Проскальзывание по разломам; глинка трения

Огромный бетонированный водопроводный туннель, доставляющий воду со склонов Сьерра-Невады к городам, расположенным восточнее залива Сан-Франциско, выглядит-там, где он проходит через холмы Беркли,-хорошо защищенным и прочным. Мемориальный футбольный стадион Калифорнийского университета (в Беркли) кажется несокрушимым в своем мощном железобетонном каркасе. Современное здание винного завода в поселке Сьенега, построенное у шоссе, ведущего в Холлистер, среди прекрасных береговых хребтов центральной Калифорнии, выглядит абсолютно надежным, вечным. Однако все эти сооружения неуклонно и почти незаметно раздираются надвое.

И не землетрясения тому причиной. Туннель и стадион построены непосредственно на активном разломе Хейвард, по которому все время происходит медленное правостороннее проскальзывание контактирующих блоков. Когда в 1966 г. из туннеля была выпущена вода, то оказалось, что трещины шириной в несколько сантиметров опоясывают всю бетонную облицовку туннеля как раз там, где он пересекается с зоной разлома.

В бетонной дренажной системе под Мемориальным стадионом теперь обнаружены значительные трещины в том месте, где кювет пересекается с линией разлома Хейвард, а инструменты, установленные у этих трещин в 1966 г., показывают, что правостороннее движение неуклонно продолжается здесь со скоростью 2-5 мм/год.

Современный винный завод в Сьенеге (близ Холлистера), - как ни удивительно, уже третье здание, построенное на одном и том же месте,-прямо на линии разлома Сан-Андреас. Эта линия - след разлома на поверхности - прослеживается по небольшому перепаду высот параллельно дороге из Холлистера в Сьенегу; к западу от дороги этот уступ хорошо виден за первыми рядами виноградника (рис. 7).

Рис. 7. Аэрофотоснимок винного завода Сьенега, построенного на линии разлома Сан-Андреас близ Холлистера, штат Калифорния. Разлом (указан горизонтальными стрелками) можно проследить на снимке слева направо: он пересекает кювет на левой (южной) стороне от здания завода и проходит через само здание. (С разрешения Д. Тонера.)

Мелкие ручейки, в изобилии встречающиеся по линии разлома, а местами и ряды виноградной лозы смещены по типу правого сдвига. С дороги видно, что здания винного завода искривлены в результате медленного проскальзывания грунта под ними. Сразу же к югу от винного завода разорваны бетонные борта кювета, и по ним видно смещение, связанное с подвижками по разлому (рис. 8)). Измерения створа кювета и положения бетонных блоков на его днище, взятые за десятилетие, показывают, что скорость относительного смещения по разлому Сан-Андреас составляет в этом месте 1,5 см/год.

Рис. 8. Смещение бетонных стенок кювета, возникшее вследствие медленного проскальзывания по разлому Сан-Андреас в районе винного завода Сьенега. Данная величина смещения накопилась за последние 20 лет. (С разрешения У. Мариона.)

Недалеко отсюда, в самом городе Холлистер, медленное проскальзывание происходит по оперяющему разлому Калаверад, в результате чего возникают заметные смещения и повреждения бордюров дорог, тротуаров, изгородей и даже домов.

Горизонтальное проскальзывание по разломам обнаружено в настоящее время и в других районах земного шара, в частности по Северо-Анатолийскому разлому у города Исметпаша в Турции, а также вдоль рифта долины реки Иордан в Израиле. Обычно эпизоды такого проскальзывания по разломам бывают асейсмичными, т.е. они не приводят к землетрясениям. Если на подобных разломах землетрясения все-таки возникают, то после землетрясения скорость проскальзывания может на короткое время возрасти.

Как правило, в каждом импульсе проскальзывания амплитуда составляет несколько миллиметров, а длится импульс от нескольких минут до нескольких дней. Проведенные в Калифорнии измерения показали, что после недель бездействия проскальзывание по разлому возобновляется и может распространиться на десятки километров со скоростью около 10 км в день.

Какова природа асейсмического проскальзывания по разломам? Присмотримся внимательнее к тому, какими породами сложена зона разлома. Раздробленные и сильно деформированные породы образуют в этой зоне полосу, ширина которой местами измеряется многими метрами. В течение миллионов лет прерывистые, однако частые дифференцированные движения по разлому дробили и перетирали породы, доводя их до состояния тонкозернистого порошка или пыли.

