Сжатие земной коры и горообразование | Блог о природе

Сжатие земной коры и горообразование

0

Главный Кавказский хребет Сжатие земной коры и горообразованиеГлавный_Кавказский_хребет.jpg

Сжатие земной коры и горообразование

Аннотация

Раскрывается природа сил горообразования – огромные субгоризонтальные напряжения сжатия земной коры порождаются силами вязкого трения, посредством которых твёрдая (кристаллическая) кора увлекается конвективными потоками очень вязкого мантийного вещества (аморфного, очень твёрдого в человеческом масштабе времени) и передаются через кору на большие расстояния. В местах, где напряжение сжатия превышает предел прочности коры, из неё выдавливаются горы. Приведена оценка напряжений, необходимых для генерации горных цепей. При достижении предельной высоты горная цепь перестаёт расти. И по мере нарастания напряжений сжатия рядом с горной цепью начинает выдавливаться новая горная цепь, почти параллельная уже существующей.

До настоящего времени нет ясного понимания механизма горообразования. Созерцание вздыбленных под разными углами одних и тех же пластов осадочных пород в горах, горные удары, «стреляние» напряжённых пород в глубоких шахтах вследствие огромного напряжения субгоризонтального сжатия даже в равнинной коре далеко от гор и краёв плит заставляют нас сделать вывод, что горные хребты выдавливаются из в основном горизонтальной земной коры огромными напряжениями субгоризонтального сжатия, передающимися через твёрдую кору за сотни и тысячи километров. Кроме визуальных наблюдений и субъективных впечатлений можно привести совершенно объективные результаты инструментальных измерений, свидетельствующие о том, что почти повсеместно, особенно по мере приближения к молодым (растущим) горам, земная кора испытывает огромное по величине напряжение субгоризонтального сжатия – до 400 МПА [1]. В то же время области земной коры, в которых наблюдается напряжение растяжения, составляют всего лишь 2% от общей площади земной поверхности [1]. Здесь под субгоризонтальным сжатием подразумевается не всестороннее сжатие пород земной коры под действием литостатического давления (можно сказать, очень вязкого гидростатического), а одноосевое напряжение сжатия в направлении, близком к горизонтальному, представляющее собой разность величин напряжений в указанном почти горизонтальном и других, перпендикулярных направлениях. Попытки объяснения сил, создающих субгоризонтальное сжатие практически во всей коре, неоднократно осуществлялись и раньше, например в [1]. Однако причины существования сил сжатия коры, достаточных для горообразования, до сих пор остаются неясными.

В основе многих попыток объяснения механизма субгоризонтального сжатия земной коры лежит предположение о том, что в современную эпоху размеры нашей планеты уменьшаются, и поэтому в сокращающейся по площади твёрдой земной коре, плавающей на пластичной мантии, возникают огромные напряжения сжатия, которые и приводят к выдавливанию гор из коры. Понятно, что предположение о быстром кратковременном уменьшении размеров «пульсирующей» Земли не имеет под собой никаких оснований. Если же речь идёт о постепенном монотонном уменьшении размеров Земли вследствие уменьшения температуры её недр, когда твёрдая поверхность остывающей Земли (ограничивающая остывающий объём при постоянстве температуры коры) также вынуждена уменьшаться, но не равномерно по всей площади коры, пропорционально уменьшению температуры недр, а путём вспучивания в некоторых местах, то скорости эрозионного разрушения гор, и земной коры вообще, намного превосходят возможные скорости генерации гор, обусловленной уменьшением объёма остывающей Земли при локально неизменной площади земной поверхности (из-за неизменности температуры поверхности при уменьшении температуры недр). Так что горы разрушались бы быстрее, чем генерировались. Поэтому при механизме горообразования вследствие остывания Земли существование даже невысоких гор было бы невозможно. Кроме того, линейность длинных горных хребтов категорически несовместима с всесторонним сокращением площади жёсткой (несжимаемой) коры, ограничивающей уменьшающийся объём земного шара.

Рассмотрим процесс выдавливая горных цепей в ходе горообразования несколько подробнее. Для этого приведём схему выдавливания гор из земной коры. На ней изображено, как силы субгоризонтального сжатия при превышении предела прочности земной коры выдавливают вверх вещество коры, так что горизонтальные до того слои осадочных пород вздыбливаются под разными углами и становятся горными цепями [4].

