Что изучает тектонофизика

В последние годы на стыке тектоники, физики, химии, сопромата родилась еще одна наука. Ее имя — тектонофизика. Задача, которую она перед собой ставит, — моделирование геологических процессов.

Великолепным достижением тектонофизики можно считать прогноз новых рудных месторождений в хребте Кара-Тау (Тянь-Шань) Этот горный район известен каждому школьнику. «Кара-Тау? А, это где свинец и цинк!» Многие десятилетия руду здесь находили прямо на поверхности. Но в последнее время о находках стали сообщать все реже и реже. Руководители металлургии встревожились и обратились за помощью к геологам. Геологи не разделяли беспокойства. «Недра Кара-Тау, — заявили они, — богаты слепыми рудными телами — залежами, не имеющими выхода на поверхность». Металлурги принялись бурить новые скважины. Однако на «подозрительных» участках руды не оказалось. Пришлось геологам, в свою очередь, отправиться на поклон к тектонофизикам.

В Кара-Тау прибыла экспедиция Института физики Земли во главе с М. В. Гзовским. Чтобы разобраться в физических процессах, сопутствовавших в далеком прошлом возникновению и развитию горной страны Кара-Тау, они долго изучали особенности местных складок земной коры, системы трещин, их направление и величину. Закончив полевые исследования, тектонофизики уехали домой: продолжать исследования на моделях. Через некоторое время в Среднюю Азию был направлен прогноз, который подтвердился: разведочные скважины, пробуренные по рекомендациям тектонофизиков, обнаружили на глубине богатые залежи свинцово-цинковых руд.

«Инцидент в Кара-Тау» заставил геологов-практиков, настроенных до этого весьма и весьма скептически по отношению к «игрушечной тектонике», относиться к ней с должным уважением

Игрушечные горы – это не игрушка

Эксперименты с моделями гор делались еще в конце позапрошлого века — в связи с изучением складчатости во Франции и США. Образование складок воспроизводилось просто: сжимали пластины листового железа, цинка, свинца, пачки бумаги, смесь гипса с воском, смолой, скипидаром. Французский ученый А. Добрэ скручивал пластины из гипса или стекла, сжимал призмы кубиков из мыла, гипса со смолой — и воспроизводил различные системы трещин, зеркала скольжения пластов. Американец Б. Виллис моделировал складчатость Аппалачских гор, применяя слоистые образцы из воска, гипса, скипидара.

Много экспериментировал с моделями магматических явлений немец Э. Рейер. Он впервые поставил вопрос об условиях подобия при геологическом моделировании. В противоположность общепринятому тогда мнению, Рейер считал, и совершенно правильно, что модели земной коры должны по своим механическим свойствам не приближаться к свойствам горных пород, а наоборот — отличаться от них. Чем меньше, допустим, модель Карпатских гор по сравнению с оригиналом, тем мягче должен быть материал, слабее сцепление между частицами модели. Рейер делал свои «горы» из влажной глины, из глины с сахаром и гипсом, смеси клея, воды, гипса. Либо из глины с прослойками желатинового студня.

А современные успехи тектонофизики в значительной части обязаны подробной теории подобия. В наши дни строят модели в миллионы раз меньше натуры, силы, прилагаемые к их частям, неизмеримо малы, но степень деформации получается такая же, как и в природных объектах. Поскольку жизнь наша коротка, и мы не в состоянии проследить реальный тектонический процесс от начала до конца, приходится ускорять его в триллионы раз. Минутная длительность эксперимента соответствует примерно миллиону лет природного процесса.

Теория подобия позволяет оценить, какова должна быть скорость деформации модели, размеры и физические свойства материалов, из которых она сделана. Надо только обеспечить подобие свойств материала модели и свойств горной породы, а также подобие сил, действующих на модель и горные пласты. Если при этом результат эксперимента оказывается геометрически подобным природной деформации, значит, опыт проведен правильно. Тогда закономерности модельного процесса можно распространить на естественные тектонические явления.

Камни молчат (и каждый по разному)

Основная трудность при моделировании — знать физические свойства горных пород. Характеристики пород — так называемые модули (множители подобия) — входят в уравнения «геологического сопромата». Определить численные значения модулей нелегко, у разных исследователей получаются цифры, в десять-сто раз отличающиеся друг от друга. Причин тому много. В разных частях Земли одни и те же породы имеют неодинаковые свойства.

