загрузка...

СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМ ГЕОДИНАМИКИ


Важная информация о достижениях современной геодинамики изложена в статье В. Е. Хаина [Хаин В. Е., 2002]. В данной работе отмечается, что активные процессы, приводящие в конечном счете к изменениям структуры земной коры и рельефа, зарождаются в нижней мантии и даже на ее границе с ядром. Само ядро активно участвует в этих процессах. Есть данные о том, что твердое “ядрышко” вращается с большей скоростью, чем остальная планета. Информация о внутреннем строении Земли показана на рис 1.1. На рисунках оттенками показаны повышенные и пониженные (относительно средних, в %) скорости распространения сейсмических волн.
На глубине 100 км верхняя мантия разогрета под границами плит и в особенности под срединно-океаническими хребтами (низкие сейсмические скорости). Под континентами верхняя мантия холодная. Благодаря результатам современных исследований [Montagner J.-P, 2000] можно определить активность спрединга в разных океанах. В последний период, по данным до 2002 года, спрединг в Атлантическом океане был наименее активным [Хаин В. Е., 2002]. За исключением Африканского, все континенты могут рассматриваться малоактивными. Аномально низкими скоростями сейсмических волн характеризуется и Уральский ороген. Тибет, Монголия и часть Сибири характеризуются повышенной активностью.
Новыми являются данные о состоянии земных недр на глубине 310 км. Здесь корреляция с поверхностной тектоникой отсутствует. Амплитуда аномалий ниже 300 км заметно уменьшается. В зонах субдукции сейсмические скорости повышены (в мантию погружаются холодные плиты). Только быстроспрединговые хребты еще характеризуются медленными сейсмическими скоростями [Montagner J.-P., 2000].

alt="" />
¦70              5.0              3.5              2.5              *15              05              0.5              15              25              3.5              5j0              WJ


O- 30-              60-              90*              130*              150*              ISO*              210*              340*              270'              300-              330*              0'

O1 30*              60*              90*              \20'              150-              IBOa              210*              340'              270*              300*              330*              0'
^.0^ЙИс5"~Ё5Г0^5 ^Q1W O1IO a.25 O1MJ 1.00 2.00 Tm
Рис. 1.1. Сейсмотомографические модели земных недр для глубин 100 и 310 км [Montagner J.-P., 2000]


Важно отметить, что в районах Гренландии и Антарктиды, где идет непрерывный процесс увеличения толщины ледового щита, температуры земных недр — выше. В условиях интенсивного спрединга в тихоокеанском районе южного полушария и соответственного более высокого уровня интенсивности субдукции плиты Наска под Южно-Американскую плиту (по данным наблюдений за период до 2002 г.) район Бразилии испытывает нисходящие движения, что в результате избыточного давления формирует повышение температуры [Montagner J.-P., 2000].
Африканский континент оказывается активным в районе рифтовой зоны от долины Афар до озера Виктория.

Повышенной активностью отличается Индийская плита [Montagner J.-P., 2000].
К середине прошлого века в геофизике утвердилась модель оболо- чечного строения твердой Земли, предложенная австралийским ученым К. Булленом (модель Буллена-Джеффриса) [Хаин В. Е., 2002]. В ней отдельные оболочки и ядро обозначены заглавными латинскими литерами: кора — А, верхняя мантия — B, переходный слой к нижней мантии — C, нижняя мантия — D (между 660-670 и 2900 км), внешнее ядро — E, внутреннее — F. В нижних слоях мантии существует слой нарушения монотонного возрастания скоростей сейсмических волн к границе ядра, который получил обозначение D’’.

Рис. 1.2. Схема возможной динамики переходного слоя в нижней мантии [Kellogg L. H. et al., 1999]


Глубина кровли слоя изменяется от ~1600 км почти до границы мантия-ядро рис. 1.2. Стрелками показано движение вещества. Верхняя граница слоя D’’ с мантией неровная, и мощность меняется от 200 до 300 км. Вязкость слоя D’’, судя по сейсмическим скоростям, также заметно варьирует в широтном направлении. И, наконец, в подошве этого слоя выявлена зона ультранизких скоростей, что говорит о возможном частичном плавлении вещества.

