Кратон ( / ˈ k r eɪ t ɒ n / , / ˈ k r æ t ɒ n / , или / ˈ k r eɪ t ən / ; [1] [2] [3] от греческого : κράτος kratos « сила» ) — старая и стабильная часть континентальной литосферы , состоящая из двух самых верхних слоев Земли: земной коры и самой верхней мантии . Часто пережившие циклы слияния и раскола континентов, кратоны обычно встречаются внутри тектонических плит ; исключения происходят там, где геологически недавние рифтовые события разделили кратоны и создали пассивные окраины по их краям. Кратоны обычно состоят из древних кристаллических пород фундамента , которые могут быть покрыты более молодыми осадочными породами . У них толстая кора и глубокие литосферные корни, уходящие в мантию Земли на несколько сотен километров.
Термин кратон используется для того, чтобы отличить стабильную часть континентальной коры от регионов, которые более геологически активны и нестабильны. [4] Кратоны состоят из двух слоев: континентального щита , в котором породы фундамента выходят на поверхность, [5] и платформы , которая на некоторых участках перекрывает щит осадочными породами . [6]
Слово кратон было впервые предложено австрийским геологом Леопольдом Кобером в 1921 году как кратоген , обозначающий стабильные континентальные платформы, и ороген как термин, обозначающий горные или орогенные пояса . Позже Ганс Стилле сократил прежний термин до Kraton , от которого происходит кратон . [7]
Примерами кратонов являются кратон Дхарвар [8] в Индии, кратон Северный Китай , [9] Восточно -Европейский кратон , [10] Амазонский кратон в Южной Америке, [11] кратон Каапвааль в Южной Африке, [12] Северный кратон. Американский кратон (также называемый кратоном Лаврентия) [13] и кратон Гоулер в Южной Австралии. [14]
Кратоны имеют мощные литосферные корни. Мантийная томография показывает, что кратоны подстилаются аномально холодной мантией, соответствующей литосфере , более чем в два раза превышающей типичную толщину зрелой океанической или некратонной континентальной литосферы в 100 км (60 миль). На этой глубине корни кратонов простираются в астеносферу [15] , а зона низких скоростей, наблюдаемая в других местах на этих глубинах, слаба или отсутствует под стабильными кратонами. [16] Литосфера кратона заметно отличается от океанической литосферы, поскольку кратоны имеют нейтральную или положительную плавучесть и низкую внутреннюю плотность. Эта низкая плотность компенсирует увеличение плотности из-за геотермального сжатия и предотвращает погружение кратона в глубокую мантию. Кратонная литосфера намного старше океанической — до 4 миллиардов лет против 180 миллионов лет. [17]
Обломки горных пород ( ксенолиты ), вынесенные из мантии магмами , содержащими перидотит , выносятся на поверхность в виде включений в субвулканических трубках, называемых кимберлитами . Эти включения имеют плотность, соответствующую составу кратона, и состоят из мантийного материала, остаточного от высокой степени частичного плавления. Перидотит находится под сильным влиянием включений влаги. Влажность кратонного перидотита необычайно мала, что приводит к гораздо большей прочности. Он также содержит высокий процент легкого магния вместо более тяжелого кальция и железа. [18] Перидотиты важны для понимания глубинного состава и происхождения кратонов, поскольку конкреции перидотитов представляют собой куски мантийных пород, модифицированные частичным плавлением. Гарцбургитовые перидотиты представляют собой кристаллические остатки после экстракции расплавов состава типа базальта и коматиита . [19]
Процесс образования кратонов называется кратонизацией . Многое в этом процессе остается неопределенным, и в научном сообществе очень мало консенсуса. [20] Однако первые кратонные массивы суши, вероятно, сформировались во время архейского эона. На это указывает возраст алмазов , залегающих в корнях кратонов, возраст которых почти всегда превышает 2 миллиарда лет, а часто и более 3 миллиардов лет. [17] Породы архейского возраста составляют лишь 7% нынешних кратонов мира; даже учитывая эрозию и разрушение прошлых образований, это предполагает, что только от 5 до 40 процентов нынешней континентальной коры сформировалось в архейском периоде. [21] Кратонизация, вероятно, завершилась в протерозое . Последующий рост континентов происходил за счет приращения на окраинах континентов. [17]
Происхождение корней кратонов до сих пор дискуссионно. [22] [23] [18] [20] Однако нынешнее понимание кратонизации началось с публикации в 1978 году статьи Томаса Х. Джордана в журнале Nature . Джордан предполагает, что кратоны образовались в результате высокой степени частичного плавления верхней мантии, при этом от 30 до 40 процентов материнской породы попали в расплав. Столь высокая степень плавления была возможна из-за высоких мантийных температур архея. Извлечение такого большого количества магмы оставило после себя твердый остаток перидотита, который был обогащен легким магнием и, следовательно, имел меньшую химическую плотность, чем неистощенная мантия. Эта более низкая химическая плотность компенсировала эффекты теплового сжатия по мере охлаждения кратона и его корней, так что физическая плотность корней кратона соответствовала плотности окружающей более горячей, но более химически плотной мантии. [24] [17] Помимо охлаждения корней кратона и снижения их химической плотности, извлечение магмы также увеличивало вязкость и температуру плавления корней кратона и предотвращало смешивание с окружающей неистощенной мантией. [25] Образовавшиеся в результате мантийные корни оставались стабильными на протяжении миллиардов лет. [23] Джордан предполагает, что истощение произошло в первую очередь в зонах субдукции и во вторую очередь в виде паводковых базальтов . [26]