Избыточн Р выдавл горы

Рис 1. Избыточное давление, выдавливающее горы

Для того, чтобы выдавить из горизонтальной коры горную цепь высотой порядка 4 километров (можно сказать, трёхгранную призму, лежащую на боковой грани), нужно развить под горным хребтом избыточное давление, которое и будет приподнимать, выталкивать вверх горный хребет, порядка

P = g * d * h = 9.8м/сек2 * 3000кг/м3 * 4000м =117.6 * 106 Н/ м2 ~ 120 МПА

На самом деле для генерации гор такой высоты требуемое давление в горизонтальной плоскости основания горного хребта несколько меньше, поскольку вверх выдавливается не прямоугольный параллелепипед высотой h, а трёхгранная призма высотой сечения h, лежащая на боку. Это избыточное давление должно быть развито сверх давления (напряжения), необходимого для неупругой деформации земной коры под горным хребтом, то есть, сверх предела прочности пород земной коры в этой зоне. Для монолитного (бездефектного) гранита и базальта при нормальных условиях (при атмосферном давлении и комнатной температуре) предел прочности при одностороннем сжатии составляет порядка 200 МПА [2]. Более сложное лабораторное измерение механических свойств этих и других пород (слагающих земную кору) при условиях, соответствующих условиям в толще земной коры, даёт гораздо большие прочности – до 900 МПА для некоторых пород [3]. Можно сказать, что таковы пределы прочности монолитных пород, составляющих земную кору, монолитную вдали от её границ. На границе плиты наличие дефектов существенно снижает предел её прочности, что и позволяет напряжениям, передающимся через прочные породы внутри плиты к её границе (и меньшим предела прочности бездефектной коры), не только деформировать край плиты (имеющий меньшую прочность), но и выдавливать вверх избыточным давлением (сверх предела прочности края плиты) горные хребты. Всё это происходит при условиях:

Ткоры <= Тпркоры,

Ткоры = Тпркрая + Pвыталк.

Здесь:

Ткоры = напряжение в коре,

Тпркоры = предел прочности коры,

Тпркрая = предел прочности края плиты,

Pвыталк = избыточное давление, выталкивающее, поднимающее горный хребет.

Для выдавливания из земной коры горных хребтов даже минимальной высоты необходимо, чтобы в коре вблизи растущего горного массива развивалось напряжение сжатия, превышающее предел прочности края плиты (под растущим хребтом), но несколько меньшее предела прочности монолитных пород, составляющих кору. Иначе горы выдавливались бы везде, и не было бы равнин. Для генерации высоких горных хребтов необходимо, чтобы эффективный предел прочности коры под хребтом (на краю плиты, на дефекте) был существенно ниже предела прочности для монолитной плиты:

Тпркрая = ТкорыPвыталк.

В любой породе всегда есть дефекты или неоднородности, в окрестностях которых предел прочности меньше присущего монолитной бездефектной породе. Отсюда и начинается, а затем продолжается деформация (разрушение) коры и выдавливание из неё гор. При нарушении монолитности плиты дефекты распространяются и в ближайших окрестностях этого нарушения, существенно снижая здесь прочность пород.

По мере роста горного хребта (в результате нарастания сжатия) литостатическое давление под ним растёт до тех пор, до каких позволяет разность пределов прочности монолитной коры и участка коры с дефектами под горным хребтом:

Pвыталк. = Ткоры – Тпркрая

Когда литостатическое давление под горным хребтом, растущим вследствие сжатия, достигает предела, максимально возможного для данного участка земной коры (с учётом того, что вклад в суммарную прочность края плиты (Тпркрая ) дают и породы выросшего хребта), данный горный хребет перестаёт расти. Поскольку монолитность коры нарушена не только под хребтом, но и в его окрестностях, то предел прочности здесь несколько меньше. Поэтому рядом с горным хребтом, достигшим предельной высоты, начинает расти новая горная цепь. И так генерируется целая горная страна, состоящая из нескольких рядом расположенных почти параллельных хребтов. Земная кора сминается здесь «в гармошку».

Мы очень схематично рассмотрели процесс выдавливания горных хребтов из земной коры, показали, какую величину должно иметь напряжение сжатия коры вблизи растущих горных хребтов. Но каков механизм возникновения этих огромных напряжений – до 400 МПА ([1]), если верить приводимым в литературе данным?

Мы уже давали в главе «Дрейф литосфернных плит» оценку движущих сил субгоризонтального сжатия, возникающих вследствие действия на земную кору сил вязкого трения со стороны мантийных конвекционных потоков.

