Лекция 3 Неотектоника, вулканизм

Лекция 3 Эндогенные процессы

Неотектонические процессы

. Общие понятия
Геодинамические режимы

Общие понятия

Наша планета в настоящее время живет активной геологической жизнью не только с наружи, но и изнутри. Подвергаясь воздействию разнонапрвленных сил, ее недра постоянно напряжены, но при достижении пределов прочности местами происходит разрядка напряжений с различными последствиями для земной поверхности и ее обитателей. Причин как источников энергии для возникновения напряженности несколько. Их можно разделить на внешние и внутренние. Из внешних наиболее значимые - это переменное гравитационное воздействие космических объектов и прежде всего Луны наиболее близкого объекта со значительной массой. Но параметры гравитационного воздействия меняются и при вращении Луны вокруг Земли, и Земли вокруг Солнца и всей солнечной системы вокруг галактического центра. А так как это периодически и циклично повторяется, то повторяются также и геодинамические процессы: например эпохи складчатости и оледенений.
Из внутренних источников напряжений наиболее значимыми являются это вес вышележащих масс горных пород, это радиоактивное тепло, процессы плотностного разделения, физико-химические реакции, дегазация. Все эти процессы вместе взятые формируют структурно- тектонический ансамбль литосферы. Наиболее общие механизмы его возникновения в планетарном масштабе называют тектоникой, при этом сейчас признается, что таких глобальных механизмов три: тектоника плит, тектоника плюмов, тектоника роста.
Когда напряжения достигают критических значений, превышающих предел длительной прочности горных пород, происходит разрядка накопившейся упругой энергии и смещение блоков, сопровождаемая землетрясением. Земная кора и в настоящее время претерпевает перемещения ее отдельных частей в вертикальном и горизонтальном направлениях. Такие перемещения являются результатом современных неотектонических движений, проявляющихся в течение неогенового и четвертичного периодов.
Вертикальные и горизонтальные движения земной коры наблюдаются повсеместно, как в пределах континентов, так и океанов. Режим, интенсивность и контрастность этих движений в разных геоструктурных элементах неодинаковы. В горных регионах вертикальные движения имеют дифференцированный характер и отличаются наибольшой интенсивностью и контрастностью. Например, водораздельные части Главного Кавказского хребта воздымаются со скоростью 10-12 мм/год, а побережье Черного моря в районе г.Поти опускается со скоростью 5 мм/год. В платформенных областях интенсивность вертикальных движений меньше, но на отдельных участках она может достигать нескольких миллиметров в год (Экогеология России, 2000).
Современные горизонтальные тектонические движения изучены хуже. При помощи повторных лазерных измерений установлено, что расстояние между хребтами Петра Великого и Гиссарским (Таджикистан) уменьшается на 20 мм/год. Исследование тектонических структур, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ], складок волочения и особенностей движения платформенных плит свидетельствует о том, что горизонтальные тектонические движения имели в прошлом и имеют в настоящее время широкое распространение (Экогеология России, 2000)
Интенсивные неотектонические движения оказывают существенное влияние на формирование современных черт рельефа и развитие экзогенных геологических процессов, нарушают монолитность горных пород и, уменьшая их прочность, создают напряжения в различных частях земной коры, во многом определяют генезис, состав и условия залегания четвертичных образований и соответственно инженерно-геологические условия отдельных регионов.
Новейшие движения земной коры сохраняют свои основные черты, по интенсивности не уступают движениям многих предшествующих геологических периодов, а иногда и превосходят их. Так, в пределах Казахского щита скорости вертикальных движений в донеотектонический этап составляли 13 мм в 1000 лет, а в кайнозойское время они возросли в 24 раза (Инженерная геология СССР, 1990).


Карта современных тектонических движений Крыма и Кавказа (по В.И.Бунэ и др., 1974)
1 – шкала амплитуд неотектонических поднятий и прогибаний (мм в год)

Закономерности развития неотектонических движений на континентах определяются типами континентальных неоструктур высшего ранга, среди которых выделено 8 главных типов, сформировавшихся на определенных формационных комплексах пород субстрата:
эпигеосинклинальные орогены;
эпиплатформенные орогены;
рифтогены; .
сводовые структуры щитов и срединных массивов;
активизированные платформы;
плиты, платформы;
компенсированные прогибы;
компенсированные впадины.

