книги из ГПНТБ / Косыгин, Ю. А. Основы тектоники

160

радиоактивного распада, которыми занимается радиогеология, техно­ генные процессы, вызванные деятельностью человека, его воздей­ ствием на природу. К последним относятся проседание поверхности Земли и образование карста над подземными горными выработками, изменение размеров и положения залежей флюидов (нефти, газа, при­ родных вод) под воздействием разработки месторождений, различные изменения в геологической деятельности рек и озер в связи с гидро­ техническими сооружениями и т. д.

Геологический процесс может быть однородным, если все входя­ щие в него элементарные процессы имеют одну и ту же природу, и неоднородным, если природа этих элементарных процессов различна. Среди геологических процессов могут быть выделены различные их виды по геологическим результатам. Таковы, например, процессы выветривания (механической, физической, химической, биохимиче­ ской природы), процессы денудации, заключающиеся в разрушении земной поверхности за счет различных факторов (речного размыва — эрозия, выпахивания ледниками — экзарация, разрушения наступа­ ющим на сушу морем — абразия и др.), процессы переноса и отложе­ ния осадков, процессы диагенеза, метаморфизма, образования кри­ сталлических горных пород, вулканизма, сейсмичности, тектогенеза и т. д.

Ю. Ф. Левинсон-Лессинг [100] делил по этому признаку все геологические процессы на: 1) вулканические (в широком смысле, включая глубинный вулканизм, т. е. плутонизм), 2) денудационные и

3)дислокационные.

Геологические процессы принято делить по генетическому при­

знаку на: 1) экзогенные, происходящие за счет солнечной энергии на поверхности Земли, и 2) эндогенные, вызываемые внутриземными источниками энергии.

можно непосредственно наблюдать и измерять или же моделировать по экспериментальным и теоретическим данным. Представления же о процессах прошлого, не наблюдаемых непосредственно, а рекон­ струируемых по наблюдениям в статических геологических системах с использованием метода актуализма, выходят за рамки динамических систем. Это связано, в частности, с тем, что методика изучения геоло­ гических процессов прошлого и современных геологических процес­ сов существенно различна. Можно назвать по крайней мере три ме­ тода исследования современных геологических процессов: 1) метод наблюдений, 2) экспериментальный (экспериментальная геология, экспериментальная тектоника) и 3) теоретический и, соответственно, три типа моделей процессов, которые обозначим Дн, Дэ и Дт.

В первом случае геологические процессы изучаются методом непосредственных наблюдений и измерений в моменты времени, фиксируемые посредством часов. Под часами понимается любой при­ родный периодический процесс (от качания маятника до обращения

162

наблюдениям над твердыми приливами. Однако построение моделей глубинных процессов часто может включать экстраполяцию теорети­ ческих положений «за пределы той области, в которой они справед­ ливы» [63, стр. 181.

Исследования современных глубинных процессов, несмотря на недостаточность непосредственных наблюдений и слишком отдален­ ных экстраполяций экспериментальных и теоретических данных, тем не менее коренным образом отличаются от исследования процессов геологического ■ прошлого. В первом случае в принципе возможна постановка дополнительных исследований, направленных к проверке соответствия построенной модели процесса с его оригиналом; во вто­ ром случае это вообще невозможно, так как ретроспективная система не имеет оригинала.

Имея в виду три основных метода исследования геологических процессов и трех типов моделей (Дн, Дэ и Дт), укажем на часто при­ меняемые комбинированные методы, представляющие различные их сочетания, и соответствующие модели (Днэ, Днт, Дэт, Днэт). Кроме того, возможно суждение о процессах, по парагенезам. Последние относятся к связанному с одним из членов некоторого парагенеза геологическому процессу, который не наблюдался и не исследовался ни экспериментально, ни теоретически, а представление о нем основы­ вается на аналогии с входящим в данный парагенез другим членом, для которого соответствующий процесс (формирования, изменения

ит. д.) так или иначе изучен. Такое суждение о геологическом про­ цессе, нередко встречающееся в специальной литературе, представ­ ляет собой умозаключение по условной аналогии.

