Изучение современного напряженного состояния земной коры и литосферы

В последние годы справедливо придается большое значение изучению современного напряженного состояния земной коры и всей литосферы, и соответствующие исследования ведутся в международном масштабе. Существует три основных метода определения знака и ориентировки напряжений в земной коре (литосфере): 1) метод определения характера смещений в очагах землетрясений (сейсмофокальный механизм); 2) изучение ориентировки и знака перемещений по геологическим индикаторам — сколовым трещинам, штрихам и бороздам на зеркалах скольжения и т.д.; 3) изучение напряженного состояния пород в буровых скважинах и горных выработках (штольнях, шахтах).

Рис. 4.4. Решение фокального механизма землетрясений по первым вступлениям продольных сейсмических волн, которое широко используется в тектонике, начиная с работ Л.Р. Сайкса (1967), Д.П. Мак Кензи (1969). На диаграмме двойного диполя нодальные (узловые) плоскости разделяют квадранты, где первые вступления выражены сжатием («плюс») и растяжением («минус»). Главные оси напряжений: σ₁, σ₃ — оси максимального и минимального сжимающего напряжений (в русской геологической литературе встречается и обратная их нумерация); σ₂ — ось промежуточного напряжения. Для сдвигов, и взбросов и сбросов то же дано в виде стереографических проекций (квадранты сжатия заштрихованы); разрывные смещения — по одной из двух плоскостей максимальных касательных напряжений (совпадающих с нодальным плоскостями).
Справа — решения фокального механизма для Панамского разлома в Тихом океане (по С. Адамеку и др., 1988), определившие его как правосторонний сдвиг

Для определения фокальных механизмов землетрясений необходимо иметь данные регистрации соответствующего землетрясении на нескольких сейсмостанциях, находящихся на разных азимутальных направлениях от эпицентра землетрясения. На сейсмограммах, записанных на этих станциях, следует обратить внимание на знак первых вступлений продольных волн. Если первое колебание направлено вверх, это означает, что первой пришла волна сжатия, если вниз — волна разрежения (растяжения). Далее необходимо нанести полученные данные на стереограмму, центром которой является эпицентр землетрясения. На этой стереограмме должны быть затем обозначены плоскости, проходящие через ее центр и разграничивающие области сжатия и растяжения. Эти плоскости носят название нодальных, т.е. узловых, плоскостей и должны быть взаимно перпендикулярны. Они и отвечают плоскостям, вдоль которых могло произойти смещение во время данного землетрясения (рис. 4.4). Выбор той или другой возможной плоскости делается исходя из степени согласованности с данными о смещениях на поверхности или о закартированных геологических разрывах. Характер смещений устанавливается по распределению областей сжатия и растяжения на стереограмме (см. рис. 4.4): при взбросе в центре стереограммы располагается область сжатия, по периферии — растяжения; при сбросе наблюдается обратная картина; при сдвиге стереограмма распадается на чередующиеся квадранты сжатия и растяжения. В случае негоризонтальной ориентировки двух или всех трех осей напряжений «картинка» утрачивает симметричное расположение областей сжатия и растяжения относительно вертикальной оси стереограммы.

Следующая группа методов основана на использовании чисто геологических индикаторов. Эта группа включает три метода (Л.А. Сим). Один из них — анализ ориентировки сопряженных сколовых трещин — был предложен М.В. Гзовским. Условиями получения правильных результатов при применении этого метода являются наличие следов перемещений но трещинам и использование лишь одновозрастных систем. При соблюдении утих условий положение оси сжатия определяется по биссектрисе острого угла между сколовыми трещинами, оси растяжения — по биссектрисе тупого угла, а промежуточной оси — по линии пересечения трещин.

Другой метод, называемый кинематическим, заключается в использовании в качестве индикатора вектора перемещений штрихов и борозд на зеркалах скольжения в горных породах. Метод наиболее полно разработан в России О.И. Гущенко, а за рубежом — французским геологом Ж. Анжелье. В этом методе изучаются штрихи и борозды, наблюдаемые на зеркалах скольжения, образующихся при сдвиговых смещениях, ориентированных, как правило, вдоль вектора касательных напряжений. Некоторую трудность вызывает, однако, однозначное определение направления перемещения по плоскости сместителя (сброс или взброс, правый или левый сдвиг и т. п.); для решения этой альтернативы необходимо привлечение других геологических данных. В связи с этим предпочтение следует отдавать изучению смещений по региональным разрывам, по которым имеется наиболее полная геологическая информация (данные картирования).

