Глава 5

ДВИЖЕНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Строение земной коры, геологические структуры, закономер­ности их расположения и развития изучает раздел геоло­гии — геотектоника.Рассмотрение движений земной коры в дан­ной главе является представлением внутриплитной тектоники. Движения земной коры, вызывающие изменение залегания гео­логических тел, называют тектоническими движениями.

КРАТКИЙ ОЧЕРК СОВРЕМЕННОЙ ТЕОРИИ ТЕКТОНИКИ ПЛИТ

В начале XX в. проф. Альфред Вегенер выдвинул гипотезу, которая послужила началом разработки принципиально новой геологической теории, описывающей формирование континентов и океанов на Земле. В настоящее время мобилисгская теория тектоники плит наиболее точно описывает структуру верхних геосфер Зем­ли, ее развитие и возникающие при этом геологические процессы и явления.

Простая и наглядная гипотеза А. Вегенера заключается в том, что в начале мезозоя, около 200 млн лет назад, все существующие ныне материки были сгруп­пированы в единый суперконтинент, названный А. Вегенером Пангеей. Пангея состояла из двух крупных частей: северной — Лавразии, включавшей в себя Евро­пу, Азию (без Индостана), Северную Америку, и южной — Гондваны, включавшей Южную Америку, Африку, Антарктиду, Австралию, Индостан. Эти две части Пан­геи были почти разделены глубоким заливом — впадиной океана Тетиса. Толчком к созданию гипотезы дрейфа материков послужило поразительное геометрическое сходство очертаний побережий Африки и Южной Америки, но далее гипотеза получила определенное подтверждение при палеонтологических, минералогиче­ских, геолого-структурных исследованиях. Слабым же местом в гипотезе А. Веге­нера было отсутствие объяснений причин дрейфа материков, выявления сил, весьма значительных, способных перемещать континенты, эти чрезвычайно мас­сивные геологические образования.

Голландский геофизик Ф. Венинг-Мейнес, английский геолог А. Холмс и американский геолог Д. Григе сначала предположили наличие конвективных тече­ний в мантии, обладающих колоссальной энергией, а затем связали ее с идеями Вегенера. В середине XX в. были сделаны выдающиеся геологические и геофизи­ческие открытия: в частности, было установлено наличие глобальной системы срединно-океанических хребтов (СОХ) и рифтов; выявлено существование плас­тичного слоя астеносферы; открыто, что на Земле существуют линейные вытяну­тые пояса, в которых сосредоточено 98 % всех эпицентров землетрясений и кото­рые окаймляют почти асейсмичные зоны, названные впоследствии литосферными плитами, а также ряд других материалов, которые в целом позволили сделать вы­вод, что господствовавшая к этому «фиксистская» тектоническая теория не может объяснить, в частности, выявленных палеомагнитных данных о географических положениях континентов Земли.

К началу 70-х годов XX в. американскими геологом Г. Хессом и геофизиком Р. Дитцем, на базе открытия явления спрединга (разрастания) океанского дна, показано, что за счет того, что горячее, частично расплавленное мантийное веще­ство, поднимаясь вдоль рифтовых трещин, должно растекаться в разные стороны от оси срединно-океанического хребта и «расталкивать» океанское дно в разные стороны, поднятое мантийное вещество заполняет рифтовую трещину и, застывая в ней, наращивает расходящиеся края океанической коры. Последующие геологи­ческие открытия подтвердили эти положения. Например, было установлено, что самый древний возраст океанической коры не превышает 150—160 млн лет (это всего лишь 1/30 возраста нашей планеты), в рифтовых трещинах залегают совре­менные породы, а наиболее древние максимально удалены от СОХ.

В настоящее время в верхней оболочке Земли выделяют семь крупных плит: Тихоокеанскую, Евразийскую, Индо-Австралийскую, Антарктическую, Африкан­скую, Северо- и Южноамериканские; семь плит среднего размера, например Ара­вийскую, Наска, Кокос и др. В пределах крупных плит иногда выделяют само­стоятельные плиты или блоки средних размеров и множество мелких. Все плиты перемещаются друг относительно друга, поэтому их границы четко маркируются зонами повышенной сейсмичности.

