Напружений стан земної кори

Введення

Напружений стан земної кори характеризує не тільки самі поверхневі шари, які можна спостерігати безпосередньо, але й більш глибинні частини земної кори, причому величина напруги становить кілька сотень мегапаскалей (МПа). Той факт, що гірські породи зазнають великих напруги, вже давно добре відомий. Будівельники тунелів зіткнулися з ним ще в минулому сторіччі. З того часу і почалося вивчення напруженого стану масивів гірських порід. Встановлено, що напруги володіють не тільки вертикальною, але і горизонтальної компонентою. Вивчення напруженого стану земної кори на всю її глибину в цілому і масивів гірських порід має не тільки важливе наукове, але й практичне значення. Знання напруженого стану масивів гірських порід дозволяє в кілька разів збільшити надійність підземних споруд. Оскільки всі тектонічні процеси пов'язані з чинним в кожен момент часу полем напруги в земній корі, знання цього поля в даний час і геологічному минулому необхідно для розуміння геологічних явищ.

У цьому рефераті ми проаналізуємо сутність напруженого стану земної кори та її вплив на планування та ведення господарської діяльності регіону в якому спостерігається дане явище.

Основна частина

Джерела напружень в земній корі можна розділити на три групи:

1-а група - це фактори, пов'язані з ендогенними, тобто внутрішніми, процесами, що відбуваються не тільки в земній корі, але також і в мантії Землі. Саме ці процеси генерують як глобальне поле напруг Землі, так і тектонічні рухи в земній корі;

2-я група джерел напруг пов'язана з екзогенними факторами, такими, наприклад, як покривні заледеніння, навантаження штучних водосховищ, ерозійна діяльність річок, відкачування нафти, газу, води з глибин в перші кілометри. У формуванні глобального поля напружень ця група чинників грає меншу роль;

3-тя група чинників пов'язана з космічними джерелами, наприклад з ротаційними силами Землі або силами, що виникають при швидкому, практично стрибкоподібному зміну швидкості обертання планети, а також з приливним впливом Місяця.

З усіх перерахованих джерел найбільш істотний внесок у спільне поле напруг вносять ендогенні процеси, які і формують поля напружень різних рангів.

Які ж процеси викликають напружений стан в земній корі та мантії Землі? Найбільш важливе значення має термогравітаційної нестійкість речовини мантії Землі до глибин 2900 км, особливо астеносферного шару, в якому в'язкість на 2-3 порядки менше, ніж у верхніх шарах верхньої мантії та земної кори. Повільні руху речовини астеносферного шару через в'язке тертя передають зусилля в вищерозміщені частина мантії і земну кору, тобто в літосферу, викликаючи в ній напруги і відповідно деформації. Напруги можуть виникати внаслідок висхідних і спадних конвективних струменів в мантії Землі, за деякими припущеннями утворюють двоярусну систему конвективних осередків. Реальне існування подібних дуже повільних струменевих потоків в мантії Землі підтверджується різними даними, і в першу чергу сейсмотомографии - спеціальними сейсмічними методами, що дозволяють завдяки тонким розрахунками виявити неоднорідності в мантії, тобто її ділянки, що володіють різною щільністю, а отже, і температурою. Результати сейсмотомографии підтверджуються і спостереженнями над силою тяжіння, різкі аномалії якій виражені саме в тих місцях, де передбачається занурення або підйом речовини мантії. Наприклад, такі вузькі, але досить контрастні позитивні і негативні гравітаційні аномальні зони приурочені до глибоководних жолобів і молодим гірничо-складчастим споруд в Андах, Індонезії, Алеутській, Курильської, японській та інших острівних дугах.

У гірських областях подібного типу гравітаційні аномалії зазвичай позитивні, що свідчить про надлишок мас, яким має відповідати збільшення тиску на глибинах приблизно від 50 до 100 км, що і є джерелом напруги у літосфері і земній корі. Створюване тиск значно перевищує нормальне літостатіческого, тобто тиск, викликаний вагою верхніх порід.

