Если взглянуть на эту территорию после возвращения в исходное положение зоны, подвергшейся правостороннему горизонтальному смещению на расстояние около 600 км, которое произошло с мела по разлому Сан-Андреас, то францисканская формация выглядит как длинная узкая полоса, шириной около 150 км, простирающаяся на 3000 км в меридиональном направлении, как показано на рис. 2.VI.2 [100]. Масштаб этой длинной геосинклинали, которая существовала вдоль западного края Северо-американского континента с юры до мела был таков, что она, вероятно, связывала Идзу-Марианский и Курильский желоба с Японским. Это была зона поддвигания плиты Фараллон под восточный край Американской плиты.
Мезозойская история Калифорнии, расположенной в центре зоны развития францисканской формации, и тектонический меланж (tectonic melange) дают, вероятно, наилучший пример, демонстрирующий разновидность метаморфизма геологических структур, возникшего при непосредственном столкновении океанической плиты с континентальной и поддвигании ее под последнюю.
Францисканская формация и метаморфизм
Источником большинства осадочных отложений францисканской формации, за исключением кремнистых сланцев и вулканогенного материала, служили гранитные и метаморфические породы, обнажавшиеся на всем протяжении от гор Кламат и хребтов Сьерра-Невада до п-ва Калифорния. В отложениях францисканской формации наблюдаются текстуры оползания, образовавшиеся в результате крупномасштабного скольжения с востока на запад осадков океанического дна, происходившего во время их отложения. Иногда наблюдаются ритмическая слоистость, волноприбойные знаки, рифленые отпечатки, местами встречаются отдельные осадочные слои, представляющие собой отложения турбулентных мутьевых потоков. Вулканогенный материал составляет около 10 % францисканской формации, причем большая часть его представлена лаковыми потоками с подушечной отдельностью и агломератами с подчиненным количеством тонкозернистых туфов. Отдельные образования, сложенные лавово-агломератовыми породами, могут достигать мощности вплоть до 2000 м и длины (т. е. горизонтального диаметра вулканической структуры) до 10—16 км, являясь сопоставимыми по масштабу с подводными горами Тихого океана. Тонкие слои туфа часто переслаиваются с песчаником, а тонкие слои известняка или кремнистого сланца — с подушечной лавой. Францисканская формация в основном становится моложе с востока на запад, а на востоке невозможно обнаружить слои моложе позднего мела. Много «холодных» или «альпинотипных» перидотитов и сопровождающих их габбро внедрились в отложения францисканской формации. Большинство перидотитов почти полностью серпентинизированы, а габбро в сильной степени подверглось гидротермальному изменению.
Важная особенность францисканской формации заключается в том, что она, по-видимому, отложилась непосредственно на океаническую кору. В этом Францисканском поясе, особенно на его восточной окраине, обнаружены большие количества серпентинита. В основном он развит вдоль сдвиговых зон в породах францисканской формации. Многочисленные экзотические глыбы, представленные эклогитом и метаморфизованными базальтами, также наблюдаются в серпентинитах и дают представление о типе фундамента, который залегает на глубине под францисканской формацией. Если бы фундамент был сложен осадочными породами, гнейсами и гранитами мезозойского, палеозойского или докембрийского возраста, то можно было бы ожидать, что в серпентинитовых толщах будут обнаружены обломки этих пород, однако никаких фрагментов земной коры континентального типа не было обнаружено.
