Tektonická geomorfologie
RNDr. Petra Štěpančíková, Ph.D.
Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i., Praha
Oddělení inženýrské geologie
Obsah:
1. Tektonika a různé úrovně studia tektonických procesů podle
prostorových a časových měřítek. Definice aktivní tektoniky,
tektonických procesů, jejich typy v návaznosti na odlišné
tektonické režimy
2. Zemětřesení a jeho příčiny, charakteristiky, primární a
sekundární projevy zemětřesení. Seismické ohrožení
4. Tektonika versus říční systém, analýza údolní sítě. Analýza
fluviálních tvarů reliéfu porušených tektonickými pohyby - říční
terasy, aluviální kužely, analýza podélných a příčných profilů
vodních toků
3. Tektonická geomorfologie a její přístupy, obecné teorie role
tektoniky při vývoji reliéfu, typy výzdvihu reliéfu
6. Aktivní okraje pohoří a jejich analýza. Zlomové svahy, jejich vývoj,
degradace, možnosti jejich datování
7. Morfometrické metody analýzy reliéfu ovlivněného tektonickými
procesy a hodnocení jejich intenzity, zarovnané povrchy a jejich různá
pozice jako ukazatel potenciálních tektonických pohybů
9. Paleoseismologie - rekonstrukce pohybů.
Parametry aktivních zlomů, intenzita pohybů, průměrná rychlost
pohybů, rozložení zemětřesení na zlomu
10. Geofyzikální a geodetické metody výzkumu aktivní tektoniky,
Monitoringu současných pohybů
• Bull W. B.. Tectonic Geomorphology of Mountains. Blackwell
Publishing, 2007, 316. ISBN 978-1-4051-5479-6
• Burbank, D., W., Anderson, R., S.. Tectonic Geomorphology.
Blackwell Science, Malden, 2001, 274. ISBN 0-632-04386-5
• Keller, E. A., Pinter, N.. Active tectonics-Earthquakes, Uplift and
Landscape. 2nd ed. Prentice Hall, New Jersey. 2002, 362, ISBN 0-
13-088230-5
• McCalpin J. (ed.). Paleoseismology. 2nd ed., Academic Press,
2009, 613. ISBN 978-0-12-373576-8
• Schumm S. A., Dumont J. F., Holbrook J. M. Active Tectonics and
Alluvial Rivers. Cambridge University Press, 2006, 276. ISBN 0521-
89058-6
Doporučená literatura
1. Aktivní tektonika, tektonické procesy a jejich typy v
různých tektonických režimech
Tektonika endogenní procesy, struktury a reliéf spojený s deformací
zemské kůry (pohyb litosférických desek)
Litosféra = pevný obal Země (až do 100 km)
Zemská kůra + svrchní plášť
kontinentální kůra (30-80km), hustota 2,7 g/cm3
Sedimenty, granity, basalty
oceánská kůra (5-10km), hustota 2,9-3,0 g/cm3
Sedimenty, basalty
Jak to víme?
přímá pozorování – vrty, geol. informace (xenolity)
nepřímá – rychlosti seismických vln
Mohorovičičova diskontinuita – kůra/plášť –
změna hustoty, vyšší rychlosti P-vln
Litosféra / astenosféra (semifluidní) –
3,6 g/cm3, nižší viskozita pod litosf.
