Menu

О движущих силах тектонических процессов

Несмотря на стремительное расширение наших знаний о строении планет многие вопросы остаются дискуссионными. В особенности это касается понимания процессов, ответственных за различные явления или приведшие к тем особенностям строения Земли, которые наблюдаются. В этой связи интересно сравнение проблем, стоящих в науках о Земле сейчас и более 50 лет назад. В 1947 г. Л. Адамс выделил шесть проблем (цитировано по [С. Уеда, 1980]):

Происхождение горных систем.

Происхождение геосинклиналей (глубоких впадин, заполненных осадками).

Причины вулканических извержений и других магматических процессов.

Причины глубокофокусных землетрясений.

Происхождение магнитного поля Земли.

Температуры, господствующие в недрах Земли.

С. Уеда отмечает, что хотя эти проблемы не были единственными, они имели важное значение. Но сейчас, в начале 21 века, можно сказать, что ни одна из этих проблем полностью не решена.

Несколько позднее на первый план были выдвинуты процессы внутри Земли, ответственные за дрейф континентов. Но эти же процессы ответственны и за вертикальные движения земной коры. Дискуссия вокруг этих вопросов стимулировала широкие исследования внутреннего строения Земли и вновь привлекла внимание к проблемам планетологии и, прежде всего, к проблемам эндогенной активности Земли [Маракушев,1999]. Это ключевые проблемы и внимание к ним усиливается необходимостью защиты развивающейся цивилизации от природных катастроф и контроля цивилизацией изменений климата.

В связи с этим в последние годы сделаны попытки выделить основные проблемы на основе данных мониторинга геологической среды [Садовский и Авсюк, 1997]:

  1. Какая модель среды наилучшим способом может описать все разнообразие поверхностных форм рельефа и процессов, ответственных за них (сейсмичность, орогенез, изостазия и др.)?

  2. Внутренняя энергия (тепло радиоактивного распада, химические процессы и др.) или энергия внешнего силового воздействия Солнца и Луны определяют тектоническую жизнь Земли? Или каков физический эквивалент понятию тектоническая сила.

Другая точка зрения высказана на Международной Гордоновской конференции (Бостон, США, 1998). На первый план выдвигаются также два вопроса, связанные с проблемами плитотектоники: причины неоднократных объединений и расхождений континентов и объяснения природы континентальной литосферы, причины ее образования и эволюции (цитировано по [Трубицын,1999]). Здесь полагают, что движущие силы этих процессов определены точно. Это тепловая конвекция в мантии. Доказательством этого в последнее время считают данные численного компьютерного моделирования, естественно объективные в рамках принятых моделей [Трубицын,1999].

Науки о Земле имеют особенности, существенно выделяющие их из классических наук, таких как физика, химия, материаловедение и др. Причем под классическими науками мы понимаем те, результаты которых можно проверить в прямых экспериментах. И на этих достоверных данных могут строиться теории и модели. В науках о Земле для прямых экспериментов доступен лишь очень тонкий поверхностный слой коры. Широко известны данные о строении коры на Кольском полуострове. Вместо предполагаемой границы на глубине около 7 км между гранитом и базальтом была обнаружена зона повышенной трещиноватости, насыщенная флюидом. Однако эти и ряд других шоковых данных не изменили хода дискуссий по различным проблемам наук о Земле: резких и непримиримых, игнорирующих доводы и позиции друг друга.

О строении Земли и процессах, протекающих в ней, мы судим по измерениям различных полей на поверхности. О процессах внутри Земли судят также по наблюдениям строения и характера движений поверхностных структур. Возможно моделирование каких либо частей этих процессов на материалах, существенно отличающихся по своим свойствам от горных или на горных материалах, но вырванных из своей среды. При этом остаются существенные трудности в представлениях целостного характера процессов в различных оболочках Земли. Типичным примером может служить моделирование в лабораторных условиях процессов подготовки землетрясений и попытки перенести предвестники разрушения лабораторного образца на условия геологической среды.

Основную информацию о геологической среде и динамике ее движений дают прямые геологические и физические методы мониторинга. Совремкнным достижением этих работ являлось установление блочно- иерархической структуры литосферы и постоянных движений блоков относительно друг друга при сохранении целостности среды. Причем эта структура литосферы и характер блочных движений характерны как асейсмичным, так и сейсмоактивным регионам. Следствием движений блочной структуры и процессов, протекающих в ней, является колебательный режим проявления различных полей (деформация, проводимость, уровень воды, геохимические параметры и др.), имеющий, как правило, локальный характер.

