Тема 4

Геологічна хронологія. Тектонічні рухи земної кори

 

Геохронологія – розділ геології, який вивчає вік гірських порід, що складають земну кору, і хронологічну послідовність їхнього утворення. Геологічна історія нашої планети досить тривала (~ 4,5 млрд. років) і датувати ті або інші події її розвитку можна лише за допомогою гірських порід, детально вивчаючи їхній склад, включення, будову й умови нашарування.

Вивчення геологічного віку в інженерній геології має велике практичне значення. По-перше, вся геологічна документація (інженерно-геологічні карти, розрізи, стовпчики свердловин та ін.) заснована на вікових геологічних індексах; по-друге, гірські породи, близькі за складом й будовою та мають однаковий геологічний вік, звичайно мають схожі будівельні властивості; по-третє, без знання геологічного віку неможливо вірогідно встановити умови залягання гірських порід і закономірності їх формування.

 

4.1. Відносний і абсолютний вік гірських порід

Відносний вік – заснований на вивченні взаємного розташування шарів, встановленні, який шар „молодший” щодо іншого і який „давніший. Це можна зробити за допомогою стратиграфічного та палеонтологічного методів.

Стратиграфічний (від лат. „стратум” – шар) метод застосовують при непорушеному заляганні шарів на порівняно невеликих ділянках. Сутність цього способу визначення відносного віку полягає в тому, що шар, який залягає вище за інший шар, є за віком більш молодим, ніж той, котрий залягає нижче по нашаруванню товщі порід.

Однак даний метод неприйнятний при перекинутих складках гірських порід, розривах зі зсувом шарів і т.д. Тому основним методом визначення відносного віку є палеонтологічний. Заснований він на вивченні окам'янілих залишків, тварин і рослин, що жили в минулі геологічні епохи й поховані в осадових гірських породах.

Учені вже давно встановили, що органічний світ у ході геологічної історії потерпів тривалу й складну еволюцію. На зміну простим примітивним організмам приходили все більше складні. Тому логічно припустити, що породи того самого віку повинні містити однакові органічні залишки (скам'янілості), відмінні від органічних залишків іншого віку. Важливе значення для визначення відносного віку мають „керівні скам'янілості” – організми, що жили порівняно недовго, а потім вимерли. Наприклад, для юрського періоду – белемніти, для силуру – морські лілії, для кембрію – трилобіти й т.д.

Абсолютний вік гірських порід на відміну від відносного виражається в роках. Точне визначення абсолютного віку засновано на вивченні радіоактивного розпаду урану, калію, рубідію та інших радіоактивних елементів, що містяться в гірській породі. Знаючи кількість радіоактивного елемента й продуктів його розпаду, що накопичилися, а також швидкість радіоактивного процесу, можна обчислити абсолютний вік радіоактивних мінералів, а отже, і гірської породи, що їх містить.

Для визначення абсолютного віку гірських порід у даний час використовуються різні радіологічні методи: урано-свинцевий, калій-аргоновий, рубідієво-стронцієвий, радіовуглецевий та ін. За допомогою цих методів було визначено, наприклад, абсолютний вік найдавніших гнейсів Кольського півострова (3500 млн. років). Вік найдавніших порід Землі визначається цифрою 4500 ± 200 млн. років. Вік гірських порід Місяця також виявився близьким до 4500 млн. років.

 

4.2. Геохронологічна шкала

У своєму розвитку планета Земля перетерпіла ряд послідовних етапів, встановлених за допомогою аналізу викопних скам'янілих організмів (відносний вік) і даних радіологічних і інших методів (абсолютний вік). На підставі вивчення віку гірських порід цими методами складена новітня геохронологічна шкала (табл. 4.1).

У геологічній історії Землі виділено п'ять найбільших розділів, називаних ерами: 1) архейська – ера початку життя; 2) протерозойська – ера первинного життя; 3) палеозойська – ера древнього життя; 4) мезозойська – ера середнього життя й 5) кайнозойська – ера новітнього життя. Ери об'єднані у два еони.

Архейська й протерозойська ери (часто називаються разом докембрієм) поєднуються в криптозой (на цей еон припадає майже 4 млрд. років, або 5/6 усього геологічного літочислення). Це час зародження життя, появи примітивних одноклітинних організмів. Кісткова фауна повністю відсутня.

Інші ери – палеозойська, мезозойська й кайнозойська – об'єднані у фанерозой (570 ± 30 млн. років). Фанерозой – найважливіший етап геологічної історії Землі, для якого характерне виникнення й широкий розвиток кісткових організмів, розквіт органічного світу й поява людини.

