Тяпкін К.Ф. Фізика Землі

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 59. До визначення геоізостазії:

—

геоїд; 2

—

сфероїд

Практично, виходячи з уявлення про квазірідке зовнішнє яд-

ро (див. рис. 59, а), величину /, можна вважати сталою. Справед-

ливість цього твердження безпосередньо випливає з відомої тео-

реми: в разі рівноваги рідини рівневі поверхні є водночас і повер-

хнями однакового тиску [124]. Під час розв'язування питання про

рівноважний стан мантії Землі значеннями інтеграла /

, що харак-

теризує атмосферний тиск на земній поверхні, у зв'язку з їхньою

малою величиною, порівняно з /

, можна знехтувати. З урахуван-

ням наведених зауважень вираз (22) набуває вигляду

За другу умову досягнення геоізостазії приймемо рівність по-

тенціалу в кожній точці Землі його теоретичному значенню, що

відповідає введеному поняттю геоізостазії. Практично дотриман-

ня цієї умови зручніше перевіряти на поверхні Землі, а замість

значень потенціалу скористатися позначками геоїда Я

і сфероїда

Д.. Різницю цих позначок £ можна прийняти за критерій зрівно-

важеності Землі (див. рис. 59, б). Зокрема, згідно з введеним ви-

значенням геоізостазії геоїд можна визнати таким, що перебуває

в стані рівноваги за умови дотримання рівняння

ДП_[а(г)£(г)г

Лг = сопзі.

«і

(24)

(25)

169

Насправді, якби геоїд став рідким, тобто послабився б взає-

мозв'язок між твердими часточками, що його складають, то

він став би фігурою рівноваги — сфероїдом. Проте, оскільки

існують відхилення геоїда від сфероїда, зумовлені неоднорід-

ностями будови Землі, то повинні існувати і напруги, які на-

магаються вирівняти ці неоднорідності, привести їх у відпові-

дність з фігурою її рівноваги. У цьому разі, природно, закон

розподілу напруг визначатиметься функцією відхилення геоїда

від сфероїда, що відповідає йому.

Щоб оцінити сучасний стан зрівноваженості Землі, зверне-

мось до карти висот геоїда (див. рис. 3). Виходячи з відносно не-

великих відхилень геоїда від відповідного йому сфероїда (—110

+ 78 м), можна підтвердити висновок про те, що Земля в основ-

ному зрівноважена.

Простежується повна відсутність кореляції висот геоїда з роз-

міщенням материків і океанів. Із цього досить цікавого факту

можна зробити, принаймні, два висновки.

1. Топографічні маси, яким у класичній концепції ізостазії

відводиться істотна роль, не можуть прийматися як такі, що ви-

значають ізостатичний стан Землі.

2. Виходячи з поведінки висот геоїда на материках і в океа-

нах, не можна виправдати уявлення деяких дослідників про різку

відмінність будови континентальної й океанічної земної кори.

Прийнявши за критерій зрівноваженості Землі величину від-

хилення геоїда від сфероїда можна визначити спрямова-

ність геологічного розвитку тектоносфери. Вона повинна бути

такою, щоб «обважнювати» зони з негативними значеннями £ і

«полегшувати» зони з позитивними значеннями С. Перелічимо

можливі фізико-геологічні процеси, участь яких у досягненні

геоізостазії найвірогідніша.

Обважнювання окремих ділянок Землі може відбуватися вна-

слідок перебігу таких фізико-геологічних процесів: підіймання

блоків тектоносфери, що призводить до збільшення позначок

геоїда; заповнення опущених ділянок геоїда водою; обледеніння

ділянок земної поверхні; «просочування» гранітної оболонки важ-

чими базальтоїдами і гіпербазитами (дайкоутворення); утворен-

ня трапів (платобазальтів); можливого переміщення глибинних

меж вгору внаслідок фазових переходів речовини в мантії типу

базальт ^ еклогіт.