В целом выделяют три вида перемещения плит: раздвижение с образованием рифтов, сжатие или надвиг (подныривание) одной плиты на другую и, наконец, скольжение или сдвиг плит друг относительно друга. Все эти перемещения лито- сферных плит по поверхности астеносферы происходят под влиянием конвектив­ных течений в мантии. Процесс пододвигания океанической плиты под конти­нентальную называют субдукцией (например, Тихоокеанская «подныривает» под Евразийскую в районе Японской островной дуги), а процесс надвигания океани­ческой на континентальную плиту — обдукцией. В древности такой процесс стол­кновения континентов (коллизия) привел к закрытию океана Тетис и возникно­вению Альпийско-Гималайского горного пояса.

Использование теоремы Эйлера по перемещению литосферных плит на по­верхности геоида с привлечением данных космических и геофизических наблюде­ний позволило рассчитать (Дж. Минстер) скорость удаления Австралии от Антар­ктиды — 70 мм/год, Южной Америки от Африки — 40 мм/год; Северной Америки от Европы — 23 мм/год.

Красное море расширяется на 15 мм/год, а Индостан сталкивается с Евра­зией со скоростью 50 мм/год. Несмотря на то что глобальная теория тектоники плит является обоснованной и математически, и физически, многие геологиче­ские вопросы еще до конца не изучены; это, например, проблемы внутриплитной тектоники: при детальном изучении оказывается, что литосферные плиты отнюдь не абсолютно жесткие, недоформируемые и монолитные, согласно работам ряда ученых, из недр Земли поднимаются мощные потоки мантийного вещества, спо­собного прогреть, проплавить и деформировать литосферную плиту (Дж. Вилсон). Значительный вклад в разработку наиболее современной тектонической теории внесли российские ученые В.Е. Хайн, П.И. Кропоткин, А,В. Пейве, О.Г. Сорох- тин, С.А. Ушаков и др.

ТЕКТОНИЧЕСКИЕ ДВИЖЕНИЯ

Проведенное данное рассмотрение тектонических движений в наибольшей степени применимо к внутриплитной тектонике, с некоторыми обобщениями.

Тектонические движения в земной коре проявляются посто­янно. В одних случаях они медленные, малозаметные для глаза человека (эпохи покоя), в других — в виде интенсивных бурных процессов (тектонических революций). В истории земной коры таких тектонических революций было несколько.

Подвижность земной коры в значительной степени зависит от характера ее тектонических структур. Наиболее крупными струк­турами являются платформы и геосинклинали. Платформыотно­сятся к устойчивым, жестким, малоподвижным структурам. Им свойственны выровненные формы рельефа. Снизу они состоят из жесткого неподдающегося складчатости участка земной коры (кристаллического фундамента), над которым горизонтально за­легает толща ненарушенных осадочных пород. Типичным приме­ром древних платформ служат Русская и Сибирская. Платформам свойственны спокойные, медленные движения вертикального ха­рактера. В противоположность платформамгеосинклиналипред­ставляют собой подвижные участки земной коры. Располагаются они между платформами и представляют собой как бы их по­движные сочленения. Для геосинклиналей характерны разнооб­разные тектонические движения, вулканизм, сейсмические явле­ния. В зоне геосинклиналей происходит интенсивное накопление мощных толщ осадочных пород.

Тектонические движения земной коры можно разделить на три основных типа:

• колебательные, выражающиеся в медленных поднятиях и опусканиях отдельных участков земной коры и приводящие к об­разованию крупных поднятий и прогибов;

• складчатые, обусловливающие смятие горизонтальных слоев земной коры в складки;

• разрывные, приводящие к разрывам слоев и массивов горных пород.

Колебательные движения. Отдельные участки земной коры на протяжении многих столетий поднимаются, другие в это же вре­мя опускаются. Со временем поднятие сменяется опусканием, и наоборот. Колебательные движения не изменяют первоначальных условий залегания горных пород, но инженерно-геологическое их значение огромно. От них зависит положение границ между су­щей и морями, обмеление и усиление размывающей деятельно­сти рек, формирование рельефа и многое другое.

Различают следующие виды колебательных движений земной коры: 1) прошедших геологических периодов;2) новейшие, свя­занные с четвертичным периодом; 3) современные.

Для инженерной геологии особый интерес представляют совре­менные колебательные движения, вызывающие изменение высот поверхности земли в данном районе. Для надежной оценки скоро­сти их проявления применяют геодезические работы высокой точ­ности. Современные колебательные движения наиболее интенсив­но происходят в районах геосинклиналей. Установлено, например, что за время с 1920 по 1940 гг. Донецкий бассейн поднимался относительно г. Ростова-на-Дону со скоростью 6—10 мм/год, а Среднерусская возвышенность — до 15—20 мм/год. Средние ско­рости современных опусканий в Азово-Кубанской впадине состав­ляют 3—5, а в Терской впадине — 5—7 мм/год. Таким образом, го­дичная скорость современных колебательных движений чаще всего равна нескольким миллиметрам, а 10—20мм/год — это очень высокая скорость. Известная предельная скорость — немно­гим более 30 мм/год.

В России поднимаются районы г. Курска (3,6 мм/год), остров Новая Земля, Северный Прикаспий. Ряд участков европейской территории продолжают погружаться — Москва (3,7 мм/год), Санкт-Петербург (3,6 мм/год). Опускается Восточное Предкавка­зье (5—7 мм/год). Многочисленны примеры колебаний земной поверхности в других странах. Много веков интенсивно опуска­ются районы Голландии (40—60 мм/год), Датских проливов (15—20 мм/год), Франции и Баварии (30 мм/год). Интенсивно продолжает подниматься Скандинавия (25 мм/год), только район Стокгольма за последние 50 лет поднялся на 190 мм.

За счет опускания западного побережья Африки приустьевая часть русла р. Конго опустилась и прослеживается на дне океана до глубины 2000 м на расстоянии 130 км от берега.

Современные тектонические движения земной коры изучает наука неотектоника.Современные колебательные движения не­обходимо учитывать при строительстве гидротехнических соору­жений типа водохранилищ, плотин, мелиоративных систем, горо­дов у моря. Например, опускание района Черноморского побережья приводит к интенсивному размыву берегов волнами моря и образованию крупных оползней.

Складчатые движения. Осадочные породы первоначально зале­гают горизонтально или почти горизонтально. Это положение со­храняется даже при колебательных движениях земной коры. Складчатые тектонические движения выводят пласты из горизон­тального положения, придают им наклон или сминают в склад­ки. Так возникают складчатые дислокации (рис. 31).

Все формы складчатых дислокаций образуются без разрыва сплошности слоев (пластов). Это их характерная особенность. Основными среди этих дислокаций являются: моноклиналь, флексура, антиклиналь и синклиналь.

Моноклинальявляется самой простой формой нарушения пер­воначального залегания пород и выражается в общем наклоне слоев в одну сторону (рис. 32).

Флексура— коленоподобная складка, образующаяся при сме­щении одной части толщи пород относительно другой без разры­ва сплошности.

Антиклиналь —складка, обращенная своей вершиной вверх (рис. 33), исинклиналь— складка с вершиной, обращенной вниз (рис. 34, 35). Бока складок называют крыльями, вершины — зам­ком, а внутреннюю часть — ядром.

Следует отметить, что горные породы в вершинах складок всег­да бывают трещиноваты, а иногда даже раздроблены (рис. 36).

Разрывные движения. В результате интенсивных тектонических движений могут происходить разрывы сплошности пластов. Разо­рванные части пластов смещаются относительно друг друга. Сме­щение происходит по плоскости разрыва, которая проявляется в виде трещины. Величина амплитуды смещения бывает различ­ной — от сантиметров до километров. К разрывным дислокациям огносят сбросы, взбросы, горсты, грабены и надвиги (рис. 37).

Сбрособразуется в результате опускания одной части толщи относительно другой (рис. 38,а).Если при разрыве происходит поднятие, то образуется взброс (рис. 38,б).Иногда на одном участке образуется несколько разрывов. В этом случае возникают ступенчатые сбросы (или взбросы) (рис. 39).

Рис. 31. Виды складок:

/- полная (нормальная);2—изоклинная;3 —сундучная;4—прямая; 5—косая;6—наклон­ная;7— лежачая;8 —опрокинутая;9 —флексура;10 — моноклинная

Рис. 32. Моноклинальное залегание слоев осадочных пород В природной

обстановке

Рис. 33. Антиклинальное залегание горных пород в природной обстановке (о); кинематическая схема формирования трещин в антиклинальной складке (б)

(по М. Васичу)

Рис. 34. Полная складка (а) и элементы складки (б): /—антиклиналь; 2— синклиналь

Рис. 35. Синклинальное залегание слоев осадочных пород в природной обстановке (в оси складки различим разлом)

Рис. 37. Разрывные дислокации:

а — сброс; 6 — ступенчатый сброс; в — взброс; г — надвиг; д — грабен; е — горст; 1 — непо­движная часть толщи; 2— смещенная часть; П — поверхность Земли; р — плоскость разрыва

слоев

Поверхность сдвига

Рис. 38. Схема сдвига слоистой тошци:

- два переместившихся блока; 6 — профиль с характерным сдвигом пород (по М. Васичу)

Опустившийся блок jlj

Рейнский

грабен

Вогезы

Рис. 39. Схематический разрез Рейнского 1рабена и Вогезов

	г<П° 1.—

Рис. 40. Схемы движения блоков горных пород при разрывных дислокациях:

а — нормальное; 6 — резервное; е — горизонтальное

X

Рис. 41. Разрушение твердого тела при отрыве и складывании;

I — Отрыв; б — хрупкое скалывание; в — образование пережима; г — вязкое скалывание при

растяжении («раминзование»)

Грабенвозникает, когда участок земной коры опускается меж­ду двумя крупными разрывами. Таким путем, например, образо­валось озеро Байкал. Некоторые специалисты считают Байкал началом образования нового рифта.

Горст —форма, обратная грабену.

Надвигввтличке отпредыдущих форм разрывных дислока­ций возникает при смещении толщ в горизонтальной или срав­нительно наклонной плоскости (рис. 40). В результате надвига молодые отложения могут быть сверху перекрыты породами бо­лее древнего возраста (рис. 41, 42, 43).

Залегание пластов. При изучении инженерно-геологических условий строительных площадок необходимо устанавливать про­странственное положение пластов. Определение положения слоев (пластов) в пространстве позволяет решать вопросы глубины, мощности и характера их залегания, дает возможность выбирать слои в качестве оснований сооружений, оценивать запасы под­земных вод и т. д.

Значение дислокаций для инженерной геологии. Для строитель­ных целей наиболее благоприятными условиями являются гори-

Р и с. 42. Восточное окончание надвига Одиберж (Приморские Альпы). Разрез (а) изображает строение правого берега долины Лу, расположенной непосредственно за участком, изображенным на блок-диаграмме (б); разрез ориентирован в противоположном направлении. Амплитуда надвига, соответствующая величине смещения пластов в запрокинутом; крыле антиклинали, постепенно убывает с запада на восток

зонтальное залегание слоев, большая их мощность, однородность состава. В этом случае здания и сооружения располагаются в од­нородной грунтовой среде, создается предпосылка для равномер­ной сжимаемости пластов под весом сооружения. В таких усло­виях сооружения получают наибольшую устойчивость (рис. 44).

г. Монденье 1687

Рис. 43. Пример блок-диаграммы, ориентированной параллельно осям складок с наиболее удачной ориентировкой разрезов (цилиндрическая проекция). Разлом Леван в Нижних Альпах

л
I 1	к

777777*	А
тшФт

Рис. 44. Возможные варианты геологического строения строительных площадок: а, б— площадки, благоприятные для строительства; в — малоблагоприятные; г — неблагопри­ятные; А — сооружение (здание)

Наличие дислокаций усложняет инженерно-геологические ус­ловия строительных площадок — нарушается однородность грун­тов оснований сооружений, образуются зоны дробления, снижает­ся прочность грунтов, по трещинам разрывов периодически происходят смещения, циркулируют подземные воды. При крутом падении пластов сооружение может располагаться одновременно на различных фунтах, что иногда приводит к неравномерной сжи­маемости слоев и деформации сооружений. Для зданий неблаго­приятным условием является сложный характер складок. Нежела­тельно располагать сооружения на линиях разломов.