Тогда мы пришли к выводу, что при принятых там параметрах мантийных потоков (перепадов высот) вычисленные значения сил вязкого трения слишком малы, чтобы ими можно было объяснить возникновение наблюдаемых горных хребтов с их высотой и прочностью толстой коры под ними. Значит ли это, что механизм возникновения субгоризонтальных сил, двигающих гигантские участки земной коры, совсем не такой, как мы рассмотрели в главе «Дрейф литосферных плит», а какой-то другой, или же просто мы задались не теми значениями параметров?

Понятно, что первопричиной движения литосферных плит, возникновения в земной коре огромных напряжений сжатия является теплота, генерируемая в центральных зонах нашей планеты. Количество механической работы, выполняемой в термодинамическом цикле, может быть подсчитано.

Но каков именно механизм превращения тепловой энергии в механическую энергию движения твёрдых в обычных масштабах времени, но жидких, вязких, в масштабах тысячелетий мантийных конвекционных потоков, создания напряжений в жёсткой земной коре и её деформаций?

Что касается движения мантийного потока, то здесь всё просто — чуть более горячее и поэтому чуть более лёгкое вещество в поле силы тяжести поднимается, преодолевая силы трения, тогда как это же самое вещество, чуть охладившись, становится тяжелее и опускается, также преодолевая силы трения.

Другое дело — создание напряжения сжатия в жёсткой, неподвижной коре. Её химический состав и температура остаются постоянными. Поэтому никаких самопроизвольных расширений-сжатий земной коры, обусловленных температурными или фазовыми превращениями, здесь происходить не может — в коре нет источников энергии, источников движущей силы, обеспечивающей сжатие коры. Ведь при сжатии затрачивается энергия на создание упругих напряжений в огромных объёмах. Но такие напряжения могут возникать под воздействием внешних по отношению к коре источников энергии, в результате изменений объёмов и формы жидкой в масштабах тысячелетий земной мантии, на которой покоится твёрдая земная кора, прижимаемая к мантии силой тяжести (весом коры), а также движения мантийных пород под корой.

Рассмотрим, каким образом может возникать сжатие твёрдой коры при различных движениях подвижной мантии, жидкой в масштабах тысячелетий. Возможные варианты:

Возможные силы сжатия

Рис 2. Возможные силы сжатия земной коры

      1. под твёрдой земной корой, жёстко закреплённой по периметру (упирающейся в соседние литы) опускается или поднимается участок поверхности мантии, на которой покоится кора.

      2. в результате уменьшения размеров остывающей Земли площадь жёсткой коры (при её постоянной температуре) уменьшается в результате сжатия (смятия) коры.

      3. твёрдая земная кора под действием силы тяжести соскальзывает вниз по наклонной поверхности подстилающей мантии, преодолевая силы вязкого трения.

      4. твёрдая земная кора увлекается силой вязкого трения мантийного конвекционного потока, движущегося под ней

Случай 1) может иметь место при однократным или при периодическом поднятии-опускании рассматриваемого участка земной коры. Он может иногда сочетаться с неодинаковыми величинами подъёма соприкасающихся плит. Понятно, что даже если такой подъём и имеет иногда место, то он никак не может обеспечивать сжатие практически во всей земной коре. Тем более, что те 2% земной коры, которые подвергаются растяжению, расположены или в зоне спрединга или на тех участках, где растяжение возникает из-за относительного сдвига участков коры при неидеальных поверхностях сопряжения.

Случай 2) может иметь место при повсеместном сжатии коры. Но возможная скорость такого сжатия коры, обусловленного очень медленным уменьшением размеров Земли в темпе уменьшения температуры её недр так мала, что при наблюдаемой скорости разрушения материковой коры (даже только за счёт выноса речными водами растворённых в них пород) составляет порядка 10 км3. Так что за 17 миллионов лет со 170 миллионов км2 земной суши было бы смыто 170 миллионов куб.км пород, то есть объём всей коры над уровнем моря (при средней высоте поверхности коры примерно в 840 м). Тогда как остывание земных недр на 1000?С при коэффициенте теплового расширения в 10-5/град приводит к уменьшению площади коры всего лишь на 10-2 часть. При средней толщине коры в 40 км такое уменьшение даст среднее утолщение коры на 0.4 км (за счёт выдавливания «излишних» 10-2 частей коры при сокращении её общей площади). Видим, что остывание Земли никак не может обеспечить нужный темп горообразования.

