В Канадских Скалистых горах были обнаружены многочисленные надвиги (thrust faults), аналогичные надвигу Макконнелла, простирающиеся параллельно один другому в направлении северо-запад — юго-восток, причем плоскости разломов падают на юго-запад. Когда и как образовались эти шарьяжи (low-angle thrust faults), типичные для восточной части Канадских Скалистых гор? Изучение геологических структур на этой территории, начавшееся с работы Р. Г. Макконнелла, впоследствии распространилось на все Скалистые горы Канады. Много новых геологических данных было получено при разработке нефтяных и газовых месторождений. История геологических структур в данной горной системе вырисовывается следующим образом. С палеозоя до мезозоя этот регион был территорией повсеместного и постепенного прогибания, и в нем образовывалась мощная осадочная толща. В конце мезозоя осадочные формации стали скользить в направлении к внутренней части континента, к северо-востоку, благодаря обширному поднятию в юго-западной части Канадских Скалистых гор и последовательно включались в надвигообразование. Было установлено, что полное смещение к этому времени превысило 200 км. Подобные крупномасштабные горизонтальные движения, сопровождающие поднятие земной коры, и образовавшиеся в результате этого шарьяжи и складчатые структуры выявлены в восточной части Скалистых гор, западной части Аппалачских гор и в системе гор Уошито. Аналогичные структуры обнаружены также в восточной части Анд в Южной Америке. Шарьяжи в Канадских Скалистых горах представляют собой типичный пример геологических структур, обычно наблюдаемых в подвижных поясах.
Расположение Канадских Скалистых гор
Горный пояс простирается вдоль западной части Северо-Аме-риканского континента. Его ширина от Тихого океана до внутренних равнин колеблется от 600 до 1000 км. Он протягивается на 6500 км от Аляски, через Западную Канаду и Калифорнию до Мексики. Этот пояс называется Северо-Американскими Кордильерами.
Канадские Кордильеры — это часть Северо-Американских Кордильер, расположенная в Канаде. В соответствии с физико-географическими характеристиками они в направлении от Тихого океана к востоку делятся на 5 следующих зон (рис. 2.IV.1):
- 1. Островной пояс.
- 2. Береговой плутонический комплекс.
- 3. Межгорный пояс.
- 4. Кристаллический пояс гор Оминека.
- 5. Пояс Скалистых гор.
Канадские Скалистые горы расположены в северной части пояса Скалистых гор.
Островной пояс, в который входят о-в Ванкувер и о-ва Королевы Шарлотты, сложен палеозойскими и мезозойскими комплексами — кристаллическими сланцами и разновозрастными гранитами. Береговой плутонический комплекс — область преимущественного развития гранитных плутонических пород, которые внедрялись с конца мезозоя до кайнозоя. Мощный осадочный комплекс, представленный зеленокаменными породами, граувакками и т. д, сформировавшийся в палеозое и мезозое, слагает Межгорный пояс. Часть этих пород подверглась метаморфизму, и местами встречаются метаморфические породы пренит-пумпеллиитовой фации. Более высокометаморфизован-ные породы зеленосланцево-амфиболитовой фации распространены в соседнем Кристаллическом поясе гор Оминека [83]. Пояс Скалистых гор на востоке представляет собой чрезвычайно гористую область с топографическим рельефом, превышающим 2500 м, и образует континентальный водораздел Северной Америки. Почти линейная долина, «Ров Скалистых гор» тянется между Поясом Скалистых гор и Кристаллическим поясом гор Оминека на расстояние около 1600 км с 59° до 47° с. ш. Эта долина чрезвычайно' узкая, ее максимальная ширина около 30 км, а минимальная — несколько километров. Как свидетельствует название, она имеет форму глубокого ущелья (глубиной 1000—2000 м). Считают, что Ров Скалистых гор образовался до мезозоя или к меловому периоду, но общепринятых теорий относительно этого не существует. Возможно он представляет собой грабен, связанный с грандиозным правосторонним сдвигом (Кинг, 1969).
Образование упомянутых геологических зон в Канадских Кордильерах происходило с мезозоя до кайнозоя. Шарьяжи, характерные для Канадских Скалистых гор, несомненно сформировались примерно в это же время. Эти структуры возникли в тесной связи с серией движений, которые происходили в западной части Северо-Американского континента [84].
