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 новая наука сейсмология.
Благодаря сейсмическим исследованиям было доказано, что на поверхности и внутри Земли происходит непрерывная трансформация огромных масс материи. Если на самой дневной поверхности она связана с воздействием процессов, порождаемых поступающей на Землю энергией солнечного излучения, то глубинные трансформации и движения связаны с энергией внутренних источников. Оказалось, что Земля полна движений, от медленных вековых смещений огромных масс суши и морского дна – брандисейсмических, и происходящих при землетрясениях, быстрых – сейсмических. Они воздействуют на земную кору, и вызывают непрерывные вертикальные и горизонтальные смещения отдельных ее участков и блоков. Это явление получило называние тектонического процесса.
Под воздействием глубинных процессов и внешних воздействий в течение миллионов и миллиардов лет формируется рельеф дневной поверхности, происходит кругооборот вещества. Осадочные породы опускаются в земные недра, где преобразуются в магму, и вновь поднимаются тектоническими процессами на поверхность.
Недра планеты под воздействием внутренних и внешних факторов постоянно накапливают и растрачивают механическую энергию. Значительная часть этой энергии 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 земные недра упругих волн возникающих в момент разрыва сплошности горных пород в очагах землетрясений.
Одним из крупных достижений современной науки, позволивших понять магматические процессы и землетрясения, является создание теории тектоники плит, Она стала основой для понимания целого ряда геофизических и геологических явлений – от магнитного поля планеты до дрейфа континентов.
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 1912 году метеоролог приват-доцент Марбургского университета Альфред Лотар Вегенер выдвинул гипотезу континентального дрейфа. Он опубликовал в журнале «Геологише Рундшау» статью, а затем книгу «Возникновение материков и океанов». В них Вегенер привел аргументы в пользу того, что в далёком прошлом существующие континенты были одной структурой. Его теория был настолько революционной, что её сразу отвергло научное сообщество.
Только в 1960-х годах идея о движениях в твердой оболочке Земли – мобилизм снова возродилась. Благодаря исследованиям рельефа и геологии океанического дна было доказано существование процессов расширения (спрединга) океанической коры и пододвигания одних частей коры под другие (субдукции). В 1958 году Кэри, в 1965 году Буллард (1965) и Ле Пишон (1977) с научных позиций обосновали тектонику плит.
К концу XX века было инструментально доказано, что скорость перемещения плит достигает десяти сантиметров в год. Казалось бы, это немного, но если учесть что горизонтальный размер одной плиты порядка одной тысячи километров то «время её жизни» составит десять миллионов лет. Иными словами, вся история человечества не сопоставима с временным масштабом тектонических процессов протекающих на Земле.
Геологические изыскания и теоретические расчеты показали, что с периодом в 500 – 600 миллионов лет блоки континентальной коры собираются в единый суперконтинент. 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. Суперконтиненты существовали и в более отдаленные времена. Например, суперконтинент Родиния распался 750 миллионов лет назад.
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.
Еще 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.
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 – континенте из Евразии и Северной Америки, который станет ядром будущего суперконтинента.
Благодаря тектоническому процессу в недрах Земли непрерывно накапливаются механические напряжения. В момент превышения ими прочности горных пород происходят быстрые тектонические подвижки вещества вызывающие на поверхности земли землетрясения. Они наиболее контрастны по границам тектонических плит. Происходящий здесь процесс накопления и сброса напряжений обуславливают их сейсмическую активность. Отсюда стала ясна закономерность, отмеченная ещё Маллетом. Землетрясения группируются в определенных зонах, т.н. сейсмических поясах, соответствующих границам крупных тектонических плит.
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 ее идет на генерацию упругих волн вызывающих на поверхности сейсмические удары, другая на различные физико-химические процессы. Вблизи от места подвижки – очага землетрясения сейсмическое воздействие наиболее велико и земная поверхность деформируется. Если на ней расположены непрочные сооружения 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 называется эпицентром, а кратчайшее расстояние между гипоцентром и дневной поверхностью принимается за глубину положения очага землетрясения. Область проявления наиболее сильных колебаний именуется эпицентральной зоной. Её размеры определяются глубиной положения очага и энергией землетрясения.
Землетрясения отличаются между собой по объему вовлеченных в движение массивов породы, глубине очага и местонахождению на карте. Чтобы отличать землетрясения друг от друга используются различные косвенные способы измерения их энергии. Это понятно, ведь непосредственно измерить выделившуюся при землетрясении энергию вряд ли когда-нибудь удастся. Поэтому используются полученные по характеристикам зарегистрированных от них сейсмических волн оценки. Широко распространены магнитудные шкалы (слово магнитуда произошло от латинского «magnitudo» т.е. величина). Они основаны на измерении энергии излученных очагом землетрясения сейсмических волн с учётом расстояния до него и типа.
В 1935 году 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).
По шкале Рихтера землетрясения могут иметь магнитуды (обозначается латинской буквой «M») от 1 до 9. Значение магнитуд принято записывать арабскими цифрами. Магнитуда характеризует величину выделенной в очаге землетрясения энергии. Она не зависит от глубины положения его очага или 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 выделяет 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 миллион.
Магнитуда Токийского катастрофического землетрясения 1923 года по шкале Рихтера составила 8.3. Катастрофического Ашхабадского 1948 года 7.3. Чилийского мегалоземлетрясения 1960 года 8.5 (по шкале Канамори 9,5). Сильного Ташкентского 1966 года 5.6. Катастрофического Спитакского 1978 года 7.0. Сильного землетрясения в Грузии 1991 года 7.2. Поскольку энергия и глубина очагов этих землетрясений различались, то и вызванные ими на поверхности сотрясения были разной интенсивности. Отсюда и разница в субъективных определениях – от сильного до катастрофического.
