Geophysik und Geologie: Band 3, Heft 3 [Reprint 2021 ed.] 9783112525449, 9783112525432

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Geophysik und Geologie Geophysikalische Veröffentlichungen der Karl-Marx-Universität Leipzig Herausgegeben von Prof. Dr. sc. nat. R. Lauterbach Dritte Serie Band III, Heft 3 Mit 25 Abbildungen und 5 Tabellen

AKADEMIE-VERLAG

Geophys. Veröff. KMU • Leipzig

Bd. III

H. 3

BERLIN

S. 1 - 1 2 2

1986

Die Geophysikalischen Veröffentlichungen der Karl-Marx-Universität sind die Portsetzung zweier Schriftenreihen 1. Veröffentlichungen des Geophysikalischen Instituts, gegründet 1913 von V. Bjerknes 2. Geophysik und Geologie, gegründet 1959 von R. Lauterbach Sie bringen Beiträge und Berichte aus dem Bereich Physik der Erde, die mit einschlägigen Arbeiten der Karl-Marx-Universität in Zusammenhang stehen Für den Inhalt ihrer Beiträge sind die Autoren allein verantwortlich.

Anschrift des Herausgebers und der Redaktion: Karl-Marx-Universität, Wissenschaftsbereich Geophysik, DDR-7010 Leipzig, Talstraße 35 Redaktion: Dr. sc. F. Jacobs Dipl.-Geoln. M. Meißner

ISBN 3-05-500076-5 ISSN 0138-2357

Erschienen im Akademie-Verlag Berlin, DDR- 1086 Berlin, Leipziger Straße 3—4© Akademie-Verlag Berlin 1986 Lizenznummer: 202 • 100/448/86 Printed in the German Democratic Republic Gesamtherstellung: VEB Druckhaus „Maxim Gorki", 7400 Altenburg Lektor: Dipl.-Met. Heide Deutscher LSV 1405 Bestellnummer: 7635601 (2018/III/3) 02400

Inhalt V . E . CHAIN

Die tektonische Situation der Bildung und Akkumulation von Erdöl und Erdgas auf dem Territorium der UdSSR

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S . A . U § A K O V u n d G . OLSZAK

Der gegenwärtige Stand und die weitere Entwicklung plattentektonischer Theorien . . . .

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I . HOYLE a n d R . GREEN

A new approach to displaying 3-D structural models

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V. N . TROJAN u n d H . MEYER

Ein Algorithmus zur flächenhaften Approximation geophysikalischer Daten mit Hilfe der Methode der finiten Elemente

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J . SCHÖN u n d D . S T E I N B R E C H E R

Die quantitative Interpretation geophysikalischer Bohrlochmessungen — Grundlagen, Stand, Erfordernisse 47 G'. J U S T u n d T . K A E M M E L

Einige Bemerkungen zur Gliederung granitoider Gesteinskomplexe nach den normierten Differenzen für die Elemente Rb, Cs, Ta, Co, Fe, Ba und Sc

57

G . J U S T u n d H . ZWANZIGER

Geochemical characterization of granitoids using computer-aided INAA measurements and statistical feature extraction

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J . CLAUSS

Säkularvariationen der terrestrischen Wärmestromdichte in der kontinentalen Lithosphäre

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Berichte und Referate

91

Thesen zu Dissertationen zur Promotion A, verteidigt am Wissenschaftsbereich Geophysik der Sektion Physik der Karl-Marx-Universität

91

Thesen zu Diplomarbeiten, verteidigt am Wissenschaftsbereich Geophysik der Karl-MarxUniversität Leipzig 103 Buchbesprechung 1*

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Geophys. u. Geol.

Geophys. Veröff. d. KMU Leipzig

Bd. III H. 3 S. 5 - 1 1

Berlin 1986

Die tektonische Situation der Bildung und Akkumulation von Erdöl und Erdgas auf dem Territorium der UdSSR V. E. Chain1-2 Zusammenfassung: Die in der Geotektonik neue Theorie der Plattentektonik erfordert ein neues Herangehen an die Erdöl-Erdgas-geoIogische Rayonierung. Während früher, in der Epoche des Vorherrschens des fixistischen Konzepts, jedes Erdöl-erdgasführende Becken nur auf der Grundlage von Besonderheiten in Struktur und Entwicklung bewertet wurde, so ist heute eine Betrachtung nur dieser Besonderheiten schon völlig unzureichend. Es ist wichtig, die Stellung des betreffenden Beckens im allgemeinen System der großen tektonischen Elemente, vor allem der Lithosphärenplatten und ihrer Grenzen, im Laufe der Entwicklung zu klären. Gerade das gibt oft die Möglichkeit, den geodynamischen Typ des Beckens einzuschätzen, was sehr wichtig ist auch im Hinblick auf die Erdöl-Erdgas-Führung. Hier wird der Versuch unternommen, eine entsprechende Analyse der wesentlichen Erdöl- und Erdgas-führenden Becken der Sowjetunion ausgehend von ihrer tektonischen Geschichte und ihren Strukturen durchzuführen. Diese sind zwar unterschiedlich in den Details, aber in den grundlegenden geodynamischen Klassifikationen Erdöl-Erdgasführender Becken übereinstimmend.

Zur Zeit hat die Meinung allgemeine Anerkennung gefunden, daß die wichtigen Gürtel der Erdöl-Erdgas-Bildung und -Akkumulation der Erde submarine Kontinentränder sind, in erster Linie passive Randbereiche, sowohl junge als auch alte. In der UdSSR gehört zu diesem Typ der Arktische Rand, der sich vom Franz-Joseph-Land im Westen bis zur Wrangel-Insel und dem Meridian der Beringstraße im Osten erstreckt. Das ist der breiteste Kontinentrand der Welt; er enthält eine sehr große Menge Sediment, sowohl auf dem Schelf, als auch in den Bereichen des Kontinentalabhanges und -fußes, aber der Untersuchungsstand der Struktur dieses Randes ist in Zusammenhang mit den bestehenden Schwierigkeiten noch sehr gering. Allgemein gilt, daß diese gesamte Zone über eine wesentliche Erdöl-Erdgas (EE) - Führung verfügen muß. Mit dem Arktischen Kontinentrand ist das gigantische Westsibirische Becken verbunden. Auf dem Territorium der UdSSR sind alte Kontinentränder weit verbreitet, die in paläozoische (beginnend mit dem Wendium) und mesozoisch-känozoische gegliedert werden können. Innerhalb des alten östlichen passiven Randes des Osteuropäischen Kontinents befindet sich das große Wolga-Ural-Becken, einschließlich der PrikaspiSenke. Es ist recht kompliziert mit einer Reihe von Sätteln und Mulden aufgebaut, die insgesamt parallel zum Ural-Faltensystem verlaufen. Im Süden wird diese Zonalität von E—W streichenden Strukturen, parallel den südlichen Konturen des Kontinents, unterdrückt. Die Breite des Erdöl-Erdgas-führenden Gürtels wächst nach Süden, 1

Anschrift des Verfassers:

Prof. Dr. V. E. CHAIN, Moskauer Staatliche Lomonossow-Universität, Geologische Fakultät, Moskau 117234 Leninberge. 2 Übersetzt und bearbeitet von Dr. A. MÜLLER ( K M U Leipzig).

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wobei in diese Zone die Voruralsenke und wahrscheinlich der Teil der Westflanke des Urals eingehen, die zum äußeren Schelf gehören. Das Hauptstockwerk der EEFührung umfaßt Ablagerungen von Oberdevon-Mittelkarbon, vorwiegend Karbonate, die dem mittleren Entwicklungsstadium der Ural-Geosynklinale entsprechen. Stellenweise, besonders in der Voruralsenke, reicht die EE-Führung bis ins Unterperm. Die Prikäspi-Senke mit ihrer tiefen Absenkung (Mächtigkeit des sedimentären Deckgebirges 20—25 km) befindet sich in der SE-Ecke des Kontinents. Diese „Ecke" war bereits im Riphäikum ein stark gegliedertes Riftsystem, unter dem sich spätestens Anfang Devon eine tiefe Senke entwickelte. An ihren Rändern bildeten sich bis Mitte Perm breite Karbonatplattformen und große EE-Lagerstätten. Im zentralen Teil lagerten sich geringmächtige, möglicherweise EE-Muttergesteine ab. Im Kungur war das Becken mit einer mächtigen Salzfolge gefüllt, durch deren Halokinese in den hangenden Schichten des oberen Perm, Mesozoikum und Känozoikum eine Salztektonik entstand. Im Westen der Osteuropäischen Plattform sind die paläozoischen Schichten auf dem Gebiet der UdSSR in zwei Bereichen EE-führend: im äußersten Nordosten der Mitteleuropäischen Megasyneklise (oder Polnisch-Litauischen Syneklise) — kambrische Ablagerungen bei Kaliningrad und des benachbarten Litauens, und in der Senke von Lwow (Devon-Karbon). Zum südlichen Randbereich des Osteuropäischen Kontinents gehört das PripjatDnepr-Donez-Riftsystem, das streng parallel zum Plattformrand verläuft, aber von ihm durch einen Streifen von Aufragungen des kristallinen Fundaments getrennt ist. Die Hauptperiode der Riftbildung umfaßt das Mitteldevon-Unterkarbon, danach begann die Regeneration des Riftes in eine Syneklise. Durch geophysikalisches Material von der Basis der devonischen Riftachse kann vermutlich das riphäische Rift verfolgt werden. EE-führend sind hier Ablagerungen des Devon-Perm. In diesem Gebiet sind drei salzführende Schichtenfolgen ausgebildet: zwei devonische und' eine permische, die eine wesentliche Rolle bei der Schaffung der Innenstrukturen dieses Systems von Senken, gemeinsam mit Blockbewegungen des Fundaments, spielen. Zum paläozoischen Rand des Osteuropäischen Kontinents (Plattform) gehört noch die Timan-Petschora-Platte, die im Gegensatz zur Russischen Tafel ein etwas jüngeres riphäisches Alter des gefalteten Untergrundes aufweist, unter dem aber das gleiche frühpräkambrische kristalline Fundament zu verfolgen ist. Diese Platte entspricht genau einem selbständigen EE-führenden Becken, das durch den Wolga-Ural-BaikalTiman-Gebirgskamm abgetrennt ist. Die Timan-Petschora-Platte war im Silur-Devon durch eine Riftserie gegliedert, die parallel zum Timan und im spitzen Winkel in die Ural-Geosynklinale übergeht und in der bereits im späten Devon lineare Hebungen entstanden, die gegenwärtig die wichtigsten EE-Lagerstätten des Beckens aufnehmen. Stratigraphisch umfaßt die EEFührung den Bereich Devon-Perm, im Norden (Koljugev-Insel) Devon-Trias. Im Gegensatz dazu ist der zentrale Teil der Osteuropäischen Plattform — Moskauer Syneklise — ungeachtet des Ausmaßes und der großen Tiefe in Beziehung zur EEFührung praktisch steril. Betrachten wir jetzt eine andere große paläozoische Plattform auf dem Territorium der UdSSR — die Sibirische (Angara-) Plattform. EE-Führung wurde für alle Randbereiche nachgewiesen, wenn auch bis heute ihre Erkundung nicht ausreicht. Der südliche Rand, exakter seine westliche Hälfte, war im späten Präkambrium und frühen Paläozoikum auf ein sehr kompliziert gebautes baikalisches und transbaikalisches