Третий метод — структурно-парагенетический, или комплексный. Он использует две категории индикаторов тектонических напряжении: 1) минерализованные жилы, дайки магматических пород; 2) плоскости рассланцевания, кливажа, сколовые трещины, стилолитовые швы. Условиями правильного применения метода являются одновозрастность изучаемых индикаторов и принадлежность их к структурным ансамблям одного ранга.

Рис 4.5. Карта неотектонических напряжений европейского севера России, по Л.А. Сим (1993):
1, 2 — тектонические напряжения первого (1) и второго (2) порядка, восстановленные кинематическим методом по зеркалам скольжения (стереографические проекции, верхняя полусфера, оси сжатия показаны крестиками, оси растяжения — кружками; стрелки на плоскостях максимальных касательных напряжений указывают перемещение висячего крыла); 3, 4 — субгоризонтальные оси сжатия (3) и растяжения (4) первого (а) и второго (б) ранга, восстановленные методом вторичных нарушений; 5 — неотектонические разломы первого (а) и второго (б) ранга; 6 — прогнозируемые сдвиговые смещения

Индикаторы первой категории позволяют, по данным Л.А. Сим, уверенно находить положение оси растяжения и менее уверенно — оси сжатия. Индикаторы второй категории, напротив, дают возможность более точно определять ось сжатия, чем ось растяжения. Метод был успешно применен Л.М. Расцветаевым, Л.А. Сим и др. Иллюстрацией итогов подобных исследований в сочетании с применением кинематического метода могут служить построения Л.А. Сим для европейского севера России и прилегающих зарубежных территорий (рис. 4.5). Наиболее интересный и важный результат заключается в том, что этот обширный регион, принадлежащий одной литосферной плите — Евразийской, по характеру полей напряжения разделяется на несколько блоков — субплит: Балтийский щит с ориентировкой напряжений, связанной с раздвижением Северо-Атлантического хребта, Русскую и Тимано-Печорскую плиты — с раздвижением хребта Гаккеля в Арктическом океане; в обеих субплитах преобладают сдвиговые перемещения, а в Уральском возрожденном орогене — взбросовые, с осью сжатия, ориентированной вкрест его простирания.

Изучение напряженного состояния земной коры в скважинах основано на наблюдениях как естественных деформаций ствола скважины, так и искусственно вызванных деформаций пород слагающих этот ствол. В первом случае с помощью либо магнитно ориентированного специального «четырехрукого» прибора, либо акустического телевизионного устройства устанавливается искажение поперечного сечения ствола скважины или сдвиговое нарушение этого ствола, и по ним определяется ориентировка оси максимального сжимающего напряжения. В другом случае производится закупорка участка ствола скважины и с помощью закачки воды в нем повышается давление до тех пор, пока не происходит «гидроразрыв» и образуются трещины, ориентированные вдоль минимального сжимающего напряжения. Эти трещины иногда являются возобновлением ранее существовавших в породах вокруг ствола скважины. Обе эти методики в настоящее время широко применяются в разных странах.

Для изучения напряженного состояния пород в горных выработках используются трехмерные измерения в образцах этих пород, изолированных от окружающего их объема. В России такие исследования проводились на Кольском полуострове и на Урале, проводились они и в Киргизии.

В 1986 г. в рамках Международной программы «Литосфера» группой ученых из 18 стран под общим руководством американского геофизика Мэри Лу Зобак в целях изучения в первую очередь внутриплитной геодинамики было предпринято составление Мировой карты (World Stress map — WSM) с использованием всех перечисленных выше методов их изучения. В 1989 г. были опубликованы первые результаты этой работы, в 1992 г. — карта, для составления которой было использовано более 4400 пунктов наблюдений, К большому сожалению, почти вся территория бывшего Советского Союза осталась на этой карте, воспроизведенной на рис. 4.6, большим белым пятном, за исключением Урала, Байкальской рифтовой зоны и частично Верхояно-Колымской области, хотя, как указывалось выше, некоторые исследования в этом направлении велись также на Кольском полуострове и в Киргизии.