Геодинамические режимы

Большое значение для общего развития геологической среды имеют геодинамические режимы ее состояния, под которыми понимается сочетание эндогенных процессов на определенном уровне напряженности земной коры, характеризующее геодинамическое состояние пород неотектонической нарушенности, сжатия-растяжения, частоты сотрясаемости, подверженности воздействию теплового потока. Т.Ю. Пиотровская (Теоретические основы..., [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]) по уровням тектонической напряженности выделяет четыре типологических ряда геодинамических режимов. В ее интерпретации каждый из них имеет следующие характеристики.
Интенсивно напряженные. Геодинамическое состояние пород определяется растягивающими горизонтальными напряжениями. К таким регионам относятся горные районы Прибайкалья, Забайкалья, Камчатки, Кавказа, Памира и др .Высокая сейсмическая активность, изостатическая некомпенсированность верхних частей горных сооружений. Для высокогорных частей орогенов возможно разуплотнение массивов и преобладание напряжений растяжения. В рифтогенных областях проявляется вулканизм, отмечается резкая смена изостатически компенсированных и некомпенсированных частей массивов. Для последних с увеличением высоты плотность пород уменьшается. Характерен высокогорный крутосклонный рельеф с высокой энергией.
Напряженные. Сейсмичность 810 баллов, в том числе под воздействием транзитных сотрясений, изостатическая компенсированность, активное развитие напряжений растяжениясжатия в соответствии с особенностями неоструктурного плана. Более пологосклонный, чем в первом случае, рельеф с меньшей глубиной расчленения. Геодинамическое состояние пород также определяется высокими горизонтальными напряжениями. Это районы Саян, Восточного Забайкалья, Верхоянья и др.
Умеренные. Главным образом асейсмичные территории с изостатической компенсированностью, которая определяется напряжениями дифференцированных поднятий и некомпенсированных опусканий. Сюда входят низко- и среднегорные сооружения с широкими междуречными поверхностями и невысоким коэффициентом расчленения, а также части платформ и плит, испытывающие послеледниковые изостатические поднятия. Геодинамическое состояние пород определяется разной степенью их трещииоватости, которая в свою очередь уменьшается со снижением напряженности (низко- и среднегорные районы Саяно-Байкальской и Удокано-Становой горных областей, горы Урала и Алтая, север Русской платформы и др.).
Слабые. Эти режимы характеризуются асейсмичностью или слабой сейсмичностью, развитием локальных деформаций, концентрацией напряжений на границах горстов и грабенов. Это территории с плоскогорным холмисто-равнинным или низменным рельефом. Геодинамическое состояние пород определяется трещиноватостью и процессами разуплотнения, в целом породы недостаточно и мало прочные, хрупкие. К таким территориям относятся Западно-Сибирская плита, Сибирская платформа, юг Русской платформы, Прикаспийская впадина и др.
Выделенные геодинамические режимы неоструктур являются основой оценки активности геологических процессов, возникающих и развивающихся в настоящее время. Особенности геодинамических режимов неоструктур во многом определяют развитие современных геологических и инженерно-геологических процессов, а также сохранность различных инженерных сооружений.
Основными признаками, характеризующими активность эндогенных геологических процессов являются интенсивность и экстенсивность.
К показателям интенсивности Т.Ю.Пиотровская ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]) относит скорости протекания процессов, их объемы и частоты повторяемости. К экстенсивным признакам относятся площади поражений процессами.
Для обеспечения безопасности ответственных инженерных сооружений с точки зрения активных геодинамических тектонических процессов В.М.Макеевым с соавт. (2003, 2004) были предложены методические подходы к оценке новейшей и современной активности платформенных территорий. При этом авторами учитывалось: 1) динамическое воздействие разнородных новейших структур друг на друга (по принципу сопряженности процессов); 2) характер соотношения древних и новейших структур (по степени структурно-формационной расслоенности); 3) характер эволюции новейших структур и современных геодинамических процессов.


Вулканизм

Механизм и причины вулканизма
Типы извержений
Продукты извержений Прогноз извержений и эколого-геологическая оценка



Механизм и причины вулканизма

Наряду с землетрясениями другим мощным проявлением эндогенных сил Земли является [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Вулканические процессы играют огромную роль в геодинамике Земли, с ними парагенетически связаны многие другие геологические процессы. Не меньшее значение их изучение имеет и в эколого-геологическом аспекте, поскольку вулканические процессы и вулканические извержения часто являются катастрофическими для биоты и человека.
Географическое размещение действующих вулканов. Современные вулканы расположены вдоль молодых горных хребтов или вдоль крупных разломов (грабенов) на протяжении сотен и тысяч км в тектонически подвижных областях (см. карту ниже). Почти две трети вулканов (500) сосредоточены на островах и берегах Тихого океана (Тихоокеанский вулканический пояс).Из них 300 действующих. В пределах России основное количество действующих вулканов сосредоточено на Камчатской (28) и Курильской островных дугах ([ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]). Из других районов по количеству действующих вулканов выделяется район Атлантического океана (70, из них 40 в Исландии).



