Строение земной коры, геологические структуры, закономерности их расположения и развития изучает раздел геологии - геотектоника. Рассмотрение движений земной коры в данной главе является представлением внутриплитной тектоники. Движения земной коры, вызывающие изменение залегания геологических тел, называют тектоническими движениями.
КРАТКИЙ ОЧЕРК СОВРЕМЕННОЙ ТЕОРИИ
ТЕКТОНИКИ ПЛИТ
В начале XX в. проф. Альфред Вегенер выдвинул гипотезу, которая послужила началом разработки принципиально новой геологической теории, описывающей формирование континентов и океанов на Земле. В настоящее время мобилистская теория тектоники плит наиболее точно описывает структуру верхних геосфер Земли, ее развитие и возникающие при этом геологические процессы и явления.
Простая и наглядная гипотеза А. Вегенера заключается в том, что в начале мезозоя, около 200 млн лет назад, все существующие ныне материки были сгруппированы в единый суперконтинент, названный А. Вегенером Пангеей. Пангея состояла из двух крупных частей: северной - Лавразии, включавшей в себя Европу, Азию (без Индостана), Северную Америку, и южной - Гондваны, включавшей Южную Америку, Африку, Антарктиду, Австралию, Индостан. Эти две части Пангеи были почти разделены глубоким заливом - впадиной океана Тетиса. Толчком к созданию гипотезы дрейфа материков послужило поразительное геометрическое сходство очертаний побережий Африки и Южной Америки, но далее гипотеза получила определенное подтверждение при палеонтологических, минералогических, геолого-структурных исследованиях. Слабым же местом в гипотезе А. Вегенера было отсутствие объяснений причин дрейфа материков, выявления сил, весьма значительных, способных перемещать континенты, эти чрезвычайно массивные геологические образования.
Голландский геофизик Ф. Венинг-Мейнес, английский геолог А. Холмс и американский геолог Д. Григе сначала предположили наличие конвективных течений в мантии, обладающих колоссальной энергией, а затем связали ее с идеями Вегенера. В середине XX в. были сделаны выдающиеся геологические и геофизические открытия: в частности, было установлено наличие глобальной системы срединно-океанических хребтов (СОХ) и рифтов; выявлено существование пластичного слоя астеносферы; открыто, что на Земле существуют линейные вытянутые пояса, в которых сосредоточено 98 % всех эпицентров землетрясений и которые окаймляют почти асейсмичные зоны, названные впоследствии литосферными плитами, а также ряд других материалов, которые в целом позволили сделать вывод, что господствовавшая к этому «фиксистская» тектоническая теория не может объяснить, в частности, выявленных палеомагнитных данных о географических положениях континентов Земли.
К началу 70-х годов XX в. американскими геологом Г. Хессом и геофизиком Р. Дитцем, на базе открытия явления спрединга (разрастания) океанского дна, показано, что за счет того, что горячее, частично расплавленное мантийное вещество, поднимаясь вдоль рифтовых трещин, должно растекаться в разные стороны от оси срединно-океанического хребта и «расталкивать» океанское дно в разные стороны, поднятое мантийное вещество заполняет рифтовую трещину и, застывая в ней, наращивает расходящиеся края океанической коры. Последующие геологические открытия подтвердили эти положения. Например, было установлено, что самый древний возраст океанической коры не превышает 150-160 млн лет (это всего лишь 1/30 возраста нашей планеты), в рифтовых трещинах залегают современные породы, а наиболее древние максимально удалены от СОХ.
В настоящее время в верхней оболочке Земли выделяют семь крупных плит: Тихоокеанскую, Евразийскую, Индо-Австралийскую, Антарктическую, Африканскую, Северо- и Южноамериканские; семь плит среднего размера, например Аравийскую, Наска, Кокос и др. В пределах крупных плит иногда выделяют самостоятельные плиты или блоки средних размеров и множество мелких. Все плиты перемещаются друг относительно друга, поэтому их границы четко маркируются зонами повышенной сейсмичности.
В целом выделяют три вида перемещения плит: раздвижение с образованием рифтов, сжатие или надвиг (подныривание) одной плиты на другую и, наконец, скольжение или сдвиг плит друг относительно друга. Все эти перемещения литосферных плит по поверхности астеносферы происходят под влиянием конвективных течений в мантии. Процесс пододвигания океанической плиты под континентальную называют субдукцией (например, Тихоокеанская «подныривает» под Евразийскую в районе Японской островной дуги), а процесс надвигания океанической на континентальную плиту - обдукцией. В древности такой процесс столкновения континентов (коллизия) привел к закрытию океана Тетис и возникновению Альпийско-Гималайского горного пояса.
Использование теоремы Эйлера по перемещению литосферных плит на поверхности геоида с привлечением данных космических и геофизических наблюдений позволило рассчитать (Дж. Минстер) скорость удаления Австралии от Антарктиды - 70 мм/год, Южной Америки от Африки - 40 мм/год; Северной Америки от Европы - 23 мм/год.
Красное море расширяется на 15 мм/год, а Индостан сталкивается с Евразией со скоростью 50 мм/год. Несмотря на то что глобальная теория тектоники плит является обоснованной и математически, и физически, многие геологические вопросы еще до конца не изучены; это, например, проблемы внутриплитной тектоники: при детальном изучении оказывается, что литосферные плиты отнюдь не абсолютно жесткие, недоформируемые и монолитные, согласно работам ряда ученых, из недр Земли поднимаются мощные потоки мантийного вещества, способного прогреть, проплавить и деформировать литосферную плиту (Дж. Вилсон). Значительный вклад в разработку наиболее современной тектонической теории внесли российские ученые В.Е. Хайн, П.И. Кропоткин, А.В. Пейве, О.Г. Сорох-тин, С.А. Ушаков и др.
ТЕКТОНИЧЕСКИЕ ДВИЖЕНИЯ
Проведенное данное рассмотрение тектонических движений в наибольшей степени применимо к внутриплитной тектонике, с некоторыми обобщениями.
Тектонические движения в земной коре проявляются постоянно. В одних случаях они медленные, малозаметные для глаза человека (эпохи покоя), в других - в виде интенсивных бурных процессов (тектонических революций). В истории земной коры таких тектонических революций было несколько.
Подвижность земной коры в значительной степени зависит от характера ее тектонических структур. Наиболее крупными структурами являются платформы и геосинклинали. Платформы относятся к устойчивым, жестким, малоподвижным структурам. Им свойственны выровненные формы рельефа. Снизу они состоят из жесткого неподдающегося складчатости участка земной коры (кристаллического фундамента), над которым горизонтально залегает толща ненарушенных осадочных пород. Типичным примером древних платформ служат Русская и Сибирская. Платформам свойственны спокойные, медленные движения вертикального характера. В противоположность платформам геосинклинали представляют собой подвижные участки земной коры. Располагаются они между платформами и представляют собой как бы их подвижные сочленения. Для геосинклиналей характерны разнообразные тектонические движения, вулканизм, сейсмические явления. В зоне геосинклиналей происходит интенсивное накопление мощных толщ осадочных пород.
Тектонические движения земной коры можно разделить на три основных типа:
- колебательные, выражающиеся в медленных поднятиях и опусканиях отдельных участков земной коры и приводящие к образованию крупных поднятий и прогибов;
- складчатые, обусловливающие смятие горизонтальных слоев земной коры в складки;
- разрывные, приводящие к разрывам слоев и массивов горных пород.
Колебательные движения. Отдельные участки земной коры на протяжении многих столетий поднимаются, другие в это же время опускаются. Со временем поднятие сменяется опусканием, и наоборот. Колебательные движения не изменяют первоначальных условий залегания горных пород, но инженерно-геологическое их значение огромно. От них зависит положение границ между сушей и морями, обмеление и усиление размывающей деятельности рек, формирование рельефа и многое другое.
Различают следующие виды колебательных движений земной коры: 1) прошедших геологических периодов; 2) новейшие, связанные с четвертичным периодом; 3) современные.
