CC BY
73
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2016, том 22, №2 (67), с. 25-31.
————— СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ —==———
УДК 627.51; 550.334; 556
О СОВРЕМЕННЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ ИЗМЕНЕНИЯХ УРОВНЯ
КАСПИЙСКОГО МОРЯ
© 2016 г. Ш. Г. Идармачев, А. Г. Магомедов
Институт геологии Дагестанского научного центра РАН Россия, 367000 г. Махачкала, ул. Ярагского, д. 75. E-mail: [email protected]
Поступила 14.05.2015 г.
Экологические проблемы Каспия и его побережья связаны как долговременными природными изменениями уровня моря, климата, так и современными социально-экономическими проблемами. Разрушение прибрежных ландшафтов, инфраструктуры, вызванное современными изменениями уровня моря, а также добыча полезных ископаемых приводит к дополнительному загрязнению водной среды нефтепродуктами. Первостепенное значение приобретает изучение причин изменения уровня моря, последствия и прогнозирование его многолетних колебаний. Рассматриваются геологические модели, позволяющие объяснить причины короткопериодных колебаний уровня, применяя сейсмо-геодинамическую модель сжатия-растяжения осадочной толщи Южно-Каспийской впадины. Дилатансионное расширение осадочной толщи дна Каспийского моря под действием тектонических напряжений вызывает подъем уровня моря, а снятие напряжений в земной коре сейсмическим подвижками приводит к обратному процессу - опусканию дна и снижению уровня воды.
Ключевые слова: экология, дилатансионное расширения пород, сильные землетрясения, осадочный чехол, деформация пород.
Введение
Каспийское море является самым крупным континентальным водным бассейном Земли, обладающим основными чертами геологии дна мирового океана. Поэтому изолированность Каспийского моря приводила к значительным изменениям его уровня. По археологическим и другим данным за последние 500-700 тыс. лет уровень менялся от минус 140 до плюс 50 мБС, т.е. амплитуда колебания уровня достигала до 190 м (Дадашев и др., 2013). Со временем амплитуды колебаний уменьшились, так в голоцене, последние 10 тыс. лет понижение уровня составило -50 мБС. За последние 2 тыс. лет уровень повысился на 7 м. С 1840 г. по настоящее время максимальная амплитуда изменения составляет 3+0.5 м. Внутри данного периода наблюдается резкое уменьшение уровня, начиная с 1930 по 1977 гг., а затем также увеличивается с 1977 по 1995 гг.
Учитывая, что основным фактором изменения уровня Каспийского моря является баланс приходной и расходной части, этой проблемой заинтересовались и геологи (Антипов и др., 1996; Артюшков, 2007). Образование глубоководной впадины Южного Каспия началось с образования более плотного частей земной коры (эклогит), которая начала погружаться в мантию, с последующим образованием осадочной толщи с мощностью 20-25 км. Согласно исследованиям (Леонов и др., 2004) существенное влияние на эволюцию осадочных бассейнов оказывают образование, состав и движение геофлюидов, в основном подземных седиментационных вод, являющихся главным агентом переноса и перераспределения вещества и тепла в осадочных бассейнах.
Подземные воды осадочных бассейнов, по типам связей между жидкой и твердой
фазами, подразделяются на свободные и химически связанные. В осадочной толще
«-» „ 20 Каспийского бассейна содержится 11.9-10 г химически и физически связанных и свободных
подземных вод, из которых на последние приходится почти 7.4-1020 г (Зверев и др., 2013),
^ 20
что практически на порядок превышает массу воды Каспийского моря (0.78-10 г). Основная
20 „ масса этих вод (5.3-10 г) сосредоточена в Южной впадине Каспия, максимальная глубина
которой составляет 1200 м.
Отдельные авторы (Леонов и др., 1998) считают, что значительные колебания уровня
Каспия связаны с активизацией тектонических напряжений, под действием горизонтальных
сжатий часть подземных вод, содержащихся в осадочной толще, может выделиться и
поступать в Каспийское море. Для среднего подъема уровня Каспия на 0.25 м необходимо
18
лишь 0.1-10 г (Зверев и др., 2013), что более чем на три порядка меньше массы физически связанных и свободных вод, содержащихся в осадочном чехле Южной части Каспия. Однако, данная теория позволяет объяснить только повышение уровня в результате поступления воды из осадочного чехла, но допустить возможность обратного процесса, связанного с резким понижением уровня Каспия, механизмом растяжения осадочной толщи не представляется возможным.
Как известно активизация тектонических напряжений в регионе тесно связана с его сейсмическим режимом, поэтому для подтверждения тектонической модели представляется необходимым рассмотреть некоторые аспекты, связанные с сейсмичностью территории Каспия и прилегающих к нему районов.