Но это не все. В лаборатории мы определяем физико-механические свойства какого-то образца горной породы. Большие массы тех же пород в природе насыщены водой, растворами химических элементов, длительно время находятся в условиях напряженного состояния. А потому сильно отличаются от лабораторных образцов. К тому же горные породы неоднородны: в массиве, скажем, известняка попадается и глина, и песчаник. Оценить механические свойства подобной смеси трудно, это можно сделать лишь приближенно.

В общем-то физические свойства горных пород — и прочность, и упругость — изучаются давно. Но успехов не так уж много. Пока геофизики ручаются лишь за модуль упругости — этот показатель определяют по плотности породы и скорости распространения в ней сейсмических волн. Другой важный параметр — модуль вязкости, своеобразный «показатель» пластической деформации, — изучен еще очень слабо. Обычно его оценивают в 1017—1023 пуаз, это значит, что вязкость пород горных в миллиарды миллиардов раз больше, чем у воды.

Горы из вазелина и машинной смазки

Интересно побывать в лаборатории, где работают тектонофизики. На столе, подчиняясь рукам экспериментатора, возникают горы из вазелина, машинной смазки, глины, органической смолы.

Очень удобны для наблюдений фотопластичные вещества. При сжатии они изменяют свой цвет — в зависимости от величины и направления приложенных сил. Эту окраску можно видеть на экранах специального прибора. Цветные ореолы, возникающие в моделях, отмечают места разломов и трещин. Именно такие полости в природе бывают заняты рудными ископаемыми.

Разумеется, фотопластичные материалы выбираются так, чтобы их механические свойства были как раз такими, какие нужны тектонофизикам. Например, для решения вопросов, связанных с прогнозом землетрясений и проходкой горных выработок, нужно, чтобы модули упругости и вязкости фотопластичной «породы» снижались в ходе эксперимента в одинаковой мере. Такому требованию отвечают гели желатины в смеси воды и глицерина, а также гели ацетилцеллюлозы в бензиловом спирте. При поисках и разведке месторождений полезных ископаемых вязкость должна снижаться гораздо сильнее модуля упругости. Тут применяют прозрачные фотопластичные материалы: например, растворы этил-целлюлозы в чистом бензиловом спирте.

Хочешь найти нефть – добудь сахарный сироп

Во многих важнейших нефтеносных районах мира — побережье Мексиканского залива, западные предгорья Урала, побережье Персидского залива, Прикаспийская впадина — широко распространены так называемые диапировые складки с ядрами соли, часто имеющие куполовидную форму. Геологи называют их соляными куполами. В них скапливается нефть. Какие силы заставляют громадные «купола» подниматься, «всплывать» сквозь многие километры осадочных толщ к поверхности земной коры? Вопрос этот очень важен: в некоторых районах Ирана отдельные соляные купола не только достигают поверхности, но и продолжают подниматься над ней, образуя холмы и горы, достигающие полутора километров в высоту. Языки соли, растекающиеся в стороны от солевого ядра, могут иметь в ширину до двух километров, при длине в пять километров и мощности до семидесяти метров. Это настоящие соляные глетчеры, подобные тем, что сползают с ледников.

Тектонофизические исследования позволили разобраться в этом процессе и тем самым серьезно помогли разведчикам нефтяных месторождений. Ведь ни одно полезное ископаемое не добывают с такой глубины, как нефть. Ошибка геолога-нефтяника в выборе места разведочного бурения обходится слишком дорого. Моделирование же дает возможность избежать таких ошибок и точно попасть в «шапку» соляного купола, к нефтяному «озеру».

Формула трясения Земли

Прогнозирование землетрясений — одна из важнейших задач тектонофизики. Тектонофизики взялись изучать на моделях законы образования разрывов в земной коре. Почему именно разрывов? Дело в том, что зоны разрывов — потенциальные очаги землетрясений. М. В. Гзовский вывел приближенную формулу для вычисления силы землетрясений на Тянь-Шане. Подставляя в нее множители, рассчитанные по теории подобия, он нашел, что при длине разрыва 30—60 километров энергия землетрясения на Тянь-Шане может достигать 1022—1023 эргов — мощности крупноядерного взрыва. При глубине очага 10—20 километров это соответствует землетрясению силой 9 баллов (на поверхности). И действительно, в Тянь-Шане наблюдались такие землетрясения — и как раз в зонах разрывов.

Автор: А. Колпаков.