Для инженерной геологии особый интерес представляют современные колебательные движения, вызывающие изменение высот поверхности земли в данном районе. Для надежной оценки скорости их проявления применяют геодезические работы высокой точности. Современные колебательные движения наиболее интенсивно происходят в районах геосинклиналей. Установлено, например, что за время с 1920 по 1940 гг. Донецкий бассейн поднимался относительно г. Ростова-на-Дону со скоростью 6-10 мм/год, а Среднерусская возвышенность - до 15-20 мм/год. Средние скорости современных опусканий в Азово-Кубанской впадине составляют 3-5, а в Терской впадине - 5-7 мм/год. Таким образом, годичная скорость современных колебательных движений чаще всего равна нескольким миллиметрам, а 10-20 мм/год - это очень высокая скорость. Известная предельная скорость - немногим более 30 мм/год.
В России поднимаются районы г. Курска (3,6 мм/год), остров Новая Земля, Северный Прикаспий. Ряд участков европейской территории продолжают погружаться - Москва (3,7 мм/год), Санкт-Петербург (3,6 мм/год). Опускается Восточное Предкавказье (5-7 мм/год). Многочисленны примеры колебаний земной поверхности в других странах. Много веков интенсивно опускаются районы Голландии (40-60 мм/год), Датских проливов (15-20 мм/год), Франции и Баварии (30 мм/год). Интенсивно продолжает подниматься Скандинавия (25 мм/год), только район Стокгольма за последние 50 лет поднялся на 190 мм.
За счет опускания западного побережья Африки приустьевая часть русла р. Конго опустилась и прослеживается на дне океана до глубины 2000 м на расстоянии 130 км от берега.
Современные тектонические движения земной коры изучает наука неотектоника. Современные колебательные движения необходимо учитывать при строительстве гидротехнических сооружений типа водохранилищ, плотин, мелиоративных систем, городов у моря. Например, опускание района Черноморского побережья приводит к интенсивному размыву берегов волнами моря и образованию крупных оползней.
Складчатые движения. Осадочные породы первоначально залегают горизонтально или почти горизонтально. Это положение сохраняется даже при колебательных движениях земной коры. Складчатые тектонические движения выводят пласты из горизонтального положения, придают им наклон или сминают в складки. Так возникают складчатые дислокации (рис. 31).
Все формы складчатых дислокаций образуются без разрыва сплошности слоев (пластов). Это их характерная особенность. Основными среди этих дислокаций являются: моноклиналь,
флексура, антиклиналь и синклиналь.
Моноклиналь является самой простой формой нарушения первоначального залегания пород и выражается в общем наклоне слоев в одну сторону (рис. 32).
Флексура - коленоподобная складка, образующаяся при смещении одной части толщи пород относительно другой без разрыва сплошности.
Антиклиналь - складка, обращенная своей вершиной вверх (рис. 33), и синклиналь - складка с вершиной, обращенной вниз (рис. 34, 35). Бока складок называют крыльями, вершины - замком, а внутреннюю часть - ядром.
Следует отметить, что горные породы в вершинах складок всегда бывают трещиноваты, а иногда даже раздроблены (рис. 36).
Разрывные движения. В результате интенсивных тектонических движений могут происходить разрывы сплошности пластов. Разорванные части пластов смещаются относительно друг друга. Смещение происходит по плоскости разрыва, которая проявляется в виде трещины. Величина амплитуды смещения бывает различной - от сантиметров до километров. К разрывным дислокациям относят сбросы, взбросы, горсты, грабены и надвиги (рис. 37).
Сброс образуется в результате опускания одной части толщи относительно другой (рис. 38, а). Если при разрыве происходит поднятие, то образуется взброс (рис. 38, б). Иногда на одном участке образуется несколько разрывов. В этом случае возникают ступенчатые сбросы (или взбросы) (рис. 39).
Рис. 31.
/ - полная (нормальная); 2- изоклинная; 3- сундучная; 4- прямая; 5 - косая; 6 - наклонная; 7- лежачая; 8- опрокинутая; 9- флексура; 10 - моноклинная
Рис. 32.
обстановке
Рис. 33.
(по М. Васичу)
Рис. 34. Полная складка (а ) и элементы складки (б):
1 - антиклиналь; 2 - синклиналь
Рис. 35. Синклинальное залегание слоев осадочных пород в природной обстановке (в оси складки различим разлом)
Рис. 37.
а - сброс; б - ступенчатый сброс; в - взброс; г - надвиг; д - грабен; е - горст; 1 - неподвижная часть толщи; 2-смещенная часть; П - поверхность Земли; р - плоскость разрыва
Поверхность сдвига
Рис. 38. Схема сдвига слоистой толщи: а - два переместившихся блока; б - профиль с характерным сдвигом пород (по М. Васичу)
Опустившийся блок
Рейнский
Рис. 39.
Рис. 40.
а - нормальное; б - резервное; в - горизонтальное
Рис. 41.
а - отрыв; б - хрупкое скалывание; в - образование пережима; г - вязкое скалывание при
растяжении («разлинзование»)
Грабен возникает, когда участок земной коры опускается между двумя крупными разрывами. Таким путем, например, образовалось озеро Байкал. Некоторые специалисты считают Байкал началом образования нового рифта.
Горст - форма, обратная грабену.
Надвиг в отличие от предыдущих форм разрывных дислокаций возникает при смещении толщ в горизонтальной или сравнительно наклонной плоскости (рис. 40). В результате надвига молодые отложения могут быть сверху перекрыты породами более древнего возраста (рис. 41, 42, 43).
Залегание пластов. При изучении инженерно-геологических условий строительных площадок необходимо устанавливать пространственное положение пластов. Определение положения слоев (пластов) в пространстве позволяет решать вопросы глубины, мощности и характера их залегания, дает возможность выбирать слои в качестве оснований сооружений, оценивать запасы подземных вод и т. д.
Значение дислокаций для инженерной геологии. Для строительных целей наиболее благоприятными условиями являются гори-
Р и с. 42. Восточное окончание надвига Одиберж (Приморские Альпы). Разрез (а) изображает строение правого берега долины Лу, расположенной непосредственно за участком, изображенным на блок-диаграмме (б); разрез ориентирован в противоположном направлении. Амплитуда надвига, соответствующая величине смещения пластов в запрокинутом крыле антиклинали, постепенно убывает с запада на восток
зонтальное залегание слоев, большая их мощность, однородность состава. В этом случае здания и сооружения располагаются в однородной грунтовой среде, создается предпосылка для равномерной сжимаемости пластов под весом сооружения. В таких условиях сооружения получают наибольшую устойчивость (рис. 44).
Рис. 43.
Разлом Леван в Нижних Альпах
Рис. 44.
а, б - площадки, благоприятные для строительства; в - малоблагоприятные; г - неблагоприятные; Л - сооружение (здание)
Наличие дислокаций усложняет инженерно-геологические условия строительных площадок - нарушается однородность грунтов оснований сооружений, образуются зоны дробления, снижается прочность грунтов, по трещинам разрывов периодически происходят смещения, циркулируют подземные воды. При крутом падении пластов сооружение может располагаться одновременно на различных грунтах, что иногда приводит к неравномерной сжимаемости слоев и деформации сооружений. Для зданий неблагоприятным условием является сложный характер складок. Нежелательно располагать сооружения на линиях разломов.
СЕЙСМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Сейсмические (от греческого - сотрясение) явления проявляются в виде упругих колебаний земной коры. Это грозное явление природы типично районам геосинклиналей, где активно действуют современные горообразовательные процессы, а также зонам субдукции и обдукции.
Сотрясения сейсмического происхождения происходят почти непрерывно. Специальные приборы регистрируют в течение года более 100 тысяч землетрясений, но из них, к счастью, только около 100 приводят к разрушительным последствиям и отдельные - к катастрофам с гибелью людей, массовыми разрушениями зданий и сооружений (рис. 45).
Землетрясения возникают также в процессе извержения вулканов (в России, например, на Камчатке), возникновения провалов в связи с обрушением горных пород в крупные подземные пеще-
Рис. 45.
ры, узкие глубокие долины, а также в результате мощных взрывов, производимых, например, в строительных целях. Разрушительное действие таких землетрясений невелико и они имеют местное значение, а наиболее разрушительными являются тектонические сейсмические явления, захватывающие, как правило, большие площади.
