Geum.ru

Лекция 1 Предмет и задачи науки, общие понятия, разделы «Геодинамика Воронежской антеклизы»

Вид материалаЛекция

Содержание


Карта движения литосферных плит
Подобный материал:
Лекция 1


1. Предмет и задачи науки, общие понятия, разделы


«Геодинамика Воронежской антеклизы». Из названия следует, что эта дисциплина относиться к блоку региональных, но так как вам не читалось общего курса по геодинамике, то для начала, выясним, а что вообще это такое геодинамика. Это наука о геологических процессах былых и настоящих, которые формировали и формируют геологические и геоморфологические структуры земной коры. В этом плане она сродни геотектонике, но с тем отличием, что если тектоника изучает эндогенные (гипогенные) процессы, происходящие в недрах планеты, то геодинамика рассматривает также и процессы, происходящие на ее поверхности, известные как экзогенные или гипергенные. Геотектонику вам читает в этом семестре Лукьнов, а геодинамику Ненахов читает только геологам, что, на мой взгляд, не совсем правильно, так как в экологической геологии отдельным вопросом рассматривается эколого-геодинамическая функция литосферы как базовая для других ее функций – геохимической, геофизической, ресурсной. Поэтому нам волей - неволей придется обращаться к общим вопросам, преломляя их через призму региональных. Однако кое, что вы уже знаете из курсов по общей геологии, структурной геологии, геоморфологии, исторической геологии, так как по своей сути геодинамика является синтезирующей дисциплиной. Она использует данные всех геологических наук.

Она появилась совсем недавно и в связи с развитием тектоники плит, т. е это вторая половина 60 г.г ХХ столетия. Геодинамика претендует на создание теории процессов, но справедливости ради надо сказать, что пока объясняет их в определенной мере гипотетически. Отсюда не однозначность доказательств и разделение исследователей на сторонниковвв и противников тех или иных взглядов.

Одно бесспорно - Земля планета весьма динамичная, и некоторые ученые сравнивают ее с живым организмом. Ее недра и поверхность ни на минуту не пребывают в состоянии покоя. Если бы удалось отснять фильм о земной поверхности, фотографируя из космоса по одному кадру каждое тысячелетие, а затем просмотреть этот фильм с обычной скоростью, то мы увидели бы на экране непрерывно бурлящее каменное варево. В таком, почти трехчасовом, просмотре мы едва бы успели заметить людей, появившихся на Земле лишь в последние секунды этого фильма

Одни участки земной тверди медленно воздымаются, возникают горные сооружения, другие опускаются и на их месте образуются моря и океаны. Время от времени местами из недр изливается расплавленная магма. Гигантские трещины пронизывают внешнюю каменную оболочку Земли - литосферу. Литосфера весьма неоднородна не только на глубину, но и на поверхности. Где- то есть горы, а где-то равнины, в одних местах людей беспокоят вулканы, землетрясения, цунами, а в других их нет. А вот почему происходит так, а не иначе на это и должна дать ответ геодинамика.

Она состоит из двух разделов: глубинной (эндогенной) и поверхностной или экзогенной геодинамики. Если первая изучает горнило Земли, ее кузницу, где происходят высокоэнергетические процессы, связанные с высокими температурами и давлением, то вторая - динамику поверхностных процессов, энергетической основой которых является гравитация, солнечная радиация и жизнедеятельность организмов.

Разделение геодинамики на эндогенную и экзогенную не абсолютно, так как эндогенные и экзогенные источники энергии взаимосвязаны. Приливные воздействия солнца и луны являются внешними, но влияют на тектонические процессы, создавая дополнительные напряжения в твердом веществе литосферы. А гравитация проявляет себя лишь при разности отметок рельефа, который первично обязан эндогенным силам. Любые процессы в природе это по сути лишь трансформация форм энергии. Они могут протекать с разной скоростью или интенсивностью, а также направленностью в зависимости от разности энергетических потенциалов между точками пространства. Когда мы говорим о динамизме процессов, то имеем в виду их направление и интенсивность, что воспринимаем как движение.