Случай 3) (сжатие земной коры в результате её скольжения по наклонной поверхности мантийного потока) требует особого, более детального рассмотрения. Покажем, что твёрдая земная кора, в принципе, может соскальзывать по наклонной поверхности очень вязкого мантийного потока. Действительно, поскольку трение вязкое, то есть, сила трения пропорциональна скорости относительного смещения слоёв потока, или потока относительно ограничивающих его поверхностей, то при очень малой скорости скольжения относительно поверхности скольжения сила вязкого трения обращается в нуль.

В работе [4] утверждается, что главной причиной движения литосферных плит является их увлечение вязкими мантийными потоками, тогда как соскальзывание плит по наклонной приведённой поверхности под действием скатывающей силы, обусловленной действием силы тяжести, быстро, опережающими темпами, заполнило и ликвидировало бы впадину на приведённой поверхности и саму причину движения. И по этой причине отклонена возможность скольжения твёрдой коры. Но соответствует ли это утверждение действительности?

Скольжение твёрдой коры вниз по наклонной поверхности вязкого мантийного конвекционного потока вполне возможно, точно так же, как возможно скольжение очень вязкого мантийного потока относительно твёрдой коры по этой же самой поверхности. Величина наклона поверхности вязкого потока зависит от величины вязкости. Чем меньше текучесть, тем больше наклон, при котором достигается равновесная скорость течения. При наличии вязкого трения трение покоя отсутствует (равно нулю) [8]. Действительно, выражение для силы, получено в [4] для случая, когда кора неподвижна, то есть поток вязкой жидкости движется относительно увлекаемой коры с некоторой постоянной квазиравновесной скоростью. Если же кора была бы неподвижной относительно потока, то увлекающая сила обращалась бы в нуль (при малых скоростях сила вязкого трения пропорциональна скорости потока относительно увлекаемой поверхности). Если бы участок коры по какой-то причине двигался быстрее потока (в сторону его нисхождения), то сила вязкого трения имела бы направление, обратное направлению движению потока. То есть, тормозила, замедляла бы движение коры вниз. И наоборот, если бы участок коры по какой-то причине двигался против потока (вверх, в сторону восходящего участка потока), то сила вязкого трения существенно увеличилась бы и сильнее увлекала бы кору в сторону нисхождения потока.

Скольжение возможно именно по реальной наклонной поверхности потока, а не по условной, вычисляемой поверхности приведённого уровня, которому соответствует условная свободная поверхность мантийного вещества. Соскальзывать в сторону уменьшения высоты плита может только по реальной наклонной поверхности мантийного потока, которая отделяет твёрдую кору от очень вязкой «жидкой» астеносферы и проходит именно в том месте, где совершенно твёрдая (кристаллическая) плита переходит в очень вязкую (аморфную) астеносферу, твёрдую в масштабах секунд и жидкую в масштабе тысяч и миллионов лет. Причём эта поверхность скольжения представляет собой не математическую поверхность нулевой толщины, а толстый слой неопределённой толщины, который образован тонкими слоями, сдвигающимися относительно друг друга в ходе движения потока относительно увлекаемой поверхности. Вот по этому «толстому» верхнему слою вязкого потока, а не по условной тонкой твёрдой поверхности и может соскальзывать вниз по наклонной поверхности твёрдая кора.

Из-за своей огромной вязкости (лучше сказать, очень малой текучести) астенофера может передавать и передаёт поперечные сейсмические волны, проходящие через её произвольную точку за доли секунды (как твёрдое тело). И, в то же время, течь как жидкость в больших промежутках времени (тысячи, миллионы лет). Поэтому и справедлив для астеносферы закон Архимеда, с запаздыванием перехода в равновесие, обусловленным огромной вязкостью астеносферы, и наблюдается стремление к изостатическому равновесию – равенству (эквипотенцальности) приведённых уровней условно свободной поверхности. Однако изостатическое равновесие (изостазия) принципиально не может быть достигнуто – с одной стороны, идёт очень медленное выравнивание уровней, а с другой – разница уровней непрерывно порождается разностью температур на восходящем и нисходящем участке вязкого конвекционного потока. Можно сказать, что отклонение от изостатического равновесия является промежуточной причиной существования мантийной конвекции. Первопричина — поток тепла из недр.