История знает катастрофические землетрясения, когда погибали десятки тысяч людей и разрушались целые города или их большая часть (г. Лиссабон - 1755 г., г. Токио - 1923 г., г. Сан-Франциско - 1906 г., Чили и остров Сицилия - 1968 г.). Только в первой половине XX в. их было 3749, при этом только в Прибайкалье произошло 300 землетрясений. Наиболее разрушительные - в городах Ашхабаде (1948) и Ташкенте (1966).
Исключительное по силе катастрофическое землетрясение произошло 4 декабря 1956 г. в Монголии, зафиксированное также на территории Китая и России. Оно сопровождалось огромными разрушениями. Один из горных пиков раскололся пополам, часть горы высотой 400 м обрушилась в ущелье. Образовалась сбросовая впадина длиной до 18 км и шириной 800 м. На поверхности земли появились трещины шириной до 20 м. Главная из этих трещин протянулась до 250 км.
Наиболее катастрофическим было землетрясение 1976 г., происшедшее в г. Таншань (Китай), в результате которого погибло 250 тыс. человек в основном под обрушившимися зданиями из глины (сырцового кирпича).
Тектонические сейсмические явления возникают как на дне океанов, так и на суше. В связи с этим различают моретрясения и землетрясения.
Моретрясения возникают в глубоких океанических впадинах Тихого, реже Индийского и Атлантического океанов. Быстрые поднятия и опускания дна океанов вызывают смещение крупных масс горных пород и на поверхности океана порождают пологие волны (цунами) с расстоянием между гребнями до 150 км и очень небольшой высотой над большими глубинами океана. При подходе к берегу вместе с подъемом дна, а иногда сужением берегов в бухтах высота волн увеличивается до 15-20 м и даже 40 м.
Цунами перемещаются на расстояния в сотни и тысячи километров со скоростью 500-800 и даже более 1000 км/ч. По мере уменьшения глубины моря крутизна волн резко возрастает и они со страшной силой обрушиваются на берега, вызывая разрушения сооружений и гибель людей. При моретрясении 1896 г. в Японии были отмечены волны высотой 30 м. В результате удара о берег они разрушили 10 500 домов, погибло более 27 тыс. человек.
От цунами чаще всего страдают Японские, Индонезийские, Филиппинские и Гавайские острова, а также тихоокеанское побережье Южной Америки. В России это явление наблюдается на восточных берегах Камчатки и Курильских островах. Последнее катастрофическое цунами в этом районе возникло в ноябре 1952 г. в Тихом океане, в 140 км от берега. Перед приходом волны море отступило от берега на расстояние 500 м, а через 40 мин на побережье обрушилось цунами с песком, илом и различными обломками. Затем последовала вторая волна высотой до 10-15 м, которая довершила разрушение всех построек, расположенных ниже десятиметровой отметки.
Самая высокая сейсмическая волна - цунами поднялась у побережья Аляски в 1964 г.; высота ее достигла 66 м, а скорость 585 км/ч.
Частота возникновения цунами не столь велика, как у землетрясений. Так, за 200 лет на побережье Камчатки и Курильских островов их наблюдалось всего 14, из которых четыре были катастрофическими.
На побережье Тихого океана в России и других странах созданы специальные службы наблюдения, которые оповещают о приближении цунами. Это позволяет вовремя предупредить и укрыть людей от опасности. Для борьбы с цунами возводят инженерные сооружения в виде защитных насыпей, железобетонных молов, волноотбойных стенок, создают искусственные отмели. Здания размещают на высокой части рельефа.
Землетрясения. Сейсмические волны. Очаг зарождения сейсмических волн называют гипоцентром (рис. 46). По глубине залегания гипоцентра различают землетрясения: поверхностные - от 1 до 10 км глубины, коровые - 30-50 км и глубокие (или плутонические) - от 100-300 до 700 км. Последние находятся уже в мантии Земли и связаны с движениями, происходящими в глубинных зонах планеты. Такие землетрясения наблюдались на Дальнем Востоке, в Испании и Афганистане. Наиболее разрушительными являются поверхностные и коровые землетрясения.
Рис. 46. Гипоцентр (Г), эпицентр (Эп) и сейсмические волны:
1 - продольные; 2- поперечные; 3 - поверхностные
Непосредственно над гипоцентром на поверхности земли располагается эпицентр. На этом участке сотрясение поверхности происходит в первую очередь и с наибольшей силой. Анализ землетрясений показал, что в сейсмически активных районах Земли 70 % очагов сейсмических явлений располагаются до глубины 60 км, но наиболее сейсмичной все же является глубина от 30 до 60 км.
От гипоцентра во все стороны расходятся сейсмические волны, по своей природе являющиеся упругими колебаниями. Различают продольные и поперечные сейсмические волны, как упругие колебания, распространяющиеся в земле от очагов землетрясений, взрывов, ударов и других источников возбуждения. Сейсмические волны - продольные, или Р- волны (лат. primae - первые), приходят к поверхности земли первыми, так как имеют скорость в 1,7 раза большую, чем поперечные волны; поперечные, или 5-волны (лат. secondae - вторые), и поверхностные, или L- волны (лат. 1оп-qeg - длинный). Длины L-волн больше, а скорости меньше, чем у Р- и 5-волн. Продольные сейсмические волны - волны сжатия и растяжения среды в направлении сейсмических лучей (во все стороны от очага землетрясения или другого источника возбуждения); поперечные сейсмические волны - волны сдвига в направлении, перпендикулярном сейсмическим лучам; поверхностные сейсмические волны - волны, распространяющиеся вдоль поверхности земли. L-волны подразделяют на волны Лява (поперечные колебания в горизонтальной плоскости, не имеющие вертикальной составляющей) и волны Рэлея (сложные колебания, имеющие вертикальную составляющую), названные так в честь открывших их ученых. Наибольший интерес для инженера-строителя имеют продольные и поперечные волны. Продольные волны вызывают расширение и сжатие пород в направлении их движения. Они распространяются во всех средах - твердых, жидких и газообразных. Скорость их зависит от вещества пород. Это можно видеть из примеров, приведенных в табл. 11. Поперечные колебания перпендикулярны продольным, распространяются только в твердой среде и вызывают в породах деформации сдвига. Скорость поперечных волн примерно в 1,7 раза меньше, чем продольных.
На поверхности земли от эпицентра во все стороны расходятся волны особого рода - поверхностные, являющиеся по своей природе волнами тяжести (подобно морским валам). Скорость их распространения более низкая, чем у поперечных, но они оказывают на сооружения не менее пагубное влияние.
Действие сейсмических волн или, иначе говоря, продолжительность землетрясений, обычно проявляется в течение нескольких секунд, реже минут. Иногда наблюдаются длительные землетрясения. Например, на Камчатке в 1923 г. землетрясение продолжалось с февраля по апрель месяц (195 толчков).
Таблица 11
Скорость распространения продольных (у р) и поперечных (у 5) волн
в различных породах и в воде, км/сек
Оценка силы землетрясений. За землетрясениями ведут постоянные наблюдения при помощи специальных приборов - сейсмографов, которые позволяют качественно и количественно оценивать силу землетрясений.
Сейсмические шкалы (гр. землетрясение + лат. .?сд-
- 1а -
лестница) используют для оценки интенсивности колебаний (сотрясений) на поверхности Земли при землетрясениях в баллах. Первую (из близких к современным) 10-балльную сейсмическую шкалу составили в 1883 г. совместно М. Росси (Италия) и Ф. Форель (Швейцария). В настоящее время большинство стран мира используют 12-балльные сейсмические шкалы: «ММ» в США (усовершенствованная шкала Меркалли-Конкани-Зиберга); Международная МБК-64 (по фамилии авторов С. Медведева, В. Шпон-хойера, В. Карника, созданная в 1964 г.); Института физики Земли АН СССР и др. В Японии используется 7-балльная шкала, составленная Ф. Омори (1900) и в последующем многократно переработанная. Балльность по шкале МБК-64 (уточненной и дополненной Межведомственным советом по сейсмологии и сейсмостойкому строительству в 1973 г.) устанавливается:
- по поведению людей и предметов (от 2 до 9 баллов);
- по степени повреждения или разрушения зданий и сооружений (от 6 до 10 баллов);
- по сейсмическим деформациям и возникновению других природных процессов и явлений (от 7 до 12 баллов).
