Эндогенные геологические процессы

К эндогенным процессам относятся тектонические движения и сейсмические процессы, магматизм, вулканизм и метаморфизм.

Тектонические движения бывают горизон­тальными (тангенциальными, складчатыми) и вертикальными (эпейрогеническими, разрывными).

Горизонтальные движения длятся многие миллионы и милли­арды лет и совершаются на многие тысячи километров — переме­щаются океаны и континенты. В архее и протерозое все совре­менные континенты представляли собой единую площадь — Пангею, располагавшуюся в Южном полушарии. Далее она раскололась сначала на две части, а потом — на шесть. Еще в ме­зозое (200 млн лет назад) Африка отделялась от Евразии океаном Тетис. Остатки его — это Средиземное море.

В сам факт таких масштабных горизонтальных перемещений поначалу трудно поверить, но среди ученых-геологов он считается неоспоримо доказанным. Неясным остается механизм, осуще­ствляющий горизонтальные движения. Предполагается, что его источником является конвективное движение вещества в астено­сфере — в подкоровом объеме верхней мантии, в то время как гео­физические данные указывают на это вещество как на твердое.

Горизонтальные тектонические движения выполняют колос­сальную геологическую работу. Они сминают в складки пласты горных пород и заставляют их подняться в рельефе высокими го­рами или опуститься глубоко вниз, образуя океанические впадины. Они формируют разломы земной коры, многие из которых потом превращаются в моря и озера. По разломам земной коры внедря­ется магма, и формируются вулканы. Причиной землетрясений тоже являются горизонтальные движения.

Вертикальные движения имеют небольшую амплитуду — в де­сятки и несколько сотен метров, они постоянно то поднимают, то опускают поверхность континентов. В итоге на одной и той же тер­ритории поочередно образуется то неглубокое шельфовое море, то суша — низменность, равнина или невысокое плоскогорье.

Главным результатом вертикальных движений является накоп­ление осадочного чехла. В то время, когда некая территория опус­кается ниже уровня океана, на ней происходит интенсивное накоп­ление осадочного материала, приносимого реками с окружающей суши. Дополнительный материал дает само море за счет разрушения береговой линии. Отложенные на дне осадки постепенно уплотняются и каменеют. Через некоторое время данная территория вновь испытывает поднятие, превращается в сушу, на которой в разрезе горизонтально залегают морские оса­дочные породы.

Сейсмические явления — это землетрясения — мгновенные пере­мещения земной поверхности, вызванные перемещениями масс земной коры. Источник перемещений — горизонтальные движения земной коры, сталкивающие, тангенциальные, растягивающие. Землетрясения, как правило, приурочены к опреде­ленным участкам земной коры — геосинклинальным и складчатым поясам. Проявляются землетрясения в основном на границах тек­тонических структур, где происходит накопление значительных на­пряжений, готовых реализоваться в виде сейсмического толчка. Эти территории носят название сейсмических зон, обычно они со­впадают с районами интенсивной вулканической деятельности.

Для оценки силы землетрясений используется несколько сход­ных между собой шкал. Первой была шкала Рихтера. В нашей стране использовалась близкая к ней шкала Медведева. В насто­ящее время часто используется шкала магнитуд. Относительная энергетическая характеристика землетрясения (магнитуда М) опре­деляется так:

М = lg[А / (А · А_э)]

где А — максимальная амплитуда смещения частиц почвы на уда­лении от эпицентра в 100 км; А_э — эталонная амплитуда слабого землетрясения.

В реальных случаях магнитуда составляет 9,5 баллов при очень сильных землетрясениях.

Сейсмические воздействия могут иметь различные проявления на инженерных объектах в зависимости от балльности землетря­сений.

Воздействия землетрясений различной балльности опасны для всех гидротехнических сооружений, поэтому необходимо уделять внимание сейсмостойкости строительства плотин. Опыт показы­вает, что гидротехнические сооружения, построенные без учета сейсмического фактора, нередко подвергались частичному или полному разрушению.

При землетрясениях частицы грунта движутся в пространстве по сложной траектории, при этом возникают инерционные силы, величина и направление действия которых резко меняется во вре­мени. В этом случае деформации сооружений и его элементов могут иметь сложный характер с преобладанием деформаций осевого рас­тяжения, сжатия, изгиба, сдвига и кручения, которые действуют динамически, приводя к волновым и колебательным движениям всего сооружения в целом. На рис. показаны серьезные разру­шения автомобильной трассы при землетрясении.

Землетрясения вызывают серьезные разрушения зданий, при которых возможны большие человеческие жертвы. Различный ха­рактер разрушений, интенсивность которых оценивается в преде­лах от 6 до 12 баллов по шкале Медведева — Спонейера — Карника.

Наиболее крупными сейсмическими областями являются Тихо­океанский и Средиземноморский пояса. К первому приурочено 68% всех землетрясений, ко второму — свыше 20%. На территории России к сейсмическим областям относятся: Кавказ, Прибайкалье, Южное Приморье, Сахалин, Курильские острова.

В настоящее время техногенное воздействие на геологическую среду достигло такой силы, что стали возможными землетрясения, которые провоцирует деятельность человека.

