книги из ГПНТБ / Уломов, В. И. Динамика земной коры Средней Азии и прогноз землетрясений
.pdfП*
АКАДЕМИЯ НАУК УЗБЕКСКОЙ ССР
ИНСТИТУТ СЕЙСМОЛОГИИ
в. И. УЛОМОВ
ДИНАМИКА ЗЕМНОЙ КОРЫ СРЕДНЕЙ АЗИИ И ПРОГНОЗ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
ИЗДАТЕЛЬСТВО «ФАН» УЗБЕКСКОЙ ССР
ТАШКЕНТ-1974 г.
УДК. 550.340.1+341.5(575)
В. И. У л о и о в. Динамика земной коры Средней Азии и прогноз земле трясений. Ташкент, Изд-во «Фан» УзССР, 1974 г. Табл.—6, рис.—58, библ.—448 назв.
В книге рассматриваются возможности сейсмологических н других геофизических методов в изучении глубинного строения и динамики зем ной коры Средней Азии в связи с проблемой прогнозирования землетрясе ний.
С позиций современных представлений о глубинном строении и дви жении литосферы Земли анализируются особенности деформирования земной коры 1Іамнро-Тянь-Шаня в геологическое и исторические время.
Обсуждаются конкретные результаты исследований динамики коры с целью поиска предвестников землетрясений и разработки метода кратко срочного прогнозирования.
Книга рассчитана на широкий круг специалистов в области различных наук о Земле.
О т в е т с т в е н н ы й р е д а к т о р
академик АН УзССР
Г. А. МАВЛЯНОВ
Гро Р
н а '' н
биб ■ 1 Л-
ЧИТА ЛЬ. ■ - с д і .
|
1 |
|
|
у |
0285-40 |
Издательство «Фан» УзССР, 1974 г. |
|
355(06)-74 4 7 -7 4 |
|||
|
ВВЕДЕНИЕ
С развитием наук о Земле и, в частности, сейсмологии стано вится все более очевидным, что многие проблемы планетарной гео логии и в том числе проблема прогнозирования землетрясений мо гут решаться лишь при условии комплексного изучения и синтеза о'ведений о глубинном строении, физико-химических свойствах ве щества земной коры и верхней мантии, а также данных об энерге тических процессах, определяющих взаимодействие, преобразование и перераспределение вещества планеты.
На смену Проекту верхней мантии, официальное завершение кЬторого состоялось в 1971 г. на XV Генеральной ассамблее Междуна родного геодезического и геофизического союза, сейчас выдвинут Геодинамический проект, рассчитанный на следующее десятилетие. Этот проект — органическое продолжение обширных геолого-геофи зических и геохимических исследований, выполненных в прошедшие десять лет и направленных на. изучение причин глубинных геологи' ческих процессов.
Одной из важнейших задач Геодннамического проекта является изучение естественных тектонических деформаций и напряжений. Как показали исследования последних лет, механические геодинамические напряжения играют существенную роль не только в текто ническом развитии земной коры и верхней мантии Земли, но и в фи зико-химических преобразованиях вещества в недрах планеты. Они влияют на изменения минерального состава, структуры геолргичёских тел и способствуют формированию глубинного и поверхностно го рельефа.
Знание напряженного состояния и распределения в пространст ве и времени геодинамических напряжений и характера их влияния на конкретную тектоническую обстановку необходимо прежде всего для выявления причин, обусловливающих сильные землетрясения, а в конечном итоге — для предсказания времени возникновения сей смических катастроф.
Напряжения, вызывающие сейсмические толчки, связаны с де формациями земной коры и верхней мантии, движение вещества в
3
которых происходит в трех измерениях. В зависимости от условий геодинамического напряженного состояния литосферы в одних рай онах превалируют вертикальные, а в других — горизонтальные пе ремещения. На континентах наиболее полно изучена вертикальная составляющая этих движении. Исследование территории океанов обнаруживает большие горизонтальные перемещения земной коры. Многие специалисты высказываются за главенствующую роль го ризонтальных движений в тектоническом развитии всей внешней оболочки Земли.