Сравнение иерархии статических систем с соответствующей ей иерархией геологических процессов показывает, что модели стати­ ческих систем высших рангов могут быть построены по непосредствен­ ным наблюдениям и измерениям (с применением пространственной интерполяции и экстраполяции этих данных), а модели процессов соответствующих рангов не могут быть построены на аналогичной основе; для таких процессов на основании непосредственных наблю­ дений могут быть построены модели лишь некоторых их компонентов. Сами же процессы в целом могут быть представлены лишь в виде рет­ роспективных реконструкций и, следовательно, изучение их выходит за рамки динамических систем в том понимании, которое здесь было дано, и требует иной методики.

Представим себе иерархию статических систем, включающую шесть рангов, и соответствующую ей иерархию геологических про­ цессов. к шестому (низшему) рангу отнесем кристаллы (минералы)

исоответственно процессы образования, изменения и разрушения минералов, к пятому — горные породы и процессы образования, изменения и разрушения горных пород, к четвертому — слоистые толщи и геологические формации и процессы их формирования и изменения, к третьему — ассоциации формаций (структурные эле­ менты осадочной оболочки, такие, как геосинклинали, геосинкли­ нальные области, платформы и т. д.) и соответствующие процессы,

164

процессы минералообразования) являются процессами физико-хи­ мическими и могли бы рассматриваться как таковые, а не в ряду геологических процессов. Однако минералы представляют основные «кирпичики» земной постройки, и многие геологические процессы более высокого ранга включают минералообразование в качестве необ­ ходимого компонента. Различные же минералы образуются, сохра­ няются и разрушаются в определенных термодинамических и физикохимических условиях, свойственных тому или иному участку по­ верхности или недр Земли. В силу этого процессы минералообразо­ вания являются не только составной частью геологических процес­ сов более высоких рангов, но и важным индикатором условий их протекания.

Во вторую группу включаются процессы, связанные с образова­ нием и разрушением геологических тел более высоких рангов, чем минералы, а именно различные слоистые и массивные толщи и геоло­ гические формации, а также некоторые горные породы. Учитывая

иногда же преимущественно второму главному уровню организации вещества. Ко второй группе-относятся процессы выветривания, пере­ носа, отложения и диагенеза осадков, процессы образования распла­ вов, вулканизма, отложения и кристаллизации вулканогенного ма­ териала, а также процессы метаморфизма.

Экспериментальные исследования геологических процессов

В результате геологических экспериментов могут быть получены модели природных процессов (Дэ), строящиеся по аналогии экспери­ ментальных данных с природными процессами. В данном случае речь идет о безусловной аналогии, поскольку установлены и известны связи между некоторым признаком природного процесса соответ­ ствующего ему экспериментального процесса, а также между некото­ рыми признаками процесса.

В каждом природном геологическом процессе можно различать: во-первых, вещество (минерал), из которого состоит геологическое тело (или тела), участвующее в процессе, и, во-вторых, условия, в которых происходит формирование (перемещение, изменение, распад) этого геологического тела.

Любое природное вещество обладает весьма большим количест­ вом свойств (плотность, цвет, электропроводность, химический состав, содержание того или иного изотопа и т. п.); любые природные усло­ вия также могут быть охарактеризованы в очень многих отношениях (давление, температура, концентрация химических элементов, влаж­ ность, климат, состав среды, существование и интенсивность механи­ ческих напряжений и т. д.).

