учебники / Гаврилов В.П. «‎Общая и историческая геология и геология СССР»

волны, напоминающие морские. Так, в 1897 г. в и11дийском шт.

Ассам ири землетрясении частота колебаний почвы составляла

200 ударов в минуту. По поверхности бежали волны высотой

30 см, а расстояние между ними достигало 9 м.

В зависимости от причин, обусловливающих появление уп­

ругих колебаний, землетрясения делят на тектонические, вул­

канические и денудационные (провальные).

Тектонические землетрясения относят к наиболее распро­

страненным. На их долю приходится 95 % всех землетрясений мира. Они отличаются сравнительно большой (до 700 км) глу­ биной залегания гипоцентра. Причина их возникновения свя­

зана с накоплением динамических напряжений в литосфере, возниi<ающих при взаимных перемещениях отдельных ее бло­

ков. Силы трения препятствуют своевременной разрядке упру­

гих деформаций литосферы, что создает напряженную динами­ ческую обстановку, которая разрешается в виде кратковремен­

ных механических разгрузок и сопровождается образованием

сейсмических волн. Наиболее мощные землетрясения на зем­ ном шаре имеют именно тектоническую природу. Они распро­

страняются далеко от очага возникновения и фиксируются всеми сейсмическими станциями. При катастрофических земле­

трясениях возникают собственные пульсации земного шара с периодом в десятки минут. Так, сейсмические волны земле­

трясения на Аляске в 1964 г. в течение 18 ч колебали нашу

планету, 8 раз обежав вокруг нее.

Вулканические землетрясения возникают при взрывных из­ вержениях вулканов. Гипоцентр залегает обычно на сравни­ тельно небольших глубинах, редко достигая 50 км. Вулканиче­ ские землетрясения по разрушительной силе уступают тектони­

ческим, однако близко от очага возникновения могут произво­

дить существенные разрушения. Они обычно предшествуют из­

вержению вулканов, иногда сопровождают их.

Денудационные землетрясения обусловлены процессами де­ нудации и бывают вызваны горными обвалами, обрушением кровли подземных пустот, крупными оползнями. Гипоцентр за­ легает практически на поверхности Землн, а упругие колеба­

ния фнксируют на близком расстоянии от очага возникнове­

ния. Сравнительно незначительна и мощность таких землетря­ сений. К этому же типу относят искусственные землетрясения, вызванные производственной деятельностью человека.

§ 2. ИЗУЧЕНИЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИИ

Землетрясения изучают с помощью специальных приборов­ сейсмографов, или сейсмоприемников. Впервые такой прибор

был построен в Китае во II в. н. э., известны оригинальные

конструкции подобных приборов в XVII 1 в., однако эффектив-

151

_u,fp" /: L

ЯВро

Рис. 37. Схема заnиси сейсмических волн с помощью сейсмической станции.

По Т. Гиллули.

Следует обратить n11иманис на характер сейсмограммы по мере удаления точки наблю­

дения от фокуса землетрясения

ные записывающие аппараты были сконструированы лишь в начале двадцатого столетия. Сейсмограф построен по прин­ цилу инертного маятника. Он представляет собой колебатель­

ную электромеханическую систему, предназна tiенную для из­

мерения и записи сейсмических волн. Состоит из корпуса, жестко установленного на поверхности почвы, и инертной массы, подвешенной внутри корпуса на пружине. При колеба­

ниях инертная масса отстаеТ от движения корпуса. Смещение

между ними лреобразуется в сейсмоприемнике в электрические

колебания с помощью электромеханического преобразователя. Обычно применяют индукционные преобразователи, в которых

при перемещении инертной массы относительно корпуса изме­

няется величина магнитного потока, проходящего через витки

катушки. В морских условиях используют пьезоэлектрические

преобразователи. Основные характеристики сейсмографа­

коэффициент электромеханической связи (КЭМС), определяю­ щий его чувствительность, и частотная хара·ктерисrика. Элек­

тромагнитные импульсы в виде луча света передаются на рав­

номерно вращающийся барабан с помощью светочувствительной бумаги. При отсутствии землетрясений на барабане запи­

сывается тонкая гладкая линия в форме спирали, так как ба­

рабан, вращаясь, немного сдвигается в продольном направле-

152

нии. Как только грунт начинает смещаться под действием ко­

лебаний, то вместо гладкой линии на ленте появляются зигзаги

и получается сейсмограмма (рис. 37).