Розвантаження окремих ділянок Землі може відбуватися вна-

слідок перебігу таких процесів: опускання блоків тектоносфери,

що призводить до зменшення позначок геоїда; денудації виступ-

170

них блоків тектоносфери або танення на них льоду, що виник у по-

передню епоху зледеніння; заповнення верхніх частин блоків текто-

носфери легкими магматичними утвореннями кислого складу

(гранітизація); можливого переміщення глибинних меж вниз внаслі-

док фазових переходів речовини в мантії типу базальт ^ еклогіт.

Перелічені вище процеси реалізуються в межах законів,

установлених І.Г. Клушиним на основі принципу найменшої

дії [83]. Зокрема, він довів, що в межах достатньо великих сек-

торів Землі місцеві зміни їхніх радіусів повинні обов'язково

супроводжуватись вертикальним перерозподілом щільності.

Фізичним законом, що регулює перерозподіл щільності в ме-

жах секторів Землі, вирізаних тілесними кутами А£1, є закон

збереження моменту кількості руху. В його інтегральний вираз

входить відстань задіяних мас від центра планети г у четвертій

степені. Отже, найістотніше значення моменту кількості руху

мають маси геосфер, віддалених від центра більш ніж на 0,8

радіуса Землі. Зокрема, момент кількості руху Землі майже на-

половину визначається масами, зосередженими в інтервалі

глибин від 0 до 800 км, що відповідає тектоносфері.

4.5. Відомі тектонічні гіпотези,

що грунтуються на ротаційному режимі Землі

Перші пропозиції щодо використання відомого в астрономії

вікового сповільнення обертання Землі для пояснення її дефор-

мацій були висловлені ще наприкінці минулого — на початку

нашого століття і пов'язані вони з іменами Дж. Дарвіна,

Л.С. Лейбензона та ін. Детальний опис цих пропозицій можна

знайти в монографії Б.Л. Личкова [103]. Використання даних про

переміщення осі обертання (полюсів) відносно поверхні Землі

для пояснення деформацій тектоносфери належить до пізнішого

часу. Важливі праці у цій галузі належать перу Ф.А. Венінг-Май-

неца [282] та О. Шайдеггера [273].

Нині найбільше поширення має ротаційна гіпотеза структуро-

утворення, в основі якої лежить зміна кутової швидкості обер-

тання Землі. Певний внесок у її розвиток зробили Л.С. Лей-

бензон [101], В.О. Цареградський [224], Г.М. Каттерфельд [80] й

особливо М.В. Стовас [183]. Зміст запропонованої ними ротацій-

ної гіпотези полягає в такому. Зміна кутової швидкості обертання

Землі повинна призводити до зміни її фігури рівноваги

(геоізостазії). Зокрема, внаслідок вікового сповільнення обертан-

171

ня зменшується стиснення Землі, внаслідок чого полярні ділянки

Землі підіймаються, а екваторіальні — спряжено опускаються.

Межами цих ділянок є паралелі ~35 ° (критичні). Схему розподілу

напруг, що виникають у цьому разі, наведено на рис. 60, а.

Розряджання зазначених напруг, за твердженням Л.С. Лей-

бензона [101], повинно відбуватися «етапами, переривчасто».

Він обчислив величину збільшення тривалості доби, що

дорівнює 11 хв, необхідну для досягнення напруг у тек-

тоносфері, які відповідали б межі пружності. Варто зазначити,

що таке збільшення тривалості доби відповідає інтервалу часу

порядку 35—40 млн років, тобто відомому тектонічному циклу

другого порядку. Внаслідок розряджання напруг виникають

лінійні тектонічні структури, зокрема розломи тектоносфери

переважно широтно-меридіонального напрямку. Це підтверд-

жують відомі фактичні геологічні дані, що свідчить про

реальність виникнення такого роду напруг.

