В.Н.Родионов
Н.В. Кабыченко

Регистрация движения блоков в поверхностном слое

материковой коры

Поверхностный слой Земли на материках представляется нам пассивным объектом воздействия эндогенных и эрозионных процессов. Медленное изменение рельефа на протяжении жизни "разумного человека" не давали повода обратить внимание на движение горных масс, питаемое собственными внутренними источниками энергии. Выявление собственного движения в поверхностном слое и его роли в воспроизводстве условий жизни на Земле – актуальная задача естествознания.

Предложив модель твердого тела с неоднородностями, геомеханика установила зависимость механических свойств твердых тел от скорости деформации. Оказалось, что в медленно и стационарно деформируемой среде сопротивление сдвигу уменьшается на порядки. При наличии плотностных неоднородностей в земных недрах движение приобретает всеобщий характер, осуществляя дифференциацию легких и тяжелых объемов разного размера. Вблизи поверхности это движение, очевидно, должно вырождаться, и горные породы приобретают механические свойства, известные нам из опыта. Этому способствует и то, что поверхностный слой распался на блоки, обеспечив слою подвижность, за счет смещения блоков относительно друг друга. Ослабление упругих связей между блоками повышает роль гравитационных волн в перераспределении энергии движения по поверхности Земли. Скорость их распространения в слое не может превышать величины (g – ускорение силы тяжести, H – толщина слоя). Если предположить, что гравитационные поверхностные волны регулярно порождаются лунными и солнечными приливами, то наибольшую амплитуду должны иметь волны, имеющие скорость, равную линейной скорости вращения Земли на данной широте. Это означает, что в движение, обусловленное гравитационной волной, будет вовлечен ограниченный по толщине слой. Для линейной скорости ~ 300 м/с Н ~ 10 км. Интересно отметить, что такую же толщину имеет тропосфера и всего в два раза меньшую океан. Хотя происхождение разломов земной коры в разных регионах, несомненно, различно, движение блоков в ограниченном по толщине слое со временем должно было выработать стабильную структуру. Функциональные назначения блочных структур в поверхностном слое коры состоит в том, чтобы направить энергию приливных волн на активацию деформационных процессов в коре.

Движение масс в приливной волне было рассмотрено в [1] на примере движения воды в океане под воздействием Луны. В качестве модели Земли для проведения количественных оценок был взят упругий шар, покрытый слоем воды толщиной 5 км. Под воздействием Луны эквипотенциальная поверхность Земли превращается в эллипсоид, ось которого направлена на Луну. Если бы Земля не вращалась, то упругий шар принял бы ту же форму, а толщина слоя воды - увеличилась у полюсов эллипсоида и уменьшилась в поперечном сечении. Но шар вращается так быстро, что вода вместе с поверхностью шара втекает в потенциальные ямы у полюсов эквипотенциальной поверхности со скоростью, превышающей , так что все возникающие на водной поверхности волны будут сноситься по течению. Вследствие этого скорость воды при входе в "яму" будет ускоряться (т.е. двигаться быстрее дна), а при выходе из "ямы" - замедляться. Таким образом, на вращающейся Земле в окрестности полюсов эллипсоида слой воды тоньше, чем в его поперечном сечении.

Что касается поверхности упругого шара, то она и при его вращении повторяет форму эквипотенциальной поверхности, но со сдвигом по времени, вследствие конечности скоростей упругих волн. Суммарный эффект воздействия Луны на упругий шар и слой воды выглядит следующим образом. Пусть наблюдатель находится на широте, вдоль которой движется полюс эквипотенциальной поверхности, тогда при подъеме Луны к зениту он будет наблюдать ускорение движения воды в направлении вращения Земли и уменьшение толщины слоя, а после прохождения Луной зенита начнется торможение воды и увеличение толщины слоя.

