Катастрофы в природе: землетрясения

Батыр Сеидович Каррыев

Книга о землетрясениях и связанных с ними явлениях природы. Рассказывается о том, почему происходят землетрясения. Приводятся малоизвестные сведения о сейсмических катастрофах прошлого и настоящего. О достижениях сейсмологии и о той роли, которую землетрясения играли и играют в истории человечества.

Как изучают землетрясения?

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 можно определить 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 такой прибор — сейсмоскоп 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, соединенная с обращенной в сторону, откуда пришли колебания головой, открывала её пасть. Шар из головы дракона падал 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.

Модель сейсмоскопа Чжан Хэна на выставке в Окленде (Wikipedia, Kowloonese, GNU FDR).

Благодаря прибору в столице Китая того времени Луяне о разрушительном землетрясении 134 года, произошедшего в уезде Лунси (600 километров к северу от города), узнали на два-три дня раньше прибытия оттуда гонцов. С этих пор за показаниями прибора наблюдал специальный служащий в течение последующих почти четырёх столетий.

В Европе приборы для регистрации землетрясений появляются лишь в начале XVIII века. В 1703 году во Франции Отфёй изобретает сейсмоскоп. Он представлял собой наполненный ртутью сосуд с восемью радиально расположенными отверстиями. Сейсмический толчок выплескивал из одного из отверстий ртуть, и по ее количеству можно было оценить силу колебаний. Схожее устройство в 1787 году построил итальянец Атанасио Ковалли.

Прибор для обнаружения землетрясений Атанасия Ковалли, 1787 год (из архива автора).

В конце XIX века 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 записать траекторию его движений относительно закрепленного на грунте основания.

Для большей чувствительности маятники первых сейсмографов делались очень тяжелыми весом в сотни килограмм. Так, на сейсмической станции в Геттингене использовался вертикальный сейсмограф Вихерта с маятником 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.

В Страсбурге механик Роберт Бош приступил к постройке сейсмографов, идея которых была предложена японским сейсмологом и вулканологом Фусакити Омори. Созданные Бошем приборы устанавливались почти на всех сейсмических станциях Европы. На другой стороне Ла-Манша — в Англии, на станциях устанавливались приборы системы Джона Мильна.

Прибор для фиксации землетрясений Николы Кассиоторы, 1818 год (из архива автора).

Многие приборы прошлого стали музейными экспонатами. Это сейсмографы систем Вихерта, Майника, Цельнера и Шлютера. Сейсмометры системы Голицына, Кирноса, УАР, УСФ, ВЭГИК, СМ-3 и С5С. Сейсмоскопы с механической записью (МТР), сейсмоскоп Медведева (СБМ) с записью на закопченную стеклянную пластину и многие другие. Они носили имена своих создателей, которые были не только изобретателями инструментов, но и первопроходцами в изучении землетрясений.

Самой лучшей системой начала XX века для записи сейсмических колебаний стала гальванометрическая с фотографической регистрацией. Она была изобретена одним из основоположников сейсмологии академиком Борис Борисовичем Голицыным. Это был выдающийся ученый и экспериментатор. Автор многих теоретических и экспериментальных работ по физике, геофизике, сейсмологии и метеорологии Голицын не только организовал первую сейсмическую сеть России, но стоял и у истоков создания ее метеорологической службы.

Сейсмограф Вихерта для записи сейсмических колебаний (из архива автора).

Создано много типов приборов для регистрации колебаний почвы и все они используют принцип инерции — свойства физического тела сохранять первоначальное состояние покоя или равномерного движения. Различаются только способы преобразования механических колебаний в удобную для анализа форму. Это механическая запись на закопченную бумагу или стекло. Гальванометрическая запись на фотобумагу или фотопленку. Электронная запись на магнитные носители информации. Значительный прогресс в изучение землетрясений внесли цифровые технологии позволившие обрабатывать сейсмические данные почти в реальном масштабе времени.

Повышение точности приборов позволило изучить тонкую структуру колебаний вызванных землетрясениями — сейсмограмм. Оказалось, что в них присутствуют колебания различного типа — фаз волн, которые отличаются по частоте и амплитуде. Основные фазы колебаний получили название P, S и L — это первые вступления объёмных продольных, поперечных и поверхностных волн.

Продольные волны (Р-волны) или волны сжатия заставляют частицы среды колебаться подобно спиральной пружине. Они вызывают колебания вдоль направления распространения волны, путем чередования участков сжатия и разрежения. Благодаря этому свойству P-волны способны распространятся почти в любых средах. У дневной поверхности в среднем скорость Р-волн составляет 6 км/с, а на большой глубине около 13 км/с.