Понятие «наведенная сейсмичность» включает в себя как воз­бужденные, так и инициированные сейсмические явления. В ка­честве основных техногенных причин выступают такие, которые создают избыточную нагрузку или, наоборот, недостаток давления.

В качестве первых особенно характерны крупные водохранилища, создание которых провоцирует вероятность возбужденного земле­трясения.

Магматизм и вулканизм

Магматизм и вулканизм— это совокупность геологических про­цессов, которые обусловлены движением магмы из недр Земли.

Магма представляет собой природное высокотемпературное рас­правленное вязкое вещество земной коры, находящееся преимуще­ственно в астеносфере и верхней мантии. Основной причиной плавления вещества и возникновения магматических очагов в ли­тосфере является повышение температуры, а подъем магмы и ее прорыв в вышележащие горизонты происходят вследствие ин­версии плотностей, при которых образуются очаги менее плотного и мобильного расплава. Движение магмы вверх происходит пре-

имущественно по ослабленным тектоническим зонам — границам тектонических структур, разломам, осям складок.

Магма зарождается на различных глубинах и, поднимаясь вверх, разогревает и расплавляет горные породы, по которым происходит ее движение. В зависимости от характера продвижения магмы вы­деляют глубинный (интрузивный) магматизм и излившийся (эффу­зивный) магматизм.

С точки зрения химического состава магма представляет собой сложную многокомпонентную систему, образованную в основном кремнеземом Si0₂ и веществами, химически эквивалентными си­ликатам, — Al, Na, К, Са. В магме содержатся и летучие компо­ненты (пары воды и газы H₂S, Н₂, НС1, С0₂), которые химически очень активны, а их содержание при высоком давлении и высоких температурах может достигать 12%.

Внедряясь в толщу горных пород, магма распадается на две фазы — расплав и летучие компоненты, температура ее снижается, летучие компоненты проникаются вверх по трещинам горных пород, магма затвердевает и дает начало магматическим горным породам (габбро, граниты, лабрадориты и т.д.). Процессы магма­тизма играют исключительно важную роль в формировании земной коры, поставляя в нее материал из мантии и наращивая ее. Магма­тические горные породы составляют основную часть земной коры и занимают более 90% ее объема.

Вулканизм — это совокупность явлений, связанных с перемеще­нием магмы и излиянием ее на поверхность. Вулканизм представ­ляет собой природный геологический процесс, связанный с извер­жением (выбросом) на поверхность Земли, в атмосферу и гидро­сферу твердых и газообразных продуктов расплавленной магмы.

В настоящее время на континентах и островах Земли насчиты­вается в общей сложности около 500 действующих вулканов. На­земные вулканы образуются вблизи глубоководных желобов — там, где океаническая литосферная плита подвигается под другую ли- тосфернуюплшу. Трение литосферных плит в этих зонах сопро­вождается выделением значительного тепла, что обеспечивает плавление базальтов и затянутых вместе с подвигаемой вниз плитой осадочных горных пород, где температура составляет около 1000°С. Расплавленные массы выжимаются наверх вместе с выделяющимся из базальтовых пород перегретым водяным паром и в результате этого происходят не только формирование континентальной коры, но и образование вулканов.

В расплавленной магме растворены водяные пары и различные газы (С0₂, СО, НС1, HF, S0₂, СН₄), которые давят на магму и под давлением поднимают ее по жерлу вулкана. Главный продукт вул­канических извержений — это эффузивные магматические породы (риолиты, андезиты, базальты). Кроме них, из вулканических жерл выбрасываются газы и водяные пары, а также различные рыхлые твердые продукты (вулканический пепел, вулканический песок, вулканические бомбы, имеющие серо-черный цвет).

Вулканический пепел составляет главную массу твердых вулка­нических выбросов и представляет собой мелкие (от долей до мил­лиметра) остроугольные частицы, состоящие из вулканического стекла и различных минералов. Пепел часто выбрасывается вместе с мелкими частицами пемзы, которая представляет собой пористое вулканическое стекло, образованное в результате выделения газов при быстром застывании кислых и средних лав.

Облако вулканического пепла представляет собой опасную пре­граду для летящих самолетов. Острые частички пепла выводят из строя систему снабжения воздухом двигателя. Проблема прояв­ляется даже при небольшой концентрации пепла.

Вулканический песок — это частицы лавы размером от 1 до 5 мм, практически всегда содержащие пепловые частицы.

Вулканические бомбы являются самым грубым твердым мате­риалом, который выбрасывается вулканами при извержениях. Они могут иметь в поперечнике от нескольких сантиметров до метра. Это куски извергаемой лавы, выброшенные в пластическом состо­янии и принявшие разнообразную форму (шарообразную, груше­видную, лепешкообразную и др.).

Самым высоким в Европе действующим стратовулканом явля­ется вулкан Этна (3340 м), расположенный на восточном побережье Сицилии и имеющий много боковых кратеров и кальдер, через ко­торые периодически происходят выбросы лавы и вулканические извержения. На рисунке показаны спящие кальдеры вулкана Этна на о. Сицилия.