Точно такая же последовательность событий должна наблюдаться и в другом полушарии, но на другой широте. Эту симметрию нарушают Солнечные приливы, которые по величине соизмеримы с Лунными. Только в новолуние и полнолуние, когда Земля, Луна и Солнце выстраиваются друг за другом, изложенная выше схема движения воды воспроизводится практически без искажений. Но приливные волны в океане в новолуние и полнолуние различаются, если их сравнивать в одни и те же часы суток. Дело в том, что Земля вращается не только вокруг собственной оси, но и вокруг центра масс Земля-Луна, который расположен вблизи поверхности нашей планеты. Оба вращения по направлению совпадают, так что с удалением от центра масс скорость поверхности возрастает. На максимальном удалении от центра масс линейная скорость на ~ 20 м/с выше скорости собственного вращения. При сближении с центром масс происходит торможение поверхности Земли. Вовлечение в это движение слоя воды, очевидно, будет связано с изменениями его толщины. Движение с ускорением приведет к отставанию воды от твердого дна и увеличению толщины слоя, а при торможении воды будет обгонять твердое дно, и будет уменьшаться толщина слоя. Этот цикл имеет продолжительность одни сутки. Если совместить движение воды относительно дна вследствие искажения Луной собственного гравитационного поля Земли и движения воды из-за неравномерности движения поверхности твердого шара, то легко видеть качественное различие приливов в новолуние и полнолуние. В ночное время суток в полнолуние наблюдатель находится вблизи центра масс, где торможение поверхности Земли сменяется ускорением, а, следственно, слой воды из тонкого (по сравнению со средним значением) становится толстым. Такая же картина возникает и вследствие возмущения гравитационного поля Луной. В полнолуние происходит сложение эффектов.

В новолуние в ночное время суток наблюдатель находится на максимальном удалении от центра масс. Движение твердой поверхности здесь изменяется от ускоренного к замедленному, а слой воды вследствие этого из толстого превращается в тонкий. Движение воды и изменение толщины слоя под воздействием возмущенного гравитационного поля Земли остается таким же, как в полнолуние: тонкий слой переходит в толстый.

В новолуние происходит вычитание эффектов, их взаимная нейтрализация. Приведем некоторые количественные оценки, взятые из [1]. Изменение глубины океана в приливной волне: амплитуда ~ 20 см; перемещение воды относительно дна: амплитуда ~ 100 м, скорость 1 см/с.

Результаты анализа особенностей приливной волны в океане послужили идейной основой проекта регистрации движения блоков поверхностного слоя коры на суше. Разумеется, волновое движение на суше не может сопровождаться такими большими перемещениями вдоль поверхности, как в океане. Но именно это обстоятельство заставляет рассматривать горизонтальное смещение как главный механизм возбуждения колебаний блоков. Какие силы заставляют смещаться слой воды относительно дна? – Это изменение направления силы тяжести и уровня дна под воздействием Луны.

Эти же силы должны действовать на блоки поверхностного слоя, стремясь их раздвинуть, когда силы действуют в направлении вращения Земли, и сблизить, когда силы действуют в противоположном направлении. Поверхностные волны вызывают колебания блоков до глубины ~ 10 км. За геологически значимые времена должна была возникнуть граница, отделяющая слой блочной структуры от консолидированной среды. Изменение скорости смещения воды в океане с периодом 1 сутки обусловлено неравномерной скоростью движения поверхности Земли.

Поверхностный слой блочной структуры, увлекаемый консолидированной подстилающей толщей, в силу инерции будет уплотняться при ускорении и разуплотняться при торможении.

Таким образом, движение отдельного блока не обязательно должно быть регулярным и повторяющимся по амплитуде и частоте. Однако возбуждение колебаний и затухание должно подчиняться ритму движения поверхностного слоя. Обнаружить подчиненность колебательных движений блоков ритму приливных волн - в этом главная задача проекта.

Методика регистрации движения блоков и аппаратура

Диапазон частот вынужденных колебаний можно определить следующим образом. Характерный размер блока равен толщине поверхностного слоя ~ 10 км. Движение такого блока как целого не должно возбуждать собственные упругие колебания. Это определяет границу диапазона со стороны высоких частот ~ 0,1 Гц.

Изменение силы воздействия на блок приливной волны связано со скоростью перемещения ее по поверхности Земли. Эта скорость на порядок меньше скорости упругих волн, и, следовательно, интересующие нас колебания должны иметь частоту < 0,01 Гц. Упругие колебания могут возникать на границах блока и при медленном смещении их относительно друг друга, что явилось бы помехой при интерпретации результатов опыта.

Для регистрации низкочастотных колебаний был выбран сейсмоприемник КСЭШ-Р, разработанный А.В.Рыковым и изготовленный КБ "Геофизприбор" РАН. В диапазоне 0,1 Гц – 0,003 Гц он имеет стабильный "нуль" и чувствительность 3000 в/(м/с). В состав измерительного канала входит регистрирующий комплекс "Экспресс-4" с 12-ти разрядным АЦП DAQ-700 производства National Instruments. Программное обеспечение разработано в КБ "Геофизприбор".