С открытием слоя D’’ возникло предположение о его исключительно важной роли в глубинной и вообще глобальной геодинамике.
В самое последнее время стало высказываться мнение о существовании непосредственно за верхней границей нижней мантии слоя с более низкой вязкостью, который тоже может играть значительную роль в распределении мантийных течений.
Таким образом, в настоящее время вырисовывается следующая картина. В поперечном сечении земного шара существуют три наиболее активных слоя, каждый мощностью в несколько сотен километров: астеносфера, верхний слой нижней мантии и слой D’’ в основании мантии. По-видимому им принадлежит ведущая роль в глобальной геодинамике [Kido M., Yuen D. A., 2000].
В классической мобилистской гипотезе А. Вегенера в качестве движущей силы дрейфа материков рассматривалось осевое вращение Земли, а дефицит этой силы был одной из причин отторжения данной гипотезы геофизиками. В классической же тектонике плит фактор вращения Земли вообще не принимался в расчет. В дальнейшем на его возможную роль, пусть и второстепенную, стали обращать внимание, а в последние годы появился ряд серьезных работ, рассматривающих его влияние на кинематику плит [Татевян С. К., 1999]. Одним из основных аргументов служит заметная диссимметрия окраин Тихого океана: на западе развита система окраинных морей и островных дуг, которые подстилаются крутонаклоненными зонами субдукции, на востоке окраинные моря и островные дуги отсутствуют, а зоны субдукции преимущественно полого наклонены. Сторонники влияния ротационного фактора объясняют это тем, что течение в астеносфере с запада на восток, вызываемое вращением Земли, в первом случае ориентировано навстречу субдукции, а во втором — в том же направлении.
Также важно то, что американские континенты надвигаются на Тихоокеанскую впадину в связи с раскрытием Атлантики и отходят от оси спрединга Срединно-Атлантического хребта. Тем не менее независимые наблюдения у берегов Центральной и Южной Америки подтверждают существование здесь направленного к востоку течения в астеносфере.
Наиболее разработанная модель кинематики литосферных плит с учетом ротационного фактора предложена А. Смитом и Ч. Левисом [Smith A. D., Lewis Ch., 2000]. Ее суть представлена на схеме рис 1.3. Надо добавить, что ротационный фактор привлечен этими исследователями и для объяснения образования линейных вулканических цепей в Тихом океане. В общем, представляется, что в подлинно глобальной и полной геодинамической модели учет ротационного фактора обязателен.


Рис. 1.3. Модель вращения оболочек Земли вокруг центральной оси [Smith A. D., Lewis Ch., 1999]


Передача напряжений через астеносферу (с пониженной вязкостью) в сочетании с действием на подошве плит порождает отставание литосферных плит относительно мезосферы (зоны между астеносферой и нижней мантией) в западном направлении. Это отставание обусловливает дифференциальное вращение мантии и литосферы (Au), которое может рассматриваться как течение мантии в восточном направлении. Значение Au достигает 5 см-год"1, уменьшаясь как cos9 к полюсам [Smith A. D., Lewis Ch., 1999]. Волновые изгибы мантийного течения возникают вследствие смещения оси вращения (блуждания полюсов) в ответ на смещение масс на поверхности Земли (по К. Доглиони из работы [Smith A. D., Lewis Ch., 1999]).
Во второй части монографии будут приведены данные теоретических расчетов, подтверждающих обусловленность изменения координат оси вращения Земли и соответствующих изменений угловой скорости вращения Земли со смещениями земной коры по астеносфере [Линьков В. М., 1987].
Достаточно давно было обращено внимание на совпадение длитель
ности крупномасштабных тектонических циклов, установленных еще в самом конце XIX в. французским геологом М. Бертраном, со временем обращения Земли и всей Солнечной системы по галактической орбите [Хаин В. Е., 2002].
Наряду с ротационными факторами, в геодинамике большое значение имеют приливные факторы. В первую очередь это следствие массового взаимодействия в системе Земля-Луна.
Эта система фактически представляет двойную планету, барицентр которой лежит вне центра Земли. Р. Бостром [Bostrom R. C., 2000] считает, что проявление на Земле субдукции, и вообще тектоники плит, практически не известной на других планетах земной группы, было обусловлено именно массовым взаимодействием Земли и Луны [Bostrom R. C., 2000].
На рисунке 1.4 показаны отклонения dP длительности суток от эталонных за последние 350 лет.
ST, т.?
              1              1              1              1              г

