Формирование горных хребтов

Введение

Образование горных хребтов

Орогенез (/ɒ/'/r//ɒ//dʒ//ə//n//i/) – это процесс горообразования, происходящий на конвергентном крае плиты, когда движение плиты приводит к сжатию этого края. Орогенный пояс или ороген формируется по мере смятия и поднятия сжатой плиты, что приводит к образованию одного или нескольких горных хребтов. Этот процесс включает в себя ряд геологических процессов, которые в совокупности называются орогенезом. Они включают в себя как структурную деформацию существующей континентальной коры, так и создание новой континентальной коры посредством вулканизма. Поднимающаяся в орогене магма уносит вверх менее плотный материал, оставляя более плотный материал позади, что приводит к дифференциации состава литосферы Земли (коры и верхней мантии). Синорогенный (или синкинематический) процесс или явление – это процесс или явление, происходящее во время орогенеза. Слово «орогенез» происходит от . Хотя этот термин использовался и ранее, американский геолог Г. К. Гилберт применил его в 1890 году для описания процесса горообразования, в отличие от эпирогенеза.

Тектоника

Орогенез происходит на сходящихся краях континентов. Сближение может проявляться в виде субдукции (когда континент наезжает на океаническую плиту, формируя орогенез без столкновения) или континентального столкновения (сближение двух или более континентов, приводящее к формированию орогенеза столкновения). Орогенез обычно создает орогенные пояса или орогены – вытянутые области деформации, примыкающие к континентальным кратонам (стабильным внутренним частям континентов). Молодые орогенные пояса, где субдукция все еще активна, характеризуются частой вулканической деятельностью и землетрясениями. Старые орогенные пояса обычно подвергаются глубокой эрозии, обнажая смещенные и деформированные слои горных пород. Они часто сильно метаморфизованы и содержат обширные тела интрузивных магматических пород, называемых батолитами. Зоны субдукции поглощают океаническую кору, утолщают литосферу и вызывают землетрясения и вулканизм. Не все зоны субдукции приводят к образованию орогенных поясов; горообразование происходит только тогда, когда субдукция вызывает сжатие в налегающей плите. Зависит ли субдукция от сжатия, определяется такими факторами, как скорость сходимости плит и степень их сцепления, в то время как степень сцепления, в свою очередь, может зависеть от угла субдукции и скорости осадконакопления в океанической впадине, связанной с зоной субдукции. Анды – пример орогенного пояса, образовавшегося без столкновения, и такие пояса иногда называют орогенами андийского типа. По мере продолжения субдукции островные дуги, континентальные фрагменты и океанический материал могут постепенно аккрецироваться к континентальному краю. Это один из основных механизмов роста континентов. Ороген, построенный из фрагментов коры (терранов), аккретированных в течение длительного периода времени без признаков крупного столкновения континентов, называется аккреционным орогеном. Североамериканская Кордильера и Лахланский ороген на юго-востоке Австралии являются примерами аккреционных орогенов. Орогенез может завершиться прибытием континентальной коры с противоположной стороны субдуцирующей океанической плиты в зону субдукции. Это прекращает субдукцию и превращает аккреционный ороген в коллизионный ороген гималайского типа. Коллизионный орогенез может приводить к образованию чрезвычайно высоких гор, как это происходит в Гималаях последние 65 миллионов лет. Процессы орогенеза могут занимать десятки миллионов лет и создавать горы из бывших осадочных бассейнов. Орогенезы Явапай и Мазацаль были пиками орогенной активности в этот период. Они были частью продолжительного периода орогенной активности, включавшего орогенез Пикурис и завершившегося орогенезом Гренвилля, продолжавшимся не менее 600 миллионов лет. Аналогичная последовательность орогенов произошла на западном побережье Северной Америки, начиная с позднего девона (около 380 миллионов лет назад) с орогенеза Antler, продолжаясь орогенезом Sonoma и Sevier и завершаясь орогенезом Laramide. Орогенез Ларамида длился 40 миллионов лет, с 75 до 35 миллионов лет назад.

