Движения земной коры

Для земной коры свойственны тектонические процессы, которые обусловливают ее постоянную перестройку и развитие. Движущей силой этих процессов является, в основном, внутренняя энергия Земли. Тектонические процессы вызывают движения в земной коре — тектонические движения.

Тектонические процессы в земной коре изучает геологическая наука геотектоника. Изложенное далее относится согласно современным представлениям глобальной геотектоники к внутриплитной тектонике, само же движение материков и земной коры под океанами обусловлено перемещением литосферных плит, таких, например, как

Тихоокеанская или Евразийская. Формирование геосинклинальных зон приурочено к зонам субдукции (подныривания) или обдукции (наползания) одной такой литосферной плиты на другую как в случае с Японскими островами. В связи с тем, что строительство пока сосредоточено преимущественно на суше, т. е. на континетах, расположенных на литосферных плитах, то представления внутриплитной тектоники для инженерной геологии носят весьма важный характер.

Тектонические движения. В земной коре они проявляются по-разному, как во времени, так и в пространстве. Во времени движения проявляются в виде медленных (эпейрогенических) и быстрых (оро-генических — горообразовательных) движений. По положению в пространстве (по преобладающему направлению) тектонические движения бывают радиальные (по радиусам Земли), действующие вертикально вверх и вниз, и тангенциальные, направленные горизонтально. Различный характер движений связан со строением земной коры по горизонтали, т. е. с ее основными структурами.

Основные структуры земной коры. Строение земной коры по горизонтали очень сложное, но для понимания тектонических движений его можно упростить, если принять за основу положение, что земная кора состоит из двух основных структур — платформ и геосинклиналей.

Платформы являются наиболее крупными структурами земной коры. Это континенты и впадины океанов. Это устойчивые, жесткие, малоподвижные структуры. Им свойственны выровненные формы рельефа земной поверхности (типа равнины). Для платформ типичны спокойные, медленные движения вертикального характера (эпей-рогенические).

Геосинклинали — это участки земной коры, являющиеся подвижными сочленениями платформ. Для них характерны разнообразные тектонические движения, среди которых преобладают сильные, резкие, непредсказуемые по времени и в пространстве, с ними связаны вулканизм и сейсмические явления. В геосинклиналях возникают разломы земной коры, происходит интенсивное накопление мощных толщ осадочных пород. Тектонические силы выводят слои осадочных пород из горизонтального положения и придают им форму складок. К геосинклиналям относятся: 1) широтный пояс, который охватывает Средиземноморье, Кавказ, Переднюю Азию и до Индонезии; в состав пояса входят Алтай, Саяны, Прибайкалье, 2) кольцевой Тихоокеанский пояс — Северная и Южная Америки, Япония, Сахалин, Курильские острова, Камчатка, юг Приморья.

Движения платформ. Этим территориям свойственны медленные вертикальные колебательные движения (эпейрогенические). Они выражаются в том, что отдельные участки земной коры на протяжении многих столетий испытывают поднятие, в то время как другие территории опускаются. Движения медленные, длительные по времени, но от них многое зависит: положение границ между сушей и морями, обмеление или усиление размывающей деятельности рек, формирование рельефа Земли, повышение уровней водохранилищ, движение воды в самотечных каналах, положение прибрежных территорий по отношению к уровню моря и многое другое.

Интересно отметить, что платформы (материки) имеют тенденцию к горизонтальным подвижкам. Так, на основе данных, полученных с искусственных спутников Земли, установлено, что только за пять лет Австралия «подплыла» к Японским островам на 38 см (76 мм в год), Европа — на 19 см, Северная Америка — на 11, Гавайские острова — на 39 см (78 мм в год). Ученые подсчитали, что если такой темп движения сохранится, то ближайший к Японии сосед — Гавайские острова сольются с Японскими островами через 100 млн лет.

Для инженерной геологии особый интерес представляют современные вертикальные колебательные движения платформ, вызывающие изменения высот поверхности земли в том или ином районе. Оценку скорости их проявления осуществляют высокоточными геодезическими работами. Годичная скорость современных колебательных движений платформ чаще всего равна нескольким миллиметрам, но имеются участки, где скорость равна 1—2 см/год и даже больше. Цифры небольшие, но за длительное время они вырастают в значительные величины. Так, например, Скандинавия только за последние 50 лет поднялась на 19 см. Много веков интенсивно опускаются районы Нидерландов (40—60 мм/год).