Одним из наиболее зримых для человека проявлений эндогенной геодинамики являются землетрясения и вулканизм. Землетрясения сотрясают и меняют лик Земли, хотя и разрушительны лишь в непосредственной близости от эпицентров. На больших же расстояниях, вплоть до противоположной стороны земного шара, землетрясения регистрируются только чувствительными приборами - сейсмографами. Благодаря сейсмическим волнам, пронизывающим земные недра и записанным сейсмографами, стало известно о глубинном строении нашей планеты и движении ее недр. Вот как еще в начале прошлого века образно определил эти свойства сейсмических волн основоположник отечественной сейсмологии академик князь Борис Борисович Голицын Он писал:

"Можно уподобить всякое землетрясение фонарю, который зажигается на короткое время и освещает нам внутренность Земли, позволяя тем самым рассмотреть то, что там происходит. Свет этого фонаря пока еще очень тусклый, но не подлежит сомнению, что со временем он станет гораздо ярче и позволит нам разобраться в этих сложных явлениях природы".

Природа землетрясений в основном связана с разгрузкой напряжений в литосфере, с движением и взаимодействием литосферных плит - своеобразных "осколков" внешней каменной оболочки Земли. Образно выражаясь, строение земного шара можно представить в виде куриного яйца, сваренного всмятку и приплюснутого с полюсов. Тогда желток будет изображать ядро Земли. Оно жидкое, расплавленное, словно сталь в мартеновской печи, и по соотношению размеров занимает примерно половину шара. В самом центре планеты имеется небольшое твердое ядро, не менее раскаленное, но из-за чрезвычайно высокого давления не поддающееся плавлению.

Следующая оболочка, расположенная над ядром, напоминает белок в вареном яйце. Это мантия Земли. Она пластична и поэтому может деформироваться, не создавая трещин.

Скорлупа же яйца - это, в нашем представлении, относительно тонкая, твердая и значительно охлажденная литосфера. Внешняя ее часть называется земной корой. Это - самая хрупкая оболочка планеты. Она-то и "трещит по швам", если ее как следует сдавить. Разломы земной коры и возникающие новые трещины - это и есть "швы", порождающие очаги землетрясений, которые сотрясают окрестности, разрушают природную среду и созданные руками человека объекты.

Внутриземными геодинамическими процессами литосферная "скорлупа" разбита на ряд плит. Перемещаясь по земной сфере, плиты взаимодействуют друг с другом. Самые активные в сейсмическом отношении районы это и есть границы между ними. Движут же плиты термодинамические процессы, развивающиеся в земных недрах. Горячие и потому менее плотные массы мантии Земли медленно выжимаются вверх, а охлаждаясь, вновь опускаются вглубь планеты. Растекаясь в разные стороны под литосферой, вещество верхней мантии разрывает и раздвигает литосферные плиты, внедряется в образующиеся разрывы, постепенно наращивая горизонтальную протяженность плит. Эти процессы происходят, главным образом, на территории океанов, где литосфера более тонкая, а как известно. - где тонко там и рвется. При этом она здесь сложена более плотными породами, а потому по гипсометрии ниже, чем континенты с их более легким породами, соответственно именно океанические сегменты коры скрыты под водой.

Геодинамические перемещения литосферных плит протекают довольно медленно - несколько миллиметров или сантиметров в год, но это лишь в сравнении с длительностью человеческой жизни медленно, в масштабах же геологической жизни это весьма ощутимо.

Примером раздвигающихся границ литосферных плит может служить протяженная Срединноатлантическая рифтовая зона. По разные стороны от нее уже сотни миллионов лет продолжается расширение (спрединг) дна Атлантического океана и "отплывание" с заметной скоростью 10-15 сантиметров в год материков обеих Америк (Северной и Южной) от Европы и Африки. Не случайно западные и восточные берега Атлантики подобны друг другу, на что в свое время первым обратил внимание Альфред Вегенер - автор концепции "плавающих материков" - прообраза современной теории "тектоники литосферных плит".

Поскольку радиус земного шара заметно не меняется (хотя имеются на этот счет и другие мнения), перемещающиеся по сфере литосферные плиты, наращиваемые в рифтах, начинают либо наползать друг на друга, создавая горные массивы (коллизия плит), либо подползать одна под другую, дугообразно погружаясь в верхнюю мантию и оставляя на поверхности лишь следы в виде цепей вулканов и островных дуг, подобных Курило-Камчатчкой. Здесь литосферная "скорлупа" погружается на глубину до 600-700 км, сопровождаясь очень крупными сейсмическими подвижками. Глубже литосфера расплавляется в верхней мантии и уже не "трещит". Когда-нибудь Курило-Камчатская дуга, как и другие зоны субдукции в этой части Тихого океана, сблизится с материком Евразии, исчезнет Охотское море, а Сахалин и Японские острова вплотную "примкнут" к нынешним Сибири и Дальнему Востоку, возникнут новые горные массивы. Такое, например, случилось около 30 миллионов лет назад с высокогорными ныне Гималаями, представлявшими до этого аналогичную островную дугу в древнем Индийском океане. Нынешний Индийский полуостров "приплыл" сюда, оторвавшись свыше сотни миллионов лет назад от Африки в районе Мадагаскара. Он-то и прижал Гималайскую дугу к Центральной Азии и по сей день продолжает деформировать высокогорный Тибет, Саяны, Алтай, Прибайкалье и всю территорию к востоку и северо-востоку от него, порождая повышенную сейсмическую активность. Реликты древних зон субдукции можно найти и во многих других континентальных районах Земли.

