Причины тектонических движений

Многочисленные авторы по-разному объясняют причины текто­нических движений. Предложены гипотезы контракции, радиоактив­ного разогрева земных недр, изостазии, пульсаций, ротации (дефор-

96

маций земного сфероида, обусловленных изменениями скорости вращения Земли вокруг оси), подкоровых течений, конвективных токов и др.

Несомненно, что Земля развивается не только в результате изо­лированного саморазвития, в котором исключительная роль отво­дилась в недавнем прошлом первозданной энергии, захороненной в недрах планеты со времен ее образования, а в несколько модерни­зированной форме также первозданной энергии радиоактивных элементов, но и при участии и взаимодействии этих видов энергии с энергией, возникающей от других источников, в их числе и источ­ников внеземного происхождения, нуждающихся в изучении ж учете.

Гипотеза контракции (сжатия Земли в результате потери первоз­данной энергии) господствовала в естествознании длительное время. В результате накопления фактического материала, открытия радио­активных элементов, новых открытий в области космогонид она утратила свое универсальное значение.

Группа гипотез, строившихся на признании универсального значения и ведущей роли радиогенного тепла, имеет ряд легко уязви­мых мест, среди которых можно указать игнорирование влияния космических факторов, неспособность объяснить периодичность эпох орогенеза планетарного значения, отказ от объяснения законо­мерной направленности планетарных разломов и т. д.

Группа гипотез, авторы которых видят основную причину текто-генеза в деформациях всего земного сфероида, обусловленных изме­нением скорости вращения Земли вокруг оси (уменьшение поляр­ного сжатия при уменьшении скорости вращения), страдает оторван­ностью от двух предыдущих групп гипотез, игнорированием роли подкоровых процессов, недоучетом роли перемещающихся масс на поверхности Земли. В силу сказанного сами причины сокращения скорости вращения Земли, приведенные авторами гипотез, раскрыты видимо не полностью. По мнению многих исследователей, решение может быть найдено путем учета и взаимной увязки всех возможных источников энергии и «механизмов», участвующих в развитии Земли. Такая увязка необходима, например, ввиду того, что, пы­таясь объяснить процессы тектогенеза пульсациями Земли (череду­ющиеся эпохи сжатия и расширения), нельзя игнорировать влияние этих пульсаций на скорость вращения Земли вокруг оси, неизбеж­ное ввиду изменения радиуса планеты. При этом изменение скорости вращения может оказать значительно большее влияние на развитие тектонических нарушений, чем сами пульсации. Изменения скорости вращения Земли — мощный механизм, который может приходить в действие за счет расширения и сжатия планет, но может быть обусловлен перераспределением масс в недрах, на поверхности, и возможно, во внешних оболочках планеты и, кроме того, может быть связан с влиянием космических факторов. Среди возможных причин указываются: влияние приливного трения, прохождение солнечной системы через неоднородные поля (гравитационные,

97

электрические и т. п.) на своем пути вокруг центра галактики и ряд других, нуждающихся в дальнейшем изучении.

Достаточно полные знания закономерностей тектогенеза необ­ходимы не только для развития теоретических наук о Земле, но нуж­ны еще более для решения проблем размещения месторождении полезных ископаемых.

В настоящее время исследования и сбор материалов проводятся в нескольких направлениях:

1. Проводится подготовка к сверхглубокому бурению.

2. Изучается поведение минералов и горных пород в условиях высокого давления и высоких температур.

3. Изучаются в планетарном масштабе данные по современным движениям, сейсмике, вулканизму, термическому, магнитному и элек- трическо'му полям Земли.

4. Изучаются взаимосвязи Земли с космическим пространством.

5. Проводятся большие работы по анализу историко-геологиче- ских данных.

Без проведения больших подготовительных работ и исследова­ний удовлетворяющая современным требованиям геотектоническая гипотеза создана быть не может.

Землетрясения и их типы

Одним из резких проявлений движений земной коры являются землетрясения. До недавнего прошлого землетрясениями называли любое сотрясение, отмеченное на поверхности земли, независимо от причин, вызвавших это сотрясение. В генетической классификации землетрясения подразделялись на тектонические, вулканические, обвальные (денудационные) и ударные (метеорит­ные). Вместе с тем очень часто не явления вулканизма вызывают землетрясение, а, наоборот, землетрясение является причиной раз­рывов и выхода магмы на поверхность. Такая же обратная связь может иметь место и при явлениях обвальных землетрясений. Не­редко тектонические движения, вызванные эндогенными процессами, приводят в движение массы горных пород, образующих обвалы и оползни.