Надвиг Макконнелла и структура предгорий Канадских Скалистых гор
Макконнелл первым открыл надвиг вокруг горы Ямнуска в предгорьях Канадских Скалистых гор. Ямнуска, высота которой около 2100 м над уровнем моря, — небольшая гора, возвышающаяся примерно на 750 м над рекой, протекающей у ее подножья. Меловые сланцы обнажаются с высоты 1750 м и ниже. Слои сильно волнистые, но в целом залегают субгоризонтально и фактически без структурных нарушений. Остальная часть г. Ямнуска сложена кембрийскими известняками, также залегающими субгоризонтально. Спорадически наблюдаются неправильные трещины, заполненные кальцитом, но без признаков крупных нарушений. Надвиг Макконнелла проходит горизонтально между этими известняками и сланцами на г. Ямнуска и наклонен под углом около 45° к западу на ее западном склоне (рис. 2.IV.2). Прослеживая надвиг к северу, можно убедиться, что плоскость разлома продолжается субгоризонтально на расстояние около 6 км и что собственно плоскость надвига полого изгибается и выглядит как синклинальная структура. Надвиг Макконнелла наблюдается между разновозрастными слоями, причем плоскость разлома в основном имеет падение к западу. Он был многократно идентифицирован в Канадских (Скалистых горах, в участках с чрезвычайно пологой плоскостью надвига. Разлом можно проследить по суше на 260 км к северу от г. Ямнуска и на 140 км к югу от нее, что составляет общую длину около 400 км.
Давно известно, что территория, прилегающая к Канадским Скалистым горам, богата горючими полезными ископаемыми, а именно углем, нефтью и природным газом (рис. 2.IV.3). Уголь, залегающий в юрско-меловой толще, добывался открытым способом на месторождении Канмор близ г. Банфф с 1886 г. Разведочное бурение на нефть было предпринято на юге пров. Альберта в 1891 г. В 1936 г. было установлено, что в Тернер-Валли нефть может быть получена с глубины около 2000 м. В результате этих открытий была выполнена намного более тщательная разведка этих ресурсов, что постепенно привело к добыче природного газа и разработке нефтяных месторождений в Джампингпаунде, Тернер-Валли, Саванна-Крик и др. В Тернер-Валли число разведочных скважин в настоящее время превышает 500. Все это, а также съемочные работы на поверхности позволили получить обширную информацию о стратиграфии и детально рассмотреть подземную структуру. Как видно на рис. 2.IV.4, эта территория разделяется на три части падающими к западу надвигами Аутвест и Тернер-Валли. Каждый блок был вытолкнут с юго-запада на северо-восток, причем более древние слои надвигались на молодые. Однако, за исключением локальных смещений из-за складчатости или разломообразования, порядок напластования слоев внутри каждого блока нормальный, и заметных опрокинутых структур не обнаружено. Блок, ограниченный надвигами Аутвест и Тернер-Валли, имеет мощность 2000—3000 м; однако расстояние, на которое протягивается каждый из разломов, по карте более чем 160 км для первого и около 70 км для второго. Следовательно, блок, отрезанный надвигами, довольно тонкий по сравнению с его протяженностью. По форме он похож на пласт и поэтому надвинутый блок получил название «thrust sheet» — тектонический покров (или шарьяж).
Формы плоскостей надвигов и сопровождающие их складчатые структуры
В Канадских Скалистых горах существуют многочисленные плоскости надвигов, которые наклонены вблизи поверхности под относительно острыми углами 40—60°. Наклон постепенна уменьшается с глубиной. Геологический разрез на рис. 2.IV.4 ясно демонстрирует, что эти плоскости надвигов изогнуты внутрь и в целом имеют ковшеобразную1 форму, как бы вырезанную ковшом экскаватора. Более того, некоторые надвиги, которые наблюдаются на поверхности по отдельности, могут соединяться на глубине в один разлом. Такая форма разломо-образования часто встречается в этой области.
Плоскость надвига прослежена на значительной территории, в некоторых участках она относительно крутая, в других — намного более пологая. По данным Дальстрема (1970), который выполнял геологическую съемку различных морфологических типов надвигов в Канадских Скалистых горах, когда надвиг проходит через относительно компетентный слой по сравнению с выше- и нижезалегающими слоями, он пересечет плоскость напластования под острым углом. Напротив, если он проходит через относительно некомпетентный слой по сравнению с выше-и нижележащими слоями, то плоскость разлома будет почти параллельна плоскости напластования. Рис. 2.IV.5 демонстрирует эти отношения, возвращая каждый слой в позицию, занимаемую им до надвигообразования.
