СМЕЩЕНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ ПО АСТЕНОСФЕРЕ

По результатам наших исследований мы представляем на публичное обсуждение вопрос о том, что одним из первичных звеньев геодинамических движений поверхности Земли можно считать эффект проскальзывания земной коры по астеносфере.

Одной из причин таких движений следует считать центробежные силы, возникающие в условиях вращения Земли вокруг своей оси. Эти движения являются первичными. Движения по трансформным разломам можно отнести к движениям земной поверхности второго ранга, движения тектонических плит, связанные с явлением спрединга и субдукции, можно отнести к движениям третьего ранга, а блоковые внутриплитовые смещения к геодинамическим движениям более низких рангов.
В монографии В. М. Линькова [Линьков В. М., 1987] движения земной коры в меридиональном направлении связываются с так называемыми “поплавковыми колебаниями”, обусловленными неравномерным распределением суши между Северным и Южным полушариями Земли. Во многих работах рассматриваются прогнозы смещения коры по астеносфере в связи с избыточной некомпенсированной массой ледового щита Гренландии.
В нашем исследовании рассмотрены случаи быстрых смещений поверхности Земли по астеносфере, без претензий на рассмотрение вопросов динамики, ограничившись вопросами кинематики.
В. М. Линьковым [Линьков В. М., 1987] была приведена система доказательств и соответствующих расчетов того, что быстрые изменения скорости вращения Земли и изменения координат оси вращения Земли могут формироваться смещениями земной коры по астеносфере. Величина смещения земной коры по астеносфере, необходимая для объяснения наблюдаемых короткопериодных вариаций скорости вращения Земли, путем расчетов была оценена в монографии [Линьков В. М., 1987].
Предполагалось, что изменение момента инерции происходит толь
ко под влиянием перемещения масс земной коры. Принята пространственная система координат, центр которой совмещен с центром Земли, а ось 0Z направлена по оси вращения. Приведем полностью доказательство, используемое в монографии В. М. Линькова [Линьков В. М., 1987]. Далее по тексту: “Изменение момента инерции dI массы dm при смещении полюса и изменении угла 9 на Д9 составляет
dI=2RE2sin9cos9A9dm              (1.1)
или
dI=2REsin9cos9Ldm,              (1.2)
где
L=RE2d9              (1.3)
L — линейное перемещение массы по меридиану.
Изменение момента инерции, создаваемое перемещением материка площадью S вдоль меридиана на величину L, будет равно
AI=Jj2RE3hqLsin29cos9d9d9,              (1.4)
где h — толщина земной коры, q — плотность земной коры, ф — широта. В результате интегрирования
AI=1,8RE3hqL.              (1.5)
Чтобы объяснить наблюдаемое относительное изменение угловой скорости вращения Земли, равное 2х10-9, необходимо изменение момента инерции на 1,6 х 1029 кг/м2. Если взять h=105 м, а q=3,3 х 103 кг/м3 (средняя плотность верхних слоев Земли), то из последней формулы для AI можно определить необходимое значение
L=AI/(1,8RE3hq)=1,05 м.              (1.6)
Таким образом, короткопериодические изменения скорости вращения Земли были объяснены колебательными перемещениями континентов в меридиональном направлении с амплитудой 1 м.”
Корректность расчетов была подтверждена вычислениями короткопериодических движений полюсов Земли, которые могут быть сравнены с данными астрономических наблюдений [Линьков В. М., 1987].
Проверку правильности этой оценки амплитуды колебательных перемещений континентов можно провести путем использования ее для расчета амплитуды короткопериодических движений полюсов Земли
и сравнения полученных результатов с наблюдаемыми астрономическими методами.
Так как материки расположены не симметрично по долготе, то смещения континентов должны вызывать короткопериодические движения полюсов Земли. Далее приведем систему доказательств, опубликованную в работе [Линьков В. М., 1987]: “Можно доказать, что смещение элемента массы dm вдоль меридиана на угол A9 приведет к смещению полюса на угол
Aa=-RE2dmcos29/(C-A),              (1.7)
где А — главный момент инерции относительно экваториальной оси, а С — момент инерции относительно оси вращения. Если за нулевую точку принять среднее положение полюса и ось X направить по гринвичскому меридиану, а ось Y — к западу от него, то интегральная компонента смещения полюса будет составлять
dx=RE2dmcos29cosXA9/(C-A),              (1.8)
dy=RE2dmcos29sinXA9/(C-A)              (1.9)
(X — долгота). С учетом широтного эффекта вариации силы тяжести при перемещениях Земли на орбите в направлении оси вращения
dx=Kcos29sin29cosXd9dX,              (1.10)
dy=Kcos29sin29sinXd9dX              (1.11)
(A9/sin9=A9o — средний сдвиг компонента; H^R^ hq A9o/(C-А)^1.90A9o). Для интегральных оценок компонент смещения полюса воспользуемся океанической функцией a(9,X). Тогда
Ax=-Kifa*cos29sin29cosXd9dX,              (1.12)
Ay=-K|Ja*cos29sin29sinXd9dX,              (1.13)
где
a*=1-a(9,X).              (1.14)
Подставив сюда численные значения коэффициентов разложения океанической функции по сферическим гармоникам [Манк У. и др., 1964] и проинтегрировав, получим Ax= -1.16A9o и Ay=-0,22A9o Если учесть не географические очертания материков и морей, а контуры, ограничивающие глубоководные области океанов (соответствующее разложение a(9,X) есть в работе [Манк У., 1964]), то для компонент

