Высвечивающий недра «фанарь»
«Можно уподобить всякое землетрясение фонарю, который зажигается на короткое время и освещает нам внутренность Земли, позволяя тем самым рассмотреть то, что там происходит. Свет этого фонаря пока ещё очень тусклый, но не подлежит сомнению, что со временем он станет гораздо ярче и позволит нам разобраться в этих сложных явлениях природы».
В античные времена учёные Аристотель, Демокрит, Лукреций, Платон, Плиний и многие другие искали причины землетрясений. Они пытались объяснять происходящие вокруг них природные явления без помощи Интернет, и поэтому материалом для их суждений служил сбор фактов, их анализ и размышления.
Древнегреческий мыслитель Пифагор и его последователи полагали, что «долины врезаны текучими водами, а горы обмыты ими». Что посредством землетрясений суша замещается морем, а море сушей – т.е. землетрясения как некая первичная сила формирует рельеф планеты. Источником этой силы пифагорейцы считали некий полыхающий внутри Земли центральный огонь. Из-за этого образуются пустоты, при обрушении которых происходят землетрясения.
Философ и врач Эмпедокл (около 490—430 гг. до н.э.) в своей поэме «О природе» определил вечные и неизменные элементы в природе: огонь, воздух, воду и землю. По Эмпедоклу их сочетание образует все вещи в мире. Для объяснения землетрясений вместо центрального огня пифагорейцев он использовал понятие о расплавленных недрах, без которых невозможно было бы объяснить происхождение вулканов и горячих источников.
В течение сотен лет наиболее популярной версией для объяснения природы землетрясений была гипотеза Аристотеля. Согласно ей по трещинам и сквозным щелям атмосферные вихри проникают в имеющиеся внутри Земли пустоты. Там они усиливаются огнём и ищут себе выход, вызывая подземные удары и извержения вулканов.
Отсюда вывод: «Землетрясения случаются преимущественно весной или осенью, в дождливую пору или во время засухи – ведь это наиболее ветреные времена года. А летом и зимой, из-за мороза в одном случае и из-за жары – в другом наступает затишье, ибо для образования испарений зимой слишком холодно, а летом слишком жарко». При этом перед землетрясением воздух затягивается под землю, и атмосфера становится более разрежённой и затрудняет дыхание людей».
Аристотель разделил землетрясения исходя из их специфики на типы: трясут ли они сооружения и людей преимущественно в вертикальном или преимущественно в диагональном направлении, сопровождаются ли вырывающимися из-под земли испарениями и т. д. Даже спустя четыре века после смерти Аристотеля философ Плиний утверждал: «Сотрясенья Земли случаются лишь тогда когда море спокойно и небо столь недвижно, что птицы не могут парить, потому что нет поддерживающего их дыхания».
Древнегреческий географ и историк Страбон (64/63 – 23/24 гг. до н.э.) землетрясениями объяснял колебания уровней морей и суши, отделение островов от континента, а поднятия островов из моря связывал с вулканами. Он считал вулканы предохранительными клапанами Земли, которые необходимы: «…для выпуска накапливающихся в земных недрах паров и предохраняющих Землю от частых и сильных землетрясений».
Римский философ Луций Сенека под впечатлением от сильного землетрясения, разрушившего Помпеи в 62 (63) году н.э., предположил, что причиной землетрясений и ураганов являются не испарения из глубин, а движущийся воздух, попавший в подземные пустоты, там сжатый и ищущий выхода.
Философ и математик Рене Декарт (1596—1650), а затем Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646—1716) развили теорию о божественном происхождении материи и мировых вихрях. Они считали, что материки и моря, горы и долины создаются разломами в земной коре окружающей некий центральный огонь внутри планеты.
По Лейбницу, после образования земной коры произошло её растрескивание и внутрь Земли, с поверхности попала вода. Там она вошла в контакт с раскалёнными недрами и вызвала сопровождаемую землетрясениями глобальную катастрофу. Земные пласты были опрокинуты и возникли намывшие молодые осадки на поверхности сильные наводнения. Лейбниц рассматривал сейсмическую активность Земли как продолжение этой вселенской катастрофы.
Немецкий философ Иммануил Кант, как и многие его современники, пытался осмыслить причины Лиссабонского землетрясения 1755 года и последовавшего за ним цунами. В его изложении землетрясения связаны с вулканической деятельностью и образованием гор. По Канту природа этих явлений определяется внутренней теплотой земного шара, а подземные удары это результат обрушения огромных пустот созданных химическими процессами внутри Земли.
Как и все предыдущие теории, объяснение Канта было ошибочным, хотя оно уже связывало природные процессы с естественными, а не с характерными для того времени сверхъестественными причинами.
Только на рубеже XVIII – XIX веков, сначала английский учёный Джон Мичелл первым предположил, что землетрясения вызываются прохождением через земную кору упругих волн. Это предположение было вполне научным, поддавалось расчётам и могло быть подтверждено экспериментами.
Их первым осуществил ирландский учёный Роберт Маллет. На основании собранных им данных и результатов натурных экспериментов он смог доказать физическую природу сейсмических волн и измерить их скорость. Тем самым была отрыта естественнонаучная страница в истолковании землетрясений и объяснения причин их возникновения.
Что такое землетрясение?
«Ради подтверждения моего мнения я мог бы злоупотребить авторитетом многих мужей, которые сообщают, что в Египте никогда не бывало землетрясений. Объясняют же они это тем, что Египет будто бы весь образовался из ила… Однако и в Египте бывают землетрясения, и на Делосе, хоть Вергилий и повелел ему стоять неподвижно».
