более высокими скоростями погружения ${v}$ ≈ 20–30 м/млн лет и с крутыми палеосклонами, ограничивающими ее самую глубоко прогнутую часть. Она непосредственно прилегала к крупному региону, где в это время формировалась сверхглубокая Прикаспийская впадина. В настоящее время эта впадина заполнена 20–22 км осадков. На рассматриваемом интервале времени в ней произошло крупное погружение коры с развитием глубоководных обстановок [1].

Рис. 4.

Карта мощностей отложений нижнефаменского подъяруса верхнего девона (задонский и елецкий горизонты) ([8] с изменениями).

На следующем этапе продолжительностью 5.5 млн лет (~367.5–362 млн лет) на основной части площади (рис. 5) погружение оставалось таким же медленным, ${v}$ ≈ 5–15 м/млн лет, но его общая картина сильно изменилась. На юго-востоке прекратилось погружение со значительно повышенными скоростями. Вместо этого в направлении от границ области к ее внутренней части сформировались пологие палеосклоны. Внизу они ограничены изолинией мощностей 70 м, соответствующей весьма умеренной средней скорости погружения ${v}$ ≈ 13 м/млн лет. По сравнению с предыдущими этапами, значительно уменьшилась неоднородность погружения на площади.

Рис. 5.

Карта мощностей отложений среднефаменского подъяруса (лебедянский и оптуховский горизонты) ([8] с изменениями).

Ускорение погружения в среднем – позднем фамене. На этом сравнительно небольшом отрезке времени (362–358.5 млн лет) в Московской синеклизе вновь произошло ускорение погружения коры. В той части синеклизы, которая показана на рис. 6, на интервале ~362–360 млн лет средняя скорость погружения возросла до ${v}$ ≈ 15–25 м/млн лет. На следующем интервале (~360–358.5 млн лет, рис. 7) эта скорость достигла ${v}$ ≈ 20–50 м/млн лет. Одновременно сильно изменилось распределение погружения на площади. Из восточной части бассейна погружение сместилось к его центру, тогда как на предыдущем интервале времени (см. рис. 6) погружение в среднем возрастало в восточном направлении.

Рис. 6.

Карта мощностей отложений среднефаменского подъяруса (плавский горизонт) ([8] с изменениями).

Рис. 7.

Карта мощностей отложений верхнефаменского подъяруса (озерский и хованский горизонты) ([8] с изменениями).

Погружение коры, постепенно замедляясь, продолжалось в Московской синеклизе в карбоне и в перми ([16] и др.), что указывает на продолжение поступления в кору мантийных флюидов.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Проведенное рассмотрение показывает, что в осадочном бассейне Московской синеклизы в течение 40 млн лет в среднем и в позднем девоне скорость погружения коры и распределение погружения на площади непрерывно изменялись. В серии из десяти карт мощностей девонского осадочного чехла, построенных для хроностратиграфических интервалов продолжительностью 1–6 млн лет [3, 8], отчетливо видно, что на каждом из этапов геологического развития меняется как общая картина погружения, так и его скорость. Резкие перемены можно видеть, например, на рубежах ~384 млн лет, (см. рис. 4, 5 в [3]), и ~380 млн лет (рис. 5 [3] и рис. 1 в настоящей работе).

В начале позднего франа (~376 млн лет) после периода пониженной тектонической активности картина погружения коры полностью перестроилась за ~1 млн лет, а скорость погружения возросла на порядок величины (см. рис 1, 2). В течение последующих 2 млн лет в конце позднего франа погружение замедлялось, и одновременно сильно менялось его распределение на площади (см. рис. 3). В дальнейшем за период 10 млн лет в раннем и в начале среднего фамена (см. рис. 4 и 5) погружение развивалось медленно (5–15 м/млн лет), но коренным образом изменялась конфигурация депоцентров на картах мощностей. Наконец, в конце позднего девона погружение вновь ускорилось до 20–50 м/млн лет, и за 3.5 млн лет его общая картина также успела полностью измениться.

