Поверхность Земли постоянно изменяется. В течение своей жизни мы замечаем, как движется земная кора, изменяя природу: осыпаются берега рек, образуются новые рельефы. Все эти изменения мы видим, но есть и такие, которые нами не ощущаются. И это к лучшему, ведь сильные движения земной коры способны вызывать сильнейшие разрушения: примером таких сдвигов являются землетрясения. Скрытые в недрах Земли силы способны перемещать континенты, пробуждать спящие вулканы, полностью изменять привычный рельеф, создавать горы.
Активность земной коры
Основная причина активности земной коры - это процессы, происходящие внутри планеты. Многочисленные исследования показали, что в некоторых участках земная кора более устойчива, а в других - подвижна. На основании этого была разработана целая схема возможных движений земной коры.
Типы движения коры
Движения коры могут быть нескольких типов: ученые их разделили на горизонтальные и вертикальные. В отдельную категорию внесли вулканизм и землетрясения. К каждому виду движения земной коры относят определенные типы смещения. Горизонтальные включают разломы, прогибы и складки. Движения происходят очень медленно.
К вертикальным типам относят поднятие и опускание грунта, увеличение высоты гор. Эти смещения происходят медленно.
Землетрясения
В отдельных уголках планеты происходят сильные движения земной коры, которые мы называем землетрясениями. Они возникают в результате толчков в глубинах Земли: за доли секунд или секунды земля опускается или поднимается на сантиметры или даже метры. В результате колебаний происходит изменение расположения одних участков коры относительно других в горизонтальных направлениях. Причиной движения является разрыв или смещение земли, происходящий на большой глубине. Это место в недрах планеты называют очагом землетрясения, а эпицентр находится на поверхности, где люди ощущают тектоническое движения земной коры. Именно в эпицентрах происходят самые сильные толчки, идущие снизу вверх, а затем расходящиеся в стороны. Сила землетрясений измеряется в баллах - от одного до двенадцати.
Наука, изучающая движение земной коры, а именно землетрясения - это сейсмология. Для измерения силы толчков применяют специальное устройство - сейсмограф. Он в автоматическом режиме измеряет и записывает любые, даже самые маленькие колебания земли.
Шкала землетрясений
При сообщениях о землетрясениях, мы слышим упоминание о баллах по шкале Рихтера. Единица ее измерения - это магнитуда: физическая величина, обозначающая энергию землетрясения. С каждым баллом сила энергии возрастает почти в тридцать раз.
Но чаще всего применяется шкала относительного типа. Оба варианта оценивают разрушающее действие толчков на постройки и людей. По этим критериям колебания земной коры от одного до четырех баллов практически не замечаются людьми, правда, могут раскачиваться люстры на верхних этажах здания. При показателях от пяти до шести баллов на стенах зданий возникают трещины, лопаются стекла. При девяти баллах рушится фундамент, падают линии электропередач, а землетрясение в двенадцать баллов способно стереть целые города с лица Земли.
Медленные колебания
Во время ледникового периода окутанная льдами земная кора сильно прогнулась. По мере таяния ледников поверхность стала подниматься. Увидеть происходящие в древние времена события можно по береговой линии суши. Из-за движения земной коры география морей изменялась, формировались новые берега. Особенно четко видны изменения на берегу Балтийского моря - и на суше, и на высоте до двухсот метров.
Сейчас под большими массами льда находятся Гренландия и Антарктида. По данным ученых, поверхность в этих местах прогнута почти на треть толщины ледников. Если предположить, что когда-нибудь придет время и льды растают, то перед нами появятся горы, равнины, озера и реки. Постепенно грунт будет подниматься.
Тектонические движения
Причинами движения земной коры является результат перемещения мантии. В пограничном слое между земной плитой и мантией температура очень высокая - порядка +1500 о С. Сильно нагретые слои находятся под давлением земных пластов, что вызывает эффект парового котла и провоцирует смещение коры. Эти перемещения могут быть колебательными, складкообразовательными или разрывными.
Колебательные движения
Под колебательными смещениями принято понимать медленное движение земной коры, которое не ощутимо для людей. В результате таких движений происходит смещение в вертикальной плоскости: одни участки поднимаются, а другие - опускаются. Эти процессы можно выявить, используя особые устройства. Так было выявлено, что Приднепровская возвышенность каждый год поднимается и опускается на 9 мм, а северо-восточная часть Восточноевропейской равнины опускается на 12 мм.
Вертикальные движения земной коры провоцируют сильные приливы. Если же уровень земли опускается ниже уровня моря, то вода наступает на сушу, а если поднимается выше - вода отступает. В наше время процесс отступления воды наблюдается на Скандинавском полуострове, а наступление воды - в Голландии, в северной части Италии, на Причерноморской низменности, а также в южных районах Великобритании. Характерными чертами опускания суши - образование морских заливов. Во время поднятия коры морское дно превращается в сушу. Таким образом сформировались известные равнины: Амазонская, Западно-Сибирская и некоторые другие.
Движения разрывного типа
Если горные породы не обладают достаточной прочностью, чтобы выдержать воздействие внутренних сил, начинается их движение. В таких случаях образуются трещины, разломы с вертикальным типом смещения грунта. Опущенные участки (грабены) чередуются с горстами - поднявшимися горными образованиями. Примером таких разрывных движений являются Алтайские горы, Аппалачи и т.д.
