Современные движения земной коры и методы их изучения (актуотектоника)

Современные тектонические движения земной коры это движения, которые могут быть измерены инструментально.

Методы изучения скоростей вертикальных и горизонтальных тектонических движений весьма разнообразны. Среди методов изучения вертикальных движений наиболее ранним, применявшимся еще в XVIII веке шведским естествоиспытателем А. Цельсием на берегах Балтийского моря, является водомерный метод. Со второй половины XIX столетия водомерные приборы (рейки и мореографы) использовались во многих портах мира. При этом выяснилось, что изменения уровня моря имеют двоякую причину. Первая из них обусловлена повсеместными (эвстатическими) изменениями уровня Мирового океана, а вторая неравномерными и разнонаправленными вертикальными тектоническими движениями.

Второй метод – это повторное нивелирование, которое первоначально связано со строительством и последующей эксплуатацией железных дорог для обеспечения безопасности движения. Обработка результатов высокоточного повторного нивелирования совместно с данными водомерных наблюдений позволила коллективу авторов под руководством Ю. А. Мещерякова составить карты скоростей современных вертикальных движений для европейской части СССР (1958, 1963) и для всей Восточной Европы (1971). Результаты картирования показали, что скорости вертикальных движений характеризуются величиной от нескольких миллиметров в год до десяти (иногда больше) миллиметров в год. Сравнение их с данными палеотектонического анализа (метод мощностей) показывает, что эти скорости как минимум на порядок выше. Для объяснения этого парадокса допускается колебательный характер вертикальных движений.

Основным методом измерения современных горизонтальных движений до недавнего времени служили данные повторных триангуляций и трилатераций вдоль линий железных дорог. В настоящее время для этих целей применяются лазерные дальномеры. Результаты измерений скоростей горизонтальных движений показывают, что они больше, чем скорости вертикальных. Кроме того, они обычно имеют однонаправленный характер.

На современном этапе развития науки главным инструментом определения скоростей как вертикальных, так и горизонтальных движений стала космическая геодезия. Это метод лазерных отражателей, установленных на спутниках, на Земле и Луне (SLR – Satellite Laser Ranging), метод длиннобазовой интерферометрии (VLBI – Very Long Baseline Interferometry), основанный на регистрации радиосигналов, идущих от квазаров, методы, основанные на эффекте Доплера (DORIS – Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Sattelite). Однако наибольшее значение приобрела разработанная в США глобальная система позиционирования (GPS – Global Positioning System), включающая 24 спутника и позволяющая определить координаты точки на местности и ее высоту. С 1994 г. работает Международная служба GPS, обеспечивающая необходимую точность привязки к глобальной системе опорных точек. Главная из таких систем - ITRF (International Terristrial Reference Fram). К 2002 г. была составлена модель относительного движения литосферных плит – REVEL (Recent Velocites). Весьма точный метод появился в последнее время – это метод дифференциальной интерферометрии - DLnSAR (Differential Interferometry – Synthetic Aperture Radar).

Методы изучения современного напряженного состояния земной коры (стресс-анализ) направлены на установление полей тектонических напряжений.

Сила, действующая на единицу площади некоторого сечения тела, называется напряжением. При одной и той же величине приложенной силы напряжения, возникающие в разнонаправленных сечениях тела, будут иметь разные значения. Общее напряжение можно разложить на две составляющие. Одна из них направлена по нормали к заданному сечению и называется нормальным напряжением, другая направлена вдоль сечения и называется касательным напряжением. Максимальное значение нормального напряжения фиксируется тогда, когда угол между сечением и направлением внешней силы равен 90°. Такое напряжение называется главным нормальным напряжением. Максимальное значение касательного напряжения наблюдается при значениях угла 45°. Оно называется главным касательным напряжением. Общее напряжение в литосфере – это сочетание равномерного всестороннего сжатия и девиаторного (избыточного) напряжения. Равномерное всестороннее сжатие ответственно за изменение объема тела. Главные девиаторные напряжения, ответственны за изменение формы тела (за деформацию).

Поле напряжений – это совокупность значений тензора напряжений в некотором объеме геологического пространства. Основные направления в изучении полей тектонических напряжений в литосфере: 1) геофизический метод, основанный на решении сейсмофокального механизма, 2) определение стресс-фаций, 3) тектонофизические методы, базирующиеся на исследовании сколовых трещин, следов смещений по трещинам (борозд, зеркал скольжения), 4) определение напряженного состояния по результатам замеров деформаций в шахтных стволах и в скважинах.

Определение характера смещений в очагах землетрясений (решение сейсмофокального механизма) основано на данных регистрации землетрясения на нескольких сейсмостанциях, расположенных на различных направлениях от эпицентра. На сейсмограммах, полученных на этих станциях, исследуют знак первых вступлений продольных сейсмических волн. Если первое колебание направлено вверх, то первой пришла волна сжатия, а если вниз – волна растяжения. На стереограммах, помещая в центре очаг землетрясения, получают данные о расположении нодальных плоскостей, разграничивающих квадранты сжатия и растяжения. По ним может быть определено положение главных осей напряжений в очагах землетрясений.

Стресс-фации - качественная оценка величины напряжений основаны на изучении характера деформации и преодолении ею пределов упругости (переход от упругой деформации к пластической), а также пределов прочности (разрывная деформация). В зависимости от этого можно говорить об умеренных напряжениях (в первом случае) и повышенных – во втором.

Большое значение имеют методы, основанные на изучении трещиноватости горных пород. Первый из них – анализ сопряженных сколов был предложен М. В. Гзовским. Положение оси сжатия определяется по биссектрисе острого угла между сопряженными сколами, оси растяжения – по биссектрисе тупого угла, а промежуточной оси – по линии пересечения трещин.

Кинематический метод предложен О. И. Гущенко. В этом методе изучается ориентировка штрихов, борозд на зеркалах скольжения, образующихся при сдвиговых смещениях, ориентированных вдоль вектора касательных напряжений.

Структурно-парагенетический метод основан на изучении парагенетических связей между различными деформациями, образующимися в едином поле напряжений.

Изучение напряженного состояния в скважинах и горных выработках основано на использовании специальных приборов, фиксирующих параметры деформации стволов скважин и горных выработок. Другой метод использует явление гидроразрыва породы при искусственно повышающемся давлении воды, закачивающейся в скважину. В этом случае образуются трещины, ориентированные вдоль минимального сжимающего напряжения.

В результате изучения напряженного состояния земной коры в рамках Международной программы «Литосфера» группой ученых из 18 стран под руководством американского геофизика М. Л. Зобак были выявлены региональные и локальные поля напряжений. Региональные напряжения – это напряжения горизонтального сжатия, согласующиеся с направлением расхождения литосферных плит или с направлением, перпендикулярным простиранию коллизионных орогенов. Локальные поля характерны для рифтовых зон и представлены растяжением.