Потухшие и спящие кальдеры вулкана Этна на о. Сицилия

Выпавшие на землю при извержении массы пепла вместе с вул­каническим песком и частицами пемзы с течением времени уплот­няются и подвергаются цементированию под действием различных природных факторов, в результате чего формируются горные по­роды, называемые вулканическими туфами.

Современные вулканы расположены на земном шаре поясами, вдоль крупных разломов и тектонически активных областей — Ти­хоокеанской, Средиземноморско-Индонезийской, Атлантической и Индийско-Африканской.

Ежегодно на земле происходит в среднем 20—30 вулканических извержений, которые, к сожалению, не обходятся без человеческих жертв. На территории России наиболее подвижная в тектони­ческом отношении зона — это полуостров Камчатка и Курильские острова, где активно наблюдаются проявления вулканизма. Извер­жения активно действующего вулкана Шивелуч происходят доста­точно часто, последнее мощное извержение произошло в июне 2013 г., в результате чего произошел выброс вулканического пепла на 10 км.

Не менее ярким примером мощного проявления вулканизма может служить вулкан Эйяфьятлайокудль (Исландия), который 14 апреля 2010 г. начал свое извержение, продолжавшееся не­сколько недель. Столб пепла этого вулкана на несколько месяцев нарушил воздушное сообщение между Европой и Аме­рикой.

С поствулканической деятельностью современных вулканов связаны гейзеры — источники, периодически выбрасывающие фонтаны горячей воды; фумаролы — небольшие отверстия и трещинки, по которым поднимаются струи водяных паров и горячих газов (Н₂0, HF, S0₂, С0₂, H₂S, Н₂ и др.), выделяющихся из магмы и из еще не остывших лавовых потоков и находящихся в кратере, на склонах и подножиях вулканов.
Распространены гейзеры на Камчатке в долине реки Гейзерной, в Исландии, Новой Зеландии, США (Йеллостоунский нацио¬нальный парк), Чили.
Выбросы водяных паров и газов в боковых кратерах вулкана Этна наблюдались в течение 2012 г.

В России явления поствулканической деятельности сосредоточены в Долине гейзеров на Камчатке. Гейзеры периоди чески выбрасывают вверх столбы горячей воды.

Вулканизм имеет и положительные черты. Излияние магмы из кратера вулкана, выбрасывание из него пепла и прочих твердых продуктов извержения, фумарольные струи — все это способствует ныносу на земную поверхность различных химических элементов, находящихся в земных недрах. Поэтому районы активной тектони­ческой деятельности изобилуют месторождениями различных по­лезных ископаемых.

Метаморфизм (от греч. metamorphomai— подвергаюсь изме­нению, превращению) — это процесс глубокого изменения и пере­кристаллизации исходных пород за счет высоких температур, дав­лений и переноса вещества подземными растворами и газами. Про­цесс протекает постепенно и на начальных стадиях речь идет только

о некоторой метаморфизации исходной породы — о появлении в ней небольшого количества новых минералов, частичном изме­нении структуры и текстуры. Далее изменения нарастают.

Действию метаморфизма могут подвергаться любые горные по­роды: осадочные, метаморфические, магматические. Процессы ме­таморфизма происходят при температуре от 250 до 900°С. Повы­шение температуры на 10°С увеличивает скорость химических ре­акций в 2 раза, а на 100°С — примерно в 1000 раз. Химически активные вещества (вода, углекислота, водород, соединения хлора, серы и т.д.) являются катализаторами протекания различных хими­ческих реакций.

Различается много видов метаморфизма, наиболее распростра­ненный среди которых региональный. Он развивается на больших глубинах по всей территории земного шара и прежде всего просто за счет повышения там давления и температуры. Упоминавшиеся уже гнейсы, кварциты, мраморы, многие кристаллические сланцы — породы регионального метаморфизма.

Представление, что чем старше порода, тем сильнее она мета- морфизована, верно лишь отчасти; прямой такой зависимости нет. В природе имеются очень древние породы, совершенно не затро­нутые метаморфизмом, и наоборот, совсем молодые сильно мета- морфизованные. Можно говорить о другой зависимости (опять же выполняющейся не всегда): чем глубже залегает порода, тем веро­ятнее, что она будет метаморфизована.

Почему происходит метаморфизм? Любые химические соеди­нения (минералы) устойчивы в довольно узких рамках температур и давлений. Если условия изменяются, то исходные минералы будут превращаться в другие, соответствующие новым условиям. Список химических элементов с их процентным содержанием оста­нется прежним.

Прочие виды метаморфизма — метасоматоз, контактовый, гид­ротермальный, пневматолитовый, инъекционный преимущественно связаны с взаимодействием внедряющейся магмы и вмещающих ее пород. Происходит интенсивный обмен химического материала за счет переноса растворами и летучими компонентами. Названные разновидности выделяются в зависимости от преобладающих условий, факторов метаморфизма и вновь образующихся пород. Объем развития процесса — несколько километров в стороны от магматического расплава. Динамометаморфизм развивается в ре­зультате повышенного давления в тектонических зонах.