Существуют два основных вида сейсмоприемников: верти­

кальный и горизонтальный. Первые записывают горизонталь­ ные смещения (продольные колебания), вторыевертикальные

(поперечные колебания). В последние годы для регистра­

ции землетрясений применяют лазерные приборы, устанавли­

ваемые в неэксплуатируемых туннелях или в узких ущельях.

Подобные устройства высокочувствительны и регистрируют ма­

лейшую подвижность грунта. Для изучения землетрясений ис­

пользуют стационарные сейсмические станции, расположенные

по определенной сетке на поверхности Земли н работающие круглосуточно. Расшифровка сейсмолент позволяет изучать

землетрясения, определять положение эпицентра, глубину за­

легания гипоцентра, интенсивность, силу и энергию землетря­

сений.

Положение эпицентра определяют по расстоянию от него до станции наблюдения. Это, так называемое, эпицентральное расстояние (11):

l1 =Т: Vp·VS ,

Vp-Vs

где т:- запаздывание поперечных волн по сравнению с про­

дольными, т:= tstp, а tp и t8 время прихода на станцию

продольных и поперечных волн; Vp и v8 - соответственно ско­

рости распространения продольных и поперечных волн.

Зная элицентральное расстояние, можно определить глу­ бину залегания гипоцентра h:

h= ,Y(tpvp)2 - 112 •

В зависимости от глубины залегания гипоцентра, землетря­

сения делят на поверхностные (гипоцентр находится в преде­

лах первых километров), коравые или нормальные (h<70 км), астеносферные или промежуточные (h~70-300 км), глубокие и глубокофокусные (h~ЗОО-700 км). Глубже 720 км возник­ новение землетрясений не наблюдалось. Глубокофокусные зем­ летрясения были открыты в 1922 г. английским сейсмологом

Ф. Тернером. Для них характерна концентрация гипоцентров

в пределах фокальной плоскости, наклоненной под углом 45°. Такие зоны широко распространены вдоль побережий Тихого

океана. По имени исследователей, впервые изучавших их, они

получили название зон Вадати-Заварицкого-Беньофа (ВЗБ).

На территории СССР преобладают коравые (46 %) и поверх­

ностные (36 %) землетрясения, на долю астеносферных прихо­ дится 18 %. Глубокофокусные землетрясения редки, они встре­ чаются на Камчатке и Курилах.

153

Важный показатель землетрясенийих интенсивность. Из­

меряется она в баллахусловных ступенях шкалы интенсив­ ности, определяющих силу землетрясений на поверхности. Су­

ществуют 10- и 12-балльные шкалы оценки интенсивности

землетрясений. В Советском Союзе принята последняя шкала.

Землетрясения силой в 1-3 балла люди практически не ощу­

щают; при 4-6-балльных землетрясениях раскачиваются ви­

сячие предметы, в штукатурке зданий образуются трещины;

землетрясения в 7-9 баллов вызывают разрушение различных инженерных сооружений, приводят к оползням, обвалам, ло­

маются деревья, появляются трещины в грунте; 10-12- балльные землетрясения носят катаатрофический характер,

полностью разрушают здания, поверхность Земли деформиру­

ется, покрывается трещинами.

)Хля более точной оценки интенсивности землетрясений изу­

чают амплитуды смещения частиц почвы. Этот параметр назы­

вается магнитудой (М):

М= \g А

А-Аэ

где А- максимальная амплитуда смещения частиц почвы на

удалении от эпицентра в 100 км; А3 - эталонная амплитуда

слабого землетрясения.

)Хля сильных землетрясений магнитуда может достигать 8,5.