Насколько далеко можно проследить по карте надвиги, наблюдаемые в определенных местах? Или, что происходит с ними в зонах затухания? Эллиот [29] выбрал Скалистые горы Канады, наиболее детально изученные в геологическом отношении, и исследовал зоны затухания надвигов. Протяженность надвига на карте ограничена. Если проследить разлом по простиранию, то видно, что величина смещения по нему уменьшается по направлению к двум его окончаниям до тех пор, пока, наконец, становится невозможным проследить его далее. Вместо этого появляются складчатые структуры, от концов разлома распространяясь в направлениях, которые могли бы служить его продолжениями. Другими словами, структура, проявлявшая прерывистую морфологию разлома, превратилась в структуру с непрерывной морфологией складчатости. Область, в которой развиты эти складчатые структуры, по-видимому, протягивается на расстояние около 8 км в направлении простирания осевой линии складок. По-видимому, это расстояние вряд ли связано с масштабом основного надвига. Осевая линия складок обычно отклоняется примерно на 0,5 км от конца надвига, т. е. от того места, где прерывистые формы структуры становятся неразличимы. Примеры на рис. 2.IV.6 иллюстрируют это относительное расположение.
Тщательное изучение надвига показывает, что на карте он прослеживается в виде дугообразной кривой (рис. 2.IV.7). Если предположить, что изгиб линии разлома зависит от величины горизонтальной составляющей смещения по нему, тогда он будет равен нулю на каждом конце кривой и достигнет мак-/ симума в ее центре. Если мы рассмотрим направление смещения по изучаемому надвигу, то увидим, что оно пересечет прямую линию, соединяющую два конца дугообразной кривой под прямым углом. Эллиот [29] объяснил, что между длиной разлома на карте l (в км) и величиной смещения в его центральной части и (в км) для надвигов в Канадских Скалистых горах существуют отношения, подобные изображенным на рис. 2.IV.8. Другими словами, он принял u=kl, при k=0,07. Считают, что образование смещения примерно на 40 км в центральной части надвига Макконнелла потребовало около 8 млн лет, потому что меловые слои (отложившиеся около 72 млн. лет назад) были деформированы этим надвигом, и структуры, возникшие при этом, затем были перекрыты палеогеновыми формациями (отложившимися 60—64 млн лет назад). Допуская, что смещение протекало непрерывно, в среднем оно, следовательно, составляет по du/dt/ = 4·106 см/8·106 лет = 0,5 см/год. По отношениям, изображенным на рис. 2.IV.8, du/dt = 0,07/ dl/dt, т. е. dl/dt = 7 см/год. Концы надвигов переходят в складчатые структуры. Чем ближе складчатые структуры к концам разломов, тем более их форма изменяется от открытой к закрытой. По мере увеличения степени деформации они превращаются в разломы. Это свидетельствует, что надвиг распространяется по горизонтали со средней скоростью 7 см/год при образовании на его концах складчатых структур.
Затухание смещения по надвигу к двум его концам обусловливает изменение вторичных структур вдоль разлома: в центральной части, где смещение наибольшее, складчатость развивается параллельно его простиранию. Осевая линия складок погружается к обоим концам, с кульминацией в центре и депрессиями на окончаниях. Взаимосвязь между надвигами в Канадских Скалистых горах и сопровождающими их ныряющими складками показана на рис. 2.IV.9.
Образование Скалистых гор Канады
На рис. 2.IV.10 дана геологическая карта территории, прилегающей к г. Банфф в пров. Альберта. Канадские Скалистые горы сложены многочисленными шарьяжами, параллельными надвигам, типичным примером которых является надвиг Макконнелла. Структура в пределах каждого шарьяжа нарушена складчатостью волочения и вторичной складчатостью, которые образуются по следам движения надвига. Однако, независимо от масштаба разломов и складок, они всегда выровнены параллельно горной системе, из чего следует, что они сформировались под действием одной серии движений, почти одновременно.
Геологическая съемка с точностью установила, что большинство надвигов у поверхности наклонено круто, но даже теперь нам все еще точно неизвестно, насколько глубоко распространяется их действие. Результаты, полученные сейсморазведкой, и анализ сейсмических волн в Канадских Скалистых горах привели к заключению, что граница между кристаллическими породами фундамента, представленными в основном архейскими метаморфическими образованиями и кембрийскими толщами, равномерно полого наклонена к западу и что эти породы фундамента не участвуют в надвигообразовании. Другими словами, между этими породами фундамента и их осадочным чехлом (или в толще осадочных пород) существует основная плоскость разрыва (срыва), которая служит тектонической границей между в значительной степени смещенными и деформированными верхними толщами и незатронутым нижним отделом. Возможно, что все крупные надвиги, включая надвиг Макконнелла, сходятся и соединяются у этой плоскости срыва.
