Сейсмическое районирование и прогноз землетрясений

Сейсмическое районирование и прогноз землетрясений представляют чрезвычайно важную задачу, так как от степени их достоверности зависят огромные капиталовложения в сейсмостойкое строительство. Повышение на 1 балл возможной сейсмической опасности сразу ведет к удорожанию всех строительных объектов. Сейсморайонирование - это очень трудоемкая и ответственная работа, которая должна учитывать множество факторов: связь землетрясений с глубинным строением земной коры; геофизическими полями; неотектоникой; геоморфологическими и геологическими особенностями района; типами горных пород, их составом и прочностью; разрывными нарушениями, трещиноватостью и еще многими другими параметрами, включая свойства грунта, уровень подземных вод, палеосейсмодислокации и т.д. Все это должно дать ответ на один-единственный вопрос, - какое максимальное расчетное землетрясение можно ожидать в данном конкретном районе (МРЗ).

Сначала составляются мелкомасштабные карты общего сейсмического районирования (ОСР). Такая карта масштаба 1:5000000 для территории СССР была подготовлена в 1978 г. В целях более точного прогноза для проведения крупных строительных работ необходимы уже более детальные карты от 1:1 000 000 до 1:200 000 детального сейсмического районирования (ДСР) и даже 1:25 000 так называемого сейсмического микрорайонирования (СМР), которое используется при планировании городов, поселков и т.д. По существу, это приращение балльности по отношению к грунтовым условиям. В этом отношении исключительную важность приобретают прочность грунтов и уровень грунтовых вод. Чем последний выше, тем больше вероятность возникновения гидравлического удара, могущего иметь катастрофические последствия.

В зависимости от балльности возможных землетрясений в строительстве существуют специальные нормы, строгое выполнение которых обязательно. Ограничивается этажность зданий, укрепляется их фундамент, они окружаются антисейсмическими поясами, не разрешается возведение дополнительных нависающих деталей, облегчается кровля, используется железобетон и т.д. Опыт показывает, что объекты, построенные с соблюдением всех норм для районов с повышенной сейсмичностью, при землетрясениях либо остаются целыми, либо получают незначительные повреждения.

Прогноз землетрясений - актуальная задача сейсмологии и сейсмогеологии. Карты сейсмического районирования показывают, какие районы могут быть наиболее опасными и какой проектной силы следует ожидать здесь землетрясения. Необходимо выделять сейсмогенные зоны - зоны ВОЗ (возникновения опасных землетрясений).

Рис. 15.5. Движения поверхности Земли перед землетрясением Ниигата (Япония) в 1964 г., М=7,5 (по К. Касахара)

Однако всех интересует наиболее трудный и важный вопрос, - когда оно произойдет? Ответить на него, конечно, нелегко, но работы в этом направлении ведутся усиленно и уже есть обнадеживающие примеры. Прогноз может быть разный: долгосрочный, краткосрочный и оперативный. Первый дается на ближайшие десятки - сотни лет, второй - на годы, месяцы, дни и даже часы. Предвестников землетрясений очень много и они совершенно разные. Когда речь идет о долгосрочном прогнозе, то в областях сильных землетрясений, происходящих раз в десятки лет, важным показателем является длительное отсутствие землетрясений. Чем это время больше, тем вероятность сильного землетрясения возрастает. В некоторых случаях важную роль играет периодичность землетрясений по данным многолетних наблюдений. Для краткосрочных прогнозов большое значение имеет непрерывное наблюдение за изменением уровня земной поверхности и наклонов, измеряемых с помощью наклономеров (рис. 15.5). Увеличивающееся напряженное состояние массивов горных пород, чреватое его скорой разрядкой, должно сказываться на упругих свойствах пород, их электропроводности, скорости прохождения сейсмических волн.