Orogeny takes place on the convergent margins of continents. The convergence may take the form of subduction (where a continent rides forcefully over an oceanic plate to form a noncollisional orogeny) or continental collision (convergence of two or more continents to form a collisional orogeny). Orogeny typically produces orogenic belts or orogens, which are elongated regions of deformation bordering continental cratons (the stable interiors of continents). Young orogenic belts, in which subduction is still taking place, are characterized by frequent volcanic activity and earthquakes. Older orogenic belts are typically deeply eroded to expose displaced and deformed strata. These are often highly metamorphosed and include vast bodies of intrusive igneous rock called batholiths. Subduction zones consume oceanic crust, thicken lithosphere, and produce earthquakes and volcanoes. Not all subduction zones produce orogenic belts; mountain building takes place only when the subduction produces compression in the overriding plate. Whether subduction produces compression depends on such factors as the rate of plate convergence and the degree of coupling between the two plates, while the degree of coupling may in turn rely on such factors as the angle of subduction and rate of sedimentation in the oceanic trench associated with the subduction zone. The Andes Mountains are an example of a noncollisional orogenic belt, and such belts are sometimes called Andean type orogens. As subduction continues, island arcs, continental fragments, and oceanic material may gradually accrete onto the continental margin. This is one of the main mechanisms by which continents have grown. An orogen built of crustal fragments (terranes) accreted over a long period of time, without any indication of a major continent continent collision, is called an accretionary orogen. The North American Cordillera and the Lachlan Orogen of southeast Australia are examples of accretionary orogens. The orogeny may culminate with continental crust from the opposite side of the subducting oceanic plate arriving at the subduction zone. This ends subduction and transforms the accretional orogen into a Himalayan type collisional orogen. The collisional orogeny may produce extremely high mountains, as has been taking place in the Himalayas for the last 65 million years. The processes of orogeny can take tens of millions of years and build mountains from what were once sedimentary basins. The Yavapai and Mazatzal orogenies were peaks of orogenic activity during this time. These were part of an extended period of orogenic activity that included the Picuris orogeny and culminated in the Grenville orogeny, lasting at least 600 million years. A similar sequence of orogenies has taken place on the west coast of North America, beginning in the late Devonian (about 380 million years ago) with the Antler orogeny and continuing with the Sonoma orogeny and Sevier orogeny and culminating with the Laramide orogeny. The Laramide orogeny alone lasted 40 million years, from 75 million to 35 million years ago.

Оргенный цикл

Задолго до признания теории тектоники плит геологи обнаружили свидетельства повторяющихся циклов осадконакопления, деформации, утолщения коры и горообразования, а также истончения коры с образованием новых осадочных бассейнов во многих орогенах. Эти циклы были названы орогенными, и для их объяснения было предложено множество теорий. Канадский геолог Тузо Вильсон первым предложил интерпретацию орогенных циклов с точки зрения тектоники плит, теперь известных как циклы Вильсона. Вильсон предположил, что орогенные циклы отражают периодическое открытие и закрытие океанического бассейна, при этом каждая стадия этого процесса оставляет свой характерный след в горных породах орогена.