Землетрясения представляют собой подземные толчки и колебания земной поверхности. Наиболее опасные из них возникают из-за тектонических смещений и разрывов в земной коре или верхней части мантии Земли. Колебания от них в виде упругих – сейсмических волн передаются на огромные расстояния, а вблизи от очагов землетрясений они становятся причиной разрушения зданий и гибели людей.
Землетрясения и связанные с ними явления изучает специальная наука – сейсмология, которая ведет исследования по следующим основным направлениям.
1. Изучение природы землетрясений, иными словами, ищет ответ на вопрос – почему, как и где они происходят.
2. Применение знаний о землетрясениях для защиты от них путем прогноза возможных в том или ином месте сейсмических ударов в целях строительства стойких к их воздействию конструкций и сооружений.
3. Изучение строения земных недр и разведка месторождений полезных ископаемых с использованием сейсмических волн от землетрясений и искусственных сейсмических источников.
Сейсмология исследует все явления, так или иначе, связанные с возникновением землетрясений. Поэтому изучение их природы происходит на стыке многих наук – геологии, геофизики, физики, химии, биологии, истории и многих других.
Благодаря сейсмологии раскрыта тайна строения Земли и установлены главные границы раздела в её недрах – кора, мантия и ядро. Выяснено, что помимо данных об источнике – очагах землетрясений, сейсмические волны несут информацию о среде, через которую они распространяются.
Сейсмология позволила понять природу землетрясений, разработать новые технологии строительства стойких к подземным ударам сооружений и многое другое. Однако первые шаги этой науки не были лёгкими. Потребовалось более ста лет, чтобы связать природу землетрясений с возбуждаемыми ими сейсмическими волнами и около пятидесяти лет для получения общего представления о внутреннем устройстве Земли и характере распространения в её недрах сейсмических волн.
В XVIII веке английский учёный Джон Мичелл первым предположил, что землетрясения вызываются прохождением через земную кору упругих волн. Его идея опередила время и подготовила почву для основанного на опыте мировосприятия. Пытаясь объяснить землетрясения в терминах ньютоновской механики, он проанализировал показания очевидцев, и опубликовал в 1760 году книгу «Conjectures concerning the Cause and Observations upon the Phaenomena of Earthquakes» (Предположения о причинах возникновения землетрясений и наблюдения за этим феноменом).
Мичелл совершенно верно заключил, что землетрясения это «волны, вызванные движением пород, находящихся в милях под земной поверхностью». Однако его объяснение этих движений базировалось на неверном утверждении о взрывах пара, возникающих при столкновении подземных вод с подземными же пожарами. Митчелл также сделал абсолютно верный вывод о том, что, когда происходит движение пород под водой океанов, возникает волна цунами и землетрясение.
Мичелл утверждал, что есть два типа волн, вызывающих землетрясения, и был недалёк от истины. Первый это «треморное» колебание внутри Земли, сопровождающееся волнообразными поднятиями на поверхности. Из этого он сделал вывод, что скорость движения волны можно определить по времени её прибытия к различным точкам на земной поверхности. Приблизительные оценки этих временных интервалов на затронутых Лиссабонским землетрясением 1775 года территориях были известны из свидетельств очевидцев, что позволило Митчеллу оценить скорость волны от землетрясения в 1930 км/ч.
Мичелл стал первым учёным попытавшимся сделать подобный расчет, хотя и не знал о том, что скорость сейсмических волн варьируется в зависимости от свойств горных пород, через которые они проходят. Он также предположил, что местоположение центра землетрясения на поверхности земли (то, что сейчас называется эпицентром) можно вычислить путём сопоставления тех же самых данных о времени прибытия волн в различные места.
Выведенный Мичеллом закон стал основой современного метода определения эпицентра, хотя он использовал неверный способ для расчёта положения эпицентра Лиссабонского землетрясения, опираясь на свидетельства о направлении движения цунами.
Новый скачок в развитии сейсмологии произошел в середине XIX века благодаря ирландскому учёному Роберту Маллету. В течение двух десятилетий он собирал данные о землетрясениях, и проводил различные эксперименты. Его каталог мировой сейсмичности включал данные о 6831 землетрясении. По каждому из них приводились дата, местоположение, число толчков, возможное направление и продолжительность сейсмических волн, а также пометки о последствиях этих землетрясений. В 1846 году он представил в Королевской ирландской академии работу «On the dynamics of earthquakes» (О динамике землетрясений).
В 1858 году для изучения разрушений после крупного землетрясения (1857) Маллет совершил путешествие в Неаполь. Оценивая каждое повреждение при землетрясениях, Маллет составил первые изосейсмические карты, на которых места со схожими разрушениями соединил линиями. С некоторыми улучшениями этот метод используется и сегодня для картирования характера проявления землетрясения на поверхности земли – т.н. макросейсмический метод построения изосейст землетрясения и определение его эпицентра.
Маллет придавал большое значение направлению падения объектов и типам деформаций в зданиях, считая их индикаторами движения землетрясения (на самом деле характер деформации в основном обусловливается конструкцией здания). Но его карты всё же позволяли устанавливать место нахождения эпицентра землетрясения и сравнивать масштабы разрушений.
Маллет документировал разрушения, используя новую для своего времени технику фотографии. Доклад о своих исследованиях Маллет подготовил в двух томах для Королевского общества. В 1862 году он опубликовал статью «The Great Neapolitan earthquake of 1857: the basic laws of observational seismology» (Великое Неаполитанское землетрясение 1857 года: основные законы наблюдательной сейсмологии).
Маллет опубликовал карты мировой сейсмической активности, впервые наглядно проиллюстрировавшие тот факт, что землетрясения концентрируются в опоясывающих Землю определенных зонах. Объяснение этому было найдено только в ХХ веке с появлением теории дрейфа материков Вегенера.
