Що вивчає тектонофізика

В останні роки на стику тектоніки, фізики, хімії, опору матеріалів народилася ще одна наука. Її ім’я — тектонофізика. Задача, яку вона перед собою ставить, — моделювання геологічних процесів.

Прекрасним досягненням тектонофізики можна вважати прогноз нових рудних родовищ в хребті Кара-Тау (Тянь-Шань) Цей гірський район відомий кожному школяреві. «Кара-Тау? А, це де свинець і цинк!» Багато десятиліть руду тут знаходили прямо на поверхні. Але останнім часом про знахідки стали повідомляти все рідше і рідше. Керівники металургії стривожилися і звернулися за допомогою до геологів. Геологи не поділяли занепокоєння. «Надра Кара-Тау, — заявили вони, — багаті сліпими рудними тілами — покладами, що не мають виходу на поверхню». Металурги почали бурити нові свердловини. Однак на «підозрілих» ділянках руди не виявилося. Довелося геологам, в свою чергу, відправитися на поклін до тектонофізиків.

В Кара-Тау прибула експедиція Інституту фізики Землі на чолі з М. В. Гзовским. Щоб розібратися у фізичних процесах, які супроводжували в далекому минулому виникнення і розвиток гірської країни Кара-Тау, вони довго вивчали особливості місцевих складок земної кори, системи тріщин, їх напрямок і величину. Закінчивши польові дослідження, тектонофізики поїхали додому: продовжувати дослідження на моделях. Через деякий час в Середню Азію був спрямований прогноз, який справдився: розвідувальні свердловини, пробурені за рекомендаціями тектонофізиків, виявили на глибині багаті поклади свинцево-цинкових руд.

«Інцидент в Кара-Тау» змусив геологів-практиків, налаштованих до цього вельми скептично по відношенню до «іграшкової тектоніки», ставитися до неї з належною повагою

Іграшкові гори – це не іграшка

Експерименти з моделями гір робилися ще в кінці позаминулого століття — у зв’язку з вивченням складчастості у Франції і США. Утворення складок відтворювалося просто: стискали пластини листового заліза, цинку, свинцю, пачки паперу, суміш гіпсу з воском, смолою, скипидаром. Французький вчений А. Добре скручував пластини з гіпсу або скла, стискав призми кубиків з мила, гіпсу зі смолою — і відтворював різні системи тріщин, дзеркала ковзання пластів. Американець Б. Вілліс моделював складчастість Аппалачських гір, застосовуючи шаруваті зразки з воску, гіпсу, скипидару.

Багато експериментував з моделями магматичних явищ німець Е. Рейер. Він вперше поставив питання про умови подібності при геологічному моделюванні. На противагу загальноприйнятій тоді думку, Рейер вважав, і абсолютно правильно, що моделі земної кори мають по своїм механічним властивостям не наближатися до властивостей гірських порід, а навпаки відрізнятися від них. Чим менше, припустимо, модель Карпатських гір порівняно з оригіналом, тим м’якше повинен бути матеріал, слабкіше зчеплення між частинками моделі. Рейер робив свої «гори» з вологої глини, з глини з цукром і гіпсом, суміші клею, води, гіпсу. Або з глини з прошарками желатинового холодцю.

А сучасні успіхи тектонофізики у значній частині зобов’язані детальній теорії подібності. В наші дні будують моделі в мільйони разів менше натури, сили, прикладені до їх частин, невимірно малі, але ступінь деформації виходить така ж, як і у природних об’єктах. Оскільки життя наше коротке, і ми не в змозі простежити реальний тектонічний процес від початку до кінця, доводиться прискорювати його в трильйони разів. Хвилинна тривалість експерименту відповідає приблизно мільйону років природного процесу.

Теорія подібності дозволяє оцінити, якою повинна бути швидкість деформації моделі, розміри та фізичні властивості матеріалів, з яких вона зроблена. Треба лише забезпечити подібність властивостей матеріалу моделі і властивостей гірської породи, а також подібність сил, що діють на модель і гірські пласти. Якщо при цьому результат експерименту виявляється геометрично подібним природній деформації, значить, дослід проведений правильно. Тоді закономірності модельного процесу можна поширити на природні тектонічні явища.

Камені мовчать (і кожен по різному)

Основна складність при моделюванні — знати фізичні властивості гірських порід. Характеристики порід — так звані модулі (множники подібності) — входять в рівняння «геологічного опору матеріалів». Визначити чисельні значення модулів нелегко, у різних дослідників виходять цифри, що в десять-сто разів відрізняються один від одного. Причин тому багато. В різних частинах Землі одні і ті ж породи мають неоднакові властивості.

