Орогенез ( / ɒ ˈ r ɒ dʒ ə n i / ) — это процесс горообразования , который происходит на конвергентном крае плиты , когда движение плиты сжимает край. Орогенический пояс или ороген развивается, когда сжатая плита сминается и поднимается , образуя один или несколько горных хребтов . Это 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 . Магма , поднимающаяся в орогене, переносит менее плотный материал вверх, оставляя более плотный материал позади, что приводит к композиционной дифференциации литосферы Земли ( коры и верхней мантии ) . [1] [2] Синорогенный (или синкинематический ) процесс или событие — это тот, который происходит во время орогенеза. [3]
Слово орогенез происходит от древнегреческого ὄρος ( óros ) «гора» и γένεσις ( génesis ) «создание, происхождение». [4] Хотя этот термин использовался и до него, американский геолог Г. К. Гилберт в 1890 году использовал его для обозначения процесса горообразования, в отличие от эпейрогенеза . [5]
Орогенез происходит на конвергентных окраинах континентов. Конвергенция может принимать форму субдукции (когда континент с силой наезжает на океаническую плиту , образуя неколлизионный орогенез) или континентального столкновения (конвергенция двух или более континентов, образуя коллизионный орогенез). [6] [7]
Орогения обычно производит орогенные пояса или орогены , которые являются вытянутыми областями деформации, граничащими с континентальными кратонами (стабильными внутренними частями континентов). Молодые орогенные пояса, в которых субдукция все еще происходит, характеризуются частой вулканической активностью и землетрясениями . Более старые орогенные пояса, как правило, глубоко эродированы , обнажая смещенные и деформированные слои . Они часто сильно метаморфизованы и включают обширные тела интрузивных магматических пород, называемых батолитами . [8]
Зоны субдукции поглощают океаническую кору , утолщают литосферу и вызывают землетрясения и вулканы. Не все зоны субдукции производят орогенные пояса; горообразование происходит только тогда, когда субдукция производит сжатие в перекрывающей плите. Производит ли субдукция сжатие, зависит от таких факторов, как скорость конвергенции плит и степень связи между двумя плитами, [9] в то время как степень связи может, в свою очередь, зависеть от таких факторов, как угол субдукции и скорость седиментации в океаническом желобе, связанном с зоной субдукции. Анды являются примером неколлизионного орогенного пояса, и такие пояса иногда называют орогенами андийского типа . [10]
По мере продолжения субдукции островные дуги , континентальные фрагменты и океанический материал могут постепенно аккрецировать на континентальную окраину. Это один из основных механизмов, посредством которых росли континенты. Ороген, построенный из фрагментов земной коры ( террейнов ), аккрецированных в течение длительного периода времени, без каких-либо признаков крупного столкновения континентов, называется аккреционным орогеном. Североамериканские Кордильеры и ороген Лахлан на юго-востоке Австралии являются примерами аккреционных орогенов. [11]
Орогенез может завершиться прибытием континентальной коры с противоположной стороны субдуцирующей океанической плиты в зону субдукции. Это завершает субдукцию и преобразует аккреционный ороген в коллизионный ороген гималайского типа. [12] Коллизионный ороген может привести к образованию чрезвычайно высоких гор, как это происходило в Гималаях в течение последних 65 миллионов лет. [13]
Процессы орогенеза могут длиться десятки миллионов лет и образовывать горы из того, что когда-то было осадочными бассейнами . [8] Активность вдоль орогенного пояса может быть чрезвычайно долговременной. Например, большая часть фундамента, лежащего в основе Соединенных Штатов, принадлежит к Трансконтинентальным протерозойским провинциям, которые аккрецировали к Лаврентии (древнему сердцу Северной Америки) в течение 200 миллионов лет в палеопротерозое. [14] Орогении Явапаи и Мазатцаль были пиками орогенной активности в это время. Они были частью длительного периода орогенной активности, который включал орогенез Пикурис и достиг кульминации в орогенезе Гренвилл , длившемся не менее 600 миллионов лет. [15] Похожая последовательность орогенезов имела место на западном побережье Северной Америки, начиная с позднего девона (около 380 миллионов лет назад) с орогенеза Антлера и продолжаясь орогенезом Сонома и орогенезом Севьера и достигая кульминации с орогенезом Ларамида . Только орогенез Ларамида продолжался 40 миллионов лет, с 75 миллионов до 35 миллионов лет назад. [16]
