3 Геологические процессы

Процессы, происходящие на поверхности и в недрах Земли и из-

меняющие её состав, структуру, рельеф и глубинное строение, назы-

вают геологическими. Различают эндогенные (внутренней динамики)

и экзогенные (внешней динамики) процессы. Эндогенные процессы

вызываются в основном внутренними силами Земли: энергией, выде-

ляемой при преобразовании вещества Земли (радиоактивный распад

элементов и др.), силой тяжести и силами, возникающими при враще-

нии Земли. С эндогенными процессами связаны движение земной коры

(землетрясения, медленные подъём и опускание отдельных участков

земной коры и др.), образование основных элементов рельефа Земли

(материков, гор, океанических впадин), тектонические дислокации

горных пород, магматические и вулканические явления, а также мета-

морфизм горных пород.

Экзогенные процессы происходят на поверхности Земли, в са-

мых верхних частях земной коры и вызывают главным образом сол-

нечной радиацией, силой тяжести Земли, силами притяжения Луны и

Солнца, жизнедеятельностью организмов. Действие экзогенных про-

цессов приводит к разрушению горных пород под влиянием различных

факторов (изменения температуры, растворения, окисления, действия

организмов и продуктов их жизнедеятельности и т.д.); к перемещению

29

продуктов разрушения под действием силы тяжести, при помощи дви-

жущейся воды, ледников, ветра; к образованию новых осадочных по-

род.

Возвышенные и поднимающиеся участки земной коры расчленя-

ются поверхностными водотоками на более мелкие элементы, среза-

ются сверху и с боков – подвергаются денудации. Под денудацией в

широком смысле слова понимается совокупность процессов разруше-

ния и сноса, удаления продуктов разрушения в пониженные участки.

Совокупность процессов накопления рыхлых минеральных и ор-

ганических осадков в пониженных частях земной поверхности называ-

ется аккумуляцией. В зависимости от действия того или агента раз-

личают аккумуляцию гравитационную, речную, озёрную, ледниковую,

морскую, эоловую, биогенную и техногенную.

Изучением форм рельефа земной поверхности, их происхождения

и закономерностей географического распространения занимается нау-

ка геоморфология.

3.1 Эндогенные процессы

К основным проявлениям процессов внутренней динамики Земли

относятся тектонические нарушения, колебательные движения земной

коры, землетрясения, магматизм и метаморфизм.

3.1.1Тектоника литосферных плит

В XVI веке, вскоре после открытия Колумба, стали появляться

географические карты с более точным изображением берегов Амери-

ки, и в XVII веке Ф.Бэкон и Ф.Пласэ в своих трудах отметили удиви-

тельное совпадение береговых линий континентов по разные стороны

Атлантического океана.

В середине XIX века А.Снидер высказал предположение о суще-

ствовавшем ранее едином континенте планеты.

Ещё несколько учёных самостоятельно приходили к мысли, что

нынешние континенты представляют собой обломки более крупных

суперконтинентов далёкого прошлого, разошедшиеся в разные сторо-

ны на тысячи километров друг от друга. В 1912 году немецкий иссле-

дователь Альфред Вегенер выступил с докладом, в котором выдвинул

гипотезу дрейфа материков, подкрепив её разнообразными геологиче-

скими и геофизическими данными. Единый суперконтинент палеозой-

30

ской эры, позже расколовшийся и распавшийся Вегенер назвал Панге-

ей (единая земля).

Сейчас уже установлено, что каменная оболочка Земли не пред-

ставляет собой единого целого, а состоит из частей, называемых лито-

сферными плитами. Их внутренние области – сравнительно спокой-

ные в сейсмическом отношении, а границы между ними отмечены зем-

летрясениями: именно там накапливаются напряжения из-за смещения

одной плиты относительно другой. Сейчас литосфера Земли делится на

семь больших и несколько более мелких плит. Различают два вида

границ между плитами. Если литосферные плиты расходятся, удаля-

ются друг от друга, на поверхности земной коры появляются глубокие

расселины – рифты, протянувшиеся вдоль подводных срединно-

океанических хребтов. Такие границы называются дивергентными

(расходящиеся). Если плиты сходятся, границы между ними называют

конвергентными (сходящиеся).