Сейсмофокальной зони - ділянки в земній корі і верхній мантії, в яких вогнища землетрусів фіксуються до глибин 500-600 км, також свідчать про наявність сильного стиснення в тих місцях, де океанська, більш важка і холодна кора занурюється (субдуцірует) під континентальну, більш легку . Неоднорідності верхньої мантії, які виявляються під серединно-океанічними хребтами і древніми платформами, також є джерелами напружень у літосфері і земній корі. Оскільки сучасна поверхнева структура Землі визначається переміщенням літосферних плит, то й напруги стиснення-розтягування концентруються в ділянках плит, що мають відповідний геодинамічний режим. У серединно-океанічних хребтах, в області дівергентних кордонів переважає розтяг, а в зонах субдукції (конвергентних кордонів) - стиснення. Жорсткість (міцність) літосферних плит дозволяє передавати напруження, що виникли в одній її частині, на інші, що знаходяться в декількох тисячах кілометрів від перших. Взаємодія літосферних плит вносить найбільший внесок у створення сучасного поля напружень в самій верхній оболонці Землі. При більш детальному розгляді встановлюється ще більша кількість факторів, що викликають локальні поля напруг. Наприклад, постійно діюча сила гравітації, яка хоч сама і не виробляє тектонічної роботи, але впливає на формування місцевого поля напружень. Додаткові джерела напружень в земній корі пов'язані з ділянками розігріву, місцевого плавлення, вулканізму. Проте виникають при цьому термонапруженої діють на обмеженому просторі, лише спотворюючи більш велике поле напруг.

Додаткові напруження в земній корі викликаються контрастним рельєфом, зростаючими гірськими спорудами. Вага останніх впливає на формування напружень в сусідніх ділянках літосфери, яка пружно реагує на це навантаження. Локальні напруги можуть бути створені рухом підземних вод або будь-яких інших флюїдів. Напруження в літосфері, що виникають в результаті екзогенних процесів, істотно менше напруг, що викликаються ендогенними причинами.

Космічні фактори, зокрема ротаційні сили, створюють напруження, не перевищують 0,1 Па, а приливні сили в результаті взаємодії Місяця, Сонця і Землі провокують напруги до 10 Па, в той час як ендогенні сили формують поля напружень в кілька сот мегапаскалей.

Існує кілька методів вимірювання напруженого стану земної кори, що володіють різною точністю. Слід зауважити, що коли ми говоримо про напругу в гірських породах, то маємо на увазі відхилення від літостатіческого всебічного тиску, обумовленого вагою стовпа гірських порід на одиницю площі, що дорівнює приблизно 27н МПа, де Н - глибина (в км).

Важливу роль відіграють сейсмологічні методи, засновані на виявленні головних осей напруг в осередках землетрусів згідно кинематическим параметрами сейсмічних хвиль, що вловлюються кількома сейсмостанції. Таких вимірів зараз вироблено близько 7 тис.

Напружений стан гірських порід змінює їх різні геофізичні характеристики: магнітні, електричні, плотностное, швидкості поширення сейсмічних хвиль. Вимірюючи аномальні значення цих характеристик, отримують інформацію про напружено-деформований стан гірських порід. Існують і чисто теоретичні методи, які дозволяють розраховувати напружений стан літосфери, однак вони дуже приблизні. Широко використовуються також геологічні методи, в тому числі дистанційні, тобто дешифрування аеро-і космічних знімків з метою виявлення зон розривів і тріщин, що сформувалися під впливом певного напруженого стану земної кори.

Окремо стоять методи оцінки напруженого стану гірських порід за матеріалами спостережень у свердловинах і гірничих виробках. Для вимірювань форми поперечного перерізу свердловин застосовують кварцові деформографи, за допомогою яких можна виявити деформації, а відповідно і напруги по трьом напрямам, розташованим взаємно перпендикулярно. Тим самим з'являється можливість виміряти тензор напружень в одній точці. Такі вимірювання складають близько 30% всіх наявних даних.

Існують і інші методи вивчення напружень у керні (у стовпчику витягнутої породи) свердловин, наприклад: метод дискування керна, метод розвантаження, метод акустичного каротажу, що дозволяють визначати залишкові пружні деформації в породах. Але ці методи дуже трудомісткі.

Досить впевнено визначаються поля напружень в горизонтальних і вертикальних виробках, що має велике практичне значення. Добре відомі так зване стріляні порід і руйнування гірських виробок - штолень, штреків, шахт, - які виникають під впливом гірського тиску. Якщо гірнича виробка орієнтована в напрямку максимального стискає напруги, вона найбільш стійка. Але варто її зорієнтувати поперек стискаючих напруг, як стінки, наприклад штольні, почнуть стріляти шматками гірської породи і руйнуватися. Існують різноманітні інструментальні методи, за допомогою яких спостерігають за аномальними напругами в гірських виробках.

І нарешті, деформації земної поверхні, зумовлені полем напружень, вивчають геодезичними методами, наклономерамі. Всі вони дають можливість виявити деформації і поля напружень в поверхневих шарах. Однак у більш глибоких горизонтах земної кори орієнтування і величина напружень можуть бути зовсім іншими, і в цьому полягає причина обмеженості геодезичних методів.

Таким чином, існують різноманітні способи вимірювання напружень в земній корі як на поверхні, так і в більш глибоких горизонтах. Не всі вони рівноцінні, але їх спільне застосування дає можливість скласти загальне уявлення про величину і спрямованості сучасного поля напружень.

