НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЗЕМНОЙ КОРЫ

ИСТОЧНИКИ НАПРЯЖЕНИЙ В ЗЕМНОЙ КОРЕ

Источники напряжений в земной коре можно разделить на три группы:
    1-я группа - это факторы, связанные с эндогенными, то есть внутренними, процессами, происходящими не только в земной коре, но также и в мантии Земли. Именно эти процессы генерируют как глобальное поле напряжений Земли, так и тектонические движения в земной коре;
    2-я группа источников напряжений связана с экзогенными факторами, такими, например, как покровные оледенения, нагрузка искусственных водохранилищ, эрозионная деятельность рек, откачка нефти, газа, воды с глубин в первые километры. В формировании глобального поля напряжений эта группа факторов играет меньшую роль;
    3-я группа факторов связана с космическими источниками, например с ротационными силами Земли или силами, возникающими при быстром, практически скачкообразном изменении скорости вращения планеты, а также с приливным воздействием Луны.
Из всех перечисленных источников самый существенный вклад в общее поле напряжений вносят эндогенные процессы, которые и формируют поля напряжений разных рангов.
    Эндогенные источники поля напряжений. Какие же процессы вызывают напряженное состояние в земной коре и мантии Земли? Наиболее важное значение имеет термогравитационная неустойчивость вещества мантии Земли до глубин 2900 км, в особенности астеносферного слоя, в котором вязкость на 2-3 порядка меньше, чем в вышележащих слоях верхней мантии и земной коры. Медленные движения вещества астеносферного слоя через вязкое трение передают усилия в вышележащую часть мантии и земную кору, то есть в литосферу, вызывая в ней напряжения и соответственно деформации. Напряжения могут возникать вследствие восходящих и нисходящих конвективных струй в мантии Земли, по некоторым предположениям образующих двухъярусную систему конвективных ячеек. Реальное существование подобных очень медленных струйных потоков в мантии Земли подтверждается различными данными, и в первую очередь сейсмотомографией - специальными сейсмическими методами, позволяющими благодаря тонким расчетам выявить неоднородности в мантии, то есть ее участки, обладающие различной плотностью, а следовательно, и температурой. Результаты сейсмотомографии подтверждаются и наблюдениями над силой тяжести, резкие аномалии которой выражены как раз в тех местах, где предполагается погружение или подъем вещества мантии. Например, такие узкие, но весьма контрастные положительные и отрицательные гравитационные аномальные зоны приурочены к глубоководным желобам и молодым горно-складчатым сооружениям в Андах, Индонезии, Алеутской, Курильской, Японской и других островных дугах.
    В горных областях подобного типа гравитационные аномалии обычно положительны, что свидетельствует об избытке масс, которому должно отвечать увеличение давления на глубинах примерно от 50 до 100 км, что и является источником напряжений в литосфере и земной коре. Создаваемое давление значительно превышает нормальное литостатическое, то есть давление, вызванное весом вышележащих пород.
Сейсмофокальные зоны - участки в земной коре и верхней мантии, в которых очаги землетрясений фиксируются до глубин 500-600 км, также свидетельствуют о наличии сильнейшего сжатия в тех местах, где океанская, более тяжелая и холодная кора погружается (субдуцирует) под континентальную, более легкую. Неоднородности верхней мантии, выявляемые под срединно-океаническими хребтами и древними платформами, также являются источниками напряжений в литосфере и земной коре. Поскольку современная поверхностная структура Земли определяется перемещением литосферных плит, то и напряжения сжатия-растяжения концентрируются в участках плит, имеющих соответствующий геодинамический режим. В срединно-океанических хребтах, в области дивергентных границ преобладает растяжение, а в зонах субдукции (конвергентных границ) - сжатие. Жесткость (прочность) литосферных плит позволяет передавать напряжения, возникшие в одной ее части, на другие, находящиеся в нескольких тысячах километров от первых. Взаимодействие литосферных плит вносит наибольший вклад в создание современного поля напряжений в самой верхней оболочке Земли. При более детальном рассмотрении устанавливается еще большее количество факторов, вызывающих локальные поля напряжений. Например, постоянно действующая сила гравитации, которая хоть сама и не производит тектонической работы, но влияет на формирование местного поля напряжений. Дополнительные источники напряжений в земной коре связаны с участками разогрева, местного плавления, вулканизма. Однако возникающие при этом термонапряжения действуют на ограниченном пространстве, лишь искажая более обширное поле напряжений.
   Экзогенные факторы. Дополнительные напряжения в земной коре вызываются контрастным рельефом, растущими горными сооружениями. Вес последних влияет на формирование напряжений в соседних участках литосферы, которая упруго реагирует на эту нагрузку. Локальные напряжения могут быть созданы движением подземных вод или каких-либо иных флюидов. Напряжения в литосфере, возникающие в результате экзогенных процессов, существенно меньше напряжений, вызываемых эндогенными причинами.
    Космические факторы, в частности ротационные силы, создают напряжения, не превышающие 0,1 Па, а приливные силы в результате взаимодействия Луны, Солнца и Земли провоцируют напряжения до 10 Па, в то время как эндогенные силы формируют поля напряжений в несколько сот мегапаскалей.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕКТОНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ

    Существует несколько методов измерения напряженного состояния земной коры, обладающих различной точностью. Следует заметить, что когда мы говорим о напряжении в горных породах, то подразумеваем отклонение от литостатического всестороннего давления, обусловленного весом столба горных пород на единицу площади, которое равно примерно 27Н МПа, где Н - глубина (в км).
Важную роль играют сейсмологические методы, основанные на выявлении главных осей напряжений в очагах землетрясений согласно кинематическим параметрам сейсмических волн, улавливаемых несколькими сейсмостанциями. Таких измерений сейчас произведено около 7 тыс.
    Напряженное состояние горных пород меняет их различные геофизические характеристики: магнитные, электрические, плотностные, скорости распространения сейсмических волн. Измеряя аномальные значения этих характеристик, получают информацию о напряженно-деформированном состоянии горных пород. Существуют и чисто теоретические методы, позволяющие рассчитывать напряженное состояние литосферы, однако они весьма приблизительны. Широко используются также геологические методы, в том числе дистанционные, то есть дешифрирование аэро- и космических снимков с целью выявления зон разрывов и трещин, сформировавшихся под влиянием определенного напряженного состояния земной коры.
    Особняком стоят методы оценки напряженного состояния горных пород по материалам наблюдений в буровых скважинах и горных выработках. Для измерений формы поперечного сечения скважин применяют кварцевые деформографы, при помощи которых можно выявить деформации, а соответственно и напряжения по трем направлениям, расположенным взаимно перпендикулярно. Тем самым появляется возможность измерить тензор напряжений в одной точке. Такие измерения составляют около 30% всех имеющихся данных.
Существуют и другие методы изучения напряжений в керне (в столбике извлеченной породы) скважин, например: метод дискования керна, метод разгрузки, метод акустического каротажа, позволяющие определять остаточные упругие деформации в породах. Но эти методы весьма трудоемки.
    Достаточно уверенно определяются поля напряжений в горизонтальных и вертикальных выработках, что имеет большое практическое значение. Хорошо известны так называемое стреляние пород и разрушение горных выработок - штолен, штреков, шахт, - возникающие под воздействием горного давления. Если горная выработка ориентирована в направлении максимального сжимающего напряжения, она наиболее устойчива. Но стоит ее сориентировать поперек сжимающих напряжений, как стенки, например штольни, начнут стрелять кусками горной породы и разрушаться. Существуют разнообразные инструментальные методы, при помощи которых наблюдают за аномальными напряжениями в горных выработках.
    И наконец, деформации земной поверхности, обусловленные полем напряжений, изучают геодезическими методами, наклономерами. Все они дают возможность выявить деформации и поля напряжений в поверхностных слоях. Однако в более глубоких горизонтах земной коры ориентировка и величина напряжений могут быть совсем другими, и в этом заключается причина ограниченности геодезических методов.
Таким образом, существуют разнообразные способы измерения напряжений в земной коре как на поверхности, так и в более глубоких горизонтах. Не все они равноценны, но их совместное применение дает возможность составить общее представление о величине и направленности современного поля напряжений.

Назад| Следующая страница