смещения полюса получим Ax= -1.10A9o и Aу=0,62A9o или |Ax|=0.36” и |Ay|=0.02” при смещении континентов на 1 м.” Если приведенные вычисления не имеют изъянов, то можно считать доказанным, что быстрые изменения координат географического полюса тождественны изменениям положения земной коры относительно астеносферы. Естественно, учитывая неоднородность земной коры по площади, неоднородность ее по толщине и нелинейность изменения площадей в различных широтных зонах поверхности геоида в результате глобальных геодеформаций — фактические быстрые смешения земной коры по астеносфере будут различными в разных точках земной поверхности.
Одним из ярких случаев таких смещений можно считать осень 1998 года, когда зафиксировано резкое изменение траектории смещения оси вращения Земли [http://hpiers.obspm.fr/eop-pc/]. На рисунке 1.1 показана траектория смещения полюса в 1998 году.
Pole coordinates Снр,-цр)
alt="" />
к Cnas) —gt; towards Greenuhich
Рис. 1.1. Смещение полюса в 1998 г. [http://hpiers.obspm.fr/eop-pc/]

В ноябре 1998 года зафиксировано уменьшение радиуса чандлеров- ского цикла и резкое увеличение его периода. Фрагмент рисунка 1.1 показан на следующем рисунке 1.2.

Можно отметить, что “попытки” изменения траектории проекции оси вращения на земную поверхность во всех случаях согласуются с торможением смещения коры по астеносфере. Вследстви, торможения происходит изменение траектории оси вращения Земли.
Важно знать, в какой степени такие движения проявляются в техногенных авариях. По данным пространственно-временной изменчивости аварий газопроводов нами зафиксирован беспрецедентный за всю историю наблюдений рост аварийности газовых сетей. Так, 17 ноября было зафиксировано 152 аварийных случая на сетях газопроводов

ОАО “Одессагаз”, что составляет десятикратное превышение нормы [Учитель И. Л. и др. 2001]. Установлено, что 17 ноября с 14 до 17 часов разгерметизация газопроводов охватила центральную часть города — рис. 1.3 (блок ортогональной ориентации). После 17 часов ситуация изменилась, и пластические деформации происходили преимущественно в пределах диагонально ориентированного блока — рис. 1.4 (пос. Черемушки). На другой день ситуация полностью повторилась. Можно констатировать, что во время возникших экстремальных деформаций 17-18 ноября быстро менялось направление деформаций. В 17 часов местного времени 17 и 18 ноября ортогональное направление деформаций сменялось диагональным.