Die tektonische Situation der Bildung von Erdöl und Erdgas

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Senkungsgebiet gerichtet; über das Baikal-Patomsker-Gebirge erstreckte sich der submarine Kontinentalabhang und noch weiter südlich ein Randmeer, abgetrennt vom Hauptozeanbecken durch einen gewaltigen Inselbogen, der durch batholithische Intrusionen von Granitoiden markiert wird. Unmittelbar vor dem Devon ereignete sich' die Kollision dieses Inselbogens mit dem Kontinent, und unter seinem Einfluß erfaßten die Faltenüberschiebungs-Verformungen den gesamten Tafelrand, bis einschließlich Vorbaikalsenke (Yorpatomsker Senke). Die EE-Führung dehnt sich noch weiter nach Norden (NW) aus, einschließlich der Mittelsibirischen Anteklise. Die Westgrenze der Sibirischen Plattform war auf den nördlichen (Uralo-Sibirischen) Teile des Uralo-Ochotskischen Paläoozeans (Geosynklinalgürtel) gerichtet, seine Grenze verlief innerhalb der heutigen Westsibirischen Tiefebene. Die Schließung dieses Teils des Uralo-Ochotskischen Gürtels erfolgte im späten Paläozoikum. Mit diesem Ereignis war ebenfalls die Deformation des meridionalen Landstriches entlang des Jenissei und die Bildung der Turuchansk-Norilsker Dislokationszone verbunden. Sie begrenzt im Osten die große und tiefe Tunguska-Syneklise, die gefüllt ist mit einer mittel-oberkarbonisch-permischen kohleführenden Schichtenfolge und oberpermisch-mitteltriassische Trapps enthält. Die Struktur des älteren Paläozoikums und besonders des Fundaments ist unter dieser Decke recht kompliziert und noch ungenügend erkundet. Hier zeichnet sich eine Reihe von großen und flachgeneigten Hochlagen und Senken (nahe den isometrischen Konturen) ab. Innerhalb eines dieser Gewölbe am SW-Rand der Syneklise, des Kamowsker Gewölbes, wurde die Lagerstätte Kujumbin in Sandsteinen des oberen Riphäikums nachgewiesen. In diesem Zusammenhang kann festgestellt werden, daß für die Sibirische Plattform, sowohl an der West- als auch an der Süd-Grenze, überhaupt die EE-Führung der untersten Teile der Sedimentdecke im oberen Riphäikum, Wendium und im unteren Teil des Kambrium charakteristisch ist. Dagegen ist im östlichen Grenzbereich (Wiljui-Rand), wo der spätkimmerische Werchojansker Faltenbau aufsetzte, umsäumt von der Vorwerchojansker Randsenke, die EE-Führung in höheren Bereichen anzutreffen — vom Unterperm bis einschließlich Unterkreide — wobei ausschließlich Gas-GaskondensatLager verbreitet sind. Dieser stratigraphische Bereich der EE-Führung stimmt im wesentlichen (mit einigen Verschiebungen nach oben) mit der Hauptperiode der Sedimentakkumulation auf dem breiten äußeren passiven Kontinentalrand von Werchojansk überein, zu verfolgen bis zum heutigen Tscherski-Gebirge. Ende Jura/Anfang Kreide wurde dieser Rand durch Faltung und Überschiebung deformiert. Randüberschiebungen des Werchojansker Gebirges überdeckten wahrscheinlich über bedeutende Entfernungen die innere Flanke des Randtroges und schufen günstige Bedingungen für die Erhaltung der noch nachzuweisenden EE-Lager. Der nördliche Rand der Sibirischen Plattform ist von der südlichen Flanke der Jenissei-Chatanga-Senke überdeckt, die eine mächtige Serie mesozoischer sandig-toniger Sedimente enthält. Da diese Senke und das sie hervorbringende Rift in ihrer Entstehung eng mit der Bildung der Westsibirischen Megasyneklise verbunden sind, werden wir weiter unten darauf zurückkommen, östlich des Nordrandes der Sibirischen Plattform erstreckt sich das Lena-Anabar-Becken, eine Abzweigung der Yorwerchojansker Senke und gleichzeitiges Verbindungsglied zwischen dieser und der Jenissei-ChatangaSenke. Eine Epirift-Entstehung ist auch für dieses Becken sehr wahrscheinlich, besonders durch die mögliche Existenz eines verdeckten tiefliegenden Massivs in der LaptewSee, eines Bruchstückes des Sibirischen Kratons (möglich ist auch ein jüngeres baikali-

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V . E . CHAIN

sches Alter des Fundaments dieses Massivs, analog zum Nord-Taimir und den Nordland-Inseln (Severnaja Semlja)). Ende Paläozoikum vereinigten sich die alte Osteuropäische und die Sibirische Plattform zum einheitlichen Eurasiatischen Kontinent. Die EE-Führung im Süden des europäischen Teils der UdSSR und Mittelasiens konzentriert sich auf die südlichen Randbereiche dieses Kontinents, bestehend aus der Skythischen (im Westen) und Turanischen Platte im Osten. Der sie trennende submeridionale Abbruch verläuft durch den Nordteil des Kaspischen Meeres. Der Faltenbau dieser Platte wird durch präoberpaläozoische Ablagerungen gebildet, die im Norden auf das präkambrische Fundament aufgelagert sind und die tiefe Fortsetzung des Untergrundes des Osteuropäischen Kratons darstellen. Inmitten des Paläozoikums treten südlicher auch präkambrische, aber in herzynischer Epoche überprägte Schollen auf; im äußersten Süden gehen auch gefaltete Triasablagerungen in das Fundament ein. Für kurze Zeit, von Ende Trias bis Anfang Jura, stellt der Skytisch-Turanische Rand einen Rand vom andinischen Typ dar, umsäumt von einem lokalen vulkano-plutonischen Gürtel und abgetrennt durch eine Benioff-Zone von einem sich bildenden Randmeer, dem geosynklinalen Krim-Kaukasus-Kopetdag-Becken. Im weiteren bis einschließlich Eozän entwickelte sich die Skythisch-Turanische Platte wie ein passiver Rand, genauer als passiver Teil des aktiven Randes westpazifischen Typs. Beginnend mit dem Oligozän bildet sich ein System von Faltenstrukturen des Krimgebirges, Großen Kaukasus und Kopetdag, und dementsprechend wird der südliche Teil der SkythischTuranischen Platte umgestaltet in ein System von Randsenken — Indolo-Kuban, Terik-Kaspische und Vorkopetdag-Senke. In einzelnen Abschnitten (Westkubangebiet, NE-Aserbaidshan, Turkmenien) werden die Faltenstrukturen auf die Vorsenken überschoben, aber östlich des meridionalen Ural-Oman-Lineaments grenzt die Turan-Platte an den Nordafghanischen Bereich der Epiplattform-Orogenese. In der randlichen Zone entwickelt sich die tiefe Murgab (Nord-Karabil-) Senke. Die EE-Lager finden sich verteilt innerhalb der Skythisch-Turanischen Platte, sowohl im Präplattformkomplex der Trias, als auch in den eigentlichen jurassisch-oligozänen Plattformkomplexen, aber auch in der oligozän-miozänen unteren Molasse der Vorsenken. Südlich vom Krimgebirge, dem Großen Kaukasus und Kopetdag kommen wir schon in den ehemalig aktiven Rand der Tethys. In der Postkollisionsetappe wurde dieses Gebiet in eine Zone von Zwischengebirgssenken umgewandelt — die Rion- und KuraSenke, Westturkmenien und Tiefseebecken mit einer Kruste subozeanischen Typs im zentralen Teil des Schwarzen Meeres und des südlichen Kaspischen Meeres. An der Grenze dieser Zone von Senken und Becken mit Faltenstrukturen erhielt sich eine reliktartige seismische Zone (sie bricht im Bereich einer quer gerichteten Aufwölbung des Fundaments des Vorkaukasischen Massivs und des Zentralkaukasus ab), längs der die Unterschiebung der Vorkaukasischen Mikroplatte unter den südlichen Rand der Eurasiatischen Platte andauert. Mit dieser Unterschiebung sind eine komplizierte Deckenüberschiebungsstruktur des Südhanges des Großen Kaukasus, einschließlich der Kobystan-Apscheron- und der mittleren Kura-Senke, aber auch Erscheinungen eines Tondiapirismus und Schlammvulkanismus der Absenkungsbereiche des Krimgebirges, des Großen Kaukasus und des Kopetdag verbunden. Das Ausmaß der EE-Führung dieser Zone erstreckt sich von der oberen Kreide bis

Die tektonische Situation der Bildung von Erdöl und Erdgas

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einschließlich Pliozän, wobei im Plattformkomplex des südlichen Randes der KuraSenke (Decke des Vorkaukasischen Mikrokontinents) Ablagerungen der oberen Kreide, des Eozän und Oligozän EE-führend sind wie im Molassestockwerk der Zwischengebirgssenken hauptsächlich das Pliozän. Innerhalb der UdSSR befindet sich noch ein Abschnitt des alten Eurasiatischen Kontinentrandes, der heute von der Karpatenvorsenke und dem Flysch der äußeren Karpaten eingenommen wird. Im Laufe des späten Präkambriums und Paläozoikums vergrößerte sich der SW-Rand des alten Osteuropäischen Kratons durch Akkretion der baikalischen, kaledonischen und herzynischen Faltenbildungen, und Anfang Mesozoikum ging er in den Bestand des Kontinents ein. Im höchsten Jura wurden in Verbindung mit der Öffnung eines Riftbeckens vom ozeanischen Krustentyp an der Grenze der äußeren und inneren Karpaten die äußeren Karpaten im Bereich des Kontinentalhanges und -fußes dieses Beckens mit mächtigen flyschigen Sedimentakkumulationen umgestaltet. Ende Oligozän/Anfang Miozän erfolgte die Schließung dieses Beckens durch Kollision der Innerkarpatisch-Pannonischen Mikroplatte mit der Eurasiatischen Platte, begleitet von einer Unterschiebung letzterer unter die erste. Im Ergebnis dieser Kollision war auch die Bildung einer komplizierten schuppenartigen Überschiebungsstruktur der inneren Karpaten und des inneren Randes einer vor ihrer Front entstehenden Molassesenke verbunden. In diesen Strukturen sind die Hauptlager von Erdöl und Erdgas der Karpatenregion angeordnet, die in Speichergesteinen eozänen und oligozänen Alters enthalten sind. Am äußeren Rand der Vorsenke befinden sich in der miozänen Molasse Gaslager. In typischer Weise ist dem gegenwärtig aktiven Rand im äußersten Osten der UdSSR der EE-führende Bereich von Nordsachalin zugeordnet. Dieser liegt im hangenden Flügel der seismischen Zone, die Sachalin und deren östlichen unterschobenen Rand als Bestandteil der Amur-Mikroplatte von der Derjugin-Senke mit subozeanischer Kruste als Bestandteil der Mikroplatte des Ochotskischen Meeres trennt. Deshalb gehört die tiefe, mit mächtigen neogenen Sedimenten angefüllte Nordsachalinische Senke mehr zur Klasse der vor dem Inselbogen gelegenen Senken (fore-arc-basin). Eine analoge Natur besitzt wahrscheinlich die Nishnechatyr-Senke im Korjakengebiet, die sich teilweise auf dem Festland, aber in ihrem tiefsten Teil auf den Schelfbereich des Beringmeeres erstreckt. Die untere Anadyr-Senke im Norden des KorjakenGebirges zählt mehr zum Typ der hinter dem Inselbogen gelegenen Senken (back-arcbasin). In jüngster Zeit verlor die seismische Zone, die die Unterschiebung der AJeutenSenke des Beringmeeres unter den Korjaken-Alaska-Kontinentalrand widerspiegelt, ihre Aktivität. Ein besonderer Typ von EE-führenden Becken ist im Südosten von Mittelasien entwickelt, zu ihm gehören das Fergana-Becken und das Südtadshikische Becken. Sie befinden sich in der breiten Zentralasiatischen Zone vom Typ der Epiplattform-Orogenese, die aus einem Mosaik von Mikroplatten besteht und eine Pufferzone zwischen den kollidierten Indischen und Eurasiatischen Lithosphärenplatten darstellt. Die gesamte Zone liegt somit in einem Bereich intensiver submeridionaler Pressung, die ihr Maximum auf der Länge des Pamir und des südlichen Tienschan erreicht. Die Pressung äußert sich sowohl durch mächtige linienförmige Gebirgsketten und dazwischen gelegene Becken, zu denen auch das Fergana- und Südtadshikische (Afghanisch-Tadshikische) Becken gehören, als auch in Bewegungen längs großer Brüche insbesondere der Talasso-Fer-