Достаточно близким, и очень наглядным и доступным для экспериментальных исследований аналогом вязкого вещества астеносферы, пребывающего в условиях высоких давлений и температуры, может служить обычный битум при легко доступном нормальном атмосферном давлении и температуре 20?С – 100?С. Можно взять кусок битума и разбить его молотком. В этом случае битум ведёт себя как твёрдое хрупкое вещество. Если же осколки битума собрать в конусообразную кучку и оставить её в покое, то через некоторое достаточно значительное время эта конусообразная кучка битума под действием силы тяжести растечётся по полу ровным тонким слоем. Если же осколки битума засыпать в воронку, то через некоторое время (скажем, лет через сто) осколки жидкого (в масштабах лет) битума постепенно вытекут из воронки, что и было продемонстрировано в эксперименте [7], где капля битума падала из воронки один раз примерно за 8 лет (при обычной температуре). Автору этого очень наглядного (хотя и длительного) эксперимента была присуждена иронически – издевательская игнобелевская (антинобелевская, «шнобелевская») премия. Хотя в данном случае издёвка кажется мне неуместной, поскольку этот простой эксперимент позволяет наглядно представить себе процессы, протекающие в недоступных для нас гораздо более вязких земных недрах, в гораздо больших объёмах, и в гораздо больших временных промежутках.

Посмотрим же, к чему может привести соскальзывание твёрдой коры по наклонной поверхности потока (близкой к поверхности Мохо). Для этого вычислим силу скатывания, с которой сила тяжести влечёт кору по наклонной поверхности потока в сторону его нисхождения. С ущербом для точности, но с целью упрощения описания явления и расчётов положим, что угол наклона поверхности, по которой скатывается твёрдая кора под действием сил тяжести, всюду одинаков. Для наглядности рассмотрения скатывания земной коры по наклонной поверхности в условиях вязкого трения примем, что кора скатывается по наклонной плоскости (а не по почти сферической наклонной поверхности, как это происходит в природе). Это вполне уместно, поскольку для скатывания под действием силы тяжести имеет значение именно угол наклона поверхности скольжения. В зоне спрединга земная кора имеет минимальную (можно сказать, нулевую) толщину, а поверхность скатывания-скольжения имеет максимальную высоту – именно здесь изолинии высоких температур, соответствующих размягчению вещества недр до высокой текучести расположены выше всего. Для упрощения оценочных расчётов примем, что профиль земной коры на участке от зоны спрединга до зоны нисхождения конвекционного потока (где высота поверхности скольжения минимальна – здесь зона достаточно высоких температур расположена ниже всего) представляет собой треугольник. Так что участок скользящей коры (шириной ?Wв = 1 метр) можно условно изобразить примерно так:

Скатывание

Рис 3. Схема расчёта силы скатывания коры по наклонной поверхности

Здесь:

L = основание наклонной плоскости,

H = высота наклонной плоскости,

h = превышение поверхности коры в зоне конвергенции над зоной спрединга.

(H + h) = суммарная толщина коры, на которую действует сжатие.

Ниже мы обсудим принятое упрощение (по поводу треугольника) и укажем пути корректировки значения скатывающей силы для произвольного профиля земной коры, соскальзывающей по поверхности вязкого потока. Напомним, что, как уже было сказано выше, для вязкой жидкости сила трения покоя равна нулю [8]!

Оценим же силу скатывания для нашего упрощённого варианта в районе выдавливания из земной коры высочайших гор Земли – Гималаев, где толщина коры (H + h) достигает 80 км (h=20 км выше уровня верхней части поверхности скольжения + H=60 км ниже этого уровня).

F = P * sin(?), где P есть вес участка плиты, ? = угол наклона поверхности.

P = g * d * V = g *d * (?W * ? * L * (H + h)).

Сила скатывания параллельна наклонной поверхности скатывания, а горизонтальная сила сжатия Fсж на границе двух плит земной коры, скользящих по наклонным поверхностям навстречу друг другу (одна из них может покоиться) равна:

Fсж = F/cos (?) = P * sin (?)/ cos (?)

При малых углах ? sin(?) ~ H/L, cos(?) ~ 1, так что

Fсж = g *d * (?W * ? * L * (H + h)) * H/L = g *d * (?W * ? * (H + h)) * H,

а среднее напряжение, т.е., сила, приложенная к единице площади вертикальной полосы шириной в 1 м и высотой (H + h) на вертикальной границе плиты, равна:

T = Fсж / S = F /( ?W * (H + h)) = g *d * ( ? * H)

= ? * 9.8 * 3000 * 60 000 ~ 870 МПА.