Несмотря на тот факт, что верхний и нижний блоки сдвинуты на значительное расстояние в противоположных направлениях вдоль плоскости надвига, крупные зоны дробления обычно не встречаются. О’Брайен (1960) описал случай, когда разлом проходит по кембрийскому оливково-зеленому хлоритовому сланцу. Полагают, что этот сланец действует как смазка для движений, обусловленных разломообразованием. Полевые исследования и образцы, полученные при бурении, показывают, что в том случае, когда, разлом развивается следуя напластованию слоя, как было описано ранее, этот слой, как правило, менее компетентный, чем перекрывающий и подстилающий слои, и в нем легко происходит внутреннее скольжение. В то же время проницаемость этого слоя для воды низка. Вода, содержащаяся в нем или в вышележащем слое, не может свободно вытекать, и, следовательно, иногда могут возникать значительные давления. Эта поровая вода в конце концов достигает такого высокого давления, которое в состоянии поддерживать вес целого комплекса горных пород. Это само по себе способно действовать как смазка и объясняет, почему крупномасштабное гравитационное оползание происходит даже на слегка наклонной поверхности (Хьюберт и Руби, 1959). Тот факт, что слои с вышеописанными свойствами наблюдались вдоль разломов в Канадских Скалистых горах, свидетельствует, что надвигообразование развилось в результате гравитационного скольжения массы горных пород по главной плоскости разрыва.
Если выяснены стратиграфическая последовательность и форма надвига, то появляется возможность с некоторой степенью точности определить относительное смещение по обоим бортам разлома. Прайс и Маунтджой (1970) произвели измерение смещения вкрест простирания Канадских Скалистых гор в целом и попытались на основании этого восстановить Пояс. Скалистых гор (рис. 2.IV.11). В результате они пришли к выводу, что сужение, обусловленное группами надвигов, превышает 200 км. Если вспомнить, что расстояние от Калгари до Рва Скалистых гор по линии, которая пересекает все Скалистые горы Канады, составляет около 160 км, то величина сужения кажется неправдоподобной. Однако, это не является результатом сжатия земной коры, потому что, как полагают, породы кристаллического фундамента, изображенные на рис. 2.IV.11, не принимают участия в смещении и деформации при надвигообразовании.
Итак, образование шарьяжей в Канадских Скалистых горах, происходило в позднем мелу, возможно до возникновения Рва Скалистых гор, в результате скольжения к востоку поверхностного комплекса осадочных горных пород, которые отложились с кембрия до мелового периода. Галька с Кристаллического» пояса гор Оминека, перенесенная севернее, обнаружена в верхнеюрских когломератах Канадских Скалистых гор. Следовательно, фундамент Канадских Скалистых гор, по всей вероятности, начал воздыматься примерно с этого времени. Осадочные формации, поднявшиеся при этих движениях, начали скользить к северо-востоку благодаря возросшей потенциальной энергии. Особенности структур .деформации, их распространение и свойства осадочных пород позволили сделать вывод, что движения, которые привели к образованию этих геологических структур, начались в поздней юре, а закончились в эоцене — олигоцене. Однако, периоды особенно интенсивных движений приходились, вероятно, на период между поздней юрой и ранним мелом на западе и на поздний мел на востоке.
В стратиграфическом разрезе Канадских Скалистых гор от кембрия до мела не отмечено ни угловых несогласий, ни каких-либо значительных перерывов. С кембрия до юры регион был •относительно стабилен, но в мелу он внезапно подвергся действию мощного движения. Такие изменения, вероятно были связаны с развитием Кристаллического пояса гор Оминека. Понятно, что подъем центральной части Канадских Кордильер послужил толчком для гравитационного скольжения и обусловил образование шарьяжей в Канадских Скалистых горах. Эти грандиозные структурные движения можно также установить в штатах Вайоминг, Айдахо и Юта в США и там они называются Ларамийской складчатостью.
Примечания
1. Английский термин «listric» (ковшеобразный) происходит от «listrische» — термина, который использовал Э. Зюсс (1909) при описании Гларнского шарьяжа в Швейцарских Альпах.