Очаги землетрясений возникают не только на границах литосферных плит. Под гигантским напором последних образование разломов и подвижки по ним происходят и вдали от этих границ. Это так называемые внутриплитные землетрясения. По своей интенсивности они могут быть не менее значительными, чем межплитовые, происходящие в рифтовых зонах и в зонах субдукции. Однако, к счастью, такие землетрясения чрезвычайно редки. Не столь часты и слабые внутриплитовые сейсмические явления. Именно такая сейсмичность охватывает практически всю внутриматериковую часть территории нашей страны.

Ю.О.Кузьмин доктор наук сотрудник РАН ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ им. О.Ю.ШМИДТА в результате комплексного обобщения большого массива данных о современных движениях земной поверхности, которые были получены на специально организованных геодинамических полигонах, получил принципиально новые данные о современном геодинамическом состоянии недр. Был обнаружен новый класс тектонических внутриплитовых движений - современные суперинтенсивные деформации (СД) земной поверхности в зонах разломов. При этом наиболее парадоксальный и неожиданный результат заключается в том, что наибольшая интенсивность аномальных деформаций наблюдается в зонах разломов платформенных, в целом слабосейсмичных регионов. Эти аномальные деформационные процессы высокоамплитудны (свыше 50 мм в год, короткопериодичны (от первых месяцев до первых лет), пространственно локализованы (от первых сотен метров до первых километров) и обладают пульсационной знакопеременной направленностью.

Полученные эмпирические обобщения указывают на то, что в качестве источников СД аномалий должны выступать процессы, протекающие внутри самих зон разломов. Формирование СД-процессов непосредственно не вызвано ходом регионального (внешнего по отношению к объему среды, контролируемому системой наблюдений), а обусловлено изменениями параметров (модули жесткости, коэффициенты трения и т.д.) изначально нагруженной среды внутри самих разломных зон. Возникающие при этом СД-аномалии рассматриваются как параметрические т.к. согласно теории механических колебаний вывод любой системы из состояния равновесия (возбуждение системы) возможен двумя путями: либо за счет внешнего, силового воздействия, либо за счет изменения внутренних параметров самой системы. В целом, физическая природа возникновения параметрических деформаций представляется следующим образом. Геологическая среда находится в обстановке внешних и внутренних (эндогенные и экзогенные), квазистатических (глобальные и региональные поля напряжений) и динамических (приливы, неравномерности вращения Земли, процессы подготовки землетрясений, сейсмические волны, техногенные процессы и т.д.) нагрузок. Кроме того, в разломных зонах, особенно осадочных бассейнов, постоянно присутствует и перераспределяется динамически активная и химически агрессивная флюидная система.

Взаимодействие и кооперативное влияние всех этих факторов реализуется в первую очередь в условиях повышенной концентрации дефектов среды, т.е. в зонах разломов с неустойчивыми механическими характеристиками, посредством кратковременных флуктуаций жесткостных характеристик горных пород в локальных объемах, что и приводит к возникновению СД-процессов.

Проведенные исследования показали, что СД-аномалии возникают, как правило, под влиянием малых воздействий. Так, например, выявлено возбуждение СД-процессов выпадением атмосферных осадков, землетрясениям, произошедшего за 100 км от пунктов наблюдений, и т.д. Источники СД-процессов залегают в диапазоне глубин от первых десятков метров до первых километров, имеют (в сечении) форму длинных (0.05 км - 0.5 км), вертикально ориентированных прямоугольников, приуроченных к зонам залегания флюидонасыщенных, трещиноватых пород. Обнаружение СД-процессов в зонах разломов позволили поставить и решить целый ряд важных практических задач. Наиболее значимыми из них явились:

1). Показано, что СД-аномалии способны приводить к изменениям дебитов нефтяных скважин на уровне 10 - 30 процентов.

2) На примере ряда месторождений показана пространственная приуроченность аварийных ситуаций на скважинах и трубопроводных системах к зонам СД-процессов в этих зонах.

