Движения земной коры

Изостазия

Как уже отмечалось, рельеф нижней границы земной коры (границы М) является приблизительно зеркальным отражением рельефа ее верхней границы. Создается впечатление, что сравнительно легкая земная кора плавает в более плотном веществе нижележащего слоя В, подобно тому как плавают в воде айсберги. Это - известная гипотеза изостазии, которая была высказана еще в середине XIX в. С помощью ее легко объясняется наблюдаемый факт "зеркального отражения". Согласно закону Архимеда, вес плавающего блока земной коры должен быть равен весу вытесненного подкорового вещества. При одной и той же плотности чем выше возвышается плавающий блок над подкоровым веществом, тем глубже он должен быть погружен в него. Только тогда блок будет уравновешен весом вытесненного подкорового вещества. Если бы гипотеза изостазии не была справедливой, то над теми районами земной поверхности, где имеет место накопление масс, сила тяжести должна бы быть несколько большей, а в местах разгрузки - несколько меньшей, чем в окружающих областях. Например, в Скандинавии, где примерно 11 000 лет тому назад стаял ледник, следовало бы ожидать отрицательных отклонений силы тяжести, в то время как в Гренландии и Антарктиде, где к настоящему времени скопились огромные массы льда, следовало бы ожидать положительных отклонений. Однако гравиметрические измерения не обнаруживают таких отклонений. Это говорит о том, что нарушаемое равновесие земной коры восстанавливается путем перетекания подкорового вещества от мест с повышенным давлением к местам с пониженным давлением. Наблюдения показывают, что гипотеза изостазии справедлива лишь для больших территорий. Относительно же малые участки нередко оказываются неуравновешенными. Следовательно, подкоровое вещество (слой В) нельзя считать жидкостью, в которой легко могут плавать блоки земной коры. Об этом свидетельствует и тот факт, что поперечные волны сравнительно хорошо проходят подкоровые слои.

Как же совместить наблюдаемые факты? Оказывается, вещество подкорового слоя В обладает, с одной стороны, упругими, а с другой - вязкими свойствами. Оно напоминает такие аморфные вещества, как асфальт, сургуч, стекло. По теоретическим оценкам вязкость материала слоя В около 10²⁰ - 10²¹ пуаз. Вещество, обладающее такой вязкостью, течет при нагрузках, действующих на протяжении тысячелетий, но ведет себя как упругое твердое тело при кратковременных возмущениях, которые свойственны сейсмическим волнам, собственным колебаниям Земли, земным приливам и т. п.

"Дыхание" земной коры

Гипотеза изостазии априори предполагает существование вертикальных движений земной коры. В местах накопления масс земная кора должна медленно погружаться в подкоровое вещество, а в местах разгрузки - всплывать из него. Действительно, исследования показывают, что, вопреки бытующему мнению, земная кора не есть нечто застывшее, нечто покоящееся. Доказано, что она испытывает вертикальные и, по-видимому, горизонтальные движения. Особенно характерны такие движения для геосинклинальных областей Земли, в которых идут активные горообразовательные процессы. В этих областях движения происходят сравнительно быстро. Скорости достигают нескольких сантиметров в год. Характерно, что поднимающиеся и опускающиеся в них участки находятся недалеко друг от друга.

По сравнению с геосинклинальными областями обширные территории, занятые платформами, кажутся абсолютно неподвижными. Однако инструментальные определения последних лет показывают, что и здесь земная кора испытывает вертикальные движения. Только они имеют меньшую скорость (порядка нескольких миллиметров в год) и значительно меньшую контрастность. Если в геосинклинальных областях знак движения сменяется иногда на расстоянии нескольких километров, то на платформах движения одного знака захватывают огромные области, поперечник которых может превышать 1000 км.

Вертикальные движения приносят массу хлопот людям. Например, жители Голландии на протяжении многих веков ведут борьбу с наступающим на их территорию морем. Наоборот, жители Скандинавских стран страдают из-за отступания моря. Медленное поднятие земной коры, захватывающее весь Скандинавский полуостров, приводит к обмелению гаваней и проливов, что затрудняет или делает невозможным судоходство. За последние 25 000 лет центральная часть Скандинавии поднялась на 250 м. Даже окраинная часть этой зоны испытывает заметное поднятие. Так, территория Ленинграда поднялась со времени основания города Петром I более чем на 1 м.

Ясно, что вертикальные движения одного знака не могут происходить постоянно. Если бы, например, территория центральной Украины поднималась все время со скоростью около 10 мм/год, как это имеет место в паше время, то уже через миллион лет (срок очень маленький в геологическом масштабе времени) там должно бы вырасти плоскогорье высотой 10 км. Есть некоторые указания на то, что период вековых колебаний земной коры составляет 600-700 лет. Во всяком случае он не может превышать несколько тысяч лет.