Поперечные сейсмические волны (S-волны) или волны сдвига заставляют частицы среды колебаться перпендикулярно направлению распространения волны (подобно вибрирующей гитарной струне). S-волны распространяются только через обладающий упругостью материал, поэтому они не в состоянии проходить через «жидкое» внешнее ядро Земли, жидкие и газообразные среды. Их скорость зависит от сопротивления материала среды сдвигу, и составляет примерно 7/12 от скорости Р-волн.

Из-за неоднородности недр на сейсмограмме отражается широкий спектр сейсмических волн разного типа. Помимо P и S волн к основным относятся т.н. поверхностные волны Рэлея и Лява (R и L). Они названы по именам ученых разработавших математическую теорию их распространения.

При прохождении волн Рэлея частицы среды описывают вертикальные эллипсы вдоль направления распространения. В поверхностных волнах Лява частицы среды колеблются перпендикулярно направлению своего распространения. Эти типы волн распространяются по земной поверхности подобно волнам в водоемах со скоростью 3,2 — 4,4 км/с.

Из-за того, что Р-волны вблизи от очага землетрясения имеют большую скорость, чем S-волны они регистрируются первыми, отсюда их наименование «Primary». Поперечные S-волны распространяются с меньшей скоростью и приходят следом за P-волнами. Соответственно их назвали вторичными волнами «Secondary». Чем дальше от очага землетрясения расположена сейсмическая станция, тем больший интервал времени между моментами вступления на сейсмограмме P и S волн. Это свойство используется для определения дистанции от станции до очага землетрясения.

На больших удалениях от источника волновая картина значительно меняется из-за неоднородности земных недр. Для её расшифровки в этом случае используются специальные годографы времён пробега типов волн. Один из первых широко использовавшихся годографов получил название по имени его создателей англичанина Сэра Гарольда Джеффриса и австралийца Кита Эдварда Буллена. Буллен также построил одну из первых сейсмических моделей внутреннего строения Земли.

Сейсмические волны проходят внутри земного шара в местах недоступных для прямых измерений. Все, что они встречают на пути, формирует их структуру, и отражается на сейсмограммах. Их анализ позволяет получить представление о том, как распространялись сейсмические волны и изучать строение земных недр.

Интересен сам по себе факт открытия сейсмических волн. Теоретически существование в твердых телах объёмных Р и S волн предсказано в 1829 году Пуассоном, но до 1900 года сейсмологам не удавалось их однозначно распознавать на сейсмограммах. Многие исследователи принимали поверхностные волны Релея за вступления S-волн и приходили к ошибочным результатам.

Проблема была решена в 1899 году Ричардом Диксоном Олдхэмом сумевшего в записях Ассамского землетрясения 1897 года выделить истинные вступления S-волн. Это позволило уже к 1914 году составить общую картину строения планеты и её скоростного разреза. Выдающийся вклад в решение этой задачи внесли такие ученые как Олгрем, Цепринтц, Мохорович, Гуттенберг, Вихерт, Джеффрис, Буллен, Лапвуд и другие.

Джеффрис одним из первых рассчитал кривую времен пробега сейсмических волн (годограф) в зависимости от строения Земли. Это позволило по записям колебаний на сейсмограмме точно определять место и время возникновения землетрясений. Для этого было достаточно измерить моменты вступления Р и S волн на станции и по интервалу времени между ними с использованием годографа рассчитать дистанцию (эпицентральное расстояние) между станцией, где получена запись и эпицентром землетрясения. Сопоставляя полученные расстояния по нескольким станциями можно точно определить место и время возникновения землетрясения или, как его называют сейсмологи время в очаге (t₀).

Расшифровка структуры записи сейсмических волн очень сложная задача. С момента вступления Р-волн (в ближней зоне землетрясений) и длительное время после, сейсмическая запись не бывает спокойной, а вступления остальных фаз происходят на фоне предыдущих колебаний. С другой стороны, на сейсмограмме всегда присутствуют микроколебания — микросейсмы (сейсмические шумы), которые затрудняют измерения. Чем чувствительнее прибор, тем больше амплитуда помех, а значит и ошибки в определении координат и глубины очага землетрясения.

Традиционно сейсмостанции оснащаются сейсмографами для записи колебаний в виде сейсмограммы смещений. Однако существуют и другие типы сейсмических приборов. Это велосиграфы для записи скоростей и акселерометры для записи ускорений грунта. Эти приборы устанавливаются в инженерных сооружениях там, где могут возникнуть интенсивные сейсмические колебания. Они находятся в режиме ожидания, и включаются при сильных землетрясениях. С их помощью удаётся точно определять продолжительность разрушающей фазы землетрясения и её частотный спектр.