Колебательные движения прослеживаются также в России. Среднерусская возвышенность поднимается на 1,5—2 см/год, район Курска — до 3,6 мм/год. Ряд территорий испытывает опускание поверхности Земли: Москва (3,7 мм/год), Санкт-Петербург (3,6 мм/год), Восточное Предкавказье (5—7 мм/год). Имеются территории, где подъем поверхности Земли происходит более интенсивно. Так, во второй половине XX в. на 14—15 см/год стал подниматься уровень Каспийского моря, что привело к затоплению многих прибрежных участков Астраханской области. К 2000 г. общий подъем уровня моря превысил 2 м. По всей видимости, это связано с тектоническими движениями земной коры в районе Каспийского моря.

Современные колебания поверхности Земли учитывают при строительстве различных объектов: крупных водохранилищ, высоких плотин, мелиоративных систем, но особенно при сооружении аэродромов и космодромов.

Вулкан

Рис. 4. Вулкан

Вулканизм. Вулканы — это горы или возвышения конусовидной формы, которые созданы выходящей на поверхность Земли магмой (рис. 4). Магма выходит из вулкана, растекается по его склонам и по окружающей местности. В этих случаях магму называют лавой.

Вулканы разделяют на действующие, периодически извергающие магму, и потухшие, которые в настоящее время не действуют. Но история знает случаи, когда потухшие вулканы возобновляли свое действие, так было с вулканом Везувием (Италия), неожиданное извержение которого произошло в 79 г. н. э., что привело к гибели трех городов. Потухший ныне вулкан Казбек (Кавказ) еще действовал в начале четвертичного периода, и его лавы во многих местах залегают на Военно-Грузинской автодороге.

Вулканы приурочены к подвижным участкам земной коры, т. е. к геосинклиналям. На сегодня известно более 850 действующих вулканов, из них 76 располагаются на дне океанов. На территории России вулканы находятся на Камчатке (28 действующих) и на Курильских островах (10 действующих). Наиболее крупными являются вулканы Ключевская Сопка (высота конуса горы 4850 м), Авачинский, Ка-рымский, Безымянный.

Извержения вулканов происходят по-разному — в виде взрывов и бурного излияния лавы или спокойно, без взрывов, когда лава медленно растекается по округе вулканического конуса. Вулканы Камчатки и Курильских островов относятся к наиболее опасным, т. е. взрывным. Извержение таких вулканов начинается с подземных толчков (землетрясений, иногда силой до 5 баллов), далее следуют взрывы с выбросом лавы, газов и водяных паров.

Лавы образуют потоки, ширина и длина которых зависит от уклонов конусов горы и окружающего рельефа местности. Известен случай (Исландия), когда длина лавового потока достигла 80 км при его мощности 10—50 м. Скорость потоков различная, зависит от типа магмы и колеблется от 5—7 до 30 км/ч. При взрыве вулканов из их жерла одновременно с лавой вылетает твердый материал в виде обломков разных размеров: 1) глыбы (бомбы) весом несколько тонн; 2) куски, которые называют лапилли (1—3 см в диаметре) и 3) частицы в виде песка и пыли. Пылеватые частицы называют вулканическим пеплом. Все эти обломки разлетаются на различные расстояния и создают многометровые наносы. Наиболее далеко уносится вулканический пепел (сотни и даже тысячи километров).

Одновременно с лавой и камнями вулканы выбрасывают газы. В большинстве случаев газы ядовиты. Не менее опасны водяные пары, которые быстро конденсируются, что приводит к образованию на склонах и у подножий конусов грандиозных грязевых потоков (селей). Они обладают большой разрушительной силой и создают многометровые наносы.

Вышесказанное подтверждает, что автодороги и, особенно, аэродромы следует строить на определенном отдалении от действующих вулканов.

Расстояние обычно определяют исходя из многолетнего опыта строительства в каждом конкретном районе и с учетом особенностей извержений того или иного вулкана.

Интересен один из случаев, когда люди пытались бороться со стихией. Извержение вулкана Этна (Сицилия) продолжалось 130 дней. В потоки лавы было заброшено 300 т цементных блоков, связанных тяжелыми стальными цепями. Это изменило направление главного потока.