Однако анализ пространственно-временных изменений ряда параметров и, прежде всего вертикальных движений, показывает, что наряду с локальными процессами существуют более крупномасштабные, имеющие порядок регионального и более масштаба. Приведем ряд типичных данных, например, по [Сидоров и Кузьмин, 1989]. На рис. 2.1 показаны современные вертикальные движения земной поверхности, построенные по результатам нивелировок с интервалом 35 лет. Оказывается, что среднегодовые скорости движений составляют 3-4 мм в год, ширина участков с однородным характером движений - 80-100 км, а ширина пограничных зон с высокими градиентами движений достигают 20—25 км. Зоны высоких градиентов движений совпадают с зонами глубинных разломов. По оценкам продолжительность глубинных процессов, формирующих региональные аномалии, составляет 1000 и более лет.

мм/гсЭ

[image]

Рис.2.1 Современные вертикальные движения земной коры и аномалии силы тяжести по региональному профилю вдоль Рионо-Куринского межгорного прогиба. Кривые 1-3: 1 - современных вертикальных движений земной коры за 35- летний интервал времени, 2- аномалий силы тяжести, 3- остаточной аномалии силы тяжести(после учета влияния земной коры); 4-границы в земной коре по данным ГСЗ; 5,6- слои: 5 - гранитный, 6-базальтовый; 7,8- разломы: 7 - по геолого- геофизичским данным, 8 - по данным ГСЗ; 9 - граница М.

 

Известно, что на основе GPS методов также получены данные о колебательном режиме вертикальных и горизонтальных движений в широком интервале периодов. Все данные о характере движений указывают на то, что геологическая среда является открытой системой с ярко выраженными дискретными свойствами.

Быстрая и локальная изменчивость параметров среды проявляется и в других измерениях. В качестве иллюстрации можно привести данные по форме отражающей границы при сейсморазведочных работах [Ворожцов и др., 1991 ]. По данным скользящего спектрального анализа для левого и правого участка профиля получены различные пространственные ритмы, соответственно около 15 и 6 км. Эти отличия связываются с процессами в разломе и граничных структурах.

О каких процессах может идти речь? Известно, что фундамент платформенных структур представляется не жестким монолитом, а весьма подвижной субстанцией [Летников и др.,1988; Леонов,1994; Вертикальная.., 2002]. Это находит отражение в структурно-вещественных преобразованиях фундамента, в деформации его поверхности и лежащего выше осадочного чехла. Движущей силой этих процессов являются физико-химическая трансформация горных пород в зонах взаимодействия верхней мантии и нижней коры, нижней и верхних кор, а также в выше лежащих слоях. Эти процессы связаны с гранитизацией и вертикальной аккрецией вещества и сопровождаются увеличением или уменьшением объема в зависимости от их исходного состава. Отмечено, что одним из следствий этих процессов является приобретение средой способности к объемной реидной деформации (тектонического течения), реализуемой блоками вдоль граничных структур. При этом имеющиеся данные показывают, что внутриплитный тектогенез не может быть объяснен с позиций тектоники литосферных плит [Леонов,1994]. Очевидно, что в деформационные процессы вовлечены огромные массы среды - от верхней мантии до верхней коры.

Отражение этих процессов хорошо видно по данным изменений сейсмического и электромагнитного мониторинга параметров среды от верхней мантии до земной коры. Причем существенную роль в этих обменных процессах отводят восходящим потокам мантийных "флюидов".