Чи можна вважати ці напруги єдиним або головним джерелом

сил, необхідних для формування структур у тектоносфері? Мабуть

ні, оскільки розряджання подібних напруг не може пояснити ви-

никнення багатьох досить добре вивчених структур різних діаго-

нальних напрямків. Для пояснення виникнення такого роду

структур можна спробувати сумістити описаний вище ефект із

переміщенням осі (полюсів) обертання Землі відносно її поверхні

[208, 225 та ін.]. У разі одночасної зміни параметрів ротаційного

режиму Землі (кутової швидкості і положення осі обертання) пе-

редбачається, що сповільнення обертання Землі призводить до

виникнення напруг у тектоносфері, розподіл яких схематично

зображено на рис. 60, а, а зміна положення осі обертання — ли-

ше до їх переорієнтування.

У процесі безперервної зміни обох параметрів напруги у тек-

тоносфері досягають межі пружності, внаслідок чого відбувається

їхнє розряджання, що виражається в утворенні розломів тектоно-

сфери та супутніх геологічних явищ. Така модель тектонічного

процесу повинна призводити до виникнення лінійних структур,

що розміщуються вздовж критичних палеоширот і палеомеридіа-

нів, які відповідають епосі розряджання напруг. Відносно сучас-

ної географічної системи ці структури повинні бути орієнтовани-

ми під певними кутами. Наступні дослідження привели автора до

висновку, що така модель тектонічного процесу є занадто спро-

щеною.

Г.Д. Хізаношвілі [220], О.В. Сонцев [181] та ін. запропонували

використати для пояснення геологічних явищ розряджання напруг,

172

що виникають внас-

лідок переміщення

осі (полюсів) обер-

тання Землі (див. рис.

60, б). Нижче буде

показано, що ці на-

пруги так само, як і

напруги, зумовлені

зміною кутової швид-

кості обертання Зем-

лі, безсумнівно існу-

ють. Питання про

співвідношення внес-

ків цих напруг у

формування структур

тектоносфери досі ще

залишається не вирі-

шеним. Його можна

вирішити лише аналі-

тично для відповідних

спрощених моделей

Землі. Фактичні гео-

логічні дані свідчать

про те, що значну

роль у цьому відіграє

тектонічний фактор,

зумовлений перемі-

щенням полюсів Зем-

лі. Ця обставина ста-"

ла однією з переду-

мов розвитку Нової

ротаційної гіпотези

структуроутворення, в

'35

(0,

^хХЛІ.

на

>ЗТЯГу

Рис. 60. Схеми розподілу напруг у тектоносфері в

разі зміни швидкості обертання Землі (о) і в разі

зміни положення осі її обертання (6)

основу якої покладено уявлення про виникнення напруг за раху-

нок зміни положення осі обертання Землі відносно її тіла (див.

рис. 60, б).

Розділ 5

ЗМІСТ НОВОЇ РОТАЦІЙНОЇ ГІПОТЕЗИ

СТРУКТУРОУТВОРЕННЯ

ТА її ОБГРУНТУВАННЯ

5.1. Фізичний зміст Нової ротаційної гіпотези

структуроутворення

У разі зміни положення осі обертання Землі її фігура повинна

змінюватись, пристосовуючись до нових умов ротаційного режи-

му. Слід вважати, що насправді все відбувається навпаки — змі-

нює своє положення Земля відносно практично нерухомої в про-

сторі осі обертання. Однак для зручності викладу користуватиме-

мось першим уявленням. Фізичний зміст явища від цього не змі-

нюється.

Насамперед розглянемо механічний бік впливу зміни поло-

ження осі обертання Землі на деформування тектоносфери. На

рис. 61, а схематично зображено два контури земної поверхні у

площині переміщення осі обертання, що відповідають однаковій

кутовій швидкості обертання Землі, але різному положенню осі її

обертання, що відрізняється на деякий малий кут а. Штриховою

лінією зображено початкове положення Землі, а суцільною — но-

ва фігура Землі, пристосована до нового положення осі обертан-

ня в пізніший час.

