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.

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…

Луций Анней СенекаОколо 4 года до н.э. — 65 н.э.

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 природы подземных ударов происходит на стыке многих наук — геологии, геофизики, физики, химии, биологии, истории и 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. Методы сейсмологии используются для исследования строения Луны и Марса.

Сейсмология позволила понять природу землетрясений, разработать новые технологии строительства стойких к подземным ударам сооружений и многое другое. Однако первые шаги этой науки не были легкими. 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 Джон Мичелл первым предположил, что землетрясения вызываются прохождением через земную кору упругих волн. Его идея опередила время, подготовив почву для восприятия происходящих в земных недрах процессов на основе опыта. Пытаясь объяснить землетрясения в терминах ньютоновской механики, он проанализировал показания очевидцев, и опубликовал в 1760 году книгу «Предположения о причинах возникновения землетрясений и наблюдения за этим феноменом».

Митчелл совершенно верно заключил, что землетрясения это «волны, вызванные движением пород, находящихся в милях под поверхностью земли». 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 океаническим дном, возникает волна цунами и землетрясение.

Митчелл утверждал, что есть два типа волн, вызывающих землетрясения, и был недалек от истины. Первый из них «треморное» колебание внутри Земли, сопровождающееся волнообразными поднятиями на её поверхности. Из этого Митчелл сделал вывод, что скорость движения волны можно определить по времени ее прибытия к различным точкам на земной поверхности. Он стал первым ученым сделавшим подобный расчет, хотя и не знал о том, что скорость сейсмических волн варьируется в зависимости от типа горных пород, через которые они проходят.

По свидетельствам очевидцев Лиссабонского землетрясения 1755 года Митчел оценил скорость сейсмических волн в 1930 км/ч. Он также предположил, что местоположение центра землетрясения на поверхности земли (то, что сейчас называется эпицентром) можно определить путём сопоставления данных о времени прибытия колебаний в то или иное место. Этот метод стал основой современных способов определения эпицентра, хотя Митчелл использовал неверный приём для расчета эпицентра Лиссабонского землетрясения на основе свидетельств о направлении цунами.

Новый скачок в развитии сейсмологии произошел в середине XIX века благодаря Роберту Маллету. Он в течение двух десятилетий собирал данные об исторических землетрясениях и проводил натурные эксперименты. Маллет составил каталог мировой сейсмичности состоящий из 6831 землетрясении. По каждому из них приводились дата, местоположение, число толчков, возможное направление, продолжительности колебаний и их последствиях.

В 1858 году для изучения сильного землетрясения Маллет совершил путешествие в Неаполь. Он исследовал вызванные им разрушения и составил первую в мире изосейсмическую карту. Места со схожими разрушениями Маллет соединил линиями, и выделил зону где землетрясение проявилось с наибольшей силой. С некоторыми улучшениями этот метод используется и сегодня для картирования проявлений землетрясений на поверхности земли.

Маллет придавал большое значение направлению падения объектов и типам деформаций в зданиях. Он использовал их как индикаторы характера проявления землетрясения. На самом деле особенности деформации во многом обусловливается не только силой колебаний, но конструкцией здания. Тем не менее, карты Маллета позволяли находить эпицентры землетрясений и сравнивать масштабы разрушений.

Маллет для документирования разрушений использовал новую для своего времени технику фотографии. Доклад о своих исследованиях Маллет подготовил в двух томах для Королевского общества. В 1862 году он опубликовал статью «Великое Неаполитанское землетрясение 1857 года: основные законы наблюдательной сейсмологии».

Несмотря на революционное значение идей Маллета почти до конца XIX века торжествовало объяснение землетрясений подземными вулканическими взрывами. Оно было сделано Александром Гумбольдтом. Как и древнегреческий историк и географ Страбон Гумбольдт рассматривал вулканы как предохранительные клапаны Земли и «…в тех местах, где эти клапаны открыты, там напряжения вулканических сил слабее, нежели там где их нет».

Маллет опубликовал карты мировой сейсмической активности, впервые наглядно проиллюстрировавшие тот факт, что землетрясения концентрируются в опоясывающих Землю узких зонах. Объяснение этому факту было найдено только в ХХ веке.