Перед землетрясением часто изменяются магнитное поле, акустические свойства среды и электрический потенциал атмосферы, гидрогеохимические параметры вод, животные ведут себя необычно и т.д. Некоторые прогнозы были неудачными, а перед землетрясением 1975 г. в Китае, в провинции Ляонин в городе Хайчэн, предсказание было точным. 4 февраля в 10 ч 30 мин утра было сделано объявление о возможном сильном землетрясении в ближайшее время. Общая тревога и эвакуация населения из домов началась в 14.00 этого же дня, а в 19 ч 36 мин сильное землетрясение с магнитудой в 7,3 разрушило почти 90% зданий в городе, но число жертв не превысило 200-300 человек. Если бы жители в этот холодный день оставались дома, жертвы измерялись бы тысячами. В Китае было еще несколько удачных прогнозов, но в 1976 г. неожиданно произошло страшное землетрясение, от которого погибло несколько сот тысяч человек.

Превышение прочности горных пород и их разрыв вызывают формирование очага землетрясения и сейсмические волны разного типа, приводящие к разрушению. Любое землетрясение характеризуется гипоцентром, эпицентром, интенсивностью, магнитудой, энергией. Существуют различные модели очаговых зон. Землетрясения приурочены к областям высокой современной тектонической активности и связаны с конвергентными и дивергентными границами литосферных плит. Сейсмическое районирование - основной метод предсказания землетрясений.

-? -

1. Что представляет собой землетрясение?

2. Что такое очаг землетрясения?

3. Какие существуют основные параметры землетрясения?

4. Каков механизм возникновения землетрясения?

5. Где и в каких структурах и зонах в наши дни происходят землетрясения?

6. Какие существуют типы сейсмогенных дислокации?

7. Как образуются цунами?

8. Возможен ли прогноз землетрясений и цунами?

9. Как осуществляется сейсмическое районирование?

Литература

· Балт Т. В глубинах Земли: о чем рассказывают землетрясения. М., 1984.

· Гир Дж., Шах X. Зыбкая твердь. Что такое землетрясение и как к нему подготовиться. М., 1988.

· Моги К. Предсказание землетрясений. М., 1988.

· Никонов А.А. Землетрясения. Прошлое, современность, прогноз. М., 1984.

Глава 16. ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ЗЕМНОЙ КОРЫ

Наиболее крупными структурными элементами земной коры являются континенты и океаны, характеризующиеся различным строением земной коры. Следовательно, эти структурные элементы должны пониматься в геологическом, вернее даже в геофизическом смысле, так как определить тип строения земной коры возможно только сейсмическими методами. Отсюда ясно, что не все пространство, занятое водами океана, представляет собой в геофизическом смысле океанскую структуру, так как обширные шельфовые области, например в Северном Ледовитом океане, обладают континентальной корой. Различия между этими двумя крупнейшими структурными элементами не ограничиваются типом земной коры, а прослеживаются и глубже, в верхнюю мантию, которая под континентами построена иначе, чем под океанами, и эти различия охватывают всю литосферу, а местами и тектоносферу, т.е. прослеживаются до глубин примерно в 700 км.

В пределах океанов и континентов выделяются менее крупные структурные элементы, во-первых, это стабильные структуры - платформы, которые могут быть как в океанах, так и на континентах. Они характеризуются, как правило, выровненным, спокойным рельефом, которому соответствует такое же положение поверхности на глубине, только под континентальными платформами она находится на глубинах 30-50 км, а под океанами 5-8 км, так как океанская кора гораздо тоньше континентальной.

В океанах, как структурных элементах, выделяются срединно-океинские подвижные пояса, представленные срединно-океанскими хребтами с рифтовыми зонами в их осевой части, пересеченными трансформными разломами и являющиеся в настоящее время зонами спрединга, т.е. расширения океанского дна и наращивания новообразованной океанской коры. Следовательно, в океанах как структурах выделяются устойчивые платформы (плиты) и мобильные срединно-океанские пояса.