deskami
Globální tektonika: vznik kontinentů a oceánských pánví
Desková tektonika
107 m
10 000 km
Měřítko 1:100 000 000
106 m
1000 km
Měřítko 1:10 000 000
Regionální neotektonika
Satellite images
Globální neotektonika
horská pásmamikrodesky
105 m
100 km
Měřítko 1:1 000 000 104 m
10 km
Měřítko 1:100 000
103 m
1 km
Měřítko 1:10 000
Lokální měřítko: jednotlivé tvary reliéfu – vrásy,
zlomové svahy, tvary porušené zlomy
satellite images
Aktivní tektonika
Tektonická geomorfologie
10-1 m
10 cm
Měřítko 1:1
100 m
1 m
Měřítko 1:10
101 m
10 m
Měřítko 1:100
Strukturní geologie
Petrologie
Výchoz - outcrop/ hand sample
Odskočená údolí
(offset channels)
tektonická brekcie
Časová škála tektoniky:
závisí na prostorovém měřítku ve kterém se procesy uplatňují:
Vývoj kontinentů - tisíce milionů let
Velké oceánské pánve - stovky milionů let
Malé horské hřbety - miliony let
Malé vrásy - drobné elevace - stovky tisíc let
Zlomový svah (fault scarp) - náhle při jednom větším zemětřesení
Neotektonika – korové pohyby začínající po nejmladší orogenní
fázi nebo anebo podmíněné nejmladším napěťovým polem v kůře v
pozdním mladším terciéru (neogénu – 23-2,6 Ma) a kvartéru
Aktivní tektonika – tektonické procesy, které deformují zemskou
kůru na lokálním měřítku a na časové škále významné pro lidskou
populaci (EQs)
Aktivní zlomy – pohyb během posledních 10 000 let – holocén
(paleoseismologie)
Potenciálně aktivní zlomy (capable faults) – aktivita během kvartéru
(2,6 mil. let)
Rychlosti tektonických procesů:
Velmi variabilní - cm/rok pro pohyb na deskovém rozhraní
- 0,00X-X mm/rok pro pohyb na zlomu
- až 5m pohyb na zlomu při zemětřesení
Tektonické procesy – řízeny
silami v hloubce, které deformují
kůru => vznik oceán. pánví,
kontinentů, pohoří
Litosféra rozbitá do desek – relativní pohyby, triple junction
Pohyby na okrajích litosférických desek – produkují napětí (stress)
(jednotka tlaku na plochu) a vytvářejí deformaci (strain) (změna v
délce, objemu atd.) video!
Desková rozhraní
typ tektonického režimu
• divergentní (rifty, oc.hřbety)
(spreading)
• konvergentní (subdukce)
(shortening)
• transformní
Tektonický cyklus
Video!
Video!
Aktivní tektonika: potvrzení deskové tektoniky
• Zemětřesení
(Earthquakes)
• Vulkány
• Zlomy (Faults)
World Seismicity, 1963–2000
Video!
Exercise!
• Topografie
• Deformace povrchu
Seismické pohyby
- doprovázené zemětřeseními
Aseismické pohyby (tektonický creep)
- více či méně kontinuální pohyby s minimální seismicitou,
omezené na úzkou zónu
Seismické tektonické pohyby
Zemětřesení:
➢ napětí překročí mez pevnosti horniny, vznik trhliny nebo pohybu na již
existující trhlině
➢ uvolnění energie - zemětřesení (seismické vlny – elastické)
- pohyb na zlomu (faulting) (porušení hornin + deformace)
Předtřesy (foreshocks) – nízká intenzita
Hlavní otřes (main shock) – desítky sekund až minut s max. intenzitou
Dotřesy (aftershocks) – i několik měsíců se slábnoucími účinky
Tektonické pohyby
Video!
location
P-vlny
následovány by
S-vlnami
Lokalizace epicentra
určení vzdálenosti ohniska
- časový rozdíl příchodu P a S vln
Magnitudo
Richterovo magnitudo M
Logaritmická stupnice
- logaritmus největší amplitudy vlny 100km od ohniska
M = log a
Momentové magnitudo Mw
Seismický moment M0 - celkové množství energie transformované
během zemětřesení
Energie se transformuje do
• vzniku trhlin a deformace hornin,
• do tepla
• vyzářené seismické energie Es.
Empirický vzorec – energie (MJ)
log E= 11,8 + 1,5 M
např. M=7 (30x více E než M=6 a 300x více než M=5)
Gutenberg-Richterovo pravidlo
Veličina určovaná na základě pozorování makroseismických účinků
- škody na budovách, povrchu, atd.
