ИСТОРИЧЕСКАЯ ГЕОЛОГИЯ И ТЕКТОНИКА АРИЗОНЫ

ДОКЕМБРИЙ


Докембрий представляет 80 % геологического времени. Он разделен на две эры, архей (породы старше 2.500 Ма) и протерозой ( от 2.500 до 542 Ма). В текущей классификации не существует архейских плрод в Аризоне (хотя породы основания Большого Каньона первоначально считались архейскими).

Архейские породы формируют кратон (основание или самую его раннюю устойчивую часть) Северо-Американского Континента. Эти породы находятся в основе Канады и северных Скалистых гор. Аризона сформировалась на южном краю кратона несколькими методами.

Так как тектонические плиты соединяются или отделяются, они производят вулканы, островные дуги, вторжения магмы и отложения осадков в мелких морях, все из этого в конечном счете строит континент. Большинство пород претерпит изменения из-за высокой температуры, давления, и обдирания (shearing) разломом одной плиты об другую. Докембрийские метаморфические породы подрезаются в поясе, простирающемся из северо-западной Аризоны от Lake Mead через Kingman, Prescott, и Globe к юго-восточной Аризоне около Wilcox. Имеются рассеянные обнажения, развивающиеся на западе от Тусона до Yuma.

В середине протерозоя (1.700 -1.100 Ма) был спокойный период и было отложение вулканических пород в мелких морях между массами земли. Эти породы остались относительно неизмененными или измененными в местном масштабе. Они экспонированы преимущественно в горах к северу от Salt River, около Globe и Miami, Mammoth и в Catalina Mountains. Этот ряд состоит из пород от наиболее старых до самых молодых Pioneer Shale, Dripping Springs Quartzite (твердый песчаник), Mescal Limestone и базальта capping basalt flow (вулканическая порода, построившая Гавайи), которые вместе называют Apache Group. Над апачской группой лежит Troy Quartzite, который внедрил диабазы по осадочным породам.

Известняки Mescal, которые метаморфизированы - доломитизированы (карбонат магния заменил карбонат кальция), содержит одни из самых ранних окаменелостей в Аризоне: известковые водорослевые стоматолиты - calcareous algal mats. Данные изотопа кислорода указывают, что некоторые части кремнесодержащего известняка произошли в океанской воде с температурами 25-30о С (77-86 F). После осадконакопления и консолидации, Mescal был поднят, уровень моря и интенсивное выветривания создавали отверстия слива и пещеры. Этот процесс продолжался даже как флювиально-речной, и эоловый (eolian) с отложением Troy Quartzite.

Vishnu Schist в Большом Каньоне является эквивалентом ранних метаморфических пород и над ними лежат эквиваленты апачской группы и Troy Quartzite (но с другим именем).

Докембрианские породы округа Yavapai содержат существенные минеральные депозиты. Самый известный из них, United Verde mine в Джероме (Jerome) возраста 1.700 Ма называют вулканическим массивом сульфидных отложений. Они сформировались из подводных вулканических вентилей (vents), которые прорвались с горячим, богатым сульфидом материалом в океанскую воду, которая вызвала охлаждение и осаждение сульфидов на океанское дно. Эти депозиты богаты медью и цинком с меньшим количеством свинца, серебра и золота.

Кварциты Dripping Springs содержит урана по трещиноватости и залеганию (fractures and bedding planes). В других докембрийских породах есть жильные залежи золота с базовыми металлами, вольфрамовые залежи, железные месторождения и депозиты асбеста (в виде хризолита, не так опасный вид асбеста).

В ходе расщепительной деятельности бактерий (бактерии потребляют углекислый газ и испускают кислород) уровень кислорода в океане достиг критического уровня для аккумуляции железа и марганца. Огромные железные залежи, названные Ленточной Железной Формацией (Banded Iron Formations) сформировались между 2.500 и 1.800 Ма и ничего подобного более не повторялось в истории Земли.

В докембрии Аризона была на южном полюсе и только что появилась из моря. Тектоническое движение несло то, что будет Северной Америкой к северу, и к кембрию Северная Америка достигла экватора. Но ориентация была развернута на 90о по часовой стрелке так, чтобы экватор простирался от Мексики до Канады

Со временем континент вращался против часовой стрелки, и к ордовику экватор прослеживался от штата Вашингтон к о.Гренландия. Эти позиции континента выведены из палеомагнитных исследований и фациального анализа.

