Напряжения в литосфере. Разломы

Министерство образования  и науки РФ

Югорский государственный  университет

Институт природопользования

Кафедра геологии

 

 

 

Курсовая работа

по дисциплине: «Физика  Земли»

на тему:

«Напряжения в литосфере. Разломы»

 

 

 

Выполнил студент группы 2200 Булатов Т. Д.

Проверил преподаватель  Кузина М. Я.          

 

 

 

 

 

Ханты-Мансийск 

2011 г.

Содержание

 

Введение 3

Литосфера 5

Напряжения  в литосфере 11

Дивергентные  границы или границы раздвижения  плит 14

Океанические  рифты 14

Конвергентные границы 15

Активные  океанические окраины 16

Островные дуги 17

Коллизия  континентов 18

Трансформные границы 18

Сдвиги на континентах 19

Разлом 20

Индикация глубинных разломов 23

Заключение 24

Список  литературы 25

 

 

Введение

К числу нерешенных современных  проблем наук о Земле относится  прогноз землетрясений. Исследования в этой области ведутся издавна, опубликовано большое количество работ, проблемой занимаются выдающиеся ученые планеты. Однако до сих пор нет  сколько-нибудь надежных ее решений. Причина  заключается в том, что оценка сейсмического состояния глубинных  слоев Земли - одна из труднейших задач, с которыми когда-либо сталкивались исследователи, в ней воплощены  все известные проблемы математики, механики, физики, химии и экспериментальных  исследований.

Сложность проблемы в недоступности  глубинных слоев Земли для  получения надежных данных относительно параметров среды и протекающих  там процессов. Известны лишь сравнительно приближенные модели тектонического строения Земли. Велико разнообразие, как геометрических характеристик глубинных зон, так и физико-механических и химических процессов, протекающих в активных зонах, известных лишь приближенно, а зачастую принимаемых на основе гипотез. Добавим к этому отсутствие знаний или установившейся точки зрения относительно строения коры Земли - является она сплошной структурой или блочной.

В настоящее время накоплен значительный материал, относящийся  к оценке произошедших землетрясений  по оценкам магнитуды и балльности сейсмических событий, в местах традиционного проявления этого события, построены модели протекания процесса разрушения среды. Однако исследований по анализу нарастания сейсмической напряжённости с позиции механики разрушения литосферных плит выполнено очень немного. Известные в этой области работы связаны со значительной идеализацией литосферных плит - идеализацией неоднородностей, разломов, вызванных незнанием строения литосферных плит в заданном районе.

Именно сложность строения литосферных плит и многофакторность внешних воздействий на них явились  той причиной, что до сих пор  нет признанного и строго установленного фактора или факторов, наиболее ответственных  за нарастание сейсмической напряжённости  литосферных плит. Понятно лишь одно: землетрясение - это разрушение литосферной  плиты, происходящее с высвобождением упругой энергии, накопившейся в  литосферной плите за счёт внешних  воздействий. При любых подходах к решению проблемы прогноза мест подготовки землетрясений, вопрос исследования напряженно-деформированного состояния литосферой плиты как сложного деформируемого тела обязательно возникает, и нет никаких оснований уклониться от анализа этих вопросов, если мы хотим понять процесс ее разрушения.

Проблема оценки сейсмичности в теоретической части соприкасается практически со всеми разделами современной механики, прикладной математики, термодинамики, физики твердого тела, геофизики. Но для того чтобы они смогли быть успешно применены при оценке сейсмичности, многие методы нуждаются как в доработке, так и в приспособлении к проведению с их помощью многофакторного анализа. Таким образом, специфика проблемы состоит в том, что в описанных задачах сейсмичности воедино переплетаются такие факторы, влияющие на прочность и разрушение литосферных плит, как сложная геометрия тел с неоднородностями, в том числе разной размерности и гладкости, сложное физико-механическое строение тел, совместное влияние различных полей, воздействующих и на внутренние, и на внешние точки твердого тела.