Рис. 1.3. Мелкоблоковая структура Рис. 1.4. Мелкоблоковая структура ортогональной ориентации. Целевая диагональной ориентации. Целевая застройка XVIII века застройка 60-х годов XX века

В третьей главе 2-й части книги детально рассмотрены условия формирования быстрых смещений земной коры во время однонаправленного спрединга в районе Рейкьявика 27 января 2003 года. В этот день характер внутриблоковых геодеформаций был сравним с ситуацией 17-18 ноября 1998 г. Были изучены параметры смещения оси вращения Земли в этот период (рис. 1.5). Стрелкой показана дата, соответствующая активным геодинамическим процессам, сопровождавшимся внутриблоковыми геодеформациями. Показано, что однотипные смещения земной коры по астеносфере формируют идентичные по типу внутриблоковые геодеформации 17.11.1998 и 27.01.2003. Детально изучены амплитудно-частотные характеристики земноприливных эффектов. Анализ особенностей массовых взаимодействий, формирующих
неравенства приливов в твердом теле Земли, показал, что аномальная активизация сейсмических проявлений в Крыму 4-8 октября 1998 г. и наводнение в Карпатах 6-7 ноября 1998 произошли в даты, близкие к полнолуниям, 5 октября и 4 ноября соответственно. Пластические деформации 17-18 ноября произошли в дату, близкую к новолунию (19 ноября). Очевидно, что в даты сизигийных приливов имеет место примерно 20% увеличение амплитуды приливообразующих сил. Важно отметить, что полнолуния 5 октября и 4 ноября произошли в даты, близкие к датам перигелия Луны, что дает еще примерно 20% добавку к амплитуде действующих приливообразующих сил.

Рис. 1.5. Смещения полюса в январе-марте 2003 г. [http://hpiers.obspm.fr/eop-pc/]

Дата наводнения в Закарпатье показана стрелкой на рисунке 1.1. В этом случае фиксировалось резкое торможение и изменение траектории смещения земной коры по астеносфере.

Нами по фактическим данным, приведенным на сайте (ERS Earth orientation center http://hpiers.obspm.fr/eop-pc/), рассчитаны изменения во времени линейной скорости смещения полюса и изменения длины радиуса круга, по которому земная кора смещается по астеносфере.
На рис. 1.6 показаны изменения длины линии, квазирадиуса траектории смещения координат полюса во времени без учета монотонных круговых движений. Расчетная кривая получила название параметр р. Расчеты выполнены с использованием программного пакета “Surfef”, удаление параболического тренда выполнено с использованием стандартного программного обеспечения, применяемого для статистических расчетов.

max О. 75 О. 5 О. 25 го i п
Эта кривая получена путем расчета нелинейного тренда сектора квазикруга в сентябре-декабре 1998 г. В качестве аппроксимирующей функции принята параболическая функция. На рисунке 1.6 показаны отклонения длины квазирадиуса от параболической траектории. Уменьшение значений параметра в означает уменьшение радиуса круга, по которому земная кора смещается около оси вращения. Увеличение параметра в свидетельствует об обратном процессе. Начиная с 5 ноября 1998 г., когда возникли максимальные амплитуды приливообразующих сил в связи со специфическим расположением относительно Земли-Луны и Солнца (сизигийный прилив в твердом теле Земли) в условиях перигея Луны, что дает 40% увеличение амплитуды приливообразующих сил, началось резкое смещение движения земной коры вправо (для северного полушария) от генерального направления смещения. Дата наводнения в Закарпатье показана стрелкой.

Специально были рассчитаны линейные скорости суточного изменения положения проекции оси вращения на поверхность Земли. Результаты расчетов показаны на рис. 1.7.