Несмотря на революционное значение идей Маллета почти до конца XIX века торжествовало объяснение землетрясений подземными вулканическими взрывами предложенное Александром Гумбольдтом. Вслед за древнегреческим учёным Страбоном он рассматривал вулканы как предохранительные клапаны Земли: «…в тех местах, где эти клапаны открыты, там напряжения вулканических сил слабее, нежели там где их нет».
Близкое к современному понимание причин сейсмической активности планеты сформировалось только к началу прошлого века. Череда разрушительных землетрясений конца XIX – начала XX веков способствовала тому, что в странах Европы, России, США и Японии приступили к систематическим наблюдениям за сейсмической активностью Земли.
Были изобретены приборы для регистрации сейсмических колебаний, дешифрирована их структура, созданы первые каталоги инструментально зарегистрированных землетрясений и построены карты распределения их эпицентров на планете. Это позволило установить связь между землетрясениями и трансформацией вещества на поверхности и внутри планеты. Стали понятны причины разрушения зданий, и появилась возможность не интуитивно, а на научной основе возводить инженерные сооружения в сейсмоопасных зонах.
В 1899 году немецкий учёный Эмиль Вихерт предположил, что фиксируемые на сейсмограмме продольные P и поперечные S сейсмические волны имеют глубинное происхождение, т.е. связаны с источниками в недрах Земли.
В 1906 году Вихерт истолковал промежуточные группы волн на сейсмограмме как отраженные от земной поверхности. В свою очередь британский учёный Диксон Олдхэм (Richard Dixon Oldham, Олгрем) изучив характер распространения P- и S волн выдвинул предположение о наличии у планеты центрального ядра и оценил его размеры (1906). Позже оно было подразделено на внешнее «жидкое» и внутреннее «твёрдое» ядро.
В 1907 году немецкий учёный Карл Цепприц (Karl Zoppritz) доказал, что изучение амплитуд сейсмических волн позволяет судить о внутреннем строении Земли.
В 1909 году хорватский учёный Андрей Мохоровичич обнаружил границу между земной корой и лежащей под ней мантией.
В 1913 году прогресс в области геологических исследований и инструментальные сейсмические данные позволили американскому учёному Бено Гутенбергу сформулировать общее представление о внутреннем строении Земли.
В 1926 году английский учёный Гарольд Джеффрис и Бено Гутенберг обосновали границу между мантией и ядром планеты.
В последующие годы сеть сейсмических станций расширялась, охватывая страны и континенты. Это позволило собрать достаточные данные для установления характера распространения сейсмических волн в земных недрах и разработки способов установления по ним места нахождения очагов землетрясений и определения их мощности.
В 1936 году датский учёный Инге Леманн по данным сейсмических станций Екатеринбург и Иркутск оборудованных сейсмографами Бориса Голицына – самых лучших на то время, установила существование у планеты твёрдого внутреннего ядра. Но только спустя пятьдесят лет американскими и французскими учёными было доказано, что твердое земное ядро состоит из железа и никеля, а его диаметр составляет около 2,4 тысячи километров. Уже к середине XX века, в первую очередь в работах австралийского сейсмолога Кита Эдварда Буллена накопленные сведения были обобщены, и он построил первую общепризнанную модель внутреннего строения планеты.
Изучение землетрясений принесло немало удивительных открытий о строении планеты, состоянии вещества на недоступных для человека глубинах. И главное – понять механизм возникновения самых опасных т.н. тектонических землетрясений и установить области их преимущественного возникновения.
Сейсмология быстро превратилась в практическую науку позволяя строить карты сейсмического риска и развивать методы сейсмостойкого строительства. В свою очередь её наработки быстро наши применение для поиска месторождений полезных ископаемых и установления строения верней части земной коры – сейсморазведке.
Из-за разных физических свойств материала, из которого состоит земной шар, с глубиной изменяются скорости распространения сейсмических волн. Изучение особенностей прохождения сейсмических волн от землетрясений и взрывов позволило получить представление о внутреннем строении Земли.
Самый верхний слой земного шара получил название земной коры. Она подразделяется на два основных типа – материковый и океанический. Под земной корой находится мантия толщиной около трёх тысяч километров. С глубиной в земной коре и мантии температура повышается. Из мантии к дневной поверхности идёт тепловой поток, в несколько тысяч раз меньший, чем поступает от Солнца.
Земная кора вместе с верхней частью мантии образует простирающуюся до глубин в сто километров литосферу – твёрдую оболочку Земли. Она разбита разломами на крупные блоки – тектонические плиты. Ниже мантии находится сложенное из тяжёлых металлов, преимущественно железа, земное ядро радиусом 3470 километров. Здесь плотность вещества и температура значительно увеличиваются. В мантии температура не достаточна для полного расплавления её вещества и под материками она достигает 700 градусов по Цельсию.
Распад радиоактивных элементов и сохранившийся со времён образования планеты жар приводят к тому, что в её центре температура выше, чем на поверхности Солнца. На глубине 2700 километров между земным ядром и мантией она достигает 2200 градусов по Цельсию, а мощность теплового потока из земного ядра в нижние слои мантии оценивается в тринадцать тераватт.
В состоящей из силикатных расплавов мантии происходит перенос тепла из внутренних частей планеты к поверхности. Раскалённая магма поднимается из глубин, охлаждается, а затем снова погружается, замещаясь новым горячим веществом. Тепловая конвекция в мантии приводит к тому, что более холодный материал литосферы разрушается и сегментируется на огромные тектонические плиты.
Многое, что известно о строении земного шара получено при изучении записей землетрясений. Это особенно важно, поскольку представление об устройстве планеты и составляющего вещества даёт новое знание, которое может быть использовано для различных целей – от добычи полезных ископаемых до понимания происходящих климатических изменений или природы магнитного поля Земли от которого зависит существование на ней жизни.
