Тектоника плит и осадочные бассейны

Литосфера — кора вместе с холодной верхней частью мантии (подробнее) — не сплошная скорлупа, а мозаика литосферных плит (lithospheric plates). Внутри плиты почти не деформируются, как жёсткие пластины, а все главные события — землетрясения, извержения, рост гор — происходят на их границах. Плита может нести и континент, и океаническое дно: Евразийская включает почти всю Европу и большую часть Азии с прилегающими участками океанов, а Казахстан лежит в её глубине, далеко от современных границ.

Крупных плит семь-восемь: Тихоокеанская, Северо-Американская, Южно-Американская, Евразийская, Африканская, Антарктическая и Индо-Австралийская (её часто делят на Индийскую и Австралийскую). Около десятка средних — например, Аравийская, Филиппинская, Карибская, Наска и Кокос — и несколько десятков мелких микроплит. Число зависит от того, какие подвижные блоки считать отдельными плитами.

Почему плиты движутся? Литосфера — верхний, холодный слой конвекции, которой мантия отдаёт тепло (подробнее). Остывая, океаническая литосфера становится тяжелее подстилающей мантии и в зонах субдукции погружается в неё. По современным представлениям, главную силу даёт именно затягивание тяжёлой холодной плиты в мантию (slab pull); добавляется отталкивание от приподнятых и горячих срединных хребтов (ridge push). Поэтому быстрее всех движутся плиты с длинными зонами субдукции, например Тихоокеанская.

Скорость измеряют двумя независимыми способами. Первый — по магнитным аномалиям (magnetic anomalies) дна. Остывая на оси хребта, базальты намагничиваются по магнитному полю Земли, а поле время от времени меняет полярность на обратную. Поэтому дно по обе стороны хребта состоит из полос прямой и обратной намагниченности, параллельных оси. Возраст каждой смены полярности известен по шкале инверсий; расстояние от оси до полосы, делённое на её возраст, даёт среднюю скорость за миллионы лет. Второй способ — спутниковая геодезия (GPS — Global Positioning System — и другие системы): станции на разных плитах год за годом сближаются или расходятся на миллиметры. Там, где есть оба измерения, они обычно согласуются: плиты движутся почти равномерно на интервалах от лет до миллионов лет.

На расходящейся (дивергентной, divergent) границе плиты удаляются друг от друга. Под осью срединно-океанического хребта горячее вещество мантии поднимается, давление на него падает, и часть его плавится; расплав застывает и наращивает океаническую кору — это спрединг (sea-floor spreading). Когда раскалывается континент, сначала возникает континентальный рифт (rift) — вытянутая впадина между сбросами, как Восточно-Африканский рифт. Если растяжение продолжается, рифт превращается в узкий молодой океан вроде Красного моря, а затем в широкий.

На сходящейся (конвергентной, convergent) границе плиты сближаются. Если хотя бы одна из них несёт океаническое дно, эта более плотная плита погружается под другую — происходит субдукция (subduction). На поверхности над ней образуется глубоководный желоб, а глубже, где из погружающейся плиты выделяется вода и плавит мантию над ней, — цепь вулканов: островная дуга, когда океан уходит под океан (Марианские острова), или вулканический пояс на краю континента (Анды). Землетрясения прослеживаются вдоль погружающейся плиты до глубины около 700 км. Континентальная кора слишком лёгкая, чтобы глубоко погрузиться, поэтому, когда океан между континентами закрывается, они сталкиваются — это коллизия (collision): кора сминается и утолщается, растут высокие горы (Гималаи, Альпы). Урал — древний шов такого столкновения: в позднем карбоне и перми здесь сошлись Восточно-Европейский и Казахстанский континенты.

На трансформной (transform) границе плиты скользят друг вдоль друга по вертикальному сдвигу; кора не рождается и не поглощается. Короткие трансформные разломы рассекают срединные хребты на отрезки, а крупные выходят на сушу — разлом Сан-Андреас в Калифорнии, Северо-Анатолийский в Турции. Где сдвиг изгибается, его края местами раздвигаются и образуют впадины, местами сжимаются и выдавливают поднятия (раздел о бассейнах на сдвигах).

От типа границы зависит и поле напряжений в литосфере. При растяжении наименьшее напряжение горизонтально и разломы — сбросы, при сжатии вертикальное напряжение становится наименьшим и возникают взбросы и надвиги, на сдвигах наибольшее и наименьшее напряжения горизонтальны (тектонические режимы напряжений). Жёсткая литосфера передаёт напряжения от границ на тысячи километров, поэтому и в глубине плиты они задают направления трещин и устойчивость стволов скважин (Механика горных пород для гидроразрыва).