Таким образом, приходим к выводу, что сила, СКАТЫВАЮЩАЯ ТВЁРДУЮ КОРУ по наклонной поверхности скольжения по мантийному конвекционному потоку, пропорциональна весу всей плиты (ускорению силы тяжести и плотности) и синусу угла наклона этой поверхности (относительно горизонта), то есть приблизительно пропорциональна высоте наклонной поверхности скольжения H.

Казалось бы, рассчитанное нами для коры под Гималаями напряжение вполне достаточно для превышения предела прочности коры и постепенного выдавливания из неё высочайших горных хребтов.

На самом же деле полученное нами выражение для суммарного сжатия за счёт скатывания по наклонной поверхности представляет собой суммарную силу литостатического (гидростатического) давления на правую ограничивающую поверхность. То есть, если изобразить сосуд с вертикальной правой стенкой, наполненный жидкостью с плотностью d, то жидкость будет оказывать на правую вертикальную стенку именно такое суммарное давление. Если же вертикальной стенки не будет, а дальше справа будет такая же жидкость, то ничего происходить не будет. Сила давления левой части жидкости на правую будет уравновешиваться силой давления правой части. Жидкость будет покоиться и иметь горизонтальную поверхность. Так что какие-то деформации твёрдой коры, скатывающейся по наклонной поверхности могли бы иметь место только в том случае, когда h была бы отрицательной. То есть, земная поверхность находилась бы ниже уровня моря. В этом случае сила скатывания уравновешивалась бы силой реакции коры.

Так что сжатие твёрдой земной коры за счёт её соскальзывания по наклонной поверхности мантийного потока хотя и может иметь место, но никак не может развить усилие, необходимое для сминания толстой земной коры в «гармошку».

Поэтому придётся искать источник огромных субгоризонтальных напряжений земной коры либо в её меньшей эффективной толщине, либо в большей силе вязкого трения, с которой действует на твёрдую кору вязкие мантийные конвекционные потоки.

В главе «Дрейф литосферных плит» мы получили, что сила вязкого трения пропорциональна квадрату разности высот приведённого уровня и без достаточных экспериментальных оснований неявно приняли, что под высокими горами ниже поверхности Мохо плотность вещества совпадает с плотностью мантийного вещества. Это и дало нам разность высот приведённых уровней в области СОХ и в районе высоких гор порядка 10 км.

Однако базальтовый мантийный поток под высокими горами может проходить не вплотную к поверхности Мохо на глубине 80 км, а гораздо ниже. Так что плотность пород непосредственно под поверхностью Мохо под толстой материковой корой может соответствовать плотности гранитной коры, а не плотности более тяжёлой базальтовой океанической коры. Такое положение дел (толщина слоя вещества с малой плотностью больше толщины коры) могло сложиться по мере уменьшения площади гранитной коры при сохранении объёма вещества с малой плотностью, составлявшего кору до её сжатия с интенсивным горообразованием. Так что между базальтовым мантийным конвекционным потоком и поверхностью Мохо располагается утолщающийся по мере медленного сокращения площади континентальной коры слой вещества с плотностью гранита, которое находится в пластичном состоянии, но не может быть увлечено мантийным конвекционным потоком (имеющим бОльшую плотность) в глубинные зоны Земли из-за своей меньшей плотности — большей плавучести.

Литосферная подушка

Рис 4. Литосферная «подушка»

Так что разность высот приведённого уровня в зоне восхождения мантийного конвекционного потока и в зоне нисхождения этого потока может быть существенно больше разности, вычисленной нами ранее в предположении, что в области высоких гор плотность пород на границе Мохо изменяется от плотности гранита до плотности базальта. И поэтому сила вязкого трения, действующая со стороны конвекционного потока на плиту земной коры в окрестностях высоких гор, пропорциональная квадрату разности высот уровней приведённой поверхности вполне достаточна для превышения предела прочности дефектной плиты под горами и выдавливания из неё горного хребта большой высоты. Плотность пород непосредственно под поверхностью Мохо может быть измерена косвенными методами. Так что предлагаемое обоснование можно проверить.