До публикации работы Блоксэма в 1956 г. никто не предполагал, что породы францисканской формации, с редко встречающейся сланцеватостью и несколькими прекрасно сохранившимися окаменелостями, метаморфизованы. Считалось, что формация представлена обычными осадочными породами с широко развитыми разломами. Однако, в песчанике, отобранном из францисканской формации и изученном Блоксэмом, кальциевый плагиоклаз и глинистый материал (хлорит) в исходном веществе почти полностью перешли в лавсонит, жадеит, глауко-фан и кварц при следующих химических взаимодействиях (Блоксэм, 1956):
Впоследствии было обнаружено, что такие слои песчаника слагают почти две трети всей Францисканской зоны. Долгое время считалось, что голубовато-зеленые осколки, содержащие глаукофан, присутствовали как «калька» в песчаниках францисканской формации, и что глаукофановые сланцы уже образовались до ее отложения. Однако, эти «гальки» глаукофанового сланца являются продуктами перекристаллизации вулканогенных обломков в песчанике с минеральными ассоциациями, включающими глаукофан, образовавшийся в результате регионального метаморфизма при высоком давлении, которому подверглась францисканская формация. Песчаник вокруг обломков вулканогенных пород также был метаморфизован до минеральной ассоциации, содержащей жадеит и лавсонит. Тайна, окружавшая присутствие «гальки» глаукофановых сланцев в песчаниках францисканской формации появилась в результате непонимания, обусловленного незнанием того, как породы с различным химическим составом, т. е. полевошпатовый песчаник и базальтовые вулканогенные породы, перекристаллизуются в другие минеральные ассоциации под действием метаморфизма высокого давления.
Впоследствии было обнаружено, что большинство минералов группы кальцита (СаСО3) в францисканской формации были не кальцитом, а арагонитом, и стало понятно, что францисканская формация в целом испытала региональный метаморфизм в условиях низкого геотермального градиента, т. е. 10—15°С/км, дающего относительно низкие температуры (150— 300°С), но при аномально высоких давлениях (0,5—0,8 ГПа) [30]. Такой метаморфизм в условиях высокого давления был назван региональным метаморфизмом фации глаукофановых сланцев или фации голубых сланцев (glaucophane schist on blue schist regional metamorphism).
Будучи всемирно распространенным, региональный метаморфизм фации глаукофановых сланцев обнаружен в пределах относительно молодых, фанерозойских орогенических поясов, а именно, на юге Чили, о-ве Куба, в Калифорнийских Береговых Хребтах, шт. Орегон (США), на западном побережье Канады, в южной Аляске, на п-ве Камчатка, о-вах Сахалин, Хоккайдо, Хонсю, Сикоку, Кусю, Тайвань, на Филлипинском архипелаге, о-вах Сулавеси, Новая Гвинея, Новая Каледония, Новая Зеландия, в Турции, Южной Италии, на о-ве Корсика и в Альпах. Только в очень редких случаях сообщалось о глаукофановых сланцах в относительно древних метаморфизованных областях докембрийского или палеозойского возраста, в том числе отмечены изолированные проявления в Уэльсе, Шотландии (Великобритания), на северном побережье Франции и в восточной Сибири (СССР). Метаморфизм, которому подверглась францисканская формация, характеризуется самым высоким в мире отношением давления к температуре. К другим специфическим чертам истории развития метаморфизма во францисканской формации относится образование тектонического меланжа, что мы обсудим далее.
Изотопные исследования показали, что региональный метаморфизм во францисканской формации произошел 70—-150 млн лет назад, т. е. в поздней юре — мелу, во время осадконакопления. Следует упомянуть, что метаморфический период, определенный изотопными методами, и период отложения францисканской формации, вычисленный по ископаемым организмам, удивительно близки. Другими словами, региональный метаморфизм францисканской формации произошел на глубине 20— 30 км в то же время (в юре), когда отлагались геосинглинальные осадки мощностью до 30 000 м, что сопровождалось интенсивным морским базальтовым вулканизмом. Одновременно происходило быстрое погружение со скоростью около 5—10 мм за 1000 лет [101, 102].