Континентальный разлом

Цикл Вильсона начинается, когда ранее стабильная континентальная кора подвергается растяжению из-за изменения в конвекции мантии. Происходит континентальный рифтинг, который истончает кору и создает бассейны, в которых накапливаются осадочные породы. По мере углубления бассейнов океан вторгается в зону рифтинга, и когда континентальная кора полностью расходится, мелководное морское осадконакопление сменяется глубоководным осадконакоплением на истонченной краевой коре двух континентов. Это проявляется в виде складчатости пластичной глубокой коры и сбросно-надвиговой тектоники в верхней хрупкой коре. Утолщение коры приводит к образованию гор благодаря принципу изостазии. Изостазия – это баланс между направленной вниз гравитационной силой, действующей на поднятый горный хребет (состоящий из легкого материала континентальной коры), и направленными вверх силами плавучести, создаваемыми плотной подстилающей мантией. Части орогенов также могут испытывать поднятие в результате деламинации орогенной литосферы, при которой нестабильный участок холодной литосферной корневой части опускается в астеносферную мантию, уменьшая плотность литосферы и вызывая плавучее поднятие. Примером является Сьерра-Невада в Калифорнии. Этот горный хребет, сложенный из разломных блоков, испытал возобновленное поднятие и обильный магматизм после деламинации орогенного корня под ним. Гора Рандл на Трансканадском шоссе между Банффом и Канмором является классическим примером горы, врезанной в наклонные слоистые породы. Миллионы лет назад столкновение вызвало орогенез, в результате чего горизонтальные слои древней океанической коры были подняты под углом 50–60°. Это оставило Рандл с одной широкой, поросшей деревьями гладкой стороной и одной резкой, крутой стороной, где обнажены края поднятых слоев. Хотя горообразование в основном происходит в орогенах, ряд вторичных механизмов способен создавать значительные горные хребты. В районах, подвергающихся рифтингу, таких как срединно-океанические хребты и Восточно-Африканский рифт, существуют горы из-за тепловой плавучести, связанной с горячей мантией под ними; эта тепловая плавучесть известна как динамическая топография. В орогенах с разломами сдвига, таких как разлом Сан-Андреас, сдерживающие изгибы приводят к областям локального сокращения коры и горообразованию, не связанному с широким орогенезом по краю плиты. Горячеточечный вулканизм приводит к образованию изолированных гор и горных цепей, которые кажутся не связанными с современными границами тектонических плит, но по сути являются продуктом тектонического движения плит. Аналогично, поднятие и эрозия, связанные с эпирогенезом (крупномасштабные вертикальные движения частей континентов без значительной связанной складчатости, метаморфизма или деформации), могут создавать локальные топографические возвышенности.

The Wilson cycle begins when previously stable continental crust comes under tension from a shift in mantle convection. Continental rifting takes place, which thins the crust and creates basins in which sediments accumulate. As the basins deepen, the ocean invades the rift zone, and as the continental crust rifts completely apart, shallow marine sedimentation gives way to deep marine sedimentation on the thinned marginal crust of the two continents. This takes the form of folding of the ductile deeper crust and thrust faulting in the upper brittle crust. Crustal thickening raises mountains through the principle of isostasy. Isostacy is the balance of the downward gravitational force upon an upthrust mountain range (composed of light, continental crust material) and the buoyant upward forces exerted by the dense underlying mantle. Portions of orogens can also experience uplift as a result of delamination of the orogenic lithosphere, in which an unstable portion of cold lithospheric root drips down into the asthenospheric mantle, decreasing the density of the lithosphere and causing buoyant uplift. An example is the Sierra Nevada in California. This range of fault block mountains experienced renewed uplift and abundant magmatism after a delamination of the orogenic root beneath them. Mount Rundle on the Trans Canada Highway between Banff and Canmore provides a classic example of a mountain cut in dipping layered rocks. Millions of years ago a collision caused an orogeny, forcing horizontal layers of an ancient ocean crust to be thrust up at an angle of 50–60°. That left Rundle with one sweeping, tree lined smooth face, and one sharp, steep face where the edge of the uplifted layers are exposed. Although mountain building mostly takes place in orogens, a number of secondary mechanisms are capable of producing substantial mountain ranges. Areas that are rifting apart, such as mid ocean ridges and the East African Rift, have mountains due to thermal buoyancy related to the hot mantle underneath them; this thermal buoyancy is known as dynamic topography. In strike slip orogens, such as the San Andreas Fault, restraining bends result in regions of localized crustal shortening and mountain building without a plate margin wide orogeny. Hotspot volcanism results in the formation of isolated mountains and mountain chains that look as if they are not necessarily on present tectonic plate boundaries, but they are essentially the product of plate tectonism. Likewise, uplift and erosion related to epeirogenesis (large scale vertical motions of portions of continents without much associated folding, metamorphism, or deformation) can create local topographic highs.