Размещение современных вулканов (по Т.И.Фроловой, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]):
1 – континентальная кора; 2 – вулканы; 3 – глубоководные желоба; 4 – трещинные излияния базальтов (вдоль срединных хребтов); 5 – зоны континентального сжатия (коллизии)

Средиземноморье (Везувий, Этна, Санторин, Эльбрус, Казбек).
Восточная Африка (40, 16 действующих). Такое географическое размещение вулканов указывает на тесную связь между поясами вулканической деятельности и дислоцированными подвижными зонами земной коры.
Типы извержений

Типы вулканов. В зависимости от формы подводящих каналов [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] разделяют на центральные и трещинные. Глубинные магматические очаги могут находиться в верхней мантии на глубине порядка 5070 км (вулкан Ключевская Сопка на Камчатке и Килауэа на Гавайских островах) или в земной коре на глубине всего 56 км (вулкан Везувий, Италия).
Извержения вулканов не всегда одинаковы. В зависимости от количественных соотношений извергаемых вулканических продуктов (газообразных, жидких и твёрдых) и вязкости лав выделены 4 главных типа извержений: эффузивный, смешанный, экструзивный и эксплозивный, или, как их чаще называют, соответственно гавайский, стромболианский, купольный и вулканский (см. рис.).



Основные типы вулканов и извержений

Гавайский тип извержения, (мантийный плюм) создающий чаще всего щитовидные вулканы, отличается относительно спокойным излиянием жидкой (базальтовой) лавы, образующей в кратерах огненно-жидкие озёра и лавовые потоки. Газы, содержащиеся в небольшом количестве, образуют фонтаны, выбрасывающие комки и капли жидкой лавы, которые вытягиваются в полёте в тонкие стеклянные нити (вулкан Килауэа).



Разрез через лавовое озеро Халемаума (вулкан Килауэа, Гавайи) (по Г.Макдональду, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ])
В стромболианском типе извержений, создающем обычно стратовулканы, наряду с достаточно обильными излияниями жидких лав базальтового и андезито-базальтового состава (образуют иногда очень длинные потоки), преобладающими являются небольшие взрывы, которые выбрасывают куски шлака и разнообразные витые и веретенообразные бомбы (вулкан Стромболи на Липарских островах, , некоторые извержения Ключевской Сопки).



Аэрофотоснимок вулкана Килауэа (1967 г.)
Для купольного типа характерно выжимание и выталкивание вязкой средней или кислой (андезитовой, дацитовой или риолитовой) лавы сильным напором газов из канала. и образование куполов (вулкан Центральный Семячик на Камчатке), конусокуполов (вулкан Иванова) и обелисков (В. Шивелуч на Камчатке).



Вулкан Ключевская сопка (стромболианский тип)

В вульканском (эксплозивном взрывном) типе большую роль играют газообразные вещества, производящие взрывы и выбросы огромных чёрных туч, переполненных большим количеством обломков лав. Лавы вязкие андезитового, дацитового или риолитового состава образуют небольшие потоки (вулкан Вулькано, Авачинская Сопка и Карымская Сопка на Камчатке). Каждый из главных типов извержений разделяется на несколько подтипов. Из них особо выделяются пелейский и катмайский, промежуточные между купольным и вульканским типами. Характерной особенностью первого является образование куполов и направленные взрывы очень горячих газовых туч, переполненных самовзрывающимися в полёте и при скатывании по склону вулканов обломками и глыбами лав (вулкан Монтан-Пеле на острове Мартиника). Извержения катмайского подтипа отличаются выбрасыванием очень горячего, весьма подвижного потока (вулкан Катмай на Аляске). Куполообразующие извержения иногда сопровождаются раскалёнными или достаточно охлажденными лавинами, а также грязевыми потоками. Ультравульканский подтип выражается в весьма сильных взрывах, выбрасывающих огромные количества обломков лав и пород стенок канала.
Извержения подводных вулканов, расположенных в очень глубоких местах, обычно незаметны, так как большое давление воды препятствует взрывным извержениям. В мелких местах извержения выражаются взрывами (выбросами) огромных количеств пара и газов, переполненных мелкими обломками лавы. Взрывные извержения продолжаются до тех пор, пока извергаемый материал не образует острова, поднимающегося над уровнем моря. После чего взрывы сменяются или чередуются с излияниями лавы.
Извержения вулканов бывают длительными (в течение нескольких лет, десятилетий и столетий) и кратковременными (измеряемые часами).