1650              1700              1750              1600              1850              1900              1950              2000              2050
Рис. 1.4. Отклонения dP длительности суток от эталонных за последние 350 лет [Сидоренков Н. С., 2004]


Известно, что наиболее быстро Земля вращалась около 1870 г., когда длительность земных суток была на 0,003 с короче эталонных, а наиболее медленно — около 1903 г. (земные сутки были длиннее эталонных на 0,004 с) (рис. 1.4).

Многолетние изменения скорости вращения Земли слишком велики, чтобы их можно было объяснить перераспределением момента импульса между атмосферой и Землей. Так, например, замедление скорости вращения с 1870 по 1903 гг. было таким, что момент импульса Земли уменьшился на 48х1025 кгхм2/с [Сидорен- ков Н. С., 2004].
На фоне многолетних изменений хорошо видны внутригодовые колебания dP. Скорость вращения Земли бывает наименьшей в апреле и ноябре, а наибольшей — в январе и июле. Январский максимум значительно меньше июльского. Разность между минимальной величиной отклонения длительности земных суток от эталонных в июле и максимальной в апреле или ноябре составляет 0,001 с. Январский максимум не всегда выражен, а амплитуда годовой гармоники меняется с характерным временем около шести лет.
Амплитуда полугодовой гармоники меняется с характерным временем — около двух лет. В спектре приливных колебаний скорости вращения Земли выделяются составляющие периодами год, полгода, 27,3;13,7; 9,1 сут.
Максимальные приливные колебания скорости вращения Земли характеризуются внутримесячной изменчивостью. По величине размаха выделяется период — близкий к 14 сут.
Во внутрисуточном масштабе приливные волны бывают полусуточные, суточные.
Известно, что изменяется не только угловая скорость вращения Земли. Регистрируются небольшие колебания земной коры относительно оси вращения. Поэтому точки, в которых ось вращения пересекает земную поверхность, — мгновенные полюсы Земли — движутся. Они перемещаются по земной поверхности вокруг среднего полюса в направлении вращения Земли, т. е. с запада на восток. Траектория движения полюса имеет вид спирали, которая периодически то закручивается, то раскручивается. Самое большое удаление положения мгновенного полюса от среднего не превышает 15 м.
Как уже упоминалось, закручивание и раскручивание траектории полюса — это два периодических движения: вынужденное — годовым периодом; свободное, или чандлеровское движение с периодом около 14 мес. Чандлеровское движение полюсов возникает, когда ось вращения Земли отклоняется от оси наибольшего момента инерции Земли.
Однако оно должно затухать со временем, т. к. энергия свободного движения
полюсов превращается в Земле в тепло. Отсутствие затухания свободного движения полюсов указывает на то, что имеются какие-то другие процессы, непрерывно его поддерживающие. Радиус свободного движения имеет амплитудную модуляцию периодом около 40 лет. Максимальные значения радиуса (9 м) наблюдались около 1915 и 1955 гг., а глубокий минимум (2 м) — около 1930 г.
Анализ изменений координат полюса за последние 110 лет [Сидо- ренков Н. С., 2004] показывает, что вынужденное движение происходит по эллипсу с запада на восток. Величины больших полуосей эллипса колебались в пределах от 3,4 до 2,7 м, малых полуосей — от 2,5 до 1,8 м, эксцентриситетов — от 0,15 до 0,46 м, а восточные долготы большой полуоси имели значения от 205° до 145° в. д.
В течение всего периода наблюдений средний полюс смещался со скоростью около 10 см/год по сложной зигзагообразной кривой с преобладающим направлением в сторону Северной Америки (меридиан 290° в. д.).
В. Л. Горшковым и др. [Горшков В. Л. и др., 2002] проведен численный эксперимент для оценки возможности возбуждения свободной нутации Земли сезонными вариациями движения полюса. В качестве параметра модели использовалось гипотетическое нелинейное трение между слоями Земли, проявляющееся на частотах, близких к году, и регулирующее сцепление слоев в зависимости от сотношения векторов сезонного и свободного колебания полюса. На основе данных IERS
о              параметрах ориентации Земли [Горшков В. Л. и др., 2002] в рамках предложенной модели исследовалась связь обнаруженных долгопериодических квазигармонических вариаций в скорости вращения Земли (LOD) и динамики движения полюса.
Современные движения часто обладают колебательной природой, пока недостаточно изученной. Предполагается, что аномалии развития вертикальных движений предшествуют сейсмичности [Учитель И. Л. и др., 2000, Долгих Г. И., 1983]. Важны результаты изучения особого вида “быстрых” тектонических движений на геодинамических полигонах, описываемых в работе Лыкова В. И. [Лыков В. И., 1978]. Инструментальными методами при изучении предвестников одного из землетрясений установлено, что за несколько часов перед слабым землетрясением изменения одной из баз достигало 19 мм, распространившись затем на остальные базы. В другой период зафиксировано быстрое знакопеременное изменение длины шести баз. В дальнейшем быстрые изменения сменялись медленным поступательно-возвратным движением, иногда покоем [Лыков В. И., 1978]. Важным можно считать вывод о том, что
поступательно-возвратные (колебательные) движения свойственны разломам всех рангов.
Современная теоретическая основа быстро меняющегося поля деформаций земной поверхности была заложена в начале 70-х годов и зарегистрирована как научное открытие (эффект Вартаняна-Куликова) [Вартанян Г. С., 1998]. В дальнейшем реальные масштабы деформаций асейсмического характера анализируются в работе [Асада Т. и др., 1984]. В результате использования скважинных деформографов было установлено, что в некоторых местах деформированное состояние земной коры меняется очень быстро. Это могут быть изменения типа скачка деформаций, которые длятся несколько минут.
Необходимо отметить исследования В. П. Рудакова [Рудаков В. П., 1992, 1993], посвященные изучению волновых геодинамических движений, в том числе в условиях сейсмически стабильных платформенных областей. Значительную роль здесь так же, как и в сейсмоактивных регионах, по мнению автора, играет деформационная волна годовой периодичности. Отличительной особенностью данной волны является то, что она порождается годовым ходом изменения скорости вращения Земли и распространяется в земной коре со скоростью 7 км в сутки. Процессы квазигармонического изменения напряженно деформированного состояния земной коры, обусловленные геодинамическими движениями волновой структуры, приводят к периодической активизации геодинамических процессов в тектонически разуплотненных участках литосферы, в том числе в регионах сейсмически неактивных.