Очень известной является шкала Рихтера, предложенная в 1935 г. американским сейсмологом Ч.Ф. Рихтером, теоретически обоснованная совместно с Б. Гутенбергом в 1941-1945 гг. шкала магнитуд (М); уточненная в 1962 г. (Московско-Пражская шкала) и рекомендованная Международной ассоциацией сейсмологии и физики недр Земли в качестве стандартной. По этой шкале магнитуда любого землетрясения определяется как десятичный логарифм максимальной амплитуды сейсмической волны (выраженной в микрометрах), записанной стандартным сейсмографом на расстоянии 100 км от эпицентра. При других расстояниях от эпицентра до сейсмостанции вводится поправка к замеренной амплитуде с целью приведения ее к той, которая соответствует стандартному расстоянию. Нуль шкалы Рихтера (М = 0) дает очаг, при котором амплитуда сейсмической волны на расстоянии 100 км от эпицентра будет равна 1 мкм, или 0,001 мм. При увеличении амплитуды в 10 раз магнитуда возрастает на единицу. При амплитуде, меньшей 1 мкм, магнитуда имеет отрицательные значения; известные максимальные значения магнитуд М = 8,5...9. Магнитуда - расчетная величина, относительная характеристика сейсмического очага, не зависящая от места расположения записывающей станции; используется для оценки общей энергии, выделившейся в очаге (установлена функциональная зависимость между магнитудой и энергией).
Энергия, выделившаяся в очаге, может выражаться абсолютной величиной (Е , Дж), величиной энергетического класса (К = \%Е) или условной величиной, называемой магнитудой,
К -5 К=4
М =--г--. Магнитуда самых больших землетрясений
М = 8,5...8,6, что соответствует выделению энергии 10 17 -10 18 Дж или семнадцатому - восемнадцатому энергетическим классам. Интенсивность проявления землетрясений на поверхности земли (сотрясаемость на поверхности) определяется по шкалам сейсмической интенсивности и оценивается в условных единицах - баллах. Балльность (/) является функцией магнитуды (М), глубины очага (И) и расстояния от рассматриваемой точки до эпицентра Щ:
I = 1,5М+3,518 л/1 2 +И 2 +3.
Ниже приводятся сравнительные характеристики разных групп землетрясений (табл. 12).
Сравнительные характеристики землетрясений
|
Землетрясения |
|||
|
Параметр землетрясений |
слабейшие |
сильные частые |
сильнейшие известные |
|
Протяженность очага, км |
|||
|
Площадь главной трещины, км 2 |
|||
|
Объем очага, км 3 |
|||
|
Длительность процесса в очаге, с |
|||
|
Сейсмическая энергия, Дж |
|||
|
Класс землетрясения |
|||
|
Число землетрясений в год на Земле |
|||
|
Преобладающий период колебаний, с |
|||
|
Амплитуда смещений в эпицентре, см |
|||
|
Амплитуда ускорений в эпицентре, см/с 2 |
|||
Для расчетов силовых воздействий (сейсмических нагрузок), оказываемых землетрясениями на здания и сооружения, используют понятия: ускорение колебаний (а), коэффициент сейсмичности (к с) и максимальное относительное смещение (О).
На практике силу землетрясений измеряют в баллах. В России используется 12-балльная шкала. Каждому баллу соответствует определенное значение ускорения колебания а (мм/с 2). В табл. 13 приведена современная 12-балльная шкала и дана краткая характеристика последствиям землетрясений.
Сейсмические баллы и последствия землетрясений
Таблица 13
|
Баллы |
Последствия землетрясений |
|
Легкие повреждения в зданиях, тонкие трещины в штукатурке; трещины в сырых грунтах; небольшие изменения дебита источников и уровня воды в колодцах |
|
|
Трещины в штукатурке и откалывание отдельных кусков, тонкие трещины в стенах; в единичных случаях нарушения стыков трубопроводов; большое количество трещин в сырых грунтах; в отдельных случаях мутнеет вода; изменяется дебит источников и уровень грунтовых вод |
|
|
Большие трещины в стенах, падение карнизов, дымовых труб; отдельные случаи разрушения стыков трубопроводов; трещины в сырых грунтах до нескольких сантиметров; вода в водоемах становится мутной; возникают новые водоемы; часто меняется дебит источников и уровень воды в колодцах |
|
|
В некоторых зданиях обвалы: обрушения стен, перекрытий, кровли; многочисленные разрывы и повреждения трубопроводов; трещины в сырых грунтах до 10 см; большие волнения в водоемах; часто возникают новые и пропадают существующие источники |
|
|
Обвалы во многих зданиях. Трещины в грунтах до метра шириной |
|
|
Многочисленные трещины на поверхности земли; большие обвалы в горах |
|
|
Изменение рельефа местности в больших размерах |
Сейсмические районы территории России. Вся земная поверхность разделена на зоны: сейсмические, асейсмические и пенесейсмические. К сейсмическим относят районы, которые расположены в геосинклинальных областях. В асейсмических районах землетрясений не бывает (Русская равнина, Западная и Северная Сибирь). В пенесейсмических районах землетрясения происходят сравнительно редко и бывают небольшой силы.
Для территории России составлена карта распространения землетрясений с указанием баллов. К сейсмическим районам относятся Кавказ, Алтай, Забайкалье, Дальний Восток, Сахалин, Курильские острова, Камчатка. Эти районы занимают пятую часть территории, на которой располагаются крупные города. В настоящее время эта карта обновляется и в ней будут содержаться сведения о повторяемости землетрясений во времени.
Землетрясения способствуют развитию чрезвычайно опасных гравитационных процессов - оползней, обвалов, осыпей. Как правило, все землетрясения от семи баллов и выше сопровождаются этими явлениями, причем катастрофического характера. Повсеместное развитие оползней и обвалов наблюдалось, например, во время Ашхабадского землетрясения (1948), сильного землетрясения в Дагестане (1970), в долине Чхалты на Кавказе (1963), в до-
лине р. Нарын (1946), когда сейсмические колебания вывели из состояния равновесия крупные массивы выветрелых и разрушенных пород, которые располагались в верхних частях высоких склонов, что вызвало подпруживание рек и образование крупных горных озер. Существенное влияние на развитие оползня оказывают и слабые землетрясения. В этих случаях они являются как бы толчком, спусковым механизмом уже подготовленного к обрушению массива. Так, на правом склоне долины р. Актуры в Киргизии после землетрясения в октябре 1970 г. образовались три обширных оползня. Зачастую не столько сами землетрясения оказывают влияние на здания и сооружения, сколько вызванные ими оползневые и обвальные явления (Каратегинское, 1907 г., Сарезское, 1911 г., Файзабадское, 1943 г., Хаитское, 1949 г., землетрясения). Объем массы сейсмического обвала (обвал - обрушение), расположенного в сейсмоструктуре Бабха (северный склон хребта Хамар-Дабан, Восточная Сибирь), составляет около 20 млн м 3 . Сарезское землетрясение силой 9 баллов, происшедшее в феврале 1911 г., сбросило с правого берега р. Мургаб в месте впадения в нее Усой-Дарьи 2,2 млрд м 3 горной массы, что привело к образованию плотины высотой 600-700 м, шириной 4 км, длиной 6 км и озера на высоте 3329 м над уровнем моря объемом 17-18 км 3 , площадью зеркала 86,5 км 2 , длиной 75 км, шириной до 3,4 км, глубиной 190 м. Под завалом оказалось небольшое селение, а под водой кишлак Сарез.
В результате сейсмического воздействия при Хаитском землетрясении (Таджикистан, 10 июля 1949 г.) силой 10 баллов большое развитие получили обвальные и оползневые явления на склоне хребта Тахти, после чего сформировались земляные лавины и селевые потоки 70-метровой толщины со скоростью 30 м/с. Объем селевого потока - 140 млн м 3 , площадь разрушений - 1500 км 2 .
