Окружающая природная среда

Геодинамическая нестабильность земной коры

Для нефтедобывающих компаний является крайне актуальным решение проблемы аварийности и снижения эколого-экономических рисков. Неожиданное возникновение аварийных ситуаций на промыслах зачастую связано с недооценкой пространственно-временных изменений состояния земных недр. Серьезные компании не хотят ставить на карту собственный престиж, поэтому начинают обращать внимание на геодинамические процессы.

Согласно теории дрейфа континентов или теории тектоники литосферных плит на планете существовал единый суперконтинент, который примерно 150—180 млн лет назад раскололся на части, и эти части-материки начали дрейфовать по поверхности Земли. Одной из причин дрейфа континентов мог стать, например, рост размеров Земли.

В середине XX в. появилась концепция спрединга океанического дна. Океанологи обнаружили, что на данном историческом этапе дно океанов расходится в разные стороны. При этом в одних местах (рифтовые зоны) участки земной коры (плиты) раздвигаются, а в других местах - сжимаются. Причиной происходящего являются мощные конвекционные потоки горячей магмы. Горячая магма в своем непрерывном движении увлекает за собой огромные участки земной коры вместе с континентами.

Движущаяся вдоль подошвы плит расплавленная магма за счет вязкостных эффектов оказывает на них сдвигающее усилие. Температура магмы падает, а вязкость возрастает по мере приближения к подошве плиты. О вязкости горячей магмы можно судить по вязкости изливающейся лавы. Жидкие базальтовые лавы имеют температуру и плотность до . Высоковязкие лавы имеют температуру и плотность . Коэффициент вязкости расплавленной магмы примерно равен . что в миллион раз больше вязкости воды.

Насыщенный газами слой подвижной мантии поднимается от ядра до земной коры. По мере подъема магмы давление в ее объеме уменьшается, и расплав вспенивается за счет выделения пузырьков растворенных газов. Далее расплавленное вещество мантии разделяется на два расходящихся потока, которые создают в земной коре растягивающие напряжения и разрывают земную кору. В таком случае говорят, что океаническое дно подвергается спредингу ( рис. 1.6).

Рис. 1.6. Типы границ литосферных плит

Поднимающийся из глубин горячий поток магмы, раздвигая земную кору, образует срединно-океанический хребет - гигантское горное сооружение. Срединно-океанические хребты (рифтовые зоны) обнаружены посередине Атлантического, Тихого и Индийского океанов. Из рифтовой зоны за счет спрединга поступают все новые и новые порции мантийного вещества, которые по обе стороны хребта формируют молодую океаническую кору. Общая протяженность рифтовых зон в океанах достигает 80 тыс. км.

Рифтовые зоны являются трещинами в земной коре и постоянно заполняются поступающей снизу горячей магмой, образующей базальтовый слой океанической коры. В результате этого процесса образуется новая земная кора. Скорость спрединга зависит от местоположения рифтовой зоны и варьирует от 1 до 17 см/год. Атлантический океан ежегодно становится шире примерно на 5 см. Тихий океан - на 12 см. Таким образом, площадь новой земной коры ежегодно увеличивается на 3,0 км. Самые древние осадочные породы, сохранившиеся в океанических прогибах, имеют юрский возраст (около 150 млн лет), что значительно меньше возраста многих пород, залегающих на суше.

Вдоль осевой части хребтов проходит глубокая впадина - рифт. Впадина-рифт делит хребет на два гребня. Глубина рифта до 2 км. ширина - до 30 км. На дне рифта наблюдаются открытые молодые трещины. Во впадине-рифте океанских хребтов отмечается повышенный тепловой поток, достигаю-щий "ураганных" значений - . Среднепланетарное значение теплового потока, поступающего из недр, равно . Мощность выноса глубинного тепла по всей поверхности Земного шара составляет . Ткким образом. Землю можно рассматривать как огромную тепловую машину.

Территории, где сталкиваются расходящиеся от рифтовых зон плиты земной коры ( рис. 1.6, б), называются зонами субдукции (или надвига). Плотность океанической литосферы больше, чем плотность континентальной. При столкновении двух плит одна из них - более тяжелая, уходит под другую, в результате возникают понижения - океанические желоба.

Здесь потоки магмы начинают свое погружение и затягивают вглубь Земли океанические плиты. Желоба находятся не в середине океана, а вблизи суши. Вдоль материковой стороны океанических желобов располагаются островные и континентальные дуги, где происходят сильные землетрясения и вулканические извержения. Чем глубже одна плита подныривает под другую, тем она более разогревается. Глубина погружения плит в мантию может достигать 500 км и более. На глубине более 100 км горные породы начинают плавиться, что приводит к образованию вулканических комплексов.

Существует еще один тип границ литосферных плит, где они смещаются горизонтально друг относительно друга ( рис. 1.6, в). Они получили названия трансформных разломов, так как передают движение от одной зоны к другой.

Когда сталкиваются континентальные плиты ( рис. 1.6, г), происходит их коллизия, они сжимаются и образуют складки и горные системы вроде Кавказа и Гималаев. В местах земной коры, где поля сжимающих напряжений превышают крити-ческие значения, происходят землетрясения.

Тектоника литосферных плит имеет глобальный характер. Вся литосфера разделена на семь крупных и несколько малых тектонически обособленных плит. Основанием для их выделения и проведения границ между ними послужило размещение очагов землетрясений. Основное выделение сейсмической энергии происходит на границах между плитами.