Главный источник перемещения литосферных плит находится

под литосферой, где происходят круговые восходяще-нисходящие

движения мантийного вещества – его циркуляция или конвекция.

Там, где конвективные кольца сходятся в восходящий поток, литосфе-

ра приподнимается и раздвигается в стороны. Образуются срединно-

океанические хребты с их расселинами-рифтами, где по трещинам из-

ливаются базальтовые лавы. Под поверхностью дна магма, заполнив-

шая трещины, застывает и превращается в горную породу. Так образу-

ется новая океаническая кора и разрастается морское дно. Этот про-

цесс называется спредингом. Скорость этого процесса составляет от

нескольких миллиметров до 18 см в каждую сторону от оси хребта.

Если в срединно-океанических хребтах литосфера разрастается,

то океаническая литосфера одной из плит пододвигается под сосед-

нюю плиту и затягивается мантийными потоками на глубину. Такое

пододвигание, затягивание и погружение океанической литосферы

называют субдукцией.

На дне океана, где литосфера затягивается в мантию, образуются

глубоководные желоба. Самый глубокий из них – Марианский в Тихом

океане (глубина более 11 км). Рядом с желобами цепочкой выстраива-

ются действующие вулканы, например вулканы Курильской островной

дуги и Камчатки, рядом с Курильско-Камчатским жёлобом. Они обра-

зуются над тем местом, где литосфера, наклонно уходящая на глубину,

начинает плавиться под действием высоких температур. В разных зо-

нах скорость субдукции колеблется от 1 до 12 см в год.

31

Согласно теории тектоники литосферных плит, литосфера нахо-

дится в непрерывном движении, процессы спрединга и субдукции не

затухают ни на минуту. Плиты на поверхности Земли время от време-

ни вынуждены менять свою конфигурацию. Существовавшие на Земле

отдельные континенты неоднократно сливались в единый континен-

тальный массив, причём, как считают учёные, это происходит каждые

полмиллиарда лет.

Итак, литосферные плиты движутся от срединно-океанических

хребтов, где разрастается океаническая литосфера, к глубоководным

желобам, где она уходит на глубину и там поглощается. Вместе с океа-

нической литосферой движутся и континенты.

Уже сейчас можно с уверенность говорить, что перемещение ма-

териков относительно друг друга не превышают 10 см в год. Евразий-

ская и Северо-Американская континентальные плиты расходятся со

скоростью около 2 см в год.

Подтверждается предположение А.Вегенера о том, что горизон-

тальные движения каменной оболочки Земли не изменяют направле-

ния и идут более или менее равномерно уже многие миллионы лет.

3.1.2 Тектонические дислокации горных пород

Тектоническими дислокациями называются нарушения залега-

ния пород, а также смятия и разрывы пластов этих пород, связанные с

эндогенными процессами. Раздел геологии, изучающий эти явления, а

также формы залегания пород, определяющие структуру земной коры,

называется тектоникой.

Тектонические дислокации горных пород разделяются на две ос-

новные группы: складчатые и разрывные Складчатые дислокации не

нарушают сплошности горных пород, разрывные - нарушают. Нередко

наблюдаются постепенные переходы одной группы дислокаций в дру-

гую. Из числа складчатых дислокаций наиболее проста моноклиналь,

проявляющаяся в виде наклонного залегания свиты осадочных пород.

Складкой называется полный перегиб пластов, в котором выде-

ляются антиклиналь и синклиналь. В антиклинали перегиб пластов

направлен выпуклостью вверх, а синклинали – вниз.

К разрывным нарушениям относятся сброс, надвит, сдвит, горст,

грабен. Элементами любого разрывного нарушения являются смести-

тель (трещина разрыва шириной в несколько метров, заполненная об-

ломками пород), опущенное крыло и поднятое крыло. Различают так-

32

же лежачие и висячие крылья: лежачее крыло перекрывается сместите-

лем, висячее расположено над сместителем.