Строительство в сейсмических районах (сейсмическое микрорайонирование). При строительных работах в районах землетрясений необходимо помнить, что баллы сейсмических карт характеризуют только некоторые усредненные грунтовые условия района и поэтому не отражают конкретных геологических особенностей той или иной строительной площадки. Эти баллы подлежат уточнению на основе конкретного изучения геологических и гидрогеологических условий строительной площадки (табл. 14). Это достигается увеличением исходных баллов, полученных по сейсмической карте, на единицу для участков, сложенных рыхлыми породами, в особенности увлажненными, и их уменьшением на единицу для участков, сложенных прочными скальными породами. Породы II категории по сейсмическим свойствам свою исходную балльность сохраняют без изменения.
Корректировка баллов сейсмических районов на основании инженерно-геологических и гидрогеологических данных
Корректировка баллов строительных участков справедлива, главным образом, для равнинных или холмистых территорий. Для горных районов необходимо принимать во внимание и другие факторы. Опасными для строительства являются участки с сильно расчлененным рельефом, берега рек, склоны оврагов и ущелий, оползневые и карстовые участки. Крайне опасны участки, расположенные вблизи тектонических разрывов. Весьма затруднительно строить при высоком залегании уровня грунтовых вод (1-3 м). Следует учитывать, что наибольшие разрушения при землетрясениях происходят на заболоченных территориях, на обводненных пылеватых, на лессовых недоуплотненных породах, которые при сейсмическом сотрясении энергично доуплотняют-ся, разрушая выстроенные на них здания и сооружения.
При ведении инженерно-геологических изысканий в сейсмических районах требуется выполнять дополнительные работы, регламентированные соответствующим разделом СНиП 11.02-96 и СП 11.105-97.
На территориях, где сила землетрясений не превышает 7 баллов, основания зданий и сооружений проектируют без учета сейсмичности. В сейсмических районах, т. е. районах с расчетной сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов, проектирование оснований ведут в соответствии с главой специального СНиПа по проектированию зданий и сооружений в сейсмических районах.
В сейсмических районах не рекомендуется прокладывать водоводы, магистральные линии и канализационные коллекторы в водонасыщенных грунтах (кроме скальных, полускальных и крупнообломочных), в насыпных грунтах независимо от их влажности, а также на участках с тектоническими нарушениями. Если основным источником водоснабжения являются подземные воды трещиноватых и карстовых пород, дополнительным источником всегда должны служить поверхностные водоемы.
Большое практическое значение для жизни и производственной деятельности человека имеет предсказание момента начала землетрясения и его силы. В этой работе уже имеются заметные успехи, но в целом проблема прогнозирования землетрясений еще находится на стадии разработки.
Вулканизм - это процесс прорыва магмы из глубин земной коры на поверхность земли. Вулканы - геологические образования в виде гор и возвышений конусовидной, овальной и других форм, возникшие в местах прорыва магмы на земную поверхность.
Вулканизм проявляется в районах субдукций и обдукций, а внутри литосферных плит - в зонах геосинклиналей. Наибольшее количество вулканов расположено вдоль побережья Азии и Америки, на островах Тихого и Индийского океанов. Вулканы имеются также на некоторых островах Атлантического океана (у побережья Америки), в Антарктиде и Африке, в Европе (Италия и Исландия). Различают вулканы действующие и потухшие. Действующими называют те вулканы, которые постоянно или периодически извергаются; потухшими - те, которые прекратили свое действие, и об их извержениях нет данных. В ряде случаев потухшие вулканы снова возобновляют свою деятельность. Так было с Везувием, неожиданное извержение которого произошло в 79 г. н. э.
На территории России вулканы известны на Камчатке и на Курильских островах (рис. 47). На Камчатке расположено 129 вулканов, из них 28 действующих. Наибольшую известность получил вулкан Ключевская сопка (высота 4850 м), извержение которого повторяется приблизительно через каждые 7-8 лет. Активно действуют вулканы Авачинский, Карымский, Безымянский. На Курильских островах насчитывают до 20 вулканов, из которых около половины действующих.
Потухшие вулканы на Кавказе - Казбек, Эльбрус, Арарат. Казбек, например, еще действовал в начале четвертичного периода. Его лавы во многих местах покрывают район Военно-Грузинской дороги.
В Сибири в пределах Витимского нагорья также обнаружены потухшие вулканы.
Рис. 47.
Извержения вулканов происходят по-разному. Это в большой мере зависит от типа магмы, которая извергается. Кислая и средняя магмы, будучи очень вязкими, дают извержения со взрывами, выбросом камней и пепла. Излияние магмы основного состава обычно происходит спокойно, без взрывов. На Камчатке и Курильских островах извержения вулканов начинаются с подземных толчков, далее следуют взрывы с выбросом водяных паров и излиянием раскаленной лавы.
Извержение, например, Ключевской сопки в 1944-1945 гг. сопровождалось образованием над кратером раскаленного конуса высотой до 1500 м, выбросом раскаленных газов и обломков пород. После этого произошло излияние лавы. Извержение сопровождалось землетрясением в 5 баллов. При извержении вулканов типа Везувия характерно выпадение обильных дождей за счет конденсации водяных паров. Возникают исключительные по силе и грандиозности грязевые потоки, которые, устремляясь вниз по склонам, приносят огромные разрушения и опустошения. Так же может действовать вода, образовавшаяся в результате таяния снегов на вулканических склонах кратеров; и вода озер, сформировавшихся на месте кратера.
Строительство зданий и сооружений в вулканических районах имеет определенные трудности. Землетрясения обычно не достигают разрушительной силы, но продукты, выделяемые вулканом, могут пагубно сказаться на целостности зданий и сооружений и их устойчивости.
Многие газы, выделяемые при извержениях, например сернистые, опасны для людей. Конденсация паров воды вызывает катастрофические ливни и грязевые потоки. Лава образует потоки, ширина и длина которых зависят от уклона и рельефа местности. Известны случаи, когда длина лавового потока достигала 80 км (Исландия), а мощность - 10-50 м. Скорость течения основных лав составляет 30 км/ч, кислых - 5-7 км/ч, из вулканов взлетают вулканические пеплы (пылеватые частицы), песок, лапилли (частицы 1-3 см в диаметре), бомбы (от сантиметров до нескольких метров). Все они представляют собой застывшую лаву и при извержении вулкана разлетаются на различные расстояния, засыпают поверхность земли многометровым слоем обломков, обрушивают кровли зданий.
Под действием внутренних сил, внутренней (тепловой, радиоактивной, химической) энергии Земли на земную кору возникают процессы, называемые тектоническими движениями, которые вызывают изменение формы земной поверхности и нарушение залегания горных пород. С тектоническими движениями в земной коре связаны горообразование, землетрясение, вулканизм, глубинное рудообразование. От этих движений зависят также форма, характер и интенсивность разрушения земной поверхности, осадконакопление, распределение суши и моря. Тектонические движения - движения литосферы и подкоровых масс. Основная причина тектонических движений - развитие вещества внутренних частей Земли. Различают тектонические движения:
Вековые колебания земной коры (медленные волновые движения (поднятия и опускания) земной коры, происходящие повсеместно и непрерывно и сменяющие друг друга во времени и пространстве, приводят к наступлению моря на сушу (трансгрессия) или к расширению суши за счет моря (регрессия));
Складкообразование (тектонические движения, приводящие к изгибу слоев и образованию складок; непосредственная причина складкообразования - боковое сжатие пачки слоев; сопровождается разрывами горных пород; это необратимый процесс);
Движения по разломам (необратимые перемещения блоков земной коры относительно друг друга по уже существующим разрывам или одновременно с образованием новых разрывов; часто приводят к землетрясениям, особенно при образовании новых разрывов);
Вертикальные и горизонтальные движения.
Горообразование - процесс создания на земной поверхности горных систем, горных стран в результате интенсивных поднятий земной коры со скоростью, превышающей скорость разрушения гор процессами денудации. Процессы горообразования неоднократно происходили на протяжении геологической истории в заключительной фазе развития геосинклиналей (молодые горы), нередко распространяясь и на платформы (возрожденные горы).