Эта модель извлечения расплава из верхней мантии хорошо подтвердилась последующими наблюдениями. [27] Свойства мантийных ксенолитов подтверждают, что под континентами геотермический градиент гораздо ниже, чем под океанами. [28] Оливин ксенолитов корней кратона чрезвычайно сухой , что придает корням очень высокую вязкость. [29] Рениево-осмиевое датирование ксенолитов указывает на то, что древнейшие события плавления произошли в раннем и среднем архее. Значительная кратонизация продолжалась и в позднем архее, сопровождаясь объемным основным магматизмом. [30]
Однако сама по себе экстракция расплава не может объяснить все свойства корней кратонов. Джордан отмечает в своей статье, что этот механизм может быть эффективным для построения корней кратонов только на глубине до 200 километров (120 миль). Большая глубина корней кратона требовала дальнейшего объяснения. [26] Частичное плавление мантийных пород на 30–40 процентов при давлении от 4 до 10 ГПа приводит к образованию коматиитовой магмы и твердых остатков, очень близких по составу к архейской литосферной мантии, но континентальные щиты не содержат достаточного количества коматиита, чтобы соответствовать ожидаемому истощению. Либо большая часть коматиита так и не достигла поверхности, либо другие процессы способствовали образованию корней кратона. [30] Существует множество конкурирующих гипотез о том, как образовались кратоны.
Модель Джордана предполагает, что дальнейшая кратонизация была результатом повторяющихся столкновений континентов. Утолщение коры, связанное с этими столкновениями, возможно, было уравновешено утолщением корня кратона по принципу изостатии . [26] Джордан сравнивает эту модель с «перемешиванием» кратонов, позволяющим материалу с низкой плотностью двигаться вверх, а с более высокой плотностью - вниз, создавая стабильные кратонные корни на глубине до 400 км (250 миль). [29]
Вторая модель предполагает, что поверхностная кора была утолщена поднимающимся шлейфом расплавленного материала из глубокой мантии. В результате под кратонами образовался толстый слой обедненной мантии.
Третья модель предполагает, что последовательные плиты погружающейся океанической литосферы застряли под протократоном, покрывая кратон химически обедненной породой. [29] [18] [22]
Четвертая теория, представленная в публикации 2015 года, предполагает, что происхождение кратонов похоже на плато земной коры, наблюдаемые на Венере, которые могли быть созданы в результате ударов крупных астероидов. [20] В этой модели сильные удары по ранней литосфере Земли проникли глубоко в мантию и создали огромные пруды с лавой. [20] В статье предполагается, что эти лавовые пруды охладились и образовали корень кратона. [20]
Химия ксенолитов [27] и сейсмическая томография отдают предпочтение двум аккреционным моделям, а не плюмовой модели. [29] [31] Однако другие геохимические данные свидетельствуют в пользу мантийных плюмов. [32] [33] [34] Томография показывает два слоя в корнях кратона под Северной Америкой. Один встречается на глубинах менее 150 км (93 миль) и может быть архейским, а второй - на глубинах от 180 до 240 км (от 110 до 150 миль) и может быть моложе. Второй слой может представлять собой менее обедненный термический пограничный слой, который застопорился на обедненной «крышке», образованной первым слоем. [35] Модель ударного происхождения не требует шлейфов или аккреции; однако эта модель не является несовместимой ни с одной из них. [20]
Все эти предложенные механизмы основаны на плавучем вязком материале, отделяющемся от более плотного остатка из-за мантийного течения, и вполне возможно, что более чем один механизм способствовал формированию корней кратона. [30] [20]
Длительную эрозию кратонов назвали «кратонным режимом». Он включает в себя процессы педипланации и травления , которые приводят к образованию плоских поверхностей, известных как пенеплена . [36] В то время как процесс травления связан с влажным климатом, а педипланация — с засушливым и полузасушливым климатом, сдвиг климата в течение геологического времени приводит к образованию так называемых полигенетических пенепленов смешанного происхождения. Другим результатом долголетия кратонов является то, что они могут чередовать периоды высокого и низкого относительного уровня моря . Высокий относительный уровень моря приводит к увеличению океаничности, в то время как обратное приводит к усилению внутренних условий. [36]
Многие кратоны имели спокойную топографию еще с докембрийских времен. Например, кратон Йилгарн в Западной Австралии был плоским уже во времена среднего протерозоя [36], а Балтийский щит превратился в подчиненную местность уже в позднем мезопротерозое , когда вторглись граниты рапакиви . [37] [38]