Сен Окт Ноя
1998 199S 1993
Рис. 1.7. Изменение во времени линейной скорости изменения координат полюса

Дата наводнения показана стрелкой. Амплитуда линейной скорости смещения имеет выраженные недельную и двухнедельную цикличности. Цикличность 14, 2 суток известна для колебаний угловой скорости вращения Земли и для смещения полюса. Недельную цикличность можно объяснить на следующем примере. При свободных колебаниях маятника, например, с периодом 14 суток максимумы скорости его движения формируются дважды за один период, что и дает недельный цикл.

В период перед наводнением дважды фиксировались фазовые сбои колебаний. Этот феномен требует специального изучения. Предварительно можно выполнить анализ данных, приведенных в таблице 1.1.

14.09	21.09	28.09	05.10	12.10	19.10	26.10	02.11	09.11	16.11	23.11
			08.10	15.10	22.10	29.10	05.11
								08.11	15.11	22.11

Таблица 1.1

В первой строке до 05.10.2005 показаны даты фактических максимумов линейной скорости движения полюса. Далее показаны прогнозные
даты максимумов линейной скорости с учетом недельной цикличности. Во второй строке показаны даты фактических максимумов линейной скорости после “сбоя” 5 октября. В третьей строке показаны даты фактических максимумов линейной скорости после “сбоя” 5 ноября. Как видно, после второго сбоя максимумы скорости смещения полюса восстановили фазовые характеристики, прогнозируемые по тенденциям сентября 2005 г. Таким образом, можно констатировать, что нарушения циклического усиления скорости движения коры по астеносфере имели место в даты экстремальных приливов в твердом теле Земли. Рассмотренные процессы спровоцировали аномалии регионального характера. В первую дату неравномерность движения коры сопровождалась разрывными геодеформациями очень редкими землетрясениями в Крыму, во втором случае, возможно, изменениями уклонов земной поверхности в пределах Карпатского орогена и изменениями русла р. Тисса.
Исходя из комплексного анализа рис. 1.6 и рис. 1.7, можно установить, что 6-7 ноября поворот земной коры вправо от генерального направления произошел при максимальных значениях из её линейной скорости движения. Специально были рассчитаны значения ускорения движения земной коры в суточном интервале. Результаты расчетов показаны на рис. 1.8. Дата исторического наводнения в Закарпатье показана стрелкой. Акцентируем внимание на том, что в данном случае необычное наводнение в Закарпатье, получившее название “моментального”, мы объясняем процессами быстрых смещений земной коры по астеносфере в день наводнения. Такие смещения могут фомировать изменения пространственного положения отдельных блоков Земной коры, изменения их уклонов, что, возможно, может приводить к кратковременному изменению русел рек. Конечно, нельзя исключать и эффект кратковременного изменения соотношения центробежных и гравитационных сил, что формирует кратковременные аномалии силы тяжести. Этот процесс также может повлиять на динамику русловых потоков. Отметим, что эта тема пока остается открытой.
Достоверно обнаружено, что после торможения линейного движения 3-4 ноября в движении коры по астеносфере проявилось ускорение. В день перед наводнением кора “тормознулась”, а затем ускорилась, достигнув максимума 7 ноября. Максимум 7 ноября соответствует типичному еженедельному ускорению движения. Однако торможение 6 ноября нельзя назвать типичным, скорее наоборот. Амплитуду торможения коры 6 ноября можно оценить на рис. 1.8.
Исходя из комплексного анализа рис. 1.6, 1.7, 1.8, можно установить, что 6-7 ноября поворот земной коры вправо от генераль
ного направления произошел при максимальных значениях из её линейной скорости движения и при максимальных значениях положительного ускорения после нетипичного торможения в день перед наводнением.
alt="" />
Сен Окт Ноя
1998 1998 1998
Рис. 1.8. Изменение во времени ускорения изменения координат полюса

