Землетрясения

Землетрясения – колебания Земли, вызванные внезапным освобождением потенциальной энергии земных недр. По происхождению можно выделить следующие типы землетрясений: тектонические, вулканические, обвальные и вызванные деятельностью человека.

Большинство землетрясений (91 % от общего количества) вызывается перемещением блоков земной коры, то есть тектоническими процессами. Упругие напряжения в земной коре, возникающие вследствие тектонических движений, накапливаются в течение длительного времени (десятки и сотни лет). Достигнув предела прочности пород, они разрушают их с образованием более или менее протяженного разрыва. Крылья разрыва почти мгновенно смещаются одно относительно другого вдоль сместителя и освобождающаяся при этом энергия распространяется во все стороны от разрыва в форме упругих волн, которые и регистрируются сейсмографами.

Связь между землетрясениями и движением по разрывам находит объяснение в теории Г. Ф. Рида (1910). Согласно этой теории блоки горных пород, залегающие по разные стороны разрыва, находясь в тесном контакте, способны накапливать упругие напряжения за счет изменения формы, пока не достигнут предела упругости. После этого происходит резкий скол, и значительная часть накопленной энергии высвобождается в виде сейсмических волн. Блоки пород возвращаются к первоначальной форме, но оказываются нарушенными и смещенными относительно друг друга по разные стороны возникшего разрыва.

Вулканизм – причина многочисленных локальных и преимущественно слабых колебаний грунта. Например, взрывное извержение Кракатау в 1883 г., а также многочисленные относительно спокойные извержения на Гавайях и в других районах сопровождались несильными, но многочисленными землетрясениями.

Причина обвальных землетрясений – пустоты выщелачивания. Они образуются при размыве и выносе подземными водами легкорастворимых пород (залежей каменной соли, гипса, известняков). Кровля, потеряв опору, проваливается, тем самым вызывая землетрясения (например, в 1908 г. вблизи Риги). Сила таких землетрясений невелика.

В результате деятельности человека также могут происходить землетрясения, например, при взрывах динамита и подземных ядерных испытаниях возникают колебания грунта; многочисленные слабые землетрясения вызывались нагрузкой воды при наполнении водохранилищ, при заполнении глубоких скважин водой, зараженной радиоактивными отходами. Примером являются землетрясения, зафиксированные в штате Колорадо США в 60-х годах ХХ века (всего – 700 толчков). Искусственно возбужденные землетрясения используются для зондирования осадочного слоя на морском дне при поисках нефти.

Большинство землетрясений возникает вдоль границ плит в Циркумтихоокеанском поясе, в Средиземноморско-Трансазиатском поясе, на срединно-океанических хребтах и пересекающих их трансформных разломах. Циркумтихоокеанский пояс, совпадающий с Тихоокеанским вулканическим поясом, протягивается от Чили к Центральной Америке, образуя петлю в Карибско-Антильской области, проходит через Мексику, Калифорнию, Алеутские острова, через островные дуги – Камчатскую, Японскую, Курильскую, Бонин, Марианскую, Филиппины, Индонезию и Новую Зеландию. На него приходится около 80–90 % от общего числа толчков. Средиземноморско-Трансазиатский пояс, также являющийся зоной повышенной вулканической активности, включает районы Северной Африки, Испании, Италии, Югославии, Греции, Турции, Ирана, Северной Индии, Бирмы и Китая. Оба пояса совпадают с зонами субдукции.

Пояса землетрясений наблюдаются также в зонах спрединга вдоль срединно-океанических хребтов в Атлантическом, Тихом и Индийском океанах, вдоль зарождающего рифта в Африке и Восточной Сибири.

Около 5 % землетрясений приурочены к трансформным разломам, пересекающим океанические впадины и продолжающимся на континентах. Примером сейсмогенерирующего трансформного разлома служит разлом Сан-Андреас в Калифорнии. Максимальное горизонтальное смещение по разрыву Сан-Андреас при Калифорнийском землетрясении 1906 г. достигало 7 м.

Таким образом, наиболее важные причины землетрясений – это субдукция, развитие рифтов в центральной части срединно-океанических хребтов, возникновение трансформных разломов. Однако первичная причина кроется в более глубоких оболочках Земли. Внутри земного шара циркулируют конвекционные потоки, образующие замкнутые системы. Нагреваясь у ядра Земли, потоки идут к поверхности, там остывают и снова возвращаются к ядру. Конвекционные потоки и являются приводом машины, передвигающей литосферные плиты, что в свою очередь вызывает спрединг, субдукцию и такие явления как вулканизм и землетрясения.

Интенсивность (то есть сила, внешний эффект) землетрясения определяется по его воздействию на людей, по степени повреждения зданий, по изменениям в горных породах, почвенном слое и т. д. Для таких оценок используется 12-ти балльная шкала Меркалли. Кроме того, в 1935 г. Рихтером была предложена шкала магнитуд. По ней оценивается действительная энергия землетрясения, выделяющаяся в его очаге. Шкала магнитуд основана на сравнении величин амплитуд колебаний данного и стандартного землетрясений. Разрушительные землетрясения обычно имеют магнитуду от 7, 0 до 8, 7 (максимальное измеренное значение). По шкале Меркалли – разрушительные землетрясения от 8 баллов и более.