Наиболее характерные формы тектонических дислокаций горных

пород представлены на рис. 5.

Сбросом называется вертикальное или наклонное смещение од-

ной части свиты относительно другой. Вертикальное смещение, заме-

ренное между одноимёнными плоскостями напластования, называется

амплитудой сброса (изменяется от нескольких сантиметров до сотен

метров).

Сдвиг отличается от сброса направлением смещения – оно близ-

ко к горизонтальному. В западной части Северной Америки, в Кали-

форнии, довольно часто происходят мощные землетрясения. Виновни-

ком

разрушений является знаменитый тектонический разрыв – сдвиг Сан-

Андреас. Два блока горных пород перемещаются вдоль плоскости раз-

рыва примерно на 5 см в год, из-за этого постоянно меняются русла

рек, разрушаются дороги, различные коммуникации.

Надвиг похож на систему сбросов с очень пологими наклонами

плоскостей надвига. В результате более молодые пласты оказываются

перекрыты более древними. Надвиги характерны для горно-

складчатых

сооружений, испытавших сильное сжатие, таких, как Альпы, Пиренеи,

Большой Кавказ, Алтай, Урал и др. В настоящее время установлены

покровы в Аппалачах, переместившиеся с востока на запад по горизон-

тальной поверхности более чем на 200 км.

Грабеном называется тектоническое опускание, ограниченное

системой сбросов. От Юго-Восточной Турции до реки Замбези на юге

Африки, на 6 тыс. км простираются огромные расселины-грабены, об-

разуя самую протяжённую трещину в земной коре в пределах конти-

нента. Система грабенов имеет ширину от 1 – 2 км до десятков км,

внутри впадин-грабенов (глубиной 1,5 – 2 км) располагаются крупные

африканские озёра – Ньяса, Руква, Танганьика и др. Наиболее глубокая

и широкая часть системы грабенов занята Красным морем.

Горст – поднятый по разломам участок земной коры.

Таким образом, при разрывных нарушениях происходит относи-

тельное смещение разорванных слоёв вдоль сместителя. Со временем

линия разрыва заполняется обломками, замывается, зарастает расти-

тельностью и ее трудно бывает различить. Разрывы горных пород зем-

33

ной коры длиной в сотни и тысячи километров и глубиной в десятки

километров называются глубинными разломами.

Рис.5. Формы тектонических дислокаций горных пород

а - наклонное (моноклинальное) залегание пластов; б – складка (1

- синклиналь; 2 – антиклиналь; 3 – осевая поверхность складок; 4 –

поверхность земли. Пунктиром показано предполагаемое положение

пластов до их разрушения); в – сброс (1 - плоскость сброса; 2 – ампли-

34

туда сброса); г- сдвиг; д – грабен; е – горст; ж – надвиги (вверху –

складчатый; внизу – глыбовый); з – несогласное залегание пластов (1 –

нижняя дислоцированная свита пластов; 2 – верхняя ненарушенная

свита; 3 – 3 – граница несогласия)

3.1.2 Сейсмические явления

Сейсмическими называются явления, связанные с возникновени-

ем и проявлением землетрясений. Землетрясения - это подземные

толчки и колебания земной поверхности, возникающие в результате

смещений и разрывов в земной коре или верхней части мантии и пере-

дающиеся на большие расстояния в виде упругих колебаний. Сейсми-

ческие явления изучает наука сейсмология.

Известно два главных сейсмических пояса: Тихоокеанский, охва-

тывающий кольцом берега Тихого океана; и Средиземноморско-

Азиатский, простирающийся через юг Евразии от Пиринейского полу-

острова на западе до Малайского архипелага на востоке.

По действующим факторам землетрясения делятся на денудаци-

онные, вулканические и тектонические.

Денудационные землетрясения связаны с провалами горных по-

род в карстовые пустоты и с горными обвалами. Обычно они мало ин-

тенсивны и имеют место в горных местностях.

Вулканические землетрясения связанны со взрывами сжатых га-

зов в жерлах вулканов, они были причиной гибели Помпеи, Мессины и

других городов Италии, в России такие землетрясения часто наблюда-

ются на Камчатке.