Представления о крупных горизонтальных сдвиговых смещениях в Средней Азии (Таласо-Ферганский разлом и др.) поддерживаются многими исследователями. Однако в отличие от тщательно разра ботанных методов изучения вертикальных движений, методика измерения горизонтальной составляющей находится еще в стадии разработки и далека от совершенства.
. . В предлагаемой монографии рассматриваются сейсмоактивная территория Памиро-Тянь-Шаня и прилегающие к ней участки плат форменных областей, вовлеченных в новейшую тектоническую ак тивизацию.. История тектонического развития среднеазиатского орогена, земная кора которого сформировалась почти целиком из ма териала, составлявшего некогда Туранскую плиту, выгодно отлича ется от геологических «биографий» других горных стран планеты. Э;по обстоятельство и использовано при разработке метода реду цирования и изучения динамики земной коры Средней Азии.
Изучение особенностей деформирования конкретных блоков зем ной коры II связанных с деформациями явлений изменения во време- ни-геофизических, геохимических и других полей Земли положено в основу поиска методов краткосрочного прогнозирования землетря сений.. .Исследования проводятся на геодинамических полигонах в сейсмоактивных районах с различным тектоническим развитием ц .специфическим геодииамическим напряженным состоянием зем-
нр.щкорьі.
’".'.Проблема предсказания сильных землетрясений относится к чис лу! важнейших научно-технических проблем мирового значения. Т.ол,ько на территории Советского Союза более 30 миллионов чело- рек-.населяет сейсмоактивные районы. Наиболее сложная сейсмо тектоническая обстановка характерна для территории среднеази атских республик, где расположены большие города и ведется круп ное гражданское, промышленное и гидротехническое строительство. Поэтому возможность предсказания максимальной силы очередного землетрясения, места, где оно произойдет, а тем более момента воз никновения . разрушительного землетрясения — вопрос большого практического значения.
Глава I
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ГЛУБИННОМ СТРОЕНИИ И ДВИЖЕНИЯХ ЗЕМНОЙ КОРЫ
Новейшие данные о глубинном строении земной коры и верхней мантии
Развитие исследований по глубинному сейсмическому зондиро ванию и совершенствование методики и техники сейсмологических наблюдений существенно пополнили сведения о внутреннем строе нии земной коры и верхней мантии. Важную роль в изучении зем ной коры сыграло комплексирование различных геолого-геофизиче ских, геохимических,петрографических и других методов, включая
илабораторные исследования на моделях. Особо ценными''оказа лись результаты геофизических работ, проведенных в последние го ды на территории океанов, внутренних и окраинных морей, а тайке в области перехода от океана к континенту. Эти исследования не только позволили по-новому взглянуть на структуру земной коры
иверхней мантии Земли, но явились весомым шагом на пути позйа-
ния развития и движения внешней оболочки нашей планеты.'.......
С появлением высокочастотной сейсмики (ГСЗ, метод обменных волн и др.) модель земной коры в отличие от недавних сейсмологи ческих моделей представляется в виде многослойной неоднороднослоистой среды, зачастую разбитой на блоки разных размеров, ко торые отличаются и скоростным составом слагающих их пород. В зависимости от геологической истории тектонических зон наблюда ется различие в соотношениях толщины осадочного слоя и консо лидированной коры (Коеминская, 1968), формах рельефа глубинных границ, резкости перехода от одного скоростного разреза к другому и т. п. (Борисов 1964, 1967; Вейцман, 1965, 1966; Литвиненко, 1963, 1965; Ризииченко, Коеминская, 1953 и лр.1. •
В пределах однотипных блоков глубинные границы, по мненйю геофизиков, либо почти горизонтальные, либо слабоволнистые. При мечательно, что для отдельных, главным образом, крупных блоков наблюдаются специфические соответствия с верхами мантий (коро мантийные блоки).