Сейсмические явления

Сейсмические (от греч. Бе^тоз — сотрясение) явления — упругие колебания земной коры, происходящие вследствие того, что в ее недрах (или в верхней мантии) возникают напряжения, которые в конечном итоге под действием тектонических сил находят выход в деформации сжатых пород, в образовании разрывов, что проявляется в виде толчков. Таким образом, сейсмические толчки — явление чисто механическое. При толчках возникают упругие волны, которые распространяются во все стороны от мест разрывов. Эти волны называются сейсмическими.

Если большинство пород, слагающих земную кору, рассматривать как упругую среду, то сейсмические волны передают деформации, возникающие в горных породах, на значительные расстояния и с большой скоростью. Эти волны по виду деформаций делятся на продольные и поперечные.

Продольные волны (или волны сжатия — растяжения) заставляют колебаться частицы пород в направлении, совпадающем с движением волны. Поперечные волны (или «волны сдвига») распространяются в направлении, перпендикулярном направлению движения продольных волн. Скорость и энергия этих волн в 1,7 раза меньше, чем у продольных.

При встрече подземных упругих волн с поверхностью земли возникает новый вид колебательного движения — так называемые поверхностные волны. Это обычные волны тяжести, которые приводят к деформациям поверхности земли (рис. 5).

Место, где возникает сейсмический толчок, лежащее в глубине земной коры, носит название гипоцентра. Глубина залегания гипоцентра бывает 1 — 10 км — поверхностные сейсмические явления;

Схема распространения сейсмических волн на поверхности земли (Г) и

Рис. 5. Схема распространения сейсмических волн на поверхности земли (Г) и

в земной коре (2):

Г — гипоцентр; Э — эпицентр. Сейсмические волны: / — продольные; 2— поперечные; 3— поверхностные

а

Рис. 6. Последствия землетрясений: а — в городском квартале; б — на горном плато в Иране

30—50 км — коровые и 100—700 км — глубокие. Наиболее разрушительными являются поверхностные сейсмические явления.

Проекция гипоцентра на дневную поверхность называется эпицентром. Сила удара продольной волны в эпицентре максимальна.

Анализ случаев сейсмических явлений показал, что в сейсмически активных районах Земли до 70 % гипоцентров располагается до глубины 60 км.

Продолжительность действия сейсмических волн обычно ограничивается несколькими секундами, иногда минутами, но бывают случаи и более длительного воздействия. Так, например, в 1923 г. на Камчатке сейсмическое явление продолжалось с февраля по апрель (195 толчков).

Сотрясения земной коры сейсмического происхождения происходят очень часто и как стихийное бедствие после ураганов и тайфунов занимают второе место по величине материального ущерба, наносимого человечеству (рис. 6). Ежегодно на земном шаре регистрируется около 100 тыс. сейсмических явлений, из которых около 100

б

Р и с 6. Продолжение

приводят к разрушениям, а в ряде случаев к катастрофам, как, например, в Токио (1923 г.), Сан-Франциско (1906 г.), в Чили и на острове Сицилия (1968 г.). Исключительное по силе сейсмическое явление произошло в Монголии (1956 г.) Один из горных пиков раскололся пополам, часть горы высотой 400 м обрушилась в ущелье, образовалась сбросовая впадина длиной до 18 км и шириной около 800 м, на

  • 5 м и более
  • 0,5...1,0 м
Волны цунами

Рис. 7. Волны цунами

поверхности земли появились трещины шириной до 20 м, главная из которых протянулась на 250 км.

Сейсмические явления возникают как на суше, так и на дне океанов. В связи с этим среди них различают моретрясения и землетрясения.

Моретрясения возникают в океанических впадинах Тихого, реже Индийского и Атлантического океанов. Быстрое поднятие и опускание дна порождает на его поверхности пологие волны (цунами) с расстоянием между гребнями в несколько километров и высотой в многие метры (рис. 7). При подходе к берегам вместе с подъемом дна высота волны увеличивается до 15—20 м и более. Уникальный случай произошел в 1964 г. на Аляске, где высота волны достигла 66 м при скорости движения 585 км/ч.