Глыбовые и складчатые горы имеют различия во внутреннем строении. Для них характерны широкие отвесные склоны, долины. В некоторых случаях опущенные места заполняются водой, образуя озера. Одним из самых знаменитых озер России является Байкал. Оно образовалось в результате разрывного движения земли.
Складкообразовательные движения
Если уровни горных пород пластичны, то во время горизонтального движения начинается смятие и сбор горных пород в складки. Если направление силы вертикальное, то породы смещаются вверх и вниз, и только при горизонтальном движении наблюдается складкообразование. Размеры и внешний вид складок может быть любым.
Складки в земной коре образуются на достаточно больших глубинах. Под воздействием внутренних сил они поднимаются наверх. Подобным образом возникли Альпы, Кавказские горы, Анды. В этих горных системах складки отчетливо видны на тех участках, где они выходят на поверхность.
Сейсмические пояса
Как известно, земная кора образована литосферными плитами. На пограничных участках этих образований наблюдается высокая подвижность, возникают частые землетрясения, образуются вулканы. Эти участки называются сейсмологическими поясами. Их протяженность составляет тысячи километров.
Ученые выделили два пояса-гиганта: меридиональный Тихоокеанский и широтный Средиземноморско-Трансазиатский. Пояса сейсмологической активности полностью соответствует активному горообразованию и вулканизму.
В отдельную категорию ученые выделяют первостепенные и второстепенные зоны сейсмичности. Ко вторым относятся Атлантический океан, Арктика, район Индийского океана. Примерно 10 % движений земной коры происходит в этих районах.
Первичные зоны представлены районами с очень высокой сейсмической активностью, сильными землетрясениями: Гавайские острова, Америка, Япония и т. д.
Вулканизм
Вулканизм - это процессы, во время которых происходит движение магмы в верхних слоях мантии и ее приближение к земной поверхности. Типичным проявлением вулканизма является образование геологических тел в осадочных породах, а также выход лавы на поверхность с формированием специфического рельефа.
Вулканизм и движение земной коры - это два взаимосвязанных явления. В результате движения земной коры образуются геологические возвышенности или вулканы, под которыми проходят трещины. Они настолько глубокие, что по ним поднимается лава, горячие газы, пары воды, а также обломки горных пород. Колебания земной коры провоцируют извержения лавы с выбросом огромного количества пепла в атмосферу. Эти явления оказывают сильное влияние на погоду, изменяют рельеф вулканов.
Тектонические движения земной коры происходят под воздействием радиоактивной, химической и тепловой энергий. Эти движения приводят к различным деформациям земной поверхности, а также вызывают землетрясения и извержения вулканов. Все это приводит к изменению рельефа в горизонтальном или вертикальном направлении.
На протяжении долгих лет ученые изучают эти явления, разрабатывают аппараты, позволяющие регистрировать любые сейсмологические явления, даже самые незначительные колебания земли. Полученные данные помогают разгадать тайны Земли, а также предупредить людей о предстоящих извержениях вулканов. Правда, предугадать предстоящее сильное землетрясение пока не удается.
Земная кора состоит из литосферных плит. Для каждой литосферной плиты характерно непрерываемое движение. Люди не замечают таких движений, ведь они происходят чрезвычайно медленно.
Причины и последствия движения земной коры
Все мы знаем, что наша планета состоит из трех частей: земное ядро, земная мантия, и земная кора. В ядре нашей планеты сосредоточенны многие химические вещества, которые беспрерывно вступают в химическую реакцию друг с другом.
В результате таких химических, радиоактивных и тепловых реакций происходят колебания в литосфере. За счет этого, земная кора может двигаться вертикально и горизонтально.
История изучения движений земной коры
Тектонические движения исследовали еще ученые эпохи Античности. Древнегреческий географ Страбон впервые высказал теорию о том, что отдельные участки суши систематически поднимаются. Известный русский ученый Ломоносов называл движения земной коры как долговременные и нечувствительные землетрясения.
Однако более детальное изучение процессов движения земной коры началось в конце 19 века. Американский геолог Джилберт классифицировал движения земной коры на два основных типа: те, которые создают горы (орогенические) и те, которые создают материки (эпейрогенические). Изучением движения земной коры занимались как иностранные, так и отечественные ученые, в частности: В. Белоусов, Ю. Косыгин, М. Тетяев, Э. Хаарман, Г. Штилле.
Типы движения земной коры
Существуют два типа тектонических движений: вертикальные и горизонтальные. Вертикальные движения имеют названия радиальных. Такие движения выражаются в систематическом поднятии (либо опускании) литосферных плит. Зачастую радиальные движения земной коры происходят в качестве последствия сильных землетрясений.
Горизонтальные движения представляют собой смещения литосферных плит. Согласно мнению многих современных ученных, все существующие материки образовались в результате горизонтального смещения литосферных плит.
Значение движения земной коры для человека
Движения земной коры на сегодняшний день угрожают жизни многих людей. Ярким примером является итальянский город – Венеция. Город расположен на участке литосферной плиты, которая с высокой скоростью оседает.