Незважаючи на те, що напругами в породах давно займалися гірники, в геології, особливо в теоретичній, цією проблемою почали цікавитися лише в 50-і роки. Однак найбільшу увагу напружений стан кори і літосфери в цілому привернуло увагу в середині 60-х років з появою теорії тектоніки літосферних плит. Вимірювання напружень, що існують на різних за геодинамічної природі межах плит, добре підтверджувало теоретичні моделі. Наприклад, усі активні континентальні околиці, де океанічна земна кора занурюється під континентальну, характеризуються стискаючими горизонтальними напруженнями, причому орієнтування осі стиснення, як правило, виявляється перпендикулярної простяганню зон субдукції. Особливо добре це підтверджується сейсмологічними даними. Горизонтальне стиск в межах Курильської і Японської острівних дуг оцінюється в 200-400 МПа. Цікаво, що і внутрішні ділянки літосферних плит, що знаходяться далеко від активних околиць, також перебувають у стані субгоризонтально стиснення, що свідчить про їх жорсткості.

Молоді гірничо-складчасті споруди Альпійського пояса, що простягаються від Бетські Кордильєр на заході, через Апенніни, Альпи, Дінаріди, Карпати, Понтіди, Кавказ, Загрос та інші гірські ланцюги до Гімалаїв на сході, за сейсмологічними і геологічними даними перебувають у стані субгоризонтально стиснення, осі якого в більшості випадків орієнтовані перпендикулярно простяганню основних структурних елементів пояса. Це добре узгоджується з поданням про формування молодого гірничо-складчастого Альпійського поясу в результаті зближення та подальшого зіткнення двох величезних континентальних літосферних плит: Євразійської і Африкано-Аравійської. Визначення механізмів зсуву гірських порід в осередках землетрусів, аналіз розташування тектонічних розривних порушень і тріщин підтверджуються даними по вимірюванню напруженого стану в свердловинах, гірських виробках і рудниках. Напруження під Альпами і Гімалаями досягають 100-130 і навіть 200 МПа.

Не тільки гірничо-складчасті пояса, але і континентальні платформи стискаються. Так, на Північно-Американської платформі в приповерхневих шарах і на глибинах у 1-3 км встановлені стискаючі субгорізонтальні напруги, значно перевищують напруги, пов'язані з літостатіческого навантаженням. Такі ж надлишкові стискаючі напруги виявлені на Африканської, Східно-Європейської, Індостанської платформах. Північно-Американська платформа, найбільш вивчена в частині визначення напруженого стану геологічними та геофізичними методами, характеризується в цілому субгоризонтальних стисненням в напрямку ПдЗ-СВ, причому жорсткість цієї монолітної плити така, що напруги здатні передаватися від однієї частини плити до іншого, незважаючи на те що розташовані вони далеко один від одного. Поблизу поверхні напруги в два рази перевищують літостатіческого, а на глибинах в сотні метрів і перші кілометри - на 50-100 МПа і більше.

Примітно, що не тільки континентальні плити майже повсюдно піддаються субгоризонтально стиску, але таке ж стиснення виявлено і в океанських плитах в Тихому, Атлантичному та Індійському океанах. Таким чином, більша частина земної кори охоплена субгоризонтальних стиском. Обстановки розтягування хоча й поширені досить широко, але зосереджені переважно у вузьких рифтових зонах як в океанах, так і на континентах або в морських западинах з корою океанічного типу, наприклад: у Японському, Філіппінському, Тірренське, Альборанском, Егейському морях. У деяких з них, судячи з розподілу магнітних аномалій, можна припускати осі спредінга (розтягування), однак найчастіше він носить розсіяний характер.

Рішення задачі про механізми вогнищ землетрусів, приурочених до рифтових зонах океанів і континентів, демонструє розтягують субгорізонтальні напруги, що діють, проте, в дуже вузькій смузі шириною іноді всього лише в декілька кілометрів, наприклад: у центральному Грабене Ісландії або в Червоному морі. В інших місцях ширина земної кори, охопленої розтяганням, становить десятки, рідко перші сотні кілометрів. У межах Східно-Африканських рифтів, в Байкальському Рифт, Рифт Ріо-Гранде основне розтягнення орієнтоване перпендикулярно краях вузьких і довгих рифтів.

У Центральній і Східній Азії спостерігається досить складна картина розподілу полів стискаючих та розтягуючих напружень, виявлена китайським геологом Х.С. Лю і пов'язана із взаємодією різних за розмірами плит земної кори, що викликає утворення зсувних порушень, при яких краї плит ковзають один відносно одного. За розрахунками П.М. Кропоткіна, ділянки земної кори, охоплені розтяганням, не перевищують 2% загальної площі, а вся інша її частина знаходиться в стані стиснення.