ПАЛЕОЗОЙ

Песчаники, сланцы, и известняки, депонированные в течение кембрийского и ордовикского времени представляют смещение пород мелководной шельфовой зоны и прилегающей суши. Большая часть пород порадала в приливную зону. Глубокое море было к западу, континент - к востоку. Последовательность пород предполагает, что уровень моря повышался и падал. Песчаники депонировались на берегу и в мелкой воде (сохранились прибрежные дюны). Сланцы были депонированы в более глубокой воде, вне песков, и известняков в еще глубже. Тверь снова появилась в конце ордовика и оставалась на стадии становления в течение последующего силурийского периода (в Аризоне нет пород силурийского возраста, но они есть в Нью-Мексико).

Позиция континента около экватора подразумевает, что будут ураганы и некоторые из пород действительно запечатлили следы главных штормов и эрозии островов из докембрианских камней.

В северной Аризоне главный кембрийский песчаник называют песчаником Tapeats. Он депонирован на разрушенных докембрианских породах и почве, развитой от них. В южной Аризоне базальный песчаник называют Bolsa Quartzite. Выше базального песчаника идет ряд сланца, песчаника и карбонатов (Bright Angel Shale на севере и Abrigo Formation на юге. Это главным образом мелководные отложения и дюны, подверженные постоянной эрозии в прибрежной зоне. Последовательность увенчана известняком (Mauv Limestone на севере и известняк El Paso на юге), что означает, что западное море опять покрыло Аризону.

В каменноугольном миссиссиппийском периоде Аризона отогрелась от ордовикского ледникового периода, став снова тропической территорией, затопляется океаном и в пенсильванское время переносит другой ледниковый период, после которого происходит потепление климата, отложение уголя и новый пермский пик исчезновения жизни.

После восстановления от ордовикского ледникового периода (440 Ма), Аризона была нагорьем на юго-западном краю континентальной массы в 30о к югу от экватора (силурийские отложения в Аризоне отсутствуют, это была сухая земля, подвергнутая эрозии).

В течение последних четырех периодов палеозоя Аризона была главным образом под водой. Породы, отложенные в это время, представляют смесь шельфовых отложений с отложениями прибрежной континентальной зоны. Было несколько эпизодов трансгрессий и регрессий на западе. Только крайний северо-восточный угол был морем в течение большей части этого времени. Повышение и падение уровня моря были вызваны изменениями водных объемов в ледниковые эпохи.

Известняк был основным видом осадочных пород, депонированных в это время наряду с относительно незначительным количеством сланца и песчаника. Все формирования содержат окаменелости. Эти известняки в настоящее время составляют большинство горных цепей к югу от Тусона.

Миссисиппские породы залегают несоответственно (не под тем же самым углом или со свидетельством эрозии) на девонских породах. Это означает, что были тектонические силыи эрозии между этими двумя периодами. Основная формация девона - Martin Formation в Bisbee. Главные миссиссиппианские известняки - это Redwall Limestone у Большого Каньона и Escabrosa Limestone (с современными карстовыми пещерами Kartchner) в южной Аризоне.

Породы пенсильванского и пермского времени представляют сложные циклы трансгрессии/регрессии моря, вызванные эвстатическими колебаниями уровня моря и тектоническими подвижками суши от коллизии Гондваны с Пангеей. Породы каменноугольного периода доминируют на северо-западе и юго-востоке, в то время как песчаники и конгломераты представлены в центральной и северо-восточной Аризоне.

Уголь образуется в закислых условиях, что возможно лишь при условии очень быстрых циклических трансгрессии/регрессы моря, что позволяет захоронить болота прежде, чем его остатки растений разложится. Большинство угольных залежей Аризоны формировалось в течение каменноугольного времени 300 Ма в северо-восточной части штата.

Палеозойская Эра (542-251 Ма) закончилась массовым вымиранием жизни и формированием суперконтинента Пангея. Аризона была чуть севернее экватора, и появилась от моря, которое все еще существовало в Калифорнии и Неваде.

МЕЗОЗОЙ

В триасе динозавры, птерозавры (полет рептилии), ящерицы, млекопитающие, и даже самые ранние птицы развились от пермского генофонда. В Аризоне водился Phytosaurs, крокодилоподобное существо от 2 до 12 м длиной, который населял потоки и водоемы.