На континентах как структурных элементах высшего ранга выделяются стабильные области - платформы и эпиплатформенные орогенные пояса, сформировавшиеся в неоген-четвертичное время в устойчивых структурных элементах земной коры после периода платформенного развития. К таким поясам можно отнести современные горные сооружения Тянь-Шаня, Алтая, Саян, Западного и Восточного Забайкалья, Восточную Африку и др. Кроме того, подвижные геосинклинальные пояса, подвергнувшиеся складчатости и орогенезу в альпийскую эпоху, т.е. также в неоген-четвертичное время, составляют эпигеосинклинальные орогенные пояса, такие, как Альпы, Карпаты, Динариды, Кавказ, Копетдаг, Камчатка и др.

На территории некоторых континентов, в зоне перехода континент-океан (в геофизическом смысле) находятся окраинно-континентальные, по терминологии В.Е. Хаина, подвижные геосинклинальные пояса, представляющие собой сложное сочетание окраинных морей, островных дуг и глубоководных желобов. Это пояса высокой современной тектонической активности, контрастности движений, сейсмичности и вулканизма. В геологическом прошлом функционировали и межконтинентальные геосинклинальные пояса, например Урало-Охотский, связанный с древним палео-Азиатским океанским бассейном, и др.

Учение о геосинклиналях в 1973 г. отметило свое столетие с того времени, как американский геолог Д. Дэна ввел это понятие в геологию, а еще раньше, в 1857 г., также американец Дж. Холл сформулировал в целом эту концепцию, показав, что горно-складчатые структуры возникли на месте прогибов, ранее выполнявшихся разнообразными морскими отложениями. В силу того, что общая форма этих прогибов была синклинальной, а масштабы прогибов очень большими, их и назвали геосинклиналями.

За прошедшее столетие учение о геосинклиналях набирало силу, разрабатывалось, детализировалось и благодаря усилиям большой армии геологов различных стран сформировалось в стройную концепцию, представляющую собой эмпирическое обобщение огромного фактического материала, но страдавшую одним существенным недостатком: оно не давало, как совершенно справедливо полагает В.Е. Хаин, геодинамической интерпретации наблюдаемых конкретных закономерностей развития отдельных геосинклиналей. Устранить этот недостаток в настоящее время способна концепция тектоники литосферных плит, возникшая всего лишь 25 лет назад, но быстро превратившаяся в ведущую геотектоническую теорию. С точки зрения этой теории геосинклинальные пояса возникают на границах взаимодействия различных литосферных плит. Рассмотрим основные структурные элементы земной коры более подробно.

Рис. 16.1. Схема строения платформы

Древние платформы являются устойчивыми глыбами земной коры, сформировавшимися в позднем архее или раннем протерозое. Их отличительная черта - двухэтажность строения. Нижний этаж, или фундамент сложен складчатыми, глубоко метаморфизованными толщами пород, прорванными гранитными интрузивами, с широким развитием гнейсовых и гранитогнейсовых куполов или овалов - специфической формой метаморфогенной складчатости (рис. 16.1). Фундамент платформ формировался в течение длительного времени в архее и раннем протерозое и впоследствии подвергся очень сильному размыву и денудации, в результате которых вскрылись породы, залегавшие раньше на большой глубине. Площадь древних платформ на материках приближается к 40 % и для них характерны угловатые очертания с протяженными прямолинейными границами - следствием краевых швов (глубинных разломов). Складчатые области и системы либо надвинуты на платформы, либо граничат с ними через передовые прогибы, на которые в свою очередь надвинуты складчатые орогены. Границы древних платформ резко несогласно пересекают их внутренние структуры, что свидетельствует об их вторичном характере в результате раскола суперматерика Пангеи-1, возникшего в конце раннего протерозоя.

