Быть готовым к «Дрожи Земли» – 3

(Продолжение. Часть первая. Часть вторая)

Малоцикловая усталость гранита и базальта земной коры как причина землетрясений

Чтобы ответить на вопрос о формировании зон растягивающих напряжений в срединно-океанических хребтах, проанализируем причины землетрясений и извержений вулканов исходя не из теории тепловых конвекционных потоков, а из законов строительной механики и сопротивления материалов для упруго-пластичных материалов. Следует напомнить, что во всех океанах основные зоны землетрясений находятся между материками (рис. 11) в зоне срединно-океанических хребтов, но в Тихом океане это правило нарушено, и зоны землетрясений, а также самой активной вулканической деятельности, расположены вблизи от границ материков, образуя, так называемое, Огненное кольцо.

Рис. 11. Основные зоны землетрясений на Земле

СПРАВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ. Срединно-океанический хребет (СОХ) – это горная система на морском дне, образованная (как считается) тектоникой плит. Обычно имеет глубину порядка 2.600 метров и возвышается примерно на два километра над самой глубокой частью подводной котловины. Это место, где происходит раздвигание океанского дна (спрединг) по расходящейся границе плит. Скорость спрединга определяет морфологию гребня срединно-океанического хребта и его ширину. Образование нового океанского дна и океанической литосферы является результатом подъёма мантии из-за расхождения плит. Расплав поднимается как магма на линии слабости между плитами и выходит в виде лавы, при охлаждении образуя новую океаническую кору и литосферу. Первым обнаруженным срединно-океаническим хребтом был Срединно-Атлантический (рис.12 ), который представляет собой спрединговый центр, разделяющий пополам бассейны Северной и Южной Атлантики; отсюда и его название. Большинство океанических спрединговых центров не находятся в центре их котловины, но, несмотря на это, традиционно называются срединно-океаническими хребтами.

Рис.12. Схема образования Срединно-Атлантического хребта

Для анализа причин землетрясений и извержений вулканов представим участки континентальных и океанических литосферных плит над упруго-пластичной мантией в виде условной модели – балки на упругом основании, загруженной вертикальным давлением от собственного веса плит и, для океанических плит, воды, а также горизонтальными нагрузками от приливов. Имеющиеся исследования показывают, что используя эту модель, можно приблизительно вычислить деформации, а также нормальные и касательные напряжения в сечениях литосферных плит. На рис. 13 показаны, полученные при расчётах, амплитуды упругих прогибов балки на упругом основании в случае приложения сосредоточенной вертикальной нагрузки, например, от крупного водохранилища. Соответствующие эпюры изгибающих моментов в балке качественно будут иметь такой же вид.

Рис. 13. Амплитуда упругих прогибов балки на упругом основании при сосредоточенной нагрузке

При действии распределённой нагрузки от собственного веса континентальной плиты (в пределах трёх средних участков) амплитуда упругих прогибов среднего нижнего участка на рис. 13 будет вытянута по горизонтали, а примыкающие к ней соседние верхние участки будут иметь меньшую длину. Крайние нижние участки на рис. 13 показывают амплитуду упругих прогибов океанических плит от вертикальной распределённой нагрузки собственного веса плит и воды. Соответствующий вид будут иметь и эпюры изгибающих моментов в балке.

В верхней части континентальной плиты будут возникать сжимающие напряжения, которые с глубиной будут уменьшаться, постепенно переходя в растягивающие напряжения. Приливы в океанах будут создавать дополнительные сжимающие напряжения в верхней части континентальной плиты, увеличиваясь с глубиной. В плите возникает знакопостоянный цикл сжимающих напряжений. При этом величина сжимающих напряжений от приливов является амплитудой (алгебраической разностью между максимальным и минимальным напряжениями в одном цикле) цикла.

Очевидно, что максимальные сжимающие напряжения и наибольшая амплитуда этих напряжений будут находиться не в верхней части плиты, а на некоторой глубине. При сжатии, как и при растяжении, первоначально из-за малоцикловой усталости в материале литосферной континентальной плиты образуются микротрещины вследствие его разрушения в местах концентрации растягивающих напряжений (там, где нарушена сплошность материала), в направлении перпендикулярном сжатию. При циклическом нагружении микротрещины растут, сливаются и образуют макротрещины, которые в дальнейшем также сливаются и образуют глобальную трещину.