Исходя из изложенного и учитывая неоднородность толщины земной коры, такой характер ее движения в день наводнения можно рассматривать как причину возникновения быстрых реверсных изменений уклонов поверхности Земли. Это, по-видимому, и привело к перераспределению стока Тиссы по малозначимым рукавам [Конкин В. В. и др., 2005].
Важно отметить, что ротационно-гравитационный механизм миграции оболочки Земли изучался с использованием геофизических методов многими авторами. Последнее обобщение результатов, подтверждающих существование эффекта миграции земной коры по астеносфере, мы нашли в работе [Оровецкий Ю. П., 2003]. Наиболее современная гипотеза глобального тектогенеза [Павленкова Н. И., 2004] использует положение о миграции верхней оболочки Земли по астеносфере как основополагающее.
Исходя из изложенного, можно заключить, что изменения траектории полюса в октябре-ноябре 1998 года были связаны с возникшей неравномерностью смещения земной коры по астеносфере в этот период. Можно предположить, что резкие изменения угловой скорости вращения соответствовали уменьшению размеров Земли, что привело к аномальному росту давления в земных недрах и соответствующему снижению вязкости астеносферы. В условиях экстремальных изменений формы Земли в даты сизигий и особенно при совпадении с датами
перигелиев Луны рассматриваемые эффекты, безусловно, имеют максимальное развитие.
Таким образом, можно предположить, что экстремальные сейсмические проявления в Крыму 4-8 октября, необычное “моментальное” наводнение в Закарпатье 6-7 ноября и экстремальные геодеформации в Одессе 17-18 ноября 1998 года являются общими следствиями произошедших изменений ротационного режима планеты и аномальных приливов в твердом теле Земли. Приведенные материалы о последовательных изменениях пространственного положения оси вращения Земли относительно земной коры позволяют отметить, что это стало причиной изменения кинематических характеристик смещения земной коры по астеносфере. Масштаб таких проявлений, по нашим оценкам, — глобальный. В этот период вместо медленных однонаправленных смещений коры по астеносфере по круговой траектории фиксировались торможения, ускорения и резкие изменения направления её движения (см. рис. 1.7, рис. 1.8). Естественно, что крупные орогены, где толщина земной коры возрастает с 35 до 100 км, описывают наиболее сложные движения, в том числе и изменения уклонов поверхности земли. Известно, что к таким орогенам относятся и Карпаты. В условиях возникновения ускорений движения коры по астеносфере, при резком изменении направления движения земной поверхности, могут формироваться быстрые реверсные изменения уклонов земной поверхности. Именно быстрые изменения уклонов на участках русла рек Тисы, Боржавы и Латорицы могли привести к перераспределению стока в пользу незначительных в обычное время рукавов, сформировав так называемое “моментальное” наводнение катастрофического характера [Конкин В. В. и др., 2005].
Нами изучен другой пример резких изменений скорости и траектории смещения Земной коры по астеносфере. Рассмотрен случай беспрецедентного за всю историю инструментальных измерений “петля- ния” оси вращения Земли в декабре 2005 — феврале 2006 гг. Результаты расчетов выполнены по данным (ERS Earth orientation center http:// hpiers.obspm.fr/eop-pc/). Эта ситуация показана на рисунке 1.9.
Рисунок 1.9 является фрагментом рисунка 1.10, на котором показана траектория смещения оси вращения Земли в 2003-2007 годах.
Дальше будут рассмотрены геодинамические условия в сентябре 2005 года. В этот период, по данным USGS (http://earthquake.usgs.gov/ eqcenter/index.php), фиксировались интенсивные смещения земной коры глобального масштаба, в том числе и горизонтальные. В развитии этой ситуации произошли неоднократные торможения смещения зем
ной коры по астеносфере, реверсивные движения и восстановления прежних тенденций. Такие движения проявлены на рисунке 1.9 в виде петель. По данным расчетов В. М. Линькова [Линьков В. М., 1987], такая траектория оси вращения Земли связана со смещением земной коры по астеносфере.

alt="" />

Для обоснования причинно-следственной связи такого характера горизонтальных смещений земной поверхности с быстрыми реверсивными смещениями были изучены статистические характеристики ряда обрушений строений. В качестве исходного ряда были приняты данные об обрушении зданий в Российской Федерации с октября 2001 года по январь 2006 года.