Океаны открываются и закрываются. Около 200 млн лет назад почти все материки были собраны в суперконтинент Пангею; её раскол открыл Атлантику, а океаны, существовавшие до этого, закрылись при столкновениях, оставив швы вроде Урала. Последовательность «рифт — молодой океан — широкий океан с пассивными окраинами — субдукция — столкновение» называют циклом Уилсона (Wilson cycle) по имени канадского геофизика Джона Тузо Уилсона. На каждой стадии рождаются свои бассейны, и в одном районе их толщи часто лежат друг на друге.

Осадочный бассейн — область размером в сотни километров, где поверхность литосферы долгое время опускалась и накопила толщу осадков от нескольких до 20 км. Чтобы осадки накапливались, им нужно место: впадина ниже уровня, до которого их способна поднять вода, — пространство для осадков (accommodation). Его создаёт погружение, а также подъём уровня моря. Без погружения впадина быстро заполнилась бы, и дальше осадки проносились бы мимо — в другие, более глубокие впадины.

Погружение, вызванное самой литосферой, называют тектоническим (tectonic subsidence). У него три главные причины:

1. Растяжение. Лёгкая кора утоняется, и её место занимает более плотная мантия: столб пород тяжелеет и опускается. Это быстрое погружение рифтов, пока работают сбросы.
2. Остывание. Растянутая литосфера прогрета; остывая, она сжимается и становится плотнее, и поверхность медленно опускается ещё десятки миллионов лет после растяжения. Так погружаются пассивные окраины и бассейны над древними рифтами.
3. Изгиб под нагрузкой. Надвиги растущих гор, вулканические острова, толщи осадков прогибают упругую литосферу, как груз — доску, лежащую на воде. Так возникают передовые прогибы.

Обсуждаются и другие причины — течения в мантии, увлекающие поверхность вниз или вверх на больших площадях, уплотнение пород в низах коры. Вес самих осадков не создаёт бассейн, но углубляет его: осадки тяжелее воды, которую они вытесняют, и при местной изостазии впадина, заполненная осадками, оказывается в 2–3 раза глубже, чем заполненная водой (изостазия и нагрузка осадков).

Растяжение действует на литосферу двояко. Кора утоняется в $\beta$ раз — это коэффициент растяжения (stretching factor): при $\beta = 2$ кора толщиной 35 км становится толщиной 17,5 км. Лёгкую кору замещает плотная мантия, и столб тяжелеет — поверхность опускается. Но вместе с корой утоняется и мантийная часть литосферы, а её место занимает горячая и поэтому чуть менее плотная астеносфера — это поднимает поверхность. Если кора достаточно толстая, первое перевешивает: возникает впадина. Верхняя хрупкая кора при этом раскалывается сбросами на наклонённые блоки, и между ними образуются полуграбены — это синрифтовая (syn-rift) стадия.

Когда растяжение прекращается, остаётся избыточное тепло: изотермы в растянутой литосфере сближены в $\beta$ раз, тепловой поток повышен. Тепло уходит к поверхности, литосфера остывает, снова утолщается и сжимается — поверхность медленно опускается уже без участия разломов. Это пострифтовая (post-rift), или термическая, стадия. Её осадки лежат спокойно, перекрывая и рифт, и его плечи, поэтому в разрезе рифтовый бассейн часто похож на узкий клин под широкой чашей. Растяжение бывает и несимметричным, по пологому разлому, рассекающему всю литосферу; тогда погружение распределено между краями рифта неравномерно.

Количественно обе стадии описывает модель растяжения литосферы (lithospheric stretching model), которую предложил в 1978 году британский геофизик Дэн Маккензи. Литосферу в ней растягивают мгновенно и однородно в $\beta$ раз, а затем дают ей остыть. Погружение считают по изостазии для впадины, заполненной водой; заполнение осадками затем учитывают тем же множителем, что в уроке о строении Земли.

Пассивная окраина (passive margin) — край континента после того, как рифт превратился в океан. Её литосфера растянута сильнее всего у границы с океаном, поэтому и погружается там больше; на неё сносятся осадки с континента, и за десятки миллионов лет вдоль окраины вырастает клин толщиной в 10 км и больше — с дельтами, подводными конусами выноса и карбонатными платформами. Если молодой океан был узким и плохо сообщался с открытым морем, на ранней стадии в нём накапливается соль; позднее она течёт под нагрузкой осадков и образует купола и стенки, создающие ловушки. Окраины, разошедшиеся из одного рифта, — например, берега Бразилии и Западной Африки — имеют похожее строение, и открытия на одной стороне океана подсказывают, где искать на другой.