Тектонические землетрясения, связанные с тектоническими дис-

локациями, являются причиной наибольших катастрофических разру-

шений. Они зарождаются в земной коре на глубине до 700 км, но в

большинстве в наружных частях земной коры. Место этого зарожде-

ния называется гипоцентром землетрясения, вертикальная проекция

гипоцентра на земную поверхность называется эпицентром.

В XX веке сейсмологи доказали, что практически все сильные и

99 % слабых толчков относятся к категории тектонических – они воз-

никают при резком смещении горных пород при разрывах.

В 1988 году в г. Спитаке (Армения) разрыв с молниеносной бы-

стротой вспорол земную кору, протянулся на несколько десятков км, а

смещения по нему достигли 2 м.

35

Землетрясения происходят не только в горах, но и на равнинных

участках, так в 1993 году на невысоком плато центральной части полу-

острова Индостан произошло сильное землетрясение, превратившее в

груды обломков 12 деревень и унесшее жизни нескольких десятков

тысяч человек.

Одно из последних мощных землетрясений в России произошло в

г. Нефтегорске (о. Сахалин) в 1995 году, от стихии тогда погибло более

2 тыс. человек.

Сила землетрясения оценивается в баллах по двенадцатибальной

шкале Рихтера. Разрушительное действие на здания и сооружения ока-

зывают землетрясения силой более 5 баллов.

В России сейсмически активными районами являются Кавказ,

Алтай, Саяны, Забайкалье, Сахалин, Камчатка – в этих районах ведётся

строительство сейсмостойких зданий и сооружений.

Если очаги землетрясений залегают под океанами и морями, то

они вызывают моретрясения. При этом образуются особые волны -

цунами, скорость распространения которых от 50 до 1000 км/час; вы-

сота в области возникновения от 0,5 до 5 м, у побережий от 10 до 50 м.

При выходе на побережье цунами производят опустошительные раз-

рушения.

Сейсмологи пытаются разработать способы предсказания земле-

трясений. В частности, наблюдениями установлено, что до землетря-

сения, за период от нескольких часов до нескольких месяцев, в наблю-

дательных скважинах происходят резкие изменения уровня и темпера-

туры подземных вод, содержания в них радона и других химических

элементов, также изменяется дебит источников и т.д. Однако практика

показала, что даже плотная сеть станций, высокое качество измерений

и быстрота их обработки не обеспечивают успеха прогноза.

3.1.3 Магматизм и метаморфизм

Совокупность эндогенных процессов, связанных с внедрением

поднимающейся магмы в земную кору, называется интрузивным

магматизмом. Магма застывает на различных глубинах, при этом об-

разуются интрузивные тела – батолиты, штоки, лакколиты.

Эффузивный магнетизм или вулканизм - совокупность процес-

сов, связанных с перемещением магмы в земной коре и выходом её на

поверхность с образованием вулканов. Вулканы – геологические об-

разования, возникающие под каналами и трещинами в земной коре, по

36

которым на поверхность Земли извергаются лавы, горячие газы и пары

воды, пепел и обломки горных пород. Лава представляет собой жид-

кую или очень вязкую массу, отличающуюся от магмы меньшим со-

держанием газов.

В зависимости от формы подводящих каналов вулканы бывают

центрального и трещинного типов. Вулкан центрального типа имеет

вид конусообразной горы, через которую проходит канал или жерло;

на вершине конуса жерло оканчивается чашеобразным углублением –

кратером. В вулканах трещинного типа лава изливается через глубокие

длинные трещины в земной коре; застывая, лава образует покровы.

По способу и скорости выделения газов из магмы различают три

главных типа извержения: эффузивное, эксплозивное и экструзивное.

При относительно спокойной дегазации, магма изливается на по-

верхность, образуя лавовые потоки – такое извержение получило на-

звание эффузивного. Когда газы выделяются быстро, магматический

расплав как бы мгновенно вскипает и разрывается расширяющимися

газовыми пузырьками – происходит мощное эксплозивное изверже-

ние. Если же магма очень вязкая и её температура невелика, то она

медленно выдавливается на поверхность – такое извержение называет-

ся экструзивным.

