Реологические свойства коры и мантии, литосферы и астеносферы

Характер тектонических процессов, протекающих на разных уровнях в твердой Земле, в значительной степени зависит от физических, точнее реологических¹, свойств отдельных ее оболочек. Важнейшим показателем этих свойств является вязкость. Вязкость горных пород зависит от их петрографического состава, содержания воды, температуры и давления Первые два фактора, особенно второй, вносят некоторую неопределен­ность в оценку вязкости глубинных пород, а последние два, закономерно возрастая с глубиной, дают возможность рассчитать изменение вязкости в этом направлении. При этом температурные условия зависят от ве­личины теплового потока, который в свою очередь зависит от возраста коры, особенно океанской. Косвенными показателями вязкости являют­ся скорости распространения сейсмических волн и сейсмическая актив­ность: чем последняя выше, тем с более вязкими, более хрупкими поро­дами мы имеем дело, а отсутствие сейсмичности указывает на переход от хрупкого к пластичному состоянию.

Различия в вязкости сказываются уже при деформации верхнего — осадочного (осадочно-вулканогенного) слоя земной коры. В его составе принято выделять по деформационным свойствам два типа пород — ком­петентные и некомпетентные. Первые достаточно упруги, способны передавать напряжения на значительные расстояния, сохраняют свою мощность и в основном определяют форму образующихся складок, их основной каркас. К компетентным породам относятся известняки, до­ломиты, массивные песчаники; вулканические лавы, образующие доста­точно мощные (десятки метров и больше) пачки. Некомпетентные по­роды обладают повышенной пластичностью, изменяют свою мощность при складкообразовании, ведут себя пассивно и приспосабливаются к форме складок, образуемых компетентными породами. К некомпетент­ным породам принадлежат глины, соли, гипсы, отчасти мергели и толщи тонкого переслаивания, в частности флиш. При чередовании в разрезе компетентных и некомпетентных пород нередко наблюдается дисгармо­ничная складчатость, в которой компетентные породы образуют круп­ные складки, а некомпетентные обнаруживают более мелкую и сложную складчатость.

В консолидированной континентальной коре высокой вязкостью и хрупкостью обладает ее верхняя часть до глубины 10-15 км; в ее пре­делах и сосредоточена основная сейсмическая активность. Нижняя кора, начиная с глубины 15-20 км оказывается существенно пластичной. В не­которых случаях, а именно при более высоком тепловом потоке в верхах нижней коры, на уровне границы Конрада наблюдается новое повышение вязкости и тогда вырисовывается два минимума вязкости — один в низах верхней коры, другой в нижней коре. На уровне границы Мохо вязкость снова возрастает, затем постепенно снижаясь в литосферной мантии, вплоть до границы астеносферы. Таким образом, в континентальной ли­тосфере выделяются один или два уровня пониженной вязкости — в ниж­ней и средней коре, что и обусловливает ее тектоническую расслоенность и различное поведение коры и литосферной мантии в процессе переме­щения и деформаций литосферных плит с континентальной корой.

Иные соотношения наблюдаются в океанской литосфере. Общей тенденцией является сначала, до глубины порядка 5 км, резкое возрас­тание вязкости, затем ее постепенный рост с дальнейшим увеличением глубины, сменяющийся значительно более быстрым падением к границе астеносферы. При этом наблюдается сильная зависимость от возраста литосферы, определяющего степень ее разогрева. Чем моложе океанская литосфера, тем на меньшей глубине начинается падение вязкости. Этим, согласно Р. Майснеру и Т. Уиверу, можно объяснить срыв пластин офиолитовых шарьяжей, включающих кроме пород коры еще 5-7 км по мощ­ности пород верхней мантии. Тем самым получает объяснение факт, что обдукции обычно подвергается молодая и тонкая океанская литосфера. Кроме того, в литосфере с возрастом 30 млн лет и менее на границе Мохо отмечается понижение вязкости, что создает условия для срыва некото­рых офиолитовых покровов непосредственно по поверхности Мохо, тем более что на уровне последней обычно наблюдается интенсивная серпентинизация.

Итак, реологическая расслоенность литосферы является предпосыл­кой ее тектонической расслоенности, в особенности свойственной кон­тинентальной литосфере. Образование тектонических покровов разной глубинности с их отслаиванием в пределах чехла (по пластичным, не­компетентным породам), в основании чехла (по поверхности кристалли­ческого фундамента), в основании верхней коры, по поверхности Мохо и, наконец, вдоль границы литосферы и астеносферы получает свое есте­ственное объяснение.

Переход от литосферы к астеносфере знаменуется более или менее рез­ким, в зависимости от величины теплового потока, понижением вязкости. Вязкость астеносферы под континентами составляет 1021-1022 П (пуаз), под океанами — 1019-1020 П по сравнению с 1022-1026 и 1022-1025 П для литосферы. В отличие от литосферы астеносфера не обладает пределом прочности и ее вещество способно к деформации (течению) даже под действием очень малых избыточных давлений. Именно этим, в конечном счете обеспечивается изостатическое равновесие литосферы — при воз­растании на нее нагрузок и погружении происходит отток астеносферы на глубине и ее нагнетание в область утонения литосферы вследствие денудации или других причин. Скорость подъема земной поверхности при снятии ледовой нагрузки со щитов, подвергавшихся четвертичному покровному оледенению, и дала возможность впервые определить вяз­кость астеносферы (С. А. Ушаков и др.).

В подастеносферной мантии вязкость должна быть выше, чем в астено­сфере, но ее определение затрудняется отсутствием достоверных сведений о температуре на соответствующей глубине. Исходя из того что вязкость здесь не должна препятствовать конвекции (см. раздел 18.3), вязкость средней мантии до глубины 670 км принимается 1022-1023 П, а нижней мантии - 1023-1(Р П (В. Н. Жарков).