- subjektivní veličina závislá na určení míry škod spojených s otřesy
- klesá se vzdáleností od epicentra
Makroseismické stupnice
Rossi – Forei – X. stupňová (1883) nejstarší stupnice
ostatní – XII. stupňové škály
MCS – Mercalli – Cancani - Sieberg (1902)
MSK -64 – Medveděv-Sponheuer-Kárník
MMI – Modified Mercalli (USA)
EMS-98 - European Macroseismic Scale
Intenzita
I. Nepocítěno Zemětřesení nebylo pocítěno.
II. Stěží pocítěno Pocítěno jen velmi málo jednotlivci v klidu v domech.
III. Slabé
Pocítěno uvnitř budov některými osobami. Lidé v klidu pociťují jako houpání nebo lehké
chvění.
IV. Značně pozorované
Zemětřesení uvnitř budov cítí mnozí, venku jen výjimečně. Někteří lidé jsou probuzeni.
Okna, dveře a nádobí drnčí.
V. Silné
Uvnitř budov cítí většina, venku někteří. Mnozí spící se probudí. Někteří jsou
vystrašení. Budovy vibrují. Visící objekty se značně houpají. Malé předměty se
posouvají. Dveře a okna se otvírají a zavírají.
VI. Mírně ničivé
Mnozí lidé jsou vystrašeni a vybíhají ven. Některé předměty padají. Mnohé budovy utrpí
malé nestrukturální škody jako např. vlásečnicové trhliny nebo odpadnuté malé kousky
omítky.
VII. Ničivé
Většina lidí je vystrašena a vybíhá ven. Nábytek se posouvá. Předměty padají z polic
ve velkém množství. Mnohé dobře postavené běžné budovy utrpí střední škody: malé
trhliny ve zdech, opadá omítka, padají části komínů; ve stěnách starších budov jsou
velké trhliny a příčky jsou zřícené.
VIII. Těžce ničivé
Mnozí lidé mají problémy udržet rovnováhu. Mnohé domy mají velké trhliny ve stěnách.
Některé dobře postavené běžné budovy mají vážně poškozené stěny. Slabé starší
struktury se mohou zřítit.
IX. Destruktivní
Všeobecná panika. Mnoho slabých staveb se řítí. I dobře postavené běžné budovy
utrpí velmi těžké škody: těžké poškození stěn a částečně i strukturální škody.
X. Velmi destruktivní Mnohé dobře postavené běžné budovy se řítí.
XI. Devastující
Většina dobře postavených běžných budov se řítí. I některé seismicky odolné budovy
jsou zničeny.
XII. Úplně devastující Téměř všechny budovy jsou zničeny.
EMS-98 - European Macroseismic Scale
Makroseismické účinky na povrchu - ovlivňující faktory
• velikost zemětřesení, hloubka ohniska, vzdálenost od epicentra,
odezva povrchových vrstev, zrychlení pohybu podloží
• bezprostřední blízkost zlomů, orientace zlomů v ohniskové oblasti
• lokálně – složení a fyzický stav hornin, hloubka hladiny podzemní
vody, geologická stavba (site effect)
Mexico city 1985, M = 8 s epicentrem 350km, 10.000 obětí
- Nezpevněné sedimenty a půda
při povrchu
(otřesy amplifikovány v
nezpevněných sedimentech)
- Mocnost sedimentů nad
pevným podložím
(otřesy amplifikují, když jsou
sedimenty mocnější)
Vzdálenost od epicentra - typ vln
P, S vlny – vysoká frekvence
Povrchové vlny – interferencí
prostorových vln (P,S), nízká
frekvence, největší amplitudy
dále od epicentra
Nízké budovy – vysoká vlastní
frekvence
Výškové budovy – nízká vlastní
frekvence
Zrychlení pohybu podloží (ground motion acceleration)
vertikální složka (amplitudy o 50% menší než u horizontální)
horizontální složka – peak horizontal ground acceleration (PHA)
– špičkové zrychlení
PHA – rozhodující pro stavební normy
Vztah magnituda a intenzity
Tohoku 2011 M=9, 2,7g; Christchurch 2011 M=6,4, 2,13g; Kobe 1995 M=6,8, 0,8g
Seismický cyklus:
1. Akumulace napětí = elastická
deformace
2. Během zemětřesení napětí
uvolněno a dochází k
permanentní deformaci porušení
hornin, napětí klesne
(stress drop) = elastic rebound
(deformovaný materiál do
původního tvaru - vyrovnání)
video
Účinky zemětřesení
Primární efekty:
ground-shaking motion a porušení povrchu – surface rupture, vydutí,
úklon povrchu atd.