Как денудационные, так и ударные землетрясения сравнительно слабы и отмечаются только самыми близко расположенными сейсми­ческими станциями. В связи со всем вышеуказанным в настоящее время вулканические, денудационные и ударные землетрясения не ставят в один ряд с тектоническими, так как их значение несравнен­но меньше и своим происхождением они часто обязаны тектониче­ским процессам.

Землетрясение по-гречески — сейсмос. Наука, изучающая земле­трясения, называется сейсмологией.

По силе производимых сотрясений землетрясения подразделяются на следующие типы: 1) микросейсмические, 2) макросейсмические и 3) мегасейсмические. Микросейсмические — регистри-

98

руются только приборами, макросейсмические- ощу­щаются человеком, мегасейсмические производят дефор­мацию земной поверхности и разрушают постройки.

лаждую минуту на поверхности земли происходит 2—3 землетря­сения, которые можно отнести к разряду макросейсмических, а ката­огрофические, разрушительные землетрясения огромной силы отме­чаются 1—2 раза в год.

Предполагается, что причина землетрясения заключается в раз­рядке напряжении, которые испытывает земная кора и верхняя ман-тия в месте разрыва, возникшего вследствие преодоления предела сопротивляемости вещества, подвергшегося силам сжатия и растяже­ния. Образовавшаяся зона скола окружена многочи­сленными более мелкими («оперяющими») разрыва­ми. Энергия движения, возникшая при смещении по сколу, расходуется на дробление и перемещение масс пород в области раз­рыва и на выделение сейс­мической энергии.

Область, в которой произошла разрядка на­пряжений, называется оча­гом землетрясения, или гипоцентром (глу­боким центром).

Сильнейшие землетря­сения возникают в сколах протяженностью в несколько сотен километров при скорости подви-жек (разрыва по сколу) 3-4 км/сек. Период колебаний при этом достигает 100 сек. Скачок напряжений, возникающий при главном разрыве, осложняется колебаниями, образующимися во многих более мелких («оперяющих») трещинах. В связи с этим спектр колеоании, который излучает гипоцентр, имеет очень широкий диапазон с периодом от десятков секунд до долей секунд (рис. 16). поверхность земли, расположенная над гипоцентром, называется эпицентром. Эпицентр характеризуется наибольшим проявле­нием силы землетрясения. В зону эпицентра устремляется около 10% энергии гипоцентра. Примерно 30% расходуется за пределами эпицентра, ослабевая в зависимости от увеличения расстояния. При увеличении расстояния в 2 раза энергия уменьшается в 10-20 раз, а при увеличении в 10 раз - убывает в несколько тысяч раз.

Остальная энергия расходуется на проникнове ние в глубокие недра Земли.

Интенсивность землетрясений регистрируется сейсмическими станциями, расположенными на разных расстояниях от эпицентра

99

и определяющими энергию сейсмических волн на поверхности. Если знать величину энергии, приходящейся на поверхности земли на единицу площади, учесть поглощение и распространение энергии во всех направлениях, то можно определить энергию самого очага землетрясения. Подобные вычисления очень сложны и при практи­ческом определении интенсивности землетрясений сейсмологи всего

мира употребляют услов­ную единицу, называемую магнитудой*.

Шкала магнитуд была разработана Чарльзом Рихтером и Бено Гутен­бергом и получила рас­пространение под назва­нием «шкалы Рихтера». Сущность определения магнитуды заключается в следующем: для получе­ния эталона энергии зем­летрясения устанавлива­ется некоторое нулевое землетрясение с наимень­шей амплитудой сейсми­ческих волн (самое слабое землетрясение, на которое можно рассчитывать). Ам­плитуда смещения грунтов определяется специальным прибором сейсмографом. Колебания сейсмических волн убывают по мере уда­ления от эпицентра. Если для площади распростра­нения нулевого землетря­сения построить график амплитуд колебаний, то он изобразится в виде выпуклой кривой с вершиной в эпицентре. Разница в высоте кривых, построенных для землетрясений с боль­шими амплитудами колебаний в сравнении с кривой нулевого земле­трясения, может быть мерой величины землетрясения. Эту разницу Ч. Рихтер и назвал магнитудой. Магнитуда определяется как лога­рифм отношений амплитуды конкретно взятого землетрясения к ам­плитуде нулевого землетрясения (рис. 17)

100

* Магнитуда (magnitude) — величина (англ).

При полностью построенной кривой нулевого землетрясения нет необходимости строить кривую зависимости амплитуды от расстояния для каждого землетрясения, магнитуда которого определяется. Следует только определить амплитуду, ее логарифм и вычесть из полученных данных соответствующее значение lgA°. Увеличение магнитуды на единицу означает увеличение энергии сейсмических волн примерно в 100 раз. Максимальное значение магнитуды может достигнуть 9. Магнитуды Чилийского (1960 г.) и Аляскинского (1964 г.) землетрясений достигали 8,5—8,6. По данным С. В. Мед­ведева и Н. В. Шебалина (1967 г.) амплитуда колебаний этих земле­трясений превышает колебания нулевого (стандартного) землетря­сения почти в 1 млрд. раз.