Тектонические землетрясения - землетрясения, обусловленные тектоническими процессами и возникающие в результате внезапного высвобождения энергии, накопившейся в недрах Земли при деформации больших объемов горных пород.
Тектонические структуры - закономерно повторяющиеся формы залегания горных пород. Тектонические структуры образуются в результате внутренних процессов, происходящих в твердых геосферах Земли: тектонических движений, прорывов магмы и т.п.
Различают:
Простейшие тектонические структуры: складки, трещины, сбросы, лакколиты и др.; и
Глубинные тектонические структуры, достигающие верхних слоев мантии Земли: платформы, геосинклинали, островные дуги, глубинные разломы и др.
Эндогенные процессы - рельефообразующие процессы, происходящие главным образом в недрах Земли и обусловленные ее внутренней энергией, силой тяжести и силами, возникающими при вращении Земли. Эндогенные процессы проявляются в виде тектонических движений, магматизма, в деятельности грязевых вулканов и др.Эндогенные процессы играют главную роль при образовании крупных форм рельефа.
При системе сбросов (надвигов) может образоваться ступенчатый рельеф, если блоки смещены в одном направлении, или сложный горный рельеф, если блоки смещены относительно друг друга в разных направлениях. Так образуются глыбовые горы. С точки зрения структурных особенностей перемещенных блоков различают столовые глыбовые и складчато-глыбовые горы. Первые возникают на участках, сложенных горизонтальными или слабонаклонными, не смятыми в складки пластами осадочных пород.
Особенно велика рельефообразующая роль разрывных нарушений в областях распространения древних складчатых областей, где в результате последующих тектонических движений в ряде мест сформировались глыбовые, или сбросовые, горы.
Таким образом, земная кора находится в постоянном движении, но скорость ее движения неодинакова. В одних местах она незначительна, там земная кора находится в устойчивом состоянии. Такие участки называют платформами. В пределах нашей страны выделяют две платформы: Восточно-Европейскую и Сибирскую. Их кристаллическая основа покрыта мощными слоями осадочных горных пород. Вертикальные и горизонтальные перемещения незначительны.
Геосинклинали - это огромные прогибы в земной коре. В них наблюдаются разрывы, горизонтальные и вертикальные перемещения, которые в конечном счете приводят к образованию гор.
Горные породы - это вещество, слагающее земную кору. Состоят горные породы из минералов, однородных или неоднородных, которые твердо или рыхло соединяются. Нередко они состоят из сцементированных обломков различных пород, иногда с присутствием вулканического стекла. Горные породы сформировались в результате внутриземных или поверхностных геологических процессов.
По происхождению горные породы подразделяются на: 1)магматические (образуются из расплавленной магмы при ее остывании и затвердевании; горные породы, образованные излившейся магмой, состоят из мелких кристаллов); 2)осадочные (образуются только на поверхности земной коры в результате оседания под действием силы тяжести и накопления осадков на дне водоемов и на суше; делятся на обломочные (состоят из обломков различных пород), химические (образуются из водных растворов минеральных веществ), органические (состоят в основном из остатков растений и животных, накопившихся за миллионы лет на дне озер, морей, океанов)); 3) метаморфические (вследствие воздействия высокого давления, температур и химических растворов в нижней части земной коры или в мантии происходит уплотнение, перекристаллизация, изменение структуры и текстуры горной породы без существенного изменения ее химического состава, при этом существенно преобразуется одна горная порода в другую, более стойкую и твердую, без ее растворения или расплавления).
Отдельно стоят мантийные породы. По минералогии мантийные породы во многом идентичны породам магматическим. Поэтому к ним применяется номенклатура магматических пород с вариациями.
Метаморфические горные породы образуются в толще земной коры в результате изменения (метаморфизма) осадочных или магматических горных пород. Факторами, вызывающими эти изменения, могут быть: близость застывающего магматического тела и связанное с этим прогревание метаморфизуемой породы, а также воздействие отходящих от этого тела активных химических соединений, в первую очередь различных водных растворов (контактовый метаморфизм), или погружение породы в толщу земной коры, где на неё действуют факторы регионального метаморфизма - высокие температуры и давления.
Земная кора только кажется неподвижной, абсолютно устойчивой. На самом же деле она совершает непрерывные и разнообразные движения. Некоторые из них происходят очень медленно и не воспринимаются органами чувств человека, другие, например землетрясения, носят обвальный, разрушительный характер. Какие же титанические силы приводят в движение земную кору?
Внутренние силы Земли, источник их происхождения.
Известно, что на границе мантии и литосферы температура превышает 1500 °C. При этой температуре материя должна либо расплавиться, либо превратиться в газ. При переходе твердых тел в жидкое или газообразное состояние объем их должен увеличиваться. Однако этого не происходит, так как перегретые породы находятся под давлением вышележащих слоев литосферы. Возникает эффект «парового котла», когда стремящаяся расшириться материя давит на литосферу, приводя ее в движение вместе с земной корой. При этом чем выше температура, тем сильнее давление и тем активнее движется литосфера. Особенно сильные очаги давления возникают в тех местах верхней мантии, где концентрируются радиоактивные элементы, распад которых разогревает слагающие породы до еще более высоких температур. Движения земной коры под действием внутренних сил Земли называют тектоническими. Эти движения подразделяют на колебательные, складкообразовательные и разрывные.
Колебательные движения.
Эти движения происходят очень медленно, незаметно для человека, поэтому их еще называют вековыми или эпейрогеническими. В одних местах земная кора поднимается, в других – опускается. При этом нередко поднятие сменяется опусканием, и наоборот. Проследить за этими движениями можно только по тем «следам», которые остаются после них на земной поверхности. Например, на побережье Средиземного моря, близ Неаполя, находятся развалины храма Сераписа, колонны которого источены морскими моллюсками на высоте до 5,5 м над уровнем современного моря. Это служит безусловным доказательством того, что храм, построенный в IV в., побывал на дне моря, а затем произошло его поднятие. Сейчас этот участок суши вновь опускается. Нередко на побережьях морей выше их современного уровня находятся ступени – морские террасы, созданные когда-то морским прибоем. На площадках этих ступеней можно найти остатки морских организмов. Это свидетельствует о том, что площадки террас когда-то были дном моря, а затем берег поднялся и море отступило.
Опускание земной коры ниже 0 м над уровнем моря сопровождается наступлением моря – трансгрессией, а поднятие – его отступлением – регрессией. В настоящее время в Европе поднятия происходят в Исландии, Гренландии, на Скандинавском полуострове. Наблюдениями установлено, что область Ботнического залива поднимается со скоростью 2 см в год, т. е. на 2 м в столетие. Одновременно с этим происходит опускание территории Голландии, Южной Англии, Северной Италии, Причерноморской низменности, побережья Карского моря. Признаком опускания морских побережий служит образование морских заливов в устьевых участках рек – эстуариев (губ) и лиманов.
При поднятии земной коры и отступлении моря морское дно, сложенное осадочными породами, оказывается сушей. Так образуются обширные морские (первичные) равнины: например, Западно-Сибирская, Туранская, Северо-Сибирская, Амазонская (рис. 20).
Рис. 20.Строение первичных или морских, пластовых равнин
Складкообразовательные движения.
В тех случаях, когда пласты горных пород достаточно пластичны, под действием внутренних сил происходит смятие их в складки. Когда давление направлено по вертикали, породы смещаются, а если в горизонтальной плоскости – сжимаются в складки. Форма складок бывает самой разнообразной. Когда изгиб складки направлен вниз, ее называют синклиналью, вверх – антиклиналью (рис. 21). Образуются складки на больших глубинах, т. е. при высоких температурах и большом давлении, а затем под действием внутренних сил они могут быть подняты. Так возникают складчатые горы Кавказские, Альпы, Гималаи, Анды и др. (рис. 22). В таких горах складки легко наблюдать там, где они обнажены и выходят на поверхность.
Рис. 21.Синклинальная (1) и антиклинальная (2)складки
Рис. 22.Складчатые горы
Разрывные движения.