Природные условия в эксперименте всегда замещаются эквива­ лентными условиями, т. е. условиями, отвечающими природным,

166

Современные движения земной коры

В качестве примеров динамических систем рассмотрим современные движения земной поверхности. Эти процессы сами по себе не вклю­ чают никаких превращений вещества и полностью могут быть охарак­ теризованы кинематически. Они являются глобальными, т. е. повсе­ местными, поскольку речь идет о поверхности Земли, и непрерыв­ ными по времени. Природа связана с тем, что массы земной коры стре­ мятся к равновесию в соответствии с фигурой гидростатического рав­ новесия Земли, однако равновесие этих масс постоянно нарушается за счет внутриземных процессов и внешних влияний. Движения масс земной коры выражаются в движении поверхности Земли. Эти движе­ ния имеют различные знаки (вверх, вниз), различные скорости (от десятых миллиметра в год до очень больших при землетрясениях), различные направления (от вертикальных до горизонтальных) и весьма широкий спектр, выражающийся в размерах площадей земной поверхности, охватываемых одновременно движениями одного знака и близкой интенсивности (от нескольких до миллионов квадратных километров).

Изменения положения земной поверхности могут, впрочем, иметь двоякую природу. Во-первых, эти изменения могут насту­ пать в результате размывов и осадконакопления, ведущих соот­ ветственно к понижениям и повышениям положений земной поверх­ ности. В таком случае эти изменения связываются с разрушением или наращиванием осадочной оболочки; земная же поверхность в каждый момент своего перемещения будет изменять свой веществен­ ный состав, т. е. будет представлена различными системами веще­ ственных частиц. Во-вторых, изменения положения земной поверх­ ности могут происходить при ее фиксированном вещественном составе, причем в процессе ее размещения не будет происходить ни нарушения, ни наращивания осадочной оболочки. Именно дви­ жения этой второй природы, соответствующие движениям земной коры, отражают перемещения масс некоторого слоя, который может отвечать части земной коры, может ей соответствовать, а может захватывать, кроме того, и верхнюю мантию.

Все методы измерения движений земной коры заключаются или в измерении движений земной поверхности относительно уровня моря (поверхности геоида), или в измерении относительного гори­ зонтального смещения точек земной поверхности. Среди движений земной коры различаются охватывающие крупные территории вплоть до целых континентов — медленные —вековые движения, на общем фоне которых проявляются охватывающие сравнительно небольшие площади — локальные движения, а также «упругие» движения, вызывающие лишь обратимые (упругие) дефор­ мации земной поверхности. Различают также «квазиупру­ ги е» движения, заключающиеся, например, в устойчивом поднятии участков земной поверхности после снятия с них леднико­ вого покрова (Фенноскандия). К «квазиупругим» движениям можно,

------------------------------------------------------------------------------------------- I67

вероятно, отнести прогибания поверхности Земли под тяжестью город­ ских и портовых сооружений, установленные в Риге, Бремене, Токио и других, городах и достигающие сантиметров и десятков сан­ тиметров в год (в Токио 40—56 см за 2—4 года); прогибания эти свя­ заны со сжатием поверхностных грунтов в слое 20—30 м.

Движения земной коры с кинематической стороны могут быть охарактеризованы траекториями и скоростями. Траектории пред­ ставляются сложными, хотя они совершенно недостаточно изучены. Многочисленные данные о скоростях относятся в основном к верти­ кальной компоненте, устанавливаемой повторными нивелировками поверхности Земли. Вробще, когда идет речь о скоростях современ­ ных движений, имеется в виду их вертикальная компонента, опреде­ ляемая для интервала времени измерений. В районах, где проводи­ лись повторные триангуляции, устанавливается, что горизонталь­ ная компонента иногда значительно превышает вертикальную. Вертикальная компонента вековых движений обычно измеряется долями или первыми миллиметрами в год, горизонтальные же сме­ щения триангуляционных пунктов в Баварии составляют до 18 мм в год; смещения эти не случайны, а отражают горизонтальные пере­ кашивания крупных (до 100 км в поперечнике) участков земной по­ верхности. Траектории движения частиц, слагающих поверхность Земли, можно представить как геометрическую сумму (вектор) вертикальной и горизонтальной компонент для интервала между двумя точками измерения. В действительности эти траектории могут обладать очень сложной формой. Для вековых движений не было получено данных для изображения траектории по многим точкам измерения, быстрые же движения поверхности Земли (при земле­ трясениях) характеризуются известной моделью Монтессю де Баллора, изображающей путь, пройденный точкой земной поверхности во время землетрясения в Токио 15 января 1887 г.