Магнитуда по шкале Рихтера и энергия землетрясений.
Интенсивность воздействия на земную поверхность, обозначается латинской буквой «I», определяется с использованием т.н. макросейсмических шкал. До появления инструментов для записи сейсмических колебаний они применялись для оценки силы проявления землетрясения, но не давали представления о его энергии. Используются они и сейчас, поскольку оказались необходимы для определения необходимой сейсмостойкости инженерных сооружений. Правда, в расчетах уже используются ожидаемые или проявившиеся на земной поверхности ускорения.
В России применяется двенадцати 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 ММ (Меркалли-Канкани) и принятая в 1998 году шкала ЕMS-98. В США используется модифицированный Вудом и Ньюмэном в 1931 году вариант шкалы ММ. В странах Латинской Америки разработанная в 1883 году десятибалльная шкала РФ (Росси-Фореля). В Японии используется собственная семибалльная шкала интенсивностей. В отличие от магнитуды интенсивность колебаний в том или ином месте зависит от глубины очага и расстояния до места возникновения землетрясения.
Чтобы не путать шкалы магнитуд со шкалами интенсивности 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 различают в масс-медиа ошибочно сообщающих о землетрясениях «силой 9 и более баллов по шкале Рихтера» или что то или иное сооружение «выдержит землетрясение магнитудой в 7 баллов». Что является полным абсурдом.
По шкале Рихтера максимально возможная магнитуда не может превышать 9, а слово «баллы» не употребляются, поскольку магнитуда это безразмерный параметр. При увеличении магнитуды землетрясения на единицу его энергия возрастает 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, такие как здания, грунт, людей и т. д. Во времена, когда они создавались, инструментов для регистрации сейсмических колебаний ещё не было. Поэтому в зависимости от национальной специфики они разные в каждой стране. Например, в Австралии одну из степеней сотрясений сравнивают с тем «как лошадь трется о столб», в Европе схожий сейсмический эффект описывается «когда начинают звонить колокола», а в Японии подобной силы сотрясение сравнивают с «опрокинутым каменным фонариком».
Существует закономерность – чем больше расстояние до очага, тем слабее сейсмические колебания. Примерно так, как мы ощущаем свет от электрической лампы – освещённость всегда больше прямо под ней и, чем дальше мы от нее, 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 сотрясения в IX – X баллов по шкале МSK-64. Почти равное ему по энергии землетрясение в Грузии 1991 года, но с очагом на глубине 35 км, вызвало сотрясения над ним около VIII баллов.
В 1964 году советским сейсмологом Татьяной Раутиян разработана логарифмическая шкала для измерения энергии землетрясений в джоулях. Это позволило изучать слабейшие землетрясения, энергия которых не могла быть оценена по шкале магнитуд.
Сейсмические колебания земной поверхности могут вызываться и другими причинами: вулканической деятельностью, обрушениями породы в карстах или со склонов гор. 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 (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. Они могут происходить в течение месяцев и нескольких лет после основного толчка. Афтершоковая активность свидетельствуют о том, что выведенный из состояния равновесия объем горной породы постепенно приходит в состояние равновесия. При этом, чем сильнее землетрясение, тем больше афтершоков и объем 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 и минуты 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 удается 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.
В зависимости от энергии землетрясений они условно подразделяются на сильные, слабые и микроземлетрясения. Термины «разрушительное» или «катастрофическое» используется по отношению к землетрясению любой энергии и природы, если оно сопровождалось разрушениями и гибелью людей.
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 достаточно важное направление сейсмологии, поскольку позволяет косвенно оценить потенциальную опасность той или иной местности по коротким сериям наблюдений. Здесь прослеживается определённая закономерность – чем больше энергия землетрясения, тем реже оно происходит.
Также бытует ошибочное мнение, что чем больше происходит слабых – неощутимых землетрясений в том или ином месте, тем меньше вероятность возникновения сильного землетрясения. Слабые, как бы «рассеивают тектоническую энергию» необходимую для производства сильного землетрясения.
К сожалению это не так, а совершенно наоборот. Там где высокая микросейсмическая активность, как правило, в недрах земли скрывается очаг сильного землетрясения. Наблюдения за слабыми землетрясениями позволяют выявить опасную, т.н. сейсмогенную зону и заблаговременно принять меры по предупреждению последствий возможного сильного землетрясения.
Никто не знает точно, сколько землетрясений на самом деле происходит на Земле. Сейсмические толчки с магнитудой около 5 и выше, где бы они ни происходили, регистрируются сейсмическими станциями. Более слабые землетрясения не останутся незамеченными в США, Европе или Англии благодаря высокочувствительным сейсмическим пунктам наблюдения. Но сколько землетрясений происходит в Африке или Афганистане, на дне морей и океанов, на огромных просторах России или в новых государствах Центральной Азии? Это и сегодня остаётся неизвестным.
Современная наука располагает приборами для изучения подземных ударов. Они были созданы не за один год, и даже не за одно столетие. Регистрирующие сейсмические колебания приборы непрерывно совершенствуются, а сейсмических станций становится всё больше. Появление цифровых технологий и телекоммуникаций позволило открыть новую страницу в науке о землетрясениях.