Нужно добавить, что эта  задача ставится в условиях достаточно большой неопределенности. Если влияние  вращения Земли вокруг оси и гравитационное поле достаточно определенны, то факторы, связанные с малыми движениями плит, не говоря о воздействии на нижнее основание на границе Мохоровичича, оказываются неизвестными.[11]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литосфера

Литосфе́ра (от греч. λίθος — камень и σφαίρα — шар, сфера) — твёрдая оболочка Земли, состоящая из земной коры и верхней части мантии, до астеносферы, где скорости сейсмических волн понижаются, свидетельствуя об изменении пластичности пород (см. рис. 1). В строении литосферы выделяют подвижные области (складчатые пояса) и относительно стабильные платформы.[1,]

Рис. 1. Схема внутреннего строения Земли

 

В настоящее  время считается, что литосфера  представляет собой тонкую сферическую  оболочку, лежащую на астеносфере. Под  влиянием астеносферных течений возникают подвижки и взаимные перемещения литосферных плит (см. рис. 2). Причиной возникновения астеносферных течений считаются конвективные процессы, происходящие в нижней мантии. Над восходящими потоками вещества в нижней мантии образуются расходящиеся астеносферные течения, в зонах которых литосферные плиты будут расходиться в стороны и между ними будут возникать рифтовые зоны. А над нисходящими потоками вещества нижней мантии будут возникать сходящиеся астеносферные течения, что в свою очередь вызывает наползание одной литосферной плиты на другую и их деформацию.

Конвективные  течения в мантии (их расположение, величина и направление потоков) меняются во времени. При конвективном движении вещество мантии перемещается (происходит массообмен), за время жизни Земли могло пройти более 16 полных конвективных циклов – перемещение всей массы мантийного вещества.

 

Рис. 2. Схема происхождения вертикальных

и горизонтальных движений литосферы:

дифференциация на границе ядро-мантия →

поднятие лёгкого нагретого  материала в астеносферу →

вертикальные движения литосферы  →

горизонтальные движения литосферы

1 – внутреннее море; 2 - крупное  поднятие на континенте; 3 – срединно-океанический  хребет; 4 – глубоководный желоб; 5 – островная дуга;

6 – краевое море

Литосфера под океанами и  континентами значительно различается. Литосфера под континентами состоит  из осадочного, гранитного и базальтового слоев общей мощностью до 80 км. Литосфера под океанами претерпела множество этапов частичного плавления в результате образования океанической коры, она сильно обеднена легкоплавкими редкими элементами, в основном состоит из дунитов и гарцбургитов, её толща составляет 5—10 км, а гранитный слой полностью отсутствует.

Толщина океанической литосферы  определяется глубиной охлаждения и  кристаллизации пиролита и зависит от длительности нахождения вещества мантии на поверхности Земли. Мощность литосферы увеличивается по мере удаления от рифтовых зон (см. рис. 3), увеличивается плотность вещества (из-за процесса кристаллизации), а с увеличением мощности литосферы понижается уровень её поверхности.

Рис. 3. Рост мощности литосферной плиты

Ещё в 1855 г. было установлено (Эри и Пратт), что сила земного притяжения в горных районах, где сосредоточены громадные массы пород, практически не отличается от силы притяжения в равнинных районах. Объяснение просто: менее плотная литосфера плавает в более плотной, но пластичной мантии, как льдина плавает в более плотной воде. Среднее значение плотности литосферы - ρ₁=2800кг/м³, а плотности мантийного вещества ρ₂=3300 кг/м³.

На рис. 4 схематически изображена равнинная и горная литосфера, имеющая плотность ρ₁, и мантия с плотностью ρ₂. Толщина горной литосферы равна (h+H). Давление во всех точка плоскости, лежащих на определенной глубине (на глубине L), должно быть одинаковым (явление изостазии), иначе мантийное вещество должно было бы прийти в движение, которое выровняло бы давление.