Материалы и методы исследований
Для анализа сейсмичности исследуемого района были использованы данные
Американской системы глобального сейсмического мониторинга IRIS
(http://www.iris.edu/seismon/). Карта эпицентров землетрясений с магнитудами М>3.5, происшедших в Каспийском регионе за последние 5 лет, приведена на рис. 1.
Рис. 1. Карта эпицентров землетрясений Каспийского региона за период 2008-2010 гг.: 1-направление движения Восточного Кавказа; 2- то же территории Ирана;
3- зона Большого Кавказа, Центрального Каспия и Копетдага;
4- граница Скифско-Туранской плиты; 5- эпицентры землетрясений глубинами до 70 км; 6- то же от 70 до 150 км. Fig. 1. Map of epicenters of earthquakes in the Caspian region for the period 2008-2013 are: 1 - the Direction movement of the Eastern Caucasus; 2 - the same territory of Iran; 3 - zone of the Great Caucasus, Caspian Central and Kopetdag; 4 -border of the Scythian-Turan platform; 5 - the epicenters of earthquakes with depths of up to 70 km; 6 - the same for 70-150 km.
Картографическое отражение направлений движения Восточной части Кавказской геологической структуры и Иранской плиты показывает на Северо-восточную ориентацию (Уломов и др., 1999). В этих условиях территория, занимаемая Каспийским морем,
оказывается зажатой между Скифско-Туранской - Кавказ, и Иранской плитами. Наиболее интересной является зона, простирающая вдоль Большого Кавказа, Центрального Каспия и Копетдага. В этой зоне основная масса эпицентров сосредоточена на Северо-Восточном склоне Кавказа. Большинство очагов землетрясений имеет глубину до 30 км, отдельные из них достигают глубины 70-150 км. Относительное большее количество более глубоких землетрясений сосредоточено в центральной части Каспия.
Обсуждение результатов
Согласно геодинамической модели (Уломов и др., 1999) литосфера Южного Каспия погружается под Скифско-Туранскую плиту, что вызывает накопление упругих напряжений, а землетрясения способствуют их релаксации. В основном очаги эпицентров для Южного Каспия расположены по береговой части, образуя здесь кольцевую структуру. Центральная часть Южного Каспия характеризуется асейсмичностью. Механизм расположения очагов землетрясений вдоль береговой зоны Южного Каспия может быть связан с тем, что здесь сосредоточена основная масса воды Каспийского моря. Давление, оказываемое весом воды на дно, вызывает его прогибание, при этом максимальные касательные напряжения в земной коре концентрируются на краях водной нагрузки, а землетрясения способствуют снятию накопленных упругих напряжений.
Асейсмичность центральной части Южного Каспия характеризует ее монолитность, при этом давление, оказываемое Иранской плитой на Восток, заставляет ее деформироваться. При горизонтальном сжатии осадочного чехла происходит его расширение по вертикали, вызывая поднятие дна Каспийского моря. При достижении упругих напряжений в земной коре пределов прочности по контуру Южно-Каспийской впадины происходит релаксация напряжений, которая сопровождается увеличением сейсмической активности, в том числе и в субдукционной зоне Среднего Каспия.
Изменение уровня Каспийского моря за период 1840-2010 гг. (рис. 2) взятое из работы
Рис. 2. График уровня моря и сильных землетрясений с магнитудами М=6.5-7.9 в Каспийском регионе за период 1838-2010 гг. Fig. 2. Schedule sea level and strong earthquakes with magnitudes M=6.5-7.9 in the Caspian region for the period 1938-2010.
(Дадашев и др., 2013), на котором стрелками отмечены времена сильнейших землетрясений с магнитудами М>6.5, происшедшие в Каспийском регионе и на Кавказе (Гвишиани и др., 2013) показывает, что период резкого повышения уровня воды на 2.5 м совпадает с увеличением числа сильных землетрясений.
Изменение уровня Каспийского моря имеет связь с современными тектоническими движениями и региональной сейсмичностью (Уломов и др., 1999). Согласно предложенной
им геодинамической модели, сейсмической активизации предшествует изгиб дна ЮжноКаспийской впадины и появление «избытка» воды в море. После сильных землетрясений и снятия упругих напряжений сжатия в земной коре дно Каспия опускается, а уровень моря понижается. После катастрофического землетрясения М=7.9, которое произошло на восточном побережье Каспия, вначале наблюдается резкое снижение уровня на 1.8 м, а затем медленно продолжает падать еще на 1.2 м.