За последние годы изменились представления и о строении верх ней мантии. По сравнению с однородной «сейсмологической» манти ей подкоровая оболочка Земли в верхней части является' не менее слоистой, чем кора, и гетерогенной по составу, плотности, скоростям
5
распространения упругих волн и др. Характерным для новейших данных о верхах мантии является более быстрое нарастание скоро сти волн с глубиной, непосредственно под границей Мохоровичича 8,2—8,4 км/сск (вместо 7,8—8,0 км/сек по данным сейсмологии).
По данным ГСЗ и сейсмологическим наблюдениям (Бутовская, Уломов, 1962; Уломов, 1966), под континентами на глубине около 100 км обнаружены скорости 8,6—9,0 км/сек. В океане горизонты с аналогичными величинами залегают на глубине примерно 20 км (Косминекая, 1968).
В земной коре материков в большинстве районов выявлено нес колько границ с повышенными скоростями распространения сейсми ческих волн —5,8—6,2; 6,3—6,5; 6,8—7,2; 7,4—7,7 км/сек. Допуска ется наличие в земной коре волноводов, т. е. слоев с пониженными значениями величин скоростей и горизонтальная анизотропия.
Увеличение информации о недрах земной коры и верхней мантии естественно, способствует развитию новых геологических гипотез. Не только термины «гранит» и «базальт», но и само представление о существовании этих слоев в земной коре уже не удовлетворяет геологов. Эти слои как-бы растворяются в многообразии глубинных границ, характеризующихся более высокими скоростями распрост ранения сейсмических волн.
Однако не следует противопоставлять сейсмологическую модель коры сведениям, полученным методами ГСЗ и другой высокочастот ной сейсмики. Не говоря уже о том, что в земной коре допустимы тонкие слои, недоступные низкочастотной сейсмологии, необходимо помнить о возможной дисперсии в скоростях распространения упру гих волн. Известно (Ляхов и др., 1967), что даже при малых давле ниях, соответствующих сейсмическим волнам, кривые динамическо
го (скорость деформации е—юо ) и статического (при е —” 0) сжатия горных пород различны, т. е. в них имеет место дисперсия звуковых волн —скорость распространения зависит от частоты ко лебания. Чем выше частота волнового процесса, тем больше ско рость.его распространения. Не в этом ли причина больших значений величин скоростей в ГСЗ по сравнению с данными сейсмологии? Может быть, следует не противопоставлять, а наоборот, совместно изучать разные, на первый взгляд, модели земной коры? Это позво лит, в частности, получить дополнительные сведения об упруго вязких параметрах материала, слагающего земную кору и верх нюю мантию.
Не следует, видимо, и спешить отказываться от «гранит—ба зальтовой» коры, прочно укоренившейся в понятиях отечественных и зарубежных специалистов благодаря четким вступлениям низко частотных сейсмических волн. Нужно говорить о детализации этой модели коры и, если смущают условные термины «гранит» и «ба зальт», пользоваться обозначениями К и М, по праву заслуженны
ми |
Конрадом и |
|
Мохоровичичем. |
рисунке 1 показа |
ны |
С к о р о с т н ы е |
х а р а к т е р и с т и к и . На |
||
сейсмические |
скоростные разрезы земной |
коры, полученные в |
||
разное время различными исследователями.
По данным Джеффриса-Буллена средняя толщина «сейсмоло гической» коры равна 33 км, а преобладающие величины скоростей распространяющихся в ней сейсмических волн—5,5—6,0 км/сек. В результате отсутствия достоверного сейсмологического материала среди специалистов долгое время была принята эта модель земной коры. Первые сведения о скоростном разрезе коры на территории нашей страны получены Е. А. Коридалиным (1939) для платфор менных областей и Е. А. Розовой (1936а, б, 1939) — для горной тер ритории Средней Азии. Земная кора представлялась тогда в виде двух—«гранитного» и «базальтового» слоев со скоростями волн 5,5 и
Рис. 1. Сейсмические скоростные разрезы земной коры континен тальных платформ и складчатых областей по данным разных авторов.
