 | Изучение напряженного состояния |
Решение фокального механизма землетрясений по первым вступлениям продольных сейсмических волн, которое широко используется в тектонике, начиная с работ Л.Р. Сайкса (1967), Д.П. Мак Кензи (1969). На диаграмме двойного диполя нодальные (узловые) плоскости разделяют квадранты, где первые вступления выражены сжатием («плюс») и растяжением («минус»). Главные оси напряжений: σ1, σ3 — оси максимального и минимального сжимающего напряжений (в русской геологической литературе встречается и обратная их нумерация); σ2 — ось промежуточного напряжения. Для сдвигов, и взбросов и сбросов то же дано в виде стереографических проекций (квадранты сжатия заштрихованы); разрывные смещения — по одной из двух плоскостей максимальных касательных напряжений (совпадающих с нодальным плоскостями). |
Карта неотектонических напряжений европейского севера России, по Л.А. Сим (1993): |
Генерализованная карта напряжений в литосфере, составленная по международной программе «Литосфера» (М.Л. Зобак, 1992). Учтены решения фокального механизма землетрясений, наблюдения в скважинах, штрихи на сместителе разрывов, ориентировка выводных каналов при вулканических извержениях. Размер нанесенных на карту знаков пропорционален количеству и согласованности исходных данных. |
Изучение современного напряженного состояния земной коры и литосферы
Существует три основных метода определения знака и ориентировки напряжений в земной коре (литосфере): 1) метод определения характера смещений в очагах землетрясений (сейсмофокальный механизм); 2) изучение ориентировки и знака перемещений по геологическим индикаторам — сколовым трещинам, штрихам и бороздам на зеркалах скольжения и т.д.; 3) изучение напряженного состояния пород в буровых скважинах и горных выработках (штольнях, шахтах).
СЕЙСМОФОКАЛЬНЫЙ МЕТОД
Для определения фокальных механизмов землетрясений необходимо иметь данные регистрации соответствующего землетрясении на нескольких сейсмостанциях, находящихся на разных азимутальных направлениях от эпицентра землетрясения. На сейсмограммах, записанных на этих станциях, следует обратить внимание на знак первых вступлений продольных волн. Если первое колебание направлено вверх, это означает, что первой пришла волна сжатия, если вниз — волна разрежения (растяжения). Далее необходимо нанести полученные данные на стереограмму, центром которой является эпицентр землетрясения. На этой стереограмме должны быть затем обозначены плоскости, проходящие через ее центр и разграничивающие области сжатия и растяжения. Эти плоскости носят название нодальных, т.е. узловых, плоскостей и должны быть взаимно перпендикулярны. Они и отвечают плоскостям, вдоль которых могло произойти смещение во время данного землетрясения. Выбор той или другой возможной плоскости делается исходя из степени согласованности с данными о смещениях на поверхности или о закартированных геологических разрывах. Характер смещений устанавливается по распределению областей сжатия и растяжения на стереограмме: при взбросе в центре стереограммы располагается область сжатия, по периферии — растяжения; при сбросе наблюдается обратная картина; при сдвиге стереограмма распадается на чередующиеся квадранты сжатия и растяжения. В случае негоризонтальной ориентировки двух или всех трех осей напряжений «картинка» утрачивает симметричное расположение областей сжатия и растяжения относительно вертикальной оси стереограммы.
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ: АНАЛИЗ ОРИЕНТИРОВКИ СОПРЯЖЕННЫХ СКОЛОВЫХ ТРЕЩИН:
Условиями получения правильных результатов при применении этого метода являются наличие следов перемещений но трещинам и использование лишь одновозрастных систем. При соблюдении этих условий положение оси сжатия определяется по биссектрисе острого угла между сколовыми трещинами, оси растяжения — по биссектрисе тупого угла, а промежуточной оси — по линии пересечения трещин.
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ: КИНЕМАТИЧЕСКИЙ МЕТОД
В качестве индикатора вектора перемещений используются штрихи и борозды на зеркалах скольжения в горных породах, образующихся при сдвиговых смещениях, ориентированных вдоль вектора касательных напряжений. Привлекаются данные картирования для изучения природы разлома.