Если горные породы недостаточно прочны, чтобы выдержать действие внутренних сил, в земной коре образуются трещины – разломы и происходит вертикальное смещение горных пород. Опустившиеся участки называют грабенами, а поднявшиеся – горстами(рис. 23). Чередование горстов и грабенов создает глыбовые (возрожденные) горы. Примерами таких гор служат: Алтай, Саянские, Верхоянский хребет, Аппалачи в Северной Америке и многие другие. Возрожденные горы отличаются от складчатых как по внутреннему строению, так и по внешнему виду – морфологии. Склоны этих гор часто отвесные, долины, как и водоразделы, широкие, плоские. Пласты горных пород всегда смещены относительно друг друга.
Рис. 23.Возрожденные складчато-глыбовые горы
Опустившиеся участки в этих горах, грабены, иногда заполняются водой, и тогда образуются глубокие озера: например, Байкал и Телецкое в России, Танганьика и Ньяса в Африке.
Движения земной коры
Поверхность нашей планеты постоянно претерпевает изменения. Даже в течение своей жизни человек замечает, как меняется окружающая его природа: осыпаются берега рек, зарастает луг, возникают новые формы рельефа , часто в их возникновении участвует и сам человек. Тогда, если они созданы его руками, такие формы рельефа носят названия антропогенных. Тем не менее, все эти изменения, по большей части, вызваны внешними, экзогенными силами Земли. Наблюдать же внутренние, эндогенные силы планеты воочию доводится далеко не каждому. Должно быть, это и к лучшему, - очень уж грандиозны и временами разрушительны бывают эти внутренние силы, способные перемещать континенты. И вырвавшись на поверхность однажды, внутренние силы могут пробудить спящий вулкан , могут разом изменить окружающий рельеф сильным землетрясением , эти силы куда более мощные в своих проявлениях, чем ветер, текучая вода, движущиеся ледники. И в то время, когда внешние силы Земли годами и веками формируют мелкие и средние формы рельефа, обтачивая камни, шлифуя горы; внутренние силы Земли, пусть и за миллионы лет, эти горы воздвигают и перемещают за тысячи километров отдельные блоки литосферы . Так что даже хорошо, что большая часть этих внутренних процессов скрыта от нас огромной толщей земной коры .
Итак, земная кора движется. Она движется обычно очень медленно вместе с отдельными блоками литосферы - литосферными плитами . Скорость этого движения не превышает несколько сантиметров в год. Иногда, особенно рядом с границами литосферных плит земная кора может прийти в быстрое движение, в результате происходит землетрясение . Причиной движения земной коры , как считают учёные, является движение мантии . Напомним, что недра Земли очень горячие, и мантия представляет собой особое вязкое вещество. С глубиной его температура растёт и уже в ядре она доходит до нескольких тысяч градусов. С нагреванием плотность вещества снижается за счёт его расширения. Справедливо предположить, что в недрах планеты более горячая и менее плотная мантия медленно стремится подняться вверх, а верхние, более холодные слои погружаются вниз, пока снова не нагреются. Этот процесс длится миллионы лет и будет продолжаться, пока недра Земли не остынут. Циркуляция мантии и увлекает за собой сравнительно тонкую (по меркам планеты) .
Быстрые движения хаотичны, они не имеют конкретного направления, и о них мы поговорим в теме "землетрясения" .
Медленные движения земной коры можно подразделить на горизонтальные и вертикальные.
Горизонтальные движения - это, в первую очередь, движения литосферных плит . При столкновении плит образуются горы, на месте их расхождения формируются разломы в земной коре. Яркими примерами таких разломов являются озёра Байкал, Ньяса и Танганьика. На дне океанов в местах разломов также формируются срединно-океанические хребты.
Вертикальные движения - это процессы поднятия и опускания участков суши или дна моря. Вертикальные движения нередко являются следствием горизонтальных столкновений двух литосферных плит. Так на несколько миллиметров в год растут высочайшие на Земле горы Гималаи. Можно наблюдать, как древние античные города за тысячи лет оказались подняты над уровнем моря, и их приморские сооружения оказались вдали от береговой линии. Вероятно, миф об Атлантиде, тоже может иметь свои реальные предпосылки; по крайней мере, затопленные Средиземным морем памятники древних цивилизаций, современными археологами обнаружены. Причина тому - опускания и поднятия земной коры на границе Евразийской и Африканской литосферных плит в районе Средиземноморья. Испытывают поднятия и берега Скандинавии. Однако, вероятно, здесь кора поднимается из-за того, что несколько тысяч лет назад её покрывал огромный ледник. Сейчас ледниковый период давно закончился, а поверхность Земли, испытавшая в этом месте колоссальное давление, всё ещё медленно выпрямляется обратно. Чего не сказать о берегах соседней Голландии, которой наоборот приходится век за веком бороться с надвигающимся морем. Только система дамб и специальных сооружений защищает значительную часть Нидерландов от затопления. Не случайно существует поговорка о том, что Бог создал море, а голландцы создали берега.
Изучать направление движения земной коры помогает особенность залегания горных пород на Земле. Дело в том, что горные породы залегают обычно в виде слоёв, так что вся земная кора напоминает своеобразный слоёный пирог. И чем выше находится слой, тем позже он должен был образоваться. О времени образования слоя геологи обычно судят по окаменелым останкам организмов, которые в нём обнаруживаются. Но иногда слои залегают неровно, они могут сминаться в складки и даже менять расположение. Такие перемещения могут сбить с толку, но они же и могут рассказать о тех движениях земной коры, которые она испытывала в этом месте.
Если один из фрагментов наблюдаемого участка как будто съехал или сдвинулся вниз относительно другого, то это явление называется сброс
. Когда наблюдается очевидное поднятие одного из участков, то это взброс
. Иногда взброс бывает на столько сильным, что приподнятый участок как бы наваливается на соседний, это будет проявляться в повторении одинаковых слоёв сначала в нижнем, а потом в надвинувшемся на него участке. Это явление называется надвиг
.
Если один из фрагментов был поднят над другими - это горст
, а если он словно провалился вниз - это грабен
.
Горные породы, особенно в горах, часто смяты в складки. Складка, поднимающаяся вверх, называется антиклиналь
, а прогнувшаяся вниз - синклиналь
.
Медленные поднятия и опускания участков земной коры играют большую роль в истории Земли: этими движениями созданы разнообразные геологические структуры, образованы главнейшие неровности земной поверхности. Возвышенности, горы несут следы создавших их медленных поднятий, крупные низменности, впадины - результат постепенных опусканий, развивавшихся в течение геологического времени.
Медленные (вековые) движения земной коры продолжаются и в современную эпоху. Они могут быть выявлены точными геодезическими, геофизическими, океанографическими и геоморфологическими методами. Изучение современных движений земной коры - одна из актуальных проблем науки о Земле, имеющая большое теоретическое и практическое значение. Сведения о медленных движениях земной коры (особенно в тектонически подвижных сейсмических областях) становятся все более необходимыми при создании опорных геодезических сетей, при проектировании крупных долговременных сооружений - портов, каналов, гидростанций, ускорителей элементарных частиц. Анализ характера современных деформаций земной поверхности дает ключ к пониманию природы сложных процессов, происходящих в верхней мантии и земной коре.
Русские естествоиспытатели давно проявляли интерес к рассматриваемому явлению. Еще М. В. Ломоносов в 1763 г. в трактате «О слоях земных» связывал многие изменения лика Земли с «нечувствительным и долговременным земной поверхности понижением и повышением».
Признаки векового поднятия или опускания земной коры наиболее отчетливо видны на побережьях морей и больших озер: в областях опускания нередко можно наблюдать затопленные постройки, леса; в областях поднятия, напротив, дно мелеет, появляются новые острова, береговая линия как бы отступает и возрастает площадь суши. По таким признакам уже в начале XIX в. было надежно установлено вековое поднятие Скандинавского полуострова (Фенноскандии) в виде огромного свода, включающего южное побережье Финского залива.