Закрытие бассейна океана

В конечном итоге, распространение морского дна в океаническом бассейне прекращается, и продолжающаяся субдукция начинает приводить к закрытию океанического бассейна. Эрозия неизбежно удаляет большую часть гор, обнажая ядро или горные корни (метаморфические породы, поднятые на поверхность с глубины нескольких километров). Изостатические движения могут способствовать такому снятию нагрузки, уравновешивая выталкивающую силу развивающегося орогена. Ученые дискутируют о степени, в которой эрозия модифицирует закономерности тектонической деформации (см. Эрозия и тектоника). Таким образом, конечная форма большинства древних орогенных поясов представляет собой длинную дугообразную полосу кристаллических метаморфических пород, последовательно перекрытую более молодыми осадочными отложениями, которые надвинуты на них и наклонены от орогенного ядра. Ороген может быть почти полностью разрушен и узнаваем лишь по изучению (древних) пород, несущих следы орогенеза. Орогены обычно представляют собой длинные, узкие, дугообразные области, характеризующиеся выраженной линейной структурой, что приводит к образованию терранов или блоков деформированных пород, разделенных, как правило, зонами сшивания или наклонными разрывными сбросами. Эти сбросы переносят относительно тонкие пластины горных пород (которые называются надвигами или чешуями и отличаются от тектонических плит) из ядра сжимающегося орогена к его краям и тесно связаны со складчатостью и развитием метаморфизма.

История концепции

До развития геологических концепций в XIX веке наличие морских окаменелостей в горах объяснялось в христианском контексте как результат библейского Потопа. Это было продолжением неоплатонической мысли, оказавшей влияние на ранних христианских авторов. Доминиканский ученый XIII века Альберт Великий предположил, что, поскольку эрозия известна, должен существовать процесс, посредством которого поднимаются новые горы и другие формы рельефа, иначе суша в конечном итоге исчезнет; он предположил, что морские окаменелости на горных склонах когда-то находились на морском дне. Аманц Грессли (1840) и Жюль Турман (1854) использовали термин «орогенез» в отношении создания горных поднятий, хотя термин «горное строительство» все еще применялся для описания этих процессов. Эли де Бомон (1852) использовал яркую теорию «Челюсти тисков» для объяснения орогенеза, но больше интересовался высотой, чем структурами, формирующимися и содержащимися в орогенных поясах. Его теория, по сути, заключалась в том, что горы образуются в результате сжатия определенных пород. Эдуард Зюсс (1875) признал важность горизонтальных движений пород. Концепция предшествующего геосинклиналя или начального опускания земной коры (Холл, 1859) побудила Джеймса Дуайта Дану (1873) включить концепцию сжатия в теории, связанные с горным строительством. Ретроспективно, мы можем отвергнуть предположение Даны о том, что это сжатие было вызвано охлаждением Земли (также известная как теория охлаждения Земли). Теория охлаждения Земли была основной парадигмой для большинства геологов до 1960-х годов. В контексте орогенеза она подвергалась резкой критике со стороны сторонников вертикальных движений в земной коре или конвекции в астеносфере или мантии. Густав Штайнман (1906) выделил различные классы орогенных поясов, включая орогенный пояс альпийского типа, характеризующийся флишевой и молассовой геометрией осадочных отложений; последовательности офиолитов, толеитовые базальты и складчатая структура типа надвигов. Леопольд фон Бух (1855) установил, что орогенезы можно датировать, определяя возраст между самой молодой деформированной и самой старой недеформированной породой, принцип, который до сих пор используется, хотя обычно исследуется с помощью геохронологии и радиометрического датирования. Основываясь на доступных наблюдениях метаморфических различий в орогенных поясах Европы и Северной Америки, Х.Дж. Зварт (1967) предложил три типа орогенов в зависимости от тектонической обстановки и стиля: кордильеротипы, альпинотипы и герцинские типы. В.С. Питчер (1979) пересмотрел это предложение с точки зрения связи с проявлением гранитов. Cawood et al. (2009) классифицировали орогенные пояса на три типа: аккреционные, коллизионные и интракратонные. Аккреционные и коллизионные орогены развиваются на сходящихся границах плит. В отличие от этого, герцинские орогены обычно имеют схожие характеристики с интракратонными, внутриконтинентальными, экстенсиональными и ультрагорячими орогенами, все из которых развиваются в системах континентального отрыва на сходящихся границах плит. Аккреционные орогены формируются в результате субдукции океанической плиты под континентальную плиту, что приводит к вулканизму дуги. Они характеризуются преобладанием кальцищелочных магматических пород и метаморфическими фациями высокого Т/низкого Р при высоких температурных градиентах >30 °C/км. Офиолиты, мигматиты и абиссальные отложения встречаются редко. Типичные примеры – орогены вокруг Тихого океана, содержащие континентальные дуги. Коллизионные орогены формируются в результате субдукции континентального блока под другой континентальный блок, при отсутствии вулканизма дуги. Они характеризуются наличием метаморфических зон от голубого сланца до эклогита, что указывает на метаморфизм высокого P/низкого T при низких температурных градиентах <10 °C/км. Орогенные перидотиты присутствуют, но в небольшом объеме, а синколлизионные граниты и мигматиты также редки или представлены в незначительном объеме. Типичные примеры – Альпийско-Гималайские орогены на южной окраине Евразийского континента и орогены Даби-Сулу в восточно-центральном Китае.