В 2005 году сейсмологи из США и Канады пришли к выводу, что ядро Земли вращается быстрее, чем её мантия и кора – «твердый» шар внутри планеты делает лишний оборот вокруг своей оси примерно за тысячу лет.
В 2013 году учёные из Австралийского национального университета обнаружили, что ядро нашей планеты, часто рассинхронизируется с остальными частями Земли и начинает вращаться с большей или меньшей скоростью. Собственно движениями вещества в ядре объясняется наличие магнитного поля Земли.
В сейсмологии многое взаимосвязано. Так, исследуя места возникновения землетрясений, учёные выяснили внутреннее устройство Земли, а затем то, что её вещество находятся в постоянном движении. Изучение характера этих движений привело к пониманию физических механизмов обуславливающих трансформацию вещества внутри и на поверхности планеты. Были построены модели для объяснения характера протекающих в её недрах физико-химических процессов. В свою очередь это привело к пониманию причин сейсмической активности планеты.
Сейсмология изучает землетрясения и их связь с процессами, происходящими внутри Земли. Методы и данные сейсмологии используются для исследования её внутреннего строения, производства оценок сейсмической опасности в том или ином месте. Значительный вклад в сейсмологию внесли: Д. Митчелл, Р. Маллет, Дж. Милн и Х. Джефрис (Великобритания), Б.Б.Голицын (Россия), Э. Вихерт Германия), К. Буллен (Австралия), Ф. Омори, А. Имамура и К. Вадати (Япония), А. Мохоровичич (Югославия), Б. Гутенберг и Ч. Рихтер (США), Ю. Ризниченко (СССР) и многие другие.
Сообщения о землетрясениях напоминают сводки с передовой – разрушено, погибло, ранено и т. д. Так с кем идёт война? И кто этот безжалостный противник, с которым никаким образом нельзя договориться?
Почему происходят землетрясения?
«Изучающему любой предмет чрезвычайно полезно читать оригинальные мемуары, относящиеся к этой теме, потому что знание усваивается наиболее полно тогда, когда видишь процесс его зарождения».
Земля сейсмически активна, но это её фундаментальное свойство, несмотря на всю очевидность землетрясений, за ней было признано далеко не сразу. Для понимания природы землетрясений сначала потребовалось осознать то, что Земля это шар и, следовательно, у неё есть внутреннее строение.
Сразу после открытия шарообразной формы Земли появились сомнения в том, что её недра однородны и сложены только из видимой на поверхности породы. На это указывала выброшенная при извержениях вулканов магма и астрономические наблюдения. Математика и астрономия помогли оценить общий вес планеты, но тайна её внутреннего строения оставалась неразгаданной до тех пор, пока не появилась сейсмология.
Благодаря сейсмическим исследованиям доказано, что в земных недрах происходит непрерывная трансформация огромных масс материи. Если на самой дневной поверхности она также связана с воздействием процессов, порождаемых поступающей на Землю энергией солнечного излучения, то глубинные трансформации и движения происходят благодаря энергии внутренних источников.
Оказалось, что Земля полна движений, от медленных вековых смещений огромных масс суши и морского дна – брандисейсмических, и быстрых, происходящих при землетрясениях – сейсмических. Они воздействуют на земную кору и вызывают непрерывные вертикальные и горизонтальные смещения отдельных её участков и блоков. Это явление получило называние тектонического процесса связанного с магматическим (вулканическим) процессом – проникновением через трещины в земной коре на дневную поверхность – глубинного расплавленного вещества магмы.
Под воздействием глубинных процессов и внешних воздействий в течение миллионов и миллиардов лет формируется рельеф дневной поверхности, и происходит кругооборот вещества в природе. Осадочные породы опускаются в земные недра, где преобразуются в магму, а затем вновь поднимаются тектоническими процессами на поверхность.
Схема круговорота вещества на Земле
Недра планеты под воздействием внутренних и внешних факторов постоянно накапливают и растрачивают механическую энергию. Значительная её часть теряется при землетрясениях. Их роль в этом огромна. Сейсмическая машина Земли «вырабатывает» около 5х1019 Дж ежегодно. Сами же колебания дневной поверхности, как доказал в XVIII веке Джон Митчелл, являются результатом прохождения через земную кору упругих волн возникающих в момент разрыва сплошности горных пород – т.н. очаговых зонах землетрясений.
Одним из крупных достижений современной науки является создание теории тектоники плит создавшей основу для понимания целого ряда геофизических и геологических явлений. Ещё в XVII веке совпадение очертаний береговых линий западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки наводило на мысль о том, что континенты перемещаются.
В 1620 году английский философ Франсис Бэкон в книге «Новый Органон» первым обратил внимание на поразительное сходство береговой линии континентов по разные стороны Атлантики.
В 1858 году итальянский географ Антонио Снидер-Пеллегрини соединил пять континентов. Он предположил, что Америка есть не что иное, как легендарная Атлантида, отколовшаяся от Африки и Европы.
В 1911 году Бейкер подогнал друг к другу материки по очертаниям их береговой линии.
В 1912 году немецкий учёный приват-доцент Марбургского университета Альфред Лотар Вегенер выдвинул гипотезу континентального дрейфа, по которой относительное положение континентов менялось на протяжении всей истории Земли. В опубликованной в журнале «Геологише Рундшау» статье и книге «Возникновение материков и океанов» Вегенер привёл аргументы в пользу того, что в далёком прошлом континенты были одной структурой. Тем не менее, его теорию отвергли и только в 60-х годах прошлого века идея о движениях в твёрдой оболочке Земли – мобилизме снова возродилась.