Тектонический меланж
Другая важная черта францисканской формации — присутствие грубозернистых метаморфизических пород, достигших довольно высоких ступеней метаморфизма, эпидот-амфиболитовой или эклогитовой фаций. Они обнаружены в форме крупных и мелких линзообразных или блоковых тел вдоль зон дробления (главным образом зон надвигов), развитых во францисканской формации. Наиболее высокая ступень метаморфизма, наблюдаемая непосредственно в самой францисканской формации,— породы фации глаукофановых сланцев (Кован, 1974) (рис. 2.VI.3, 4.VI.4). Края, а иногда и полностью тела этих высокометаморфизованных пород часто изменены до минеральных ассоциаций фации глаукофановых сланцев, как и породы францисканской формации вокруг них. Экзотические глыбы, обнаруженные вдоль зон дробления в францисканской формации, представлены не только высокометаморфизованными породами. Блоки или линзовидные образования, сложенные глинистыми сланцами, кремнистыми сланцами, граувакковыми песчаниками и измененными базальтами, чередуются с ними. Серпентинизированные перидотиты офиолитового комплекса также обычны, причем определение возраста К-Аг методом показывает, что метаморфизм, обусловивший перекристаллизацию этих высокометаморфизованных пород, произошел в поздней юре. Это — древнейший геологический возраст, определяемый по присутствию ископаемых организмов, древнее, чем метаморфизм низкой ступени, которому подверглась францисканская формация.
Основной термин, используемый для зон дробления с включением линзовидных и блоковых тел, — французское слово «меланж» («melange»), которое обозначает — «смесь». Этот термин впервые был использован Е. Гринли в его работе по о-ву Англси, северный Уэльс (Гринли, 1919), где было хорошо известно присутствие пород фации глаукофановых сланцев. Он назвал геологический комплекс, в основном состоящий из зон дробления глинистых сланцев и линзовидных тел, различных по размеру, «автокластический меланж» (autoclastic melange). «Меланж» — наиболее удачный термин для описания ситуации, когда неоднородные породы разнообразных типов, слагающие тела разных размеров, обнаруживаются среди раздробленных пород, распространенных на довольно обширной территории. Хсю (1968) использовал этот термин для описания пород с такими же особенностями, обнаруженных в францисканской формации. Меланж, который мы охарактеризовали здесь, распространен, главным образом, вдоль восточного края францисканской зоны.
Полагают, что история развития меланжа в францисканской формации такова.
1. При субдукции океанической плиты под Американскую плиту и быстром отложении францисканской формации вблизи океанического желоба она подверглась метаморфизму высокого давления. Ее нижние части метаморфизованы вплоть до эклогитовой фации.
2. Францисканская формация, глубоко погруженная вдоль так называемой зоны Беньоффа, была вытеснена вверх надвиговыми движениями, происходившими вдоль западной окраины Американской плиты. Одновременно она подверглась дроблению, брекчированию и была выжата в ослабленную или даже неметаморфизованную часть францисканской формации, захватив обломки океанических базальтов и мантийный материал [101, 102 и др.].
После того, как Хсю применил термин «меланж», его стали использовать только для брекчированных и нарушенных геологических структур. Однако, Кован предложил употреблять термин «тектонический меланж» для описания комплексов, образовавшихся в результате серии структурных движений, включающей в себя седиментацию, метаморфизм, погружение, надвигообразование, дробление и «выжимание», что типично для францисканской формации.
Тектонический меланж, по этому определению, похож на олистострому (olistostrome), которая представляет собой сильно нарушенный материал, образовавшийся при осадконакопле-нии, однако имеет соврешенно иной смысл. Олистострома иногда может превращаться в тектонический меланж. Присутствие олистостром было точно доказано в меланже францисканской формации. Кроме того, существуют примеры, когда материал, выжатый наверх как тектонический меланж, снова был перемещен в результате оползня на дне океана и смешивался с осадочным материалом, отлагаясь с образованием олистостромы (рис. 2.VI.5). Саппе [101] назвал «двурядной моделью» процесс, при котором осадконакопление происходит вдоль длинного узкого пояса, центральная часть которого представлена океаническим желобом. При этом нижние осадки оказываются глубоко погребенными и испытывают метаморфизм высокой ступени, вслед за чем выжимаются, образуя многослойное, линзообразное или блоковое тело вдоль разлома типа надвига, развитого в вышезалегающих осадочных толщах (рис. 2.VI.5 и 2.VI.6).