При столкновении плит пластины пород надвигаются друг на друга, и растущий горный пояс давит на край нижней плиты. Литосфера ведёт себя как упругая плита, лежащая на податливой астеносфере: под нагрузкой она прогибается, а вдали от неё изгиб затухает. Перед фронтом надвигов возникает передовой прогиб (foreland basin; в отечественной литературе также краевой прогиб) — асимметричная впадина, глубже всего у гор и мелеющая в сторону плиты. Дальше плита, наоборот, выгибается вверх: образуется пологое периферическое поднятие (forebulge), а за ним — слабый тыловой прогиб.

Ширину прогиба задаёт изгибная жёсткость (flexural rigidity) плиты, которую выражают через эффективную упругую толщину $T_e$ (effective elastic thickness) — толщину однородной упругой пластины, которая изгибалась бы так же. Это не толщина литосферы, а мера её прочности: у молодой и горячей литосферы $T_e$ составляет первые километры — первые десятки километров, у древней холодной — по многим оценкам 50–100 км, хотя для древних континентов разные методы дают очень разные значения.

Передовые прогибы — одни из богатейших нефтегазоносных областей мира. Их ранние, глубоководные толщи и подстилающие их отложения бывшей пассивной окраины часто содержат нефтематеринские породы; поднятие и сам прогиб дают коллекторы — песчаники, снесённые с гор, и выщелоченные карбонаты; надвиги сминают пласты в антиклинали — ловушки. Пример — бассейн Альберты в Канаде перед Скалистыми горами. Перед Уралом в конце палеозоя образовался Предуральский прогиб, а обломки, снесённые с растущих гор, есть и на восточной окраине Прикаспийской впадины.

Внутриплатформенные впадины (intracratonic basins; в отечественной литературе также синеклизы) — широкие пологие чаши в глубине плит, на древней коре, вдали от границ. Они опускаются очень медленно — десятки метров за миллион лет, — но сотни миллионов лет, и накапливают выдержанные на огромных площадях толщи мелководных морских пород: карбонатов, глин, эвапоритов. Причину их долгого погружения единой не считают: предлагают остывание литосферы после давнего прогрева или слабого растяжения, уплотнение пород в низах коры, медленное течение мантии под плитой.

Бассейны на сдвигах образуются там, где крупный сдвиговый разлом изгибается или ступенчато перескакивает с одной линии на другую. Если изгиб такой, что движение раздвигает края разлома, между его отрезками возникает ромбовидная впадина — бассейн присдвигового растяжения (pull-apart basin). Для правого сдвига, когда противоположное крыло смещается вправо, это ступень вправо; при обратном изгибе края сжимаются и выдавливают поднятие. Такие бассейны невелики — от километров до 150–200 км в длину, — но опускаются быстро, часто прогреты и заполнены грубыми обломками с крутых бортов и озёрными или морскими глинами в центре.

Обстановка может смениться: растяжение — сжатием. Тогда старые сбросы начинают работать как взбросы, и осадки, заполнявшие рифт, выдавливаются вверх, превращаясь в антиклинали. Это инверсия (inversion) бассейна. Инверсионные складки часто становятся ловушками, но инверсия может и разрушить уже существовавшую залежь, если разломы раскроют покрышку.

Бассейн — не просто яма с осадками, а «завод», где сходятся все элементы нефтяной системы (Нефтяная система и концепция плея).

• Нефтематеринские породы. Органическое вещество сохраняется там, где у дна застойная вода без кислорода: в глубоких рифтовых озёрах, в изолированных морских впадинах, в глубоководных центрах бассейнов (Нефтематеринские породы, созревание и миграция). Погружение создаёт такие впадины.
• Погружение и прогрев. Чтобы материнская порода дала нефть, её нужно похоронить на глубину, где температура достигает нефтяного окна. Глубину задают погружение и тепловой поток бассейна (пример ниже).
• Коллекторы и покрышки. Пески рек, дельт и подводных конусов выноса, карбонатные платформы и рифы на бортах — коллекторы; глины и соли, накопившиеся при погружении, — покрышки (Коллектор и покрышка).
• Ловушки. Их создают сами процессы бассейна: наклонённые блоки и горсты рифтов, соляные купола пассивных окраин, антиклинали надвигов и инверсии, рифы на краях платформ, выклинивание пластов на поднятиях (Ловушки и время их формирования). Важно и время: ловушка должна возникнуть до того, как через неё пойдёт нефть.

Тип бассейна определяет и его тепловой режим. Молодые рифты и многие бассейны на сдвигах горячие: литосфера под ними тонкая, тепловой поток высокий, и материнские породы созревают неглубоко. Передовые прогибы и древние платформенные впадины лежат на толстой холодной литосфере, и для созревания нужно похоронить породу гораздо глубже.

Казахстан лежит внутри Евразийской плиты, но его бассейны хранят историю древних океанов, столкновений и рифтов. Нефть и газ добывают в нескольких из них; ниже — то, что о главных бассейнах достаточно установлено. Детали их истории продолжают уточнять по новым скважинам и сейсмическим данным.