Продукты извержений
Продукты извержения вулканов бывают газообразными (вулканические газы), жидкими (лава) и твёрдыми (вулканические горные породы). В зависимости от характера извержений и состава магмы на поверхности образуются сооружения различной формы и высоты. Они представляют собой вулканические формы, состоящие из трубообразного или трещинного канала, жерла (самой верхней части канала), окружающих канал с разных сторон мощных накоплений лав и вулканообломочных продуктов и кратера (чашеобразной впадины, расположенной на вершине сооружения). Наиболее распространёнными формами сооружений являются конусообразные (при преобладании выбросов обломочного материала), куполообразные (при выжимании вязкой лавы) и пологие щитовидные (при преобладании излияний жидкой лавы).


Извержения происходят не только через вершинный главный кратер, но и через побочные (паразитические) кратеры, расположенные на склонах и на некотором удалении от них. При однократных извержениях газов, пробивающих канал до земной поверхности, нередко образуются воронкообразные впадины, окаймленные кольцевым валом из глыб различных пород; такие воронки, нередко заполненные водой, называются маарами. Сильные извержения иногда сопровождаются обрушениями части вулканического сооружения, а часто и прилегающей местности; образующиеся впадины диаметром от нескольких км до первых десятков км называются кальдерами. ( до 50, 30 км штат Невада, Клорадо)



Пепловые отложения на склонах вулкана Бурлящий (Камчатка)

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]

Гейзер в Еллостоунском национальном парке, США (фото С.Д.Херона)



Фумаролы в кальдере Узон (Камчатка)

Прогноз извержений и эколого-геологическая оценка
Режим, т.е. периодичность извержений вулканов, даже тех, которые давно наблюдаются людьми, остается во многом неразгаданной тайной. Действующими считаются вулканы, извержения которых хотя бы один раз отмечены за последние 3500 лет. Их общее число на земном шаре 947. Основные вулканы уже известны, новые вулканы иногда рождаются как подводные, образуя острова в морях и океанах. Точно предсказать место и время очередного прорыва лавы в пределах вулканической постройки задача не из легких (Экогеология России, 2000).
Вулканическое извержение - несравнимое ни с чем по грозному величию и внушаемому им страху явление природы. Однако человек научился если не устранять вулканические извержения, то по крайней мере их предсказывать и существенно уменьшать ущерб от небольших лавовых потоков. Один из способов - бомбардировка лавовых потоков высоко в горах. Жидкие лавы обычно текут по трубе под твердой остывшей кровлей. Бомбардировка таких лавовых потоков имеет назначением разбить кровлю, запрудить трубу обломками, вызвать излияние лавы на поверхность и отвести таким образом лаву от фронта потока. Кроме того, сильное взбалтывание жидких лав в трубе нарушает газовое равновесие лавы, она превращается в вязкую лаву и движение ее может прекратиться. Вязкие лавы типа обычно текут по руслам, многократное переполнение которых вызывает образование высоких дамб, вследствие чего поверхность лавы в русле на несколько метров выше окружающей местности. Бомбардировка таких лавовых потоков имеет назначением разрушить дамбу в тех местах, где уровень лавы по отношению к местности высок, и заставить лаву растечься; лавовый поток может замедлиться или даже остановиться (Тер-Степанян, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
Может оказаться эффективной бомбардировка стенки конуса возле самого жерла, чтобы вынудить жидкую лаву излиться из кратера на окружающую поверхность. Борьба с лавовыми потоками возможна путем устройства искусственных барьеров и даже поливания водой. Известны случаи успешного отвода лавового потока в Исландии от порта путем поливания лавы водой.
Вулканические извержения в ряде случаев сопровождаются [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ] - грязевыми потоками, вызванными прорывом кратерных озер, таянием снега на склонах вулканов, проливными дождями при извержениях и др.; разрабатываются методы предсказания лахаров, защиты от них и определения риска (Тер-Степанян, [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]).
Прогноз вулканических явлений основывается на анализе длительного режима сейсмических событий в районе, наблюдениях за активностью выбросов пепла и газов, уровнем, составом и температурой водоисточников в периоды затишья.
К предвестникам извержения относятся вулканические землетрясения, акустические явления, изменения магнитных свойств и состава фумарольных газов и другие явления. Извержение обычно начинается усилением выбросов газов сначала вместе с тёмными, холодными обломками лав, а затем с раскалёнными. Эти выбросы в некоторых случаях сопровождаются излиянием лавы. Высота подъёма газов, паров воды, насыщенных пеплом и обломками лав, в зависимости от силы взрывов, колеблется от 1 до 5 км (во время извержения вулкана Безымянного на Камчатке в 1956 она достигла 45 км). Ключевская сейчас до 9км.