Наряду с сейсмическими станциями на суше создаётся все больше пунктов наблюдений на морском дне. В 1940 году было обнаружено, что помимо распространяющихся в твердой оболочке Земли сейсмических волн, у землетрясений есть акустическая компонента Т-фаза. Её исследование имеет большой интерес для поиска методов прогноза цунами. Поэтому на морских станциях, наряду с сейсмографами, устанавливаются гидрофоны для записи акустических сигналов.

Достижения электроники и современные телекоммуникации обеспечили условия для создания цифровых сейсмических станций с передачей данных по телеметрическим каналам связи. С другой стороны, переход с телесейсмического на региональный, а затем и на локальный уровень наблюдений сопровождается порядковым скачком объёма данных который человеческий мозг без компьютеров проанализировать не в состоянии.

Рост количества пунктов наблюдений и совершенствование приборов для записи сейсмических колебаний позволили регистрировать с каждым десятилетием всё больше землетрясений происходящих в недрах планеты. Если в начале 1900-х годов регистрировалось около 40 землетрясений магнитуды 7 и выше, то к XXI веку местоположение и сила всех происходящих землетрясений такой магнитуды фиксировалась, и составила более 4000 событий за десятилетие.

Новые информационные и коммуникационные технологии (ИКТ) позволили автоматизировать передачу, обработку и анализ сейсмологических данных. Сейсмические каталоги стали составляться с большей детальностью отображая сейсмическую активность всего земного шара начиная с магнитуды 6 и выше. Так если в начале первого десятилетия прошлого века таковых было зафиксировано только пять штук, то в первом десятилетии XXI века их уже было в тысячу раз больше — почти пять тысяч.

Зачастую ошибочно сообщают об увеличении числа землетрясений на планете исходя из этих данных. Однако это не так. Повышение чувствительности приборов и количества пунктов на планете позволяет регистрировать больше сейсмических событий. Это хорошо видно на примере графиков числа зарегистрированных землетрясений с 1900 по 2015 год. Для землетрясений магнитуды 6 и 7 такой рост действительно происходит но он связан с инструментальными возможностями и использованием в обработке данных электронно-вычислительных машин. Для землетрясений больших магнитуд роста нет и среднегодовое число значимо не изменятся.

Динамика роста количества информации о происходящих на планете землетрясениях. Из графика событий магнитудой около 6 по шкале Рихтера видно, как увеличивалась чувствительность сейсмических наблюдений в мире. На восходящем тренде землетрясений магнитуды около 7 выделяется квазипериодические колебания с пиками в 1911—1920, 1931—1940, 196—1970 и 1991—2000 годах обязанные природному фактору.

Развитие Интернет позволило оперативно сообщать о происходящих на планете землетрясениях. На специальных веб-сайтах благодаря машинной обработке очень быстро появляются сведения о каждом сильном землетрясении, где бы оно не произошло на планете. Подобные службы имеются в Европе, США, России и других странах.

Методы сейсмологии оказались востребованы после запрета испытаний в воздухе и на земле. Подрывы ядерных зарядов начали проводить под землей, а поскольку от них сейсмические волны распространяются также так же как от землетрясений, поэтому по их записям можно точно определить место, время и мощность испытанного ядерного оружия.

Основная проблема заключается в том, как отличить ядерные взрывы от землетрясений, происходящих на планете почти непрерывно. Тем более что для сокрытия мощности и особенностей ядерного заряда испытания проводятся там, где часто возникают обычные землетрясения. Отметим, хотя волновые поля от взрывов и землетрясений содержат заметные для сейсмологов отличия и, все же по ним не всегда удается однозначно установить факт проведения подземных взрывов.

Сейсмические явления сопровождают эволюцию других планет солнечной системы, и получают научное наименование в зависимости от места своего возникновения. В 1997 году орбитальным спутником Сохо зарегистрировано солнцетрясение излучившее в сорок тысяч раз больше энергии, чем землетрясение в Сан-Франциско 1906 года. Этой энергии с лихвой хватило бы для обеспечения США электроэнергией в течение двадцати лет.

20 июля 1969 года произошло знаменательное событие. Впервые сейсмические наблюдения начали вестись на другой планете. Американскими астронавтами Нилом Амстронгом и Базом Олдрином во время экспедиции «Аполлон-11» в Море Спокойствия в 168 метрах от лунного модуля установлена первая инопланетная сейсмическая станция. Аппаратура весила 48 килограмм и запитывалась от солнечных батарей. Станция проработала около месяца позволив обнаружить лунотрясения, а также то, что падение метеоритов вызывает долго незатухающие сейсмические колебания лунной поверхности.

Сейсмограммы землетрясения (1995) магнитудой 5,1 и ядерного взрыва (1998) магнитудой 4,8 в Индии.