Триасовые осадочные породы экспонированы на Плато Колорадо как формации Moenkopi Formation и Chinle Formation. Moenkopi состоит из континентальных пород (песчаники, сланцы и конгломераты) в северо-восточной части плато, и с примесью смешанных карбонатов флювиальных (речных), приливно-отливных террас и отложений мелкого моря на западе. После периода эрозии были отложены континентальные песчаники, глинистые сланцы и сформированные озерами карбонаты формации Chinle. Большая часть триасовых отложений представляет смешанные мелководные-континентальные слои. Климат был полузасушливый внутри Аризоны и влажный и болотистый в низменности. Температуры были на 7-11оС (15 - 20 F) более теплые, чем сегодня.

Южная Аризона была главной вулканической областью. Многие из горных цепей содержат триасовые вулканиты. В горах Santa Rita Mountains было отложено 3.5 км вулкана. Recreation Redbeds в Тусонских горах представляет межвулканический период эрозии в верхне триасовое время.
Вулканизм и высоко-энергетичный континентальный депозит (high-energy continental deposits) не достаточно хороши для сохранения окаменелостей. Однако формация Chinle содержит силицифицированные стволы больших деревьев, сохраненные и экспозированные в Petrified Forest и красочные породы формации Chinle в Painted Desert.

В течение юрского времени не сушествовало никаких Скалистых гор. Палеозойские ancestral Rockies были эродированы до пенеплена. Северная Аризона и все, что теперь Плато Колорадо были пустыней с надувным песком, похожей на современную Сахару. Эти пески стали песчаниками Wingate Sandstone, Kayenta formation, Navajo Sandstone, и Entrada Sandstone, которые формируют прекрасные арки и утесы в национальных парках южной Юты (Arches National Monument и Zion National Park).

Реальное тектоническое действие разворачивается в южной Аризоне. Магматизм, начатый в триасовом периоде, продолжался и двигался внутрь страны, потому что южная Аризона и Калифорния содержали магматическую дугу и зону субдукции с развитием многих вулканов на западном краю континента. Эта зона субдукции все еще существует по западному побережью Северной и Южной Америки.

В юрское время южная Аризона была вулканическим полем и некоторые из вулканов образовывали кальдеры при обрушении. Остатки этих кальдер распознаваемы в Дragoon Мountains около Courtland-Gleeson, в Tombstone, в южном конце гор Huachuca, в Canelo Hills и в горах Santa Rita. Золото, серебро, и медь связаны с этим вулканизмом. Гранит Juniper Flat к северу от Bisbee датирован 180 Ма и медный депозит в Bisbee того же возраста.

Юра была временем других структурных компиляций. Согласно Tosdal и др. в юго-восточной Аризоне, подвижки происходили вдоль северо-западных разломов strik, формирующих удлиненные блоки, которые в свою очередь создавали топографические максимумы и бассейны в который накапливался терригенно-кластический вулканический материал. В северо-западной Соноре, южной Аризоне и юго-восточной Калифорнии сформировалась система разломов sinistral strike-slip faults, зона Mojave-Sonora megashear поперек магматической дуги – совокупное смещение по этим разломам составляет целых 800 км и они, возможно, произошли в юрское время.

В конце юрского времени и в мелу стиль тектоники изменился от strike-slip shearing до нормальных разломов. Они сформировали бассейны, в которых отложились вулканические депозиты и в конечном счете сформировали бассейн Bisbee Sea мелового возраста.

Конгломерат Glance Conglomerate до 2 000 м толщиной, является самым молодым юрским депозитом в южной Аризоне и формирует основу меловой группы Bisbee. Конгломерат представляет смещение аллювиальных конусов выноса высокой энергии (high-energy deposition) с потоками обводненных осыпей (debris flows) и рекных выносов по фронту горы.

В течение большей части юры глобальные температуры были на 9-12оС (15 - 20 F) теплее, чем сегодня, как и в триасе. В Аризоне это были бесплодные земли. Растения были представлены главным образом хвойными и пальмообразными cycadeoids. Это была эра динозавров, включая летающих рептилий. Были примитивные млекопитающие и большое разнообразие насекомых

References:
Scarborough, Robert, The Geologic Origin of the Sonoran Desert, Arizona-Sonora Desert Museum, http://www.desertmuseum.org/books/nhsd_geologic_origin.php
http://tucsoncitizen.com/wryheat/category/geology/