Интенсивность землетрясений в магнитудах оценивается по !О-балльной шкале, предложенной 50 лет назад американ­ ским сейсмографом Ч. Рихтером. В связи с этим оценки земле­ трясений, произведенные по 10- и 12-балльным шкалам, между

собой несопоставимы.

Для определения силы землетрясения в эпицентре F

Г. П. Горшков предложил следующую формулу:

F = 1,5 + 3 lg ( ~: +1}

где r - радиус площади, на которой ощущалось землетрясение; h - глубина гипоцентра.

В первом приближении магнитуда связана с силой земле­

трясения следующей зависимостью: М= 1,3+0,6F.

При землетрясениях выделяется огромное количество энер­ гии. Усредненные оценки показывают, что каждую секунду на

земном шаре при землетрясениях выделяется 1 Дж энергии,

что эквивалентно мощности пяти гидроэлектростанций типа Куйбышевской. При катастрофических землетрясениях едино­ временно высвобождается до 4 Дж энергии. Этого количества

энергии достаточно, чтобы поднять 100 км3 воды на высоту 100 м. Приведем количество энергии "(Дж), вьrделившееся при

154

наиболее сильных землетрясениях (по Г. П. Горшкову и

А. Ф. Якушевой): Сан-Франциска, 1960 г.- 3,4; Чили, 1960 г.-

3,4-7-3,6; Таджикская ССР, 1949 г.- 17,2; Аляска, 1964 г.- 3,6;

Карпаты, 1940 г.- 28,6. Для сравнения отметим, что энергия,

освобождающаяся при взрыве стандартной атомной бомбы,

равна -3 Дж.

Энергию землетрясений Е можно определить по формуле, предложенной В. Н. Жарковым:

lg Е= 11,8+ 1,5М.

Отсюда следует, например, что при магнитуде землетрясения

равной 8,3 (Чили, 1960 г.) высвободилось 3,5 Дж сейсмической

энергии. Однако в эпицентр землетрясений доходит лишь не­ сколько процентов (5-7%) энергии, выделяющейся в самом

очаге. Количество получаемой эпицентром энергии зависит от

расстояния до гипоцентра. Если это расстояние увеличить

в 2 раза, энергия снизится в 10-20 раз, при увеличении расстояния в 10 раз, энергия уменьшится во много тысяч раз. Еще большие потери энергии происходят при удалении точки наблюдения от эпицентра D. В этом случае играет роль глу­ бина очага h и элицентральное расстояние 11, которые между собой связаны следующей зависимостью:

D = -vfh2 -1-~2-'

При изучении землетрясений, кроме указанных, используют

и другие характеристики. Для получения наглядной картины составляют специальные картыизосейст и гомосейст.

На карте изосейст изображают линии, соединяющие точки

земной поверхности с одинаковой интенсивностыо землетрясе·

ний. На таких картах выделяют и положение эпицентра. Обла­

сти с интенсивностью землетрясений в 10 баллов 11 более назы­ вают плейстосейстовыми областями, а сейсмические колебания,

проявляющиеся в их пределах,- мегасейсJ.tuческuми. В преде­ лах nлейстосейстовых областей разрушаются практически все

инженерные объектыэто районы наиболее катастрофиче­ ского nроявления землетрясений.

Площади, расположенные за пределами изосейсты в 1 балл,

характеризуются nроявлением микросейсмuчсских колебаний, или J.tuкpoccйcJ.t. Мнкросейсмы могут возникнуть в связн с по­ сторонними «шумами»: прибоем вдоль морских побережий,

ураганами, штормами, сильными ветрами, работой городского

транспорта, различных механизмов и т. д. Области, находя­ щиеся между изосейстами в 1 и 10 баллов, испытывают рас­ пространение .макросейсмических колебаний.

На карте гомосейст локазывают линнн, соеднннющие точки земной поверхности, отвечающие одновременному началу зем­

летрясений.

155

Карты изосейст 11 гомосейст дают возможность судить об

интенсивности землетрясений, о положении его эпицентра и

внутреннем строении района землетрясения.