В работе Е. М. Линькова [Линьков Е. М., 1987] приведена классификация геодинамических движений по причинам, их вызывающим. Отличают микросейсмы с изгибно-гравитационными волнами, собственными колебаниями Земли в области периодов, превышающих период основного тона сфероидальных колебаний (1-2 минуты), распространяющихся после сильных землетрясений и вне связи с ними. Периоды длинных и сверхдлинных колебаний могут достигать нескольких часов.
Среди всего спектра землетрясений, длиннопериодные колебания возбуждаются только землетрясениями с существенно большой длительностью, что в общем случае обычно обуславливается так называемым асейсмическим скольжением, предваряющим основной толчок. Такой процесс как крип, может и не сопровождаться землетрясением, подобное явление известно под названием “тихих” (или “замедленных”) землетрясений [Lu Dajiong, 1980]. Другими словами это можно сформулировать следующим образом: очень редкие сильные землетря
сения вызывают собственные гравитационные колебания. Но асейсмическое скольжение, крип, также может сопровождаться длинными волнами с периодами от минут до нескольких часов. Отличительной особенностью этих колебаний является большая амплитуда смещений, сосредоточенных в пределах ядра Земли, и относительно малая — на поверхности. Такие колебания уже не относятся к обычным упругим колебаниям, они обусловлены гравитационными силами, свободными гравитационными колебаниями ядра Земли, вызывающимися гравитационными возмущениями с амплитудой 0,1 мкгал. Колебания ядра при малых отклонениях от положения равновесия, от барицентра Земля-Луна могут иметь место при возмущениях внешнего гравитационного потенциала [Lu Dajiong, 1980].
Сатоши Иде (Satoshi Ide) из Токийского университета установил связь между малыми подвижками земной поверхности и катастрофическими землетрясениями. Выявлены определенные признаки, характеризующие так называемые “медленные землетрясения” — новый тип тектонической активности, не приводящий к образованию сейсмических волн, но увеличивающий напряжения в сейсмически опасных зонах. “Медленные землетрясения” могут продолжаться месяцами. Сейсмическая энергия в них почти не высвобождается. Одно из “медленных землетрясений” в Японии было зафиксировано на острове Сикоку в 2002 году. Его магнитуда достигала 6,8, но никаких разрушений это явление не принесло.
Подтверждения существования быстрых смещений земной коры асейсмического характера были получены в результате геодезического мониторинга района индонезийского землетрясения 26.12.2004 г. “Это почти невероятно, что породы движутся столь быстро”, — говорит Ко- суке Хеки, геолог из университета Саппоро (Хоккайдо, Япония). По словам японских геологов, трещины, возникшие в земной поверхности в результате разрушительного землетрясения на побережье острова Суматра в декабре 2004 года, затянулись быстрее, чем ожидалось. Спутниковые измерения гравитационного поля Земли, сделанные сразу после землетрясения, показали, что земные породы в Индийском океане осели на 8 миллиметров и “прижали” мантию планеты. Вместе с тем почти через год оседание земных пород практически исчезло, а в ряде местностей, что крайне удивило ученых, земные породы за год восстановились полностью. По расчетам специалистов, в привычных условиях на это должно было уйти не менее 20 лет.
Исключительно актуальным является вопрос выяснения причины и следствия между сейсмичностью и волновыми деформациями. Сопос
тавления активизаций длиннопериодных колебаний с сейсмичностью во времени показывают, что максимальная сейсмическая активность обычно происходит либо на фоне уже начавшегося процесса роста амплитуд длиннопериодных колебаний, либо после его затухания. Важно, что колебательный процесс реакции Земли на сильные землетрясения имеет меньшую амплитуду, чем колебания, предваряющие землетрясения. Особенно интересно отметить, что колебания, следующие за землетрясениями, нередко возрастают (вместо убывания) на протяжении нескольких суток после землетрясения. Сходство спектрального состава колебаний, связанных с сейсмичностью, и собственных колебаний, не связанных с нею, служит свидетельством реальности возбуждения Земли процессами, не связанными с сейсмичностью.
Важно выяснить, достаточно ли высокоамплитудны длинно- и сверхдлиннопериодные колебания, измеряемые сейсмографами, насколько они актуальны как деформации. На этот вопрос есть положительный ответ в работе [Долгих Г. И., 1983], посвященной изучению долгопериодных гравитационных колебаний Земли по результатам деформационных измерений.
Наряду с внутриземными причинами гравитационных деформационных волновых колебаний рассматриваются так называемые “поплавковые” колебания. Рассматриваются колебательные перемещения Земли в направлении оси вращения при движении по орбите. Такие периоды характеризуются выраженными амплитудами на записях магнетронных сейсмографов. Для этих процессов характерна скрытая периодичность 14-15, 24-25,48-50 суток. Имея в виду сравнительно большую удаленность приборов друг от друга (4000 км), выявленные вариации можно толковать как запись ускорений при возмущениях орбиты Земли [Линьков В. М., 1987]. Так как суточной изменчивости не выделяется, можно предполагать, что перемещения происходят в направлениях, близких к направлению оси вращения Земли. Считается, что при максимальных ускорениях “поплавковых” колебаний возникают дополнительные напряжения и деформации. Существующие нерегулярные 1-3-месячные изменения скорости вращения Земли и соответствующие движения полюсов пытаются объяснить именно этим явлением. Предполагается существование колебательных перемещений континентов в меридиональном направлении. Н. Н. Павлов [Павлов Н. H., 1970] выявил корреляцию между изменениями разностей долгот служб времени, на основании чего высказывается предположение о наличии перемещений материковых блоков по долготе и “поплавковыми колебаниями”.