Действующие вулканы в России имеются только на Камчатке и

Курильских островах. В качестве примера вулканической деятельности

можно привести извержение вулкана Плоский Толбачек на Камчатке в

1975 году. Во время извержения, которому предшествовали землетря-

сения, каждую секунду в воздух поднималось около 250 тонн вулкани-

ческих шлаков, пепла, бомб. За всё время извержения объём лавы,

шлака, вулканических бомб и пепла, выброшенных из вулкана превы-

сил 2 км

3

.

С магматическими процессами тесно связан метаморфизм, при-

водящий к глубоким изменениям горных пород с превращением по-

следних в новые породы. Главными факторами метаморфизма являют-

ся температура, давление и состав растворов выделяющихся из магма-

тических очагов.

В зависимости от действующих факторов и масштабов процесса

выделяют следующие виды метаморфизма: региональный, контакто-

вый и динамометаморфизм.

Региональный метаморфизм проявляется при глубоком погру-

жении участка земной коры и происходит под действием высокой тем-

пературы и давлении. Образующиеся в результате регионального ме-

37

таморфизма породы характеризуются почти полной перекристаллиза-

цией вещества и ориентированностью минеральных зерен в одном на-

правлении, что приводит к появлению сланцеватости породы.

Контактный метаморфизм происходит под влиянием высокой

температуры, паров и растворов в породах, соприкасающихся с вне-

дрившейся в них интрузивной массы. Степень изменения пород в этом

случае зависит от удалённости их от интрузивного тела.

При динамометаморфизме материнская порода под действием

большого давления, возникающего во время движения земной коры,

дробится без существенной перекристаллизации минералов.

3.1.4 Колебательные движения земной коры

Изучение горных пород на больших территориях показало, что

морские и континентальные отложения чередуются. Это можно объяс-

нить тем, что данная территория периодически опускалась, затопля-

лась водой, затем поднималась - становилась сушей. Такие медленные

колебания земной коры без складкообразования и разрывов называют-

ся эпейрогеническими в отличие от орогенических, сопровождаю-

щихся складкообразованием и разрывами горных пород.

Явление наступления моря на сушу называется трансгрессией,

обратное явление - поднятие суши и отступание моря называется рег-

рессией. Трансгрессии и регрессии вызываются эпейрогеническими

или колебательными движениями. Трансгрессии сопровождаются на-

коплением морских осадков, а регрессии - процессами денудации (раз-

рушения сноса горных пород на суше).

В Италии, близ Неаполя, на берегу Неаполитанского залива, со-

хранились развалины античного храма Сераписа, построенного около

2000 лет назад. Следы действия сверлящих моллюсков на мраморных

колоннах храма, а также ряд исторических сведений указывают на

происходившие неоднократно высотные колебания моря относительно

этого сооружения (в пределах 5,7 м).

Современными исследованиями показано, что в низменной части

Припятского Полесья наблюдается повышение поверхности земли со

скоростью 5 - 10 мм в год. Приморские районы Колхидской низменно-

сти опускаются со скоростью 5 - 6 мм в год. В настоящее время за-

фиксировано поднятие Памира со скоростью 5 – 7 мм в год. Исследо-

вания, выполненные на Скандинавском полуострове, свидетельствуют

о современных поднятиях северных берегов Ботнического залива со

38

скоростью около 1 см в год. Широко известны также явления регио-

нального погружения берегов Северного моря в пределах Голландии и

Бельгии.

“Для наших чувств Земля в течение веков пребывала в покое, по-

ка астрономия не показала, что она несётся в пространстве с невообра-

зимой быстротою. Подобным образом и поверхность этой планеты

пребывала в сознании людей неизменною со времени своего создания,

пока геолог не доказал, что и она была театром неоднократно повто-

ряющихся перемен и до сих пор ещё подвергается медленным и не-

скончаемым изменениям”. Эти строки принадлежат выдающемуся

английскому исследователю Ч.Лайелю (1797 – 1875) – именно он дока-

зал, что в современную эпоху, как и в далёком прошлом, поверхность

Земли движется и изменяется.