Ежегодно, город опускается под воду – происходит процесс трансгрессии (долгосрочное наступление морской воды на сушу). В истории известны случаи, когда вследствие движения земной коры под воду уходили города и поселки, а через некоторое время поднимались вновь (процесс регрессии).
Движения земной коры
Поверхность нашей планеты постоянно претерпевает изменения. Даже в течение своей жизни человек замечает, как меняется окружающая его природа: осыпаются берега рек, зарастает луг, возникают новые формы рельефа , часто в их возникновении участвует и сам человек. Тогда, если они созданы его руками, такие формы рельефа носят названия антропогенных. Тем не менее, все эти изменения, по большей части, вызваны внешними, экзогенными силами Земли. Наблюдать же внутренние, эндогенные силы планеты воочию доводится далеко не каждому. Должно быть, это и к лучшему, - очень уж грандиозны и временами разрушительны бывают эти внутренние силы, способные перемещать континенты. И вырвавшись на поверхность однажды, внутренние силы могут пробудить спящий вулкан , могут разом изменить окружающий рельеф сильным землетрясением , эти силы куда более мощные в своих проявлениях, чем ветер, текучая вода, движущиеся ледники. И в то время, когда внешние силы Земли годами и веками формируют мелкие и средние формы рельефа, обтачивая камни, шлифуя горы; внутренние силы Земли, пусть и за миллионы лет, эти горы воздвигают и перемещают за тысячи километров отдельные блоки литосферы . Так что даже хорошо, что большая часть этих внутренних процессов скрыта от нас огромной толщей земной коры .
Итак, земная кора движется. Она движется обычно очень медленно вместе с отдельными блоками литосферы - литосферными плитами . Скорость этого движения не превышает несколько сантиметров в год. Иногда, особенно рядом с границами литосферных плит земная кора может прийти в быстрое движение, в результате происходит землетрясение . Причиной движения земной коры , как считают учёные, является движение мантии . Напомним, что недра Земли очень горячие, и мантия представляет собой особое вязкое вещество. С глубиной его температура растёт и уже в ядре она доходит до нескольких тысяч градусов. С нагреванием плотность вещества снижается за счёт его расширения. Справедливо предположить, что в недрах планеты более горячая и менее плотная мантия медленно стремится подняться вверх, а верхние, более холодные слои погружаются вниз, пока снова не нагреются. Этот процесс длится миллионы лет и будет продолжаться, пока недра Земли не остынут. Циркуляция мантии и увлекает за собой сравнительно тонкую (по меркам планеты) .
Быстрые движения хаотичны, они не имеют конкретного направления, и о них мы поговорим в теме "землетрясения" .
Медленные движения земной коры можно подразделить на горизонтальные и вертикальные.
Горизонтальные движения - это, в первую очередь, движения литосферных плит . При столкновении плит образуются горы, на месте их расхождения формируются разломы в земной коре. Яркими примерами таких разломов являются озёра Байкал, Ньяса и Танганьика. На дне океанов в местах разломов также формируются срединно-океанические хребты.
Вертикальные движения - это процессы поднятия и опускания участков суши или дна моря. Вертикальные движения нередко являются следствием горизонтальных столкновений двух литосферных плит. Так на несколько миллиметров в год растут высочайшие на Земле горы Гималаи. Можно наблюдать, как древние античные города за тысячи лет оказались подняты над уровнем моря, и их приморские сооружения оказались вдали от береговой линии. Вероятно, миф об Атлантиде, тоже может иметь свои реальные предпосылки; по крайней мере, затопленные Средиземным морем памятники древних цивилизаций, современными археологами обнаружены. Причина тому - опускания и поднятия земной коры на границе Евразийской и Африканской литосферных плит в районе Средиземноморья. Испытывают поднятия и берега Скандинавии. Однако, вероятно, здесь кора поднимается из-за того, что несколько тысяч лет назад её покрывал огромный ледник. Сейчас ледниковый период давно закончился, а поверхность Земли, испытавшая в этом месте колоссальное давление, всё ещё медленно выпрямляется обратно. Чего не сказать о берегах соседней Голландии, которой наоборот приходится век за веком бороться с надвигающимся морем. Только система дамб и специальных сооружений защищает значительную часть Нидерландов от затопления. Не случайно существует поговорка о том, что Бог создал море, а голландцы создали берега.
Изучать направление движения земной коры помогает особенность залегания горных пород на Земле. Дело в том, что горные породы залегают обычно в виде слоёв, так что вся земная кора напоминает своеобразный слоёный пирог. И чем выше находится слой, тем позже он должен был образоваться. О времени образования слоя геологи обычно судят по окаменелым останкам организмов, которые в нём обнаруживаются. Но иногда слои залегают неровно, они могут сминаться в складки и даже менять расположение. Такие перемещения могут сбить с толку, но они же и могут рассказать о тех движениях земной коры, которые она испытывала в этом месте.
Если один из фрагментов наблюдаемого участка как будто съехал или сдвинулся вниз относительно другого, то это явление называется сброс
. Когда наблюдается очевидное поднятие одного из участков, то это взброс
. Иногда взброс бывает на столько сильным, что приподнятый участок как бы наваливается на соседний, это будет проявляться в повторении одинаковых слоёв сначала в нижнем, а потом в надвинувшемся на него участке. Это явление называется надвиг
.