Before the development of geologic concepts during the 19th century, the presence of marine fossils in mountains was explained in Christian contexts as a result of the Biblical Deluge. This was an extension of Neoplatonic thought, which influenced early Christian writers. The 13th century Dominican scholar Albert the Great posited that, as erosion was known to occur, there must be some process whereby new mountains and other land forms were thrust up, or else there would eventually be no land; he suggested that marine fossils in mountainsides must once have been at the sea floor. Orogeny was used by Amanz Gressly (1840) and Jules Thurmann (1854) as orogenic in terms of the creation of mountain elevations, as the term mountain building was still used to describe the processes. Elie de Beaumont (1852) used the evocative "Jaws of a Vise" theory to explain orogeny, but was more concerned with the height rather than the implicit structures created by and contained in orogenic belts. His theory essentially held that mountains were created by the squeezing of certain rocks. Eduard Suess (1875) recognised the importance of horizontal movement of rocks. The concept of a precursor geosyncline or initial downward warping of the solid earth (Hall, 1859) prompted James Dwight Dana (1873) to include the concept of compression in the theories surrounding mountain building. With hindsight, we can discount Dana's conjecture that this contraction was due to the cooling of the Earth (aka the cooling Earth theory). The cooling Earth theory was the chief paradigm for most geologists until the 1960s. It was, in the context of orogeny, fiercely contested by proponents of vertical movements in the crust, or convection within the asthenosphere or mantle. Gustav Steinmann (1906) recognised different classes of orogenic belts, including the Alpine type orogenic belt, typified by a flysch and molasse geometry to the sediments; ophiolite sequences, tholeiitic basalts, and a nappe style fold structure. In terms of recognising orogeny as an event, Leopold von Buch (1855) recognised that orogenies could be placed in time by bracketing between the youngest deformed rock and the oldest undeformed rock, a principle which is still in use today, though commonly investigated by geochronology using radiometric dating. Based on available observations from the metamorphic differences in orogenic belts of Europe and North America, H. J. Zwart (1967) proposed three types of orogens in relationship to tectonic setting and style: Cordillerotype, Alpinotype, and Hercynotype. His proposal was revised by W. S. Pitcher in 1979 in terms of the relationship to granite occurrences. Cawood et al. (2009) categorized orogenic belts into three types: accretionary, collisional, and intracratonic. Both accretionary and collisional orogens developed in converging plate margins. In contrast, Hercynotype orogens generally show similar features to intracratonic, intracontinental, extensional, and ultrahot orogens, all of which developed in continental detachment systems at converged plate margins. Accretionary orogens, which were produced by subduction of one oceanic plate beneath one continental plate for arc volcanism. They are dominated by calc alkaline igneous rocks and high T/low P metamorphic facies series at high thermal gradients of >30 °C/km. There is a general lack of ophiolites, migmatites and abyssal sediments. Typical examples are all circum Pacific orogens containing continental arcs. Collisional orogens, which were produced by subduction of one continental block beneath the other continental block with the absence of arc volcanism. They are typified by the occurrence of blueschist to eclogite facies metamorphic zones, indicating high P/low T metamorphism at low thermal gradients of <10 °C/km. Orogenic peridotites are present but volumetrically minor, and syn collisional granites and migmatites are also rare or of only minor extent. Typical examples are the Alps Himalaya orogens in the southern margin of Eurasian continent and the Dabie Sulu orogens in east central China.