В последние 10 лет группой Ю.Ф. Копничева получен большой объем данных о пространственно-временных вариациях S - волн в очаговых зонах сильнейших землетрясений [Копничев и Соколова, 1997, 2003а, 2003б; Копничев, 1997, литература к ним]. Использовался метод, основанный на анализе характеристик короткопериодной S - коды записей местных землетрясений и карьерных взрывов. На частотах около 1 Гц кода сформирована в основном поперечными волнами, отраженными от многочисленных субгоризонтальных границ в верхней мантии и земной коре. Если на огибающей коды выделены участки резкого затухания амплитуд, то они соответствуют слоям высокого поглощения S - волн в соответствующих по глубине зонах. Разработанный метод, обладающий высокой разрешающей способностью по горизонтали, позволял выделять субвертикальные зоны с измененной эффективной добротностью (рассчитанной по затуханию амплитуд волн) шириной в несколько километров. Было показано существование узких субвертикальных каналов высокого поглощения волн (от нижней коры до глубины около 100 км) в очаговых зонах сильных землетрясений Тянь-Шаня и Кавказа. Весьма интересны временные вариации структуры поля поглощения S - волн в очаговых зонах. Например, данные для зоны Сусамырского землетрясения (Центральный Тянь-Шань, 1997г.). Примерно за четыре года до землетрясения к югу от очаговой зоны сформировалась область очень высокого поглощения на глубине 45 - 180 км. В будущей очаговой области сильное поглощение наблюдалось на глубинах 40 - 125 км. В первые месяцы после землетрясения в области очаговой зоны получено промежуточное поглощение на глубинах 20 - 200 км. Через семь лет поглощение существенно уменьшилось на глубинах 20- 90км, но выросло на глубинах 90 - 170км. Еще один пример. За полгода до Байсорунского землетрясения (Северный Тянь-Шань, 1990г) в средней части коры на глубинах 20-40км сформировался слой с очень сильным поглощением. Сразу же после землетрясения поглощение в средней коре существенно уменьшилось, а в нижней коре и верхах мантии (4080км) - резко возросло. Также было показано, что в течение 25-30 лет после сильных землетрясений Тянь-Шаня резко уменьшается поглощение в верхней мантии и одновременно увеличивается поглощение в нижней коре. Авторы делают вывод, что быстрые (в геологическом масштабе времени) вариации поля поглощения S - волн однозначно свидетельствуют о подъеме мантийных "флюидов" в земную кору. Оценки скоростей подъема "флюида" дают величину в доли миллиметров в секунду. Авторы также полагают, что флюидное поле в земной коре и верхах мантии лишь реагируют на подготовку сильных землетрясений. Отмечается, что поле поглощения S - волн чувствует подготовку сильных коровых землетрясений на больших эпицентральных расстояниях. Однако природа процессов подготовки сильных землетрясений здесь не обсуждалась.

Объемная изменчивость параметров литосферы хорошо проявляется в анализе характеристик обменных волн [Попова и др., 2000, 2003; Коновалов и др., 2001]. Энергия обменных волн существенно зависит от степени трещиноватости, анизотропии параметров среды и флюидона- сыщенности. Анализировались отношения у знергий горизонтальных радиальной Ev и тангенциальной Ег компонент обменных волн и степень напряженного состояния среды (S) как отношение величины площади с повышенным уровнем у к общей площади мониторинга. Для временного интервала О - 1200 суток на рис. 2.2 приведены значения параметра S (t) для различных глубин: 0-15 км и 15-30 км. Эти зависимости в данный период подобны. Однако диапазон глубин 15-30км характеризуется более высоким уровнем вариабельности. Параметр S(t) относится к довольно локальной зоне размером 70 на 70 км. Но изменения в этой зоне, по-видимому, чувствительны к подготовке землетрясений и вне этой зоны. Эта ситуация отражена на рис.2.3 [Попова и др., 2003] с расчетами параметра S (t) для глубин 0-30км. Авторы указывают на определенную цикличность изменения параметра S(t). Длительность цикла 2—3 года, однако, видны и более короткие циклы с длительностью 2-4 месяца. Это связывается с изменения параметров среды, с особенностями флюидного режима, хотя физика процессов не обсуждается. В тоже время подчеркивается периодичность изменений параметров среды и различная интенсивность процессов по глубине контролируемого региона (0-15 и 15-30км).

[image]

Рис.2.2 Изменения степени напряженного состояния среды S (t) для трех глубинных диапазонов: 0-15км, 0-30 км, 15-30 км.

 

[image]

о 1000 2000 | т.....г 1 1 Т т Г г

1.09.95 1.01.96 1.07.96 1.01.97 1.07.97 1.01.98 1.07.98 1.01.99 1.07.99 1.01.2000 1.0700 1.01.01 1 07.01 1.01.02

Рис.2.3. Изменения напряженного состояния среды в пределах локальной сети в зависимости от времени: 1 - зависимость S (t); 2 - осредненная зависимость S (t); 3 - положение во времени землетрясений с магнитудой М > 4.5, произошедших в радиусе до 250 км от центра сети.

 

На связь восходящих "флюидопотоков" с сильными коровыми землетрясениями указывают также другие данные. Можно выделить два направления работ.