Если один из фрагментов был поднят над другими - это горст
, а если он словно провалился вниз - это грабен
.
Горные породы, особенно в горах, часто смяты в складки. Складка, поднимающаяся вверх, называется антиклиналь
, а прогнувшаяся вниз - синклиналь
.
Для земной коры свойственны тектонические процессы, которые обусловливают ее постоянную перестройку и развитие. Движущей силой этих процессов является, в основном, внутренняя энергия Земли. Тектонические процессы вызывают движения в земной коре - тектонические движения.
Тектонические процессы в земной коре изучает геологическая наука геотектоника. Изложенное далее относится согласно современным представлениям глобальной геотектоники к внутриплитной тектонике, само же движение материков и земной коры под океанами обусловлено перемещением литосферных плит, таких, например, как
Тихоокеанская или Евразийская. Формирование геосинклинальных зон приурочено к зонам субдукции (подныривания) или обдукции (наползания) одной такой литосферной плиты на другую как в случае с Японскими островами. В связи с тем, что строительство пока сосредоточено преимущественно на суше, т. е. на континетах, расположенных на литосферных плитах, то представления внутриплитной тектоники для инженерной геологии носят весьма важный характер.
Тектонические движения. В земной коре они проявляются по-разному, как во времени, так и в пространстве. Во времени движения проявляются в виде медленных (эпейрогенических) и быстрых (оро-генических - горообразовательных) движений. По положению в пространстве (по преобладающему направлению) тектонические движения бывают радиальные (по радиусам Земли), действующие вертикально вверх и вниз, и тангенциальные, направленные горизонтально. Различный характер движений связан со строением земной коры по горизонтали, т. е. с ее основными структурами.
Основные структуры земной коры. Строение земной коры по горизонтали очень сложное, но для понимания тектонических движений его можно упростить, если принять за основу положение, что земная кора состоит из двух основных структур - платформ и геосинклиналей.
Платформы являются наиболее крупными структурами земной коры. Это континенты и впадины океанов. Это устойчивые, жесткие, малоподвижные структуры. Им свойственны выровненные формы рельефа земной поверхности (типа равнины). Для платформ типичны спокойные, медленные движения вертикального характера (эпей-рогенические).
Геосинклинали - это участки земной коры, являющиеся подвижными сочленениями платформ. Для них характерны разнообразные тектонические движения, среди которых преобладают сильные, резкие, непредсказуемые по времени и в пространстве, с ними связаны вулканизм и сейсмические явления. В геосинклиналях возникают разломы земной коры, происходит интенсивное накопление мощных толщ осадочных пород. Тектонические силы выводят слои осадочных пород из горизонтального положения и придают им форму складок. К геосинклиналям относятся: 1) широтный пояс, который охватывает Средиземноморье, Кавказ, Переднюю Азию и до Индонезии; в состав пояса входят Алтай, Саяны, Прибайкалье, 2) кольцевой Тихоокеанский пояс - Северная и Южная Америки, Япония, Сахалин, Курильские острова, Камчатка, юг Приморья.
Движения платформ. Этим территориям свойственны медленные вертикальные колебательные движения (эпейрогенические). Они выражаются в том, что отдельные участки земной коры на протяжении многих столетий испытывают поднятие, в то время как другие территории опускаются. Движения медленные, длительные по времени, но от них многое зависит: положение границ между сушей и морями, обмеление или усиление размывающей деятельности рек, формирование рельефа Земли, повышение уровней водохранилищ, движение воды в самотечных каналах, положение прибрежных территорий по отношению к уровню моря и многое другое.
Интересно отметить, что платформы (материки) имеют тенденцию к горизонтальным подвижкам. Так, на основе данных, полученных с искусственных спутников Земли, установлено, что только за пять лет Австралия «подплыла» к Японским островам на 38 см (76 мм в год), Европа - на 19 см, Северная Америка - на 11, Гавайские острова - на 39 см (78 мм в год). Ученые подсчитали, что если такой темп движения сохранится, то ближайший к Японии сосед - Гавайские острова сольются с Японскими островами через 100 млн лет.
Для инженерной геологии особый интерес представляют современные вертикальные колебательные движения платформ, вызывающие изменения высот поверхности земли в том или ином районе. Оценку скорости их проявления осуществляют высокоточными геодезическими работами. Годичная скорость современных колебательных движений платформ чаще всего равна нескольким миллиметрам, но имеются участки, где скорость равна 1-2 см/год и даже больше. Цифры небольшие, но за длительное время они вырастают в значительные величины. Так, например, Скандинавия только за последние 50 лет поднялась на 19 см. Много веков интенсивно опускаются районы Нидерландов (40-60 мм/год).
Колебательные движения прослеживаются также в России. Среднерусская возвышенность поднимается на 1,5-2 см/год, район Курска - до 3,6 мм/год. Ряд территорий испытывает опускание поверхности Земли: Москва (3,7 мм/год), Санкт-Петербург (3,6 мм/год), Восточное Предкавказье (5-7 мм/год). Имеются территории, где подъем поверхности Земли происходит более интенсивно. Так, во второй половине XX в. на 14-15 см/год стал подниматься уровень Каспийского моря, что привело к затоплению многих прибрежных участков Астраханской области. К 2000 г. общий подъем уровня моря превысил 2 м. По всей видимости, это связано с тектоническими движениями земной коры в районе Каспийского моря.
