Файл: Уломов, В. И. Динамика земной коры Средней Азии и прогноз землетрясений.pdf

Согласно формулам (39), величина горизонтальных напряже­ ний при V 0,25 примерно в три раза меньше вертикального компонента ог .

По другой гипотезе, предполагающей гидростатическое на­ пряженное состояние в недрах земной коры, поле упругих на­ пряжений характеризуется шаровым тензором:

(40).

Однако, как показывают инструментальные измерения напря­ жений, выполненные в последние годы в различных пунктах, дейст­ вительное поле напряжений значительно отличается от описывае­ мых уравнениями (39) и (40) (Hast, 1958, 1967, 1969; Kieslinger, 1960; Parker, 1966; Панюков, 1959; Прочухан, 1966; Ватутин, 1968;

Кропоткин, 1971; Булин, 1971; Ягодкин, Мохначев, Кунтыш, 1971; и др.). Горизонтальная составляющая в результате действия тек­ тонических сил, как правило, оказывается в среднем в 1,5—2 раза больше вертикальных напряжений, а в конкретных условиях отно­ шение о /о., может достигать еще большей величины. Верти­

кальная составляющая напряжений действительно близка весу покрывающих пород (у/7), но иногда может быть несколькобольшей.

Несмотря на то, что экспериментальных данных еще далеко не­ достаточно, а имеющиеся во многом противоречивы, все же можно констатировать, что модель напряженного состояния земной коры гораздо сложнее и не удовлетворяется в большинстве случаев ни одной из упомянутых выше гипотез. По-видимому, если на боль­ ших глубинах и существует гидростатическое (геостатическое) дав­ ление, обусловленное различными факторами, в том числе и весом покрывающих толщ, то по мере приближения к земной поверхно­ сти и соответственно уменьшения вертикальной составляющей шаровой тензор напряжений преобразуется в эллипсоид, макси­ мальные оси которого располагаются близко к горизонту. Ориенти­ ровка тензора в пространстве зависит и от многих других факторов, (наличие разгрузки, остаточных напряжений и др.), но главным образом от направленности естественных напряжений, созданных тектоническими силами.

По данным инструментальных измерений напряженного состоя­ ния в самых разнообразных породах, различных геологических ус­ ловиях и на глубинах до ~ 3 км (в шахтах, рудниках, карьерах и основаниях гидросооружений), величина средних горизонтальных напряжений достигает 1000 кг/см2. Для этих глубин имеются эмпи­ рические выражения, описывающие увеличение ох,у с глубиной

(рис. 21). Это известное уравнение Н. Каста (Hast, 1958), усовершен­ ствованное Д. Коутсом, *Ф. Грантом и Б. Бойтом (Coates, Grant,. 1966; Voicgkt, 1967):

89

я уравнение, полученное недавно Н. К. Булиным (1971), обоб­ щившим литературные данные о напряжениях в складчатом и

.кристаллическом фундаменте:

Несомненно, нет никаких оснований линейно экстраполировать эти зависимости на большие глубины (например, в десятки кило­ метров), поскольку изменение физических свойств с глубиной на­ кладывает определенные до­ полнительные условия на поле геодинамическпх на­ пряжений. Так, существен­ ное понижение вязкости уже

Рис. 21. Изменение с глубииой(//) величин упругих напряжений (а), вязкости (г)), плотности пород (р) и скорости распространения про­ дольных сейсмических волн {Vр )

уменьшению величины скалывающих напряжений и квазипластическому течению базальтовых масс. Об этом свидетельствует вы­ явленное нами ранее (Уломов, 1960) почти полное отсутствие очагов землетрясений в этом слое и приуроченность их к слою «гранита». Таким образом, геодинамические избыточные напря­ жения (заштрихованная площадь, рис. 21) достигают максималь­ ных значений (ІО3 кг/см2 и более) в интервале глубин 10—20 км, который и соответствует наиболее сейсмогенным горизонтам литосферы.

На рассматриваемой нами территории Средней Азии наиболь­ ший темп деформирования литосферы имеет место в Памиро-Гин- дукушской сейсмогенной зоне, где квазигидростатическое равнове­ сие достигается лишь в астеносфере, вязкость которой здесь при­ мерно на два порядка больше обычной величины и составляет, по нашим расчетам, ІО21—ІО22 пуаз.