Але це не все. У лабораторії ми визначаємо фізико-механічні властивості якогось зразка гірської породи. Великі маси тих же порід в природі насичені водою, розчинами хімічних елементів, які тривалий час перебувають в умовах напруженого стану. А тому сильно відрізняються від лабораторних зразків. До того ж гірські породи неоднорідні: в масиві, скажімо, вапняку попадається і глина, і піщаник. Оцінити механічні властивості такої суміші важко, це можна зробити лише приблизно.

Загалом фізичні властивості гірських порід — і міцність, пружність — вивчаються давно. Але успіхів не так вже й багато. Поки геофізики ручаються лише за модуль пружності — цей показник визначають за щільності породи та швидкості поширення в ній сейсмічних хвиль. Інший важливий параметр — модуль в’язкості, своєрідний «показник» пластичної деформації, — вивчений ще дуже слабо. Зазвичай його оцінюють в 1017-1023 пуаз, це означає, що в’язкість гірських порід в мільярди мільярдів раз більше, ніж у води.

Гори з вазеліну і машинного мастила

Цікаво побувати в лабораторії, де працюють тектонофізики. На столі, підкоряючись рукам експериментатора, виникають гори з вазеліну, машинного мастила, глини, органічної смоли.

Дуже зручні для спостережень фотопластичні речовини. При стисненні вони змінюють свій колір залежно від величини і напряму прикладених сил. Цю забарвлення можна бачити на екранах спеціального приладу. Кольорові ореоли, що виникають у моделях, відзначають місця розломів і тріщин. Саме такі порожнини в природі бувають зайняті рудними копалинами.

Зрозуміло, фотопластичні матеріали вибираються так, щоб їх механічні властивості були якраз такими, які потрібні тектонофізикам. Наприклад, для вирішення питань, пов’язаних з прогнозом землетрусів і проходкою гірничих виробок, потрібно, щоб модулі пружності та в’язкості фотопластичної «породи» знижувалися в ході експерименту в однаковій мірі. Такій вимозі відповідають гелі желатину в суміші води і гліцерину, а також гелі ацетилцелюлози в бензиловому спирті. При пошуках і розвідці родовищ корисних копалин в’язкість повинна знижуватися набагато сильніше модуля пружності. Тут застосовують прозорі фотопластичні матеріали: наприклад, розчини етил-целюлози в чистому бензиловому спирті.

Хочеш знайти нафту – добудь цукровий сироп

У багатьох найважливіших нафтоносних районах світу — на узбережжі Мексиканської затоки, західні передгір’я Уралу, узбережжя Перської затоки, Прикаспійська западина — широко поширені так звані діапірові складки з ядрами солі, що часто мають куполоподібну форму. Геологи називають їх соляними куполами. У них накопичується нафта. Які сили змушують величезні «купола» підніматися, «спливати» крізь багато кілометрів осадових товщ до поверхні земної кори? Питання це дуже важливе: у деяких районах Ірану окремі соляні куполи не тільки досягають поверхні, але і продовжують підніматися над нею, утворюючи пагорби і гори, що сягають півтора кілометрів у висоту. Язики солі, що розтікаються в сторони від сольового ядра, можуть мати в ширину до двох кілометрів, довжиною у п’ять кілометрів і потужності до сімдесяти метрів. Це справжні соляні глетчери, подібні тим, що сповзають з льодовиків.

Тектонофізичні дослідження дозволили розібратися в цьому процесі і тим самим серйозно допомогли розвідникам нафтових родовищ. Адже ні одна корисна копалина не здобувається з такої глибини, як нафта. Помилка геолога-нафтовика у виборі місця розвідувального буріння обходиться занадто дорого. Моделювання дає можливість уникнути таких помилок і точно потрапити в «шапку» соляного купола, до нафтового «озера».

Формула трясіння Землі

Прогнозування землетрусів — одне з найважливіших завдань тектонофізики. Тектонофізики взялися вивчати на моделях закони утворення розривів у земній корі. Чому саме розривів? Справа в тому, що зони розривів — потенційні вогнища землетрусів. М. В. Гзовский вивів наближену формулу для обчислення сили землетрусів на Тянь-Шані. Підставляючи в неї множники, розраховані на теорії подібності, він знайшов, що при довжині розриву 30-60 кілометрів енергія землетрусу на Тянь-Шані може досягати 1022-1023 ергів — потужності великого ядерного вибуху. При глибині вогнища 10-20 кілометрів це відповідає землетрусу силою 9 балів (на поверхні). І дійсно, в Тянь-Шані спостерігалися такі землетруси — і якраз у зонах розривів.

Автор: А. Колпаков.