(porušení a kolaps velkých, vysokých budov, mostů, přehrad,
tunelů, potrubí atd.)
Chi-chi EQ Taiwan 1999 with M=7.6
Landers EQ, Emerson fault, CA 1992, M=7.3
Sekundární efekty:
Krátkodobé
Likvefakce (ztekucení půdy) – vodou nasycený materiál se při třesení
transformuje do tekutého stavu (nezpevněná půda v bláto), kompakce způsobí
nárůst pórových tlaků = materiál ztrácí pevnost a teče. Video!
Voda pod půdou uniká pryč a dochází k poklesům povrchu – rozsáhlé škody na
budovách, silnicích.
1964, Japonsko
Ztekucení – tlak vrstev – trhliny – vytečení (erupce písku a vody)
Sand volcanoes, sand dykes
Escape structures
Seismity (seismites)
Seismites – Mrtvé moře
Dead Sea
Sesuvy
Tsunami – seismické mořské vlny
seawaves
Video – bez deště, pouze sesuv+ pórová
voda
Požáry
Povodně – po kolapsu hrází
Kostarika 2009, Mw=6,2, hloubka
6km, 550 foreshoks, 180 sesuvů
Video!
Dlouhodobé následky
Regionální subsidence
Změna v hladině podzemní vody
Změna pobřežní morfologie
subsidence
Ghost forest
Tektonický kríp (creep)
Geodeticky detekovatelný (GPS, InSAR,
creepmeter etc..... )
Méně škody z creepu – obecně podél
úzkých zlomových zón s pomalým pohybem
Nepříliš prozkoumán – nepředstavuje
seismické ohrožení
Pohyb na zlomu doprovázen mimimem zemětřesení, více méně kontinuální,
omezen na úzkou zónu
– aseismické pohyby
V hloubce mezi 5 a 12 km pohyb
uskutečněn zcela pouze
při zemětřeseních - povrch a
nejhluší část však také
creepuje
Vysoká rychlost: postupná
deformace vozovky, budov
Creep od velkého zemětřesení (EQ) r. 1896, creep částečně uvolňuje napětí a
energii na zlomu
Hayward fault – SAF zone, San Francisco
Bay area
Rychlost creepu měřena creepmetry instalovanými napříč zlomem - typicky 5 mm/rok,
max. ve Fremont 7,8 – 8,5 mm/rok
Creepmeters
Berkeley – Memorial stadium
3,2 cm za 11 let,
periodické opravy
Berkeley, offset na chodníku
Contra Costa,
Hayward, offset plotu
Vysoká rychlost (creep rate):
Calaveras fault (SAF zone)
Creep rate – mění se v průběhu doby
1910-1929 žádný creep, (offset na 2 chodnících postavených 1910 a 1929, a
vodovodu z r. 1929
1929 ......- začátek creepu, 8 mm/rok (průměr)
1961 - 1967, slip rate 15 mm/rok
1979....2 lokality monitorovány v Hollister 6,6 mm/yr a 12 mm/yr (2,3km NW)
20 000 EQs ročně – malá, napětí není akumulováno a
uvolňováno pomalým creepem – nemožno podmínit
velké zemětřesení
Hollister, twisted house
Calaveras fault - vinařství
krípující strom
2. Tektonická geomorfologie, role tektoniky
ve vývoji reliéfu
Tvary reliéfu (landforms) - morfologický obraz krajiny
Všechna měřítka – pohoří, náplavové kužely, údolí, svahy atd.