Благодаря исследованиям рельефа и геологии океанического дна доказано существование процессов расширения (спрединга) океанической коры и пододвигания одних частей коры под другие (субдукции). В 1958 году Кэри, в 1965 году Буллард и Ле Пишон в 1977 году научно обосновали теорию тектоники плит.
Примерно 90% твёрдой современной поверхности Земли образовано восемью литосферными плитами, а остальная часть десятками меньшего размера и множеством мелких. За миллионы лет под воздействием конвекционных процессов в мантии, гравитационных и ротационных сил литосферные плиты совершают сложные разнонаправленные движения. Образуются новые и исчезают старые образования, а вместе с ними меняется лик земной поверхности.
Схема спрединга в срединно-океанических хребтах и субдукции у континентальных окраин с образованием вулканов.
Тектоника литосферных плит лучше всего объясняет распределение вулканов на поверхности земного шара. Определены три основных механизма межплитового взаимодействия и современного вулканизма. Если литосферные плиты раздвигаются, то между ними образуется рифтовая зона – крупная линейная впадина в земной коре в областях спрединга. Она приурочена к разломным зонам в земной коре, из которых на океаническое дно изливается базальтовый расплав. Вулканы рифтовых зон находятся в осевой части Срединно-атлантического хребта и вдоль Восточноафриканской системы разломов.
Там где одна океаническая плита пододвигается под другую, опускаясь в мантию, образовались зоны субдукции. В них вещество погружающейся плиты расплавляется, а затем может вновь подняться к поверхности и образовывать островные дуги – цепочки вулканических островов над зоной субдукции. К ним относятся Алеутские, Курильские, Марианские острова и другие архипелаги, помеченные в рельефе океанического дна глубоководными желобами расположенных параллельно береговым линиям и островным дугам.
Иной тип взаимодействия происходит при смещении тектонических плит относительно друг друга по трансформным разломам. Наибольшее их число находится океаническом дне. Наиболее известен разлом Сан-Андреас в Калифорнии, возникший между Тихоокеанской и Североамериканкой плитами, смещающимися относительно друг друга примерно на 0,6 сантиметра за год.
Общая площадь земной поверхности остаётся квазипостоянной в силу того, что расширение земной коры в зонах спрединга компенсируется погружением участков литосферных плит в мантию в зонах субдукции. Само погружение плиты под островные дуги и континентальные окраины трассируется очагами землетрясений возникающих по наклонной плоскости до глубин в 700 километров получившей название зоны Вадати-Бениофа. Она была обнаружена учёными Бениофом и Вадати по сейсмическим записям.
Поскольку угол погружения плиты близок к 45 градусам вулканы располагаются между сушей и глубоководными желобами на удалении до 150 километров от их осей, образуя в плане повторяющую очертания желоба и береговой линии вулканическую область. В этих местах на глубинах до 150 километров от дневной поверхности формируются магматические очаги, содержащие расправленное вещество, водяные пары и различные газы.
Образование очагов магмы под земной корой приводит к деформированию и подъёму её поверхности. В Андах огромный купол магмы поднимает плато Альтиплано-Пуна с действующими вулканами. Оно шириной в сотни километров и поднято на километр относительно уровня моря. Из-за давления магмы расположенный в центре купола вулкан Утурунчу растёт примерно на один сантиметр в год.
Скорость перемещения плит может достигать десяти сантиметров в год. Казалось бы, это немного, но если учесть что горизонтальный размер одной плиты порядка одной тысячи километров то «время её жизни» будет равно десяти миллионам лет. Иными словами, вся история человечества несопоставима с временным масштабом глобального тектонического процесса.
Реконструкция характера перемещения литосферных плит показала, что с периодом 500—600 миллионов лет блоки континентальной коры собираются в единый суперконтинент. Определено, что примерно 530—750 миллионов лет назад вокруг Южного полюса существовал суперконтинент Гондвана. Он состоял из современных материков – Африки, Южной Америки, Антарктиды, Австралии и субконтинента Индии.
Геологическая эволюция Земли с Докембрия и образование суперконтинента Панагея Ультима через 250 миллионов лет.
После резкого движения на север в эпоху каменноугольного периода около 360 миллионов лет назад Гондвана соединилась с североамериканско-скандинавским материком, образовав гигантский протоконтинент Пангея. Примерно 180 миллионов лет назад в юрский период он раскололся на Гондвану и северный континент Лавразию.
Ещё 30 миллионов лет спустя Гондвана начала распадаться и образовались современные континенты – Евразия, Южная и Северная Америки, Африка, Австралия и Антарктида. В результате давления Африки на Европу возникли Альпы, а столкновение Индии и Азии создало Гималаи. Суперконтиненты существовали и в более отдаленные времена – например, суперконтинент Родиния распался 750 миллионов лет назад.
В будущем континенты соберутся в суперконтинент с названием Последняя Пангея или Пангея Ультима. Пангея Ультима будет на 90% покрыта пустынями, а на северо-западе и юго-востоке суперконтинента расположатся большие горные цепи. С этой теорией пересекается теория об Амазии – будущем континенте из Евразии и Северной Америки, который станет ядром будущего суперконтинента.
Из-за тектонического процесса в недрах Земли непрерывно накапливаются механические напряжения. В момент превышения ими прочности горных пород происходят быстрые подвижки вещества вызывающие на поверхности земли землетрясения. К примеру, до появления теории тектоники плит учёные не подозревали, что разлом Сан-Андреас в США это граница между двумя тектоническими плитами – Тихоокеанской и Североамериканской, двигающихся в противоположных направлениях.
