Геодинамика земной коры

Чарльз Лайэль (1797—1875) собрал факты современных движений земной коры в разных областях земного шара и доказал, что земные недра находятся в постоянном движении. Он утвердил понятие гео­логического времени и обнаружил связь поверхностных явлений с глубинными процессами. Лайэль писал: «Планета является театром неоднократно повторяющихся перемен и подвергается медленным и нескончаемым изменениям». Еще Аристотель заметил, что «измене­ния земли так медленны в сравнении с коротким периодом нашей жизни, что на них не обращают внимания». Отец географии Страбон на рубеже нашей эры высказал вполне современную мысль: «Одна и та же местность то поднимается, то оседает, а поэтому море то затоп­ляет землю, то возвращается в свое ложе».

Геодинамика изучает движения в земной коре и мантии и причи­ны этих движений. Примерно 50 лет назад появилась концепция спрединга океанического дна. Океанологи обнаружили, что на данном историческом этапе дно океанов расходится в разные стороны. При этом в одних местах участки земной коры (плиты) раздвигаются, а в других местах — сжимаются. Причиной происходящего яв­ляются мощные конвекционные потоки мантийного вещества, кото­рое в своем непрерывном движении увлекает за собой огромные уча­стки земной коры вместе с континентами.

Тйпы границ литосферных плит

а—дивергентные границы; раскрытие рифтов, вызывающих процесс спрединга: б— конвергентные границы: субдукция (погружение) океанической коры под континентальную; в—трансформные границы; г—коллизионные границы

Насыщенный газами слой подвижной мантии поднимается от ядра до земной коры. По мере подъема магмы давление в ее объеме уменьшается, и расплав вспенивается за счет выделения пузырьков растворенных газов. Достигнув подошвы земной коры, восходящий поток вещества мантии разделяется на два расходящихся потока, которые создают в земной коре растягивающие напряжения и раз­рывают земную кору. В таком случае говорят, что океаническое дно подвергается спредингу. Поднимающийся из глубин горячий поток магмы, раздвигая земную кору, образует срединно-океанический хребет — гигантское горное сооружение. Срединно-океанические хреб­ты (рифтовые зоны) обнаружены посередине Атлантического, Ткхого и Индийского океанов. Общая протяженность рифтовых зон в океа­нах достигает 80 тыс. км. Во впадине-рифте океанских хребтов отме­чается повышенный тепловой поток, достигающий «ураганных» зна­чений — 1500 мВт/м². В области континентальных рифтовых зон типа Байкальской плотность теплового потока меньше — 165 мВт/м². Среднепланетарное значение удельного теплового потока, поступа­ющего из недр, равно 59 мВт/м².

Скорость спрединга зависит от местоположения рифтовой зоны и варьирует от 1 до 17 см/год. Атлантический океан ежегодно стано­вится шире примерно на 5 см, Ткхий океан — на 12 см. Площадь но­вой земной коры ежегодно увеличивается на 3 кв. км. Самые древние осадочные породы, сохранившиеся в океанических прогибах, имеют юрский возраст (около 150 млн. лет), что значительно меньше возра­ста многих пород, залегающих на суше.

Территории, где сталкиваются расходящиеся от рифтовых зон плиты земной коры, называются зонами субдукции. Плотность океа­нической литосферы больше, чем плотность континентальной. При столкновении двух этих плит одна из них — более тяжелая, уходит под другую, в результате возникают понижения — океанические же­лоба. Вдоль материковой стороны океанических желобов располага­ются островные и континентальные дуги, где происходят сильные землетрясения и вулканические извержения. Чем глубже одна плита подныривает под другую, тем она более разогревается. На глубине более 100 км горные породы начинают плавиться, что приводит к образованию вулканических комплексов.

Когда сталкиваются континентальные плиты, происходит их кол­лизия, они сжимаются и образуют складки и горные системы вроде Кавказа и Гималаев. В местах земной коры, где поля сжимающих на­пряжений превышают критические значения, происходят землетря­сения. Почти все землетрясения происходят в пределах Тихоокеанс­кого (75 %) и Альпийского (23 %) поясов. Альпийский пояс проходит по горным сооружениям Италии, Турции, Средней Азии, Памира, За­падного Китая, то есть в относительной близости от района СШГЭС.

Еще одной причиной активности земной коры являются лунно­солнечные приливы. Создаваемая Луной сила тяготения воздействует на океаны и на сушу. Приливы медленно смещаются по поверхности Земли, следуя за Луной. В целом на каждый участок земной поверх­
ности приходится по два прилива и два отлива в течение суток. Наи­больший подъем земной поверхности под возмущающим действием Луны достигает 36,6 см, наибольшее опускание — 17,8 см. Реальная деформация Земли приливной волной в области экватора имеет мак­симальную амплитуду 52 см, а на широте 50° — 40 см. Т&ким обра­зом, земная кора непрерывно пульсирует. Эти вертикальные переме­щения земной поверхности происходят с интенсивностью 4 см/ч.

Приливная сила «разрабатывает» дефекты в горных породах. Под действием приливных сил сферическая оболочка земной коры дефор­мируется в вытянутый эллипсоид с главной осью, направленной на Луну. Оболочка земной коры находится в постоянно поддерживаемом извне знакопеременном напряженном состоянии. Согласно оценкам, напряжение на экваторе, вызванное приливной волной, изменяется в диапазоне 5000 Па/цикл. При прохождении приливной волны в системе блоков горных пород остается некоторая необратимая дефор­мация. Можно сказать, что приливы непрерывно подкачивают упру­гую энергию в систему блоков, слагающих земную кору.

Объектом современной гидродинамики являются мобильные и активные структуры литосферы: разломы и связанные с ними сейс­мические области, процессы природного и техногенного происхожде­ния, связанные со строительством и разработкой месторождений по­лезных ископаемых. Для гидротехнического строительства движения в геологической среде и земной коре важно рассматривать в рамках силового подхода, то есть устанавливать механизмы формирования движений с последующей оценкой их кинематических характеристик.

Создание крупных водохранилищ вызывает локальные и макро- геодинамические процессы, которые приводят к изменению напря­женно-деформированного состояния геологической среды и земной коры. Относительно недавно установлено, что интенсивные дефор­мации земной поверхности приурочены преимущественно к зонам тектонических нарушений и обусловлены индуцированием тектони­ческих движений малыми техногенными воздействиями. В основном эти движения вызваны изменением параметров геологической сре­ды, в которой постоянно присутствует и перераспределяется дина­мически активная и химически агрессивная вода. Глубинный геоди- намический фактор необходимо учитывать на стадии проектирова­ния крупных гидроузлов. Возможные последствия этих глубинных геодинамических процессов могут быть настолько серьезными, что требуют постоянного мониторинга за их проявлением и развитием.

Активизация глубинных и поверхностных разломов, осадки и го­ризонтальные сдвиги, сейсмопроявления и аварии на промышлен­ных объектах прямо или косвенно связаны с изменением напряжен­но-деформированного состояния земной коры. С этой точки зрения принимать решение о строительстве крупных гидроузлов в том или ином регионе следует с максимальной осторожностью. Делать это можно только после оценки экологического и технического риска.