 

 

 

Рис. 4. Схема, поясняющая изостазию – равенство в мантии давления под горной и под равнинной литосферой

 

Таким образом, экспериментально наблюдаемое  равенство сил гравитационного  притяжения в равнинных и в  горных районах объясняется пластичностью  мантийного вещества. Следствием этой гипотезы является существование “корней гор” – в горных районах должно быть значительное увеличение толщины литосферы, погруженной в мантию. Толщина этой части литосферы должна в 5-6 раз превышать высоту гор, т.е. она может достигать 40-50 км. Существование “корней гор” было подтверждено сейсмическими исследованиями, что является доказательством явления изостазии.

Другим доказательством существования  твердой литосферы, плавающей в  пластичной плотной мантии, является послеледниковое поднятие литосферных плит. Известно, что 20-40 тыс. лет тому назад в северном полушарии было на 7-15 градусов холоднее, чем в настоящее время. На Балтийском щите было материковое оледенение толщиной 1-3 км, и под действием веса материкового льда Балтийский щит погрузился в мантию. Приблизительно 11 тыс. лет тому назад произошло резкое потепление. В геологическом масштабе времени материковый лед растаял практически мгновенно и Балтийский шит начал постепенно “всплывать”. К настоящему времени центральная часть щита поднялась приблизительно на 100 м, а, например, Кольский полуостров – приблизительно на 40 м. Скорость послеледникового поднятия Балтийского щита может быть использована для оценки эффективной вязкости мантии, в которой “плавает” Балтийский щит (литосферная плита).

На рис. 5 схематически изображены три этапа:

I - положение  литосферной плиты диаметром  D перед оледенением;

II - плита погрузилась  в мантию на глубину h под действием льда, имеющего массу M и толщину

h_i (ρ_i⋅g⋅h_i = ρ⋅g⋅h).

III – лёд растаял и  на плиту действует выталкивающая  сила F, равная весу растаявшего льда. Под действием этой силы плита всплывает со скоростью V.

                                                 

                       D                      M                                

                                                            

                                                                                                                                                     

                                                                                                                                                        

                                                       

 

Рис. 5. Схема к расчёту вязкости мантии,

испытывающей опускание и поднятие под весом льда

 

 

Оттого, что литосферные плиты определённых размеров плавают в плотной и пластичной мантии, - появляются латеральные напряжения в плитах (см. рис. 6). Латеральные – боковые, практически горизонтальные напряжения.

 

 

Рис. 6. Схема к расчёту латеральных напряжений

в континентальной литосфере

 

Пусть плита, имеющая  плотность ρ₁ и толщину H+h (H – толщина той части плиты, которая находится ниже уровня поверхности мантии), плавает в мантии с плотностью ρ₂. Краевая часть литосферной плиты, испытывает выше некоторого уровня мантии растягивающее латеральное напряжение σ и только на глубине примерно в 9 км литостатическое напряжение возрастает настолько, что появляются силы сжатия.[2,8]

 

Блоки литосферы — литосферные плиты, двигающиеся по относительно пластичной астеносфере.

Литосферная плита — это крупный стабильный участок земной коры, часть литосферы. Согласно теории тектоники плит, литосферные плиты ограничены зонами сейсмической, вулканической и тектонической активности — границами плиты. Границы плит бывают трёх типов: дивергентные, конвергентные и трансформные.

Из геометрических соображений  понятно, что в одной точке  могут сходиться только три плиты. Конфигурация, в которой в одной  точке сходятся четыре или более  плит, неустойчива, и быстро разрушается  со временем.

Существует два принципиально  разных вида земной коры — кора континентальная  и кора океаническая. Некоторые литосферные плиты сложены исключительно океанической корой (пример — крупнейшая тихоокеанская плита), другие состоят из блока континентальной коры, впаянного в кору океаническую.

Литосферные плиты постоянно меняют свои очертания, они могут раскалываться в результате рифтинга и спаиваться, образуя единую плиту в результате коллизии. Литосферные плиты также могут тонуть в мантии планеты, достигая глубины ядра. С другой стороны, разделение земной коры на плиты не однозначно, и по мере накопления геологических знаний выделяются новые плиты, а некоторые границы плит признаются несуществующими. Поэтому очертания плит меняются со временем и в этом смысле. Особенно это касается малых плит, в отношении которых геологами предложено множество кинематических реконструкций, зачастую взаимно исключающих друг друга.