На Земле существуют и другие тектонические границы. Происходящие в них процессы накопления и сброса напряжений обуславливают их сейсмическую активность. Отсюда стала ясна и закономерность, отмеченная ещё Маллетом – землетрясения группируются в определённых зонах т.н. поясах которые соответствуют границам крупных тектонических плит.
Схема образования стратовулкана в зоне субдукции. Красные точки это очаги землетрясений возникающих по фронту погружающейся под континентальную окраину литосферной плиты. Там, где глубокие землетрясения случаются достаточно часто, они «вырисовывают» условную наклонную плоскость. Она начинается вблизи от земной поверхности и уходит в недра до глубин в 700 километров.
Смещение массивов вещества в земных недрах при сильных землетрясениях составляет всего несколько сантиметров. Однако при резком перемещении миллиардов тонн породы даже на такое небольшое расстояние выделяется огромная энергия. Часть её идет на генерацию упругих волн вызывающих на поверхности сейсмические колебания и удары, другая на различные физико-химические процессы.
Вблизи от места подвижки – очага землетрясения сейсмические волны наиболее интенсивны и дневная поверхность сильно деформируется, а если на ней расположены непрочные сооружения, то они могут быть повреждены или разрушены.
Точку, в которой начинается подвижка в земных недрах, принято называть фокусом или гипоцентром землетрясения. Её проекция на земную поверхность именуется эпицентром, а кратчайшее расстояние между гипоцентром и дневной поверхностью принимается за глубину положения очага землетрясения. Область проявления наиболее сильных колебаний называется эпицентральной. Её размеры зависят от глубины очага и мощности землетрясения (сброшенной энергии), которую чаще всего определяют по шкале Рихтера.
Землетрясения отличаются между собой по объёму вовлечённых в движение массивов породы, глубине очага и местонахождению. Чтобы отличать их друг от друга используются различные косвенные способы определения их энергии.
Это понятно, ведь непосредственно измерить выделившуюся при землетрясении энергию вряд ли когда-нибудь удастся. Поэтому используются оценки полученные по характеристикам записанных от них сейсмических колебаний. После начала подземных ядерных испытаний эти оценки были значительно уточнены поскольку стало возможным соотнести точно известную мощность заряда с вызываемым им сейсмическим эффектом.
Широко распространена шкала магнитуд по Рихтеру. Она основана на измерении энергии излученных очагом землетрясения сейсмических волн в зависимости от расстояния до него. По шкале Рихтера землетрясения могут иметь магнитуды от 1 до 9.
Основные характеристики землетрясения – гипоцентр, эпицентр и очаг, разным цветом на земной поверхности выделены области равной интенсивности – сотрясений вызванных смещением по тектоническому разлому.
В 1935 году американский учёный Чарльз Рихтер для сравнения землетрясений по их энергии предложил безразмерную логарифмическую шкалу известную как «Шкала Рихтера». За нулевую точку отсчета в ней принята энергия, необходимая для подъема груза весом десять тонн на высоту в один метр (10000 кг/м). Стандартное землетрясение, соответствующее нулевой магнитуде по формуле Рихтера, это землетрясение, при котором максимальная амплитуда записи на сейсмографе Вуда-Андерсона равна 1 мкм на расстоянии ста километров от эпицентра.
Число в шкале Рихтера принято писать арабскими цифрами от 1 до 9. Оно называется магнитудой «М» от английского слова «Magnitude» произошедшего от латинского «magnitudo» т.е. величина. Таким образом, магнитуда косвенно характеризует величину выделяемой очагом землетрясения энергии и не зависит от глубины положения его очага и расстояния до сейсмической станции.
Во время землетрясений выделяется колоссальная энергия. Например, энергия землетрясения в Перу 1970 года была равна всему потреблению электроэнергии в США за сутки. Землетрясение с М=5 излучает 1019 эрг, с М=7 – 1022 эрг, а гипотетическое с М=9 уже 1025 эрг. Иными словами, сейсмическая энергия землетрясения с М=7 в тысячу раз больше, чем у землетрясения с М=5, а с М=9 уже в миллионы.
Магнитуда Токийского землетрясения 1923 года по шкале Рихтера была 8.3, Ашхабадского 1948 года – 7.3, Чилийского 1960 года 8.5, Ташкентского 1966 года – 5.6, Спитакского 1978 года – 7.0, землетрясения в Грузии 1991 года – 7.2.
Поскольку энергия и глубина очагов этих землетрясений различались, то и вызванные ими на поверхности сотрясения были разной силы (интенсивности). Их очаги располагались на разной глубине от земной поверхности и на разном удалении от крупных населённых пунктов соответственно их разрушающий – поражающий эффект для них был различен.
Оценка силы колебаний – интенсивности сотрясений на земной поверхности производится отличными от измерения энергии землетрясения способами с использованием т.н. макросейсмических шкал. До появления инструментов для записи сейсмических колебаний их использовали для оценки силы землетрясения в баллах. Они применяются и сейчас в целях определения необходимой сейсмостойкости инженерных сооружений. Правда, в расчетах уже используются не баллы, а ожидаемые или проявившиеся на земной поверхности ускорения.
В России применяется 12-ти балльная макросейсмическая шкала МSK-64 (см. Приложение). По ней сотрясения поверхности называют неощутимыми при интенсивности до III баллов, ощутимыми, если они превышают III балла, сильными до VII баллов, разрушительными при VII – VIII баллах и катастрофическими начиная с IX и выше.
В странах Европы используется созданная в 1902 году шкала Меркалли-Канкани (ММ). В США модифицированный Вудом и Ньюмэном в 1931 году вариант шкалы ММ. В странах Латинской Америки разработанная в 1883 году десятибалльная шкала Росси-Фореля (РФ). В Японии используется собственная семибалльная шкала интенсивностей «JMA Seismic Intensity».