Образующиеся при землетрясениях трещины и расколы

земной коры также позволяют предположить место и глубину

гипоцентра. Иногда разломы расходятся радиусами от эпи­ центра. В ряде случаев возникающие трещины вскрывают вода-,

газа- и нефтеносные пласты. В результате формируются новые

источники, грязевые вулканы, происходит высачивание нефти

на поверхность Земли.

Проявление землетрясений на земной поверхности во вре­

мени носит сложный характер, что выражается в их повторяе­

мости. Основному толчку обычно предшествует серия слабых

толчков (форшоки); после его проявления следует еще одна

серия слабых землетрясений (афтершоки). Очаги их возник­

новения концентрируются в одном месте. Учитывая важность изучения землетрясений для народного хозяйства любой

страны, за ними ведут постоянное наблюдение с помощью раз­

ветвленной сети сейсмостанций. Данные наблюдений обобщают

и по ним составляют специальные карты сейсмического райони­ рования, на которых выделяют сейсмически опасные районы

с землетрясениями силой в 4 балла и более. В пределах СССР

сейсмоактивные районы расположены на юге, востоке и севе­ ра-востоке. К таким районам относят Карпаты, юг Крыма, Кавказ, Копетдаг, Памир, Тянь-Шань, Прибайкалье и Дальний Восток. Землетрясения силой в 1О баллов зафиксированы в районах Прибайкалья. Сейсмическое районирование позво­ ляет учитывать сейсмические особенности различных районов

нашей страны при строительстве инженерных объектов. Это

очень важно, так как в пределах территорий, где наблюдаются

землетрясения в 6-9 баллов, живет около 50 млн. человек, рас­ положено 9 столиц союзных республик, сотни городов и по­

селков.

Разновидность землетрясений составляют .моретрясенuя,

возникающие при перемещении блоков островных дуг и океа­

нической корь!. Сильные моретрясения сопровождаются цу­

намигигантскими океаническими волнами (см. гл. 5). В океа­ нах они имеют высоту до 2 м, что мало заметно при огромной длине волны ( 100-300 км). Двигаясь со скоростью 700-

800 км/•1, они довольно быстро достигают побережий, где на

мелководье «вырастают» до 40 м и обрушиваются на берег. Так, цунами, возникшие при чилийском землетрясении 1960 г.,

достигли Гаnайских о-ов, пройдя 11 тыс. км приблизительно за 15 ч. Был отмечен неоднократный подъем и спад уровня воды

синтервалами в 30 мин. Такие колебания поверхности моря

записывают в виде мареограмм и используют для изучения

сейсмических морских волн.

156

§ 3. РАСПРОСТРАНЕННОСТЬ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИИ НА ЗЕМЛЕ

Землетрясения распространены на земном шаре неравномерно.

Основная их масса концентрируется в особых зонах, формируя

своеобразные сейсмические пояса. Наиболее крупный из них­

Тихоокеанский сейсмический пояс, включающий тихоокеанское

побережье Северной и Южной Америки, Азии, Австралии, Ин­ донезию и Океанию. Здесь концентрируется до 95 % всех зем­

летрясений, причем именно в этом поясе находится большин­ ство глубокофокусных и катастрофических землетрясений.

Преобладающий динамический режим этих землетрясений­

режим сжатия.

К крупнейшему поясу концентрации землетрясений относят

срединно-океанический пояс, связанный с рифтовой долиной

Мирового океана. Здесь также часты землетрясения, но носят они некатастрофический характер, так как их гипоцентры за­ легают на глубинах до 10 км. Динамические условия этого

пояса характеризуются режимом растяжения. К срединно-океа­

ническому сейсмическому поясу прилегзет Воеточно-Африкан­

ский пояс, являющийся, по существу, его продолжением на кон­

тиненте и обладающий схожей характеристикой. Альпийско­ Гималайский сейсмический пояс протягивается в широтном направлении от берегов Атлантики до Бенгальского залива. Он

практически полностью находится на суше, в нем преобладают

усилия сжатия, а гипоцентр землетрясений располагается

в пределах 300 км.