З аналізу астрономічних і палеомагнітних даних про перемі-

щення осі (полюсів) обертання випливає, що траєкторія руху по-

люса є складною кривою, яка характеризується поступальним ру-

хом по поверхні Землі з накладеними на нього близькими до ко-

лових рухами з періодами різних порядків. Циклічні складові

найвищого порядку мають середній радіус близько 0",1, а період —

1 рік. Циклічні складові першого порядку для фанерозою мають

середній радіус близько 15°, а період — галактичний рік (еру). За

зовнішнім виглядом траєкторія руху полюса повинна нагадувати

систему видовжених циклоїд, подібну до зображеної на рис. 20, в,

ускладнену петлями вищих порядків.

Напруги, що виникають у тектоносфері внаслідок зміни по-

ложення осі обертання Землі, можна визначити розв'язуванням

задачі механіки про перетворення одного рівноважного еліпсоїда,

зображеного на рис. 61, а штриховою лінією, на інший, зображе-

ний на цьому самому рисунку суцільною лінією при заданому ку-

174

Рис. 61. Схема виникнення і розряджання напруг у тектоносфері за рахунок зміни

положення осі обертання Землі відносно її поверхні

ті а. Це досить складна, але цілком розв'язувана задача. На жаль

її розв'язку ми поки що не маємо.

Досить сувору якісну картину розподілу напруг у тектоносфе-

рі, зумовлених поступальним переміщенням осі (полюсів) обер-

тання, можна отримати для диференціально малих значень кута

а. У цьому разі, відповідно до закону Гука, напруги ц, що вини-

кають, можна прийняти пропорційними деформаціям сі. На рис.

61, а показано розподіл цих напруг вздовж головного перерізу

земного еліпсоїда. У двох протилежних квадрантах, у напрямку

яких переміщуються полюси, утворюються зони стиснення, а в

двох інших — зони розтягу. На рис. 62, а, б наведено графіки

зміни деформацій і відповідні їм епюри напруг у зоні розтягу

вздовж ліній ОРМ і 0\Р0

, а на рис. 62, в — положення цих ліній

на земному еліпсоїді.

175

З рис. 62, а

випливає, що за

заданих кутів а

напруги вздовж

меридіана збіль-

шуються в міру

віддалення від

осі обертання

(точка О) та від

екватора (точка

М). У разі збіль-

шення кута а

повинні зроста-

ти всі ординати

кривої ц. Логіч-

но припустити,

що досягнення

ними значення

межі пружності

у верхній части-

ні тектоносфери

повинне призве-

сти до розри-

вання суцільно-

сті порід, з яких

вони складають-

ся (розломоутво-

рення). Для ви-

значення почат-

кових і наступ-

них точок роз-

ломоутворення,

мабуть, недо-

статньо знати закони розподілу напруг у тектоносфері. Необхідні

уявлення про закони розряджання цих напруг. Все це повинно

входити в задачу механіки деформації пружно-в'язкого рівноваж-

ного еліпсоїда. Однак, як уже зазначалось, доки суворого

розв'язку такої задачі немає, доведеться обходитись якісними

міркуваннями. Розряджання напруг визначатиметься не стільки їх

величиною у верхній частині тектоносфери, скільки різницею ве-

личин у сусідніх точках по латералі. Найвірогідніше початкові

розломи тектоносфери відбудуться не в точках з максимальною

176

Рис. 62. Епюри напруг на поверхні Землі вздовж ліній ОРМ

(а), О

РОі (б) і положення них ліній на земному еліпсоїді (в)

величиною щ а в точках з екстремальними значеннями Дц/Зх за

певного критичного кута о^, коли різниця величин (і на деякому

інтервалі в районі цих точок досягне межі пружності (на рис.

62, а — точки К і К').

