Файл: Косыгин, Ю. А. Основы тектоники.pdf

------------------------------------------------------------------------------------------------------------I69

Результаты Гоби-Алтайского землетрясения были описйны с боль­ шой тщательностью. Смещения же поверхности Земли отмечались при всех крупных землетрясениях. Так, опускание на 3—5 м на пло­ щади в несколько тысяч квадратных километров было зарегистри­ ровано при Нью-Мадридском землетрясении 1811 г. (штаты Миссури и Тенесси в США). При Ассамском землетрясении 1897 г. отмечено поднятие плоскогорья на 6 м. Шестиметровое горизонтальное смеще­ ние двух разъединенных трещиной участков дороги описано после Сан-Францискского землетрясения 1906 г. По уже упоминавшемуся разлому Сан-Андреас, вдоль которого происходит медленный сдвиг поверхности Земли, во время этого землетрясения западное крыло быстро сместилось к северу на 7 м. Замеры дна в заливе Сагами (Япония), произведенные после Кантонского землетрясения 1923 г., показали значительные смещения дна на площади 1300 км2 с дости­ гавшими сотен метров вертикальными перемещениями отдельных участков. В результате максимального вертикального смещения при землетрясении на Аляске в 1899 г. произошел подъем скалистого мыса на 16 м в районе горы Фэруэтер [138].

При изучении природного явления встает вопрос о его причинах. Так же дело обстоит и при изучении движений земной поверхности. Земная поверхность движется не сама по себе, а лишь отражает движения располагающихся под ней земных масс; из этого следует, что процессы, обусловливающие движения земной поверхности, происходят на некоторой глубине. Эти глубинные процессы, рассма­ триваемые совместно со связанными с ними процессами движения земной поверхности, представляют собой сложные процессы, один элемент является причиной, а другой — следствием.

Глубинные процессы, как правило, нельзя непосредственно на­ блюдать; о них обычно можно судить только по экспериментальным

итеоретическим данным, а также по связанным с ними поверхност­ ным процессам. Можно указать несколько случаев установления причинно-следственных связей между движениями земной поверх­ ности и соответствующими им глубинными процессами.

Кпервому, наиболее простому из них, когда глубинные процессы могут быть непосредственно исследованы на уровне наблюдений, относятся техногенные движения. Здесь детально прослеживается

иточно документируется ход искусственного глубинного процесса, например извлечение нефти и газа из недр, падение газового и гидро­

статического давления в нефтяных залежах, снижение напора арте­ зианских вод, количество извлекаемой горной породы из систем подземных выработок и горизонтальные смещения их забоев во вре­ мени. Причинно-следственные связи прослеживаются здесь путем

хода обоих процессов при отставании во время процесса—след­ ствия.

Во втором случае о глубинном процессе, который мог бы счи­ таться причиной движений земной поверхности, судят по другим

170

его поверхностным проявлениям. Например, проседание земной поверхности во время вулканического извержения в непосредствен­ ной близости к извергающемуся вулкану можно связать с выносом огромных масс вещества из недр Земли в виде вулканических лав. В данном случае проседание поверхности компенсирует образовав­ шийся в недрах недостаток масс и может быть отнесено поэтому к компенсационным процессам. Компенсационными являются также прогибания поверхности над горными выработками; разница здесь в том, что в первом случае вынос вещества из недр совершается естественным путем, а во втором — искусственным. О локализации вулканического очага, являющегося источником извержений и, следовательно, причиной образования вулканической депрессии, можно судить по статическим моделям сейсмологической специали­ зации. Явления экранирования поперечных волн, не распростра­ няющихся в жидкой среде, позволили Г. С. Горшкову [59] опреде­ лить глубину (60 км), протяженность и мощность (25—35 км) и объем (10—20 тыс. км3) магматического очага Ключевского вулкана на Камчатке. Впрочем, разработка этого метода определения располо­ жения вулканических очагов находится пока еще в начальной стадии.

Третий случай — когда используются статические модели и по­ следние исследуются теоретическими и экспериментальными мето­ дами. Этот случай имеет два варианта. Во-первых, в результате таких исследований может быть выяснен или предположен автономный глубинный процесс, являющийся причиной движения поверхности земли; во-вторых, может быть установлено движение масс земной коры, обусловленное некоторой внешней причиной.

Первый вариант третьего случая может быть проиллюстрирован примером соляной тектоники, а именно образования выпуклого изгиба поверхности над соляным массивом и прогибания ее над смеж­ ной синклиналью. Данные статической геологии (результаты буре­ ния и геофизических исследований) показывают, что соляные массивы представляют собой куполовидные или цилиндрические выросты на кровле соленосных толщ, залегающих на глубинах от 2—3 до 8— 12 км. Массивы эти образованы компактной (т. е. такой, в которой нет пор и из которой не может быть выжата вода в условиях повышен­ ного давления) каменной солью плотностью на 0,1—0,15 меньше плотности покрывающих пород. Теоретические расчеты показы­ вают, что в такой ситуации соль в силу меньшей плотности, неравномерного распределения нагрузки на соленосную толщу и сравнительной низкой вязкости должна «всплывать» среди более плотных покрывающих пород, локализуясь в наименее нагруженных участках, при этом происходит горизонтальное перетекание соли в наименее нагруженный участок с его периферии. В результате одновременно с аккумуляцией соли в растущем соляном массиве происходит ее отток с участков, непосредственно примыкающих к массиву; кровля соленосной толщи на этих участках понижается, расположенные над ними участки поверхности Земли опускаются.

