Ранние объяснения причин землетрясений

Введение

В недрах нашей  планеты непрерывно происходят внутренние процессы, изменяющие лик Земли. Чаще всего эти изменения медленные, постепенные. Точные измерения показывают, что одни участки земной поверхности  поднимаются, другие опускаются. Не остаются постоянными даже расстояния между континентами. Иногда внутренние процессы протекают бурно и грозная стихия землетрясений превращает в развалины города, опустошает целые районы.

Под угрозой  землетрясений находятся обширные территории, многие густонаселенные области и даже целые страны, например Япония. Наибольшая опасность землетрясений заключается в их неожиданности и неотвратимости. Однако научные достижения последних лет открывают реальные возможности не только предсказывать землетрясения, но и влиять на их ход.

Слово “землетрясение” - русское, и смысл его ясен: землетрясение  – это трясение земли. А точнее, землетрясение – это колебание  земной поверхности при прохождении  волн от подземного источника энергии.

По-гречески землетрясение  – seismos, следовательно, сейсмические явления – это те, что связаны с землетрясениями, а именно сейсмические волны, сейсмические приборы (сейсмографы), записи сейсмических колебаний (сейсмограммы), сейсмические станции и т.д.

Землетрясения – важная составная часть окружающей нас среды, и ни один район земного шара нельзя считать полностью от них избавленным. Сейсмологи работают во всех развитых, а также во многих развивающихся странах. Они интересуются, почему и как происходят землетрясения. Изучая волны, проходящие через Землю при землетрясениях, ученые воссоздают существенные детали ее внутреннего строения. Разработанные для такого изучения методы оказались полезными также при поисках нефти и других полезных ископаемых. В странах, где землетрясения происходят часто, возникают важные социальные и экономические проблемы, специальные задачи должны решать архитекторы и инженеры. Таким образом, сейсмология служит как практической деятельности человека, так и познанию фундаментальных законов природы.

Сейсмология –  это часть более широкой науки - геофизики, возникшей как пересечение и связующее звено двух более старых наук – геологии и физики. Геология в широком смысле слова занимается всесторонним изучением Земли, однако в настоящее время ее предметом, как правило, считают преимущественно описательное изучение происхождения и свойств горных пород и содержащихся в них ископаемых, а также преобразований земной поверхности под воздействием высоких температур, давления, электричества и других сил. В сферу действия геофизики попадают, таким образом, разделы геологии, связанные с физическими измерениями и расчетами, и разделы физики, рассматривающие Землю и ее атмосферу.

Ранние  объяснения причин землетрясений

В поисках причин землетрясений Аристотель обратился  к недрам Земли. Он полагал, что атмосферные вихри внедряются в землю, в которой много пустот и сквозных щелей. Вихри, думал он, усиливаются огнем и ищут себе выхода, вызывая таким образом землетрясения, а иногда извержения вулканов. Эти представления просуществовали много веков, даже не смотря на то, что он не привел никаких аргументов в пользу своих гипотез, а просто дал волю своей бурной фантазии. Аристотель также “несет ответственность” за бытующее и поныне представление об особой “сейсмической погоде”. Он говорил, что когда воздух затягивается в землю перед землетрясением, оставшийся над землей воздух становится спокойнее и разреженней, затрудняя дыхание. Четырьмя веками позже Плиний писал: “Сотрясенья земли случаются, лишь когда море спокойно и небо столь недвижно, что птицы не могут парить, потому что нет поддерживающего их дыхания”. Поскольку такие условия бывают при жаркой влажной погоде, такую погоду стали называть “сейсмоопасной погодой”, полагая, что она сигнализирует о приближении землетрясений.

В мифологии  разных народов наблюдается интересное сходство в представлениях о причинах землетрясений. Это будто бы движение некоего реального или мифического животного, гигантского скрытого где-то в глубинах Земли. У древних индусов это слон, у даяков Суматры – огромный вол. Древние японцы вину за землетрясения возлагали на сома, который сотрясал землю. Если бы он не был под надзором доброго бога даймедзина,

то земля  сотрясалась бы постоянно. Однако добрый дух время от времени утрачивал  бдительность, и совесть злого  сома отягощалась следующим землетрясением.

Землетрясения часто рассматривали как наказание, ниспосланное рассерженными богами. В греческой мифологии землетрясения  вызывает разъяренный Посейдон, владыка  морей. Нептун, его аналог в римских  мифах, мог не только вселять страх  в людей, вызывая землетрясение, но и насылать на землю потопы, а на берега – огромные волны. В Европе ХVIII в. духовенство пыталось привить людям моралистический взгляд на землетрясения. Вот что можно прочесть в одной лондонской газете за 1752 год: ”Землетрясения обычно случаются в больших городах. Карающий бич направлен туда, где есть жители, т.е. цель для предостережения, а не на голые утесы и необитаемые берега”. Знаменитое Лиссабонское землетрясение 1755г. произошло в День Всех Святых, в момент, когда люди были в церкви. Огромное число жертв было вызвано серией из некоторых толчков и гигантским цунами, обрушившимся на набережную. Положение усугубили пожары, расбушевавшиеся по всему городу. Те, кто верил в божью кару за грехи, видели в этом возмездие.

