Диапировые складки в геологических телах

Подобно тому, как материал, который тяжелее воды, не может плавать на ее поверхности, так и геологические системы, состоящие из слоев с низкой плотностью и перекрывающих слоев с высокой плотностью, нестабильны в поле силы тяжести. Поднятие материалов с низкой плотностью под действием их собственной плавучести происходит дифференциально, поэтому поверхность слоя приобретает удивительно волнистые формы. Эти волнообразные структуры представляют собой складки. Они называются диапировыми (diapir folds). К типичным примерам относятся соляные, глиняные и гнейсовые купола. В этом разделе описываются особенности диапировых складок на примере соляных куполов (рис. 5.32).

Трусхейм (1957, 1960) изучал соляные купола на севере ФРГ и показал, что для образования в толще мощностью около 300 м диапировых складок, по-видимому, необходима перекрывающая толща мощностью около 1000 м. Это свидетельствует, что соляной слой начинает расти, когда перекрывающий ее осадочный материал, будучи погребенным и уплотненным, достигает плотности и мощности, которые придают соляному слою плавучесть, достаточную для всплывания. В соответствии с наблюдениями Трусхейма, подъем соляного слоя, по-видимому, начинается с образования соляных подушек (salt pillows) благодаря горизонтальной миграции соли. Рельеф верхней поверхности соляного слоя затем развивается и одновременно формируются колоннообразные структуры, т. е. соляные штоки (salt plugs, stocks), а затем и соляные валы (salt walls), которые возникают при слиянии штоков (рис. 5.33). Характерная особенность таких соляных куполов (соляных подушек, штоков или валов) — их закономерное распределение. Другими словами, волнообразная форма поверхности соляного слоя, образовавшаяся на ранних стадиях формирования купола, проявляет закономерность, которую можно рассматривать как доминирующую длину волны. Соляные купола на побережье Мексиканского залива имеют доминирующую длину волны около 10 км (Флетчер, 1972).

Развитие соляных куполов приводит к образованию антиклиналей и синклиналей в перекрывающей толще. Размеры перекрывающей осадочной толщи над антиклиналями заметно отличаются от осадков в синклиналях, окружающих купола. Разница мощностей между осадками над куполами и в периферических бассейнах составляет по-видимому, около 1:10. Принимая, что объем осадков периферических бассейнов равен объему соли, мигрировавшей в купол, Саннеманн (1963) рассчитал, что скорость миграции соли составляет 0,3 мм/год. Средняя скорость миграции соли, полученная по этому методу, вероятно постоянна как на стадии соляных подушек, так и на стадии соляных штоков. Значение, вычисленное Саннеманном, составляет лишь 1/10 величины, которую получили Лиз и Фалкон (1952), Лотд (1957) и Тейчмюллер и др. (1958) для современ-ного поднятия соляных штоков во многих областях мира. Было выяснено, что соляные структуры на севере ФРГ тесно связаны с глубиной погребения соляного слоя и с формой бассейна осадконакопления (см. рис. 5.33) [105].


Там, где соляной слой погребен на глубине, превышающей 5000 м, по-видимому, образуются соляные валы, протягивающиеся в длину более чем на 100 км. Их ширина 4—5 км, и они расположены с интервалами в 8—10 км. Простирание соляных валов приблизительно параллельно глубинным контурам основания соляного слоя. Область развития соляных валов окружена областью соляных штоков. Рассчитано, что в этой области основание соляного слоя залегает на глубине 3000—5000 м. Соляные штоки имеют 2—8 км в диаметре и распределяются по прямым параллельным линиям. Это явление аналогично почти равномерному параллельному расположению соляных валов. За пределами области развития соляных штоков можно наблюдать только развитие соляных подушек. Здесь основание соляного слоя залегает намного ближе к поверхности. Следовательно, можно прийти к заключению, что форма соляных куполов тесно связана со степенью погребения соли.

Подъем толщ, имеющих низкую плотность в поле силы тяжести, экспериментально изучали Неттлетон (1934, 1955), Деб-рин (1941), Паркер и Макдоуэлл (1965), Рамберг (1967), Стефанссон (1972), Бернер и др. (1972), Флетчер (1972), Тальбот (1974, 1977) и Хэйаши и др. (1975), а теоретически — Дэнес (1964), Био и Одэ (1965), Био (1966) и Рамберг (1966, 1968). В этом разделе мы кратко рассматриваем двухмерный анализ Био и Одэ (1965) для того, чтобы понять основные и общие характерные черты диапирового складкообразования.

Био и Одэ анализировали поведение системы, состоящей из жесткого основания, перекрытого двумя вязкими слоями. Верхний и нижний слои имеют, соответственно, мощности h₁ и h₂, коэффициенты вязкости η₁ и η₂ и плотности ρ₁ и ρ₂. Принимается, что ускорение свободного падения постоянно во всей системе. Если ρ₁ > ρ₂, нижележащий слой будет подниматься волнообразно, отталкивая в стороны верхний слой. Теория рассматривает только начальную стадию данного поднятия. На этой стадии верхняя поверхность слоя с низкой плотностью обычно имеет слабую, неправильную волнистость. Скорость роста этих начальных неровностей зависит от присущей им длины волны. Длина волны, соответствующая максимальной скорости роста (т. е. доминирующая длина волны) с течением времени будет избирательно увеличиваться. Эта доминирующая длина волны определяет расположение соляных куполов.


Теория показала, что рост волнообразных неровностей сначала протекает медленно, а затем ускоряется. Доминирующая длина волны L_d определяется главным образом отношением вязкостей η₁/η₂ и отношением мощностей слоев h₁/h₂, т. е., чем больше η₁/η₂ и h₁/h₂ тем больше будет L_d/h₂. Параметр Δρ/ρ₁=(ρ₁—ρ₂)/ρ₁ который является показателем контраста плотностей, почти не оказывает влияния на доминирующую длину волны, но чем больше этот параметр, тем выше будет скорость роста. Кроме того, чем меньше η₁/η₂ или чем больше h₁/h₂ тем быстрее будет рост. Как уже упоминалось, Трусхейм [105] установил, что седиментация, происходящая в периферических бассейнах, отражает подземные движения. Био и Одэ расширили теорию, чтобы учесть эти поверхностные явления, и показали, что они приводят к ускорению роста и к весьма незначительному увеличению доминирующей длины волны.

Био [13] изобретательно использовал симметрию трехмерных купольных структур и принцип наложения для решения линейных дифференциальных уравнений, чтобы перейти от двухмерного анализа Био и Одэ к трехмерному анализу. Полученные им результаты показали, что двухмерный анализ близок к истине, по крайней мере, в отношении скорости роста куполов и расстояния между соседними куполами (или доминирующей длины волны).

Теория Био и Одэ [14] предсказывает некоторые особенности природных соляных куполов количественно, особенно в отношении начала диапирового складкообразования и существования доминирующей длины волны (см. их работу). Однако, теории, выдвинутые до сих пор, не могут объяснить происхождение закономерно зонального расположения соляных валов и штоков (см. рис. 5.33). Для того, чтобы объяснить не только процессы подъема отдельных соляных куполов, но и общие процессы их эволюции в определенной области, необходимо представлять себе общую тектоническую обстановку бассейнов осадконакопления в целом и, затем сопоставить эти данные с механической моделью. Наконец, следует указать, что движение гранитных магм преимущественно можно рассматривать как подъем материалов с низкой плотностью в поле силы тяжести [87]. Это — другая область исследования, ожидающая дальнейшей разработки.