Рис. 4.6. Генерализованная карта напряжений в литосфере, составленная по международной программе «Литосфера» (М.Л. Зобак, 1992). Учтены решения фокального механизма землетрясений, наблюдения в скважинах, штрихи на сместителе разрывов, ориентировка выводных каналов при вулканических извержениях. Размер нанесенных на карту знаков пропорционален количеству и согласованности исходных данных.
1 — растяжение, образование сбросов; 2 — сжатие с образованием взбросов и надвигов; 3 — сжатие с образованием диагональных сдвигов; 4 — границы литосферных плит; 5 — траектории абсолютного движения литосферных плит согласно модели Минстера—Джордана

Что же было выявлено в результате проведенного обобщения? Авторы этого обобщения, и прежде всего сама М.Л. Зобак, различают региональное (первого порядка) и локальное (второго порядка) поля напряжений. Региональные напряжения — это напряжения сжатия, они обнаруживают закономерную ориентацию, согласующуюся либо с направлением расхождения литосферных плит от осей спрединга срединно-океанских хребтов, либо с направлением, перпендикулярным к простиранию коллизионных орогенов. Соответственно в Северной Европе, в частности в Скандинавии, напряжения ориентированы нормально к простиранию Срединно-Атлантического хребта, а в Западной Европе, в Англии, Франции, Германии, — нормально к простиранию Альпийского орогена. Эффект коллизии наблюдается также по другую сторону альпийского пояса в Северной Африке и Индостане. Ориентировка первого типа свидетельствует, что ведущая роль в смещении литосферных плит принадлежит их расталкиванию на осях спрединга (ridge push) наряду с затягиванием плит в зоны субдукции (slab pull) и их волочением (drag).

Локальные отклонения от регионального поля напряжений отмечены прежде всего в рифтовых зонах. Это касается, в частности, Восточно-Африканской рифтовой системы, области Бассейнов и Хребтов в Североамериканских Кордильерах и Байкальском рифтовой системы. Утолщение коры, как в Андах или Тибете, или утонение литосферы также ведет к преобладанию растяжения и нормального сбросообразования в фокальных механизмах. Отклонения от регионального поля напряжений наблюдается и в связи с мощным осадконакоплением на пассивных окраинах континентов — растяжение под окраинами, сжатие на прилегающей океанской плите. По оценке М.Л. Зобак, величина локального стресса может быть равна величине регионального стресса или превосходить ее до 2,5 раз.

Исследования типа проведенных Л.А. Сим на севере европейской территории России являются существенной детализацией глобального обобщения, позволяющей, как мы видели выше, выделить в пределах литосферных плит области — субплиты — с напряжениями разных знаков и ориентации. Все это очень важно для понимания внутриплитной тектоники и сейсмичности.

Таким образом, изучение напряженного состояния земной коры и литосферы удачно дополняет материалы регистрации современных тектонических движений и дает возможность получить более полную картину современной тектонической активности и геодинамики.