Як видно з геохронологічної шкали, ери поділяються на періоди. Наприклад, у кайнозойській ері виділяють третинний і четвертинний періоди. Періоди діляться на ще більш дрібні геохронологічні одиниці: епохи й віки. Наприклад, девонський період (D) поділяється на три епохи: ранню – D1 середню – D2 і пізню – D3.

Для позначення геологічних утворень – гірських порід, що відкладалися протягом всіх зазначених вище відрізків часу, замість геохронологічних використовують інші терміни – стратиграфічні (табл. 4.2).

Таблиця 4.1

Геохронологічна шкала

 

Таблиця 4.2

Геохронологічні й стратиграфічні терміни

 

 

Четвертинний період (система) відповідає останньому відрізку геологічної історії Землі, що триває й понині. Це означає, що зараз іде четвертинний період кайнозойської ери. Четвертинні відклади поділяють на нижньочетвертинні – Q1, средньочетвертинні – Q2, верхньочетвертині – Q3 і сучасні – Q4. Розрізняють також плейстоценові (Q1 – Q3)і голоценові відклади (Q4). Тривалість четвертинного періоду по різних джерелах оцінюється від 0,7 до 4,0 млн. років, найбільш часто - 1,6 млн. років.

З четвертинним періодом пов'язана історія виникнення й розвитку людини та початок її виробничої діяльності. Від всіх попередніх періодів він відрізняється глобальними коливаннями клімату й розвитком материкових заледенінь, особливо в Північній півкулі. Характерні також потужні тектонічні рухи земної кори й вулканізм. У порівнянні з породами дочетвертинного періоду (третинними, мезозойськими й ін.), які в будівельній практиці нерідко називають „корінними”, четвертинні відклади відрізняються меншою щільністю й більшою рихлістю.

 

4.3. Тектонічні рухи земної кори.

Тектонічними називають рухи земної кори, пов'язані із внутрішніми силами в земній корі й мантії Землі. Галузь геології, що вивчає ці рухи, а також сучасну будову й розвиток структурних елементів земної кори називається тектонікою.

 

4.3.1. Поняття про основні тектонічні структури земної кори

Найбільшими структурними елементами земної кори є платформи, геосинкліналі й океанічні плити.

Платформи – величезні відносно нерухливі, стійкі ділянки земної кори. Для платформ характерно двох'ярусна будова. Нижній, більш древній ярус (кристалічний фундамент) складений осадовими породами, зім'ятими в складки, або магматичними породами, підданими метаморфізму. Верхній ярус (платформний чохол) майже цілком складається з осадових гірських порід, що залягають горизонтально.

Класичними прикладами платформних областей є Східноєвропейська (Російська) платформа, Західносибірська, Північно-Африканська, Індійська та інші  платформи.

Потужність верхнього ярусу платформ досягає 1,5-2,0 км і більше. Ділянки земної кори, де верхній ярус відсутній і кристалічний фундамент виходить безпосередньо на денну поверхню, називають щитами (Балтійський, Воронезький, Український та ін.).

У межах платформ тектонічні рухи виражаються у вигляді повільних вертикальних коливальних рухів земної кори. Слабо розвинені або зовсім відсутні вулканізм і сейсмічні рухи (землетруси). Рельєф платформ має тісний зв'язок із глибинною будовою земної кори й виражений головним чином у вигляді великих рівнин (низовин).

Геосинкліналі – найбільш рухливі, лінійно витягнуті ділянки земної кори, що обрамляють платформи. На ранніх стадіях свого розвитку вони характеризуються інтенсивними зануреннями, а на заключних – інтенсивними підняттями.

Геосинклінальні області – це Альпи, Карпати, Крим, Кавказ, Памір, Гімалаї, смуга Тихоокеанського узбережжя й інші гірсько-складчасті споруди. Для всіх цих областей характерні активні тектонічні рухи, висока сейсмічність і вулканізм. У цих же областях активно розвиваються потужні магматичні процеси з утворенням ефузивних лавових покривів і потоків та інтрузивних тіл (штоків і ін.). У Північній Євразії найбільш рухливим і сейсмічно активним регіоном є Курило-Камчатська зона.

Крім платформ та геосинкліналей до найбільших тектонічних структур земної кори відносяться також величезні океанічні плити, що становлять основу дна океанів. На відміну від континентів окенічні плити вивчені недостатньо, що пов'язано зі значними труднощами отримання геологічної інформації про їхню будову та склад речовини.

 

4.3.2. Типи тектонічних рухів

Розрізняють наступні найголовніші типи тектонічних рухів земної кори: 1) коливальні; 2) складчасті й 3) розривні.