Современные колебания поверхности Земли учитывают при строительстве различных объектов: крупных водохранилищ, высоких плотин, мелиоративных систем, но особенно при сооружении аэродромов и космодромов.
Рис. 4.
Вулканизм. Вулканы - это горы или возвышения конусовидной формы, которые созданы выходящей на поверхность Земли магмой (рис. 4). Магма выходит из вулкана, растекается по его склонам и по окружающей местности. В этих случаях магму называют лавой.
Вулканы разделяют на действующие, периодически извергающие магму, и потухшие, которые в настоящее время не действуют. Но история знает случаи, когда потухшие вулканы возобновляли свое действие, так было с вулканом Везувием (Италия), неожиданное извержение которого произошло в 79 г. н. э., что привело к гибели трех городов. Потухший ныне вулкан Казбек (Кавказ) еще действовал в начале четвертичного периода, и его лавы во многих местах залегают на Военно-Грузинской автодороге.
Вулканы приурочены к подвижным участкам земной коры, т. е. к геосинклиналям. На сегодня известно более 850 действующих вулканов, из них 76 располагаются на дне океанов. На территории России вулканы находятся на Камчатке (28 действующих) и на Курильских островах (10 действующих). Наиболее крупными являются вулканы Ключевская Сопка (высота конуса горы 4850 м), Авачинский, Ка-рымский, Безымянный.
Извержения вулканов происходят по-разному - в виде взрывов и бурного излияния лавы или спокойно, без взрывов, когда лава медленно растекается по округе вулканического конуса. Вулканы Камчатки и Курильских островов относятся к наиболее опасным, т. е. взрывным. Извержение таких вулканов начинается с подземных толчков (землетрясений, иногда силой до 5 баллов), далее следуют взрывы с выбросом лавы, газов и водяных паров.
Лавы образуют потоки, ширина и длина которых зависит от уклонов конусов горы и окружающего рельефа местности. Известен случай (Исландия), когда длина лавового потока достигла 80 км при его мощности 10-50 м. Скорость потоков различная, зависит от типа магмы и колеблется от 5-7 до 30 км/ч. При взрыве вулканов из их жерла одновременно с лавой вылетает твердый материал в виде обломков разных размеров: 1) глыбы (бомбы) весом несколько тонн; 2) куски, которые называют лапилли (1-3 см в диаметре) и 3) частицы в виде песка и пыли. Пылеватые частицы называют вулканическим пеплом. Все эти обломки разлетаются на различные расстояния и создают многометровые наносы. Наиболее далеко уносится вулканический пепел (сотни и даже тысячи километров).
Одновременно с лавой и камнями вулканы выбрасывают газы. В большинстве случаев газы ядовиты. Не менее опасны водяные пары, которые быстро конденсируются, что приводит к образованию на склонах и у подножий конусов грандиозных грязевых потоков (селей). Они обладают большой разрушительной силой и создают многометровые наносы.
Вышесказанное подтверждает, что автодороги и, особенно, аэродромы следует строить на определенном отдалении от действующих вулканов.
Расстояние обычно определяют исходя из многолетнего опыта строительства в каждом конкретном районе и с учетом особенностей извержений того или иного вулкана.
Интересен один из случаев, когда люди пытались бороться со стихией. Извержение вулкана Этна (Сицилия) продолжалось 130 дней. В потоки лавы было заброшено 300 т цементных блоков, связанных тяжелыми стальными цепями. Это изменило направление главного потока.
Сейсмические явления
Сейсмические (от греч. Бе^тоз - сотрясение) явления - упругие колебания земной коры, происходящие вследствие того, что в ее недрах (или в верхней мантии) возникают напряжения, которые в конечном итоге под действием тектонических сил находят выход в деформации сжатых пород, в образовании разрывов, что проявляется в виде толчков. Таким образом, сейсмические толчки - явление чисто механическое. При толчках возникают упругие волны, которые распространяются во все стороны от мест разрывов. Эти волны называются сейсмическими.
Если большинство пород, слагающих земную кору, рассматривать как упругую среду, то сейсмические волны передают деформации, возникающие в горных породах, на значительные расстояния и с большой скоростью. Эти волны по виду деформаций делятся на продольные и поперечные.
Продольные волны (или волны сжатия - растяжения) заставляют колебаться частицы пород в направлении, совпадающем с движением волны. Поперечные волны (или «волны сдвига») распространяются в направлении, перпендикулярном направлению движения продольных волн. Скорость и энергия этих волн в 1,7 раза меньше, чем у продольных.
При встрече подземных упругих волн с поверхностью земли возникает новый вид колебательного движения - так называемые поверхностные волны. Это обычные волны тяжести, которые приводят к деформациям поверхности земли (рис. 5).