Чтобы исключить высокочастотные составляющие, производилось сглаживание по 1000 точкам при частоте опроса 100 Гц, так что в память компьютера вводились измеренные амплитуды с интервалом 10с. Эта процедура обеспечивала фильтрацию с граничной частотой 0,023 Гц.

Начиная с 1998 г. в течение 2-х лет были произведены десятки 36-часовых записей колебаний фундамента в здании Института. На коротких записях в разное время года нерегулярные и непохожие друг на друга колебания не позволили выявить какие-либо особенности, свойственные данному месту или определенному времени года.

Постоянно наблюдалось резкое увеличение амплитуды с восходом Солнца. Это обстоятельство ставило под сомнение возможность использования дневных записей для отыскания связи колебаний с лунными приливами.

Анализ сейсмического фона и шума измерительного канала показал, что эти помехи не могут существенно исказить регистрируемые колебания блоков. Длительная регистрация колебаний блоков осуществлялась за пределами города на сейсмической станции “Михнево”. Два сейсмоприемника были установлены на бетонном постаменте так, чтобы получить запись горизонтальных перемещений в направлении восток-запад.

Регистрация велась с 13⁰⁰ МСК 11 октября 2000 г. до 17 ноября того же года. На этот период приходилось два полнолуния и одно новолуние. Осенью эпицентры возмущений гравитационного поля Земли со стороны Луны и на тыльной стороне находятся примерно на одной широте. Аппаратура работала в автоматическом режиме. За все время записи по техническим причинам имеются два кратковременных пропуска, которые следует признать малозначимыми. На записях около полуночи имеются кратковременные всплески, связанные с регламентом эксплуатации сейсмостанции.

Сопоставление колебаний блоков с ритмами приливной волны

Полученную длительную запись колебаний блоков можно анализировать с разных позиций, проверяя те или иные представления, но для эмпирических обобщений она, очевидно, не годится. В рамках настоящего проекта ставилась задача обнаружить подчиненность колебаний блоков ритмам приливных волн. Временная шкала размечена чередованием полнолуний и новолуний. Наиболее простым представляется лунный прилив в полнолуние, когда его воздействие на блоки согласуется с действием солнечного прилива, а скорость движения поверхности определяется практически только вращением вокруг оси. В момент прохождения Луной зенита в поверхностном слое разуплотнение блочной структуры сменяется ее уплотнением.

На рис. 1 приведены сейсмограммы двух полнолуний 11-13 октября и 10-12 ноября. Видно, что при этом интенсивность движения блоков заметно снижается после полуночи. Легко представить прямую зависимость амплитуды колебаний блока от плотности заполнителя межблоковых промежутков. Будем считать, что в уплотненном слое блочной структуры возбуждение колебаний затруднено. На том же рисунке приведены сейсмограммы в новолуние 25-27 октября. Здесь заметных изменений интенсивности колебаний блоков в полночь не видно.

Если принять во внимание, что действие приливной волны в новолуние складывается с действием сил инерции вследствие неравномерности движения поверхности Земли в течение суток, то нужно признать факт их взаимной нейтрализации.

В промежутках между новолунием и полнолунием действие Луны и Солнца на гравитационное поле Земли рассогласовано, что лишает убедительности те простые наглядные истолкования реакции блочной структуры на приливы.

На рис.2 приведены сейсмограммы в течение недели перед полнолунием и перед новолунием. Поражает контраст: чрезвычайно интенсивное движение блоков в первом случае и почти полная тишина во втором. Предположительно, это объясняется тем, что рассогласованные лунные и солнечные приливы друг друга нейтрализуют, а главную роль в эти периоды играют инерционные силы в блочной среде. Максимальное уплотнение блоков происходит в точках, наиболее удаленных от центра масс Земля-Луна, где и подавляются колебания блоков. Именно в этих точках оказывается сейсмоприемник в новолуние. Впрочем, это явление заслуживает специального исследования.

Неделя перед новолунием. Время 90000 с соответствунт 1часу ночи.

Неделя перед полнолунием. Время 90000 с соответствунт 1часу ночи.

Заключение

Зависимость движения блоков от ритмов приливных волн подтверждает существование динамичного поверхностного слоя блочной структуры. Признание этого факта выдвигает на первый план проблему функциональной связи коры с атмосферой и литосферой.