Просачивающаяся вода в свою очередь изменяла их, в результате чего образовывались глины и песчанистые илы-алевриты. В конце концов в зоне разлома появлялась скользкая илистая масса, называемая глинкой трения. Когда поперек какого-либо отрезка разлома проходят туннель или траншею, то обнаруживается, что зона глинки часто представляет собой барьер, почти непроницаемый для воды; зеркало грунтовых вод по разные стороны от этой зоны иногда оказывается на разных уровнях-вот почему вдоль разломов встречаются заболоченные места и родники.

Влажная глинка трения на ощупь представляет собой мягкую легко деформируемую массу и ведет себя скорее как вязкое тесто, чем как хрупкое упругое вещество. Поэтому трудно предположить, что она может оказать большое сопротивление проскальзыванию. Глубина зоны, сложенной глинкой трения, меняется в значительных пределах, но на крупных разломах она может составлять несколько километров. Древние разломы, вскрываемые в глубоких шахтах, иногда содержат глиноподобный материал, который раньше находился, очевидно, на глубине нескольких километров от земной поверхности.

Поскольку на активных разломах все-таки определенно происходят резкие подвижки, производящие землетрясения, это означает, что ниже податливого поверхностного материала должны находиться более прочные и более упругие породы, крепко связывающие оба крыла разлома по его плоскости.

Только в этом случае может происходить медленная деформация пород и накопление упругой энергии, достаточной для возникновения землетрясения. Поэтому логично будет предположить, что зоны крупных разломов, таких как Сан-Андреас, сложены комплексом различных пород: у поверхности залегает податливая, пластичная глинка трения, она распространяется вниз на несколько километров, но постепенно выклинивается, уступая место более прочным кристаллическим породам, спаянным с плоскостью разлома вплоть до глубины 15-20 км.

Ниже этого уровня высокая температура земных недр, по-видимому, снова размягчает породы, так что упругие деформации становятся механически неосуществимыми. Эта модель в какой-то мере подтверждается тем, что, как было установлено в начале 1960-х годов, в центральной Калифорнии на глубинах более 15 км землетрясения не возникают. На таких больших глубинах породы, вероятно, снова становятся пластичными и уже не способны накапливать энергию деформации.

Иногда приходится слышать утверждение, что крупное разрушительное землетрясение не может возникнуть на разломе, по которому идет медленное проскальзывание, поскольку этот процесс приводит к периодическому сбросу деформации в породах земной коры без резких подвижек. Однако в равной мере правдоподобна и противоположная точка зрения.

Возможно, что когда упругие кристаллические породы глубоких горизонтов земной коры подвергаются упругой деформации и накапливают энергию, которая высвободится в скором землетрясении, податливая глинка трения в верхней части зоны разлома захватывается соседними более прочными породами и перемещается в сторону и вниз. Тогда медленное проскальзывание в глинке трения, обнаруживаемое на поверхности, просто служило бы показателем того, что в породах фундамента деформация накапливается.

Из этого рассуждения следует, что в тех частях разлома, где происходит проскальзывание, на глубине может возникнуть резкая подвижка, которая вызовет землетрясение, но поверхностное смещение будет небольшим. А на тех участках, где проскальзывание было небольшим или не проявлялось вовсе, смещение будет максимальным. Прогноз такого рода можно будет проверить, когда в районе, про который известно, что там идет проскальзывание, возникнет землетрясение.

Иногда асейсмическое проскальзывание наблюдается на поверхности грунта вдоль активного разлома, вспарывание которого недавно привело к значительному землетрясению. Например, вдоль отрезка разлома Сан-Андреас, вскрывшегося при землетрясении вблизи Паркфилда в штате Калифорния 27 июня 1966 г., смещение дорожного покрытия в первые дни после главного толчка увеличилось на несколько сантиметров.

Такое приспособление пород земной коры к новому распределению тектонических напряжений в данном районе, происходящее после начального крупного смещения, частично вызывается, вероятно, афтершоками, а частично-ползучестью податливых поверхностных пород и глинки трения в зоне разлома.

Ясно, что медленное проскальзывание по разлому, если оно происходит на застроенных территориях, может иметь печальные последствия. Это еще одна причина того, почему определенные виды построек не следует сооружать поперек разломов, если, конечно, для них можно найти другое место. Если трубопроводы, кабели, шоссейные или железные дороги необходимо проложить поперек активного разлома, то они должны иметь в зоне пересечения с разломом составные или гибкие секции.