Изменчивость притока глубинных флюидов в пространстве и во времени. Как показано выше, а также в работе [3], быстрые и значительные изменения скорости погружения коры в Московской синеклизе отражали пространственно-временные вариации притока в литосферу мантийных флюидов. Это, в принципе, могло быть как следствием изменения объема флюидов, поступающих с больших глубин в одной определенной области, так и результатом перемещения крупных блоков литосферы в область с другими параметрами потоков глубинных флюидов.

В девоне Московская синеклиза располагалась в составе литосферной плиты Лавруссия. Надежные данные о ее дрейфе отсутствуют, поскольку форма геомагнитного поля и его напряженность испытывали значительные колебания в данную эпоху [19]. При скоростях дрейфа 3–5 см/год, характерных для крупных континентальных плит, за 40 млн лет литосфера Московской синеклизы могла переместиться по отношению к нижележащей мантии на расстояние 1200–2000 км. В таком случае в начале среднего и в конце позднего девона литосфера синеклизы должна была располагаться над областями в мантии с различным притоком флюидов.

Анализ имеющихся данных показал, что резкая смена картины погружения в синеклизе несколько раз происходила достаточно быстро – за один или несколько миллионов лет. За такое время ее литосфера могла переместиться по отношению к нижележащей части мантии не более чем на 100 км. Тем не менее в течение ряда коротких эпизодов продолжительностью ~1 млн лет зафиксированы сильные изменения картины погружения в областях с характерным горизонтальным масштабом ~500 км. Это можно видеть, например, при сравнении карт на рис. 1 и 2, на рис. 6 и 7, а также сравнивая карты мощностей на рис. 4 и 5 в работе [3]. Такие данные свидетельствуют о том, что главной причиной изменений в характере притока флюидов в литосферу были изменения собственных параметров этого процесса, поставлявшего флюид из нижележащей части мантии. Дрейф литосферных плит протекал гораздо медленнее и не мог обеспечить быстрых перемен в картине погружений на древнем кратоне. Возникает вопрос, можно ли связать поступление в литосферу глубинных флюидов с другими хорошо известными явлениями в недрах Земли.

Длительное поступление в литосферу слабого потока глубинных флюидов в крупных областях – новое явление в мантии Земли. В качестве главных явлений, протекающих в мантии Земли, обычно рассматриваются крупномасштабная конвекция ([17] и др.) и подъем плюмов ([14, 15] и др.). Характерный размер крупных конвективных ячеек в мантии измеряется тысячами километров, а время их развития составляет ~100 млн лет. Как показал анализ, проведенный нами в [3] и в настоящей работе, в среднем и в позднем девоне в течение 40 млн лет приток мантийных флюидов в литосферу Московской синеклизы сильно изменялся за времена ~1 млн лет и на расстояниях в первые сотни километров. Это не позволяет связать его с крупномасштабной мантийной конвекцией, характеризующейся совершенно иными параметрами.

Многими исследователями предполагается поступление в литосферу флюидов из крупных мантийных плюмов, зарождающихся в низах мантии под воздействием процессов в земном ядре ([6, 18] и др.). Это явление рассматривалось и как причина девонской тектономагматической активизации на Восточно-Европейской платформе ([20] и др.). Непрерывный подъем в мантии струй легкого нагретого материала характерен лишь для некоторых горячих пятен (hot spots) типа Гавайского. В большинстве горячих пятен легкий нагретый материал всплывал в мантии на отдельных этапах в виде огромных капель (blobs) размером в несколько сотен километров и больше. Их подход к литосфере сопровождался образованием крупных сводовых поднятий ([13] и др.). В дальнейшем после замещения материалом плюма больших объемов мантийной литосферы происходили излияния огромных объемов траппов. Отсутствие таких явлений на Восточно-Европейской платформе исключает подход к ее литосфере крупных мантийных плюмов в девоне [3].

В большинстве случаев подъем флюидонесущих мантийных плюмов – это мощное, но кратковременное явление, происходящее в относительно небольшой области. При анализе развития девонского погружения земной коры в Московской синеклизе мы столкнулись с явлением иного типа. В среднем и позднем девоне глубинные флюиды поступали в ее литосферу на площади ~1 млн км². Их приток был очень слабым, но он продолжался 40 млн лет, а скорее всего, и дольше. Более того, поступление флюидов в литосферу было очень неоднородным на площади и сильно изменялось за времена ~1 млн лет.