Место, где возникает сейсмический толчок, лежащее в глубине земной коры, носит название гипоцентра. Глубина залегания гипоцентра бывает 1 - 10 км - поверхностные сейсмические явления;
Рис. 5. Схема распространения сейсмических волн на поверхности земли (Г) и
в земной коре (2):
Г - гипоцентр; Э - эпицентр. Сейсмические волны: / - продольные; 2- поперечные; 3- поверхностные
Рис. 6. Последствия землетрясений: а - в городском квартале; б - на горном плато в Иране
30-50 км - коровые и 100-700 км - глубокие. Наиболее разрушительными являются поверхностные сейсмические явления.
Проекция гипоцентра на дневную поверхность называется эпицентром. Сила удара продольной волны в эпицентре максимальна.
Анализ случаев сейсмических явлений показал, что в сейсмически активных районах Земли до 70 % гипоцентров располагается до глубины 60 км.
Продолжительность действия сейсмических волн обычно ограничивается несколькими секундами, иногда минутами, но бывают случаи и более длительного воздействия. Так, например, в 1923 г. на Камчатке сейсмическое явление продолжалось с февраля по апрель (195 толчков).
Сотрясения земной коры сейсмического происхождения происходят очень часто и как стихийное бедствие после ураганов и тайфунов занимают второе место по величине материального ущерба, наносимого человечеству (рис. 6). Ежегодно на земном шаре регистрируется около 100 тыс. сейсмических явлений, из которых около 100
Р и с 6. Продолжение
приводят к разрушениям, а в ряде случаев к катастрофам, как, например, в Токио (1923 г.), Сан-Франциско (1906 г.), в Чили и на острове Сицилия (1968 г.). Исключительное по силе сейсмическое явление произошло в Монголии (1956 г.) Один из горных пиков раскололся пополам, часть горы высотой 400 м обрушилась в ущелье, образовалась сбросовая впадина длиной до 18 км и шириной около 800 м, на
- 5 м и более
- 0,5...1,0 м
Рис. 7.
поверхности земли появились трещины шириной до 20 м, главная из которых протянулась на 250 км.
Сейсмические явления возникают как на суше, так и на дне океанов. В связи с этим среди них различают моретрясения и землетрясения.
Моретрясения возникают в океанических впадинах Тихого, реже Индийского и Атлантического океанов. Быстрое поднятие и опускание дна порождает на его поверхности пологие волны (цунами) с расстоянием между гребнями в несколько километров и высотой в многие метры (рис. 7). При подходе к берегам вместе с подъемом дна высота волны увеличивается до 15-20 м и более. Уникальный случай произошел в 1964 г. на Аляске, где высота волны достигла 66 м при скорости движения 585 км/ч.
Цунами передвигаются на расстояния в сотни и даже тысячи километров со скоростью 500-800 км/ч и более.
В России цунами бывают в Тихом океане у берегов Камчатки и Курильских островов. Одно из таких цунами было в 1952 г. Перед приходом волны море отступило на 500 м, а через 40 мин волна со страшной силой ударила в берег, разрушила все постройки и дороги, покрыла прибрежную территорию песком, илом и обломками пород. Через некоторое время, вслед за первой, пришла вторая волна высотой в 10-15 м, которая довершила разгром берега ниже десятиметровой отметки.
Цунами возникают реже землетрясений. Так, за 200 последних лет на Камчатке и Курилах их было всего 14, из которых четыре были катастрофическими. Последнее глобальное катастрофическое цунами произошло в Индийском океане в конце декабря 2004 г., когда по общим оценкам погибло более 200 тыс. человек в Индонезии и странах Индокитая.
Строительство автодорог и аэродромов на берегах, куда может подойти цунами, требует выполнения защитных мероприятий. В России, как и в сопредельных странах Тихоокеанского региона, действует служба наблюдений, которая своевременно оповещает о приближении цунами. Это позволяет укрыть людей от опасности. Автомобильные дороги размещают на высокой части рельефа, при необходимости прикрывают берега железобетонными молами, ставят волноотбойные стены, создают защитные земляные насыпи.
Землетрясения - это сейсмические явления на суше. В России землетрясения бывают на Кавказе, Алтае, Саянах, Прибайкалье, Сахалине, Курильских островах и Камчатке. Все эти территории находятся в геосинклинальном поясе. До настоящего времени только эти районы считались сейсмическими, но уже во второй половине XX в. стало очевидным, что землетрясения при определенных условиях могут возникать и на платформах, хотя они в отличие от тектонических землетрясений имеют другое происхождение.
По происхождению для суши предлагается различать четыре типа землетрясений:
- 1. Тектонические, вызванные тектоническими силами земной коры и составляющие подавляющее большинство землетрясений. Они характеризуются широкими площадями и большой силой или, иначе говоря, высокой балльностью.
- 2. Вулканические, связанные с извержением вулканов и имеющие локальное распространение, но иногда большой силы.
- 3. Денудационные (обвальные и провальные), порождаемые падением больших массивов горных пород со склонов или падением в провалы в результате карстообразования. Такие землетрясения имеют также локальный характер и сравнительно небольшую силу.
- 4. Техногенные, связанные с производственной деятельностью человека.
На сегодня вполне очевидно, что производственная деятельность человека может влиять на сейсмическую обстановку даже на глобальном уровне. Это так называемые наведенные землетрясения. Они могут быть вызваны заполнением обширных водохранилищ, откачкой нефти, газа, межпластовых подземных вод, ядерными взрывами, массированными военными бомбардировками и т. д. Вышеприведенный перечень показывает, что человек может оказывать определенное воздействие на геологическое пространство и своей деятельностью
Рис. 8.