Магнитуда Ташкентского землетрясения достигала 5,5. Ашхабад­ское землетрясение 1948 г. имело магнитуду более 7. Сила земле­трясения на поверхности земли измеряется баллами и зависит от глубины расположения очага, расстояния от него и состава горных пород. Баллы землетрясений устанавливаются по трем различным группам признаков: 1) по степени повреждения зданий; 2) по сте­пени нарушенности горных пород (грунтов), залегающих на поверх­ности; 3) по реакции животных и людей. Шкалы балльности, отра­жающие силу землетрясений по указанным признакам, предста­вляются на первый взгляд достаточно субъективными, однако следует учитывать, что при их составлении широко используется ста­тистический метод, который сводит к минимуму влияние случайно­стей. В Европейских странах наибольшим распространением поль­зуется 12-балльная шкала М. К. 3. (Меркалли — Канкани — Зиберг). В США — шкала М. М. (Модифицированная шкала Меркалли). В Японии применяется семибалльная шкала Ф. Омори. В Советском Союзе с 1952 г. применяется 12-балльная сейсмическая шкала И. Ф. 3. (Института физики Земли Академии наук СССР), составлен­ная С. В. Медведевым. Диапазон от 6 до 9 этой шкалы принят в ка­честве государственного стандарта для строительства. В 1963— 1964 гг. С. В. Медведевым, совместно с В. Шпонхопером (ГДР) и В. Карником (Чехословакия) разработан проект новой междуна­родной сейсмической шкалы М. S. К. — 1964, рекомендованной для применения во всех странах.

При изучении землетрясения важно определить его интенсив­ность в точках, находящихся на разном расстоянии от эпицентра. Для этого производится обследование плейстосейстовой области (часть земной поверхности, на которую распространилось земле­трясение). Пункты с равной интенсивностью землетрясения соеди­няются плавной, чаще всего замкнутой кривой — изосейстой.

Округлость изосейст и равномерность их расположения дает возможность предположить более однородный состав и строение пород в зоне землетрясения. Относительное расположение (густота) изосейст указывает на глубину очага землетрясения. Чем теснее размещены изосейсты, тем глубина очага меньше. Такая закономер­ность связана с тем, что при неглубоком залегании очага интенсив-

101

ность землетрясения при удалении от эпицентра быстро падает, а при глубоком расположении очага изменение в интенсивности проявления землетрясения растягивается на большие расстояния. Кроме того, эмпирически установлено, что при увеличении расстоя­ния или глубины в 2 раза интенсивность падает на один балл. Срав­нивая интенсивность землетрясения, выраженного в баллах, с его магнитудой (при неизменной глубине очага) выявляется следующая зависимость: при изменении магнитуды на 1, интенсивность изме­няется на 1,5 балла. Сопоставляя данные по интенсивности (L_o) землетрясения в эпицентре, магнитуду (М) и глубину (К) очага, Н. В. Шебалин в 1967 г. построил номограмму связи перечисленных выше показателей. При помощи этой номограммы можно найти одну из трех указанных величин, если известны две другие (рис. 18).

На вертикально расположенных трех шкалах с показателями глу­бины очага землетрясения в кило­метрах, интенсивности в эпицентре и магнитуды две известные вели­чины соединяются прямой линией. Пересечение этой прямой с третьей шкалой показывает значение не­известной величины.

Моретрясения и цунами

Если очаг землетрясения распо­лагается под океаном, то в резуль­тате сейсмического толчка и из­менения рельефа дна (провалы, сбросы и т. п.) может возникнуть движение громадных масс воды в виде волн, получивших назва­ние — цунами. Как полагают, механизм образования цунами за­ключается в том, что в момент быст­рого погружения участка дна к центру возникновения впадины устремляется масса воды. Заполняя впадину, вода «сталкивается» и затем устремляется кверху, образуя выпуклость на поверхности океана, которая затем растекается в стороны, приводя в движение толщу воды и вызывая волну очень большой длины (рис. 19). Цунами возникает и при резком воздымании дна в зоне эпицентра.

Причиной возникновения цунами может явиться и извержение подводного вулкана, обрушение в море с берега больших масс горных пород и т. д.