Физический смысл связи изменений скорости вращения Земли с ее перемещениями на орбите в направлении оси вращения состоит в следующем: при ускоренном движении Земли в северном направлении на континенты будет действовать инерциальная сила, направленная к югу, что вызывает их скольжение по меридиану. При этом среднее расстояние от оси вращения до континентов северного полушария увеличится, что приведет к увеличению момента инерции. Если бы материки были расположены симметрично на обоих полушариях, то эти два эффекта компенсировали бы друг друга, но так как площадь материков северного полушария в два раза больше площади южного, то в целом при таком движении момент инерции Земли увеличивается, а следовательно, скорость вращения должна уменьшаться.
При ускоренном движении Земли в южном направлении должно происходить увеличение скорости ее вращения. По расчетам, если взять толщину коры 100 км, а плотность 3,3 т/м3, то линейное перемещение массы по меридиану составит 1,05 м, таким образом, короткопериодические изменения скорости вращения Земли могут быть объяснены колебательными перемещениями континентов. Проверку правильности этой оценки амплитуды колебательных перемещений континентов можно провести путем использования ее для расчета амплитуды короткопериодических движений полюсов Земли и сравнения полученных данных с наблюдениями астрономическими методами. В работе Т. Цубои [Цубои Т., 1982] приведены расчеты соответствующих смещений полюса вдоль гринвичского меридиана (0,36 секунды) и на 90 градусов на запад (0,02 секунды). Рассчитанные таким образом значения компонент смещения полюсов согласуются с экспериментальными данными [Мельхиор П., 1976].
<< | >>
Источник: Войтенко С.П., Учитель И.Л., Ярошенко В.Н. Геодинамика.. Основы кинематической геодезии. 2007