ГЛАВА 5
РИФТОГЕНЕЗ

Рис. 5.1. Глобальная система современных континентальных и океанских рифтов, главные зоны субдукции и коллизии, пассивные (внутриплитные) континентальные окраины.
Рифтовые зоны: Срединно-Атлантическая (СА), Американо-Антарктическая (Ам—А), Африкано-Антарктическая (Аф—А), Юго-Западная Индоокеанская (ЮЗИ), Аравийско-Индийская (А—И), Восточно-Африканская (ВА), Красноморская (Кр), Юго-Восточная Индоокеанская (ЮВИ), Австрало-Антарктическая (Ав—А), Южно-Тихоокеанская (ЮТ), Восточно-Тихоокеанская (ВТ), Западно-Чилийская (34), Галапагосская (Г), Калифорнийская (Кл), Рио-Гранде — Бассейнов и Хребтов (БХ), Горда—Хуан-де-Фука (ХФ), Нансена-Гаккеля (НГ, см. рис. 5.3), Момская (М), Байкальская (Б), Рейнская (Р). Зоны субдукции: 1 — Тонга—Кермадек; 2 — Новогебридская; 3 — Соломон; 4 — Новобританская; 5 — Зондская; 6 — Манильская; 7 — Филиппинская; 8 — Рюкю; 9 — Марианская; 10 — Идзу-Бонинская; 11 — Японская; 12 — Курило-Камчатская; 13 — Алеутская:, 14 — Каскадных гор; 15 — Центральноамериканская; 16 — Малых Антил; 17 — Андская; 18 — Южных Антил (Скотия); 19 — Эоловая (Калабрийская); 20 — Эгейская (Критская); 21 — Мекран.
а — океанские рифты (зоны спрединга) и трансформные разломы; б — континентальные рифты; в — зоны субдукции: островодужные и окраинно-материковые двойная линия); г — зоны коллизии; д — пассивные континентальные окраины; е — трансформные континентальные окраины (в том числе пассивные); ж — векторы относительных движений литосферных плит, по Дж. Минстеру, Т. Джордану (1978) и К. Чейзу (1978), с дополнениями; в зонах спрединга — до 15—18 см/год в каждую сторону, в зонах субдукции — до 12 см/год

Рис. 5.2. Геометрическая правильность размещения глобальной системы современных рифтов относительно оси вращения Земли, по Е.Е. Милановскому, А.М. Никишину (1988):
1 — кайнозойские оси рифтинга, главным образом активные; 2 — океанская литосфера кайнозойского возраста; 3 — то же, мезозойского возраста; 4 — области с континентальной литосферой; 5 — конвергентные границы
Рис. 5.3. Юго-восточное окончание океанской рифтовой зоны Нансена — Гаккеля и продолжающие ее сейсмически активные разломы, разделяющие Евразийскую и Северо-Американскую литосферные плиты. По Л.М. Парфенову и др. (1988). Внизу — фокальные механизмы сейсмических очагов на этой активной границе, по Д. Куку и др. (1986):
1 — зоны спрединга (НГ — зона Нансена—Гаккеля); 2 — глубоководные желоба (зоны субдукции); 3 — трансформные разломы; 4 — взбросы; 5 — сбросы и сдвиги; 6 — зоны рассеянного рифтинга; 7 — движение литосферных плит и микроплит; 8 — фокальные механизмы сейсмических очагов; 9 — суша в пределах Евразийской (а) и Северо-Американской (б) плит. Литосферные плиты и микроплиты: ЕА — Евразийская; СА — Северо-Американская; Т — Тихоокеанская; ЗБ — Забайкальская; Ам — Амурская; Ох — Охотоморская

Современная тектоническая активность распределена крайне неравномерно и сосредоточена главным образом на границах литосферных плит. Двум главным видам этих границ (см. гл. 3.1 соответствуют и главные геодинамические обстановки. На дивергентных границах развивается рифтогенез, которому посвящена настоящая глава, здесь же мы рассмотрим активность трансформных границ, поскольку они связаны в первую очередь с рифтовыми зонами океанов. Конвергентное взаимодействие литосферных плит выражается субдукцией, обдукцией и коллизией (см. гл. 6). Сведения о сравнительно слабых, но важных по своим геологическим последствиям внутриплитных тектонических процессах будут даны в главе 7.

Термином рифтовая долина (англ., rift — расщелина) Дж. Грегори в конце прошлого века обозначил ограниченные сбросами грабены Восточной Африки, образующиеся в условиях растяжения. Впоследствии Б. Уиллис противопоставил их рампам — грабенам, зажатым между встречными взбросами. Понятие, имевшее вначале главным образом структурное содержание, в дальнейшем, особенно в последние десятилетия, обогащалось представлениями о геологических условиях и вероятных глубинных механизмах формирования этих линейных зон растяжения, о характерных магматических и осадочных образованиях и, таким образом, наполнялось генетическим содержанием. Складывалось современное понимание рифтогенеза, которое четверть века назад вошло в концепцию тектоники плит как один из важнейших ее элементов. При этом оказалось, что большинство рифтовых зон (в новом, широком их понимании) находится в океанах, однако там рифты как структуры, контролируемые сбросами, имеют подчиненное значение, а главным способом реализации растягивающих напряжений служит раздвиг.