В первом изучалась динамика изменения проводимости литосферы и верхней мантии перед сильными землетрясениями. О повышении проводимости этих зон перед сильными землетрясениями известно из данных МТЗ. В качестве иллюстрации приведем последовательное изменение проводимости среды от верхней мантии к нижней коре (по данным мониторинга вариаций геомагнитного поля на сети магнито- вариационных станций) в период подготовки Спитакского землетрясения [Григорян, 2000 ]. Анализ проводился на периодах магнитных возмущений 5-20 мин. (глубина контроля 2-10км), 30-60 мин. (глубина контроля 10-20км) и Sq - вариациях (период 5 - 20 часов, глубина контроля 100-300км). Контрольным параметром было отношение амплитуд однопериодных вариаций, синхронно измеряемых на разных парах станций (рис.2.4). Заметные изменения параметров верхней мантии началось примерно за 2.5 года до Спитакского землетрясения, а параметров нижней коры - с запозданием на один год. Здесь также автор отмечает влияние на параметры среды высокой скорости продвижения фронта "флюидизации ".

Во втором направлении, по существу, сейсмологическом, рассматривается связь удаленных и заглубленных " форшоков" средней силы

[image]

Рис.2.4. Сглаженные временные ряды среднемесячных значений синхронной разности магнитного поля A 5T между станциями Джрадзор и Товуз для вариаций с периодами 10-25 мин (а) и 30-60 мин (б) за период 1986 - 1988 гг.

 

и сильных коровых событий [Моги, 1985; Захарова и Рогожин,1999, 2001] Критерием связи заглубленных "форшоков" с конкретным ко- ровым событием было соответствие направления оси сжатия очага глубокофокусного события с направлением на будущую очаговую зону корового землетрясения. По этому критерию в Камчатско-Курильской зоне каждому сильному коровому события предшествовало от одного до шести заглубленных "форшоков". Начало проявления " форшоковой" активизации - от 9 до 14 лет. Разброс времени между последним "фор- шоком" и сильным сейсмическим событием очень широкий, примерно от одного месяца до пяти лет. Первые "форшоки" проявлялись на значительном удалении от последующего корового события, в основном дальше 1000км. Последние же глубокофокусные " форшоки" происходили на более близких расстояниях, 200 - 400км.

О чем могут говорить эти данные? Прежде всего, о большой площади эндогенного возбуждения среды, которое вначале проявляется в верхней мантии, а затем оказывает влияние на вышележащие слои. Следует также отметить высокую скорость смены глубокофокусного сейсмического режима коровым.

Приводятся также данные по еще более быстрой реакции сильной коровой сейсмичности на проявление глубокофокусных землетрясений: от нескольких недель до месяцев [Копничев и Соколова, 1997]. Такая связь рассматривалась в Центральной и Южной Азии в сопоставлении с вариациями скорости вращения Земли. С начала прошлого века выделено девять пар таких событий (глубокофокусных с М > 6.7 и коровых с М > 7 ). Все пары событий происходили в период долговременного (несколько лет) увеличения скорости вращения Земли. В эти периоды, что отмечалось также выше [Копничев и Соколова, 1997] , наблюдалось резкое затухание S - волн в нижней коре и верхней мантии, т.е. среда в больших объемах перешла в "возбужденное" состояние. Возможно, что быстрому распространению "возбужденного" состояния за счет подъема "флюида" способствовал период долговременного увеличения скорости вращения Земли.

Однако, по-видимому, более реально оценивать влияние скорости вращения Земли на слабую сейсмичность [Левин и Чирков, 1999]. И хотя здесь учитывались только события с М >4, число слабых событий было существенно большим. В качестве критерия влияния скорости вращения Земли на сейсмичность выбрано распределение количества землетрясений по широте, где. эффекты, связанные с вращением Земли должны иметь осевую симметрию. Отсюда следует, что воздействие вращения Земли на сейсмичность будет сильнее проявляться в зоне экватора. Анализ действительно показал, что на независимых выборках устойчиво проявляется связь количества землетрясений с широтой и соответствующим спадом числа землетрясений от экватора к полюсам. Но это не означает, что слабая сейсмичность контролируется только скоростью вращения Земли .

Природа слабой сейсмичности является показателем сил, ее контролирующих. Слабая сейсмичность контролируется суммарным действием внешних и внутренних сил. Это действие проявляется через особенности геологического строения Земли. Можно ли разделить влияние действующих сил и оценить их роль в естественном, т.е. фоновом сейсмическом процессе? Фактически ставится вопрос о механизмах излучения геологической средой фоновой шумовой сейсмической энергии или о природе собственной активности геологической среды.