Коливальні тектонічні рухи проявляються у вигляді повільних нерівномірних підняттів і опускань окремих ділянок земної кори. Коливальний характер їхнього руху полягає в зміні його знаку: підняття в одних геологічних епохах змінюється опусканням в інші. Тектонічні рухи цього типу відбуваються безупинно й повсюдно. На земній поверхні немає тектонічно нерухливих ділянок земної кори – одні піднімаються, інші опускаються.

За часом їхнього прояву коливальні рухи поділяються на сучасні (останні 5-7 тис. років), новітні (неоген і четвертинний період) і рухи минулих геологічних періодів.

Сучасні коливальні рухи вивчають на спеціальних полігонах за допомогою повторних геодезичних спостережень методом високоточного нівелювання. Про більш древні коливальні рухи судять по чергуванню морських і континентальних відкладів і по ряду інших ознак.

Швидкість підняття (або опускання) окремих ділянок земної кори варіює в широких межах і може досягати 10-20 мм/рік і більше. Наприклад, південне узбережжя Північного моря в Голландії опускається на 5-7 мм у рік. Від вторгнення моря на сушу (трансгресії) Голландію рятують дамби (висотою до 15 м і більше), які постійно надбудовуються. У той же час на близько розміщених ділянках у Північній Швеції в прибережній зоні відзначаються сучасні підняття земної кори до 10-12 мм/рік. У цих районах частина портових споруд виявилася віддаленою від моря внаслідок його відступання від берегів (регресії).

Найбільша інтенсивність коливальних рухів земної кори відзначається в геосинклінальних областях, а найменша – у платформних областях.

Геологічне значення коливальних рухів величезне. Вони визначають умови осадконакопичення, розміщення границь між сушею й морем, обміління або посилення розвиваючої діяльності рік і т.д. Коливальні рухи, що відбувалися в новітній час (неоген – четвертинний період), вплинули на формування сучасного рельєфу Землі.

Коливальні (сучасні) рухи необхідно враховувати при будівництві гідротехнічних споруд типу водоймищ, гребель, судноплавних каналів, міст біля моря й т.ін.

Складчасті тектонічні рухи. У геосинклінальних областях тектонічні рухи можуть істотно порушувати вихідну форму залягання гірських порід. Порушення форм первинного залягання гірських порід, що викликані тектонічними рухами земної кори, називають дислокаціями. Їх поділяють на складчасті й розривні. Складчасті дислокації можуть бути у формі витягнутих лінійних складок (антикліналь, синкліналь) або виражатися в загальному нахилі шарів в одну сторону (монокліналь).

Антикліналь – витягнута лінійна складка опуклістю вгору. У ядрі (центрі) антикліналі залягають більш древні шари, на крилах складки - більш молоді.

Синкліналь – складка, аналогічна антикліналі, але спрямована опуклістю вниз. У ядрі синкліналі залягають більше молоді, ніж на крилах. Найпростіша форма складчастих дислокацій – монокліналь, що представляє собою товщу шарів гірських порід, нахилених в одну сторону під однаковим кутом. Розрізняють також флексуру - коліноподібну складку зі східчастим вигином шарів.

Розривні тектонічні рухи. Приводять до порушення безперервності гірських порід і розриву їх по якій-небудь поверхні. Розриви в гірських породах виникають у тих випадках, коли напруження в земній корі перевищують межу міцності гірських порід.

До розривних дислокацій відносять скиди, вскиди, насуви, зсуви, грабени й горсти.

Скиди утворюються в результаті опускання (рис. 4.1, а), а вскиди – підняття однієї частини товщі щодо іншої (рис. 4.1, в). Насуви – зміщення блоків гірських порід по похилій поверхні розлому (рис. 4.1, г), а зсуви – у горизонтальному напрямку. Прикладом складних розривних дислокацій можуть бути східчасті скиди, тобто система паралельних скидів (рис. 4.1, б). Грабен – ділянка земної кори, обмежена тектонічними розривами (скидами) і опущений по них щодо суміжних ділянок (рис. 4.1, д). Прикладом великих грабенів можуть бути западина озера Байкал (глибина 1620м) і долина р. Рейн. Горст – припіднята ділянка земної кори, обмежена скидами або вскидами (рис. 4.1, е).

 

Рис. 4.1. Розривні дислокації: а – скид; б – східчастий скид; в – вскид; г – насув; д – грабен; е – горст; 1 – нерухома частина товщі; 2 – зміщена частина; П – поверхня Землі; р –  розрив.