способен создавать побудительные причины негативных тектонических событий, известных как природно-техногенные катастрофы.
Оценка силы землетрясений. Человечество уже многие столетия ведет наблюдение и регистрацию землетрясений на земном шаре. Теперь широко используется специальная аппаратура, в частности, сейсмографы, которые позволяют качественно определять, где произошло землетрясение, и оценивать его силу. Приборы автоматически регистрируют колебания Земли и вычерчивают сейсмограмму (рис. 8).
В настоящее время выявлена зависимость землетрясений от строения, состава и состояния земной коры. Это выглядит следующим образом.
- 1. В плотных породах скорость распространения сейсмического толчка больше, нежели в рыхлых связных и несвязных осадочных породах, однако сила землетрясения (его балльность), наоборот, возрастает в последних.
- 2. Обводненность, водонасыщение, высокое положение уровня грунтовых вод увеличивают интенсивность землетрясений. Территории, сложенные плывунами, илами, заболоченными и обводненными осадочными породами, являются районами повышенной интенсивности землетрясений.
- 3. Геологические структуры и тектонические нарушения, расположенные поперек движения сейсмических волн, могут уменьшать интенсивность землетрясений.
- 4. Отдельно стоящие и резко очерченные формы рельефа поверхности земли (холмы, крутые склоны гор и оврагов) могут повышать сейсмичность территории.
Каждое землетрясение обязательно сопровождается рядом физических явлений. Это звуки, световые эффекты, волны на твердых средах, обвалы, оползни и оплывы, трещины и провалы в земле, разрушения домов, дорог и мостов. Очень характерны звуки в виде «подземного гула».
Интенсивность проявления землетрясений на поверхности земли (сотрясаемость поверхности) оценивается по сейсмическим шкалам. В России для оценки силы землетрясений используется шкала, состоящая из 12 баллов (табл. 1). Каждому баллу отвечает определенная величина сейсмического ускорения - а, мм/с 2 , вычисляемая по формуле
а = 4п 2 А/Т 2 ,
где Л - амплитуда колебаний, мм; Т - период колебаний сейсмической волны, с. По величине а определяют коэффициент сейсмичности, который необходим для оценки прочности и устойчивости сооружений:
Кс = а/&
где # - ускорение силы тяжести, мм/с 2 .
Таблица 1
Сейсмическая 12-балльная шкала
Кроме 12-балльной шкалы, которая используется во многих странах мира, очень известной является шкала Рихтера (шкала магнитуд - М). Магнитуды - это расчетные величины. Максимальные значения магнитуд М- 8,5-9.
Строительство автодорог и аэродромов. Важное место занимает сейсмическое районирование территорий и прогноз проявления возможных землетрясений. Сейсмическое районирование выражается в составлении сейсмических карт, по которым можно определять значение максимального балла для данной территории (рис. 9). Эго трудная задача. В последние годы карты периодически обновляют, так как сейсмичность земной коры в ряде районов возрастает. В большинстве случаев на новых картах значения баллов повышают. Стихия коварна. Это можно видеть на следующем примере. В 1976 г. землетрясение
Р и с. 9. Карта сейсмического районирования. Линии сейсмических баллов:
I - от 1 до 5; II - от 5 до 7; III - до 8
в Узбекистане (8 баллов) разрушило поселок Газли. Поселок отстроили, но в 1984 г. землетрясение повторилось, но уже силой 9 баллов и он был снова разрушен.
В последние годы в России создана Карта общего сейсмического районирования территории страны (имеется в виду Карта тектонических землетрясений). Из этой карты видно, что если раньше особо опасными по сейсмике считались Сахалин, Камчатка, Курилы, то теперь к этим территориям относят Восточную Сибирь и примыкающие к ней Прибайкалье и Забайкалье, включая горный Алтай. Для этих территорий возможны землетрясения в 9 баллов (по шкале Рихтера - Л/до8,5). Впервые на Карте появились зоны 10-балльных землетрясений (Сахалин, Камчатка, Курилы). Раньше таких районов в России не было. Территория Северного Кавказа с 6-7-балльной оценки переведена на 9-балльную.
Прогноз землетрясений. Предотвратить землетрясения нельзя. Прогноз требует ответа на три вопроса - где, какой силы и когда произойдет землетрясение. Наука работает в этом направлении, но точные достоверные ответы пока отсутствуют.
Строительство при прогнозе землетрясений в 6 баллов и больше осуществляется согласно Строительным нормам и правилам (СНиП). Величину балла определяют по Карте и корректируют в зависимости от рельефа, геологии и гидрогеологии данной местности. Корректировку баллов осуществляют только в ббльшую сторону.
В сейсмических районах автодороги и аэродромы рекомендуется строить вдали от крутых склонов гор и обрывов, откосы выемок и земляного полотна свыше 4 м делают более пологими, при 6 баллах и более высота насыпей и глубина выемок не должны превышать 15-20 м, водонасыщенные грунты под насыпями следует осушать дренажами, особое внимание уделяется повышению устойчивости мостов, которые опасно строить на тектонических разломах.