3) Разработана методика оценки риска особо ответственных и экологически вредных объектов (АЭС и месторождения УВ), и на а примере аномальной деформируемости тоннелей Московского метрополитена

4) Показано, что СД-процессы определяют эколого-геодинамический риск в двух формах: прямом (выбросы токсичных флюидов из активизированных разломов) и косвенном (влияние СД на аварийность экологически опасных для человека и среды его обитания объектов).

4) Обоснована необходимость учета эколого-геодинамического риска при решении такой глобальной экологической проблемы, как парниковый эффект.

Вопросы эндогенной геодинамики наиболее сложные, потому что о причинах и закономерностях движения блоков земной коры можно судить, лишь опираясь на данные самых различных наук, синтезируя их и выстраивая в теорию или как принято теперь говорить - предлагая модель. Помимо тектоники плит существуют и другие тектонические модели глобальных движений в литосфере. Наиболее известной ранее была теория геосинклиналей, которая возникла из формационного анализа горных сооружений, где создавалось впечатление о цикличном волнообразном развитии структур главным образом в вертикальной плоскости при незначительной роли горизонтальной составляющей вектора перемещения горных масс. Эти процессы непосредственно наблюдать геолог не может из-за несопоставимости геологического времени и времени его жизни, поэтому сами процессы и их динамика остаются за скобками. А вот тектоника плит превратилась в геодинамику, потому что исследователи вдруг убедились в том, что отдельные блоки литосферы, названные плитами, из-за их значительной протяженности в плане, находятся в реальном движении, которое можно измерить. Есть все признаки этого движения - скорость и направление. Однако о самих процессах, вызывающих это движение мы можем судить лишь умозрительно, так как саму кухню их не видим, она спрятана достаточно глубоко. Говорят о глубинных конвективных ячейках в астеносфере, которые возникают за счет разности температуры, Такая конвекция имеет место, например в водоемах. Твердое и хрупкое вещество земной коры, разбитое на плиты в результате такого движения глубинного основания вовлекается в этот глобальный конвейер. Там, где глубинное и плотное вещество расплавленного слоя верхней мантии поднимается к поверхности, возникают растягивающие усилия относительно максимума вектора поднятия, образуется рифт, раскалывающий плиту, и образовавшиеся половинки плиты начинают под растягивающимися усилиями расходиться в противоположных направлениях, давая начало росту океана. Эта часть плитного конвейера называется зоной спрединга. Здесь наблюдаются извержения магмы основного и ультраосновного состава, землетрясения, сульфидное рудообразование. Возникают срединно-океанические хребты (СОХ), осевая часть которых представлена протяженной трещиной растяжения - рифтовой долиной, через которую и поступает магма.

На противоположной опускающейся ветви конвективной ячейки тяжелые океанические плиты вовлекаются в погружение под более легкие континентальные плиты. Здесь возникает зона субдукции, где доминируют сжимающие усилия. По мере погружения и возрастания температуры вещество твердой плиты начинает плавиться, появляются вторичные магмы, которые в этой части конвективной ячейки в целом более кислого состава, чем в зоне спрединга, так как верхний осадочный слой в целом отличается более кислым составом, т.е более богат кремнием, алюминием и щелочами, по сравнению с нижними слоями плиты, сложенной базальтами, габрро, в которых доминируют щелочно-земельные элементы и железо. Зоны сжатия проявляются в виде парных структур - вулканическая островная дуга и компенсирующий ее глубоководный желоб. Они представляют активные окраины континентов, как так называемое Тихоокеанское огненное кольцо, опоясывающее наш Дальний Восток, Японские острова со стороны Азии и западные побережья обеих Америк. Здесь тяжелые океанические плиты «подныривают» под легкие континентальные плиты Азии и Америки. В другом случае, когда сталкиваются плиты с веществом равной плотности, возникают коллизионных структур торошения. Так возникли Гималаи.

Экзогенные (внешние) и эндогенными процессы месте формируют ландшафтный лик нашей планеты и, прежде всего, рельеф. При этом они имеют как бы противоположную направленность. Эндогенные создают разность гравитационных потенциалов, а экзогенные нивелируют ее, увеличивая энтропию рельефа - сглаживая его. Эндогенные процессы. создают первичный рельеф в виде линейных складчатых гор или блочных - глыбовых поднятий или наоборот опусканий, а экзогенные сглаживают его: эродируя поднятия и засыпая одновременно впадины осадками: т.е. эрозия и аккумуляция вместе выступают как деструктивная сила, обратно направленная по отношению к тектоническим усилиям. Но при этом создается наложенный вторичный или скульптурный рельеф, то, что мы обычно в качестве рельефа и воспринимаем. А по сути это лишь то, что остается от первичного рельефа.