Жилой микрорайон в Петропавловске-Камчатском, расположенный в непосредственной близости от Авачинского вулкана

Выброшенный материал переносится на расстояния от нескольких до десятков тыс. км. Объём выброшенного обломочного материала порой достигает нескольких км3. При некоторых извержениях концентрация вулканического пепла в атмосфере бывает настолько большой, что возникает темнота, подобная темноте в закрытом помещении. Это имело место в 1956 в посёлке Ключи, расположенном в 40 км от В. Безымянного. Извержение представляет собой чередование слабых и сильных взрывов и излияний лав. Взрывы максимальной силы называются кульминационным пароксизмом. После них происходит уменьшение силы взрывов и постепенное прекращение извержений. Объёмы излившейся лавы до десятков км3.



Гибель ландшафта и сооружений при извержении вулкана, Гавайские острова

Экологические последствия извержения наземных вулканов многообразны и часто трагичны. Так, например, при извержении Везувия, расположенного на юге Италии, в 79 г. н.э. были полностью засыпаны раскаленным пеплом и погибли города Помпеи и Геркуланум.
В Восточной Африке в пределах Восточно-Африканской рифтовой системы, где находятся условно потухшие вулканы типа Килиманджаро и более 40 действующих, была обнаружена "Долина смерти", где животные погибают от скоплений выделяющихся вулканических газов СО2, СО, H2S, CH4, H, HCl и недостатка кислорода.
Потоки лавы с температурой до 1000-1200 оС сжигают все живое на своем пути, вулканический пепел и бомбы (раскаленные куски лавы) разрушают постройки. При извержениях пепел способен подниматься в высокие слои атмосферы и тропосферу на 45-50 км и разноситься на сотни и тысячи километров. Объем выброшенного обломочного материала может достигать нескольких кубических километров (Экогеология России, 2000).

[ Cкачайте файл, чтобы посмотреть картинку ]

Лава, застывшая на шоссе, Гавайские о-ва, 1994 г. (фото Л.Уэлльс)

Пепловые извержения нарушают атмосферные равновесия и вызывают опасные побочные явления сильные ливни и грозы, селевые потоки, способные разрушить инженерные сооружения, уничтожить растительность и животных, вплоть до полного уничтожения экосистем.
Как и иные эндогенные процессы, активные вулканы меняют условия среды обитания различных организмов, а, следовательно, влияют на состояние и эволюцию прилегающих к ним экосистем, в частности они могут влиять на экологическую [ Cкачайте файл, чтобы посмотреть ссылку ]. Так, например, в результате извержения вулкана может почти полностью разрушиться та или иная экосистема и сформироваться так называемая «фаза обнажения» - появление незаселенного пространства. Это вызовет следующую фазу сукцессии – миграцию организмов на «незаселенную» территорию, затем их колонизацию этой территории и т.д. Таким образом, интенсивность и частота вулканических проявлений определенным образом обусловливает динамику сукцессий в экосистемах.
Извержения вулканов почти всегда сопровождаются землетрясениями различной силы, иногда разрывами земной коры, нарушениями вблизи очага всех природных геофизических полей, выделениями разнообразных эманации, которые могут оказаться гибельными для человека и животных.
Сравнительно кратковременные извержения вулканов сменяются длительными периодами поствулканической деятельности. В кратерах и на склонах действующих вулканов формируются термальные источники разнообразного состава, на фумарольных полях образуются месторождения самородной серы, гидротермальные рудные месторождения и т.п. После извержения вулканов районы снова заселяются людьми, так как на вулканических породах образуются плодородные почвы









13 PAGE \* MERGEFORMAT 14615




Рисунок 1Рисунок 13Рисунок 14Рисунок 15 Заголовок 315

Приложенные файлы

  • doc 15575296
    Размер файла: 3 MB Загрузок: 1

Добавить комментарий