Цунами передвигаются на расстояния в сотни и даже тысячи километров со скоростью 500—800 км/ч и более.

В России цунами бывают в Тихом океане у берегов Камчатки и Курильских островов. Одно из таких цунами было в 1952 г. Перед приходом волны море отступило на 500 м, а через 40 мин волна со страшной силой ударила в берег, разрушила все постройки и дороги, покрыла прибрежную территорию песком, илом и обломками пород. Через некоторое время, вслед за первой, пришла вторая волна высотой в 10—15 м, которая довершила разгром берега ниже десятиметровой отметки.

Цунами возникают реже землетрясений. Так, за 200 последних лет на Камчатке и Курилах их было всего 14, из которых четыре были катастрофическими. Последнее глобальное катастрофическое цунами произошло в Индийском океане в конце декабря 2004 г., когда по общим оценкам погибло более 200 тыс. человек в Индонезии и странах Индокитая.

Строительство автодорог и аэродромов на берегах, куда может подойти цунами, требует выполнения защитных мероприятий. В России, как и в сопредельных странах Тихоокеанского региона, действует служба наблюдений, которая своевременно оповещает о приближении цунами. Это позволяет укрыть людей от опасности. Автомобильные дороги размещают на высокой части рельефа, при необходимости прикрывают берега железобетонными молами, ставят волноотбойные стены, создают защитные земляные насыпи.

Землетрясения — это сейсмические явления на суше. В России землетрясения бывают на Кавказе, Алтае, Саянах, Прибайкалье, Сахалине, Курильских островах и Камчатке. Все эти территории находятся в геосинклинальном поясе. До настоящего времени только эти районы считались сейсмическими, но уже во второй половине XX в. стало очевидным, что землетрясения при определенных условиях могут возникать и на платформах, хотя они в отличие от тектонических землетрясений имеют другое происхождение.

По происхождению для суши предлагается различать четыре типа землетрясений:

  • 1. Тектонические, вызванные тектоническими силами земной коры и составляющие подавляющее большинство землетрясений. Они характеризуются широкими площадями и большой силой или, иначе говоря, высокой балльностью.
  • 2. Вулканические, связанные с извержением вулканов и имеющие локальное распространение, но иногда большой силы.
  • 3. Денудационные (обвальные и провальные), порождаемые падением больших массивов горных пород со склонов или падением в провалы в результате карстообразования. Такие землетрясения имеют также локальный характер и сравнительно небольшую силу.
  • 4. Техногенные, связанные с производственной деятельностью человека.

На сегодня вполне очевидно, что производственная деятельность человека может влиять на сейсмическую обстановку даже на глобальном уровне. Это так называемые наведенные землетрясения. Они могут быть вызваны заполнением обширных водохранилищ, откачкой нефти, газа, межпластовых подземных вод, ядерными взрывами, массированными военными бомбардировками и т. д. Вышеприведенный перечень показывает, что человек может оказывать определенное воздействие на геологическое пространство и своей деятельностью

Сейсмограмма с записью сейсмического толчка

Рис. 8. Сейсмограмма с записью сейсмического толчка

способен создавать побудительные причины негативных тектонических событий, известных как природно-техногенные катастрофы.

Оценка силы землетрясений. Человечество уже многие столетия ведет наблюдение и регистрацию землетрясений на земном шаре. Теперь широко используется специальная аппаратура, в частности, сейсмографы, которые позволяют качественно определять, где произошло землетрясение, и оценивать его силу. Приборы автоматически регистрируют колебания Земли и вычерчивают сейсмограмму (рис. 8).

В настоящее время выявлена зависимость землетрясений от строения, состава и состояния земной коры. Это выглядит следующим образом.

  • 1. В плотных породах скорость распространения сейсмического толчка больше, нежели в рыхлых связных и несвязных осадочных породах, однако сила землетрясения (его балльность), наоборот, возрастает в последних.
  • 2. Обводненность, водонасыщение, высокое положение уровня грунтовых вод увеличивают интенсивность землетрясений. Территории, сложенные плывунами, илами, заболоченными и обводненными осадочными породами, являются районами повышенной интенсивности землетрясений.
  • 3. Геологические структуры и тектонические нарушения, расположенные поперек движения сейсмических волн, могут уменьшать интенсивность землетрясений.
  • 4. Отдельно стоящие и резко очерченные формы рельефа поверхности земли (холмы, крутые склоны гор и оврагов) могут повышать сейсмичность территории.