Череда разрушительных землетрясений конца XIX и начала XX веков способствовала тому, что в странах Европы, России, США и Японии приступили к систематическим наблюдениям за землетрясениями. Были составлены первые каталоги инструментально зарегистрированных землетрясений, построены карты распределения их очагов. Это позволило установить связь между землетрясениями и трансформацией вещества на поверхности и внутри Земли. Стали понятны причины разрушения зданий, и появилась возможность не интуитивно, а на научной основе возводить инженерные сооружения в сейсмоопасных зонах.

В 1899 году немецкий геофизик, сейсмолог Эмиль Вихерт предположил, что фиксируемые на сейсмограмме продольные P и поперечные S сейсмические волны имеют глубинное происхождение. Иными словами связаны с источниками в недрах Земли. Прошло еще несколько лет, и эта точка зрения получила всеобщее признание. Стала понятна общая картина возбуждения и распространения сейсмических волн в недрах планеты.

В 1906 году Вихерт истолковал промежуточные группы волн на сейсмограмме как отраженные от земной поверхности, а англичанин Диксон Олдхэм (Олгрем) по характеру распространения S-волн предположил существование у планеты внутреннего ядра. Позже оно было подразделено на внешнее «жидкое» и внутреннее «твердое» ядро.

В 1907 году немецкий геофизик и сейсмолог Карл Цепприц доказал, что изучение амплитуд сейсмических волн позволяет судить о внутреннем строении Земли.

В 1909 году хорватский геофизик и сейсмолог 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 сейсмологу Бено Гуттенбергу сформулировать общее представление о внутреннем строении Земли.

Карта мировой сейсмичности Роберта Маллета, 1854 год.

В 1936 году датский геофизик, сейсмолог и преподаватель Королевского общества в Лондоне Инге Леманн по данным сейсмических станций Екатеринбург и Иркутск оборудованных сейсмографами Голицына установила существование у планеты внутреннего ядра. Но только спустя пятьдесят лет американскими и французскими учеными доказано, что твердое земное ядро состоит из железа и никеля, а его диаметр составляет 2,4 тысячи километров.

В 2005 году сейсмологи из США и Канады пришли к выводу, что ядро Земли вращается быстрее, чем ее мантия и кора, делая лишний оборот вокруг своей оси примерно раз в тысячу лет.

В 2013 году ученые из Австралийского национального университета обнаружили, что ядро нашей планеты, часто рассинхронизируется с остальными частями Земли и начинает вращаться с большей или меньшей скоростью.

Самый верхний слой земного шара получил название земной коры. Она подразделяется на два основных типа: материковый и океанический. Под земной корой расположена раскалённая мантия толщиной около трех тысяч километров.

В земной коре и мантии температура повышается с глубиной. Из мантии к дневной поверхности поднимается тепловой поток, в несколько тысяч раз меньший, чем поступает от Солнца. Здесь температура недостаточна для полного расплавления ее вещества. Под материками она достигает около 700 градусов по Цельсию.

Ниже мантии залегает земное ядро с радиусом в 3470 километров. В нём температура достигает астрономических величин — до пяти тысяч градусов по Цельсию, а вещество находится в расплавленном состоянии.

Из-за разных физических свойств материала, из которого состоит земной шар, с глубиной изменяются скорости распространения сейсмических волн. Изучение особенностей прохождения сейсмических волн вызванных землетрясениями и взрывами позволило получить представление о внутреннем строении Земли.

В сейсмологии многое взаимосвязано. Так, изучая места возникновения землетрясений, ученые выяснили внутреннее строение Земли, а затем то, что ее недра находятся в непрерывном движении. Изучение характера этих движений привело к пониманию процесса трансформации вещества внутри и на поверхности планеты. Это позволило построить модели для объяснения характера протекающих в её недрах физико-химических процессов. В свою очередь они привели 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, поиска месторождений полезных ископаемых.

Значительный вклад в сейсмологию внесли Д. Митчелл, Р. Маллет, Дж. Милн и Х. Джефрис (Великобритания), Б.Б.Голицын (Россия), Э. Вихерт и Б. Гуттенберг (Германия), К. Буллен (Австралия), Ф. Омори, А. Имамура и К. Вадати (Япония), А. Мохоровичич (Югославия), Б. Гутенберг, Ч. Рихтер (США), Ю. Ризниченко (СССР) и многие другие.