Процесс денудации протекает достаточно быстро и если не будет повторных тектонических подвижек, очень скоро сформируется равнина на месте горной страны. Но одни равнины, такие например, как Русская, существуют долго, а на месте других, вскоре вновь могут появиться высокие плато или горы. Уральские горы сформировались в палеозое, но горами остаются до сих пор. Русская равнина сформировалась еще в раннем протерозое, но до сих пор ею и остается. Следовательно, в земной коре достаточно фиксировано существуют долгоживущие структуры: как обширные и слабоактивные плиты и швы между ними – мобильные зоны, рифты или горноскладчатые сооружения, (те и другие отличающиеся заметной тектонической активностью, но первые отражают зоны растяжения, а вторые - сжатия). С позиции тектоники плит с ее представлениями о постоянном горизонтальном конвейерном типе движения литосферных плит, консерватизм ряда геологических структур, не очень вписывается в эту схему. Имеются модели глобальной тектоники, которые лучше объясняют существование именно таких структур, например модели пульсирующего расширения - сжатия Земли

Экзогенные процессы не менее грандиозны по масштабу вовлечения в круговорот вещества планеты и одним из факторов этого является жизнь. Это самое загадочное явление. Понятно, что это одна из форм материи и энергии, но если формы косной материи меняются не очень заметно, то жизнь, однажды возникнув, имеет очевидную направленность, которая проявляется в нарастающем усложнении эволюционных форм, каждая из последующих становиться все более энергоемкая и активная. И в целом жизнь очень сильно влияет на геодинамику внешних оболочек Земли. В.И.Вернадский отмечал, что гранито-метаморфический слой земной коры это былая ее биосфера. Человек, будучи венцом биологической эволюции по масштабам своей деятельности и возможностям вполне сопоставим с геологическими силами. Поэтому теперь возникает новое направление в геодинамике - экологическая геодинамика, которая изучает прямые и обратные связи между природными и антропогенными процессами.

В данном курсе вы будете изучать основы геодинамики на примере Воронежской антеклизы, а позже - собственно экологическую геодинамику. Однако, смею заметить,, что как ни силен человек, к счастью не на столько, чтобы влиять на глубинные процессы планеты. Пока это сказывается заметно лишь в отношении наиболее уязвимых ее оболочек - атмосферы и гидросферы. Экологические условия прежде всего зависят от естественных процессов, ход которых предопределен с одной стороны предшествующими историческими событиями, а с другой стороны по законам теории вероятности, всегда имеются та или иная степень свободы реализации любого последующего события, т.е нет абсолютной предопределенности. Это позволяет надеяться, что человечество в принципе имеет возможность влиять на ход событий любого масштаба. Главная проблема в способности людей определиться с общим вектором интересов, сформировать его и направить в русло общей пользы. Без этого все усилия экологической направленности бессмысленны, так как потонут в хаосе беспорядочных индивидуальных интересов.

Воронежская антеклиза это крупная геологическая структура, на которой мы с вами живем. Ее отличают весьма благоприятные исходные условия для обитания и, прежде всего, благодаря пассивному геодинамическому режиму, существующему здесь длительное время. Но всегда ли так было? В последующих лекциях попробуем и разобраться с этим вопросом.

Ниже показаны рисунки векторов движения литосферных плит и их конфигурация




Карта движения литосферных плит

Направление и скорость современных перемещений литосферных плит по данным космических наблюдений с помощью аппаратуры GPS (Система Глобального Позицирования). Литосферные плиты: ЕАП - Евроазиатская, САП - Северо-Американская, ТОП - Тихоокеанская, АФП - Африканская, АРП - Аравийская, ИНП - Индийская, КИП - Китайская, АВП - Австралийская, ФИП - Филиппинская, ЮАП - Южно-Американская, КОП - плита Кокос, НАП - плита Наска, АНП - Антарктическая плита. Масштабная стрелка величины скорости - слева внизу.




Карта тектоники литосферных плит

(модифицированные данные Геологической службы США; автором добавлены границы Китайской и Иранской плит) Стрелкой указано местоположение очага землетрясения 26 декабря 2004 г. с магнитудой около М=9 на границе Австралийской и Китайской литосферных плит. Возникшие в результате землетрясения гигантские волны цунами привели к гибели свыше 250 тысяч человек и практически полностью разрушили побережья Суматры, Андаманских и Никобарских островов.