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gana- und der Süd-Hissar-Störung. Mit diesen Störungen ist wahrscheinlich die Entstehung von Falten in den Molassen der Fergana-Senke und der Südtadshikischen Depression und dem darunter befindlichen Plattformkomplex, verbunden. Als EE-führend erweist sich gerade von beiden Senken die letztere im Intervall von Jura-Paläogen. Dabei sind Jura und Kreide hauptsächlich erdgasführend, erdölführend ist vorwiegend das Paläogen. Diesen Randtyp (in bezug auf die Eurasiatische Platte) kann man als Kollisionstyp bezeichnen. In seinem Grenzbereich ist eine große Zahl von EE-führenden Becken auf dem benachbarten Territorium des westlichen China angeordnet. Demzufolge tendiert ein großer Teil EE-führender Becken der UdSSR zu alten und jungen Kontinenträndern. Aber das größte Becken, das Westsibirische, einzigartig in seinem Ausmaß, fällt offensichtlich aus diesen Gesetzmäßigkeiten heraus, da es inmitten des Eurasiatischen Kontinents liegt und weit entfernt vom nächsten Ozean, dem Nördlichen Eismeer, ist. Es ist hinsichtlich seiner Bildungszeit jünger als der Haupt-EE-führende, jurassisch-kretazische Komplex Westsibiriens. Eine aufmerksamere Analyse weist dennoch auf das Vorhandensein einer deutlichen Verbindung, wenn auch in indirekter Form, mit der Bildung dieses Ozeans hin. Das Westsibirische (Mega-) Becken entstand, wie geophysikalische Daten zeigen, über einem System großer Rifte von hauptsächlich meridionaler Erstreckung triassischen Alters. Ein Abzweig dieses Systems, eine 3-Spaltenstruktur bildend, ist offensichtlich das JenisseiChatanga-Rift, über dem die gleichnamige Senke mit dem gleichen Ausmaß an Erdgasführung entstand, was auch im Norden Westsibiriens hauptsächlich in der Kreide der Fall ist. (Eine Reihe von Lagerstätten enthalten neben Gas auch Kondensat.2)Im Norden setzt sich das Riftsystem Westsibiriens, möglicherweise zurückdatierend bis zum späteren und sogar mittleren Paläozoikum, wahrscheinlich in die Kara-See fort. Das Riftsystem von Westsibirien und der Kara-See ist in vielem analog dem Riftsystem der Nordsee und hat eine ähnliche Lage zum Ozean inne; im ersten Fall wie das Norwegisch-Grönländische, im zweiten Fall wie das Eurasische Becken. Beide Systeme gingen bis zur Bildung des Atlantischen und Arktischen Ozeans in den Bestand des riesigen und komplizierten weitverzweigten Riftgürtels ein, welcher sich an der Stelle der Nordatlantischen und Ural-Sibirischen (nördlicher Teil der Ural-Ochotskischen) Geosynklinalzonen, nach deren Schließung und Faltung im mittleren und späten Paläozoikum, zu formieren begann. Ein analoges Riftsystem beginnt auch im Fundament der Megasyneklise des Barentsmeeres sichtbar zu werden. Sie alle bleiben erhalten an der östlichen und südlichen Seite des Atlantisch-Arktischen Rifts, ähnlich wie das Labrador-Baffin-Rift längs seiner NWSeite erhalten blieb. Die Epirift-Becken, Westsibirien-Karasee, Jenissei-Chatanga und Barents-See, die Riftbecken von Pripjat-Dnepr-Donez und Becken paläozoischer und mesozoisch-känozoischer passiver Ränder sind durch ihre Bildungsprozesse — Destruktion kontinentaler Kruste, Dehnung, Ausdünnung und Öffnung — miteinander verbunden. Eine bedeutend kleinere Zahl von EE-führenden Becken ist mit Prozessen der Konvergenz von Platten und Pressung verbunden, das sind Becken aktiver Ränder des Fernen 2

Hier wurde nicht die EE-Führung des Paläozoikum des südlichen Westsibiriens berührt, da die Gesetzmäßigkeiten der Verteilung von Lagern und ihrer Genese noch nicht völlig klar sind.

Die tektonische Situation der Bildung von Erdöl und Erdgas

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Ostens und Kollisionsfronten des westlichen Mittelasiens. Obwohl diese beiden Beckentypen in unterschiedlicher geodynamischer Situation entstanden (im ersten Fall durch Dehnung, im zweiten Fall durch Pressung), zéigen sie zwei gemeinsame wichtige Eigenschaften: intensive Absenkung und mächtige Sedimentation einerseits und hohen Wärmefluß andererseits, die ihre EE-Bildungs- und -Akkumulationseigenschaften beeinflussen. Die Plattentektonik bereicherte die EE-Geologie durch das tiefgründige Verstehen •der geodynamischen Prozesse und der Verteilungsgesetzmäßigkeiten von EE-führenden Becken, und darauf aufbauend ist eine relative Bewertung ihres KohlenwasserstoffPotentials möglich.

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Der gegenwärtige Stand und die weitere Entwicklung plattentektonischer Theorien S. A . USAKOV u n d G. OLSZAK 1 Zusammenfassung: Es werden die Grundthesen der plattentektonischen Theorie im Überblick dargestellt und an Beispielen erläutert. Es wird betont, daß die Konzeption der Plattentektonik bereits zahlreiche globale Naturerscheinungen erklären konnte, die zuvor keine befriedigende Deutung fanden. Der Hauptweg der weiteren Entwicklung der geologischen Wissenschaften liegt in der Vervollkommnung und praktischen Nutzung der Theorie der Plattentektonik. Die vorsichtige, genaue und kritische Aneignung vorausgegangener geologischer Erfahrungen bietet die Gewähr ihrer erfolgreichen praktischen Anwendung für die Suche von Lagerstätten.

Die Konzeption der Plattentektonik ist 1967—68 formuliert worden. Sie vereinigte vier mobilistische Hypothesen: Kontinentaldrift nach WEGENER; das Abtauchen der Lithosphäre unter Inselbögen; die Neubildung des Meeresbodens von einer Riftspalte ausgehend (HESS, 1962); große horizontale Gleitvorgänge der Plattenränder an Transf o r m s t ö r u n g e n (WILSON, 1965).

Die Grundthesen der Plattentektonik laufen auf folgendes hinaus: An der Oberfläche unseres Planeten verschieben sich als einheitliches Ensemble die sphärischen Platten der Lithosphäre, d.h. der obersten, kältesten kristallinen, und daher festen und spröden Hülle unseres Planeten. Wenn die Lithosphäre in ihren tiefsten Teilen zu schmelzen beginnt, wird sie zur Asthenosphäre. Die Dicke der Lithosphäre verändert sich in weiten Grenzen von einigen Kilometern in den Riftspalten des Meeresbodens bis zu 150 bis 200 und mehr Kilometern unter alten Schilden und Plattformen der Kontinente. Die Wahrscheinlichkeit ist nicht ausgeschlossen, daß es unter einigen Bereichen uralter Plattformen und Schilde keine Asthenosphäre (in der obigen Definition) gibt, in 150 bis 200 km Tiefe aber eine Mantelschicht, die über Hochtemperaturkriechen verf ü g t (USAKOV, GALTTSKIN, 1979).

Große lithosphärische Platten gibt es nur wenige, insgesamt acht bis zehn. Die Anzahl der großen Platten wird in gewissem Maße von der Wahl einer typischen.Plattengröße und der Geschwindigkeit ihrer relativen Verschiebung bestimmt. Sechs große Platten bestehen sowohl aus ozeanischer als auch aus kontinentaler Lithosphäre: die Eurasische, die Nordamerikanische, die Südamerikanische, die Afrikanische, die Indoaustralische und die Antarktische Platte. Die größte Platte ist die des Pazifischen Ozeans, eine ausschließlich ozeanische. Es gibt noch eine andere, weniger große ozeanische Platte — die Nascaplatte. Und noch eine nicht sehr große ozeanische Platte — die Cocosplatte 1

Anschriften der Verfasser: Prof. Dr. S. A. USAKOV, Moskauer Staatliche Lomonosov-Universität, Geologische Fakultät, Moskau 117234, Leninberge, U d S S R ; Prof. Dr. G. OLSZAK, Karl-Marx-Universität Leipzig, Sektion Physik, Wissenschaftsbereich Geophysik, D D R - 7 0 1 0 Leipzig, Talstr. 35.

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und die mit ihr in der Fläche vergleichbare, fast gänzlich kontinentale Arabische Platte. Diese großen Platten zusammen nehmen über 85% der Erdoberfläche ein. Neben den großen Platten wurden einige Dutzend kleinere Platten (hauptsächlich anhand geomorphologischer und seismologischer Daten) unterschieden. Fast alle kleinen Platten gehören zum Bestand der zwei planetarischen Pressungsgürtel der Lithosphäre: dem Alpen-Himalaja- und dem Zirkumpazifischen Gürtel. An den Grenzen dieser Platten herrschen Pressung bzw. Gleiten mit Pressung vor. Die meisten und intensivsten tektonischen Prozesse vollziehen sich an den Rändern der Lithosphärenplatten. Es werden drei Typen von Plattenrändern unterschieden: divergente, konvergente und transforme. An divergenten Plattenrändern tritt in dem entstehenden Spalt Manteldifferentiat aus, welches erstarrt und ozeanische Kruste bildet. Das Auseinanderrücken der Lithosphärenplatten führt zur Bildung neuer ozeanischer Kruste und Lithosphäre. Das Auseinandergleiten der Ränder eines sich aufspaltenden Kontinents birgt den Beginn der Entstehung einer neuen Ozeansenke in sich. Konvergente Plattenränder werden in zwei Typeh unterteilt. Der erste Typ ist dort zu finden, wo die ozeanische Lithosphäre während des Zusammenpressens und Auftreffens auf den Rand einer anderen Platte tief in den Mantel einsinkt. Der Prozeß des Einsinkens der ozeanischen Lithosphärte in den Mantel bedingt die Bildung von Spalten, was auch als seismische Tiefenaktivität, als schmale geneigte seismofokale Zone, unter Inselbögen und aktiven kontinentalen Randgebieten fixiert wird. Beim Hinabgleiten einer ozeanischen Platte in den Mantel trennen sich beim Aufschmelzen die leichtflüchtigen Komponenten der ozeanischen Kruste und geben beim Aufsteigen Anlaß zu einem typischen andesitischen und sauren Magmatismus. Die schweren Komponenten der ozeanischen Platte sinken nach unten, und die versinkende ozeanische Platte beginnt bei allmählicher Erwärmung zu schmelzen. Der zweite Typ konvergenter Ränder findet sich dort, wo kontinentale Plattenränder zusammengepreßt werden. Die kontinentale Platte spielt, da sie weniger dicht und damit leichter als der Mantel ist, in der Zusammensetzung der Lithosphäre die Rolle eines „Schwimmers". Die geringe Dichte verhindert, daß die kontinentale Lithosphäre tief in den Mantel einsinkt. Beim Zusammenpressen der kontinentalen Lithosphäre entsteht eine Situation ähnlich dem Zerbrechen von Eisschollen, sie schieben sich übereinander. Eben durch ein solches Zusammenpressen ist in den letzten 35 bis 40 Millionen Jahren der Alpen-Himalaja-Gebirgsgürtel entstanden und entwickelt sich noch heute weiter. Den dritten Typ der Grenzen bilden Transformstörungen: Brüche, an denen die Ränder zweier Platten ohne erhebliches Auseinanderrücken und Aufeinanderschieben aneinander vorbei gleiten. Die Transformstörungen verbinden verschiedene Abschnitte divergenter und konvergenter Plattenränder. Deshalb ist jede Platte zu jedem.Zeitpunkt völlig von den Grenzen dieser drei Typen umrissen. Alle großen Platten bewegen sich als einheitliches Ensemble. Die Geometrie der Verschiebung einer Platte zu einer beliebigen anderen, die bedingt als unbeweglich angenommen wird, läßt sich als Sphärenrotation beschreiben. Diese Rotation erfolgt mit einer bestimmten „plötzlichen" Winkelgeschwindigkeit zur mathematischen Achse, die durch den Erdmittelpunkt verläuft und die Erdoberfläche in zwei Punkten — den E U L E B schen Polen — schneidet. Im geologischen Zeitmaßstab ist es üblich, die „momentane" Winkelgeschwindigkeit der Plattenrotation in Grad pro 1 Mill. Jahre zu berechnen. Die endliche Verschiebung einer starren Lithosphärenplatte aus einer Lage in die andere