Орогены демонстрируют широкий спектр характеристик, [17] [18], но их можно в целом разделить на коллизионные орогены и неколлизионные орогены (орогены андийского типа). Коллизионные орогены можно далее разделить по тому, происходит ли столкновение со вторым континентом или континентальным фрагментом или островной дугой. Повторные столкновения более позднего типа, без доказательств столкновения с крупным континентом или закрытия океанического бассейна, приводят к аккреционному орогену. Примерами орогенов, возникающих в результате столкновения островной дуги с континентом, являются Тайвань и столкновение Австралии с дугой Банда . [19] Орогены, возникающие в результате столкновений континентов с континентами, можно разделить на те, которые связаны с закрытием океана (орогены гималайского типа), и те, которые связаны со скользящими столкновениями без закрытия океанического бассейна (как это происходит сегодня в Южных Альпах Новой Зеландии). [7]
Орогены имеют характерную структуру, хотя она показывает значительные вариации. [7] Форлендский бассейн формируется впереди орогена в основном из-за нагрузки и результирующего изгиба литосферы развивающимся горным поясом. Типичный форлендский бассейн подразделяется на клиновидный бассейн над активным орогенным клином, передовой прогиб сразу за активным фронтом, передовой выступ изгибного происхождения и заднюю выпуклую область за ним, хотя не все они присутствуют во всех системах форленд-бассейн. [20] Бассейн мигрирует вместе с орогеническим фронтом, и ранние отложения форлендского бассейна постепенно вовлекаются в складчатость и надвиг. Осадки , отложенные в форлендском бассейне, в основном образуются в результате эрозии активно поднимающихся пород горного хребта, хотя некоторые осадки происходят из форленда. Заполнение многих таких бассейнов показывает изменение во времени от глубоководных морских ( стиль флиша ) через мелководные к континентальным ( стиль молассы ) осадкам. [21]
В то время как активные орогены находятся на окраинах современных континентов, более старые неактивные орогены, такие как Алгоман , [22] Пенокеан [23] и Антлер , представлены деформированными и метаморфизованными породами с осадочными бассейнами, расположенными дальше вглубь материка. [24]
Задолго до принятия тектоники плит геологи обнаружили доказательства во многих орогенах повторяющихся циклов осаждения, деформации, утолщения земной коры и горообразования, а также истончения земной коры с образованием новых осадочных бассейнов. Они были названы орогенными циклами , и для их объяснения были предложены различные теории. Канадский геолог Тузо Уилсон первым выдвинул интерпретацию орогенных циклов с точки зрения тектоники плит, теперь известную как циклы Уилсона. Уилсон предположил, что орогенные циклы представляют собой периодическое открытие и закрытие океанического бассейна, причем каждая стадия процесса оставляет свой характерный след на породах орогена. [25]
Цикл Вильсона начинается, когда ранее стабильная континентальная кора оказывается под напряжением из-за сдвига в мантийной конвекции . Происходит континентальный рифтинг , который истончает кору и создает бассейны, в которых накапливаются осадки. По мере углубления бассейнов океан вторгается в рифтовую зону, и когда континентальная кора полностью расходится, мелководное морское осадконакопление сменяется глубоководным морским осадконакоплением на истонченной краевой коре двух континентов. [26] [25]
По мере того, как два континента расходятся, начинается расширение морского дна вдоль оси нового океанического бассейна. Глубокие морские отложения продолжают накапливаться вдоль истонченных континентальных окраин, которые теперь являются пассивными окраинами . [26] [25]
В какой-то момент начинается субдукция вдоль одной или обеих континентальных окраин океанического бассейна, что приводит к образованию вулканической дуги и, возможно, орогена андийского типа вдоль этой континентальной окраины. Это приводит к деформации континентальных окраин и, возможно, к утолщению коры и горообразованию. [26] [25]
Горообразование в орогенах в значительной степени является результатом утолщения коры. Силы сжатия, создаваемые конвергенцией плит, приводят к всепроникающей деформации коры континентальной окраины ( надвиговая тектоника ). [27] Это принимает форму складчатости пластичной более глубокой коры и надвигового сброса в верхней хрупкой коре. [28]
Утолщение земной коры поднимает горы благодаря принципу изостазии . [29] Изостазия — это баланс направленной вниз силы тяжести, действующей на возвышающийся горный хребет (состоящий из легкого материала континентальной коры ), и выталкивающих вверх сил, оказываемых плотной подстилающей мантией . [30]
Части орогенов также могут испытывать подъем в результате расслоения орогенной литосферы , при котором нестабильная часть холодного литосферного корня стекает вниз в астеносферную мантию, уменьшая плотность литосферы и вызывая плавучий подъем. [31] Примером является Сьерра-Невада в Калифорнии. Этот хребет гор с разломными блоками [32] испытал возобновленный подъем и обильный магматизм после расслоения орогенного корня под ними. [31] [33]
Гора Рандл на Трансканадском шоссе между Банфом и Канмором представляет собой классический пример горного разреза в наклонно-слоистых породах. Миллионы лет назад столкновение вызвало орогенез, заставив горизонтальные слои древней океанической коры подняться под углом 50–60°. Это оставило Рандл с одним широким, покрытым деревьями гладким лицом и одним острым, крутым лицом, где обнажаются края поднятых слоев. [34]
Хотя горообразование в основном происходит в орогенах, ряд вторичных механизмов способен создавать значительные горные хребты. [35] [36] [37] Области, которые разъединяются, такие как срединно-океанические хребты и Восточно-Африканский разлом , имеют горы из-за термической плавучести, связанной с горячей мантией под ними; эта термическая плавучесть известна как динамическая топография . В сдвиговых орогенах, таких как разлом Сан-Андреас , сдерживающие изгибы приводят к областям локализованного сокращения земной коры и горообразования без орогенеза по всему краю плиты. Вулканизм горячих точек приводит к образованию изолированных гор и горных цепей, которые выглядят так, как будто они не обязательно находятся на современных границах тектонических плит, но по сути они являются продуктом тектонизма плит. Аналогичным образом, поднятие и эрозия, связанные с эпейрогенезом (крупномасштабные вертикальные движения частей континентов без значительной сопутствующей складчатости, метаморфизма или деформации) [38], могут создавать локальные топографические возвышенности.
В конце концов, расширение морского дна в океаническом бассейне останавливается, и продолжающаяся субдукция начинает закрывать океанический бассейн. [26] [25]
Закрытие океанического бассейна завершается столкновением континентов и связанным с ним орогеном гималайского типа.
Эрозия представляет собой заключительную фазу орогенного цикла. Эрозия вышележащих слоев в орогенных поясах и изостатическое приспособление к удалению этой вышележащей массы породы могут вывести глубоко залегающие слои на поверхность. Эрозионный процесс называется снятием кровли . [39] Эрозия неизбежно удаляет большую часть гор, обнажая ядро или корни гор ( метаморфические породы, вынесенные на поверхность с глубины в несколько километров). Изостатические движения могут помочь такому снятию кровли, уравновешивая плавучесть развивающегося орогена. Ученые спорят о том, в какой степени эрозия изменяет закономерности тектонической деформации (см. эрозия и тектоника ). Таким образом, окончательная форма большинства старых орогенных поясов представляет собой длинную дугообразную полосу кристаллических метаморфических пород последовательно под более молодыми осадками, которые надвигаются на них и которые падают от орогенного ядра.