Горные хребты выдавливаются из коры рывками, с сотрясением коры, с землетрясениями, до таких высот, при которых избыточное литостатическое давление (создаваемое выдавливаемым хребтом) в сумме с пределом прочности края плиты превысит напряжение сжатия, создаваемое движущими силами, или превысит предел прочности коры внутри плиты (вблизи выдавливаемого из коры хребта). В первом случае горообразование прекращается до тех пор, когда напряжение коры, уменьшившееся во время предыдущего землетрясения, вырастет до предела прочности коры под хребтом. Во втором случае по мере увеличения сжатия начнёт превышаться предел прочности уже не под выросшим хребтом, а где-то рядом с ним, где уже появились дефекты, уменьшившие прочность коры в этом месте. И теперь уже в этом месте начинает выдавливаться новый горный хребет, почти параллельный уже существующему, выросшему до предельной высоты, тогда как старый хребет перестаёт расти.

Каким образом одноосевое субгоризонтальное сжатие земной коры приводит к выдавливанию из неё гор? Просто одноосевое напряжение может изменять направление на различных неоднородностях. Так что через несколько сопряжений под разными углами отдельных блоков породы, образовавшихся в результате предыдущего разрушения краёв плит, а где и благодаря текучести пород коры одноосевое субгороизонтальное (и вдали от гор, и в их окрестностях) напряжение приобретает и вертикальную составляющую и даже превращается во всенаправленное литостатическое давление. В результате чего и выдавливаются вверх субгоризонтальными напряжениями из горизонтальной коры горы.

Приведённое описание механизма горообразования обеспечивает взаимную согласованность потока тепла из глубин через твёрдую кору (от её нижней поверхности) за счёт кондуктивной теплопроводности, переноса тепла к нижней поверхности коры мантийными конвективными потоками, увлечения литосферных плит конвективными потоками, роста гор (и их корней под ними), что и обеспечивает устойчивость, квазистационарность тектонических процессов. Действительно, рассмотрим процесс горообразования с самого начала и вплоть до прекращения роста гор.

Рассмотрим далёкое прошлое, когда поток глубинного тепла был намного больше нынешнего. Мантийные конвекционные потоки достаточно быстро выносили тепло из глубин и доставляли его к нижней поверхности земной коры. Вязкость более горячих пород, находящихся под действием пока сравнительно малых давлений на сравнительно малых глубинах под ещё тонкой корой, сравнительно мала. Поэтому различие высот приведённого уровня в окрестностях восходящего и нисходящего конвекционного потока пока ещё невелико, в первом приближении можно сказать, пропорционально толщине коры. Поэтому сила, пропорциональная квадрату разностей высот (толщины коры), с которой плита увлекалась вязким потоком в далёком прошлом, когда потоки глубинного тепла были намного интенсивнее, а кора тоньше, была сравнительно мала, в соответствии с [4]. Так что субгоризонтальные напряжения в земной коре были намного меньше нынешних и недостаточны для выдавливания из коры высоких гор.

Но по мере уменьшения конвективного подвода тепла из центральных зон Земли к нижней поверхности твёрдой коры она становится всё толще, поскольку посредством кондуктивной теплопроводности уменьшившийся поток тепла успевает отвестись через более толстый слой. Так что поверхность (точнее, слой), отделяющая твёрдую сравнительно холодную кору от горячей мантии, опускается всё ниже от верхней поверхности коры. То есть, кора становится всё толще. Причём, чем дальше от восходящей части потока, тем быстрее растёт толщина коры – туда мантийные потоки добираются после отдачи части тепла чуть более холодными. К тому же из-за роста вязкости потока (увеличивается глубина и давление на поверхности, где температура соответствует переходу пород от кристаллического состояния к аморфному) увеличивается разность высот приведённого уровня в окрестностях восхождения и нисхождения потока. Соответственно, увеличивается сила вязкого трения и напряжение сжатия коры, особенно в области нисхождения конвекционного потока. Начинается горообразование – сминание земной коры «в гармошку». Земная кора выдавливается вверх в виде горной цепи, приблизительно перпендикулярной направлению движения потока, или даже в виде нескольких почти параллельных горных хребтов до тех пор, пока литостатическое давление, создаваемое горным массивом, не уравновесит разность между напряжением одноосевого сжатия в плите и пределом прочности края плиты под растущим горным хребтом. Отметим, что край сжимаемой плиты, где из неё выдавливаются горы, не обязательно располагается точно над нисходящим мантийным конвекционным потоком. Из-за большей прочности плиты в этом месте разрушение плиты с выдавливанием гор может происходить за сотни и тысячи километров от нисходящего потока.