Утворення розлому супроводжується таким переміщенням по

ньому блоків тектоносфери, за якого знову досягається грубий

ізостатичний стан Землі. У цьому разі зовнішні контури окремих

блоків розміщуватимуться поблизу поверхні рівноваги (на рис.

61, а — суцільна тонка лінія). Іншими словами, виникає ситуація,

що відповідає описаній вище схемі формування структур типу

геосинкліналей на жорсткій основі, запропонованій раніше

Дж. Муді та М. Хіллом [270] з дещо інших позицій. Вона зобра-

жена на винесеному перерізі на рис. 61, б.

У процесі розряджання довкола точок К і К' напруги, при-

родно, знімаються, а в решті частин тектоносфери квадранта,

що розглядається, — частково зберігаються. Схематично це

показано у вигляді епюри напруг на рис. 62, а. Наступне

збільшення кута ос призводить до: а) збільшення амплітуд пе-

реміщень блоків тектоносфери в точках Кї К'\ б) нарощуван-

ня напруг у непорушених частинах тектоносфери

(

ОК, КК

К'М) і врешті-решт до нового їхнього розряджання за описа-

ною вище схемою. Так утворюється серія розломів тектоно-

сфери, орієнтованих у напрямку, перпендикулярному до на-

прямку поступального переміщення полюсів по поверхні Землі

(серія широтних розломів). Ділянка виникнення цієї серії роз-

ломів — центральна частина дуги квадранта, що розглядається.

Варто зазначити, що в нижній половині дуги напрямок віднос-

них вертикальних переміщень блоків тектоносфери протилеж-

ний до їхнього напрямку у верхній половині.

Розподіл напруг у горизонтальному перерізі земного еліп-

соїда на деякій висоті від центра по лінії 0

Р0

за малих кутів а

показано на рис. 62, б. Розглядаючи епюру напруг на цьому

рисунку, бачимо, що вона аналогічна епюрі напруг, які вини-

кають у вертикальному перерізі (див. рис. 62, а). Не повторю-

ючи наведених вище роздумів, можна зробити висновок: внас-

лідок розряджання цих напруг виникає серія розломів мериді-

ального напрямку.

Отже, результатом розряджання напруг, зумовлених пере-

міщенням осі обертання Землі відносно й поверхні, є система

блоків тектоносфери, утворених розломами двох взаємно перпен-

дикулярних напрямків, які віддалені один від одного на певну

відстань. На рис. 63, а наведено теоретичну модель блокування

12 9-38

177

і*

з?

-И

. 1 _ ГІ

рч

-»

-З

сі:

-І*

, .Зона розтягу_

мм/рік

3.®

5 с

о.

І-

/ч.

о 52

•ї °

О. О

0) о.

Ш с

.V:

•л

••V

1000.

км

Рис. 63. Схема блокування тектоносфери за рахунок посту-

пальною переміщення полюсів (о) та усереднений поздовжній

профіль вертикальних рухів узбережжя полярних морів за

О.О.Никоновим, 1976 р. (б):

—

відповідно швидкість і осереднена крива швидкості сучасних вер-

тикальних рухів

одного з квад-

рантів гемоген-

ної тектоносфе-

ри, що перебуває

в режимі розтягу.

Знаками «плюс»

і «мінус» пока-

зано напрямок

відносно верти-

кального пере-

міщення блоків

по розломах

(плюс — віднос-

но підійнятий

край блока, мі-

нус — опуще-

ний), а стрілка-

ми — напрямок

перекошування

блоків відносно

рівневої поверх-

ні Землі. Ма-

буть, достатньо

яскравим ілюст-

руванням розг-

лянутої вище за-

кономірності від-

носних перемі-

щень блоків тек-

тоносфери мо-

жуть бути ре-

зультати рівне-

мірних спостере-

жень на узбе-

режжі полярних

морів (див. рис.

63, б). Привер-

тає увагу чітко

виражена дис-

кретність коли-

вань і періоди-

178