S t a n d u n d E n t w i c k l u n g plattentektonischer Theorien

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läßtsich als Serie „jäher" Drehungen darstellen. Sämtliche Verschiebungen starrer Platten auf der Erdoberfläche lassen sich als Rotationen beschreiben. Beispielsweise läßt sich durch die endliche Rotation Afrikas zu Südamerika theoretisch der Südatlantik schließen, und mit Hilfe einer Serie von Differentialdrehungen dieses Kontinentpaares kann man die Geschichte der Öffnung der Südatlantischen Senke verfolgen. Festigkeit und Starrheit der Lithosphäre machten es bei relativ kurzzeitiger Einwirkung von Störkräften möglich, auf der Basis unterschiedlicher geologisch-geophysikalischer Daten, insbesondere des anomalen Magnetfeldes des Meeresbodens sowie der Streichrichtung transformer Brüche und der Mechanismen in Erdbebenherden, ein geschlossenes, globales, quantitatives Modell der momentanen Kinematik der wichtigsten Lithosphärenplatten zu errechnen. Das erste globale Modell der momentanen Kinematik der großen Platten ist von L E PICHON ( 1 9 6 8 ) berechnet worden, dann folgten solche Modelle von MORGAN ( 1 9 7 2 ) , MINSTEE U. a. ( 1 9 7 4 ) , USAKOV und GALUSKIN ( 1 9 7 8 ) . All diese quantitativen kinematischen Modelle, die auf mit den Jahren größer werdenden geologischen, geomorphologischen und geophysikalischen Daten basieren, weisen ähnliche Endergebnisse auf. Hervorgehoben werden müssen die wesentlichen Unterschiede der Theorie der Plattentektonik (Neomobilismus) zum klassischen Mobilismus von WEGENER. Erstens wird als Verschiebungsoberfläche der äußeren Hülle zum tieferen Inneren der Erde nicht die Moho-Fläche angenommen, sondern die Grenze zwischen Asthenosphäre und Lithosphäre, wobei letztere auch die obersten Teile des Erdmantels mit einer Dicke bis zu 200 Kilometer umfaßt. Zweitens wird der durch die Öffnung einer Riftspalte bedingte Zuwachs der ozeanischen Lithosphäre durch deren Abtauchen unter Inselbögen und aktive Kontinentränder völlig ausgeglichen. Drittens liefern gerade die leichtesten und leichtschmelzenden Differentiate der in den Mantel einsinkenden ozeanischen Platte und der mit ihr hinabgeschleppten Sedimente das Ausgangsmaterial des andesitischen Magmatismus, dessen Produkte auch die eigentliche kontinentale Erdkruste bilden. Viertens werden als Ursache für die Plattenbewegung nicht die durch die Erdrotation bedingten Kräfte angenommen, wie das die frühen Mobilisten vermuteten, sondern Konvektionsströme, die den gesamten Mantel erfassen. Diese Konvektion ist wahrscheinlich die Folge der Differenzierung der Mantelsubstanz in schwere Komponenten, die zum Erdkern absinken, und in leichte, die in die Erdrinde, die Hydrosphäre und die Atmosphäre gelangen (SOROCHTIN, 1 9 7 4 ; 1 9 7 9 ; USAKOV, 1 9 7 4 ) . Von allgemeinen physikalischen Positionen aus kann sich das Ensemble der lithosphärischen Platten an der Erdoberfläche nur unter der Bedingung verschieben, daß die innere Wärmeerzeugung die konduktiven Wärmeverluste durch die Lithosphäre übersteigt (USAKOV, FEDYNSKIJ, 1 9 7 3 ) . Schätzungen zeigen, daß nur die ein- bzw. zweizeilige Konvektion des Erdmantels energetisch vorteilhaft ist. Die räumliche Lage der divergenten und konvergenten Plattengrenzen lassen die Annahme zu, daß die Struktur der Mantelkonvektion gegenwärtig der zweizeiligen nahekommt (USAKOV, GALTJSKIN, 1978).

Zu Zeiten der Existenz des gigantischen einheitlichen Kontinents Pangea vor etwa 200 Mill. Jahren war die Konvektion wahrscheinlich einzellig. Man kann annehmen, daß die Umgestaltung der Struktur der Mantelkonvektion zur Spaltung der Kontinente und zur Bildung neuer Tiefseesenken, zur Kollision kontinentaler Ränder und zur Bildung von Faltengebirgsgürteln (z. B. dem Alpen-Himalaja-Gürtel) — Nahtzonengeschlossener Tiefseesenken — führt.

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Die Plattentektonik hat viele Thesen der Geosynklinalkonzeption, die noch unlängst als fundamental angesehen wurde, grundlegend verändert. Anstelle der fixistischen Ereignisfolge (Aufwölbung — Einsenkung — Faltung — Inversion — Übergang zum Plattenstadium), einer Folge, die keine guten aktualisierten Analogien hat, wurde eine neue mobilistische Folge der Stadien der Evolution der Lithosphäre vorgeschlagen, die als „WiLSON-Zyklus" bekannt ist (Wilson, 1966). Das Anfangsstadium dieses Zyklus ist die intrakontinentale Aufspaltung; ein aktualisiertes Beispiel ist die Große Afrikanische Riftzone. Das nächste Stadium ist die vollständige Spaltung des Kontinents und die Entstehung einer neuen jungen Tiefseesenke; Beispiele: Rotes Meer und Golf von Aden. Dann folgt das dritte Stadium — Erweiterung der Fläche des jungen Meeres, Ansammlung mächtiger (bis 15—18 km) Sedimentserien an seiner Peripherie; Beispiele sind große Teile des Atlantiks und der nordwestliche Teil des Indischen Ozeans. Das Stadium der Ausweitung des Ozeans wird vom Stadium der Verkleinerung seiner Fläche, vom Abtauchen (Subduktion) der ozeanischen Lithosphäre an der Peripherie der Senke, von der Herausbildung aktiver kontinentaler Randgebiete, Inselbögen und Randmeere abgelöst; Beispiele: Stiller Ozean und nordöstlicher Teil des Indischen Ozeans. Die Einengung der Ozeane geht weiter bis zu deren völliger „Schließung", bis zur Kollision der Inselbögen bzw. der kontinentalen Randgebiete miteinander und bis zur Entstehung eines Pressungsgürtels der Lithosphäre. Der derzeitige Alpen-Himalaja-Faltengürtel und der südwestliche Teil des Zirkumpazifischen Gürtels liefern zahlreiche aktualistische Beispiele derartiger Zusammenstöße. Die Aufhebung der Druckspannungen (wahrscheinlich durch Umgestaltung der Struktur der Mantelkonvektion) führt weiter zu einer passiven Entwicklungsetappe eines solchen Gürtels, zu seinem Übergang in das Tafelstadium innerhalb der Platte. Demzufolge ist nach der Theorie der Plattentektonik jede uralte geosynklinale Zone eine strukturelle Naht eines geschlossenen, mehr oder weniger großen ozeanischen Bereiches. Die verschiedenen strukturfaziellen Gesteinskomplexe, die sich im Bereich einer solchen Nahtzone in unmittelbarer Nachbarschaft bzw. in geringer Entfernung voneinander befinden, konnten zur Zeit ihrer Bildung Hunderte, ja Tausende Kilometer voneinander entfernt sein. Deshalb bedarf die Ausführung paläotektonischer Rekonstruktionen vom Standpunkt des Neomobilismus aus einer exakteren Algorithmierung als vom früheren fixistischen Standpunkt aus. Es macht sich notwendig, nicht nur die Folge der wichtigsten tektonischen Ereignisse anhand von Indikatorgesteinen zu rekonstruieren, sondern auch die Stelle zu bestimmen, wo diese Ereignisse stattgefunden haben. Zur Rekonstruktion der Lage der Kontinente und Ozeane in den verschiedenen Perioden der geologischen Vergangenheit werden paläomagnetische Daten benutzt. Dank dem Paläomagnetismus erhielt die Geophysik jene Elemente des Historismus, die sie im vollen Sinne zu einem Bestandteil der Geologie als der Wissenschaft über die Geschichte der Evolution unseres Planeten gemacht haben. Ende der 40er bis Anfang der 50er Jahre haben die Geophysiker zielgerichtet mit der Untersuchung der Größe und der Richtung des Vektors der Restmagnetisierung orientierter Proben von Gesteinen unterschiedlichen Alters, die auf den verschiedenen Kontinenten entnommen worden sind, begonnen. Die paläomagnetischen Daten, die entsprechend den Forderungen der mathematischen Statistik gesammelt worden sind, lassen die Annahme zu, daß eine Drift der Kontinente als Teile der lithosphärischen Platten mindestens während der letzten 2,5 Mrd. Jahre der Erdgeschichte vor sich ging. Diese Schlußfolgerung wird auch von geologischen Daten erhärtet, d. h. von Hinweisen auf Nahtzonen unterschiedlichen Alters

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als Spuren geschlossener Ozeanbecken der geologischen Vergangenheit (USAKOV, 1974; ÖALTJSKIN, 1 9 8 3 ; B U B K E , DEWEY, K I D D , 1 9 7 6 , 1 9 7 7 ) . Wenn man die ersten linearen Faltengürtel als Ergebnis des Zusammenstoßes der Ränder von Paläoplatten ansieht, dann hat die Verschiebung des Ensembles der lithosphärischen Platten sogar vor rund 4 Mrd. Jahren eingesetzt. Mit anderen Worten, während des gesamten Zeitraumes der geologischen Geschichte unseres Planeten war die Plattentektonik wirksam. Aus diesem Grunde ist das wichtigste Problem der geotektonischen Forschung die Neuinterpretation der geologischen Daten auf der Grundlage des Neomobilismus. Diese Arbeit wurde während der letzten anderthalb Jahrzehnte intensiv durch Geologen und Geophysiker betrieben. Es wurde ein globales Modell der Verschiebungsgeometrie der wichtigsten Lithosphärenplatten für das Phanerozoikum in England von A . G. SMITH U. a. ( 1 9 7 3 ) , in der UdSSR von L . A . ZONENSAJN und A . M. GORODNICKIJ ( 1 9 7 7 ) und in Kanada von E. R. KAUASEVIÖ u. a. ( 1 9 7 8 ) erstellt. Dabei wurde festgestellt, daß das prinzipielle Bild der räumlichen Lage der Kontinente, Ozeane und Grenzen der lithosphärischen Platten vor 500 bis 550 Mill. Jahren an die derzeitige Lage erinnert, allerdings um 90° gedreht. Demzufolge muß die Struktur der Mantelkonvektion zu Beginn des Phanerozoikums einer zweizeiligen ähnlich gewesen sein. Ausgehend von der geohistorischen Interpretation des anomalen Magnetfeldes des Ozeans wurde eine korrekte Rekonstruktion der Verschiebung der lithosphärischen Platten für das späte Mesozoikum und das Känozoikum, d. h. nach dem Zerfall der Pangea, vorgenommen. Es wurde festgestellt, daß im Zeitraum des Maximums der linearen Ausbreitungsgeschwindigkeit des Bodens des Weltmeeres eine globale Transgression vor sich geht, während im Zeitraum des Minimums der mittleren linearen Spreading-Geschwindigkeit eine globale Regression abläuft (USAKOV, GALUSKIN, 1 9 8 3 ; HAYS, PITMAN, 1 9 7 3 ) . Die räumliche Lage der Kontinente und Oz'eane wirkt sich erheblich auf das Klima der Erde aus. Die Lage der Kontinente an den Polen führt infolge der Vergrößerung der Albedö zu einer Abkühlung der Polargebiete und zu einer allmählichen Herausbildung von Eiskalotten in diesen Gebieten. Demzufolge sind die Kontinente an den Polen globale Kältespeicher. Die Entfernung der Kontinente von den Polargebieten führt zu einer wesentlichen Erwärmung. Diese Schlußfolgerung ergab sich auf der Basis globaler paläoklimatischer Rekonstruktionen, die für das ganze Phanerozoikum vorgenommen worden sind. Ein weiterer wichtiger klimabildender Faktor, der ebenfalls mit der Plattentektonik zusammenhängt, sind glob.ale Transgressionen und Regressionen. Während der'Transgressionen, die bedingt sind durch eine größere Ausbreitungsgeschwindigkeit der ozeanischen Lithosphäre, war das Klima auf der Erde milder, während der Regressionen dagegen war die klimatische Zonalität krasser. Die Verbindung der Regression mit einer Verlagerung der Kontinente zu den Polen führt zu Epochen großer Deckenvereisungen. Das Dargelegte zeigt, daß die Konzeption der Plattentektonik in den 15 Jahren ihrer Entwikclung von einem einheitlichen Standpunkt aus zahlreiche globale Naturerscheinungen erklären konnte, die zuvor keine befriedigende Klärung gefunden hatten. Dazu gehört die Klärung des Wesens des zur Riftspalte symmetrischen, alternierenden und linear gestreckten anomalen Magnetfeldes des Ozeans; es wurde nicht nur eine Erklärung gegeben, sondern anhand des anomalen Magnetfeldes auch das jeweilige Alter des Meeresbodens vorausgesagt, das durch unzählige Daten von Tiefseebohrungen geprüft und bestätigt worden ist. 2

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Eine andere weithin bekannte Erscheinung, die ebenfalls eine Erklärung fand, ist der Mediancharakter der Riftachse und der mit ihr verbundenen submarinen mittelozeanischen Schwelle in jungen, sich ausbreitenden Tiefseesenken relativ zu den Rändern der sie umgebenden Kontinente: Die dünne, neugebildete ozeanische Lithosphäre reißt unabhängig von der Kinematik der an diesen Spalt grenzenden lithosphärischen Platten etwa in der Mitte auf. Deshalb verschiebt sich die ozeanische Riftspalte selbst ebenfalls an der Erdoberfläche je nach Ausbreiten des Meeresbodens ( L E PICHON, FRANCHETEAU, B O N N I N , 1977; USAKOV, GALUSKIN, 1978).