С целью установить движения земной коры в районе оз. Байкал выдающийся исследователь Сибири И. Д. Черский в 1878-1880 гг. сделал ряд засечек на прибрежных скалах. С тех пор высоты всех засечек над уровнем Байкала изменились, что позволило оценить знак и скорость движений земной коры отдельных участков побережья: по оценке В. В. Ламакина (1953), изучавшего многие годы современные движения и неотектонику этого озера, они составляют от 1,5 до 6,5 мм в год. В настоящее время вместо примитивных засечек на побережьях морей СССР установлены точные приборы (футштоки, мареографы). Систематические наблюдения с их помощью позволяют надежно оценивать изменения уровня морей и движение суши.
После разрушительного землетрясения 1887 г. в г. Верном (ныне Алма-Ата) по инициативе известного геолога И. В. Мушкетова было проведено точное нивелирование через Заилийский хребет от Алма-Аты до оз. Иссык-Куль. По мысли И. В. Мушкетова, повторные нивелирования этой трассы должны были послужить основанием для будущих определений изменений высоты гор, для изучения тектоники и сейсмичности района. Заметим, что в Японии систематическое проложение линий повторного нивелирования с целью изучения движений земной коры, приводящих к разрушительным сейсмическим толчкам, было начато лишь после катастрофического землетрясения 1891 г.
Геодезические методы изучения движений земной коры привлекли внимание советских ученых и инженеров вскоре после Великой Октябрьской социалистической революции. Повторное нивелирование на Апшеронском полуострове позволило Н. Н. Большакову (1930) выявить интенсивные смещения земной поверхности - опускания со скоростью более 3 см в год, вызванные как тектоническими процессами, так и эксплуатацией нефтяных месторождений. Сложные деформации земной поверхности, связанные с вековым опусканием земной коры и оползневыми явлениями, были изучены в конце 30-х гг. в районе Одессы. Метод повторного нивелирования был оценен как новый, весьма перспективный путь изучения движений земной коры, однако в предвоенные годы объем повторных геодезических измерений высокой точности был еще недостаточен.
Первые опыты изучения результатов повторного точного нивелирования для выявления современных движений земной коры обширных территорий были предприняты после Великой Отечественной войны. Продолжающееся развитие тектонических структур складчатой области Кавказа было установлено А. А. Изотовым (1949) по результатам повторного нивелирования трассы Махачкала - Баку. Первые же повторные нивелировки большой протяженности, проведенные на Русской платформе, показали, что и ъ тектонически «спокойных» областях платформ повсеместно продолжаются движения земной коры, связанные с развитием разнообразных тектонических структур. Результаты соответствующих исследований опубликованы Л. Н. Розановым (1949), Ю. А. Мещеряковым и М. И. Синягиной (1951).
Повышение точности и накопление материалов геодезических и океанографических наблюдений позволило сделать дальнейший шаг в изучении современных движений земной коры. Он был связан с разработкой комплексной методики их изучения, основанной на совместном использовании геодезических, океанографических и геолого-геоморфологических наблюдений. Этот новый подход позволил перейти от выявления характера современных движений земной коры на сравнительно небольших участках или по отдельным профилям к составлению сводных карт движений для больших территорий. В 1958 г. силами Центрального научно-исследовательского института геодезии, аэросъемки и картографии (ЦНИИГАиК) и Института географии АН СССР под руководством И. П. Герасимова и Ю. В. Филиппова была составлена карта современных движений для западной половины Европейской части СССР. Карта базировалась на сети повторных нивелировок общей протяженностью около 20 тыс. км. Повторные нивелировки были увязаны с футштоками на побережьях Балтийского, Черного и Азовского морей.
Составление карты позволило проследить современные движения земной коры от Скандинавского полуострова до Черного моря, так как на прилагаемой схеме отражены результаты исследований на территории СССР вместе с материалами по Фенноскандии и новыми наблюдениями ученых Польши и Болгарии. Оказалось, что поднятие Фенноскандии не затухает к югу от Финского залива, как предполагали некоторые ученые, а широкой полосой продолжается на юг, до Карпат. К востоку и к западу от этой Эстонско-Карпатской полосы современного поднятия были выявлены области опускания земной коры. Были обнаружены также самостоятельные участки современного поднятия Русской платформы, связанные со структурами Воронежского и Украинского массивов и структурой Донбасса. Скорость движений земной коры, как оказалось, составляет в среднем 2-4 мм в год, при максимальных значениях до 1 см в год. Например, район Таллина испытывает поднятие со скоростью около 2 мм в год, район Москвы понижается примерно на 3 мм в год.
Впервые современные движения земной коры были выявлены для столь обширной территории. Результаты исследований советских ученых, доложенные на конгрессах Международного геодезического и геофизического союза (МГТС) и Международного географического союза (МГС), вызвали большой интерес и, несомненно, способствовали развитию аналогичных исследований в других странах.
С 1960 г. в составе МГГС активно работает созданная по инициативе советских ученых постоянная Международная комиссия по изучению современных движений земной коры, объединяющая ученых более 30 стран Европы, Азии, Африки и Америки. В 1963 г. МГГС одобрил
международную исследовательскую программу «Современные движения земной коры», разработанную Ю. Д. Буланже и автором этих строк и поддержанную учеными многих стран на специальном симпозиуме в Лейпциге в 1962 г. Международная программа предусматривает составление сводных карт современных движений крупных территорий, в первую очередь Европы и Северной Америки.
В создании такой карты для Европы вместе с советскими учеными - инициаторами международного сотрудничества в изучении современных движений земной коры - активное участие принимают ученые социалистических стран. Для территорий Польши, Болгарии, Германской Демократической Республики, Венгрии и Чехословакии уже составлены карты движений земной коры. Задачей для советских специалистов (ЦНИИГАиК, Институт географии АН СССР) на ближайшие годы является расширение такой карты на восток и на запад. В районах Сибири, Дальнего Востока и Средней Азии характер современных движений освещается отдельными, хотя и весьма протяженными, линиями повторного нивелирования (Новосибирск - Алма-Ата, Красноводск - Ашхабад и др.).
Советские ученые (Ю. Д. Буланже, А. А. Изотов и др.) выступили инициаторами создания мировой сети специальных полигонов для наблюдения за ходом движений земной коры. Полигон - это участок, где систематически проводятся геодезические, геофизические, океанографические и геоморфологические наблюдения за ходом движений земной коры. Если составление сводных карт направлено на изучение движений земной коры в пространственном (географическом) аспекте, то работы на полигонах преследуют цель выявить закономерности изменения характера движений во времени, как бы прощупать «пульс» Земли. Пока еще почти не известно, как изменяются знак и интенсивность движений год от года, какова периодичность этих изменений. Сеть полигонов позволит, в частности, выявить связь между медленными движениями земной коры и сейсмическими толчками, приблизит нас к решению сложной задачи прогноза деформаций земной поверхности, сейсмических явлений и вулканических извержений.
В Советском Союзе уже ведутся наблюдения на нескольких полигонах, расположенных от Эстонии до Камчатки. Полигоны созданы в Крыму, в районе оз. Баскунчак, в горах Средней Азии, в районе Ашхабада и других местах. Работы Института физики Земли АН СССР, институтов академий наук союзных республик на полигонах уже позволили выявить интересные новые закономерности формирования соляных куполов, вулканов, развития сейсмоактивных структур. Наряду с изучением вертикальных движений, на полигонах ведется изучение горизонтальных смещений блоков земной коры. Значительные горизонтальные смещения обнаружены, например, в районе Ашхабада.
Большие перспективы в изучении современных движений земной коры связаны с конструированием новых, чувствительных геофизических приборов - деформографов, наклономеров. Разработанные в Советском Союзе, эти приборы дают возможность в короткие сроки и с большой точностью определять характер движений земной коры в любой точке. Успехи в повышении точности гравиметрических наблюдений позволяют считать, что со временем метод повторных измерений силы тяжести будет играть важную роль при исследовании движений земной коры. Много усовершенствований вносится также в геоморфологические методы изучения этих движений (Институт географии АН СССР). В результате достигается возможность количественного прогноза движений по сумме данных о рельефе и особенностях ландшафта. Новые методы выявления движений земной коры будут иметь важное значение для поисков полезных ископаемых, наблюдения за ходом эксплуатации месторождений нефти, газа, угля, для прогноза землетрясений и решения других научно-практических задач.
— Источник—
Развитие наук о Земле в СССР. М.: Наука, 1967
Post Views: 24