Скорость распространения волн цунами зависит от глубины океана. При средней глубине в 4000 м, скорость перемещения волн составляет 720 км/ч (отмечены скорости и до 1000 км/ч). Обычно возникает серия волн (от трех до девяти) с расстояниями между

102

гребнями 100—300 км. Высота волн цунами при приближении к бе­регу может превышать 30 м. Период волн цунами достигает несколь­ких минут, а иногда даже часов (до 2 ч). Благодаря громадной длине волн цунами корабли (за редким исключением) их не ощущают. Ветровые волны захватывают относительно небольшой слой воды, волны цунами «чувствуют дно» (выпучиваются в сторону больших глубин и выгибаются кверху над меньшими глубинами). Искривле­ние фронта волны обусловлено неодинаковой скоростью ее движения над большими и меньшими глубинами. Наступлению цунами на берег часто предшествует понижение уровня моря — отлив от берега. Накатываясь на берег, волны цу­нами иногда вспыхивают ярким светом, что связано с приносом волной массы светящихся планк­тонных организмов. Высота волн цунами, обрушивающихся на бе­рег, зависит от ориентировки его к фронту волны, степени изрезанно-сти, распределения глубин, шири­ны береговой отмели и т. п. Накаты­ваясь на берега, цунами произво­дят катастрофические разрушения. Для предупреждения о надвигаю­щихся цунами организована спе­циальная служба в СССР, Японии, США и некоторых других госу­дарствах.

В СССР площадь с сейсмичес­кой опасностью от 6 до 9 баллов составляет 1/5 от общей площади страны. В разных частях Союза сейсмически опасные зоны изу­чены неодинаково.

Карта сейсмического райони­рования территории СССР впервые

была составлена в 1936 г., а в 1937 г. сейсмическое районирование введено в Советском Союзе в качестве государственного закона. Детальное инструментальное исследование землетрясений дало воз­можность в 1957 г. составить более обоснованную карту, которая непрерывно дополняется новыми данными. Карты сейсмического районирования позволяют определить максимальную силу будущих землетрясений и соответственно к ним подготовиться.

Прогнозирование землетрясений

Землетрясения чаще всего происходят неожиданно, поэтому и приносят много несчастий. Сейсмологи, изучая процессы земле­трясений, пытаются найти признаки, по которым можно было бы

103

предугадать время наступления этого грозного природного явления. В настоящее время попытки это сделать направлены на выделение сейсмически активных районов. Изучая активность и повторяемость землетрясений а сейсмоопасных районах, можно установить какую-то закономерность и предугадать их проявление в будущем. Однако непосредственное начало землетрясения таким образом не опре­деляется. В некоторых случаях признаки возникающего землетря­сения могут быть отмечены при помощи приборов — наклономеров, фиксирующих изменения в положении земной поверхности. Накапли­вающиеся перед землетрясением напряжения в земной коре сопро­вождаются резким нарастанием наклонов («буря наклонов»), которые и фиксируются этими приборами. Наблюдения за поведением магнит­ного поля, часто изменяющегося в районе предстоящего землетря­сения, также могут быть использованы для предсказания готовя­щейся катастрофы. В стадии разработки находится проблема улавли­вания приборами упругих колебаний звукового диапазона, нара­стающих перед началом землетрясения. Исследуется вопрос о связи землетрясений с электрическими токами в земле и атмосфере. Боль­шую роль в решении проблемы прогнозирования землетрясений должно сыграть изучение причин тектонических движений.

Если в настоящее время еще не найден надежный метод, позво­ляющий предсказать землетрясение, то обезвредить в какой-то степени его последствия представляется вполне возможным. Зная возможную силу землетрясений (по сейсморайонированию) в данном районе, все здания и ответственные сооружения возводятся с приме­нением специальных конструкций и материалов, рассчитанных на сейсмостойкость.

Сейсмические зоны Земли и географическое распространение землетрясений

Наиболее активное проявление землетрясений обнаружено в опре­деленных зонах земного шара. Главные из них — две. Первая — средиземноморско-трансазиатская протягивается от Пиренейского полуострова через Средиземное море, Черное море и Малую Азию, на Кавказ, в Среднюю Азию, Памир, Гималаи и далее к Малайскому архипелагу. В районе Памира па северо-восток проходит ветвь, прослеживающаяся через Тянь-Шань на Алтай к Байкалу и далее к берегам Охотского моря. Вторая зона охватывает кольцом побе­режье Тихого океана, включает берега Северной и Южной Америки, Новую Зеландию, о-ва Малайского архипелага, островную и ча­стично материковую (Китай), восточную, окраину Азии и смыкается с Америкой через Алеутские острова. Кроме двух основных зон землетрясения распространены вдоль впадины Красного моря, в восточной части Африки и других местах. География землетрясений совпадает с проявлением вулканизма.

104