Верхний этаж платформ представлен чехлом, или покровом, полого залегающих с резким угловым несогласием на фундаменте неметаморфизованных отложений - морских, континентальных и вулканогенных. Поверхность между чехлом и фундаментом отражает самое важное структурное несогласие в пределах платформ. Строение платформенного чехла оказывается сложным и на многих платформах на ранних стадиях его образования возникают грабены, грабенообразные прогибы - авлакогены (от греч. "авлос" - борозда, ров; "ген" - рожденный, т.е. рожденные рвом), как их впервые назвал Н.С. Шатский. Авлакогены чаще всего формировались в позднем протерозое (рифее) и образовывали в теле фундамента протяженные системы. Мощность континентальных и реже морских отложений в авлакогенах достигает 5-7 км, а глубокие разломы, ограничивавшие авлакогены, способствовали проявлению щелочного, основного и ультраосновного магматизма, а также специфического для платформ траппового магматизма с континентальными толеитовыми базальтами, силлами и дайками. Этот нижний структурный ярус платформенного чехла, соответствующий авлакогенному этапу развития, сменяется сплошным чехлом платформенных отложений, чаще всего начинающимся с вендского времени.

Среди наиболее крупных структурных элементов платформ выделяются щиты и плиты. Щит - это выступ на поверхность фундамента платформы, который на протяжении всего платформенного этапа развития испытывал тенденцию к поднятию. Плита - часть платформы, перекрытая чехлом отложений и обладающая тенденцией к прогибанию. В пределах плит различаются более мелкие структурные элементы. В первую очередь это синеклизы - обширные плоские впадины, под которыми фундамент прогнут, и антеклизы - пологие своды с поднятым фундаментом и относительно утоненным чехлом.

По краям платформ, там, где они граничат со складчатыми поясами, часто образуются глубокие впадины, называемые перикратонными (т.е. на краю кратона, или платформы). Нередко антеклизы и синеклизы осложнены второстепенными структурами меньших размеров: сводами, впадинами, валами. Последние возникают над зонами глубоких разломов, крылья которых испытывают разнонаправленные движения и в чехле платформы выражены узкими выходами древних отложений чехла из-под более молодых. Углы наклона крыльев валов не превышают первых градусов. Часто встречаются флексуры - изгибы слоев чехла без разрыва их сплошности и с сохранением параллельности крыльев, возникающие над зонами разломов в фундаменте при подвижке его блоков. Все платформенные структуры очень пологие и в большинстве случаев непосредственно измерить наклоны их крыльев невозможно.

Состав отложений платформенного чехла разнообразный, но чаще всего преобладают осадочные породы - морские и континентальные, образующие выдержанные пласты и толщи на большой площади. Весьма характерны карбонатные формации, например, белого писчего мела, органогенных известняков, типичных для гумидного климата и доломитов с сульфатными осадками, образующимися в аридных климатических условиях. Широко развиты континентальные обломочные формации, приуроченные, как правило, к основанию крупных комплексов, отвечающих определенным этапам развития платформенного чехла. На смену им нередко приходят эвапоритовые или угленосные паралические формации и терригенные - песчаные с фосфоритами, глинисто-песчаные, иногда пестроцветные. Карбонатные формации знаменуют собой обычно "зенит" развития комплекса, а далее можно наблюдать смену формаций в обратной последовательности. Для многих платформ типичны покровно-ледниковые отложения.

Платформенный чехол в процессе формирования неоднократно претерпевал перестройку структурного плана, приуроченную к рубежам крупных геотектонических циклов: байкальского, каледонского, герцинского, альпийского и др. Участки платформ, испытывавшие максимальные погружения, как правило, примыкают к той пограничной с платформой подвижной области или системе, которая в это время активно развивалась.

Для платформ характерен и специфический магматизм, проявляющийся в моменты их тектономагматической активизации. Наиболее типична трапповая формация, объединяющая вулканические продукты - лавы и туфы и интрузивы, сложенные толеитовыми базальтами континентального типа с несколько повышенным по отношению к океанским содержанием оксида калия, но все же не превышающим 1- 1,5 %. Объем продуктов трапповой формации может достигать 1-2 млн. км³, как, например, на Сибирской платформе. Очень важное значение имеет щелочно-ультраосновная (кимберлитовая) формация, содержащая алмазы в продуктах трубок взрыва (Сибирская платформа, Южная Африка).