По глубине расположения очага (гипоцентра) землетрясения различают: 1) неглубокие землетрясения (до 60 км от земной поверхности; 2) промежуточные (от 60 до 300 км); 3) глубокие (от 300 до 720 км). Максимальной интенсивности землетрясение достигает в плейстосейстовой области, под которой понимает участок земной поверхности, расположенный над очагом землетрясения. В центре плейстосейстовой области располагается эпицентр землетрясения – проекция гипоцентра на земную поверхность. Энергия, освобождающаяся при землетрясении, распространяется во все стороны от гипоцентра в форме упругих волн. Чем короче путь волны, тем больше удар, чем длиннее – тем слабее. Поэтому в эпицентре наблюдается максимальная для поверхности интенсивность землетрясения, так как он находится на кратчайшем расстоянии от гипоцентра. Фиксируются землетрясения с помощью сейсмических методов, при помощи которых определяется скорость поперечных, продольных и поверхностных сейсмических волн, распространяющихся в веществе.

1. Р-волны (первичные) – продольные волны, которые передаются переменным увеличением и уменьшением объема среды в направлении распространения волны (сжатием и разряжением). Р-волны распространяются во всех средах (твердых, жидких, газообразных). Они следуют одна за другой со скоростью несколько км/сек.

2. S-волны (вторичные) – поперечные волны. Частицы двигаются перпендикулярно направлению распространения волны. Эти волны сдвигают частицы твердого вещества, и при этом меняется их форма, но не объем. Следовательно, эти волны не могут распространяться в жидких и газообразных средах, поскольку последние не сопротивляются изменению формы; только твердые тела обладают прочностью на сдвиг.

3. l-волны (длинные) – поверхностные волны, которые представляют собой сложные синусоидальные колебания, идущие около земной поверхности. Эти волны обладают наименьшей скоростью и быстро затухают, делятся на два вида: в одних колебания направлены вертикально, в других – горизонтально. l-волны внутри земного шара распространяются по изогнутым лучам, обращенным вогнутостью вверх и уходящим далеко в глубь Земли. С глубиной скорости их возрастают.

Путь всех волн внутри Земли сильно осложнен отражением, преломлением их при переходе из одной среды в другую. Из-за различной скорости они приходят к сейсмической станции в разное время. На сейсмограммах записывается их путь. Изменения в направлении движения волн позволяют найти положение границ, разделяющих разные среды, разные типы горных пород. Сейсмические методы исследования помогли понять глубинное строение земного шара – деление его на земную кору, мантию и ядро. В настоящее время геологами применяется метод томографии. Этот метод используется в медицине. Он позволяет с помощью рентгеновского просвечивания получать послойные снимки внутренних органов человека. Если сделать много снимков подряд, то при их совмещении рентгенограмма даст стереоскопическое изображение органа. Для томографии земных недр служат не рентгеновские лучи, а колебания, вызванные природными землетрясениями, которые происходят на Земле почти беспрерывно. Вычислительные машины обрабатывают результаты записей, сделанных сейсмографами, совмещают графики и геологи видят трехмерное изображение внутренности земного шара.

Геологические последствия землетрясений – это, в основном, обвалы, оползни, возникновение цунами, а также другие явления на земной поверхности. Цунами, или сейсмические морские волны, – это длинные, низкие, проникающие на глубину волны, распространяющиеся в открытом море со скоростью в сотни км/час. Они обрушиваются на берега с большой силой и производят сильнейшие разрушения в приморских районах. Страшные опустошения и огромные человеческие жертвы (около 300000 человек) вызвало цунами, разразившееся вследствие землетрясения у берегов Малайзии 26 декабря 2004 года.

Опасные последствия будущих землетрясений можно смягчить, принимая соответствующие защитные меры. Во-первых, не следует возводить постройки на неустойчивых грунтах, а во-вторых, необходимо использовать сейсмоустойчивые конструкции зданий.

Предсказание места и времени возникновения землетрясений является одной из важнейших задач современной науки. Учеными построены карты сейсмической активности на территории России и стран содружества. Для любой территории с определенной вероятностью можно предсказать силу будущего землетрясения. Например, Таджикистан разбит на несколько сейсмических зон, характеризующихся вероятным количеством баллов возможного здесь землетрясения. Недооценка карт сейсмичности приводит к трагическим результатам. Примером может послужить Спитакское землетрясение 1988 года. Землетрясения здесь не ждали, и дома строили без учета высокой сейсмоактивности. Спитакское землетрясение было в 10 баллов или 6, 7 магнитуд. От толчков город был полностью разрушен. На поверхности земли образовался разрыв длиной в 13 км.

Современная наука опирается на изучение геофизических предвестников землетрясений. Так, при помощи лазерных лучей (дальномеров) измеряют изменение формы и объёма земной коры. Как только изменяется форма поверхности Земли или объём земной коры – нужно ждать землетрясения. Другой важный предвестник землетрясений – изменение в горных породах отношения скорости продольных волн к скорости поперечных. В обычной обстановке оно равно 1, 73, а перед землетрясением начинает резко убывать. В момент толчка отношение опять возвращается к своему прежнему значению. Магнитное поле Земли также изменяется перед землетрясением. Кроме того, перед землетрясениями наблюдается перемещения частиц пород, что вызывает определенный шум. Многие животные могут слышать этот шум, и начать беспокоиться, стараясь покинуть место будущего землетрясения. В настоящее время созданы приборы, способные улавливать шум зарождающегося землетрясения. Предсказание землетрясений является одной из важнейших задач наук о Земле, но сегодня в их арсенале нет надежного и однозначного метода решения этой проблемы.