Отдельные исследователи (ЯеЬа1 й а1., 1993) Кавказского региона предлагают следующую модель тектонических движений плит (рис. 3). Аравийская плита, двигаясь на
Рис. 3. Схема глобальной тектоники Кавказа и прилегающих районов: 1 - глубинные разломы; 2 -направление движения плит; 3 - тангенциальные движения разломов (Rebai et al., 1993). Fig. 3. The scheme of global tectonics of the Caucasus and adjacent areas: 1 - tectonic faults; 2 - direction of plates; 3 -tangential movement faults (Rebai et al., 1993).
Север, оказывает давление на Турецкую и Иранскую плиты, которые в свою очередь давят на Кавказ. По данным векторным GPS картам (Шевченко и др., 1999) Северный Иран и Закавказье перемещаются на Северо-восток со средней скоростью в год 15-20 мм. Из этого следует, что бассейн Каспийского моря также испытывает процесс сжатия, оказавшись зажатым между Скифско-Туранской плитой с одной стороны и Кавказ, Иран - с другой.
Оценки В.И. Уломова (Уломов и др., 1999) для модели сжатия земной коры, где не учитываются упругие свойства пород, т.е. рассматривается чисто геометрическая модель, показали, что сжатие осадочной толщи Южно-Каспийской впадины в горизонтальном направлении на 0.01м приводит к поднятию дна, примерно, на 10 м.
Однако слагаемая горная порода обладает свойствами упругой среды, поэтому данная модель сжатия осадочной толщи Южного Каспия была рассмотрена с учетом упругих параметров горных пород, для периода 1978-1995 гг., когда наблюдалось резкое увеличение
уровня воды в Каспийском море. Для упрощенной модели расчета поднятия дна Каспийского моря рассматривался объем осадочных пород Южно-Каспийской впадины с площадью прямоугольника стороной /=400 км и толщиной И=20 км. Для численных оценок использовалась формула для определения коэффициента Пуассона
ДА /Д1
ц=ДДАТ (1)
где АЫИ - относительная деформация поперек образца; А/// - относительная деформация вдоль образца. По формуле (1) было определено абсолютное значение деформационного расширения образца. Для нашего случая это будет равно утолщению осадочного чехла, т.е. поднятию дна Южного Каспия.
АИ= (2)
Для осадочных пород величина л находится в пределах 0.2-0.4. Считая скорость сжатия осадочного чехла Южного Каспия равной 20 мм/год, определяем суммарную величину сжатия для периода 1978-1995 гг. (20-18=360 мм, или 0.36 м), когда происходил быстрый подъем воды. Подставляя в формулу (2) численные значения (¡=0.2-0.4, Д/=0.36 м, /=400000 м, h=20000 м), получаем ДЛ=0.0036-0.0072 м. Оценки показывают, что модель горизонтального упругого сжатия осадочного чехла Южного Каспия не может объяснить феномен резкого подъема уровня Каспийского моря.
Модель сжатия осадочного чехла, основанная на данных лабораторных исследований по деформированию горных пород, лежит известный эффект увеличения объема породы в процессе сдвиговой деформации в результате образования в ней трещин. Эффект дилатансионного расширения пород зависит еще от упругих свойств и может меняться в различных пределах. Разрушение для различных пород происходит при достижении относительной деформации образца ДУ/ V =10-3 -10-4 (Brace et al., 1966).
Была определена предельная величина изменения объема осадочного чехла ЮжноКаспийской впадины в результате его «дилатансионного» расширения. Изменение объема осадочного чехла равно ДV=V(10-3-10-4). Объем осадочного чехла равен V=/2- h=32-1014 м3. Тогда ДV=V(1011 -1010) м3.
Поднятие осадочного чехла Южно-Каспийской впадины приведет к повышению уровня моря, которое будет равно:
z= ДV/S (3)
где z- высота увеличения уровня Каспийского моря; Д^ изменение объема осадочного чехла Южно-Каспийской впадины; S- площадь Каспийского моря.
Подставляя численные значения Д V=32-(1011-1010) м3, S=40-1010 м2 в (3), получаем h=0.8-8 м. Отсюда следует, что модель дилатансионного расширения осадочного бассейна ЮжноКаспийской впадины позволяет объяснить резкие колебания уровня Каспийского моря.
Обратный процесс снижения уровня Каспийского моря можно объяснить упругой деформацией горизонтального расширения дна в результате снятия сжимающих тектонических напряжений после сильных землетрясений в регионе.
При дилатансионном расширении пород предполагается также изменение флюидодинамического режима осадочного чехла Южного Каспия, так как раскрытие трещин в массиве пород приводит к увеличению его проницаемости и увеличению вертикальных флюидных потоков свободных вод осадочного чехла.