Виявлена зусиллями дослідників різних країн в останні десятиліття глобальна картина напруженого стану земної кори дала дуже багато для розуміння тонусу літосфери, як образно помітили С.І. Шерман і Ю.І. Дніпровський (1989 рік). Цей тонус безпосередньо впливає на геологічні процеси, що відбуваються в даний час, і перш за все на сейсмологічні, що дозволяє ставити питання про довгострокові прогнози землетрусів.

У чому криється причина практично повсюдного стиснення, спостережуваного в земній корі? Одне з можливих пояснень полягає у визнанні короткочасного зменшення радіуса Землі, що забезпечує виникнення ефекту стиснення. Для того щоб довести зміна радіуса Землі, необхідні точні дані по варіаціям сили тяжіння, флуктуацій швидкості обертання Землі і чендлеровскім коливань полюса. Задовільні дані з цих питань в даний час недостатні, і, отже, можливість скорочення радіуса Землі поки розглядається як гіпотеза.

Існують методи виявлення не тільки сучасних, але і стародавніх полів напружень, що дає можливість зрозуміти багато геологічні закономірності, наприклад розміщення рудних покладів, майже завжди пов'язаних з ділянками розтягування. Знаючи становище таких зон в минулі епохи, можна прогнозувати пошуки рудних корисних копалин. Те ж стосується і сейсмічності. Наприклад, американські геологи М.Д. Зобак і М.Л. Зобак довели, що палеосейсміческіе зони всередині Північно-Американської плити ще в історичний час були дуже активними, хоча зараз перебувають у стані спокою. Зміна поля напруг може викликати нову активізацію та відновлення землетрусів.

Зусилля вчених зараз спрямовані на складання спеціальних карт з показом на них орієнтування осей головних напруг, крім того, важливо вичленувати складові різного рангу поля напружень. Енергійна техногенна діяльність людини: створення величезних водосховищ, відкачка колосальних обсягів газу, нафти, води із земних надр, розробка глибоких кар'єрів - все це порушує природні поля напруг і існуюче динамічна рівновага в земній корі, особливо її верхній частині. Тому необхідно спостерігати за сучасними полями напруг, в тому числі і точними інструментальними методами.

В даний час, в Росії йдуть масштабні експерименти з вивчення напруженого стану земної кори сейсмоактивних регіонів. Ведуться роботи з нарощування каталогу механізмів вогнищ землетрусів і включення нових даних в обробку полів напружень. Ці вивчення необхідні в тому числі і для планування господарської діяльності людини в цих регіонах. У регіонах Росії в яких присутня напружений стан земної кори знаходяться великі поклади природних копалин, розробка які представляє великий комерційний інтерес. У цьому плані видається очевидною висока практична значущість подібного роду досліджень.

Висновок

Висловимо кілька основних висновків за результатами наших досліджень.

Всі діючі тектонічні процеси на землі пов'язані з чинним в кожен момент часу полем напруги в земній корі.

Вивчення напруженого стану земної кори на всю її глибину в цілому і масивів гірських порід має не тільки важливе наукове, але й практичне значення. Знання напруженого стану масивів гірських порід дозволяє в кілька разів збільшити надійність підземних споруд. Оскільки всі тектонічні процеси пов'язані з чинним в кожен момент часу полем напруги в земній корі, знання цього поля в даний час і геологічному минулому необхідно для розуміння геологічних явищ.

Джерела напружень в земній корі можна розділити на три групи:

2-я група джерел напруг пов'язана з екзогенними факторами, такими, наприклад, як покривні заледеніння, навантаження штучних водосховищ і т.д. У формуванні глобального поля напружень ця група чинників грає меншу роль;

В даний час, в Росії йдуть масштабні експерименти з вивчення напруженого стану земної кори сейсмоактивних регіонів. Ведуться роботи з нарощування каталогу механізмів вогнищ землетрусів і включення нових даних в обробку полів напружень. Ці вивчення необхідні в тому числі і для планування господарської діяльності людини в цих регіонах. У регіонах Росії в яких прісуствіе напружений стан земної кори знаходяться великі поклади природних копалин, розробка які представляє великий комерційний інтерес. У цьому плані видається очевидною висока пракітіческая значимість подібного роду досліджень.

Список використаної літератури

Артюшков Є.В. Геодинаміка. М.: Наука, 1979. 216 с
Короновській Н.В. Напружений стан земної кори / / Соровский освітній журнал. 1997, № 1. С. 50-56
Кропоткін П.М. Тектонічні напруги в земній корі / / Геотектоніка. 1996. № 2. С. 3-5.
www.vicipedia.org