Почти все землетрясения происходят в пределах Тихоокеанского (75%) и Альпийского (23%) поясов. Тихоокеанский пояс проходит по границе океан - суша. Его сейсмическая энергия приурочена к эпицентрам, идущим по контуру Тихого океана. Альпийский пояс проходит по Средиземноморью и далее по горным сооружениям Италии. Турции, Средней Азии, Памира, Западного Китая. Наиболее активны кора и верхняя мантия до глубин 100 км. Высокие широты северного и южного полушарий Земли малосейсмичны.

Подвижность магмы является основной причиной возникновения спрединга, субдукции и, в конечном счете, причиной возникновения больших горизонтальных напряжений и тектонических движений в земной коре. Литосферные плиты движутся от осей спрединга к зонам субдукции. Извержения вулканов, землетрясения, образование разрывов и складок - это проявления внутренней активности Земли. Часто эти явления становятся причиной аварий при бурении и эксплуатации нефтяных и газовых скважин.

Существует гипотеза, что Земля на протяжении своей истории наращивает свою массу за счет поступающих из космического пространства материальных частиц и энергии. Падающие на Землю первичные космические лучи состоят главным образом из 92% протонов (ядер водорода), 6,6% альфа-частиц (ядер гелия). 0,8% ядер углерода, азота, кислорода. Земля получает из космического пространства материи больше, чем теряет, поэтому ее масса и размеры постоянно увеличиваются. По расчетам рост радиуса Земли происходит со скоростью 2 см/год.

О внутреннем строении Земли мы знаем меньше, чем о внутреннем строении звезд. На основании анализа распространения в Земле упругих волн сделаны следующие заключения. Земная кора, находящаяся в кристаллическом состоянии, имеет мощность до 60 км на континентах и до 15 км в океанах.

Серьезным возмущающим фактором является притяжение Луны и Солнца. Расстояние между Землей и Луной изменяется от 360 тыс. км (перигей) до 406 тыс. км (апогей). Сила тяготения воздействует на океаны и на сушу, но горные породы более вязкие, поэтому эффект прилива в породах менее значительный.

Приливы вращаются вместе с Землей и не сохраняют свое положение "под Луной". Приливы медленно смещаются по поверхности Земли, следуя за Луной. В целом на каждый участок земной поверхности приходится по два прилива и два отлива в течение суток.

Солнце тоже создает приливы, но они гораздо слабее лунных приливов, потому что оно в 400 раз дальше от Земли. Когда Солнце, Земля и Луна находятся на одной прямой и "тянут" в одном направлении (во время новолуния и полнолуния), приливы достигают наивысшей силы. Это так называемые сизигийные приливы.

При вращении Земли более быстром, чем обращение Луны, угловое перемещение приливной деформации опережает угловое перемещение Луны по орбите. Вращение Земли смещает выпуклость прилива вперед, ускоряя орбитальное движение Луны. Поэтому гравитационное взаимодействие между Луной и приливной деформацией гидросферы и литосферы ускоряет орбитальное движение Луны и тормозит вращение Земли. Земля 2 млрд лет назад вращалась в два раза быстрее, а 500 млн лет назад продолжительность земных суток составляла 20 часов.

Когда светило окажется с противоположной стороны Земли относительно первоначальной точки, в ней снова начинается прилив. Такое явление обусловлено тем, что при движении по орбите Луна вызывает смещение центра масс системы Луна-Земля. Больше всего сместятся массы, для которых Луна в зените Z, меньше - центральные массы, и еще меньше - массы, для которых Луна в надире N ( рис. 1.7).

Рис. 1.7.

Наибольший подъем земной поверхности под возмущающим действием Луны достигает 36,6 см, наибольшее опускание - 17,8 см. Максимальная амплитуда вызванных Луной колебаний земной поверхности составляет 53,4 см. Реальная деформация Земли приливной волной в области экватора имеет максимальную амплитуду 52 см, а на широте - 40 см. Таким образом. Земля непрерывно пульсирует. Эти перемещения очень медленные: 4 см/ч. Океанические приливы в некоторых областях Земли достигают нескольких метров.

Из-за эллиптической формы лунной орбиты приливообразующая сила Луны в перигее на 40% выше, чем в апогее. В начале января Земля достигает точки наибольшего приближения к Солнцу (перигелий). В периоды совпадения этих двух событий суммарная приливообразующая сила Солнца и Луны достигает максимума. Видимо, не случайно максимальная сейсмичность приходится на зимний период. Например, с 1946 по 1963 гг. на Кавказе произошло 867 землетрясений, из которых на весну пришлось 185, на лето 172, на осень 147, а на зиму 363 землетрясения.

Приливы непрерывно подкачивают упругую энергию в систему блоков, слагающих земную кору. Приливная энергия накапливается в земной коре в виде напряжений изгиба, кручения, сдвига и сжатия. Постепенно равновесие в ансамбле блоков становится неустойчивым. В какой-то момент происходит сейсмический срыв и переупаковка блоков - их переход в новое равновесное состояние. Солнечные и лунные приливы постоянно "массируют" земную кору и содержащиеся в недрах флюиды. Приливы "тренируют" нефть, не дают ей застаиваться, разрушают ее коагуляционную структуру слабыми импульсами.