Es gibt noch eine weitere, durch die Plattentektonik erklärbare globale Naturerscheinung. Sie betrifft die Zunahme der Meerestiefe mit zunehmender Entfernung von der Riftspalte, die, wie jetzt festgestellt worden ist, in der ersten Näherung direkt proportional zur Quadratwurzel aus dem Alter des Meeresbodens ist (SOROCHTIN, 1973; P A R K E R , OLDENBURG, 1973). Die Zunahme der Tiefe des Meeresbodens ist das Ergebnis der Erkaltung und thermischen Kontraktion der ozeanischen Lithosphäre, entsprechend ihrer Alterung und den konduktiven Wärmeverlusten. Es lassen sich noch viele Beispiele bekannter Naturerscheinungen anführen, die mit Hilfe der Modelle der Plattentektonik erklärt werden können. Da ist die Überlagerung der Karbonat-Ton-Sedimente des Ozeans durch Tiefseetone, die sich mit zunehmender Entfernung von der Schwellenachse mit zunehmender Alterung und Senkung des Meeresbodens unter das Niveau der Karbonatkompensation vollzieht. Da ist die Erklärung des charakteristischen isostatisch unausgeglichenen Reliefs der Inselbögen: einerseits die nichtvulkanischen Ketten und andererseits die Tiefseerinnen. Es lassen sich noch Dutzende von Beispielen globaler oder sehr weit verbreiteter Naturerscheinungen anführen, die eine einfache Erklärung gefunden haben und als Bestandteil in die sich entwickelnde Konzeption der Plattentektonik eingegangen sind. Trotz ihrer Jugend — die Plattentektonik gibt es erst reichlich 15 Jahre — machte es die neue Konzeption möglich, einige überzeugende Prognosen der Naturerscheinungen anzustellen. Am meisten beeindruckt die Prognose des Alters des Weltmeeresbodens, die durch die Ergebnisse von Tiefseebohrungen hinreichend bestätigt worden ist. Weniger bekannt, dennoch außerordentlich wichtig für das Verständnis der Petrologie der kontinentalen Kruste ist die Prognose einer relativ dünnen (bis 0,5 km mächtigen) Sedimentschicht im Bereich der Inselbögen. Sie wurde von sowjetischen Geophysikern theoretisch gestellt und im Kurilen-Graben erstmals nachgewiesen (LOBKOVSKIJ, SoROCHTIN, 1976; GARKALENKO, USAKOV, 1978).

Eine weitere wichtige Prognose betrifft das globale quantitative Modell der „momentanen" Kinematik der lithosphärischen Platten. Anhand unterschiedlicher Daten, insbesondere anhand des anomalen Magnetfeldes des Ozeans, der Streichrichtung der Transformstörungen und ihrer Spuren auf dem Meeresboden, der horizontalen Komponenten der Verschiebungsvektoren in Erdbebenherden an konvergenten und transformen Plattengrenzen, machte es dieses Modell möglich, die mittlere Größe und die Richtung der Verschiebung jeder großen Platte in den vergangenen 1 bis 5 Mill. Jahren zu bestimmen. Sehr wichtig ist, daß alle folgenden Modelle, die auf der Basis eines großen Umfangs und besserer geologisch-geophysikalischer Informationen erstellt worden sind, sich vom ersten nur innerhalb der Fehlergrenze unterscheiden. Vor wenigen Jahren wurde die Verschiebung der Lithosphärenplatten direkt anhand, der Beobachtungen des DoppLER-Effekts von Satelliten gemessen. Dabei wurden Beobachtungsergebnisse von 20 Stationen in Europa, Afrika, Nord- und Südamerika,.

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in Australien, auf den Philippinen und den Samoa-Inseln im Stillen Ozean genutzt. Die Genauigkeit der Bestimmung der Geschwindigkeit der relativen Verschiebung der Stationen im Zeitraum von 1975 bis 1982 beträgt nach Einschätzung der Autoren etwa 2 cm/Jahr. Besonders repräsentative Daten wurden für vier Platten ermittelt: die Nordamerikanische, die Eurasische, die Pazifische und die Australische (nach L. P. ZONENSAJN, 1984).

Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, stimmen die über insgesamt sieben Jahre gemessenen Richtungen und Geschwindigkeiten der drei Platten mit denen überein, die das globale kinematische Modell liefert, welches für den Zeitraum der letzten Millionen Jahre erstellt worden ist. Allerdings lagen die über mehrere Jahre gemessenen Geschwindigkeiten etwa doppelt so hoch. Wenn die weiteren Satellitenbeobachtungen die Ergebnisse bestätigen werden, die aus den unmittelbaren Messungen der relativen Verschiebung der Lithosphärenplatten ermittelt worden sind, dann weist die erhaltene Divergenz auf eine größere rezente Verschiebungsgeschwindigkeit dieser Platten, verglichen mit der Integralgeschwindigkeit über die letzten Millionen Jahre, hin. Platten

Eurasische Platte Pazifische Platte Australische Platte

Verschiebung zu Nordamerika, cm/a in der Länge

in der Breite

9,7 nach Osten 8,2 nach Westen 1,7 nach Westen

1,3 nach Süden 5,4 nach Süden 14,1 nach Norden

Eine wichtige methodische Folge in der Entwicklung der Konzeption der Plattentektonik war deren schnelles und natürliches Hinüberwachsen in die allgemeinere Konzeption der Globaltektonik, zu deren Ausarbeitung ein außerordentlich bedeutender Beitrag von sowjetischen Geophysikern geleistet worden ist (MONIN, 1977; SOROCHTIN, 197.4, 1 9 7 9 ; USAKOV, 1974). All das Dargelegte ermöglicht auch die Annahme, daß die Plattentektonik eine neue Grundlagentheorie ist, die als Bestandteil Eingang in eine allgemeinere Konzeption — die Globaltektonik, d. h. in die Wissenschaft von der Entwicklung unseres Planeten insgesamt — gefunden hat. Aus der Anerkennung der Plattentektonik als geologische Grundlagentheorie kann jedoch bei weitem nicht gefolgert werden, daß ihre Entwicklung vollkommen abgeschlossen ist. Gegenwärtig sind nur die Grundthesen der neuen Theorie, die sich auf die Kinematik der lithosphärischen Platten, ihre dynamische und thermische Evolution beziehen, formuliert, z. T. experimentell geprüft und bestätigt worden. Bis zur Lösung des Grundproblems — der Klärung des Mechanismus, der die Platten bewegt — ist es noch weit, obwohl die allgemeine physikalische Bedingung ihrer Verschiebung an der Erdoberfläche — das Überwiegen der inneren Wärmeerzeugung über die konduktiven Wärmeverluste durch die Lithosphäre — bereits formuliert ist. Wir sind der Meinung, daß sich die Verschiebung der lithosphärischen Platten infolge der chemischen Dichtekonvektion vollzieht, die den ganzen Mantel der Erde umfaßt und dadurch bedingt ist, daß schwere Elemente (vermutlich Eisenoxide) den äußeren Kern auffüllen und die leichten Elemente des Mantels nach oben steigen und die Erdkruste, die Hydrosphäre und die Asthenosphäre verstärken. Dabei ist die ein- oder zweizeilige Gesamtmantelkonvektion energetisch am vorteilhaftesten (SOBOCHTIN, 1 9 7 4 , 1 9 7 9 ; USAKOV, 1974; GALTJS2*

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KTN, 1978, 1983). Allerdings gibt es zu diesem grundlegenden Problem bisher keine einheitliche Meinung. Beispielsweise D. P. MCKENZIE nimmt an, daß sich der Mantel durch den Zerfall radioaktiver Isotope erwärmt und diese Wärmequelle mächtige konvektive Strömungen im oberen Mantel hervorruft (Hochtemperaturkriechen). Außerdem lassen sich die Schwereanomalien mit einer Wellenlänge von 500—1000 km mit Hilfe eines Modells von Konvektionszellen erklären, die nur den oberen Erdmantel bis zu 700 km Tiefe erfassen (MCKENZIE, 1983). Nach unserer Auffassung rechnet D. P. MCKENZIE mit einem zu hohen Gehalt an radioaktiven Isotopen im Mantel. Aber auch in seinem Modell reicht die radioaktive Wärme nicht aus. Er führt eine zusätzliche Bedingung ein und schreibt dem oberen Mantel die Rolle eines Isolators zu, der die radiogene Wärme zurückhält, die sich schon früher im tieferen Mantel angesammelt hat. Mit dem Problem der Mantelkonvektion aufs engste verbunden ist ein anderes bisher noch nicht gelöstes grundlegendes Problem der Plattentektonik, die Natur der „heißen Flecken" (hot spots). Über die Ursachen ihrer Entstehung, genauer gesagt, der mit ihnen verbundenen Bereiche eines reichlichen Basaltmagmatismus innerhalb einer Platte (selten zwischen den Platten) mit (gegenüber den in der Riftspalte entstandenen Tholeiiten) erhöhtem Gehalt an lithophilen Elementen mit großen Ionenradien gibt es bis jetzt noch keine einheitliche Auffassung. Nach gravimetrischen und geomorphologischen Daten sind diese Bereiche in der Regel durch positive Faye-Anomalien und solche des Oberflächenreliefs gekennzeichnet, was am wahrscheinlichsten mit dem Aufstieg des weniger dichten Mantelmaterials zusammenhängt. Anhand dieser Parameter lassen sich die „heißen Flecken" in größere und kleinere unterteilen. Der charakteristische Radius der großen Bereiche übersteigt 1000 km. Derartige Bereiche gibt es nicht viele: das sind der nordatlantische Hot spot mit dem Zentrum bei Island; der Afrikanisch-Arabische mit dem Zentrum bei Afar und möglicherweise einer im Gebiet der Galapagos-Inseln. Alle diese „Zentren" liegen an divergenten Plattengrenzen. Viel weiter verbreitet sind die kleineren Bereiche heißer aufsteigender Mantelströme, die zu reichlichem Magmatismus innerhalb der Platten führen. Man kann den Schluß ziehen, daß jede der großen Hotspot-Zonen durch einen mächtigen Mantelstrom bedingt ist, der in der Lage ist, die Platten zu spalten und deren Verschiebung nach verschiedenen Seiten vom Zentrum zu bewirken. Dagegen ist der aufsteigende Strom der kleineren Bereiche nicht mächtig genug, um die Platten zu spalten und zu verschieben. Nicht ausgeschlossen ist auch ein anderer Mechanismus, der die Natur derartiger reichlicher Basaltergüsse innerhalb der Platten erklärt — das sind Spaltenbildungen der Lithosphäre unter der Wirkung von Spannungen in der Platte selbst; die Natur dieses Prozesses ist bis jetzt ebenfalls nicht klar. Das Problem derartiger Aufspaltungen der Platten ist Teil einer neueren Forschungsrichtung — der Intraplattentektonik. Ungeachtet dessen, daß an den Plattengrehzen die wichtigsten tektonischen Prozesse ablaufen, vollzieht sich die Evolution der Lithosphäre auch innerhalb der Platten. Das hängt nicht nur mit den oben behandelten Aufspaltungen der Lithosphäre innerhalb der Platten und mit den mächtigen Basaltergüssen zusammen, sondern auch mit der Entwicklung an den Kontinenträndern atlantischen Typs. Nach der Spaltung eines Kontinents geht während der Ausweitung der jungen ozeanischen Senke infolge der Erkaltung der Lithosphäre in solchen Übergangszonen sowie infolge der Auflast der sich ablagernden Sedimente eine erhebliche Senkung des kristallinen Fundaments sowohl des ozeanischen als auch des kontinentalen Randbereiches vor sich. Dabei sinkt der ozeanische Rand schneller als der angrenzende

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kontinentale, und auf der jungen ozeanischen Kruste kann sich je nach ihrer Alterung in 100—150 Mill. Jahren eine Sedimentschicht mit einer Mächtigkeit bis 15—18 km ansammeln, was derzeit auch fast an der gesamten Peripherie des Atlantischen Ozeans sowie an der nordwestlichen und südlichen Peripherie des Indischen Ozeans festgestellt wurde. Die Plattentektonik brachte eine quantitative Erklärung für die beträchtlichen vertikalen Absenkungen in den Übergangszonen atlantischen Typs, die mit ziemlich starker Änderung der Absenkungsgeschwindigkeit auf Entfernungen von wenigen Zehnern bis zu Hunderten von Kilometern ablaufen. Diese differenzierten, vorwiegend vertikalen Bewegungen lassen sich einer speziellen Dynamik innerhalb einer Platte zuordnen, die bedingt ist durch die thermische Evolution der Lithosphäre. Sie zeigt sich am deutlichsten in den atlantischen Übergangszonen sowie in einigen intrakontinentalen Tafelsenken, beispielsweise auf der Westsibirischen Tafel (USAKOV, GALUSKIN, 1978, 1983). Neben

den vertikalen Bewegungen innerhalb der Platten sind auch horizontale. Bewegungen mit geringen linearen Geschwindigkeiten in der Größenordnung von mm/a bekannt. Derartige Verschiebungen wurden entlang vieler Bruchzonen, insbesondere im Bereich der Eurasischen und der Nordamerikanischen Platte fixiert (OLSZAK, 1980). Viele dieser Bruchzonen innerhalb von Platten sind genetisch mit Kollision und Überschiebungen von Platten in planetaren Pressungsgürteln verbunden — dem Alpen-Himalaja- und dem Zirkumpazifischen Gürtel. Mit der Intraplattentektonik ist die Entstehung kontinentaler Fragmente von Lithosphärenplatten aufs engste verbunden. Bekanntlich läuft der Hauptprozeß der Zunahme der kontinentalen Kruste in den Subduktionszonen der ozeanischen Lithosphäre ab. Bei der Entwicklung jedes einzelnen Kontinents kommt jedoch den Fragmenten der kontinentalen Lithosphäre größeren oder kleineren Ausmaßes, die von einem Kontinent abgespalten werden und schließlich sich wieder mit einem anderen Kontinent vereinigen, eine bedeutende Rolle zu. Wenn diese Teilschollen der kontinentalen Lithosphäre nicht sehr groß sind, etwa einige Dutzend bis hundert Kilometer, dann nennen die Geologen sie oft „Innenmassive", sind sie dagegen größer, d. h., ihre charakteristische lineare Ausdehnung beträgt über tausend Kilometer, dann kommt es zum Zusammenstoß der Ränder zweier Kontinente. Darüber, daß Asien ein zusammengesetzter Kontinent ist, sprach als einer der ersten anhand paläomagnetischer Daten P. N. KROPOTKIN (1972). Heute ist allgemein, bekannt, daß jeder der heutigen Kontinente aus mehreren großen Kontinentfragmenten besteht, die an den Nahtzonen miteinander verschmolzen sind und unzählige Spuren geschlossener ozeanischer Senken enthalten (USAKOV, GALUSKIN, 1983; BUBKE, DEWEY, KIDD, 1977). Insbesondere wurde festgestellt, daß während der

Schließung des Tethys-Ozeans eine Abspaltung kontinentaler Randfragmente von Gondwana und deren Anschluß an den südlichen Rand des Eurasischen Kontinents vor sich ging (DEWEY, PITMAN, RYAN, BONNIN, 1973). Die in der Ausdehnung größten abge-

spaltenen kontinentalen Fragmente von Gondwana sind Indien und Arabien, die sich nach geologischen Zeitmaßstäben sehr schnell an Asien und Australien annähern. Demzufolge ist der Indische Ozean ein direkter Nachkomme des Tethys-Ozeans. Entstanden ist der Indische Ozean infolge der Verschiebung der Riftachse nach Süden und der Entstehung von Subduktionszonen am nördlichen Rand des heute fast geschlossenen Tethys-Ozeans. Mit dem Zusammenstoßen und „Anschweißen" der kontinentalen Fragmente aufs engste verbunden ist auch der Tiefenaufbau der kontinentalen Lithosphäre. Insbesondere kann unter eine junge Inselkette ein kontinentaler Rand gezogen worden sein.

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Das erfolgt gegenwärtig auch am nordwestlichen Rand von Australien, der sich unter die Insel Timor schiebt. Die Ergebnisse seismischer Tiefenforschungen in den Appalachen erlauben es, von einer Feinschuppenstruktur dieses Faltengürtels zu sprechen (ZONENSAJN, 1984). Eine Feinschuppenstruktur kann anhand seismischer Daten der sowjetischen Geophysiker auch im Randbereich des Indischen Subkontinents vermutet werden (ÖEKUNOV, SOLLOGUB, STAROSTENKO U. a., 1984). Somit hat die Plattentektonik das Problem des Tiefenbaues der -Kontinentalkruste, die unter den Bedingungen des Aufschiebens, Unterschiebens und als Folge davon des Zerbrechens unterschiedlich alter Platten entstanden ist, auf neue Art aufgeworfen. Infolgedessen können jüngere Gesteine unter weitaus älteren liegen. Damit zwingen die jüngsten Ergebnisse der geologischen und geophysikalischen Tiefenforschungen dazu, sich vom vorherigen „Granit-Basalt"Modell der Tiefenstruktur der kontinentalen Rinde loszusagen und das neue Modell der komplizierten Übereinanderstapelung von Platten unterschiedlicher Zusammensetzung, unterschiedlichen Alters und unterschiedlicher Genesis anzunehmen. Während der Herausbildung der Theorie der Plattentektonik wurde den Geologen klar, daß die kontinentale Kruste infolge des Eintauchens der ozeanischen Lithosphäre in den Mantel durch Umbildung der ozeanischen Kruste und der mit ihr mitgerissenen Sedimente entsteht. Der Magmatismus im Bereich von Subduktionszonen unterscheidet sich grundlegend von dem relativ homogenen, unmittelbar aus dem Mantel aufsteigenden Magmatismus der ozeanischen Riftplatten. Unter den Inselbögen bilden sich vorrangig intermediäre und saurere Gesteine aus — Andesite und deren intrusive Analoga (Diorite und Granodiorite). Beim Zusammenstoßen von Inselbögen und aktiven Rändern mit passiven herrscht die Bildung von Graniten vor. Bekanntlich unterscheiden sich Andesite und Granodiorite erheblich von Basalten durch einen geringeren Gehalt an Magnesium, Calcium und Eisen und durch höhere Konzentrationen an Kieselsäure, Alkalien und anderen lithophilen Elementen. In der Frühzeit der Herausbildung der Theorie der Plattentektonik unternahmen T. GREEN und A. RINGWOOD den Versuch, nachzuweisen, daß die Basaltkomponente der in den Mantel eingetauchten ozeanischen Lithosphäre sich in Quarzeklogit und Amphibolit verwandelt haben könnte; ihr teilweises Schmelzen in Tiefen von 80 bis 150 km (insbesondere im Beisein dehydratisierten Wassers) müßte mit Siliziumoxid übersättigte Andesit- und Dazitmagmen erzeugt haben (GREEN, RINGWOOD, 1968). Später wurde jedoch nachgewiesen, daß es mit Hilfe dieses Modells nicht leicht ist, die Zusammensetzungen der Mikroelemente und Hauptelemente für die am weitesten verbreiteten Andesite und Dazite zu erklären ( G I L L , 1970; STEKN, W Y L L I E , 1978). Aus diesem Grunde wurde ein komplizierteres petrologisches Modell vorgeschlagen, in dem die Reaktion der sich aus der subduzierten Platte bildenden Differentiate mit Peridotit und Pyrolit im Mantelkeil über der Platte herangezogen wurde (NICHOLLS, RINGWOOD, 1983; RINGWOOD, 1974). Außerdem wird von einer Reihe von Wissenschaftlern anerkannt, daß nur die Subduktion einer gewissen Menge von Meeressedimenten zur Erklärung des Gehalts an radioaktiven Isotopen und seltenen Elementen in vulkanischen Kalk-Alkali-Gesteinen und das Vorhandensein eines „Barium-Ausbruchs" nötig sind ( K A Y , 1980; RINGWOOD, 1982). In den letzten Jahren wird von A. E. RINGWOOD ein Modell der Bildung von Mantel„Megalit" für den Fall entwickelt, daß die „Zunge" der abtauchenden ozeanischen Lithosphäre, in der Phasenübergänge von Basalt und Harzburgit ablaufen, bis in eine Tiefe von 600—650 km reicht. In dem Maße, wie sich dieser „Megalit" erwärmt, sinkt seine Viskosität, und die dichteren Elemente sinken in den Mantel ab, während der

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ehemalige Harzburgit nach oben steigt und nach dem teilweisen Schmelzen zur Quelle von alkalischen Basaltserien, d. h. zum Erzeuger der „heißen Flecken" wird (RINGWOOD, 1982). Wie nahe ein solches Modell der Wirklichkeit kommt, werden künftige Forschungen zeigen. Uns scheint ein einfaches Modell des Ausschmelzens alkalischer Basalte aus der Mantelsubstanz beim Zerfall der (über 60 km) mächtigen Lithosphäre wahrscheinlicher z u sein (SOKOCHTIN, 1 9 7 4 , 1 9 7 9 ) .

Die theoretischen Schätzungen 0 . G. SOROCHTINS (1979) zeigen, daß das Umschmelzen in den Subduktionszonen je nach Eintauchen der ozeanischen Kruste, die von oben mit einer Schicht pelagischer Sedimente überdeckt ist, zur Bildung andesitischer und saurerer Magmen führen muß, die für die heutigen und älteren Inselbögen und aktiven Kontinentalränder charakteristisch sind. Allerdings läßt sich der Ursprung der Granite und Syenite mit einem solchen Modell nicht erklären. Am wahrscheinlichsten ist die Vermutung, daß ein großer Teil dieser Gesteine dank dem Umschmelzen terrigener und mariner Ablagerungen einer Übergangszone atlantischen Typs beim Aufschieben von Inselbögen oder aktiven Kontinenträndern des Andentyps entsteht. Natürlich kann man annehmen, daß die Magmen, die beim Schmelzen der in die Subduktionszone hineingezogenen Sedimente und anderer Gesteine des Kontinentalrandes entstehen, sich in erheblichem Maße auch durch die Zusammensetzung des letzteren erklären lassen. Vom Standpunkt der Plattentektonik aus läßt sich der Ursprung der palingenen Granite durch Umbildung sedimentär-vulkanogener Schichtenfolgen durch mineralisierte Fluide erklären, die aus den Unterschiebungszonen der Platten im rückwärtigen Teil der Inselbögen und aktiven Kontinentränder aufsteigen (MONIN, SOEOCHTIN, 1983).

Der angeführte kurze Überblick der derzeitigen Vorstellungen vom Ursprung und von der Evolution der Kontinentalkruste in den Abtauchungszonen der ozeanischen Lithosphäre und der Kontinentränder zeigt, daß gegenwärtig von verschiedenen Wissenschaftlern unterschiedliche petrologisch-geophysikalische Modelle dieses wichtigen Prozesses angeboten werden. Wir sind der Auffassung, daß bei allen Varianten der Vorstellungen .von der Entstehung der. kontinentalen Kruste drei grundlegende Thesen unverändert bleiben — die Subduktion der Lithosphäre an einer konvergenten Plattengrenze, das Hineinziehen beträchtlicher Mengen an Sedimenten zusammen mit der ozeanischen Lithosphäre (oder mit dem kontinentalen Rand) in die Subduktionszone, die Dehydratation und Umschmelzung in der Subduktionszone. Derzeit entwickelt sich eine neue petrologisch-geophysikalische Richtung der experimentellen und theoretischen Forschung des Bildungs- und Evolutionsprozesses der kontinentalen Kruste in den Subduktionszonen — die Subduktologie —, die in allernächster Zukunft ausreichend exakt formuliert wird. Wie jede neue wissenschaftliche Grundlagentheorie findet auch die Plattentektonik mit jedem Jahr zunehmend Eingang in die Praxis. Im Anfangsstadium ihrer Formulierung machte sie es z. B. möglich, die Tiefenstruktur der afrikanischen Übergangszone zum Atlantik — analog der südamerikanischen — richtig zu prognostizieren und damit dort wirtschaftlich effektiv mit der Suche nach öl und Gas zu beginnen. Wie aus umfangreichen Untersuchungen bekannt ist, sammeln sich mächtige Sedimentserien in den relativ schnell sinkenden Übergangszonen des atlantischen Typs an. In den sich hier akkumulierenden Sedimenten sind organische Substanzen enthalten. In den Deltas großer tropischer Flüsse erreicht ihre Konzentration mitunter mehrere Prozente; normalerweise übersteigt der Gehalt an organischer Substanz in den Sedimen-

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ten der Übergangszone nicht 1 %. Während der Herausbildung einer solchen Übergangszone kommt es zu einer allmählichen Verdichtung und Durchwärmung der angesammelten Sedimente durch die von unten aufsteigende Wärme. Auf diese Weise werden die Ablagerungen verdichtet, und die darin enthaltenen organischen Substanzen gehen infolge der Erwärmung in Kohlenwasserstoffe über. Dieser Übergang, d. h. der Reifegrad der organischen Substanz, wird durch den Temperatur-Zeit-Faktor bestimmt, der derzeit ausreichend erforscht ist. J e höher die Temperatur, um so schneller vollzieht sich die Reifung ( V A S S O E V I C , 1 9 7 1 , 1 9 7 4 ; L O P A T I N , 1 9 7 1 ) . Die Ergebnisse dieser Forschungen machten es in Verbindung mit den grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der thermischen Evolution der Lithosphäre, die dank der Entwicklung der neuen Theorie analysiert wurde, möglich, die Bedingungen der Erdöl- und Erdgaserzeugung in Sedimentationsbecken, die in den atlantischen Übergangszonen und innerkontinentalen riftogenen Senken entstanden sind, "theoretisch zu berechnen ( U S A K O V , G A L U S K I N , 1983).

In den Sedimentationsbecken atlantischer Übergangszonen vollzieht sich die Migration von Erdöl und Gas hauptsächlich unter dem Einfluß der Verdichtung und Dehydratation der darunterliegenden Sedimentserien. Zur Mobilisierung des Erdöls und Erdgases, die sich in solchen Sedimentationsbecken angesammelt haben, müssen große zusätzliche tektonische Kräfte wirksam werden, die die diffusen Kohlenwasserstoffe aus den Sedimenten heraustreiben und sie in strukturellen und nichtstrukturellen Fallen konzentrieren. Solche tektonischen Kräfte wirken auf Sedimentationsbecken bei der Kollision und beim Unterschieben eines „passiven" Randes unter einen Inselbogen bzw. unter einen aktiven Rand. Aus den Sedimenten werden Porenwasser und ein beträchtlicher Teil der diffusen Kohlenwasserstoffe herausgepreßt und in den Bereich geringerer Drücke transportiert, d. h. in entgegengesetzter Richtung der Subduktion, wobei sie bei der Migration in mögliche Fallen geraten. Darüber hinaus werden unter dem Einfluß des sich aufschiebenden Plattenrandes die vorgelagerten Sedimente zu Falten zusammengeschoben, wodurch bestimmte Typen struktureller Fallen entstehen (USAKOV, GALTJSKIN, 1 9 7 9 , 1 9 8 3 ) . Dieser Mechanismus hat wahrscheinlich in vielen Fällen zur Herausbildung sehr großer öl- und gasführender Becken in Vorgebirgssenken, z. B. des Persischen Golfs, Venezuelas, der Uralvorsenke, beigetragen ( U S A K O V , F E D Y N S K I J u. a., 1980).

Eine bedeutende Menge Erdöl und Gas kann sich im Rahmen eines Sedimentationsbeckens, das sich in einer atlantischen Übergangszone herausgebildet hat, unter dem sich aufschiebenden Plattenrand bilden. Die Feststellung dieser Gesetzmäßigkeit machte es möglich, den Beckenraum unter überschobenen Plattenrändern, insbesondere im Ural und auf Kuba (unter einer Ophiolitdecke in Kreideablagerungen) sowie in einigen anderen Gebieten der Welt wesentlich weiter zu verfolgen. Ein beeindruckendes Beispiel der erfolgreichen Anwendung der Theorie der Plattentektonik bei der Erweiterung der perspektiven Beckenräume im Bereich sedimentärer Unter-Überschiebungsgebiete erbrachte das Bohren in den Rocky Mountains und den Appalachen. Hier machte in fünf Jahren (1975—-1979) der Zuwachs der prognostischen Vorräte durch Unter-Überschiebungslagerstätten über 2 Milliarden Tonnen Erdöl und rund 3 Trillionen Kubikmeter Gas aus. Die Theorie der Plattentektonik half, die i Grundlagen der genetischen Klassifizierung von Sedimentationsbecken auszuarbeiten und ihre Evolutionsreihe auf mobilistischer geotektonischer Grundlage aufzubauen ( A L I E V A , U S A K O V , 1 9 8 4 ; U S A K O V , G A L U S K I N , 1 9 8 3 ) . Man kann hoffen, daß die weitere

Stand und Entwicklung plattentektonischer Theorien

25

Anwendung der neuen Theorie in der Erdölgeologie in der Zukunft einen noch größeren ökonomischen Nutzen bringen wird. Die Plattentektonik lieferte den Schlüssel zum Verständnis der wichtigsten Gesetzmäßigkeiten der Verteilung der Erdbebentätigkeit auf der Erde und der Besonderheiten der Herdmechanismen in den verschiedenen erdbebenaktiven Zonen an den Grenzen und im Innern der Platten. Das weitere Fortschreiten bei der Lösung des Problems der langfristigen Erdbebenvorhersage für jede konkrete Bruchzone ist möglich auf der Basis der Vervollkommnung der instrumentellen Methoden der Untersuchung, der Sammlung geologisch-geophysikalischer statistisch signifikanter Informationen und der Erstellung geodynamischer Modelle der hier ablaufenden Prozesse im Rahmen der Theorie der Plattentektonik. Man kann hoffen, daß weitere Untersuchungen der Kinematik großer und kleiner Platten sowie der Zerstörungsprozesse, die in jeder konkreten geodynamischen Situation vor sich gehen, zur Verbesserung der langfristigen seismischen Prognose beitragen werden. Eine neue Rolle bei der Lösung der Aufgaben einer derartigen Prognose kommt der labormäßigen tektonophysikalischen Modellierung zu, die die Prozesse der Bruchbildung unter den verschiedenen geodynamischen Bedingungen (bei Einhaltung der erforderlichen Ähnlichkeitsprinzipien) reproduziert. Die Erfahrungen, die auf diesem Forschungsgebiet gesammelt worden sind, geben Anlaß, auf die Verbesserung der langfristigen Prognose in allernächster Zukunft zu hoffen (SEMENDA, 1 9 8 1 ; SERMAN, 1 9 7 7 ) . Die neue Theorie ließ es zu, die geotektonischen Bedingungen der Erzbildung auf neue Art darzustellen. Die früheren Modelle der Genesis der „basaltophilen" Gruppe von Bodenschätzen-Lagerstätten, die mit Ophiolitdecken assoziiert sind, wurden grundlegend überarbeitet. Die meisten Geologen hegen keinerlei Zweifel, daß die Sulfide des Zypern-Typs und die Chromit- und Platin-Lagerstätten entweder unmittelbar in einer Riftspalte des Paläoozeans oder in einer Entfernung von nur wenigen Kilometern davon entstanden sind (ZONENSAJN, Kuz'knsr, MOBALEV, 1 9 7 6 ; KOVALEV, 1 9 7 8 ; USAKOV, GALTJSKIN, 1 9 7 8 ; U§AKOV, GORODNICKIJ, 1 9 7 6 ) . In den letzten Jahren wurde durch geologisch-geophysikalische Untersuchungen die Bildung hydrothermaler Sulfiderze in sich schnell öffnenden Riftspalten festgestellt. Die Hauptbedeutung des Neomobilismus liegt natürlich aber in der Neuauslegung der genetischen, geotektonischen Grundlagen jener Lagerstätten, die im Prozeß der Subduktion ozeanischer und kontinentaler Lithosphäre entstehen. Hier wollten wir lediglich die Rolle der Sedimente und der in die Subduktionszone gezogenen kontinentalen Kruste bei der Entstehung endogener Lagerstätten von Bodenschätzen hervorheben. Die Theorie der Tektonik lithosphärischer Platten entdeckte den Prozeß der Verlagerung von Sedimenten in die Subduktionszone und gab damit den Geologen den Schlüssel in die Hand, die außerordentlich große Bedeutung der Gesamtheit der paläogeographischen Prozesse nicht nur für die Entstehung exogener Lagerstätten, sondern auch endogener Lagerstätten besser zu verstehen. Zum tiefen Verständnis und zur praktischen Nutzung der sich daraus ergebenden Folgen ist noch ein großer Umfang an Arbeiten zu bewältigen, sowohl was die Erstellung lithologisch-petrologischer Modelle der Bildung dieser oder jener endogenen Lagerstätten unter konkreten geotektonischen Bedingungen als auch die paläotektonische Rekonstruktion dieser Bedingungen auf der Grundlage der Ergebnisse geologischer Feldbedingungen anbelangt. Hier kommen wir zu einem der wichtigsten wissenschaftlichen und praktischen Probleme der Geologie, nämlich dem Problem der Genauigkeit der mobilistischen Paläorekonstruktionen, welches es zuließe, begründete erfolgreiche Prognosen zu stellen.

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S. A. USAKOV u n d G. OLSZAK

Es gibt eine rein methodologische (genauer vielleicht sogar rein psychologische) Schwierigkeit einer solchen Umstellung im Denken der meisten praktischen Geologen. Bis in allerjüngste Vergangenheit hat die Geosynklinalkonzeption der Evolution der Erdkruste, die sich über den Zeitraum eines Jahrhunderts vorwiegend auf der Basis fixistischer Vorstellungen — horizontale Verschiebungen, wenn überhaupt, dann maximal um einige Dutzend bis hundert Kilometer — entwickelt hat, die absolute Mehrheit der Geologen vereint. Gegenwärtig hat sich der volle Zyklus der Evolution des geosynklinalen Gürtels in einen Zyklus der Öffnung und Schließung ozeanischer Senken umgewandelt. Die Anhänger der Plattentektonik sehen die geosynklinalen Gürtel unterschiedlichen Alters als Nahtzonen zu verschiedenen Zeiten geschlossener ozeanischer Becken an. Es wurden die Grundlagen der Methodik globaler und regionaler paläotektonischer Rekonstruktionen auf neomobilistischer Basis ausgearbeitet (GORODNICKIJ, Z O N E N SAJN, M I R L I N , 1 9 7 8 ; KOVALEV, 1 9 7 8 ; USAKOV, 1 9 7 4 ; USAKOV, GALUSKIN, 1 9 8 3 ; D E W E Y , 1 9 6 9 , 1 9 7 6 ; SMITH, B R I D E N , 1 9 7 7 ) . Selbstverständlich wurden in der ersten Entwicklungsetappe der neuen geologischen Theorie nur allgemeinste globale paläotektonische Rekonstruktionen ausgeführt. Mit der zweiten, detaillierteren Etappe der regionalen neomobilistischen paläotektonischen Rekonstruktionen der Evolution der Lithosphäre des Urals, des Alpen-Himalaja-Gürtels und einiger anderer Nahtzonen wurde begonnen ( Z O N E N § A J N , Ktrz'Mnsr, MORALEV, 1 9 7 6 ; KOVALEV, 1 9 7 8 ; CHAIN, 1 9 8 4 ; BIJTX-DUVAL,

Die Schwierigkeiten noch detaillierterer paläotektonischer Rekonstruktionen, etwa im Maßstab 1 : 2 0 0 0 0 0 , sind durch zwei Gründe bedingt. Erstens können in einer Zone der Paläosubduktion geologische Spuren einzelner geodynamischer Situationen verschoben und verdeckt sein, und demzufolge ähnelt die Paläotektonik in gewissem Maße dem Lesen eines Buchs mit einzelnen fehlenden Seiten, Sätzen und Worten, deren Sinn man mit größerer oder kleinerer Wahrscheinlichkeit lediglich erraten kann. Die zweite Schwierigkeit ist die Erarbeitung einer detaillierten Skala geologischer Festpunkte, die geeignet sind zur umfassenden paläotektonischen Analyse der Ergebnisse und einer geologischen Aufnahme großen Maßstabs auf neomobilistischer Basis. Deshalb ist eine für die praktische Geologie zukunftsträchtige Entwicklungsrichtung der Theorie der Plattentektonik die vorsichtige, genaue und kritische Assimilation der ganzen vorausgegangenen geologischen Erfahrungen. Darin liegt auch ihre Chance für die erfolgreiche praktische Anwendung bei der Suche nutzbarer Lagerstätten. DERCOURT, L E P I C H O N , 1 9 7 7 ; D E W E Y , PITMAN, R Y A N , B O N N I N , 1 9 7 3 ) .