Ороген может быть почти полностью размыт и распознаваться только при изучении (старых) пород, которые несут следы орогенеза. Орогены обычно представляют собой длинные, тонкие, дугообразные участки породы, которые имеют выраженную линейную структуру, приводящую к образованию террейнов или блоков деформированных пород, разделенных обычно шовными зонами или падающими сбросами . Эти сбросы несут относительно тонкие слои породы (которые называются покровами или надвиговыми пластинами и отличаются от тектонических плит ) из ядра сокращающегося орогена к краям и тесно связаны со складками и развитием метаморфизма . [40]
До развития геологических концепций в 19 веке наличие морских ископаемых в горах объяснялось в христианских контекстах как результат библейского потопа . Это было продолжением неоплатонической мысли, которая повлияла на ранних христианских писателей . [41]
Доминиканский ученый XIII века Альберт Великий утверждал, что, поскольку известно, что происходит эрозия, должен быть какой-то процесс, в результате которого новые горы и другие формы рельефа выталкиваются вверх, иначе в конечном итоге не будет никакой земли; он предположил, что морские ископаемые на склонах гор когда-то должны были находиться на морском дне. [42] Орогенез использовался Аманцем Грессли (1840) и Жюлем Турманном (1854) как орогенический в терминах создания горных возвышенностей, поскольку термин горообразование все еще использовался для описания этих процессов. [43] Эли де Бомон (1852) использовал вызывающую ассоциации теорию «Челюсти тисков» для объяснения орогенеза, но его больше интересовала высота, а не неявные структуры, созданные и содержащиеся в орогенических поясах. Его теория по сути утверждала, что горы были созданы путем сжатия определенных пород. [44] Эдуард Зюсс (1875) признал важность горизонтального движения пород. [45] Концепция предшествующей геосинклинали или начального прогиба вниз твердой земли (Холл, 1859) [46] побудила Джеймса Дуайта Дану (1873) включить концепцию сжатия в теории, связанные с горообразованием. [47] Оглядываясь назад, мы можем не принимать во внимание предположение Даны о том, что это сжатие было вызвано охлаждением Земли (также известное как теория остывающей Земли ). Теория остывающей Земли была главной парадигмой для большинства геологов до 1960-х годов. В контексте орогенеза она яростно оспаривалась сторонниками вертикальных движений в коре или конвекции в астеносфере или мантии . [48]
Густав Штайнман (1906) выделил различные классы орогенных поясов, включая орогенный пояс альпийского типа , характеризующийся флишевой и молассовой геометрией осадков; офиолитовыми последовательностями, толеитовыми базальтами и складчатой структурой покровного типа.
С точки зрения признания орогенеза как события , Леопольд фон Бух (1855) признал, что орогенез можно разместить во времени, заключив в скобки самую молодую деформированную породу и самую старую недеформированную породу, принцип, который используется и сегодня, хотя обычно исследуется геохронологией с использованием радиометрического датирования. [49]
На основе имеющихся наблюдений за метаморфическими различиями в орогенных поясах Европы и Северной Америки, HJ Zwart (1967) [50] предложил три типа орогенов в зависимости от тектонической обстановки и стиля: кордильеротип, альпинотип и герцинотип. Его предложение было пересмотрено WS Pitcher в 1979 году [51] с точки зрения связи с залеганиями гранита. Cawood et al. (2009) [52] разделили орогенные пояса на три типа: аккреционные, коллизионные и внутрикратонные. Как аккреционные, так и коллизионные орогены развивались на сходящихся краях плит. Напротив, герцинотипные орогены в целом демонстрируют схожие черты с внутрикратонными, внутриконтинентальными, экстенсиональными и ультрагорячими орогенами, все из которых развивались в континентальных системах отслоения на сходящихся краях плит.
даже относительно низкие скорости подъема, характерные для эпигенетических движений ( например, 20 м/млн лет), привели бы к образованию сильно приподнятых регионов в геологические периоды времени.