Явление прогиба земной коры от гравитационной нагрузки

С позиций гидротехника земная кора — это прочная многослойная горная порода, способная выдержать нагрузку в миллиарды тонн, создаваемую весом водохранилища и плотины. С позиций геофизи­ка земная кора — это рыхлый чехол, лежащий на более плотном вы­соковязком веществе верхней мантии. Земная кора «плавает» в под­корковом субстрате горячего мантийного вещества, при этом она всегда стремится к достижению состояния гидростатического равно­весия. В науках о Земле это явление называют изостазией. Если на поверхности Земли образуются горы или возводится крупное гидро­техническое сооружение, то подошва земной коры погружается в под­стилающую вязкую мантию на некоторую величину А₀, чтобы совме­стным действием силы упругости и взвешивающей архимедовой силы компенсировать возросшую нагрузку. При снятии нагрузки ампли­туда погружения земной коры в мантию уменьшается.

Строительство таких крупных гидроузлов как Братская, Красно­ярская и Саяно-Шушенская ГЭС вызывает локально-изостатический отклик литосферы на созданную плотиной и водохранилищем нагруз­ку. Земная кора под действием большой техногенной нагрузки в те­чение продолжительного времени погружается в частично расплав­ленное вещество мантии. Гидротехническая наука свойство изостазии в расчет не принимает.

Земля активна в любой точке, и если мы физически не ощущаем: ее движений, то только потому, что они протекают большей части медленно и плавно. К этой истине человечество шло более двух тысяч лет. Можно удивляться наблюдательности античных натурфилософов. Пифагор (580—500 гг. до н. э.), который смотрел на мир cкозь призму чисел, писал: «Суша вследствие землетрясений подтоплялась. Твердая земля превращалась в море. Равнины приподнималась в горы. Морские раковины лежат далеко от океана».

Хорошо известен пример Гринлландии, четверть территории рой в результате опускания земной коры погрузилась ниже уровня моря. В то же время, территория ряда северных стран поднимается, что приводит к обмелению гаваней и фарватеров. Для ответственных и долговременных гидротехнических сооружений, атомных станций: синхрофазотронов и андронных коллайдеров скорости движения земной коры 2—4 мм/год могут оказаться опасными. Поэтому знание особенностей движений земной коры и их учет важны при проектировании и эксплуатации таких ответственных сооружений. Изучение современных движений земной коры — это научное направление стыке таких наук, как геодезия, геология, геофизика, астрономия, геоморфология, океанография.

Гляциоизостазия — это нарушение и восстановление равновесия земной коры под тяжестью материковых льдов. Появляющиеся ледниковые покровы прогибают земную кору, а при таянии льдов земная кора возвращается в исходное положение. Послеледниковое поднятие берегов Норвегии составляет 250 м, Шотландии — 30 м. Большая часть северных побережий Евразии поднимается: Мурманское побережье до 4 мм/год; Таймыр — до 3 мм/год; Новая Земля — до 5 мм/год.

В середине XIX в. было установлено современное поднятие большой территории Скандинавии и погружение периферических частей этой территории. Побережье вблизи Осло поднимается о скоростью до 4 мм/год, южный берег Финского залива поднимается со скоростью до 3 мм/год. Точные нивелировки показывают, что польский берег Балтики и южные берега Онежского и Ладожского озера погружаются под уровень моря со скоростью до 2,5 мм/год.

Поднятие земной коры части Скандинавии и территории Каре­лии является абсолютным и продолжается более 10 тыс. лет. По мере приближения к нашему времени скорости поднятия уменьшаются. Например, после таяния и исчезновения 10 тыс. лет назад леднико­вого покрова в Карелии, имевшего толщину до 4 км, нагрузка на земную кору уменьшилась и в соответствии с законом изостазии эта территория стала быстро подниматься. Подъем земной поверхности шел примерно со скоростью 10—13 см/год сразу после таяния и сейчас составляет около 1 см/год. Изолинии скорости поднятий хорошо согласуются реконструированными контурами бывшего ледникового крова и последовательностью его сокращения. Изменчивость древних и современных движений обосновывается ледниковой нагрузкой и последующей разгрузкой земной коры, то есть имеет гляциоизостатическую природу.

Современное поднятие территории Скандинавии

1 — профиль поднятия (м); 2 — скорость современного поднятия (мм/год)

Уникальную возможность изучения процесса гляциоизостатического поднятия в его начальной стадии предоставляет Аляска. Интенсивное таяние ледниковой шапки в этом районе началось лишь в последние столетия. С 1880 по 1950 гг. покрытая ледниками пло­щадь сократилась на 35 %. Земная кора откликнулась на столь резкое сокращение оледенения. Во-первых, изолинии поднятия располо­жены концентрически вокруг активного таяния ледниковой шапки. Во-вторых, наблюдаются высокие скорости поднятия до 22 мм/год. В центре поднятие происходит со скоростью 40 мм/год. Это значит, что суша здесь поднялась за последнее столетие на 4 м. Природа здесь смоделировала начальный этап гляциоизостатического вздымания земной коры.

Известно, что прогиб земной коры начинается при относительно небольшой удельной нагрузке на ее поверхность (несколько МПа), при­ложенной по большой площади (сотни км²). Согласно современным представлениям, вся западная часть российской Арктики 20 тыс. лет назад была покрыта огромным ледниковым покровом. Исчезновение этого покрова произошло около 10 тыс. лет назад. В этой связи при­мечательно, что на всей области бывшего покрова в настоящее время происходит поднятие земной коры. Это реакция земной коры на недавнее освобождение от ледниковой нагрузки, под действием которой кора была прогнувшейся.

По периферии гляциоизостатического поднятия отмечается сис­тема компенсационных опусканий земной коры. Поднятие земной коры поддерживается течением (притоком) вязкого мантийного вещества к области поднятия. Это течение создает на периферии дефицит массы подстилающего земную кору мантийного вещества, в результате чего происходит проседание земной поверхности. Участки активных опусканий на севере Восточно-Европейской платформы (до 8 мм/год) находятся за пределами бывшего ледникового покрова, и их можно рассматривать как пояс компенсационных погружений.

Время запаздывания (релаксации) погружений обратно пропорци­онально размерам отклонившейся от изостатического равновесия области. Максимальные амплитуды и скорости движений земной коры пропорциональны размерам бывших ледниковых покровов: в Канаде 20 мм/год; в Скандинавии 9,8 мм/год; в Шотландии 3,5 мм/год.

В течение последнего миллиона лет наблюдались четыре ледниковых эпохи. В максимальную эпоху площадь ледниковых покровов составляла четверть площади современной суши. Только Антарктида сохраняет свое ложе в продавленном изостатическом состоянии. Земная кора многократно прогибалась на многие сотни метров под нагрузкой ледниковых покровов, а после их стаивания возвращалась к исходному положению.