Еще по теме СОСТОЯНИЕ ИЗУЧЕННОСТИ ПРОБЛЕМ ГЕОДИНАМИКИ:

  1. Басин Е.Я.. Искусство и коммуникация (очерки из истории философско-эстетической мысли), 1999
  2. Тощенко Ж.Т.. Социология. Общий курс. – 2-е изд., доп. и перераб. – М.: Прометей: Юрайт-М,. – 511 с., 2001
  3. Е.В. Веницианов и др.. Экологический мониторинг: шаг за шагом, 2003
  4. Комиссаров В. С.. Российское уголовное право. Особенная часть: Учебник для вузов., 2008
  5. Вергелес Г. И., Матвеева Л. А., Раев А. И.. Младший школьник: Помоги ему учиться: Книга для учителей и родителей, 2000
  6. И.В. Волкова, Н.К. Волкова. Политология, 2009
  7. А.С. Панарин. Философия истории, 1999
  8. Момджян К.Х.. Введение в социальную философию, 1997
  9. В. Т. Харчева. Основы социологии / Москва , «Логос», 2001
  10. Е. М. ШТАЕРМАН. МОРАЛЬ И РЕЛИГИЯ, 1961
  11. Ницше Ф., Фрейд З., Фромм Э., Камю А., Сартр Ж.П.. Сумерки богов, 1989