Вопрос 1. Что такое земная кора?
Земная кора - внешняя твёрдая оболочка (кора) Земли, верхняя часть литосферы.
Вопрос 2. Какие существуют виды земной коры?
Материковая кора. Она состоит из нескольких слоев. Верхний - слой осадочных горных пород. Мощность этого слоя до 10-15 км. Под ним залегает гранитный слой. Горные породы, которые его слагают, по своим физическим свойствам сходны с гранитом. Толщина этого слоя от 5 до 15 км. Под гранитным слоем располагается базальтовый слой, состоящий из базальта и горных пород, физические свойства которых напоминают базальт. Толщина этого слоя от 10 до 35 км.
Океаническая земная кора. Она отличается от материковой коры тем, что не имеет гранитного слоя или он очень тонок, поэтому толщина океанической земной коры всего лишь 6-15 км.
Вопрос 3. Чем отличаются виды земной коры друг от друга?
Виды земной коры отличаются друг от друга толщиной. Общая толщина материковой земной коры достигает 30-70 км. Толщина океанической земной коры всего лишь 6-15 км.
Вопрос 4. Почему мы не замечаем большую часть движений земной коры?
Потому что земная кора движется очень медленно, и только при трениях между плитами возникают землетрясения.
Вопрос 5. Куда и как движется твёрдая оболочка Земли?
Каждая точка земной коры движется: поднимается вверх или опускается вниз, смещается вперёд, назад, вправо или влево относительно других точек. Их совместные передвижения приводят к тому, что где-то земная кора медленно поднимается, где-то опускается.
Вопрос 6. Какие виды движения характерны для земной коры?
Медленные, или вековые, движения земной коры - это вертикальные движения поверхности Земли со скоростью до нескольких сантиметров в год, связанные с действием процессов, протекающих в её недрах.
Землетрясения связаны с разрывами и нарушениями целостности горных пород в литосфере. Зона, в которой зарождается землетрясение, называется очагом землетрясения, а район, расположенный на поверхности Земли точно над очагом, - эпицентром. В эпицентре колебания земной коры особенно сильны.
Вопрос 7. Как называется наука, изучающая движения земной коры?
Наука, занимающаяся изучением землетрясений, называется сейсмологией, от слова «сейсмос» - колебания.
Вопрос 8. Что такое сейсмограф?
Все землетрясения чётко фиксируются чувствительными приборами, которые называются сейсмографами. Сейсмограф работает на основе принципа маятника: на любые, даже самые слабые колебания земной поверхности чувствительный маятник обязательно отреагирует. Маятник качнётся, и это движение приведёт в действие перо, оставляющее след на бумажной ленте. Чем сильнее землетрясение, тем больше колебания маятника и заметнее след пера на бумаге.
Вопрос 9. Что такое очаг землетрясения?
Зона, в которой зарождается землетрясение, называется очагом землетрясения, а район, расположенный на поверхности Земли точно над очагом, - эпицентром.
Вопрос 10. Где расположен эпицентр землетрясения?
Район, расположенный на поверхности Земли точно над очагом, - эпицентром. В эпицентре колебания земной коры особенно сильны.
Вопрос 11. Чем отличаются виды движения земной коры?
Тем, что вековые движения земной коры происходят очень медленно и незаметно, а быстрые движения коры (землетрясения) – быстро и имеют разрушительные последствия.
Вопрос 12. Как можно обнаружить вековые движения земной коры?
В результате вековых движений земной коры на поверхности Земли сухопутные условия могут сменяться морскими - и наоборот. Так, например, можно обнаружить на Восточно-Европейской равнине окаменевшие раковины принадлежавшие моллюскам. Это говорит о том, что там когда-то было море, но дно поднялось и теперь там холмистая равнина.
Вопрос 13. Почему возникают землетрясения?
Землетрясения связаны с разрывами и нарушениями целостности горных пород в литосфере. Большинство землетрясений возникает в районах сейсмических поясов, самый крупный из которых - Тихоокеанский.
Вопрос 14. В чём состоит принцип работы сейсмографа?
Сейсмограф работает на основе принципа маятника: на любые, даже самые слабые колебания земной поверхности чувствительный маятник обязательно отреагирует. Маятник качнётся, и это движение приведёт в действие перо, оставляющее след на бумажной ленте. Чем сильнее землетрясение, тем больше колебания маятника и заметнее след пера на бумаге.
Вопрос 15. Какой принцип положен в основу определения силы землетрясения?
Силу землетрясений измеряют в баллах. Для этого разработана специальная 12-балльная шкала силы землетрясений. Силу землетрясения определяют по последствиям этого опасного процесса, то есть по разрушениям.
Вопрос 16. Почему вулканы чаще всего возникают на дне океанов или на их берегах?
Возникновение вулканов связано с прорывом на поверхность Земли вещества из мантии. Чаще всего это происходит там, где земная кора имеет небольшую толщину.
Вопрос 17. Используя карты атласа, определите, где чаще происходят извержения вулканов: на суше или на дне океана?
Больше всего извержений происходит на дне и берегах океанов на стыке литосферных плит. Например, вдоль Тихоокеанского побережья.