Geomorfologie – studium povahy, původu a vývoje reliéfu
A) Geologické faktory – důležité, vývoj reliéfu je vázán na horninové
podloží
Struktury – zahrnuje typ horniny, přítomnost četných trhlin, zlomů, vrás
B) Geomorfologické procesy – zvětrávání (fyzické, chemické), fluviální
eroze/akumulace, glaciální, eolická, mass wasting (svahové procesy,
sesuvy), tektonické, vulkanické procesy
C) Přírodní podmínky – geologie, klima, vegetace, erozní báze, zásah
člověka – ovlivňují typ a rychlost procesů
Model : Process-response
- kvalitativně i kvantitativně reprezentují, jak procesy ovlivňují
vývoj reliéfu
- např. aluviální kužely – výsledek tektonických procesů,
fluviálních procesů a/nebo změn v klimatických podmínkách
(různé příčiny)
Potřeba rozumět všem procesům – rozlišovat mezi nimi
(Španělsko vs Český masív – terasy, kužely)
Tektonická geomorfologie
– reliéf vytvořený tektonickými procesy:
ovlivnění eroze, ukládání, tvary;
- morfologie - odráží kinematiku – typ pohybu zlomů
Geomorfologie – cenný nástroj ve studiu aktivní tektoniky;
mladé procesy se odrážení v reliéfu a kvartérních
sedimentech
Např. studium vodních toků a odpovídajících sedimentů
porušených pohyby na zlomech – odhalení intenzity
pohybů, hodnoty posunu, časové zařazení zemětřesení
– kritické pro hodnocení seismického ohrožení
Výzdvih (uplift)
Vertikální pohyby způsobují vznik velkých forem reliéfu na
zemském povrchu
Výzdvih podloží =
(bedrock uplift)
Různé teorie o interakci mezi tektonikou a vývojem reliéfu
Neexistuje pouze pouhý výzdvih – kombinace vertikálních a
horizontálních pohybů (neexistuje „černo-bílá“ definice)
- eroze, denudace, akumulace, zvětrávání
izostatický výzdvih + tektonický výzdvih
ovlivněn jak tektonikou, tak geomorfologickými procesy
Izostatický výzdvih
Srážky nikdy nejsou dostatečné na
to, aby snížily efektivně povrch
icebergu k hladině vody. Led
odtavený nad hladinou je nahrazen
výzdvihem ponořeného ledu.
Isostatický výzdvih – led má 90%
hustoty mořské vody
Pokud 10 tun roztaje z povrchu
icebergu, je to kompenzováno 9
tunami ledu, který se vztlakem
dostane na povrch isostatickým
výzdvihem – isostatic rebound
= čistý výzdvih (bez
deformace ledu)
Izostaze pohoří
Kontinentální kůra (hustota cca 2700 kg/m3) „plave“ na plášti s hustotou 3300
kg/m3 – hustotní rozdíl 82% (90% pro oceánskou kůru s hustotou 3000 kg/m3)
– analogie s ledem
Fluviální a glaciální denudace 1000 m sníží - zarovná významně pouze horské
hřbety, protože je kompenzována 820 m současného izostatického reboundu.
Video!
Fluviální a glaciální eroze – izostatický výzdvih způsobený hlavně v údolích (video)
Denudace (mass removal) – čistý izostatický výzdvih ve všech částech krajiny
Tektonický výzdvih
Tektonické pohyby (na zlomech) a geomorfologické procesy – menší formy za
kratší dobu
- řízen tektonickými procesy, orogenními (mountain-building) – konvergentních
deskových rozhraních
Působení tektonických orogenních sil – může ustat, izostatické vyrovnání bude
pokračovat, dokud budou toky erodovat a transportovat materiál z pohoří do
oceánu.
Tectonic geomorpholgy of mountains, Bull 2007
Bedrock uplift = Tektonický výzdvih + izostatický výzdvih
Klimatické změny převládají, protože rychle ovlivňují geomorfologické procesy v
povodí – srážky, průtok
X výzdvih na lokální úrovni – na zlomech – nárůst reliéfu postupuje proti
směru toku relativně pomalu
Výzdvih povrchu - změny nadmořské výšky ovlivňují geomorfologické procesy
(coupled system), tektonický výzdvih – vyvolává vyšší erozi
Vyšší nadmořská výška – odlišné klima, odlišné procesy – ovlivňuje izostatický výzdvih
Povrchová „ruptura“ (surface rupture) zemětřesení 1999 Chi-Chi
vytvořila vodopády 8m vysoké. Řiční eroze – zahlazuje stupeň –
ústup o n- metrů
Tektonický výzdvih vyvolává erozi
Glaciální izostatický rebound
Glacial rebound