За пределами этих глобальных сейсмических поясов выде­

ляют единичные очаги землетрясений в Северной Америке,

в Центральной Азии, в Австралии. Сравнительно сильные зем­ летрясения зафиксированы в пределах трансформных разломов

океанического дна, где динамические напряжения носят режим

горизонтальных сколов (сдвигов).

Ученые пытаются на основе изучения землетрясений забла­ говременно предсказать его проявление. С этой целью скон­ струированы специальные приборыдеформографы, наклона­ меры, гравиметры, лазерные устройства, магнитомеры. Науч­

ный прогноз землетрясений основан на том, что это явление

«подготавливается» в недрах Земли сравнительно длительное

время. В результате в очаге повышается динамическое напря­

жение горных пород, что вызывает, по лредставлению ряда

ученых (например, О. А. Одекона), образование особого рода

движений, названных сейсмогенерирующими. Исследования

О. А. Одекона показали, что сейсмогенерирующие движения

проявляются на фоне медленных вековых движений земной

коры пяти-шестикратным повышением амплитуды до землетря­

сения и во многие десятки раз во время этого явления. По­

этому процесс землетрясения можно предсказать, изучая по-

157

ведение земной поверхности в сейсми'!ески опасных районах

Так, повторные нивелировки местности показали, что перед

землетрясением обычно наблюдается аномальное поднятие земной поверхности. Существуют и другие признаки прибли­

жающегося землетрясения: локальные изменения магнитного

поля Земли, временное изменение скорости распространения

сейсмических волн, первые вступления сейсмических колеба­ ний, флуктуации уровня воды в скважинах, изменение содер­

жания в грунтовых водах радона и некоторых других газов,

аномальное поведение животных и др. В ряде случаев про­

гнозы землетрясений подтверждаются.

Вопросы для самопроверки

1.Что понимается под землетрясением?

2.Нарисуйте схему землетрясений и укажите на ней гипоцентр, эпи­

центр и антиэпицентр.

3.Какие типы сейсмических волн Вам известны?

4.Почему скорость распространения волн р больше скоростн распрост-

ранения волн s?

5. От чего завнсит скорость распространешш упругщ ко,1ебаннй?

б. Приведите схему распространеiшя сейсМI\IIеских лучей в недрах Земли.

7.Охарактеризуйте типы землетрясений.

8.Как нзучают землетрясения? Привсднте рисунок сеiiсмограммы.

9.Как измеряют интенсивность землетрясений?

10.Какая существует зависимость между магнитудой и силой земле-

13.Что понимается под картами изо- и гомосейст?

14.Расскажите о сейсмическом районировании территорип СССР.

15.Что понимается под моретрясениями?

16.Какие сейсмические пояса Вы знаете? Покажите нх на карте.

17.В чем заключается научный проrноз землетряссннй?

Гл а в а 8

МАГМАТИЗМ

Магматизмэто совокупность всех геологических процессов,

движущей силой которых является магма и ее производные.

Магма (греч.- месиво, густая мазь) представляет собой при­

родный, чаще всего силикатный, огненно-жидкий расплав, воз­ никающий в коре или в верхней мантии и при остывании даю­

щий магматические горные породы. В зависимости от харак­

тера движения магмы и места ее застывания различают два

типа магматизма: интрузивный и эффузивный. В первом случае

магма остывает и кристаллизуется на глубине, в недрах Земли,

во второмна земной поверхности. Изучение магматических

(интрузивных и эффузивных) горных пород (см. гл. 2, § 2) па-

158

казывает, что они являются продуктом кристаллизации много­

компонентного силикатного расплава и их разнообразие оп­

ределяется исходным химическим составом магмы, процессами

ееизменения и условиями остывания.