Кроме древних платформ выделяют и молодые, хотя чаще их называют плитами, сформировавшимися либо на байкальском, каледонском или герцинском фундаменте, отличающемся большей дислоцированностью чехла, меньшей степенью метаморфизма пород фундамента и значительной унаследованностью структур чехла от структур фундамента. Примерами таких платформ (плит) являются: эпибайкальская Тимано-Печорская, эпигерцинская Скифская, эпипалеозойская Западно-Сибирская и др.

Подвижные геосинклинальные пояса являются чрезвычайно важным структурным элементом земной коры, обычно располагающимся в зоне перехода от континента к океану и в процессе эволюции формирующим мощную континентальную кору. Смысл эволюции геосинклинали заключается в образовании прогиба в земной коре в условиях тектонического растяжения. Этот процесс сопровождается подводными вулканическими излияниями, накоплением глубоководных терригенных и кремнистых отложений. Затем возникают частные поднятия, структура прогиба усложняется и за счет размыва поднятий, сложенных основными вулканитами, формируются граувакковые песчаники. Распределение фаций становится более прихотливым, появляются рифовые постройки, карбонатные толщи, а вулканизм более дифференцированным. Наконец, поднятия разрастаются, происходит своеобразная инверсия прогибов, внедряются гранитные интрузивы и все отложения сминаются в складки. На месте геосинклинали возникает горное поднятие, перед фронтом которого растут передовые прогибы, заполняемые молассами. - грубообломочными продуктами разрушения гор, а в последних развивается наземный вулканизм, поставляющий продукты среднего и кислого состава - андезиты, дациты, риолиты. В дальнейшем горно-складчатое сооружение размывается, так как темп поднятий падает, и ороген превращается в пенепленизированную равнину. Такова общая идея геосинклинального цикла развития.

Рис. 16.2. Схематический разрез через срединно-океанский хребет (по Т. Жюто, с упрощением)

Успехи в изучении океанов привели в 60-е годы нашего века к созданию новой глобальной геотектонической теории - тектоники литосферных плит, позволившей на актуалистической основе воссоздать историю развития подвижных геосинклинальных областей и перемещения континентальных плит. Суть этой теории заключается в выделении крупных литосферных плит, границы которых маркируются современными поясами сейсмичности, и во взаимодействии плит путем их перемещения и вращения. В океанах происходит наращивание, расширение океанской коры путем ее новообразования в рифтовых зонах срединно-океанских хребтов (рис. 16. 2). Поскольку радиус Земли существенно не меняется, новообразованная кора должна поглощаться и уходить под континентальную, т.е. происходит ее субдукция (погружение).

Рис. 16.3. Схема образования пассивных окраин (окраин Атлантического типа)

Эти районы отмечены мощной вулканической деятельностью, сейсмичностью, наличием островных дуг, окраинных морей, глубоководных желобов, как, например, на восточной периферии Евразии. Все эти процессы отмечают собой активную континентальную окраину, т.е. зону взаимодействия океанской и континентальной коры. Напротив, те участки континентов, которые составляют с частью океанов единую литосферную плиту, как, например, по западной и восточной окраин Атлантики, называются пассивной континентальной окраиной и лишены всех перечисленных выше признаков, но характеризуются мощной толщей осадочных пород над континентальным склоном (рис. 16.3). Сходство вулканогенных и осадочных пород ранних стадий развития геосинклиналей, так называемой офиолитовой ассоциации, с разрезом коры океанского типа позволило предположить, что последние закладывались на океанской коре и дальнейшее развитие океанского бассейна приводило сначала к его расширению, а затем закрытию с образованием вулканических островных дуг, глубоководных желобов и формированию мощной континентальной коры. В этом видят сущность геосинклинального процесса.