Современные объяснения причин землетрясений

Наука о землетрясениях, сейсмология, хотя и молода, но сделала  серьезные успехи в познании объекта  своего исследования. Имена А.П. Орлова, И.В. Мушкетова, К.И. Богдановича, В.Н. Вебера, Б.Б. Голицина, Г.А.Гамбурцева, С.В. Медведева, Ю.В. Ризниченко – яркие опорные точки на кривой роста отечественной и мировой сейсмологии.

Ценою усилий нескольких поколений исследователей специалисты  теперь неплохо представляют, что  происходит при землетрясении и  как оно проявляется на поверхности Земли. Но ведь поверхностные явления – это результат того, что происходит в недрах . И основное внимание специалистов теперь сосредоточено на познании глубинных процессов в недрах Земли, процессов, приводящих к землетрясению, его сопровождающих и за ним следующих.

Теория землетрясений  как геофизического процесса еще  только разрабатывается. Хотя в исследованиях  такого рода ныне широко используется физическое и математическое моделирование, познание различных природных феноменов, связанных с землетрясениями, в значительной мере основывается на наблюдениях на земной поверхности.

Научная геология (ее становление относится к ХVIII в.) сделала правильные выводы о том, что сотрясаются главным образом  молодые участки земной коры. Во второй половине ХIХ в. уже была выбрана общая теория, согласно которой земная кора была подразделена на древние стабильные щиты и молодые, подвижные горные сооружения. Выяснилось, что молодые горные системы – Альпы, Пиренеи, Карпаты, Гималаи, Анды – подвержены сильным землетрясением, в то время как древние щиты ( к ним относится Чешский массив) являются областями где сильные землетрясения отсутствуют.

К числу наиболее употребительных сейсмологический терминов, связанных с понятием “землетрясение”, можно отнести следующие: очаг, гипоцентр, эпицентр, магнитуда, балл.

Под очагом тектонического землетрясения понимается замкнутый  объем земного вещества, в котором  достаточно короткого, до 1-3 минут, времени  произошли разрушения. Как правило, в области очага происходит смещение (подвижка) одной части объема относительно другой. Место, в котором начинается подвижка, именуется гипоцентром.

Именно с  этой точки начинается процесс генерации  сейсмических волн, которые могут  привести к разрушениям за пределами  очага. Проекция гипоцентра по вертикали на земную поверхность получила название эпицентра.

Понятие балла  характеризует интенсивность сотрясения в точке наблюдения. В нашей  стране с 1964 года используется 12-бальная  шкала MSK – 64. Следует отметить, что  несейсмологи в баллах зачастую характеризуют саму силу землетрясения в очаге. Это неверно, однако в газетных сообщениях встречается регулярно. Как правило, это касается шкалы Рихтера, в которой используется безразмерная величина магнитуды М землетрясения, пропорциональная логарифму выделенной в очаге энергии. Путаница возникла в связи с двумя обстоятельствами: 1) магнитуды известных до сих пор землетрясения не превышает 9 единиц (в каталогах есть только М (макс.) равна 8,9) ,то есть магнитуда численно близка к значениям баллов сотрясений; 2) мы привыкли к тому, что любой параметр имеет размерность (метры, килограммы, градусы) ,а ведь логарифмы любых параметров всегда безразмерны. Поэтому, если в печати появляется сообщения типа “ землетрясение имело 7 баллов по шкале Рихтера”, то в действительности это означает, что магнитуда землетрясения М=7. А ощущаться в разных пунктах оно может силой 10 баллов, 8 баллов,5 баллов-

это зависит  от расстояния до очага. Таким образом  если бальность зависит от расстояния до очага, то магнитуда – не зависит.

Шкала MSK-64 составлена применительно к зданиям и сооружениям, не имеющем сейсмостойкого усиления конструкций. Приведу здесь описание первых четырех баллов этой шкалы без изменений, а начиная с пятого, когда возможны повреждения строений, опишу основные отличительные признаки землетрясений и вероятное их воздействие на здания современной застройки на Камчатке. При описании каждого балла в скобках указана частота повторяемости землетрясений данной силы для Петропавловска- Камчатского.

1 б а л  л. Неощутимое землетрясение. Интенсивность колебаний лежит ниже предела чувствительности, сотрясения почвы обнаруживаются и регистрируются только сейсмографами.