Как известно, сейсмическая эмиссия наблюдается в широком диапазоне частот, от частот акустической эмиссии (десятки килогерц) до десятков герц. В [Рыкунов и др., 1980а, 1980б, 1982] было обнаружено явление модуляции высокочастотных сейсмических шумов в диапазоне 10 - 60 Гц и вариации сейсмического режима при действии различных внешних полей (лунно-солнечные приливы, упругие волны землетрясений, штормовые микросейсмы, собственные колебания Земли). Во многих работах рассматривалось влияние приливов и особенностей вращения Земли на слабую сейсмичность, например, [Авсюк, 1996; Левин и Чирков, 1999; Горькавый и др., 1994; Рыкунов и Смирнов, 1985а].

Существование разномасштабного сейсмического отклика среды могло свидетельствовать о том, что сам отклик не является следствием отдельного деформирующего процесса [Рыкунов и Смирнов, 1985б]. Здесь же отмечается, что характерной особенностью сейсмического отклика среды является его однонаправленность и ассиметрия.

Однонаправленность и ассиметрия разномасштабного сейсмического отклика среды, а именно, существование всплесков излучения и отсутствие резких и коротких понижений интенсивности, указывает на то, что слабое внешнее воздействие может усилить, но не может ослабить излучение средой сейсмической энергии. Поэтому внешнее деформационное воздействие можно называть триггерным (если не учитывать соотношение энергий воздействия и тепловых флуктуаций). В связи с этим возникает вопрос, могут ли штормовые микросейсмы и лунно-солнечные приливы вызывать и поддерживать наблюдаемый уровень сейсмического шума?

Штормовые микросейсмы (/s О.2 Гц). Можно полагать, что затухание штормовых микросейсм обусловлено переизлучением их энергии в виде высокочастотного шума. Отношение потоков высокочастотного шума (/ s 30 Гц) и штормовых микросейсм составляет величину 0.3. Характерное расстояние затухания сейсмической волны в диапазоне десятков герц равно приблизительно 30км, т.е. на этом расстоянии микросейсмическая волна теряет 30% своей энергии. Полностью эта волна затухнет на расстоянии около 100км. Однако характерное расстояние затухания штормовых микросейсм около 3000 км. Отсюда следует явное противоречие экспериментальным фактам, т.е, штормовые микросей- смы не могут служить энергетическим источником высокочастотного сейсмического шума.

Приливные деформации. Допускается, что высокочастотный шум возбуждается за счет диссипации энергии приливных деформаций. Удельная энергия приливных деформаций составляет 10-5 Дж/м3 . Удельная мощность диссипации приливных деформаций около 10-18 Вт/м3 , а удельная мощность источников высокочастотного сейсмического шума 10-11 - 10-12 Вт/м3'. Поэтому приливные деформации также не могут быть источником высокочастотного сейсмического щума.

На основании оценок данных и их анализа авторы [Рыкунов и Смирнов, 1985б] делают весьма важный вывод. Так как энергия внешних деформирующих процессов недостаточна для поддержания сейсмического шумового излучения, то среда обладает собственным запасом энергии, который обеспечивает сейсмическое шумовое излучение. Среда энергетически насыщена, т.е. находится в неравновесном состоянии.

Этот вывод в свое время остался незамеченным, по-видимому, из-за того, что не было общего понимания особенностей геологической среды и процессов, протекающих в ней. Непрерывное шумовое сейсмическое излучение, наблюдаемое в широком диапазоне частот, включая десятки килогерц, указывает на два существенных вывода. Первый, мы имеем дело со сложной и связанной структурной системой [Рыкунов и Смирнов, 1985б]. Второй - процессы, ответственные за вариабельность параметров в геологической среде от локального до регионального, обусловлены эндогенной активностью Земли и, более конкретно, с эффектами взаимодействия восходящих потоков легких газов с твердой фазой литосферы [Гуфельд и др., 1997, 1998]. Действие внешних сил носит второстепенный характер, хотя и очень важный. Долговременное действие приливных деформаций может оказывать влияние на процессы дегазации легких газов из твердых структур, подтверждением чего являются эффекты модуляции высокочастотных сейсмических шумов [Рыкунов и др.,1980а].

Во многих работах было показано, что химический состав потоков природных газов и их интенсивность отличаются определенной ритмичностью , причем потоки, сосредоточенные в зонах разрывных нарушений, максимальны, например, [Хитаров и Войтов, 1982]. Имеющиеся данные дают основание утверждать, что наиболее заметно в составе газов изменяется концентрация водорода, одного из наиболее подвижного компонента газовых потоков Земли (первым по подвижности является гелий). Показано также, что вариации концентрации газов имеют примерно двухнедельный и месячный периоды, т.е. периоды, соответствующие наибольшим амплитудам приливных волн. Представляют интерес изменения во времени концентрации изотопов углерода 13 С и 12 С. Так, при измерениях в Хибинах отношение концентрация 13 С/ 12 С в метане в одной и той же природной струе меняется во времени значительно. Это позволило сделать вывод о том, что на поверхность по одним каналам поступают газы от разных по глубине источников. Аналогичные данные получены и в других регионах мира.

Решающим аргументом при обсуждении возможных глубин, где находятся конкретные источники восходящих газов, является их изотопный состав. Так, для зон альпийской складчатости характерны очень высокие отношения изотопов аргона 40Ar / 36 Ar, часто более чем на порядок превышающие их величины в атмосфере Земли. В большинстве газовых и нефтегазовых месторождениях мира повышены отношения изотопов гелия (3 He / 4 He), а углерод углекислого газа обогащен тяжелым изотопом 13С. Аналогичная ситуация в газах грязевых вулканов. Обогащение смесей углеродистых газов тяжелым изотопом 13С свидетельствует, что эти газы являются продуктами высокотемпературных реакций (сотни градусов) в литосфере. Было показано, что поток восходящих газов имеет периодичность в 24, 36, 48 и 96 часов. В сейсмоактивных регионах также присутствуют внутрисуточные ритмы с периодами 2, 3 и 16 часов. Однако главным является то, что приливные деформации контролируют вариабельность восходящих потоков природных газов на достаточно больших глубинах, т.е. осуществляя модуляцию этого потока [Авсюк и др., 2002; Хитаров и Войтов, 1982].

Периодичность восходящих газовых потоков в определенной мере исключает накопление остаточных (неупругих) деформаций в твердой фазе, связанных с действием приливов. Проявление неупругих деформаций геологической среды за счет приливов вызывает сомнение. Прежде всего, это связано с тем, что энергия приливных деформаций, распределенная по элементарным объемам структур, существенно меньше энергии тепловых флуктуаций (см. ниже, а также [Гуфельд и др., 2005]). Необходимо учесть и то, что удельная мощность диссипации приливных деформаций также существенно меньше удельной мощности источников высокочастотного сейсмического шума. Накопление же неупругих деформаций обусловлено смещением атомов кристаллических структур из равновесного положения (при определенных Р - Т условиях) и сохранении устойчивости этого состояния. Действие приливных деформаций (по абсолютной величине ) лежит в области упругих деформаций, Поэтому нельзя говорить о возможности накопления остаточных деформаций за счет многолетнего циклического нагружения среды лунными приливами. К этому необходимо добавить существование блочной структуры, иерархическое строение блочной структуры, различие фазовых составов блоков и др., обеспечивающих релаксацию возникающих напряжений в циклах приливных деформаций. Нарушение цикличности восходящих газовых потоков и изменение их уровней возможно за счет протекания физико- химических и экзотермических реакций соответственно в твердой и флюидной фазах, приводящих к блокировке или разблокировке границ в разрывных структурах. Наиболее активно эти процессы могут протекать в сейсмоактивных регионах непосредственно до и после сильных землетрясений [Авсюк и др., 2002]. Можно отметить, что ранее не уделялось необходимого внимания анализу динамики восходящих газовых потоков и их роли в инициировании подготовки сильнейших землетрясений, где роль слабых приливных сил может быть существенной. Это действие усиливается характерной особенностью приливного воздействия, постоянным чередованием процессов сжатия и растяжения. Такая динамика слабого циклического нагружения создает условия для специфической эволюции газовых потоков в твердой фазе (прежде всего водорода и гелия), от накопления в одних горизонтах и последующего быстрого стока в вышележащие горизонты. В тоже время рассматриваемые ниже условия подготовки сильных коровых землетрясений, обусловленные процессами "возбуждения" среды восходящими потоками легких газов в региональном масштабе, не дают оснований утверждать, что, например, максимум полусуточной (или другой) приливной волны может быть прогностическим признаком сильного землетрясения. К этому выводу пришли также авторы [Авсюк и др., 2002] .

Геологическая среда непрерывно подвергается действию разномасштабных внутренних и внешних сил. Какие силы контролируют и обуславливают тектонические процессы? При этом под внешними силами понимается эволюция приливных деформаций в системе Земля-Луна-Солнце (включая эффект внутреннего ядра и его влияние на перемещение оси вращения в теле Земли [Авсюк, 1996]), а под внутренними - широкий круг физико-химических процессов в системе ядро - мантия - литосфера, включая эффекты взаимодействия восходящих потоков легких газов с твердой фазой литосферы. По-видимому, движущие силы тектонических процессов в литосфере обусловлены как внутренними, так и внешними воздействиями. Степень же этих воздействий может быть разной.

Геологическая среда представляет блочно связанную структуру с широким диапазоном размеров элементов, от микромасштабов до масштабов регионов и целых плит. Параметры структуры и вариабельность различных полей в них обусловлены различными процессами, происходящими на значительных площадях и объемах, как по латерали, так и по глубине. Естественно, что для процессов, развивающихся в данный период в локальных зонах, внешними воздействиями могут быть явления, происходящие в соседних локальных зонах, например, упругие волны сейсмических событий разной силы. Во многих работах констатируется, что на различных масштабных уровнях литосферы и мантии идет непрерывный процесс реорганизации структуры и что каждый уровень влияет на смежные, создавая тем самым сложный характер физико-химических полей, отражающих в комплексе эти процессы [Фундаментальные.., 2001; Атлас.., 2002]. Следствием этих процессов является проявление тектонического течения, включающего перемещение масс горной среды на основе пластических, твердо- пластических и разрывных явлений [Пейве, 1967]. Эта реорганизация структуры различных оболочек Земли связывается с ее эндогенной активностью, инициируемой и поддерживаемой процессами в ядре и на его границе с мантией. В верхней мантии и литосфере эндогенная активность в наиболее заметном виде реализуется в граничных или разрывных структурах (границы блоков, плит, рифты, неоднородности структуры и др.). Эндогенная активность в геологических представлениях осуществляется флюидными и флюидно-магматическими потоками [Флюидные.., 2002]. Эти же потоки могут оказывать влияние на эволюцию блочных структур.

Однако всегда оставался вопрос. Что является первичным в геологических изменениях поверхностного слоя Земли? Возможны два варианта ответа [Леонов, 1997]. Первый. Деформация как результат действия регионального поля напряжений, вызванного удаленными силами, приложенными к краям плит, а также приливными, ротационными и другими силами. Второй. Деформация как результат действия местных сил, связанных с внутренними источниками. Критерием выбора вариантов могут быть тесты на природу как сильных коровых внутриплитовых землетрясений, так и природу разномасштабных и разнопериодных вариаций параметров внутриплитовых и внутриблоковых полей. Первый вариант ответа имеет существенные возражения (подробнее об этом будет идти речь в следующих главах). Природа подготовки сильных землетрясений на граничных структурах и внутриблоковая сейсмичность более объективно могут быть рассмотрены на основе действия внутренних локализованных источников, вызывающих деформацию структуры за счет имплантации в них восходящих потоков легких газов и тепловых реакций во флюиде, в порах и на поверхности трещин. В результате в земной коре создается неоднородное и разномасштабное поле напряжений, вариации которого в свою очередь обусловлены изменчивостью потока восходящих легких газов.

Движение блоков во внутриплитовом пространстве также ставит вопросы о месте приложении действующих сил. Ранее полагали, что консолидированная кора, раз сформировавшись, в дальнейшем не подвержена серьезным структурным преобразованиям и в ней не изменяется положение различных границ. Исследования последних лет показывают, что это не так [Вертикальная.., 2002; Леонов, 2004 и ссылки к ним]. Со временем происходит структурно-вещественная трансформация первичной коры, а также наращивание гранитно-метаморфического слоя. Формирование новых объемов гранитно-метаморфических слоев и изменения их мощности и параметров связаны с эндогенными и экзогенными процессами. Эти процессы проявляются в пределах континентальной и океанической кор, а также коры переходного типа. Но для этого необходимы определенные условия. Одно из главных условий - это существование структурно - вещественной расслоенности среды и, следовательно, наличие границ. При определенных уровнях изменения петрофизических и реологических свойств пород происходит "смещение" границ по разрезу земной коры, т.е. кажущемуся переходу пород из одной оболочки, к которой они принадлежали по условиям своего предыдущего формирования, в другую, которой соответствуют ее новые физические параметры. Но при этом, как отмечалось выше, происходит не только изменение состава пород, но и изменение общего объема [Летников, 2000].

Следует еще раз подчеркнуть, что весьма существенной особенностью горной среды является ее способность к объемному деформированию, отражающему процессы внутренних преобразований [Леонов М. и Леонов Ю., 2002]. Отмечается также, что эти процессы могут периодически повторяться, отражая, при этом изменение параметров среды в нижней коре и на границе кора-мантия [Леонов, 2004]. Способность к объемному "пластическому течению горной среды " отражается в смещении блоков относительно друг друга по сформировавшимся тек- стурированным границам. Очевидна медлительность этих процессов, выражающих региональную и внутрирегиональную тектонику литосферы. На этом фоне развиваются быстрые деформационные процессы различного масштаба, которые могут быть связаны с взаимодействием восходящих потоков легких газов с твердой фазой и тепловыми эффектами различных газов. Ритмичность этих потоков и масштабы их проявления обусловлены активизацией физико-химических процессов в верхней мантии и нижней коре, следствием которых является разномасштабный "выброс" легких газов в литосферу.

Таким образом, развитие представлений и знаний, конечно еще далеко не полных, о процессах в системе ядро-мантия-литосфера, а также опыт мониторинга различных полей, показывают, что движущие силы тектогенеза, т.е. движения блоков и их различных совокупностей, связаны со структурно-вещественными преобразованиями на глубинах между верхней мантией и корой. Конечно, нельзя исключить и влияния ядра Земли на скорость структурно-вещественных преобразований между верхней мантией и корой, но это влияние возможно через изменения температуры в этой зоне, связанное в большей или меньшей степенью с потоками водорода из внешнего ядра.

Очевидна необходимость учета в работах по прогнозу сильных коровых землетрясений всех действующих в геологической среде сил. Именно учет этих сил и условий образования в блочной среде очагов сильных землетрясений позволит решать задачи по обеспечению и контролю сейсмической опасности.

Если Вы замечаете, что Вы на стороне большинства, это верный признак того, что пора меняться.

Марк Твен

Последние материалы

Заключение (Грунты)

При построении курса учитывалась необходимость его использования для различных гидротехнических специальностей и специализаций. В качестве основной части для студентов всех гидротехнических специальностей следует считать обязательным прочтение гл. 1—7. В гл. 8...

25-08-2013 Просмотров:5379 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Представления о решении задач нелинейной механики грунтов

На современном этапе развития нелинейного направления механики грунтов оформились два основных подхода к решению практических задач расчета грунтовых оснований и сооружений: нелинейно-упругий и упругопластический (А. К. Бугров, С. С. Вялов...

25-08-2013 Просмотров:8485 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Прочность грунтов при сложном напряженном состоянии

Для сред и материалов, обладающих сплошностью, предложено много различных условий прочности. Для оценки прочности грунтов наиболее широкое распространение получило условие Мора—Кулона (2.38), не содержащее промежуточного главного напряжения а2 и тем...

25-08-2013 Просмотров:5231 Грунты и основания гидротехнических сооружений

Еще материалы

Нормальное и опрокинутое залегание

Наклонно залегающие пласты могут иметь нормальное и опрокинутое залегание (рис. 1.26, 1.27). При нормальном залегании кровля пласта расположена выше его подошвы, а при опрокинутом – наоборот.     Рис. 1.27. Нормальное и опрокинутое...

01-10-2010 Просмотров:14126 Геологическое картирование, структурная геология

Способи нівелювання

По способах виконання й застосовуваних приладів розрізняють геометричне, тригонометричне, гідростатичне й барометричне нівелювання. Геометричне нівелювання - найпоширеніший спосіб. Його виконують за допомогою нівеліра, що задає горизонтальну лінію візування. Сутність геометричного нівелювання...

30-05-2011 Просмотров:22832 Інженерна геодезія

Определение элементов залегания наклонно…

Элементы залегания геологических границ (пластов, поверхностей напластования и несогласий, тектонических) не всегда удаётся замерить в обнажениях. Их можно определить: по видимым наклонам в обнажениях, шурфах и канавах; по данным бурения;...

01-10-2010 Просмотров:42637 Геологическое картирование, структурная геология