Чтобы отличать шкалы оценки энергии (мощности) землетрясений от шкал измерения интенсивности их проявления на земной поверхности используются различное их цифровое обозначение. Так безразмерная величина магнитуды записывается арабскими цифрами – 1, 2, 3 и т.д., а интенсивность римскими – I, II, III и т. д. в баллах.
Эту разницу не всегда осознают масс-медиа, ошибочно сообщая о землетрясениях «силой 9 и более баллов по шкале Рихтера». Тогда как по этой шкале измеряют величину (энергию) землетрясения, а его максимально возможная величина не может превышать 9 по шкале Рихтера, а слово «баллы» не употребляется. Магнитуда это безразмерный параметр. Увеличение магнитуды землетрясения на единицу соответствует росту его энергии примерно в 32 раза, тогда как амплитуда колебаний земной поверхности с увеличением на единицу в десять раз.
Все шкалы интенсивностей изначально основывались на силе воздействия сейсмических колебаний на легко различимые объекты – здания, грунт, людей и т. д. Во времена, когда они создавались, инструментов для регистрации сейсмических колебаний ещё не было. Поэтому в силу национальной специфики они разные в каждой стране. Например, в Австралии одну из степеней сотрясений сравнивают с тем «как лошадь трётся о столб», в Европе схожий сейсмический эффект описывается «когда начинают звонить колокола», а в Японии сотрясение той же интенсивности сравнивают с «опрокинутым каменным фонариком».
Существует закономерность – чем больше расстояние до очага, тем слабее амплитуда сейсмических колебаний. Примерно так, как мы ощущаем свет от электрической лампы – освещенность всегда больше прямо под ней и, чем дальше мы от неё, тем освещённость слабее при одной и той же мощности источника света.
Так, очаг Ашхабадского землетрясения 1948 года с М=7,3 располагался на глубине 12—25 км и вызвал прямо над собой достигающие IX – X баллов сотрясения. Почти равное с ним по энергии землетрясение в Грузии 1991 года, но с очагом на глубине 35 км вызвало сотрясения на поверхности около VIII баллов.
В 1964 году советским сейсмологом Татьяной Раутиян разработана логарифмическая шкала для измерения энергии землетрясений в джоулях. Это позволило изучать очень слабые землетрясения, энергия которых не могла быть измерена по шкале магнитуд.
Сейсмические колебания земной поверхности могут вызываться и другими причинами – вулканической деятельностью, обрушениями породы в карстах или с горных склонов. Человеческая деятельность добавила к этому списку новый источник. Из-за разработки месторождений полезных ископаемых, сооружения водохранилищ, при проведении инженерных работ или взрывов (обычных – химических и ядерных) происходят техногенные или т.н. антропогенные землетрясения. Тем не менее, наиболее опасные для человека подземные удары имеют тектоническую природу.
После землетрясения или как говорят сейсмологи – главного удара, в его окрестностях всегда возникают более слабые толчки. Их принято называть афтершоками землетрясения, и они могут происходить в течение месяцев и лет после основного толчка.
В конце XIX века японский сейсмолог Омори обнаружил, что частота афтершоков убывает гиперболически с течением времени, что свидетельствуют о том, что выведенный из состояния равновесия объём горной породы постепенно приходит в состояние равновесия. При этом, чем сильнее землетрясение, тем больше афтершоков и объём среды где они возникают.
Иногда в районе будущего землетрясения и незадолго до него возникают землетрясения с меньшей, чем у главного удара энергией. Их называют форшоками землетрясения.
Форшоки или форшок могут возникнуть за месяцы, дни, часы, минуты и секунды до главного удара. Их природа связана с происходящей перед землетрясением перестройкой в земных недрах. К примеру «неожиданное» Калининградское землетрясение 2004 года сопровождалось сильным форшоком случившимся почти за два часа до него.
К сожалению, форшоки возникают не всегда, также как и не всегда на фоне других неощутимых человеком толчков удаётся однозначно определить, что это именно форшок грядущего землетрясения. Если бы природа следовала форшоковой закономерности, то прогноз разрушительных землетрясений значительно бы упростился. Тем не менее, факт существования форшоков говорит о возможности поиска других предвещающих сильные землетрясения природных явлений.
Когда переходят к описанию не одного, а групп землетрясений, происходящих как на земном шаре, так и в пределах локальных зон используются статистические методы анализа. Соответственно, здесь изучается не одно землетрясение, а процесс формирующий последовательность подземных ударов в пространстве и времени. Это очень важное направление сейсмологии, поскольку позволяет косвенно оценить потенциальную опасность той или иной местности по коротким сериям наблюдений.
Никто не знает точно, сколько землетрясений на самом деле происходит на Земле. Землетрясения с магнитудой около пяти и выше, где бы они ни происходили, регистрируются сейсмическими станциями. Более слабые землетрясения не останутся незамеченными в Британии, Европе, США или на Японских островах благодаря имеющимся здесь высокочувствительным сейсмическим станциям. Но сколько землетрясений происходит в Африке или Афганистане, на дне морей и океанов, на огромных просторах России или в новых государствах Центральной Азии? Это неизвестно и сегодня.
Современная наука располагает приборами для изучения подземных ударов. Они были созданы не за один год, и даже не за одно столетие и непрерывно совершенствовались. Появление в конце XX века цифровых и сетевых технологий позволило открыть новую страницу в науке о землетрясениях.
Как изучают землетрясения?