Каждое землетрясение обязательно сопровождается рядом физических явлений. Это звуки, световые эффекты, волны на твердых средах, обвалы, оползни и оплывы, трещины и провалы в земле, разрушения домов, дорог и мостов. Очень характерны звуки в виде «подземного гула».

Интенсивность проявления землетрясений на поверхности земли (сотрясаемость поверхности) оценивается по сейсмическим шкалам. В России для оценки силы землетрясений используется шкала, состоящая из 12 баллов (табл. 1). Каждому баллу отвечает определенная величина сейсмического ускорения — а, мм/с2, вычисляемая по формуле

а = 4п 2А/Т2,

где Л — амплитуда колебаний, мм; Т — период колебаний сейсмической волны, с. По величине а определяют коэффициент сейсмичности, который необходим для оценки прочности и устойчивости сооружений:

Кс = а/&

где # — ускорение силы тяжести, мм/с2.

Таблица 1

Сейсмическая 12-балльная шкала

Баллы

Сила землетрясений

Баллы

Сила землетрясений

1

Незаметная для человека

7

Очень сильная

2

Очень слабая

8

Разрушительная

3

Слабая

9

Опустошительная

4

Умеренная

10

Уничтожающая

5

Довольно сильная

11

Катастрофическая

6

Сильная

12

Сильно катастрофическая

Кроме 12-балльной шкалы, которая используется во многих странах мира, очень известной является шкала Рихтера (шкала магнитуд — М). Магнитуды — это расчетные величины. Максимальные значения магнитуд М- 8,5—9.

Строительство автодорог и аэродромов. Важное место занимает сейсмическое районирование территорий и прогноз проявления возможных землетрясений. Сейсмическое районирование выражается в составлении сейсмических карт, по которым можно определять значение максимального балла для данной территории (рис. 9). Эго трудная задача. В последние годы карты периодически обновляют, так как сейсмичность земной коры в ряде районов возрастает. В большинстве случаев на новых картах значения баллов повышают. Стихия коварна. Это можно видеть на следующем примере. В 1976 г. землетрясение

Р и с. 9. Карта сейсмического районирования. Линии сейсмических баллов:

I — от 1 до 5; II — от 5 до 7; III — до 8

в Узбекистане (8 баллов) разрушило поселок Газли. Поселок отстроили, но в 1984 г. землетрясение повторилось, но уже силой 9 баллов и он был снова разрушен.

В последние годы в России создана Карта общего сейсмического районирования территории страны (имеется в виду Карта тектонических землетрясений). Из этой карты видно, что если раньше особо опасными по сейсмике считались Сахалин, Камчатка, Курилы, то теперь к этим территориям относят Восточную Сибирь и примыкающие к ней Прибайкалье и Забайкалье, включая горный Алтай. Для этих территорий возможны землетрясения в 9 баллов (по шкале Рихтера — Л/до8,5). Впервые на Карте появились зоны 10-балльных землетрясений (Сахалин, Камчатка, Курилы). Раньше таких районов в России не было. Территория Северного Кавказа с 6—7-балльной оценки переведена на 9-балльную.

Прогноз землетрясений. Предотвратить землетрясения нельзя. Прогноз требует ответа на три вопроса — где, какой силы и когда произойдет землетрясение. Наука работает в этом направлении, но точные достоверные ответы пока отсутствуют.

Строительство при прогнозе землетрясений в 6 баллов и больше осуществляется согласно Строительным нормам и правилам (СНиП). Величину балла определяют по Карте и корректируют в зависимости от рельефа, геологии и гидрогеологии данной местности. Корректировку баллов осуществляют только в ббльшую сторону.

В сейсмических районах автодороги и аэродромы рекомендуется строить вдали от крутых склонов гор и обрывов, откосы выемок и земляного полотна свыше 4 м делают более пологими, при 6 баллах и более высота насыпей и глубина выемок не должны превышать 15—20 м, водонасыщенные грунты под насыпями следует осушать дренажами, особое внимание уделяется повышению устойчивости мостов, которые опасно строить на тектонических разломах.

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >