Напряжения в литосфере. Разломы

Изучению и описанию движений литосферых плит  посвящен раздел геологии о тектонике плит. Текто́ника плит — современная геологическая теория о движении литосферы. Она утверждает, что земная кора состоит из относительно целостных блоков — плит, которые находятся в постоянном движении относительно друг друга (см. рис. 7). При этом в зонах расширения (срединно-океанических хребтах и континентальных рифтах) в результате спрединга (англ. seafloor spreading — растекание морского дна) образуется новая океаническая кора, а старая поглощается в зонах субдукции. Теория объясняет землетрясения, вулканическую деятельность и горообразование, большая часть которых приурочена к границам плит.

Рис. 7. Карта литосферных плит

Впервые идея о движении блоков коры была выскзана в теории дрейфа континентов, предложенной Альфредом Вегенером в 1920-х годах. Эта теория была первоначально отвергнута. Возрождение идеи о движениях в твёрдой оболочке Земли («мобилизм») произошло в 1960-х годах, когда в результате исследований рельефа и геологии океанического дна были получены данные, свидетельствующие о процессах расширения (спрединга) океанической коры и пододвигания одних частей коры под другие (субдукции). Объединение этих представлений со старой теорией дрейфа материков породило современную теорию тектоники плит, которая вскоре стала общепринятой концепцией в науках о Земле.

В теории тектоники плит ключевое положение занимает понятие  геодинамической обстановки — характерной  геологической структуры с определённым соотношением плит. В одной и той  же геодинамической обстановке происходят однотипные тектонические, магматические, сейсмические и геохимические процессы.[3,7,10]

Напряжения в литосфере

Оценим механизм возникновения "природного" напряжённо-деформированного состояния горного массива с  точки зрения планетарных сдвиговых  напряжений в литосфере, прежде всего  силы тангенциального сжатия в земной коре, свойственные Земле как космическому телу. Тангенциальные напряжения ведут  к образованию разломов и, оттого как напряжения расположены в  конкретном месте, получаются либо надвиги  и вбросы, либо сдвиги и сколы.

На глубине 100-250 км от земной поверхности в верхней мантии находится "астеносфера" - более  пластичная и подвижная область (с вязкостью на 2-3 порядка ниже, чем в смежных выше- и нижележащих  слоях), на этом слое как бы плавает  земная кора, литосферные плиты всплывают и тонут (теория «мобилизма»). Погружающиеся плиты, как бомбы, только вместо взрывчатки они начинены потенциальной энергией резкого, взрывоподобного разуплотнения (при попадании в менее плотную среду) и не менее резкого схлопывания (взрыва наоборот) при раздавливании плиты в более глубоких и плотных слоях мантии. Но тяжёлая плита, несущая на себе лёгкие осадочные породы, может, не успев до конца раствориться, начать всплывать, поднимая земную поверхность (так пузырёк воздуха, прилепившись к камню, тонет, но затем всплываёт). Очаг вспучивания – это обломок «лёгкой» плиты, которую затолкали океанические плиты под континентальную плиту. Получается, что глубокие недра Земли гравитационно-неустойчивы, перенасыщены в местах погружения плит лёгкими осадочными породами. Исходя из модели внутреннего строения Земли, отдельные её слои от ядра до верхней мантии и коры имеют разную плотность. Угловая скорость вращения Земли везде одинакова, линейная же различна, причём максимум её приходится на экватор. В местах наибольшего излома кривой плотности наблюдается появление срезающих сил верхней "шапки" относительно центральной части. Указанный максимум кривизны располагается примерно у 35-й параллели. Этой широте приурочена наибольшая сейсмичность месторождений.

Напряжения, поддерживающие дрейф вещества астеносферы со средней  скоростью 10 см/год, должны быть порядка 2 МПа. Тектонические подвижки в земной коре вызваны, как полагают, диффузией, седиментацией и вытеснением  вещества веществом за счет теплового, плотностного градиента, непостоянства  скорости вращения Земли и положения  оси вращения, дрейфа магнитных полюсов. Так, в европейской части России (Балтийский кристаллический щит) градиент тектонического движения вызывает в  недрах на глубинах до 1-2км тангенциальные напряжения в пределах 5-10 МПа, на Урале - в пределах 20-40 МПа, а на Северном Кавказе напряжения достигают величин 50-100 МПа.

 Итак, в толще осадочных  пород, не испытавших метаморфизм,  и в слабо метаморфизованных  породах естественное напряженное  состояние определяется лишь  гравитационным полем, а в скальных  породах - прежде всего обуславливается градиентом тектонических сил, направленным примерно перпендикулярно к горизонтальным проекциям геологических разломов.

Известно, что скорость вращения Земли вокруг своей оси непостоянна  и испытывает изменения (флуктуации), величина которых достигает 0,0004 с за период от 2 до 10 дней. По оценке А.Д.Сытинского, количество высвобождающейся по этой причине энергии в течение одного года равно 1,17*1020 Дж, что на три порядка выше энергии, высвобождающейся при землетрясениях за тот же период времени. По оценке Гутенберга и Рихтера, она составляет 3*1017 Дж, кинетическая же энергия вращения Земли равна 2,16*1029 Дж.

Известно, что угловая  скорость вращения Земли меняется в  течение года: в июле скорость бега Земли по её орбите вокруг Солнца (30 км/с) складывается со скоростью движения самого Солнца в Галактике (250 км/с), а январе – вычитается из него. Поэтому  в середине лета отмечается значительная активность вулканов и горных ударов7. А по формуле Лоренца масса тела зависит от его скорости: масса больше (на одну стомиллионную) – больше сжатие планеты, больше сжатие – быстрее вращение. Эффект ежегодного изменения «активной массы» нашей планеты зависит ещё от одного параметра. Он максимален, если плоскость земной орбиты вокруг Солнца (эклиптика) параллельна движению всей системы вокруг центра Галактики. Если же эклиптика расположена поперёк этого движения, то скорость Земли не складывается и не вычитается из скорости Солнца. Сейчас Солнечная система находится намного ближе ко второму случаю, зато 50 миллионов лет назад ежегодная пульсация Земли была в 100 раз больше нынешней.

Изменение скорости вращения Земли во времени может вызвать  разрушающие напряжения в земной коре. Так, по мнению Л.С. Лейбензона, наибольшая разность напряжений в земной коре (в 18 МПа) наблюдается между 30 и 45⁰ широтами, к которым и приурочены наиболее активные проявления сейсмичности и удароопасности. Ориентация главных осей напряжений приведена на рис. 8

 

Рис. 8. Ориентация главных осей напряжений Земли

(по А.В. Введенской и Л.Н.Балакиной):

1 - 3 - наибольшие относительные напряжения сжатия; 4 - 6 - наибольшие

относительные напряжения растяжения, ориентированные

горизонтально и вкрест простирания структур

Наибольшая  разность напряжений Δσ в тонкой земной коре (1/100 радиуса Земли), вызываемая замедлением скорости вращения Земли (которое в нашу эпоху составляет 0,0024 с за 100 лет), такова:

Δσ=Δ1ρa² D(a)γ ,

где Δ₁ -величина, зависящая от географической широты места; ρ- плотность земной коры (принята 50% средней плотности Земли); а - средний радиус Земли; D(a) - величина, определяемая по теории упругих приливов Земли из наблюдений над колебаниями горизонтального маятника и приливами длинного периода (D/a ~ 2/3); γ - величина, определяемая по формуле γ = (ω²/ ω) * (1 – ω₀² / ω² ).

ω₀ и ω - скорость вращения Земли, соответственно начальная угловая и в рассматриваемый момент времени, км/с.

Ниже  приведены значения наибольшей разности напряжений для разных широт:

φ, градус ... . 0 15 30 45 60 75 90

Δσ, МПа ..... 74 69 55 37 41,5 49 51,4. [4]

 

Дивергентные границы  или границы раздвижения плит

Это границы между плитами, двигающимися в противоположные  стороны. В рельефе Земли эти  границы выражены рифтами, в них  преобладают деформации растяжения, мощность коры пониженная, тепловой поток  максимален, и происходит активный вулканизм. Если такая граница образуется на континенте, то формируется континентальный  рифт, который в дальнейшем может  превратиться в океанический бассейн  с океаническим рифтом в центре. В океанических рифтах в результате спрединга формируется новая океаническая кора.

Океанические рифты

На океанической коре рифты  приурочены к центральным частям срединно-океанических хребтов (см. рис. 9). В них происходит образование новой океанической коры. Общая их протяжённость более 60 тысяч километров. К ним приурочено множество гидротермальных источников, которые выносят в океан значительную часть глубинного тепла, и растворённых элементов. Высокотемпературные источники называются чёрными курильщиками, с ними связаны значительные запасы цветных металлов.

Рис. 9. Схема строения срединно-океанического  хребта

Континентальные рифты. Раскол континента на части начинается с образования рифта. Кора утончается и раздвигается, начинается магматизм. Формируется протяжённая линейная впадина глубиной порядка сотен метров, которая ограничена серией сбросов. После этого возможно два варианта развития событий: либо расширение рифта прекращается и он заполняется осадочными породами, превращаясь в авлакоген, либо континенты продолжают раздвигаться и между ними, уже в типично океанических рифтах, начинает формироваться океаническая кора.[5]

Конвергентные границы

Конвергентными называются границы, на которых происходит столкновение плит. Возможно три варианта:

1. Континентальная плита с океанической. Океаническая кора плотнее, чем континентальная и погружается под континент в зоне субдукции.
2. Океаническая плита с океанической. В таком случае одна из плит заползает под другую и также формируется зона субдукции, над которой образуется островная дуга.
3. Континентальная плита с континентальной. Происходит коллизия, возникает мощная складчатая область. Классический пример — Гималаи.

В редких случаях происходит надвигание океанической коры на континентальную — обдукция. Благодаря этому процессу возникли офиолиты Кипра, Новой Каледонии, Омана и другие.

В зонах субдукции поглощается океаническая кора, и тем самым компенсируется её появление в срединно-океанических хребтах. В них происходят исключительно сложные процессы, взаимодействия коры и мантии. Так океаническая кора может затягивать в мантию блоки континентальной коры, которые по причине низкой плотности эксгумируются обратно в кору. Так возникают метаморфические комплексы сверхвысоких давлений, один из популярнейших объектов современных геологических исследований.

Большинство современных  зон субдукции расположены по периферии Тихого океана, образуя тихоокеанское огненное кольцо. Процессы, идущие в зоне конвергенции плит, по праву считаются одними из самых сложных в геологии. В ней смешиваются блоки разного происхождения, образуя новую континентальную кору.

 

 

Активные континентальные  окраины

Активная континентальная  окраина возникает там, где под  континент погружается океаническая кора (см. рис. 10).

Рис. 10. Активная континентальная окраина

Эталоном этой геодинамической  обстановки считается западное побережье  Южной Америки, её часто называют андийским типом континентальной  окраины. Для активной континентальной  окраины характерны многочисленные вулканы и вообще мощный магматизм. Расплавы имеют три компонента: океаническую кору, мантию над ней и низы континентальной коры.

Под активной континентальной  окраиной происходит активное механическое взаимодействие океанической и континентальной  плит. В зависимости от скорости, возраста и мощности океанической коры возможны несколько сценариев равновесия. Если плита двигается медленно и  имеет относительно малую мощность, то континент соскабливает с неё  осадочный чехол. Осадочные породы сминаются в интенсивные складки, метаморфизуются и становятся частью континентальной коры. Образующаяся при этом структура называется аккреционным клином. Если скорость погружающейся плиты высока, а осадочный чехол тонок, то океаническая кора стирает низ континента и вовлекает его в мантию.

 

 

 

 

Островные дуги

Островные дуги — это  цепочки вулканических островов над зоной субдукции, возникающие там, где океаническая плита погружается под континентальную (см. рис. 11).

Рис. 11. Островная дуга

В качестве типичных современных  островных дуг можно назвать  Алеутские, Курильские, Марианские острова, и многие другие архипелаги. Японские острова также часто называют островной дугой, но их фундамент  очень древний и на самом деле они образованы несколькими разновременными  комплексами островных дуг, так  что Японские острова являются микроконтинентом.

Островные дуги образуются при столкновении двух океанических плит. При этом одна из плит оказывается  снизу и поглощается в мантию. На верхней же плите образуются вулканы  островной дуги. Выгнутая сторона  островной дуги направлена в сторону  поглощаемой плиты. С этой стороны  находятся глубоководный желоб  и преддуговый прогиб.

За островной дугой  расположен задуговый бассейн (типичные примеры: Охотское море, Южно-Китайское море и т.д.) в котором также может происходить спрединг.

 

 

 

 

 

Коллизия континентов

Столкновение континентальных  плит приводит к смятию коры и образованию  горных цепей (см. рис. 11).

Рис. 12. Столкновение континентов

 Примером коллизии  является Альпийско-Гималайский  горный пояс, образовавшийся в  результате закрытия океана Тетис и столкновения с Евразийской плитой Индостана и Африки. В результате мощность коры значительно увеличивается, под Гималаями она составляет 70 км. Это неустойчивая структура, она интенсивно разрушается поверхностной и тектонической эрозией. В коре с резко увеличенной мощностью идёт выплавка гранитов из метаморфизованных осадочных и магматических пород. Так образовались крупнейшие батолиты, напр., Ангаро-Витимский и Зерендинский.

Трансформные границы

Там, где плиты двигаются  параллельным курсом, но с разной скоростью, возникают трансформные разломы — грандиозные сдвиговые нарушения, широко распространённые в океанах и редкие на континентах.

Трансформные разломы. В океанах трансформные разломы идут перпендикулярно срединно-океаническим хребтам (СОХ) и разбивают их на сегменты шириной в среднем 400 км. Между сегментами хребта находится активная часть трансформного разлома. На этом участке постоянно происходят землетрясения и горообразование, вокруг разлома формируются многочисленные оперяющие структуры — надвиги, складки и грабены. В результате, в зоне разлома нередко обнажаются мантийные породы.