«Вопрос о свойствах внутренних частей Земли принадлежит к числу древнейших вопросов, которое человечество пыталось разрешить. Взгляды, получавшие общее признание, непрестанно сменяли друг друга, и сейчас ещё мы имеем немало противоречивых гипотез. Главной причиной этого является, с одной стороны, неверное истолкование целого ряда явлений, а с другой смешение различных понятий».
Окружающий нас мир полон всевозможных колебаний вызываемых различными причинами – от землетрясений до деятельности человека. В своей структуре они несут информацию о своём источнике и среде, через которую распространяются.
Благодаря расшифровке сейсмических записей определяется характер тектонических движений в очагах землетрясений. В свою очередь установление причин этих движений позволяет оценить уровень сейсмической опасности. Если же задаться целью поиска месторождений полезных ископаемых, то сейсмические волны лучший инструмент для этого.
Изучение землетрясений стало возможным благодаря изобретению приборов для регистрации сейсмических колебаний. Первый известный такой прибор – сейсмоскоп был изобретен в 132 году китайским астрономом Чжан Хэном. Он представлял собой бронзовый сосуд диаметром около двух метров, на внешних стенках которого располагались восемь голов дракона. В их подвижных челюстях крепились металлические шарики, а внутри сосуда находился маятник с тягами, каждая из которых прикреплялась к челюстям дракона.
При возникновении колебаний маятник приходил в движение и тяга, соединённая с обращенной в сторону, откуда пришли сейсмические волны головой дракона открывала его пасть. Шар из неё выпадал в рот одной из восьми жаб, восседавших у основания сосуда.
Прибор Чжан Хэна не записывал сейсмические колебания, а позволял лишь обнаруживать факт землетрясения и определять примерное направление на него. Поэтому он называется сейсмоскоп, в отличие от сейсмографа – системы позволяющей записывать колебания. Она включает сейсмометр – прибор преобразующий колебания в тот или иной вид и устройство для их записи или запоминания на цифровых носителях.
Благодаря сейсмоскопу Чжан Хэна в столице Китая того времени – Луяне, о разрушительном землетрясении 134 года в уезде Лунси располагавшемся в шестистах километрах к северу от столицы узнали на два-три дня раньше прибытия оттуда гонцов. С этих пор в течение последующих почти четырёх столетий у прибора находился специальный смотритель. Иными словами, в Китае была создана первая в мире постоянно действующая сейсмическая служба.
В Европе приборы для регистрации землетрясений появляются лишь в начале XVIII века. В 1703 году во Франции Отфёй изобретает свой сейсмоскоп. Он представлял собой наполненный ртутью сосуд с восемью радиально расположенными отверстиями. Сейсмический толчок выплескивал из одного из отверстий ртуть, и по её количеству можно было оценить силу колебаний. Схожее устройство в 1787 году в Италии построил Атанасио Ковалли.
Во второй половине XIX века в Европе и США изобретаются первые приборы для записи сейсмических колебаний в виде временной диаграммы. Их главной частью был вертикальный или горизонтальный маятник. Поскольку из-за инерции тело маятника стремится сохранить состояние покоя то, прикрепив к маятнику иглу или перо, можно было записать траекторию его движений относительно закреплённого на грунте основания.
Для большей чувствительности и с целью записи именно сейсмических, а не их собственных колебаний маятники первых сейсмографов делались очень тяжелыми – в сотни килограммов. Так, на сейсмической станции в Геттингене использовался вертикальный сейсмограф Вихерта с маятником весом более одной тонны. Он позволял увеличивать, т.е. во сколько раз мог усиливать сейсмические колебания, в две тысячи раз. Отметим, современные приборы обладают увеличением в миллионы и способны записывать очень слабые колебания почвы.
Интерьер сейсмической станции времён становления инструментальных исследований землетрясений в Японии и бесценная реликвия – горизонтальный маятник «Ewing-Gray-Milne» в экспозиции Национального музея природы и науки в Токио, 2012 год. Отсюда видно, что персонал станции работал там же где стоял сейсмограф, что делало невозможным добиться его высокой чувствительности.
В конце XIX века в Страсбурге механик Бош приступил к постройке сейсмографов, идея которых была предложена японским сейсмологом Фусакити Омори. Созданные Бошем приборы устанавливались почти на всех сейсмических станциях Европы. На другой стороне Ла-Манша – в Англии, на станциях устанавливались приборы системы Мильна (Ewing-Gray-Milne seismograph).
В 1876 году британский учёный Милн был приглашен правительством Японии иностранным советником и профессором горного дела и геологии в Императорский инженерный колледж. Работавшие в Японии британские учёные Джеймс Юинг (Sir James Alfred Ewing), Томас Грей (Thomas Gray) и Джон Милн начали заниматься исследованиями землетрясений после сейсмической активизации в районе Йокогамы в 1980 году.
Этим учёным принадлежит заслуга в основании Сейсмологического общества Японии (SSJ), которое профинансировало разработку сейсмографов для обнаружения и измерения силы землетрясений. Итогом их работы стало изобретение горизонтального маятника (1880), которым было записано землетрясение Ноби в 1891 году.
Новый прибор получил название Милна, хотя в его создании участвовали все трое учёных. Он позволил изучать волновую структуру колебаний от землетрясений и рассчитывать скорость распространения сейсмических волн. Помимо этого вклад британских учёных в становлении сейсмологии в Японии заключался в организации сети сейсмических наблюдений и подготовке научных кадров, обеспечивших в последующем лидирующую роль японских сейсмологов в мире.
Их ученик Секей Секуя (Seikei Sekiya) стал первым профессором по сейсмологии в Императорском университете (Imperial University) в Токио. Его ученик Фусакити Омори вырос в учёного мирового уровня, он же усовершенствовал сейсмограф Милна для регистрации слабых сейсмических сигналов.
Конец ознакомительного фрагмента.