Как показывают повторные нивелировки и измерения другими методами, вековые движения земной коры являются повсеместными и непрерывными. Они, однако, обладают разными знаками и скоро­ стями, меняющимися в пространстве и времени. Таким образом, в смысле распределения скоростей и знаков движений земной коры поверхность Земли представляется неоднородной: одни ее участки имеют тенденцию устойчивого поднятия, другие—устойчивого прогибания.

Локальные движения часто пространственно приурочиваются к определенным тектоническим дислокациям. В этом случае локаль­ ные движения земной поверхности связываются с движениями масс,

в первом или во втором столетии нашей эры ирригационным каналом. Установлено, что ложе канала за 1700 лет поднялось на 18 м на участке протяженностью 4 км, соответствующем своду антиклинали. Следовательно, средняя скорость поднятия земной поверхности над антиклиналью 10 мм/год; этот замер может быть отнесен к скорости

168

роста антиклинали. Повторными нивелировками в районе оз. Баскун­ чак были установлены современные поднятия земной поверхности над ядром инъективной дислокации— соляным массивом горы Б. Богдо на 4 мм за 7 лет (нивелировки производились в 1951 и 1958 гг.) и опускания над смежной с этим ядром, располагающейся в районе озера, синклиналью на 8 мм за 7 лет. Эти движения земной поверх­ ности можно связать с подъемом соляного массива и опусканием смежной с ним синклинали.

Непосредственными измерениями в ряде районов констатируется перемещение точек земной поверхности, расположенных по разные стороны разлома (дизъюнктивные дислокации). Так, установлена скорость относительного горизонтального перемещения блоков, раз­ деленных известным разломом Сан-Андреас в Калифорнии, со ско­ ростью 50 мм в год.

Локальные опускания поверхности Земли бывают пространственно приурочены к районам подземных разработок полезных ископаемых. На Апшеронском полуострове за время разработки нефтяных залежей с 1912 по 1928 г. происходило опускание Романинской и Сабунчинской нефтеносных площадей (средняя скорость соответственно 16,7 и 11,5 мм в год). Зафиксировано опускание поверхности Земли на территориях больших городов на участках с усиленной эксплуата­ цией водоносных горизонтов, сопровождавшейся значительным сни­ жением их напора. В Москве на таких участках земная поверхность осела на 350 мм с 1901 по 1958 г. В г. Мехико опускание к 1957 г. достигло 6—7 м, что привело к разрушению ряда зданий. В районе р. Сан-Джоакин (Калифорния), где усиленно эксплуатировались подземные воды, отмечается оседание земной поверхности на 2250 мм с 1947 по 1955 г. Известны случаи прогибания поверхности Земли под тяжестью водных масс искусственных водохранилищ (например, искусственное оз. Мид на р. Колорадо в Неваде). Локальные опуска­ ния. поверхности Земли также фиксируются в районах действующих вулканов. Например, после извержения вулкана Сакура-Озима в 1941 г. нивелировкой установлены размеры концентрического про­ седания, достигающие 89,4 см.

Наряду с медленными перемещениями масс, участвующих в тек­ тонических дислокациях, наблюдаются очень быстрые перемещения таких масс и очень быстрые образования новых дислокаций. Так, по свидетельству В. П. Солоненко [147], во время Гоби-Алтайского землетрясения 1957 г. в течение не более трех минут в плейстосейстовой области образовались дизъюнктивные дислокации, принадле­ жащие почти ко всем типам, известным в структурной геологии. Основные перемещения произошли по крупному широтному раз­ лому на протяжении 240—250 км, причем размер горизонтальных

------------------------------------------------------------------------------------------------------------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