Рис. 1.10. Траектория смещения оси вращения Земли в 2003-2007 гг. [http://hpiers.obspm.fr/eop-pc/]

Из исходного ряда был составлен ряд так называемых “резонансных” обрушений зданий, в который вошли обрушения катастрофического характера сравнительно новых зданий — рис. 1.11. Установлено, что обрушения строений имели системный характер. Первый пик обрушений был зафиксирован в феврале-марте 2004 г. Затем пиковые значения обрушения зданий фиксировались в мае-июне 2005 года и затем в декабре 2005 — марте 2006 гг.
К ряду обрушений строений была применена методика [Учитель И. Л., 2001], используемая для анализа аварий трубопроводов геодинамичес- кой природы. Была рассчитана оценка взаимного амплитудного спектра по двум рядам обрушения строений. Установлено, что обрушения происходили с четкими периодами 7 и 14 суток. Была выполнена процедура узкополосной фильтрации с последующими вычислениями абсолютных

значений с месячным суммированием. На рис. 1.12 показаны результаты расчета изменения амплитуды двухнедельной гармоники.
Рис. 1.11. Изменение во времени месячного количества обрушения строений (1 — все данные, 2 — резонансные обрушения)
Рис. 1.12. Изменение во времени амплитуды двухнедельной гармоники ряда обрушения строений
Установлено, что в пиковые даты интенсивного обрушения строений таковые происходили системно, с двухнедельным циклом.
Если выделить для рассмотрения только 2005 год, то, согласно графику, получится, что в 2005 году интенсивность обрушения строений была особенно высокой. Аномально высокой интенсивность обрушений была с февраля по июль и после ноября 2005 года.

Приведем данные последнего цикла техногенных проявлений геодеформаций: произошел обвал пятиэтажного жилого дома в Тбилиси; обрушился дом в Казани; обрушилась стена жилого дома в Барнауле; обрушился фасад жилого дома в центре Москвы; произошло обрушение крыши школы в Монголии; произошло обрушение в Волгоградской области; обрушилось здание бассейна в Пермском крае; обрушилась крыша дома в Москве; рухнул жилой дом в Нью-Джерси; обрушился строящийся дом в Дели; обрушилась пятиэтажная гостиница в Алжире; обрушилась стена и кровля в депо станции Сасово; обрушилась крыша школы в Пермском крае; обрушилась крыша спортзала в Бад-Райхенхалле в Германии; обрушилась крыша супермаркета в Чехии; обрушилось шестиэтажное здание в Каире в Египте; обрушилось трехэтажное здание в Каире в Египте; произошло обрушение четырехэтажного отеля в Мекке; рухнул дом в Кении; обрушилась крыша выставочного центра в Катовице; type="1"> сломалась опора конструкции телебашни в Турине; обвалился этаж здания в Калининграде; в школе обвалилась крыша в Таджикистане; рухнула стена здания в Ангарске; рухнула крыша школы в Липецке; рухнула плита перекрытия в Воронеже; рухнула крыша в Воронеже; произошло обрушение Басманного рынка в Москве.
В качестве наиболее яркого примера можно привести серию резонансных обрушений зданий 2-5 января. Это обрушения зданий в Германии, Египте, Чехии, Египте, Саудовской Аравии (рис. 1.13, 1.14)).
Сравнивая изменения интенсивности обрушения зданий с изменениями скорости и направления движения земной коры по астеносфере (рис. 1.9.) можно прийти к выводу о том, что такие движения земной коры имеют разрушительный характер.

Рис. 1.13. Фото обрушения крыши спортзала в Бад-Райхенхалле (Германия) 02.01.2006.

Рис. 1.14. Фото обрушения крыши супермаркета в Чехии
03.01.2006.

<< | >>

↑

Источник: Войтенко С.П., Учитель И.Л., Ярошенко В.Н. Геодинамика.. Основы кинематической геодезии. 2007

Еще по теме СМЕЩЕНИЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ ПО АСТЕНОСФЕРЕ:

- Историческая геология, палеонтология - Геодезия - Геология -