Выводы
1. Основная масса эпицентров землетрясений в Каспийском регионе за последние 5 лет сосредоточена на Северо-Восточном склоне Кавказа. Относительное большее количество глубоких землетрясений (h=70-150 км) располагается в срединной зоне, которая разделяет Каспий на Южный и Северный. В Южной части Каспия очаги землетрясений тяготеют к береговой части, образуя здесь кольцевую структуру, а центральная часть отличается своей асейсмичностью. Расположение эпицентров глубокофокусных землетрясений в Средней части Каспия подтверждает наличие здесь субдукционной зоны, земная кора Южного Каспия погружается под Скифско-Туранскую плиту.
2. В Каспийском регионе происходят сильнейшие землетрясения с магнитудой М>7.8, которые могут привести как медленным, так и быстрым изменениям уровня моря. Максимальное повышение уровня в период сейсмической активности составило 2.5 м. Такие колебания уровня приводят к изменению ландшафтов в прибрежных зонах, разрушению инфраструктуры, загрязнению водной среды нефтепродуктами.
3. Рассмотрена модель изменения уровня воды в Каспийском море в результате дилатансионного поперечного расширения осадочного чехла Южно-Каспийской впадины от его продольного сжатия тектоническими напряжениями земной коры. Горизонтальное сжатие осадочной толщи Южно Каспийской впадины может вызвать повышение уровня моря в диапазоне 0.8-8 м.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Антипов М.П., Волож Ю.А., Лаврушин Ю.А., Леонов Ю.Г. 1996. Геологические события и
изменение уровня Каспийского моря // Геоэкология. № 3. С. 38-50. Артюшков Е.В. 1996. Образование Южно-Каспийской впадины в результате фазовых переходов в нижней части континентальной коры // Доклады РАН. Т. 416. № 5. С. 647-652.
Гвишиани А.Д., Дзебоев Б.А., Агаян С.М. 2013. О новом подходе к распознованию мест возможного возникновения сильного землетрясения на Кавказе // Физика Земли. № 6. С. 3-19.
Дадашев А.М., Поставик П.В., Яготинцев В.Н. 2013.Уровень Каспийского моря в настоящем
и будущем // Мониторинг. №4 (17). С.17-26. Зверев В.П., Костикова И.А. 2013. Еще раз о возможности влияния подземных вод на изменение уровня Каспия // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. №4. С. 316-322. Леонов Ю.Г., Волож Ю.А. 2004. Осадочные бассейны: методика изучения, строение и
эволюция. М.: Научный мир. 526 с. Леонов Ю.Г., Антипов М.П., Волож Ю.А. и др. 1998. Геологические проблемы колебания уровня Каспийского моря // Глобальные изменения природной Среды. Новосибирск, Изд. СО РАН. С. 39-57.
Уломов В.И., Полакова Т.П., Медведева Н.С. 1999. Динамика сейсмичности бассейна
Каспийского моря // Физика Земли. №12. С. 76-82. Шевченко В.И., Гусева Т.В., Лукк А.А. и др. 1999. Современная геодинамика Кавказа (по результатам GPS измерений и сейсмотектоническим данным) // Физика Земли. № 9. С. 3-18.
Rebai S., Philip H., Dorbath L., et al. 1993. Active tectonics in the lesser Caucasus: coexistenceof
compressive and extensional structures // Tectonics. V.12. N. 5. P. 1089-1114. «http://www.iris.edu/seismon/» (27.02.2014)
ABOUT MODERN DYNAMIC CHANGES OF LEVEL OF THE CASPIAN SEA © 2016. Sh. G. Idarmachev, A. G. Magomedov
Institute of Geology, Dagestan scientific center of RAS Russia, 367030, Makhachkala, Ярагского str., 75. E-mail: idarmachev@yandex. ru
Environmental problems of the Caspian sea and its coast are connected as a long-term natural changes in sea level, climate, and contemporary socio-economic problems. The destruction of coastal landscapes, infrastructure, caused by modern changes in sea level, as well as the extraction of minerals leads to additional pollution of the water environment by oil products. Of paramount importance is the study of the causes of sea level change, impacts and prediction of its long-term fluctuations. Discusses the geological model allows to explain the causes of short-period oscillations of level, applying seismic-geodynamic model of compression-stretching of the sedimentary section of the South Caspian basin. Dilatancy extension of the sedimentary strata of the Caspian seabed under the action of tectonic stress causes a rise in sea levels, and relieve stress in the earth's crust by seismic motions leads to the reverse process, lowering the bottom and reducing the water level.
Keywords: ecology, dilatancy expansion rocks, strong earthquakes, sedimentary cover, deformation of rocks.