■90

Причины, обусловливающие возникновение геодинамических напряжений, дополнительных к литостатическому давлению, до­

мина, дегидратация и др.). Определенного мнения у специалистов на этот счет пока нет, хотя среди прочих причин главная роль отводится тектоническим деформациям, обусловленным, в свою

Среди самых последних гипотез о происхождении больших го­ ризонтальных напряжений можно привести толкование Е. В. Ар-

конвективных токов в мантии не может объяснить большие гори­ зонтальные напряжения в литосфере, способные двигать материки и деформировать их кору. По его мнению, возникновение в зем­ ной коре или литосфере дополнительных напряжений до 103/сг/слі2 связано с неровностями поверхностного и глубинного рельефа, даже нзостатически уравновешенного. Стремление рельефа вы­ ровняться в горизонтальном направлении создает глобальную систему напряжений, а в рифтовых зонах является причиной рас­ ширения дна океанов. Эти же напряжения, концентрируясь в наи­ более вязких горизонтах земной коры и верхней мантии, служат

квазистатической внешней нагрузки. Иногда в качестве аргумен­ та приводятся примеры техногенных движений блоков земной коры, статическая неустойчивость которых вызвана деятельностью

(Evans, 1966 и др.) и другие подобные явления (Гофштейн, 1970 и др.). Однако, как показывают наблюдения, тектоническая акти­ визация и высокая сейсмичность, казалось бы, динамически урав­ новешенной Туранской плиты проявляются без всякой дополни­ тельной внешней нагрузки. Можно привести и другие примеры. Техногенные и им подобные землетрясения, по-видимому, возни­ кают не столько в результате быстро создаваемой дополнитель­ ной нагрузки, сколько в связи со значительным повышением дав­ ления жидкости в трещинах и порах породы, а также смачивани­ ем зон тектонических разломов и уменьшением трения между блоками (Hubbert, Rybey„1959 и др.).

Горные сооружения, как и глубинный рельеф в земной коре орогенических областей, по нашему мнению, не являются актив­ ной движущей силой, а даже наоборот — созданы в результате горизонтальных перемещений литосферы. Рассчитанные Е. В. Ар-

91

тюшковым (1972) тангенциальные напряжения в таком случае лишь свидетельствуют о величине напряженного состояния земной коры в латеральном направлении. В рифтовых и других районах земного шара, где наращивание литосферы происходит в основ­ ном за счет поступления из недр магматических продуктов, пред­ ставления Е. В. Артюшкова о движущей силе вполне естественны. Причины деформирования в новейшее время земной коры и ли­ тосферы Средней Азии, как свидетельствуют геологические и гео­ физические данные, состоят в тангенциальном давлении масс, расположенных за пределами рассматриваемой территории.

Максимальные касательные напряжения ^тах= Ѵг (Зг — аЛ-у )

верхней части коры измеряются первыми сотнями килограмм на квадратный сантиметр (Hast, 1958, 1969; и др.). Эта величина одного порядка с избыточными скалывающими напряжениями (0,2—0,8) • ІО2 кг/см2, высвобождающимися в очаговой области тектонических землетрясений (Магницкий, 1965; Уломов, 1970), характеризующими, по-видимому, длительную прочность горных пород.

В квазитомогепном фундаменте платформ уже. на глубине в не­ сколько километров тензор напряжений, по-видимому, приближа­ ется к шаровому (аг *»сг ), а касательные напряжения намного

меньше величины избыточных напряжений, снимаемых землетря­ сениями (ттах^Ю 2 кг/см2). В чехле платформ горизонтальная сос­ тавляющая напряжений, как правило, несколько меньше вертикаль­ ной (стг ,'зг <1) и на глубине 10—15 км, по-впдимому, не превы­

шает 1• 103 кг/см2. Активизация молодых платформ, как это наблюдается в восточной части Туранской плиты, способствует увеличению максимальных касательных напряжений в их фунда­ менте за счет усиления тектонических движений со стороны орогена.

В горных областях, как уже отмечалось, тензор напряжений приобретает горизонтальную направленность, а скалывающие на­ пряжения достигают первых сотен кг/см2, что и определяет высо­ кую мобильность и сейсмичность орогена. В его пределах наблю­ дается также дифференциация силовых полей земной коры, а следовательно, и динамического режима. Так, за последние 100 лет на территории Северного Тянь-Шаня, характеризующейся низкой активностью (Л1О<0,2), выделилось сейсмической энергии на по­ рядок больше, чем за то же время в земной коре высокоактивно­ го Южного Тянь-Шаня (/1ю7>0,5). Это явление можно объяснить большой консолидацией земной коры каледонского Северного Тянь-Шаня и слабой прочностью ее в герцинском Алае.

Раздробленная разломами и подверженная интенсивным де­ формациям разупрочненная земная кора Южного Тянь-Шаня не способна накопить в больших объемах пород упругие касательные

92