Динамичное образование глобальной трещины в материале литосферной плиты и является землетрясением. Например, в Турции гипоцентры большинства сильных землетрясений находятся на глубине 7-21 км, что достаточно хорошо согласуется с предлагаемой моделью напряженного состояния континентальной литосферной плиты. Землетрясения перед извержениями вулканов также происходят на относительно небольшой глубине в 3-5 км под вулканами, гораздо реже – на глубине до 10 км.

Следует добавить, что процесс разрушения камня от действия циклических нагрузок достаточно хорошо изучен на бетоне (рис. 14), являющимся искусственным каменным материалом.

Рис. 14. Образование и развитие трещин при сжатии бетонного куба (при наличии сил трения по горизонтальным поверхностям куба и при их отсутствии)

СПРАВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ. Образование небольших трещин (макротрещин), которое предшествует образованию глобальной трещины (самому землетрясению) в базальте или граните литосферной плиты, сопровождается небольшим шумом и слабыми толчками (вибрацией) грунта, которые могут ощущать животные. За несколько дней до сильного землетрясения крысы и змеи начинают покидать свои норы, жабы покидают пруды и другие места обитания, муравьи уходят из муравейников, домашние животные (коровы, овцы, собаки и кошки) нервничают и стараются сбиваться в группы. Дикие животные стараются покинуть опасное место, но домашние животные этого сделать не могут и просто проявляют беспокойство (рис. 15). Исследования показали, что чем ближе к животным находились эпицентры землетрясений, тем заметнее они меняли своё поведение.

Рис. 15. Многие животные предчувствуют землетрясения

Учёные, приверженцы теории тепловых конвекционных потоков в мантии Земли, предполагают, что животные каким-то образом ощущают перепады температур в недрах Земли, которые провоцируют движение расположенных глубоко под нами литосферных плит. Это объяснение, как и вся теория тепловых конвекционных потоков в мантии, выглядит достаточно сомнительным.

Интенсивные землетрясения на протяжении длительного периода времени могут привести к образованию значительных разломов в коре континентальной литосферной плиты. Приливы четырех океанов создают сложное напряжённое состояние в Евразийской континентальной плите (рис. 11), что и приводит к образованию разломов различного направления.

Так, в Анатолийской плите, входящей в состав Евразийской континентальной плиты, имеются два крупных разлома (рис. 16) – Восточно-Анатолийский разлом протяженностью около 700 км и Северо-Анатолийский разлом протяжённостью около 1.500 км. Напомним, что на Анатолийской плите находится, в том числе, и Турция, а высота приливов в Средиземном море достигает 0,4 м.

Рис. 16. Разломы Анатолийской плиты

В средней нижней части океанических литосферных плит (крайние участки на рис. 13) будут возникать растягивающие напряжения от вертикальной нагрузки. От приливов растягивающие напряжения периодически (циклически) возникают во всем сечении литосферной плиты, что приводит к росту растягивающих напряжений в нижней части плиты, где возникает знакопостоянный цикл растягивающих напряжений. При этом величина растягивающих напряжений от приливов является амплитудой (алгебраической разностью между максимальным и минимальным напряжениями в одном цикле) цикла.

Так как со срединно-океаническими хребтами связано лишь 5% из общего числа землетрясений на планете, то, вероятно, амплитуда растягивающих напряжений в океанических литосферных плитах от приливов не велика. Как и в континентальной плите, в океанической плите первоначально из-за малоцикловой усталости в материале плиты образуются микротрещины вследствие его разрушения в местах концентрации растягивающих напряжений. Вследствие роста и слияния микротрещин образуются макротрещины, рост и слияние которых приводит к образованию глобальной трещины, то есть к землетрясению. Через образовавшиеся в океанической литосферной плите трещины начинается подъём лавы из мантии, что и приводит к образованию и росту срединно-океанического хребта.

В рассмотренном случае образование глобальных трещин и, соответственно, землетрясения должны происходить на границе океанических литосферных плит и верхней мантии. Подтверждением этому является то, что исследования глубины гипоцентров землетрясений Арктического региона (море Лаптевых, Евразийский суббассейн, Норвежско-Гренландский бассейн, хребет Рейкьянес и другие), проведённые в начале 2000 годов, показали, что сейсмоактивный слой расположен в пределах верхней мантии Земли на глубине 6-40 км.

(Окончание следует)

При полном и/или частичном копировании данного материала, для последующего размещения его на стороннем ресурсе, обратная, индексируемая ссылка на источник обязательна!