Рис. 16.4. Схема строения офиолитовой ассоциации

Таким образом, благодаря новым тектоническим идеям, учение о геосинклиналях обретает как бы "второе дыхание", позволяющее реконструировать геодинамическую обстановку их эволюции на базе актуалистических методов. Исходя из сказанного, под геосинклинальным поясом, (окраинно- или межконтинентальным) понимается подвижной пояс протяженностью в тысячи километров, закладывающийся на границе литосферных плит, характеризующийся длительным проявлением разнообразного вулканизма, активного осадконакопления и на конечных стадиях развития превращающийся в горно-складчатое сооружение с мощной континентальной корой. Примером таких глобальных поясов являются: межконтинентальные - Урало-Охотский палеозойский; Средиземноморский альпийский; Атлантический палеозойский; окраинно-континентальные - Тихоокеанский мезозойско-кайнозойский и др. Геосинклинальные пояса подразделяются на геосинклинальные области - крупные отрезки поясов, отличающиеся историей развития, структурой и отделяющиеся друг от друга глубокими поперечными разломами, пережимами и т.д. В свою очередь, в пределах областей могут быть выделены геосинклинальные системы, разделяющиеся жесткими блоками земной коры - срединными массивами или микроконтинентами, структурами, которые во время погружения окружающих районов оставались стабильными, относительно приподнятыми и на которых накапливался маломощный чехол. Как правило, эти массивы являются обломками той первичной древней платформы, которая подверглась дроблению при заложении подвижного геосинклинального пояса.

В конце 30-х годов нашего столетия Г. Штилле и М. Кэй подразделили геосинклиналии на эв- и миогеосинклинали. Эвгеосинклиналью ("полной, настоящей, геосинклиналью") они называли более внутреннюю по отношению к океану зону подвижного пояса, отличавшуюся особо мощным вулканизмом, ранним (или начальным) подводным, основного состава; наличием ультраосновных интрузивных (поих мнению) пород; интенсивной складчатостью и мощным метаморфизмом. В то же время миогеосинклиналь ("не настоящая геосинклиналь") характеризовалась внешним положением (по отношению к океану), контактировала с платформой, закладывалась на коре континентального типа, отложения в ней были слабее метаморфизованы, вулканизм также был развит слабо или совсем отсутствовал, а складчатость наступала позднее, чем в эвгеосинклинали. Такое разделение геосинклинальных областей на эв- и миогеосинклинальные прекрасно выражено на Урале, в Аппалачах, Североамериканских Кордильерах и в других складчатых областях.

Важную роль стала играть офиолитовая ассоциация пород, широко распространенная в разнообразных эвгеосинклиналях. Нижняя часть разреза такой ассоциации состоит из ультраосновных, часто серпентинизированных пород - гарцбургитов, дунитов; выше располагается так называемый расслоенный или кумулятивный комплекс габброидов и амфиболитов; еще выше - комплекс параллельных даек, сменяющийся подушечными толеитовыми базальтами, перекрываемыми кремнистыми сланцами (рис. 16.4). Такая последовательность близка разрезу океанской коры. Значение этого сходства трудно переоценить. Офиолитовая ассоциация в складчатых областях, залегающая, как правило, в покровных пластинах, является реликтом, следами былого морского бассейна (не обязательно океана!) с корой океанского типа. Отсюда не следует, что океан отождествляется с геосинклинальным поясом. Кора океанского типа могла располагаться только в его центре, а по периферии это была сложная система островных дуг, окраинных морей, глубоководных желобов и т.д., да и сама кора океанского типа могла быть в окраинных морях. Последующее сокращение океанского пространства приводило к сужению подвижного пояса в несколько раз. Океанская кора в основании эвгеосинклинальных зон может быть как древней, так и новообразованной, сформировавшейся при раскалывании и раздвиге континентальных массивов.

Дата добавления: 2014-11-25