§1. ОБЩАЯ ХАРАI(ТЕРИСТИI(А МАГМЫ

Судя по хим11ческому составу магматических горных пород,

пмагме содержатся практИ'Jески все известные нам химиче­

ские элементы (за исключением Искусственных трансурано­

вых). Главнейшие из них: Si, Al, Fe, Са, Na, К:. Mg, Ti. Обычно

металлы присутствуют в виде оксидов, самый распространен­

ный из которых кремнезем- SiOz. В магме присутствуют также летучие компоненты: Н2О (пары), Н2, СО2, H2S, F, Cl, HCI и др. В условиях высоких давлений содержание летучих ком­ понентов может достигать 12 %. причем на долю параобразной воды приходится до 5 %. К:оличество летучих в поверхностных

условиях резко сокращается. Такая дегазированная магма, из­

лившаяся на поверхность, называется лавой.

В 20-х годах текущего столетия советский ученый Ф. Ю. Ле­ винсон-Лессинг высказал представление о существовании двух

принципиально различных типов первичных магмбазалыо­ вой и гранитной.

Базальтовая (основная) магма, по-видимому, имеет боль­

шее распространение. В ней содержится около 50 % кремне­ зема, в значительном количестве присутствуют алюминий, каль­ ций, железо и магний, в меньшемнатрий, калий, титан и фосфор. По химическому составу базальтовые магмы и лавы

существенно отличаются друг от друга. Различают толеитовую базальтовую магму, несколько перенасыщенную кремнеземом,

11 rцелочно-базальтовую (оливин-базальтовую) магму, недона­ сыщенную кремнеземом, но обогащенную щелочами. Среди ба­

зальтовых магм в качестве разновидности выделяют океаниче­

скую толеитовую магму с очень высоким отношением Na к К:;

эта магма наиболее широко распространена на океаническом

дне.

Предполагают, что базальтовые лавы формиравались в ос­ новном в астеносфернам слое верхней мантии, который за­

легает на глубинах от 7-10 км (в океанах) до 250 км (под

континентами).

Температура плавления базальтов в поверхностных усло­ виях равна 1200 °С, а на глубинах, в соответствии с уравнением КлаузисаКлапейрона, она повышается из-за давления выше­

лежащих пород.

Небольшое нарушение термабарического равновесия в асте­

носфернам слое может привести к селективному выплавлению

ба,залыовой магмы из ультраосновного вещества астеносферы,

159

поскольку другие составляющие этого слоя более тугоплавки,

чем базальт.

Гранитная (риолитовая, кислая) магма содержАт 60-65%

кремнезема, она имеет меньшую плотность, более вязкая, ме­

нее подвижная, в большей степени чем базальтовая магма на­

сыщена газами. Образование ее связывали с плавлением пород

«гранитного» слоя коры. В последние годы формирование маг­ матических пород, обогащенных кремнеземом (гранит, андезит

идр.), связывают с переплавлением океанической коры (вклю­

чающей базальтовые породы и океанические осадки), погру­

жающейся в верхнюю мантию в зоны ВЗБ. В связи с этим

разница между базальтами, с одной стороны, гранитами и ан­ дезитами, с другой, первична и обусловлена различием исход­ ного материала и местом возникновения магмы. На химический

иминеральный состав магмы большое влияние оказывают

постмагматические процессы: реакции между кристаллами и

жидкой магмой, дифференциация, ассимиляция и гибридизация.

Суть реакционного принципа следующая: из жидкой магмы,

обогащенноймагнием и железом, вначале кристаллизуется оли­

вин. Жидкий остаток (рестит) при остывании реагирует с кри­

сталлами оливина, образуя пироксен; при дальнейшей реакции с кристаллами пироксена получается роговая обманка; взаимо­ действие с роговой обманкой приводит к появлению биотита.

Если эта система реакций не доходит до конца, то в ядрах бо­

лее поздних кристаллов сохраняются остатки роговой обманки, пироксена или оливина. Другой реакционный ряд образуют по­

левые шпаты плагиоклазового рядаот анортита до альбита.

Таким образом, мы получим бинарный реакционный ряд:

Калиевый полевой шпат

Кварц

Минералы, расположенные на одном уровне, имеют тенден­ цию кристаллизоваться одновременно, что приводит к харак­

терным минеральным ассоциациям. После завершения процес-

160