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28

S. A. U§akov und G. Olszak

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Geophys. u. Geol.

Geophys. Veroff. d. KMU Leipzig

Bd. ILL H. 3 S. 29—37

Berlin 1986

A New Approach to Displaying 3-D Structural Models

I . HOYLE a n d R . GBEEN 1 Abstract: On a, modern desk-top computer with a colour display, a program has been written which displays a solid 3-dimensional body in perspective, with correct blanking of all hidden lines a n d hidden surfaces. Re-entrant faces are also correctly handled by this program. The method utilises a modification of the depth-sort algorithm and uses integer sorting for speed of operation to provide for the simulation of the movement of the viewer around the body under display. The program has been used in an inter-active environment for the interpretation of geophysical data. Because this display program has much wider applications than in just geophysics, it has been written in stand alone form and is thus available to a wider range of end users. A complete program listing written in FORTRAN-77 has been lodged with the Editor, and a copy may also be obtained direct from the authors.

Introduction

The use of computer graphics in geophysical interpretation is not a new phenomenon (SMITH et al., 1972). However, with the advent of new, powerful, desktop microcomputers, it will have an even wider appeal as computing power is moved out of the centralised data-processing centre, and into the office. This program has been developed primarily for the display of geological structural bodies that arise from the application of interactive computer programs in the interpretation of geophysical data. It is immediately obvious that the program has many additional applications, and for that reason, it has been written in a stand alone form. The program displays a structural body in 3-dimensional perspective with the observation point under the control of the operator. The program provides for the exercise of the options of either a line display of the edges of the body for black and white displays, or the faces to be shown in colour. Both options provide for the correct blanking of all hidden lines and hidden faces, and the problem of re-entrant surfaces and all such outer-surface convolutions are correctly displayed. Furthermore, the program incorporates novel features which permit the rapid processing of the raw data defining the structural body, necessary for the presentation of the picture. The program has been used extensively within an interactive program for the interpretation of gravity and magnetic data. It has proved invaluable in checking that a structural model entered by means of an array of defining points, has indeed been correctly entered. The ability to view the body from any desired position and in correct 3-dimensional perspective is a most valuable facility. It should be noted that i Anschrift der Verfasser: Dr. I A N H O Y L E , Prof. R O N A I D G R E E N , Dept. of Geology and Geophysics, University of New England, Armidale NSW 2351, Australia.

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I. HOYLE and R. GREEN

a human operator does not have the ability to absorb rapidly the correctness or otherwise of an array of numbers, whereas a picture is immediately understood. In the quest for visual realism when displaying solid objects using a computer graphics display, a number of techniques may be employed to simulate a more 'real' illusion of the operator being able to see and to move relative to the body. These include differing types of projections such as isometric, oblique and perspective for displaying depth relationships, hidden-edge and hidden-surface removal, shading and the use of colour, and the ability to change the viewing position. Hidden-edge and hidden-surface removal is perhaps one of the most important methods. Given a 3-D object and a viewing specification defining the type of projection, the projection plane etc., we wish to determine which edges and surfaces of the object are visible from the centre of projection (for perspective projections) or along the direction of projection (for parallel projections), so that we can display only the visible edges and surfaces. While the statement of this fundamental idea is simple, its implementation usually requires a large amount of computer time, which has encouraged the development of numerous carefully structured algorithms. It is the methodology used, in tackling the problem as set out above, that makes this program valuable. FOLEY and VAN DAM (1982) discuss several algorithms including area-subdivision, scan-line, z-buffer and depth sorting. The last mentioned method, i. e. depth sorting (an example of which was discussed by NEWELL et. al., 1972), provides the basis for the new approach for hidden line removal given in this paper. Display

Methodology

A convenient way to describe structural bodies used in geophysical magnetic and gravity modelling, is to have a defining array of cube centres, each cube having a definite size, density, magnetic susceptibility etc. The method used to display the body thus defined, involves the determination of the outside faces (with the consequent removal of the interior faces), deciding on which faces the viewer is able to see and finally drawing on a graphical output device, the body, with all hidden-surfaces removed.

Pig. i. Orientation codes for the six cube faces.

A new approach to displaying 3-D structural models

31

Following is a step by step description of the above procedure : (i) Finding

the face centres

The initial step is to ensure that the entire body lies in the positive octant (remembering that the coordinate system used is 3-dimensional Cartesian). Having done this, the coordinates are doubled eg. the point (1, 3, 12) becomes (2, 6, 24). This has the advantage of placing the face centres of the cubes at positive integral positions. Using the positions of the face centres, a 10 digit integer is constructed which contains the face centre and face orientiation information. The first three digits gives the »-coordinate, the next three the ^-coordinate, the next three the z-coordinate, and the last digit indicates the orientation of the face. For example, the number 0030210173 describes a face with its centre at the position (3, 21,17) and that is normal to the - y axis (indicated by the 3 as the last digit), see Fig. 1. (ii) Removal of interior

faces

Having described the integer giving the face position and orientation, it is obvious that adjoining- interior faces will have the same face positions, but with opposite orientations eg. 0030210173 and 0030210174. If all of the face descriptions are placed in a list which is then sorted interior faces will be adjacent elements in the sorted list. These may then be removed leaving only the external faces. This is best shown by example. Consider the adjacent cube centres (2, 2, 1) and (2, 2, 2). After doubling, the integer list of face centres plus orientations becomes 0030040021 0050040022 0040030023 0040050024 0040040015 0040040036

0030040041 0050040042 0040030043 0040050044 0400040035 0040040056

Since this is simply a list of integers, an integer sort may be used to sort the list as this is faster than sorting reals. After sorting we have 0030040021 0030040041 0040030023 0040030043 0040040015 0040040035 -> face in + ve z direction 0040040036 —s- face in —ve z direction 0040040056 0040050024 0040050044 0050040022 0050040042

32

I. HOYLE a n d R . GREEN

The two marked faces have identical centres, with opposing orientations, thus they are internal to the body and may then be eliminated from the list.. An important point here is that the sorting operation for the removal of the internal faces need only be carried out once for each body. (iii) What faces can we see?

Having removed all internal faces, the body is now shifted back to its original position (if it had been moved in step (i)) and halved in size to correspond to its state prior to the face generation procedure. After the user defines a viewing position, the sorted list of faces may be further reduced in number by determining those faces that are visible. The reduction in the number of faces is important in the speeding up of the program. For a cube, this is at most 3 faces and for a body composed of many cubes, the reduction in the number of faces may be considerable. Still using the same two cubes as before as an example, if we position the viewpoint at (3, 3, 3), the visible faces may be determined by comparing the orientation and centre of each face with the viewing position. If the normal of a face (in the direction indicated by the orientation code) makes an angle less than a right-angle with the direction to the viewpoint, then the face is visible. This reduces our list from 10 external faces, to the 5 faces that are visible (see Fig. 2). ( i v ) Displaying

the result

To achieve the effect, both rapidly and effectively, of a hidden surface display, we have used an attribute of modern bit-mapped graphics displays. That is, previous images are over-written completely, for that area over which the new image falls. This is because the replacement in the bit-map is pixel by pixel, by the new over-writing image. The hardware and software used by the authors (see Appendix A ) supported this feature using the CORE graphics standard and had the facility of colour (or user defined patterns) filling of arbitrarily shaped polygons. By depth ordering the list of visible faces in terms of their distance to the viewer, f

1.5 1.5 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.0 2.5 2.5

2.0 2.0 1.5 1.5 2.0 2.0 2.5 2.5 2.0 2.0

\

1.0 2.0 1.0 2.0 0.5 2.5 1.0 2.0 1.0 2.0

1 1 3 3 5 6 4 2 2

(

N.

2.0 2.0 2.0 2.5 2.5

2.0 2.5 2.5 2.0 2.0

2.5 1.0 2.0 r.o 2.0

6 2 2

Fig. 2. The matrix on the left represents the final list of step (ii) after converting each consecutive triplet of digits to a real and halving it. The fourth column gives the'face orientations. The righthand matrix lists, in the same format, the faces that can be viewed from a viewpoint located at (3, 3, 3).

A new approach to displaying 3-D structural models

33

and by displaying and filling them in the order of most distant to the closest, the portions of each fate that cannot be seen are over-written by faces closer to the viewpoint. This gives rise to a hidden-surface display. I t also greatly reduces the processing- time because it eliminates the time-consuming hidden line algorithms common to many display programs. Processing the faces one at a time, the location of the corners of the faces are calculated using the orientation code and are then placed in a 4 by 4 matrix of homogeneous coordinates (see Appendix B). A rotation matrix is then formed that moves the viewing position onto the x-axis. By applying this to the corners matrix, the effect of moving around the body in 3-dimensional is simulated. As discussed in Appendix B, when performing a perspective transformation, it is important that all the points are behind the projection plane. After this translation is done, a perspective transformation is carried out and the resulting matrix of transformed corners is then plotted on the output device, in this case a bit-mapped graphics display. The final hidden-surface image then builds as the program traverses the list of visible faces, each new face overlaying what may be present on the screen. Display of an example body To produce the images in Figs. 3 (a; b, c), the filling of the faces was done using the background colour and then a line was drawn around each face. This simulates "wire frame" drawings that many are familiar with. Also it allows for the easy production of hard copy by dumping the bit map to a pin-addressable, dot-matrix printer. The perspective effect is clearly shown by the changing shape of the faces as one moves from close to the viewing position to the back of the body. Also, the ability to "fly around" the body is demonstrated by the changing form of the pictorial representation of the body, dependent on the viewing position.

M

O V/

O I

E E

L Ul

V i è w i n g P o s i t i o n

X

+ 3 0 .

Y

+ &0 . O Press to continue

Fig. 3 a. Sample body viewed from (30, 30, 60). 3

Lauterbach III/3

34

I . HOYLE a n d R . GREEN

Press CRESUMD to continue

Pig. 3b. Sample body viewed from (—30, 20, 40).

Press to contini e

Fig. 3c. Sample body viewed from (—10, —30, —25). Conclusions

A new algorithm has been described which allows for the rapid computation and hidden-surface display of geological structural models. With the increasing power of desk-top micro computers, this method has immediate use in the geophysical magnetics and gravity modelling domain, where the display and possible alteration of structural models has to be done quickly and efficiently. A visual display, and not just a list of numbers is of far greater use for the interpreter. The program, even though written in FORTRAN-77, embodies relatively simple

A new approach to displaying 3-D structural models

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concepts and could very easily be implemented in any programming language. A copy of the program, which includes the user interface to P/OS (see Appendix A), has been submitted to this journal. A copy may also be obtained directly from the authors. Appendix A A Digital Professional 350 microcomputer, running FORTRAN-77 under P/OS vl.7, was used to develop the methods described. This allowed the implementation of an easy to use menu-driven interface using P/OS system service routines. The system has 512Kb of RAM memory and runs the program from a 10MB Winchester hard disk-drive. A bit-mapped colour monitor allows 8 colours from a palette of 256 to be displayed at any one time. All diagrams were produced by dumping the bitmap to a dot-matrix printer. Appendix B General 3-dimensional Matrix Theory In homogeneous coordinates (Peckham, 1974), a point in w-dimensional space is defined by n + 1 coordinates. In 3-dimensional space, a point in ordinary coordinates is located by [xyz\. In homogeneous coordinates, the same point is located at [hxhyhzh ] i.e. the transformation between ordinary coordinates and homogeneous coordinates is x = hxlh, V = hy/h, z = hzjh. The homogeneous coordinates [4 6 2 2],^ [—6 —9 —3 —3] and [1 1.5 0.5 0.5] all correspond to the same point in ordinary coordinates. It is the authors' convention in this paper that an untransformed point will have h = 1, or [xyzl]. The transformed point in homogeneous coordinates, [XYZH] correspond to the point in ordinary coordinates \x*y*z*~\ where x* = y* = z* =

X/H, Y/H, Z/H.

We can summarise the previous remarks by the following \xyz] -> [xyzi ] x (a)

(b)

= [XYZH] ->

[x*y*z*].

(d)

(e)

(c)

where we have, (a) untransformed point in ordinary coordinates, (b) untransformed point in homogeneous coordinates, (c) homogeneous coordinate transformation matrix, (d) transformed point in homogeneous coordinates, (e) transformed point in ordinary coordinates. 3*

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I. H o y l e and R. G r e e n

The following are the transformation matrices for rotations about any axis, translation and scaling. Rotation of about the cc-axis: 0 sin a. —sin