1—по Е. А. Розовой (1936, 1939); 2 —по Е. А. Коридалину (1939); 3 —по И. Л. Нер сесову (1960); 4 —по В. И. Уломову (1959— 1966),5 —по И. П. Космпнскои (1968), ГЗС;
6 —по И. С. |
Вольвовскому и |
М. И. Резин |
ковой (1968), |
ГСЗ; 7 -п о Е. |
М. Бутовской |
(1971) ;<У-по В. И. Уломову (1966), записи взрывов.
Графики изменения скорости распростра нения продольных волн в интрузивных по родах в зависимости от давления, по дан ным М. П. Воларовнча: о —средние значе ния для пород кислого состава; б—то же для пород среднего состава; в—то же, для
ультраосновных пород.
6,3 км/сек (по Розовой) и 5,6—6,0 и 7,3—7,6 км/сек (по Коридали ну) соответственно. Модель Е. А. Коридалина в «базальтовой» ча_ сти хорошо согласуется с сегодняшним скоростным разрезом по данным ГСЗ. Исследования И. Л. Нерсесова и др. привели к не обходимости дальнейшего повышения значений скорости «гра нитном» слое (до 6,1 км/сек ) и уменьшению в целом в земной коре (однослойная кора со средней скоростыо~6,1 км/сек).
Наши наблюдения над промышленными взрывами и землетрясе ниями в Средней Азии позволили получить для верхней части земной коры величины скоростей от 5,0—6,0 до 6,2 км/сек, а для нижней — от 6,4—6,5 до 7,0—7,5 км/сек (Бутовская, Уломов, 1962; Уломов, 1959—1966). При этом большие значения скоростей наблюдаются лри использовании записей взрывов.
Существенно меньше разногласий отмечается при определении скорости непосредственно под границей Мохоровичича. Величина ее колеблется в интервалах 7,9—8,0 км/сек, а по данным ГСЗ — •8,0—8,2 км/сек. Ни один из приведенных сейсмологических скорост ных разрезов не выходит за пределы скоростных характеристик зем ной коры по данным ГСЗ (в сторону увеличения скорости).
7
В скоростном разрезе наиболее четко выделяются две границы раздела — поверхности консолидированной коры и Мохоровичича.
Распределение величин пластовых скоростей в некоторых струк турах земной коры континента и океанов (рис.2) составлено нами по данным ГСЗ (Беляевский и др., 197Ьа). Статистический анализ показывает, что в земной коре континентов выделяется несколько комплексов со средними значениями пластовых скоростей: 3,0— 4,5 км/сек — отнесен к осадочному слою; 5,5—6,0 и 5,9—6,3 км/сек— к «гранитному»; 6,6—7,0 и 7,2—7,4 км/сек—«базальтово му»; 8,0—8,2 км/сек — к подкоровому.
•V,км/сек ,
Рис. 2. Распределение пластовых скоростей в земной коре континентов и океанов по данным ГСЗ п сейсмологии.
|
о —слой воды, б —осадочный слой, в —.гранит“, г—.базальт', д —подкоровый |
слой. |
|||||
Р у с с к а я п л а т ф о р м а : |
/-Украинский |
шит, 2-БалтийскпП щит, 3 - Волго-Уральская антнк- |
|||||
лнза. |
З-Туранская плита, 5-Днепровско-Донецкнй авлакоген. б-Прикаспнйская синеклиза. З о |
||||||
ны а л ь п и й с к о й с к л а д ч а т о с т и: |
7-Кавказскпй |
антнклниорнй, |
З-Курннская впадина. |
||||
З о н ы |
н е о т е к т о н и ч е с к о й |
а к т и в и з а ц и и : |
P-Ферганская |
впадина. |
В п а д и н ы |
||
в н у т р е н н и х м о р е й : |
10—Каспийская, // —Черноморская. К у р и л ь с к а я о с т р о в н а я |
||||||
д у г а : |
/2 -осевая часть дупь_В п а д іВн ы о к р а и н н ы х |
м о р е б : 13—Япономорская, 14—Южно |
|||||
охотская, 15—Тихоокеанская- У—средняя скорость распространения волн в консолидированной коре. Изолиниями условно показано распределение по вертикали величин пластовых скоростей в земной коре.