Кроме только что описанных вертикальных движений, которые называют вековыми, по данным геологических наблюдений, должны существовать долгопериодические вертикальные движения со сменой направления через десятки и сотни миллионов лет. Современные инструментальные измерения не улавливают их, по-видимому, из-за недостаточной точности таких измерений.

Тщательные наблюдения показывают, что дважды в сутки земная кора плавно поднимается и так же плавно опускается. Это связано с прохождением приливной волны, которая возникает в упругом теле Земли. Измерения обнаруживают, что высота этой приливной волны составляет в среднем около 40 см, причем по мере удаления от океанов в глубь материков высота земного прилива увеличивается. Объясняется этот факт тем, что приливные волны океанов давят на окраинные части континентальной коры и частично уменьшают колебания упругой мантии Земли. Изучение земных приливов дает ценную информацию о твердости Земли в целом, т. е. о сопротивлении, которое она оказывает изменению ее формы внешними силами. Ясно, что если бы Земля была абсолютно твердой, то никаких приливов в ее теле не было бы. Зато средняя высота морских приливов была бы не 80 см, как это наблюдается в действительности, а около 120 см. Если же Земля была бы полностью жидкой, то мы не наблюдали бы морских приливов, так как дно и берега океанов поднимались и опускались бы на столько же, на сколько и уровень воды в океанах. Расчеты показывают, что высота морского прилива составляет две трети его высоты на абсолютно твердой Земле только в том случае, когда твердость вещества Земли равна твердости стали.

Горизонтальные движения земной коры определить значительно труднее, чем вертикальные. В настоящее время инструментально обнаружены горизонтальные движения лишь на небольших участках вдоль некоторых разломов земной коры. Скорость движения краев на таких разломах, как Сан-Андреас в Калифорнии, Атакама в Чили, Анатолийский в Турции, и т. п., составляет несколько сантиметров в год. Во время землетрясений иногда отмечаются внезапные перемещения, достигающие нескольких метров. В отдельных местах можно установить, что постепенно, за десятки миллионов лет края разломов сдвинулись на сотни километров.

Инструментальных доказательств существования движений целых блоков земной коры и тем более континентов по горизонтали в настоящее время нет. Зато имеется огромное количество попыток доказать реальность таких движений с помощью различного рода косвенных данных и не меньшее количество попыток опровергнуть эти доказательства.

Природа движений земной коры в настоящее время неясна. Гипотеза изостазии может объяснить лишь очень небольшую часть вертикальных движений земной коры, так как они имеют место не только в сравнительно небольших районах нагрузки или разгрузки масс, но и на огромных площадях земного шара, где никакого нарушения равновесия нет. Более того, иногда знак вертикальных движений прямо противоположен тому, который необходим для установления равновесия.

Движения земной коры, по-видимому, свидетельствуют о том, что процессы образования гор и впадин продолжаются и в паше время. Интересно, что если бы такие тектонические движения отсутствовали, то имеющиеся горы были бы довольно быстро (в геологическом масштабе времени) разрушены постоянно идущими процессами эрозии. Данные геологических исследований показывают, что действительно в ряде мест ранее существовавшие горы к настоящему времени разрушены эрозией до уровня равнин, по зато в других местах площади, находившиеся в прошлом ниже уровня моря, поднялись до альпийских высот. Так что тектонические движения, по-видимому, не только продолжаются, по и происходят настолько быстро, что значительно опережают процессы разрушения гор.

Землетрясения и вулканизм

С движениями земной коры тесно связаны землетрясения. В ряде мест надежно установлено, что перед землетрясением наклон земной коры к горизонту меняется. Этот факт говорит об изгибании пластов земной коры перед землетрясением. При изгибании в пласте возникают противодействующие изгибу упругие напряжения. Если изгибание пласта будет настолько велико, что возникающие напряжения достигнут предела прочности его, то происходит разрыв, т. е. землетрясение. При этом пограничные части пласта, сдвинувшись в противоположные стороны, распрямляются. Так, например, при колоссальном Гоби-Алтайском землетрясении, которое произошло в декабре 1957 г., наблюдался разрыв земной коры на протяжении сотен километров, а сдвиги пластов составляли десятки метров. Накопленная при изгибе пласта энергия упругой деформации расходуется во время разрыва, с одной стороны, на разрушение и сдвиг, а с другой - переходит в энергию сейсмических волн, которые распространяются от разрыва - очага землетрясения - во все стороны.

Каждый год на земном шаре происходит несколько миллионов землетрясений, регистрируемых приборами, около 19 000 - ощущаемых людьми и около 20 сильных землетрясений. Катастрофические землетрясения случаются редко - не чаще одного раза в год.