Механизм, обусловливающий возникновение тектонического меланжа францисканской формации, в основном зависит от относительного движения между плитой, образующей Американский континент, и океанической плитой, которая поддвига-лась под нее. Данные по ископаемым остаткам, за исключением содержащихся в переотложенном материале олистостром, и определения возраста К-Аг методом свидетельствуют, что и отложения францисканской формации и развитый в них тектонический меланж становятся моложе с востока на запад францисканской зоны. Это подтверждает правильность «двухрядной модели» Саппе.
Многочисленные исследования и эксперименты подкрепили эту модель как возможное объяснение геологических процессов, происходивших во Францисканской зоне (рис. 2.VI.7) [106]. Глубина субдукции, показанная изотермами на рис. 2. VI. 7, значительно меньше глубины, рассчитанной на основании допущения, что океаническая плита мощностью 100 км погружалась со скоростью около 5 см/год. Однако, эта цифра показывает, что францисканская формация, вероятно, подверглась региональному метаморфизму в условиях температуры 150—300 °С и давления 0,5—0,8 ГПа, которые могут быть установлены в результате петрографического анализа метаморфических минеральных ассоциаций с использованием экспериментальных и теоретических данных по фазовому равновесию.
Зона гор Кламат — Сьерра-Невада и формация Большой долины
Восточнее Францисканской зоны расположена зона, сложенная разновозрастными (от докембрия до юры) осадочными отложениями, их метаморфическими аналогами — кристаллическими сланцами и гнейсами и огромными гранитными интрузиями. Это так называемый комплекс гор Кламат — Сьерра-Невады, образующий зону шириной 400 км и длиной 4000 км, который протягивается от Мексики через Калифорнию к Северному Орегону. В этой зоне, кроме того, могут встречаться маломощные верхнеюрские и меловые толщи, а также мезозойские риолитовые или андезитовые морские вулканиты.
Изотопные исследования и полевые наблюдения показали, что гранитные породы, встречающиеся в этой зоне, можно разделить на три группы. Древнейшие из них, образовавшиеся 210—180 млн лет назад (т. е. в позднем триасе — ранней юре), распространены на востоке зоны Кламат — Сьерра-Невада. Вторая группа, возникшая между 130—150 млн лет (поздняя юра), обнаружена в западной части зоны, тогда как наиболее молодые породы, внедрившиеся между 60—90 млн лет (поздний мел), образуют узкий пояс шириной около 40 км в ее центре. Позднеюрские гранитные интрузии тесно связаны с Нева-дийской орогенией, которая вызвала региональный высокотемпературный метаморфизм при низких давлениях и интенсивную складчатость юрских толщ и более древних осадочных пород.
В то же время (60—150 млн лет назад) в пределах Францисканской геосинклинали, развивавшейся параллельно зоне гор Кламат — Сьерра-Невада к западу от нее (см. рис. 2.VI.7), по мере быстрого погружения ее фундамента происходило отложение чрезвычайно мощной осадочной толщи. Оно сопровождалось подводной вулканической деятельностью с излиянием лав основного состава, внедрением серпентинитов и динамометаморфизмом (в условиях низких температур и высокого давления). Область, расположенная между Францисканской зоной и зоной гор Кламат — Сьерра-Невада, простирающаяся в направлении северо-северо-запад — юго-юго-восток, занята формацией Большой Долины. Ее отложение началось почти одновременно с образованием францисканской формации и продолжалось до кайнозоя. Максимальная мощность (18 000 м) формации Большой Долины, сложенной, главным образом, песчаниками и глинистыми сланцами, значительно меньше, чем мощность францисканской формации. Ни морских вулканических экструзий основного состава, ни кремнистых сланцев или известняков, которые свидетельствовали бы о накоплении формации Большой Долины на континентальном шельфе или в так называемой переходной зоне дуга — желоб, не обнаружено. Мощность формации увеличивается в западном направлении, показывая, что континентальный склон, служивший частью фундамента формации Большой Долины, в течение юры и мела быстро погружался, сопровождая интенсивное прогибание Францисканского геосинклинального трога. Кроме того, заслуживает внимания тот факт, что западная половина формации Большой Долины частично отложилась непосредственно на породах, основные черты которых характерны для юрской океанической коры [102]. Геологическая структура формации довольно проста, характеризуется крупными открытыми складками и незначительным развитием разломов. Формация в целом испытала лишь диагенетический метаморфизм низкой ступени.