В современных геодинамических построениях обычно считается, что в мантийную литосферу и в нижнюю часть земной коры глубинные флюиды поступают в основном по разломам и по разломным зонам ([4, 7] и др.). В крупные объемы пород флюиды проникают затем по системам трещин, из которых они диффундируют в прилегающие породы на расстояния до нескольких метров ([12] и др.). В девоне глубинные флюиды поступали в кору по всей площади Московской синеклизы, проходя через мантийную литосферу мощностью 150 км за ~1 млн лет. Как отмечалось, это указывает на то, что флюиды смачивали зерна кристаллических пород, т.е. они были поверхностно-активными. Другая важная особенность флюидов – способность катализировать проградный метаморфизм, вызывающий уплотнение пород в земной коре.

Данные о развитии девонского погружения в синеклизе не позволяют, однако, определить состав глубинных флюидов. Это отдельная проблема, которой посвящено множество исследований ([9] и др.).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Продолжительное поступление в литосферу крупной области слабого потока поверхностно-активных флюидов, сильно неоднородное на площади и быстро изменяющееся во времени – это новое, ранее не известное, явление в мантии Земли. С ним может быть связан ряд тектонических, магматических и метаморфических процессов, рассмотрение которых требует отдельного рассмотрения. Здесь можно упомянуть лишь некоторые возможные направления.

Многие осадочные бассейны на континентах были сформированы во внутриплитных областях за счет медленных погружений коры, не сопровождавшихся ее сильным растяжением. На Восточно-Европейской платформе такие бассейны покрывают в общей сложности 3 млн км² ([16] и др.). На Сибирской платформе к этому же типу структур относятся Тунгусская и Вилюйская синеклизы, а также многие осадочные бассейны в других областях ([1] и др.). Для формирования таких структур без значительных нарушений изостатического равновесия необходимо уплотнение пород в земной коре, происходящее за счет проградного метаморфизма.

Особенностью Московской синеклизы и непосредственно прилегающих к ней платформенных областей является уникальная степень изученности – около тысячи тщательно описанных скважин и обнажений. Это позволило реконструировать в ней историю развития погружения коры во времени и на площади с исключительно высокой степенью детальности [8]. К настоящему времени в результате поиска, разведки и добычи углеводородов по многим осадочным бассейнам накоплен огромный фактический материал. Было бы интересно провести аналогичный анализ данных и по другим крупным осадочным бассейнам.

Судя по широкому развитию в девоне погружений земной коры на разных континентах [1], поступление в литосферу мантийных флюидов в данную эпоху имело глобальный характер. Об этом может свидетельствовать также проявление девонского кимберлитового магматизма не только на севере и на юге Восточно-Европейской платформы, но и в тысячах километров от нее в Восточной Сибири [5], а также за ~10 000 км в Австралии [18]. В таком случае в качестве причины поступления в литосферу мантийных флюидов можно предполагать воздействие на мантию процессов в земном ядре.

Поступление в литосферный слой мантийных флюидов ранее уже привлекалось для объяснения некоторых других типов тектонических движений. С ним связывался, в частности, проградный метаморфизм с уплотнением пород основного состава в земной коре, приводивший к быстрому образованию глубоководных впадин на месте мелководных шельфов ([1] и др.). Ретроградный метаморфизм с разуплотнением пород в земной коре при инфильтрации водных флюидов рассматривался как причина крупных поднятий коры, широко проявившихся в плиоцене и в плейстоцене [2]. Резкое размягчение литосферы с ее коротковолновыми деформациями во время быстрых погружений и поднятий объяснялось инфильтрацией в литосферу из глубины поверхностно-активных флюидов ([11] и др.). Эти ярко выраженные явления были связаны с относительно кратковременными эпизодами поступления в литосферу больших объемов мантийных флюидов. На примере Московской синеклизы в девоне мы рассмотрели явление существенного иного типа – длительно развивавшийся слабый приток в литосферу глубинных флюидов, сильно неоднородный на площади и быстро изменявшийся во времени. Сравнительный анализ этих двух различных явлений – задача дальнейших исследований.