Почти для всех участков суши можно установить несколько

трансгрессий и регрессий. По характеру, мощности и составу в земной

коре осадков выделяют два типа тектонических зон: геосинклинали и

платформы.

Геосинклинали - весьма подвижные зоны, обычно удлинённого

очертания в плане. На первом этапе геосинклиналь представляет собой

морской водоём, в котором при опускании дна накапливаются осадки

огромной мощности (иногда десятки км). Второй этап характеризуется

её интенсивным поднятием, этот этап характеризуется магматически-

ми, вулканическими процессами, горообразованием; геосинклинали

преобразуются в горную область. На третьем этапе господствуют про-

цессы денудации; при затухании эндогенных процессов, происходит

выравнивание рельефа.

К геосинклиналям на первом этапе относят Японское и Среди-

земное моря; на втором - Альпы, Кавказ, Памир, Карпаты; на третьем –

денудационные горы Урала, Средней Европы.

Платформы отличаются от геосинклиналей меньшей подвижно-

стью, равнинным рельефом и характерным “двухэтажным” геологиче-

ским строением. Нижний “этаж”, называется фундаментом, сложен

сильно нарушенными и метаморфизованными породами (обычно обра-

зован из геосинклинали после третьего этапа её развития), а верхний

“этаж”, называется осадочным чехлом, сложен почти горизонтально

залегающими слоями умеренной или слабой мощности осадочных по-

род (обычно десятки или сотни метров, реже – несколько километров).

39

Участки платформы, на которых нет чехла и фундамент выходит

на поверхность, называются щитами. Участки со значительной мощ-

ностью чехла называются плитами.

Щиты возникли там, где континентальная кора непрерывно, хотя

и очень медленно поднималась в течение сотен миллионов лет, и за

счёт этого с них постепенно сносился тонкий слой разрушенных вы-

ветриванием горных пород. Поэтому на поверхность щитов выходят

очень древние породы, образовавшиеся на глубине 10 – 20 км. Другие

участки платформы медленно и неравномерно опускались, в них пе-

риодически вторгалось море, они перекрывались ледниками, по ним

текли многочисленные реки, здесь возникали озёра и болта, что вело к

накоплению осадочных пород.

Так, в пределах Восточно-Европейской платформы выделяются

Балтийский и Украинский щиты, Русская плита; на Сибирской плат-

форме – Алданский щит и Лено-Енисейская плита.

3.1.5 Влияние антропогенной деятельности на

земную кору

Человеческая деятельность в последнее время вызывает измене-

ния в земной коре на глубину нескольких десятков километров. Если

возводится высотная плотина, за ней создаётся крупное водохранили-

ще глубиной в 100 и более метров. Нагрузка на этот участок земной

коры резко возрастает. На ограниченных пространствах нагрузки на

земную кору под столбом жидкости в 100 метров могут доходить до 10

кг/см

2

. Подобные нагрузки уже вполне достаточны не только для того,

чтобы приповерхностные осадочные слои уплотнились и начали про-

седать, но и для прогиба земной коры под водохранилищем и в его

окрестностях. Например, после заполнения водой крупных водохрани-

лищ, земная кора под ним прогибалась на несколько десятков санти-

ментов. Это в свою очередь приводит к резким дополнительным на-

грузкам, возникающим вдоль ослабленных зон – разломов и провоци-

рует разрывы, подвижки и землетрясения. Землетрясения доказывают,

что под дополнительной тяжестью не только прогибаются приповерх-

ностные слои горных пород, но и приходит в движение вся толща зем-

ной коры.

Нечто похожее может происходить при откачке нефти, газа, во-

ды из недр или, наоборот, закачке отработанных жидких отходов на

большую глубину. Даже разрастающиеся мегаполисы планеты – Ме-

40

хико, Токио, Москва и др. – весом своих построек вдавливают земную

поверхность на несколько миллиметров в год, т.е. примерно с такой же

скоростью, какую создают глубинные тектонические силы.