Между формацией Большой Долины и Францисканской зоной существует крупный разлом, который тянется из южного Орегона в южную Калифорнию. Этот разлом, который называется надвигом Береговых Хребтов, очень плавно наклонен к востоку и является надвигом, по которому формация Большой Долины на востоке надвинута на францисканскую формацию. С мезозоя было отмечено по меньшей мере три этапа смещения. Полагают, что этот разлом первоначально был зоной Беньоффа мезозойского возраста [30].
Отложение формации Большой Долины началась в поздней юре и продолжалось в течение примерно 130 млн. лет вплоть до неогенового времени. Скорость отложения (скорость прогибания фундамента геосинклинали) составляла менее одной трети скорости накопления францисканской формации. С мела, на восточном краю бассейна, где накапливалась формация, началась смена обстановки осадконакопления — с океанической на континентальную. Около 80 % неогеновых отложений в самой верхней части формации Большой Долины имеют континентальное происхождение. Небольшое количество вулканогенного материала, обнаруженного в формации, представлено туфогенными породами андезитового и дацитового состава, излияние которых происходило почти одновременно с внедрением гранитной магмы мелового возраста в зоне гор Кламат — Сьерра-Невада. В формации Большой Долины нет ни перидотитов, ни серпентинитов.
В пределах крупной, раздробленной зоны субдукции, образовавшейся между океанической плитой, двигавшейся с запада, и континентальной плитой, в процессе развития Калифорнийского подвижного пояса возникли два пояса с совершенно разными характеристиками осадконакопления, метаморфизма и магматизма.
Для орогенической истории Тихоокеанского кольца с позднего палеозоя до позднего мезозоя было характерно образование со стороны океана мощных осадочных толщ, насыщенных .вулканогенным материалом, испытавших низкотемпературный динамометаморфизм (при высоких давлениях). Примерно в то же время на континентальной окраине происходило отложение относительно маломощных осадочных формаций с незначительным количеством вулканогенного материала, сопровождаемое внедрением гранитных интрузий и высокотемпературным метаморфизмом при низком давлении.
Отмеченные контрасты между поясами Риоке и Санбагава в Японии, Альпийской зоной и зоной Хоконук в Новой Зеландии в значительной степени напоминают контраст между Францисканской зоной и зоной Большой Долины — гор Кламат — Сьерра-Невады в Калифорнии. Поскольку между Калифорнией и Японией или Новой Зеландией существуют значительные различия в смысле возраста осадочных пород, развития метаморфизма, степени деформации и других характеристик [34], затруднительно применять модель тектонического развития Калифорнии к другим территориям. Однако, с уверенностью можно сказать, что геологические, геохимические и геофизические исследования в Калифорнийском подвижном поясе, включая детальное изучение геологической структуры, определение возраста с помощью ископаемых остатков и изотопными методами, петрологическое изучение метаморфических пород, геофизические работы и многочисленные анализы процесса коллизии континентальной и океанической плит и субдукции океанической плиты дали нам наиболее надежную и яркую модель геодинамического развития «орогении Тихоокеанского типа», по определению Мацуда и Уйеда (1971).