Вот пришло землетрясение. Факты, причины, гипотезы и последствия

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 10

 эрг, с М=7 – 10

 эрг, а гипотетическое с М=9 уже 10

 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».

    Бено Гутенберг, 1924 год

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.