---------------------------------------------------------------------- ------------- -------171

Так рисуется в общих чертах механизм глубинного процесса, обус­ ловливающего сводообразное поднятие поверхности над соляным массивом и образование компенсационной депрессии вблизи него.

Рост соляного массива вследствие разности плотностей и возмож­ ность преодоления при этом внутреннего сопротивления покрыва­ ющих пород был теоретически обоснован Б. Л. Шнеерсоном [182]. Исходя из известного уравнения Максвелла, объединяющего упругие и пластичные свойства твердых тел, Б. Л. Шнеерсон показал, что при длительных тектонических процессах поведение горных пород опре­ деляется главным образом их вязкими свойствами, а упругими свойствами можно пренебречь. Поэтому он свел математическое реше­ ние задачи о росте соляного купола к плоской задаче о движении двух вязких жидкостей (ядро соляного купола было представлено в виде двумерного полукруга на жестком основании, а покрывающие по­ роды дополнительной до полуплоскости областью) и пришел таким путем к выводу, что скорость роста соляного ядра пропорциональна разности плотностей соли и окружающих пород и обратно пропор­ циональна сумме их коэффициентов вязкости.

Рост соляных массивов, сопровождающийся образованием ком­ пенсационных впадин, неоднократно моделировался эксперимен­ тально. Для этого брались два вязких вещества различной плот­ ности. Менее плотное помещалось на дне сосуда, более плотное рас­ полагалось над ним. Поверхность раздела делалась неровной — Имела рельеф с выпуклостями. В результате легкое вещество текло к вы­ пуклостям, которые росли, образуя штоки, морфологически подоб­ ные природным соляным штокам; вокруг штоков появлялись и по­ степенно углублялись компенсационные краевые депрессии. Первые эксперименты такого типа были проведены Л. Неттлетоном в США в 1934 г.; в качестве эквивалентных материалов им использовались парафин и ртуть.

При проседании поверхности Земли над разрабатываемыми залежами непосредственно наблюдаются оба звена сложного про­ цесса — следственное и причинное. В случае же движения земной поверхности над соляным массивом причинное звено непосредственно не'обнаруживается; природа глубинного процесса при этом рекон­ струируется по данным статической геологии, теоретического ана­ лиза статической модели и эксперимента. Последовательность иссле­ дования здесь такая: непосредственные наблюдения и измерения процесса —• следствия → тесная пространственная корреляция про­ явлений этого процесса с тектоническими формами или геологиче­ скими телами построенной в петрографической специализации ста­ тической модели, обоснованной данными бурения и надежно интер­ претированными геофизическими данными → теоретическое исследо­ вание статической модели, указывающее на существование автоном­ ного процесса перераспределения вещества, который идет к раз­ витию форм, коррелируемых с проявлениями процесса — следствия^ экспериментальная проверка или иллюстрация теоретического вывода.

172

К первому варианту третьего случая может быть отнесен также пример предполагаемой связи между вековыми движениями поверх­ ности Земли и процессами на поверхности Мохоровичича. Здесь вековые движения сопоставляются со статической моделью сейсмо­ логической специализации. В этой модели намечается раздел M между корой и мантией, характеризующийся резким изменением значений üp и vs. Упругие свойства коры и мантии вблизи раздела M интерпретируются на петрографическом языке на основе корреля­ ции Vp и vs мантии и коры с этими же величинами, определенными

влабораторных условиях для распространенных типов горных пород. Такая корреляция, конечно, условна, так как, во-первых, сравнение скоростей может дать неоднозначные результаты, и, во-вторых, трудно учесть термодинамические условия, существующие на уровне раздела Μ. Далее предполагается (но это тоже одна из возможных гипотез), что раздел M разграничивает различные фазы одинакового

вхимическом отношении вещества, преобразующегося в связи с изме­ нением PT-условий. Иными словами, предполагается, что M является фазовой границей. Для проверки данного предположения проводи­ лись эксперименты с различными горными породами базальтового состава, которые по своим свойствам могут соответствовать нижней части земной коры. Оказывается, что при давлениях менее 10 кбар

итемпературе HOOo C минеральные ассоциации представлены габбро

ипироксеновыми гранулитами, а при давлении более 21 кбар и той же температуре породы представлены ассоциациями эклогитов [60]. Процесс перехода габбро в более плотный эклогит и обратно сопро­ вождается изменениями объема, за счет которых могут быть отнесены наблюдаемые вертикальные компоненты вековых движений земной

с одним из вариантов гипотетического сложного процесса. .«Экло- гито-габбровый» вариант иллюстрирует лишь одну из возможных причин вековых движений. C ним могут сосуществовать в качестве процессов — причин также различные внутрикоровые и внутримантийные процессы.

Второй вариант третьего случая может быть проиллюстрирован примером связи движений земной поверхности со складчатыми и сбросовыми тектоническими дислокациями. Так, образование вы­ пуклых изгибов поверхности Земли над сводами антиклиналей, а также вертикальные и горизонтальные смещения ее по разломам можно связать с представлением о напряженном состоянии земной коры и связанными с ними перемещениями масс или в виде изгибов слоев или сдвигов блоков. Такие преобразования могут быть проил­ люстрированы на моделях из эквивалентных материалов. Чтобы подойти к выяснению причин перемещений и реконструкции про­ цесса в более широком плане, необходимо прежде всего знать, какие горизонтальные и вертикальные движения испытывают соседние участки земной коры. Отсюда, естественно, следует, что для того чтобы представить причины различных частных движений земной