Энергия катастрофического землетрясения превышает энергию самого сильного термоядерного взрыва. Например, энергия, которая выделилась в очаге землетрясения, происшедшего 4 января 1911 г. южнее Алма-Аты, равна примерно 10²⁵ эрг. Энергия главного толчка Чилийского землетрясения, которое имело место 22 мая 1960 г., оценивается немногим более 10²⁴ эрг. Вся энергия землетрясения высвобождается обычно за время порядка 1 сек. Общая энергия, выделяющаяся при всех землетрясениях, составляет около 10²⁶ эрг в год.

Землетрясения происходят, как правило, в пределах узких поясов, которые охватывают земной шар (рис. 55). Эти пояса отделяются друг от друга обширными устойчивыми платформами. Как и следовало ожидать, пояса землетрясений совпадают с наиболее подвижными геосинклинальными областями. Особенно активными являются Тихоокеанский пояс, расположенный вдоль берегов Австралии, Азии, Северной и Южной Америки, омываемых Тихим океаном, и пояс, который тянется от Азорских островов вдоль Средиземного моря через горы Турции и Ирана, Гималаи к островам Индонезии. Интересно, что в некоторых местах, как, например, в Антарктиде, совсем не бывает землетрясений. Сравнительно мало их и на огромных акваториях Мирового океана. Там они почти все сосредоточены возле рифтовых долин в зоне шириной около 200 км. Эти землетрясения происходят на небольшой глубине и всегда очень слабы.

Землетрясения возникают лишь в верхней толще Земли, захватывающей литосферу и верхнюю мантию до глубин порядка 700 км. По глубине очага землетрясения делят на три группы: нормальные, промежуточные и глубокие. Очаги нормальных землетрясений лежат на глубине менее 70 км, промежуточных - в слое от 70 до 300 км и глубоких - более 300 км. Глубже 700 км землетрясений не обнаружено. Наиболее часты нормальные землетрясения. Они происходят во всех сейсмически активных областях Земли. Промежуточные землетрясения довольно часто, а глубокие почти исключительно происходят в районе Тихоокеанского пояса. Интересно, что очаги землетрясений в том или ином поясе распределяются не случайным образом. Особенно это характерно для Тихоокеанского пояса, где, как правило, глубина очагов землетрясений возрастает при движении через пояс от океана к материкам. Общая энергия землетрясений складывается из 85% энергии, освобождающейся при нормальных, 12% - при промежуточных и 3% - при глубоких землетрясениях.

До настоящего времени нередко бытует мнение, что все землетрясения связаны с деятельностью вулканов. География расположения вулканов и очагов землетрясений на земной поверхности показывает, что действительно все или почти все вулканы лежат в тех узких поясах, где происходят землетрясения. Однако землетрясения довольно часто встречаются и там, где нет и малейших признаков вулканической деятельности. Этот факт лишний раз говорит о том, что не вулканическая деятельность ответственна за землетрясения. Скорее, землетрясения способствуют развитию вулканизма, так как в результате их в слое В могут возникнуть области пониженного давления, что приведет к расплавлению вещества, т. е. к образованию магматических очагов. Возможно, поэтому вулканы у континентов располагаются в основном там, где происходят промежуточные землетрясения, очаги которых лежат в астеносфере.

Рис. 55. Схема зон землетрясений на земном шаре: 1 - нормальные; 2 - промежуточные; 3 - глубокие

В океанах вулканы связаны в основном с системой рифтовых долин. Количество их в несколько десятков раз превышает общее количество вулканов, расположенных па суше. Оценки показывают, что в результате вулканической деятельности выделяется энергия, равная приблизительно 3×10²⁵ эрг в год.

Извержения вулканов и землетрясения, происходящие в населенных районах,- это страшное бедствие. Они приносят не только громадные материальные убытки, но и уносят тысячи человеческих жизней. Классическим примером этого является извержение вулкана Везувий в 79 г. п. э., когда под пеплом погибли города Помпеи, Геркуланум и Стабия. 21 мая 1902 г. в результате мощного взрыва вулкана Мон-Пеле почти мгновенно был уничтожен город Сен-Пьер на острове Мартиника (Малые Антильские острова). При этом погибло 30 000 человек. Совсем недавно в результате сильных землетрясений, происшедших в мае 19G0 г. в Чили, в июле 1963 г.- в Югославии и в марте 1904 г.- па Аляске, погибли тысячи людей. По данным специального комитета ООН, на всем земном шаре от землетрясений ежегодно погибает в среднем 14 000 человек.

Какие же силы вызывают движения земной коры, землетрясения, вулканическую деятельность, образование гор? Почему эти явления протекают лишь в определенных местах земного шара? Почему существуют континенты и океаны? На эти вопросы современная наука о Земле пока не в состоянии дать окончательного ответа.