В океанической коре выделяются тонкие осадочный и вулкано генный слои со скоростями распространения сейсмических волн 3.6 и 5,0 км/сек соответственно, в «базальтовом»—6,6 км/сек. Скорость волн в водной толще—1,5 км/сек.
Толщина консолидированной земной коры континентов изменя ется от 30 до 70 км, увеличиваясь под горными сооружениями. Оке аническая кора и кора глубоких впадин внутренних и окраинных морей лишена «гранитного» слоя и имеет толщину от 7 км в океане до 20 км во внутренних морях (Каспийская впадина).
Примечательно то, что несмотря на значительный диапазон тол щины земной коры континентов и океанов (разница составляет око
8
ло 60 км), средние величины пластовых скоростей в коровой оболоч ке Земли колеблются в небольших пределах — от 6,5 до 6,6 км/сек. Это объясняется повышенными значениями скоростей в «базальто вой» оболочке под толщей «гранитного» слоя. При отсутствии «гра нитного» слоя скорости в «базальте» пониженные. По мнению спе циалистов, относительная стабильность средних пластовых скорос тей позволяет рассматривать «базальтовую» толшу океанов как не дифференцированную кору континентов. В то же время наблюдает ся большая дифференциация скоростей в подкоровой оболочке оке анов по сравнению с континентальным подкоровым субстратом. При этом величины пластовых скоростей в верхней части мантии Земли под океанами выше, чем в подкоровом слое континентов. В связи с этим скачок скоростей на границе Мохоровичича для мате риков не превышает 1,0 км/сек, а океанов — в среднем 1,5 км/сек. На внутрикоровых границах раздела перепад скорости может изме няться от 0,4 до 0,1 км/сек.
Поверхность Мохоровичича также невсегда выделяете^ четко» В некоторых районах перепад скоростей на этой границе снижается до 0,5—0,4 км/сек. Внутрикоровые границы, как правило, на боль шие расстояния непрерывно не прослеживаются. Более или менееидентифицируется в различных в тектоническом отношении райо нах поверхность «базальтового» слоя со скоростями на континен тах 6,8± 0,4 км/сек, по данным ГСЗ, и 6,6±0,2 км/сек, по сейсмо логическим наблюдениям. В океанах величины граничных «базаль товых» скоростей снижаются, по-видимому, до 6,3 ±2 км/сек. Менее надежно, по данным ГСЗ, идентифицируется граница «базитоэклогитового» слоя, расположенного непосредственно над подошвой ко ры (скорости 7,4±0,3 км/сек). Дисперсия скоростей на наиболее чет ких границах «гранитного» слоя (верх консолидированной коры) и Мохоровичича оценивается по ГСЗ в 6,2±0,4 км/сек и 8,1 ± 0,4 км/сек соответственно. При этом для континентов большинство' определений дает величину 8,1—8,2 км/сек, для океанов — от 7,9 до 8,6 км/сек (Косминская, 1968). Отклонение от осредненных данных, в общем характеризует особенности той или иной структуры. Ано мально малые значения (7,6—7,8 км/сек) имеет скорость в районе срединно-океанических хребтов. Еще менее уверенно выделяются, границы в верхней мантии, среднестатистические значения скорости волн вдоль которых составляют 8,4; 8,6; 9,0 и 9,6 км/сек (Беляевскнй, Вольвовский, Рябой, 1971).
Таким образом, земная кора и верхняя часть мантии многослой ны. На всем протяжении этой толщи скорость распространения про дольных сейсмических волн с глубиной увеличивается. Градиент из менения скорости для разной глубины различен и с ростом ее замет но уменьшается. Так, по данным ГСЗ, глубинам в интервале 5—7 км соответствует средний градиент 0,08—0,1 км/сек на каждый кило метр; 7—10 км — 0,05—0,006 км/сек, а 15—40 км — 0,02 км/сек.
Скоростные характеристики земной коры изменяются и в гори зонтальном направлении при движении от континента к внутренним-
9-