В ноябре 1969 года экспедиция «Аполлон-12» смогла провести более длительные сейсмические наблюдения на Луне. Затем экспедициями 14, 15 и 16 на видимой стороне спутника Земли были установлены еще три высокочувствительные станции оснащенные приборами для наблюдений в широком частотном диапазоне.

Во время экспедиции «Аполлон-12» зарегистрировано много лунотрясений. Их природа была связана как с тектоническими процессами и воздействием на Луну земных приливов, так и ударами метеоров о её поверхность. Самое первое записанное лунотрясение было вызвано ударом о поверхность модуля, на котором астронавты летали на поверхность Луны.

Удар 2,5 тонного аппарата «Аполлон-12» на первой лунной космической скорости (1,7 км/с) был эквивалентен взрыву 800 килограммов тротила. С поверхности поднялось многотонное облако пыли, а через 23,5 секунды волны от удара записал сейсмометр. Колебания лунного грунта продолжалось около часа, что стало сюрпризом для исследователей. Оказалось, что в отличие от Земли на Луне возникают долго незатухающие колебания, подобно тому, как если это был колокол.

Помимо обнаружения лунотрясений астронавты смогли провести первую сейсморазведку на другой планете. На профилях длиной в несколько десятков метров они через каждые 4 — 5 метров производили удары по грунту, и записывали сигналы. На первых инопланетных профилях также устанавливались специальные заряды, подрывавшиеся по команде с Земли, но уже без космонавтов на Луне.

Сейсмостанция экспедиции «Аполлон-17» на Луне (NASA, Public Domain).

13 мая 1972 года в 142 километрах от лунной сейсмостанции упал метеорит диаметром два метра на скорости 20 км/с. Удар от него был настолько силн, что образовался кратер диаметром в сто метров. Сейсмометры на двух сейсмостанциях расположенных в 967 километрах и 1026 километрах от места падения метеорита зашкалили, но смогли записать лунотрясение. После обработки сейсмограмм было обнаружено существование у Луны коры. Она оказалась слоистой и сложенной из кальциево-алюминиевых пород с высокими градиентами скоростей.

Во время экспедиции «Аполлон-13» высадки людей на поверхность Луны не было, но ею было вызвано искусственное лунотрясение. Так, третья ступень ракеты «Сатурн» весом в 15 тонн на второй космической скорости (2,5 км/с) ударилась о лунную поверхность на расстоянии 135 км от сейсмометров. Это удар был эквивалентен взрыву десяти тонн тротила, а колебания от него не затухали четыре часа.

Еще недавно казалось, что исследования сейсмичности Луны представляют чисто научный интерес, однако планы организовать на этой планете обитаемую станцию перевели их в разряд практически важных. На Луне в 1972 — 1977 годах зарегистрированы несколько лунотрясений с магнитудой около 5,5 по шкале Рихтера. Если подобное лунотрясение произойдет вблизи от лунной станции, то она может не выдержать сейсмического удара.

Цифровые сейсмические станции в мире. Увеличение числа и чувствительности станций позволяет регистрировать всё больше сейсмических событий на планете.

Еще продолжалась работа первой лунной сейсмической сети, когда к сейсмическому патрулю присоединилась четвёртая планета Солнечной системы — Марс. Первые сейсмические наблюдения на этой планете были проведены спустя сто лет после Великого противостояния 1877 года, когда были открыты спутники и каналы Марса.

Планировалась работа на Марсе двух сейсмических станций летевших на космических аппаратах «Викинг». Однако первый сейсмометр при посадке на равнине Хриса не смог распаковаться, и включить электропитание. Зато второй, на равнине Утопия, проработал в течение 19 земных месяцев, с 4 сентября 1976 года по 3 апреля 1978 года.

6 ноября 1976 года удалось впервые записать марсотрясение с магнитудой около трех по шкале Рихтера. Однако общие результаты марсианских наблюдений оказались менее результативны, чем на Луне. Видимо только в будущем удастся найти ответы на поставленные вопросы о внутреннем строении четвертой планеты. Тем не менее, важен тот факт, что сейсмические исследования перекинулись на другие планеты, свидетельствуя о появлении нового направления сейсмологии — внеземного.

Изучение сейсмической активности небесных тел очень важно для понимания геологических процессов происходивших на Земле в древности и её будущей судьбы. В этой связи в 1968 году учёный и писатель Иван Ефремов отметил: «К физическим исследованиям Земли как планеты, небесного тела примыкает астрофизика. Изучение развития разновозрастных планет, звезд, метеоритов дает нам возможность в известной мере восстановить ту часть истории Земли, которая не записана в геологической летописи — слоях земной коры и относится к эпохе начального образования Земли».