2 б а л  л а. Слабое землетрясение.  Колебания ощущаются только отдельными  людьми, находящимися внутри помещения, особенно на верхних этажах.

3 б а л  л а. Слабое землетрясение.  Ощущается не многими людьми, находящимися внутри помещений,  под открытым небом – только  в благоприятных условиях. Колебания  схожи с сотрясениями, создаваемыми  проезжающим легким грузовиком. Внимательные наблюдатели замечают небольшое раскачивание висячих предметов, несколько более сильное на верхних этажах.

4 б а л  л а. Заметное сотрясение. Землетрясение  ощущается внутри здания многими  людьми, под открытым небом –  немногими. Кое-где просыпаются, но никто не пугается. Колебания схожи с сотрясением, создаваемым проезжающим тяжелым грузовиком. Дребезжание около дверей, посуды. Скрип стен, полов. Дрожание мебели. Висячие предметы слегка раскачиваются. Жидкость в открытых сосудах слегка колеблется. В стоящих на месте автомашинах толчок заметен.

5 б а л  л о в (15-25 раз в 100 лет). Просыпаются  почти все спящие, колеблется  и частично расплескивается вода  в сосудах, могут опрокинуться  легкие предметы, разбиться посуда. Здания не повреждаются.

6 б а л  л о в (10-15 раз в 100 лет). Многие люди пугаются, колебания мешают ходить. Здания шатаются, сильно раскачиваются подвесные светильники. Падает и бьется посуда, предметы падают с полок. Может сдвигаться мебель. Осыпание побелки, тонкие трещины в штукатурке.

7 б а л л о в (4-6 раз в 100 лет). Сильный испуг, колебания мешают стоять на ногах. Двигается и может упасть мебель. В любых зданиях – трещины в перегородках. Трещины в штукатурке, тонкие трещины в стенах, трещины в швах между блоками и в перегородках, выпадение заделов швов, нередко тонкие трещины в блоках.

8 б а л  л о в (1-3 раза в 100 лет). Сбивает  с ног. Трещины в грунте на  склонах.. В любых зданиях –  повреждение, иногда частичное  разрушение перегородок. Трещины  в несущих стенах, обвалы штукатурки, смещение блоков, трещины в блоках.

9 б а л  л о в (приблизительно 1 раз  в 300 лет). Повсеместно трещины  в грунте. На склонах – оползни  грунта. В любых зданиях – обрушение  перегородок. Разрушение части  несущих стен, повреждение и смещение  некоторых панелей.

Рубленные дома из бревен и бруса, как правило, без разрушений переносят 9-балльные толчки.

Причины землетрясений  сразу же станут понятны, как только мы представим себе динамичный характер Земли и те медленные движения, которые происходят в ее коре –  литосфере. Толщина коры весьма изменчива. Под континентами она равна 30-35км, при чем большим горам, значительно превышающим средний уровень поверхности земли, почти всегда сопутствуют глубокие “корни”. Так, в Тибете толщина коры оказалась более 70 км. Основание коры под океанами находится примерно на 10 км ниже уровня моря. Его небольшую толщину хорошо иллюстрирует такой пример: если Землю уменьшить до размера яйца, то твердая кора окажется толщиной со скорлупу. Этот твердый слой, однако, не цельный: он разбит на несколько больших кусков, называемых плитами.

Под литосферой действуют силы, принуждающие плиты  перемещаться со скоростью, как правило, нескольких сантиметров в год. Причина  этих глубинных сил не вполне ясна. Они могут быть вызваны, например, медленными течениями горячего пластичного вещества в недрах. Течения возникают в результате тепловой конвекции в сочетании с динамическими эффектами вращения Земли. В некоторых областях новое вещество поднимается на верх из земных недр, оттесняя плиты в стороны (это происходит, например, в Срединно – Атлантическом хребте); в других местах проскальзывают одна вдоль другой (как вдоль разлома Сан-Андреас в Калифорнии); есть области называемые зонами субдукции (поддвига), где одна плита при встрече заталкивается под другую ( например, в океане у западных берегов Южной и Центральной Америки, у побережья Аляски и Японии). Несогласованность в движении плит при любом его направлении заставляет каменную толщу растрескиваться, создавая таким образом землетрясения.

Не удивительно, что большинство землетрясений (почти 95%) происходит по краям плит. Землетрясения, вызванные движением плит, называются тектоническими. Хотя обычно они происходят на границах плит, все же небольшая доля их возникает внутри плит. Некоторые другие землетрясения как, например, на Гавайских островах, имеют вулканическое происхождения и уже совсем редко они бывают вызваны деятельность человека (заполнением водохранилищ, закачкой воды в скважины, горными работами, большими взрывами).