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИНДИКАТОРЫ: СТРУКТУРНО-ПАРАГЕНЕТИЧЕСКИЙ МЕТОД.
Метод использует две категории индикаторов тектонических напряжении: 1) минерализованные жилы, дайки магматических пород; 2) плоскости рассланцевания, кливажа, сколовые трещины, стилолитовые швы. Условиями правильного применения метода являются одновозрастность изучаемых индикаторов и принадлежность их к структурным ансамблям одного ранга.
Индикаторы первой категории позволяют находить положение оси растяжения и менее уверенно — оси сжатия. Индикаторы второй категории дают возможность определять ось сжатия лучше, чем ось растяжения.
На основе этих методов построена карта напряжений Русской платформы. Наиболее интересный результат заключается в том, что этот обширный регион, принадлежащий одной литосферной плите — Евразийской, по характеру полей напряжения разделяется на несколько блоков — субплит: Балтийский щит с ориентировкой напряжений, связанной с раздвижением Северо-Атлантического хребта, Русскую и Тимано-Печорскую плиты — с раздвижением хребта Гаккеля в Арктическом океане; в обеих субплитах преобладают сдвиговые перемещения, а в Уральском возрожденном орогене — взбросовые, с осью сжатия, ориентированной вкрест его простирания.
ИЗУЧЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ КОРЫ В СКВАЖИНАХ.
Наблюдается как естественная деформация ствола скважины, так и искусственно вызванных деформаций пород, слагающих этот ствол. В первом случае с помощью либо магнитно ориентированного специального «четырехрукого» прибора, либо акустического телевизионного устройства устанавливается искажение поперечного сечения ствола скважины или сдвиговое нарушение этого ствола, и по ним определяется ориентировка оси максимального сжимающего напряжения. В другом случае производится закупорка участка ствола скважины и с помощью закачки воды в нем повышается давление до тех пор, пока не происходит «гидроразрыв» и образуются трещины, ориентированные вдоль минимального сжимающего напряжения. Эти трещины иногда являются возобновлением ранее существовавших в породах вокруг ствола скважины. Обе эти методики в настоящее время широко применяются в разных странах.
Для изучения напряженного состояния пород в горных выработках используются трехмерные измерения в образцах этих пород, изолированных от окружающего их объема.
КАРТЫ СТРЕССА
В 1986 г. в рамках Международной программы «Литосфера» группой ученых из 18 стран под общим руководством американского геофизика Мэри Лу Зобак в целях изучения в первую очередь внутриплитной геодинамики было предпринято составление Мировой карты (World Stress map — WSM) с использованием всех перечисленных выше методов их изучения. В 1989 г. были опубликованы первые результаты этой работы, в 1992 г. — карта, для составления которой было использовано более 4400 пунктов наблюдений.
На карте различаются региональное (первого порядка) и локальное (второго порядка) поля напряжений. Региональные напряжения — это напряжения сжатия, они обнаруживают закономерную ориентацию, согласующуюся либо с направлением расхождения литосферных плит от осей спрединга срединно-океанских хребтов, либо с направлением, перпендикулярным к простиранию коллизионных орогенов. Ориентировка первого типа свидетельствует, что ведущая роль в смещении литосферных плит принадлежит их расталкиванию на осях спрединга (ridge push) наряду с затягиванием плит в зоны субдукции (slab pull) и их волочением (drag).
Локальные отклонения от регионального поля напряжений отмечены прежде всего в рифтовых зонах, области Бассейнов и Хребтов и Байкальской рифтовой системе. Утолщение коры, как в Андах или Тибете, или утонение литосферы также ведет к преобладанию растяжения и нормального сбросообразования в фокальных механизмах. Отклонения от регионального поля напряжений наблюдается и в связи с мощным осадконакоплением на пассивных окраинах континентов — растяжение под окраинами, сжатие на прилегающей океанской плите. По оценке М.Л. Зобак, величина локального стресса может быть равна величине регионального стресса или превосходить ее до 2,5 раз.
Исследования Л.А. Сим на севере европейской территории России являются еще более детальной работой для этого глобального обобщения, позволяющей, выделить в пределах литосферных плит области с напряжениями разных знаков и ориентации.