Влияет на ход тектонических явлений и перераспределение масс на земной поверхности вследствие денудационных процессов (разрушения тяжёлых горных хребтов). А теперь, с появлением у человека могучей техники, землетрясения происходят уже и вследствие человеческой деятельности (карьеры, крупные города, водохранилища).

Заключение

При существующей сегодня изрядной неопределённости в данных (как в непосредственно измеряемых величинах, так и в их интерпретации) пока невозможно произвести расчёт всех величин, необходимых для точного моделирования различных тектонических процессов, в том числе для вычисления прогноза землетрясений. Для этого нужно иметь полномасштабную сеть сбора информации, подобную сети метеостанций (возможно, совмещённую с ней). Но приведённое в [4], [5] и настоящей работе описание механизма возникновения тектонических сил и оценки действующих сил вполне достаточно для объяснения механизма движения литосферных плит, вулканических извержений, горообразования (выдавливания пород коры вверх при превышении предела прочности коры), для объяснения механизма возникновения более мелких деталей рельефа земной поверхности – холмов, расщелин, и т. д. А также для объяснения наблюдаемых в земной коре напряжений сжатия и растяжения с огромным преобладанием напряжения сжатия.

Источники.

1 Короновский Н.В. Напряжённое состояние земной коры. Соросовский образовательный журнал, №1, 1997, стр. 50

(через http://ocean.phys.msu.ru/courses/geo/addon/)

(http://ocean.phys.msu.ru/courses/geo/addon/1997%20%d0%9a%d0%be%d1%80%d0%be%d0%bd%d0%be%d0%b2%d1%81%d0%ba%d0%b8%d0%b9,%20%d0%9d%d0%b0%d0%bf%d1%80%d1%8f%d0%b6%d0%b5%d0%bd%d0%bd%d0%be%d0%b5%20%d1%81%d0%be%d1%81%d1%82%d0%be%d1%8f%d0%bd%d0%b8%d0%b5%20%d0%b7%d0%b5%d0%bc%d0%bd%d0%be%d0%b9%20%d0%ba%d0%be%d1%80%d1%8b.pdf)

2 Воробьёв В.А., Комар А.Г. Строительные материалы. «Стройиздат» 1971

http://bibliotekar.ru/spravochnik-32/8.htm

Прочность Диабаза (аналог габбро) до 4500 кГ/см2 =450 МПА.

3 Деформационные и прочностные свойства горных пород

http://poroda.puknu.ru/html/pattern%202.html

http://poroda.puknu.ru/html/T16.html, http://poroda.puknu.ru/html/T34.html

прочность различных пород доходит до 900 МПА

4 Шумилов В.Н. «Главные движущие силы землетрясений, дрейфа континентов и горообразования. Прогнозирование землетрясений и спусковые силы.» Матеріали VI Міжнародної науковой конференції «Моніторінг небезпечніх геологічних процесів та екологічного стану середовища» 6-8 жовтня Київ 2005.

http://geo.web.ru/db/msg.html?mid=1174973

5 Шумилов В.Н. Природа вулканических извержений. Доклад на конференции, «ГЕОФІЗИЧНІ ТЕХНОЛОГІЇ ПРОГНОЗУВАННЯ ТА МОНІТОРИНГУ ГЕОЛОГІЧНОГО СЕРЕДОВИЩА», 6-10 жовтня 2008 р., м. Львів

6 В.А. Рашидов, Э.Б. Невретдинов, О.Б. Селянгин, Эр.Б. Невретдинов. Геолого-геофизические исследования гайотов Магеллановых гор Тихого океана

http://www.kscnet.ru/kraesc/2003/2003_1/ann11_r.html

7 Шнобелевсая премия (за 2005 год)

http://www.yugzone.ru/articles/540

8 Варламов С.Д. Силы трения и их классификация.

http://question.nm.ru/friction.htm

Интересные статьи по теме :

  1. Главные движущие силы землетрясений, дрейфа континентов, горообразования. Прогнозирование землетрясений и спусковые силы
  2. Дрейф литосферных плит
  3. Моделирование тектонических сил (мантийного трения) и вулканических процессов

Если Вам понравилась статья, то Вы можете получать новые материалы shumilov.kiev.ua по RSS, присоединиться ко мне на твиттере, или можете просто получать обновления блога на e-mail: