Горизонтальные движения

Современные горизонтальные движения в континентальных областях также выявляются прямыми наблюдениями, инструментальными наблюдениями и по данным историко-геологического характера. Непосредственно могут быть оценены смещения, связанные главным образом с быстрыми горизонтальными подвижками при землетрясениях, которые могут достигать величины несколько метров за одно крупное сейсмическое событие. В хорошо обжитых местах также удается наблюдать подвижки, происходящие в форме постоянного приразломного скольжения или, иначе, асейсмичного крипа, скорость которого может достигать 1 см/год, иногда больше.

Что касается инструментальных методов, то аналогично повторным нивелировкам для вертикальных движений, горизонтальные движения земной поверхности устанавливаются главным образом повторными триангуляциями, перерасчетом поверхностных координат триангуляционных пунктов и составлением карт их плановых смещений. Эти исследования особенно важны для территорий с высоким уровнем сейсмической опасности, и неудивительно, что именно в Японии на основании данных повторных триангуляций были составлены первые карты современных горизонтальных движений. Максимальные скорости для этого региона были определены в 35см за 50 лет. На некоторых экспериментальных полигонах, например, вдоль разлома Сан-Андреас в Ка-лифорнии или вдоль границы Памира и Тянь-Шаня в Таджикистане дополнительно использовались методы непрерывных измерений горизонтальных смещений на базе высокоточных лазерных дальномеров. Наблюдения на Гармском полигоне подтвердили горизонтальное сближение Памира и Тянь-Шаня со скоростями 1.5-2 см/год, а Калифорнийские - постоянные правосторонние смещения по системе разломов Сан-Андреас со скоростью примерно того же порядка.

Технически очень сложным, но зато относительно точным и надежным является современный метод измерений горизонтальных движений поверхности Земли, известный как интерферометрия со сверхдлинной базой. Этот метод использует уникально устойчивую периодичность в радиоизлучении квазаров - квазизвездных объектов, рассматриваемых сейчас как выгоревшие и сколапсированные до размеров в первые км (всего!) ядра галактик. Так как разные точки земной поверхности смещаются относительно этих объектов, их радиочастотные характеристики меняются вследствие доплеровского эффекта. Понятно, что из-за крайне низких скоростей горизонтальных движений, характерных для земной коры, эти изменения совершенно ничтожны. Однако феноменальная устойчивость частот излучения квазаров и совершенная техника радиоастрономических наблюдений оказываются достаточными для получения устойчивых интерференционных волновых картин, которые получаются при наложении волновых фронтов с разных приемных станций, расположенных обычно на разных континентах. Большинство данных сверх длиннобазовой интерферометрии совпадают с предсказаниями плитной тектоники.

Величины длительных горизонтальных движений устанавливаются геологическими и палеомагнитными методами. Геологические методы - это выявление и оценка амплитуд смещения вдоль разломных линий геологических тел либо линейных форм рельефа, например, русел ручьев или других эрозионных ложбин. Поскольку надежные реперы при оценке горизонтальных движений встречаются редко, значительная часть данных имеет предположительный характер. Общепринятыми являются смещения по крупным континентальным сдвигам в первые километры и десятки километров за плиоцен - четвертичное время со скоростями 0.1-1 см/год. Таковы данные по Таласо-Ферганскому сдвигу, разломам Чаман и Алтындаг, сдвигу Рифта Мертвого Моря, Анатолийскому разлому, сдвигу Сан-Андреас, Альпийскому сдвигу в Новой Зеландии и др. Палеомагнитные данные предоставляют потенциальную возможность определять палеокоординаты точек наблюдения и, соответственно, амплитуды их последующих перемещений по поверхности Земли. Современные и новейшие движения в активных зонах (например, в окрестностях срединноокеанических хребтов) имеют по палеомагнитным данным скорости также до нескольких см в год.

СЕЙСМИЧНОСТЬ

С быстрыми и медленными движениями земной коры тесно связана сейсмичность, т.е. совокупность явлений, обусловленных землетрясениями. Достаточно формально землетрясениями называют быстрые колебания земной поверхности, вызванные резким высвобождением потенциальной - главным образом упругой - энергии, накопленной в недрах Земли. Исторически получилось так, что европейская цивилизация зародилась в мобильных районах Альпийского пояса, так что землетрясения были известны с древнейших времен и всегда рассматривались как самые ужасные природные катастрофы и как один из важнейших факторов развития Земли. Между тем действительно сильные землетрясения происходят достаточно редко; для тех, кто никогда на своем опыте не испытывал этого явления, пожалуй лучшей аналогией будут чувства пассажира при резком рывке или, наоборот, остановке общественного транспорта, причем все соответствующие эффекты следует распространить на площади в тысячи квадратных километров. Мне довелось наблюдать или изучать последствия нескольких катастрофических событий: Ташкентского землетрясения 1966 года, Хаитского землетрясения 1949 года, Джиргитальского 1988 года и некоторых других. Они производят очень сильное впечатление.

Следы Ташкентского землетрясения через три года после удара оставались совершенно свежими. Район разрушения приходился на центральную часть города, причем странным образом серьезно пострадала только одна сторона центрального проспекта, а вторая его сторона казалась полностью ненарушенной. Завалы мусора и грязи были уже убраны, однако остовы больших домов стояли во всем первобытном ужасе, как будто подвергнутые атомной бомбардировке. На проспекте были видны широкие полосы заделанных трещин, практически параллельных ему. Люди крайне неохотно делились информацией, видимо по этому поводу было специальное распоряжение. Через десять лет после землетрясения никаких следов события уже не осталось

Хаитское землетрясение произошло в зоне сочленения Памира и Тянь-Шаня, это один из наиболее сейсмичных районов Мира. Эпицентр землетрясения пришелся на крупный кишлак Хаит, стоявший на правом берегу Сурхоба, в месте слияние последнего с руч. Хаит. Сильнейший сейсмический удар имел необычную кинематику - он был направлен вверх и вызвал сход огромного количества каменно-грязевого материала со склонов окружающих гор. Наибольшая грязекаменная туча прошла над долиной ручья и остановилась как раз над кишлаком, захоронив его слоем более 10 м толщиной. Кишлак с населением несколько тысяч человек даже не пробовали раскапывать. Остатки грязекаменного потока в долине Хаита сохранились очень свежими. Они имеют вид высоких конических пирамид, в беспорядке разбросанных по зеленой траве плоской террасы ручья. Морфологически они очень похожи на свежие моренные холмы.

Джиргитальское землетрясение произошло в той же сейсмической зоне, что и Хаитское, только в нескольких десятках километров восточнее. Это событие поражает необычностью. Фактически эпицентральная область землетрясения была такой небольшой, что немедленно появилась масса легенд о взорвавшемся подземном складе боеприпасов, тем более, что единственным ландшафтным последствием землетрясения было образование изометричного глубокого рва размером в несколько десятков метров. Тем не менее, это было мощное естественное землетрясение, вероятно очень мелкое, почти поверхностное, от которого серьезно пострадали и Джиргиталь, и окружающее его небольшие кишлаки.

Сейсмические волны от крупных землетрясений распространяются через всю Землю, и их заметные проявления могут ощущаться на расстоянии в сотни километров от очага. С таким воздействием связаны землетрясения в абсолютно асейсмичных районах - например, в Москве. Москву, с интервалом в 35 - 50 лет, накрывают волны карпатских землетрясений, главным образом из сдвиговой зоны Вранчеа, вдоль которой Карпатская дуга накатывается на Мизийскую плиту.

Последнее такое событие произошло весной 1977 года. Я сидел с родственниками за столом на кухне квартиры на Пресне, когда почувствовал мягкие, просто нежные колебания стола, две серии примерно по 15 - 20 секунд. Мы начинали обсуждать с визави, кто и зачем толкает стол, когда сама по себе открылась дверца подвесного шкафа и начала раскачиваться лампа на проводе. Все стало понятно, в Душанбе такие вещи происходят несколько раз в месяц. Я сидел, судя по колебаниям стола, точно на фронте волны и мог оценить район, откуда она распространялась. С удовольствием отмечу, что я не ошибся, волна действительно была карпатская. В некоторых районах Москвы началась паника, женщины срочно хватали младенцев, выбегали на довольно холодную улицу и не хотели возвращаться. Кто-то пустил слух, что самые опасные районы объезжает главный сейсмолог Москвы ( ! ), и его с угрозами стали отлавливать.

По мере развития инструментальных методов стало понятно, что сильные землетрясения - это незначительная часть землетрясений вообще, поскольку в каждом отдельном сейсмическом районе частоты землетрясений разной силы связаны экспоненциально, и абсолютно большую часть сейсмических событий человек просто не ощущает. Для оценки интенсивности землетрясений применяются разные шкалы. Исторически первой из них является шкала силы землетрясений по их поверхностным проявлениям. Сейчас принята 12 бальная международная шкала, в которой в один балл оцениваются землетрясения, которые регистрируются сейсмографом, но не ощущаются человеком. В 12 баллов - сейсмические катастрофы, при которых разрушаются и гибнут все сооружения, сделанные человеческими руками и резко меняется ландшафт: появляются уступы, крупные зияющие трещины со значительными горизонтальными смещениями, обвалы, новые озера и потоки и т.д. Такая оценка разрушительных последствий землетрясений не дает сколько-нибудь точной информации о реальной мощности землетрясений, поскольку поверхностные разрушения связаны не только с силой сейсмического удара, но и с глубиной очага землетрясения, состоянием грунтов, локальными геоморфологическими и гидрогеологическими факторами и пр.
Реальную интенсивность сейсмического события измеряют его магнитудой, а магнитуда - это десятичный логарифм смещения записи (в микронах) стандартного сейсмографа, установленного в 100 км от очага землетрясения. Понятно, что угадать, где будет очередное землетрясение, и ровно в 100 км от его очага установить сейсмограф, да еще стандартный, невозможно, поэтому магнитуда - величина расчетная. Ввел эту характеристику Рихтер, и когда вы слышите по радио или читаете в газете, что где-то произошло землетрясение силой столько-то баллов по шкале Рихтера, знайте, что речь идет именно о магнитуде. Максимальная магнитуда землетрясений равна 9 и связана она с пределом прочности пород при накоплении упругой деформации; такие события исключительно редки. Вероятно, близкую магнитуду имело знаменитое Лиссабонское землетрясение во второй половине 18 века, снесшее половину Европы.
В отечественной литературе часто применяется понятие "энергетический класс землетрясений", введенное Раутиан, которая определила его как величину, пропорциональную логарифму энергии, выделяемой в объеме радиусом 100 км от сейсмического очага. Максимальный энергетический класс - 17.
Сейсмическая активность распределена на Земном шаре крайне неравномерно и сейчас уже вполне ясно, что сейсмические зоны совпадают с регионами наиболее контрастных горизонтальных и вертикальных движений, высокоскоростными разновидностями которых землетрясения по существу и являются. Я думаю, для вас уже не будет неожиданным, что к этим же регионам приурочены такие проявления новейшей активности Земли как вулканизм, аномальный тепловой поток, молодые и современные деформации.

ВУЛКАНИЗМ

В нашей лекции мы не будем рассматривать вулканизм специально, оставив это для начальных курсов. Здесь только отметим, что поверхностные вулканы - это последствия очень сложных глубинных процессов, включающих

• (1) формирование локальных глубинных тепловых аномалий,
• (2) частичного или полного плавления пород в них с образованием магматического очага, обычно расположенного на глубинах в первые десятки км,
• (3) периодической декомпрессии вышерасположенных канальных или линейных зон за счет очень разных механизмов.

В зависимости от состава, степени насыщения флюидом и некоторых других факторов, поверхностные лавы образуют постройки различного типа, названия которых приводятся в курсе "Общая геология". Их функционирование может сопровождаться катастрофическими событиями, такими как глубинные и приповерхностные землетрясения, вулканические взрывы, в том числе такими кошмарными как взрыв Крокатау, огненными облаками и пр. Очевидно, что вулканы локализованы в местах, где геодинамические условия делают возможным плавление крупных объемов глубинных масс и их вынос на поверхность Земли. Это:

• (1) вулканические области над так называемыми горячими точками, т.е. восходящими астеносферными высокотемпературными плюмами, типа Гавайских вулканов, вулканов Исландии или вулканов крупных континентальных впадин.
• (2) области, где плавление достигается главным образом за счет декомпрессии, снятия гидростатических давлений из-за разрыва приповерхностной литосферы: это океанические и континентальные рифты и рифтоподобные структуры растяжения;
• (3) области, где избыток тепла высвобождается за счет эффектов трения при взаимодействии крупных блоков литосферы - например, вулканы островных дуг. Очевидно, что любой из этих факторов сопряжен с высокой общей мобильностью литосферы и ее проявлениями типа контрастных движений, сейсмичности и высоких тепловых потоков.

ТЕПЛОВОЙ ПОТОК

Как известно, формально тепловой поток задается аналогично электрическому току. Из школьного закона Ома I=U/R, ток I - это частное от деления напряжения (или разности потенциалов) U на электрическое сопротивление R. Сходным образом тепловой поток J вводится как частное от деления разности температур T в какой-то колонне пород на величину теплового сопротивления, т.е. величину, обратную теплопроводности С. J=T/1/c=Т*с. Тепловой поток измеряется как в абсолютных, так и в условных единицах. По земному шару тепловой поток распределен крайне неравномерно. Максимальных значений он достигает в срединно-океанических хребтах, континентальных рифтах, вулканических дугах и зонах континентального вулканизма, во впадинах с тонкой корой. Очевидно, что зоны аномального теплового потока ассоциированы с другими аномальными проявлениями новейшей тектонической активности.