 

Розривні тектонічні рухи часто супроводжуються утворенням різних тектонічних тріщин, для яких характерні захоплення ними потужних товщ гірських порід, витриманість орієнтування, наявність слідів зсувів і інші ознаки. Особливим типом розривних тектонічних порушень є глибинні розломи, що розділяють земну кору на окремі великі блоки. Глибинні розлами мають довжину в сотні й тисячі кілометрів і глибину більше 300 км. До зон їхнього розвитку приурочені сучасні інтенсивні землетруси й активна вулканічна діяльність (наприклад, розломи Курило-Камчатської зони та ін.).

Тектонічні рухи, що викликають формування складок і розривів, називаються орогенними або горотворчими.

Значення тектонічних умов для будівництва. Тектонічні особливості району досить істотно впливають на вибір місця розташування різних будинків і споруд, їхнє компонування, умови зведення та експлуатацію будівельних об'єктів.

Сприятливі для будівництва ділянки з горизонтальним непорушеним заляганням шарів. Наявність дислокацій і розвинутої системи тектонічних тріщин істотно погіршує інженерно-геологічні умови району будівництва. Зокрема, при будівельному освоєнні територій з активною тектонічною діяльністю необхідно враховувати інтенсивну тріщинуватість і роздробленість гірських порід, що знижує їхню міцність і стійкість, посилену циркуляцію підземних вод по зонах тектонічних тріщин і розривів, різке підвищення сейсмічної активності в місцях розвитку розривних дислокацій і інші особливості.

Інтенсивність коливальних рухів земної кори обов'язково враховують при будівництві захисних дамб, а також лінійних споруд значної довжини (каналів, залізниць та ін.).

 

4.3.3. Тектоніка літосферних плит

Незважаючи на значні успіхи геології як науки і її розділу тектоніки, загальновизнана теорія геотектонічного розвитку земної кори, що пояснює причини тектонічних рухів або тектогенезу, донедавна була відсутня.

Лише в 50–60-ті рр. минулого століття отримала визнання гіпотеза австрійського геофізика А. Вегенера (1915 р.) про дрейф континентів, тобто про їхнє повільне переміщення в горизонтальному напрямку. Механізм цих переміщень був пояснений з позиції тектоніки плит. Поштовхом до розвитку цієї новітньої концепції послужили відкриття астеносфери і виявлення системи серединно-океанічних хребтів із глибокими ущелинами – рифами.

Відповідно до даної концепції, літосфера розбита на величезні сегменти або плити, які переміщуються по розм'якшеній астеносфері в горизонтальному напрямку. На плитах, як на гігантських плотах, зі швидкістю від 1 до 3 см/рік (за іншим даними до 10 см/ рік) плавають континенти й океани Землі.

Рис. 4.2. Схема розташування літосферних плит

 

Усього виділено 7 великих літосферних плит товщиною 75-125 км: Євразійська, Американська, Африканська, Індо-Австралійська, Тихоокеанська, Антарктична й Наска й 8 малих плит (рис. 4.2).

Причиною переміщення плит вважається конвективний перенос речовини мантії. Відносно більш нагріта мантія, піднімаючись до поверхні, піддається плавленню в рифових зонах серединно-океанічних хребтів, виявлених у всіх океанах і які мають величезну довжину.

За рахунок речовини, що піднімається з мантії, відбувається нарощування літосферних плит, і вони розходяться в сторони (спредінг). Іншим видом переміщення плит може бути субдукція, коли океанічна плита підсувається під континентальну й поглинається мантією. Наприклад, у районі Японської острівної дуги Тихоокеанська плита підсувається під Євразійську.

При зіткненні плит між собою вони мнуться у складки й утворюють гірничо-складчасті системи (Альпи, Памір, Гімалаї й ін.). При цьому край однієї плити може підсуватися під іншу, викликаючи величезні напруги й різко активізуючи сейсмічні процеси. У земній корі утворюються також вогнища розплавленої магми, які супроводжуються явищами вулканізму.

Процесами переміщення літосферних плит, точніше їх субдукції, пояснюється, наприклад, винятково висока сейсмічна й вулканічна активність у Тихоокеанському вогненному поясі.

На думку одних учених, теорія тектоніки літосферних плит, що має глобальний характер і стосується усіх райони земної кулі, дозволяє пояснити природу тектонічних рухів, історію їхнього розвитку, а також геологічну й тектонічну будова земної кори. Інші вчені вважають, що „нова глобальна тектоніка плит” не в змозі пояснити багато проблем формування й розвитку земної кори й не може претендувати на роль універсальної тектонічної теорії. Очевидно, необхідні подальші дослідження, засновані на останніх досягненнях геологічних та інших наук.