Природа землетрясений

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Землетрясение - подземные толчки и колебания земной поверхности, возникающие в результате внезапных смещений и разрывов в земной коре или верхней части мантии и передающиеся на большие расстояния в виде сейсмических волн.

Существуют два главных сейсмических пояса, где наиболее часто происходят землетрясения: Тихоокеанский, охватывающий кольцом берега Тихого океана, и Средиземноморский, простирающийся через юг Евразии от Пиренейского полуострова на западе до Малайского архипелага на востоке. В пределах океанов значительной сейсмической активностью отличаются срединно-океанические хребты.

Человек на сотрясающейся земле

Содрогается земля, раскрываются глубокие трещины, сдвигаются пласты пород, с грохотом раскалываются скалы, падают могучие деревья, рушатся дома, мосты, линии коммуникаций, возникают пожары... Земная твердь, эта надежная опора, вдруг предает. Что может быть страшнее? «Сильное землетрясение сразу разрушает наиболее привычные наши представления, - писал знаменитый английский естествоиспытатель Чарльз Дарвин (1809-1882). - Земля, самый символ незыблемости, движется у нас под ногами подобно тонкой корке на жидкости, и этот миг порождает в нашем сознании какое-то необычное ощущение неуверенности».

Землетрясения стоят на одном из первых мест среди особенно грозных явлений природы. Ежегодно в мире гибнут от землетрясений в среднем 10-50 тысяч человек. Отдельные землетрясения уносили сразу до сотни тысяч жизней и даже больше. Каждый год на Земле происходит более 100 землетрясений, способных вызвать разрушения; из них 10-20 землетрясений оказываются достаточно сильными.

Вот некоторые землетрясения с особенно большим числом жертв:

Шэньси (Китай), 1556 г. - погибли более 800 тысяч человек;

Шемаха (Азербайджан), 1667 г. - погибли около 100 тысяч человек;

Калькутта (Индия), 1737 г. - погибли около 300 тысяч человек;

Лиссабон (Португалия), 1755 г. - погибли около 70 тысяч человек;

Мессина (Италия), 1908 г. - погибли около 120 тысяч человек;

Ганьсу (Китай), 1920 г. - погибли более 150 тысяч человек;

Канто (Япония), 1923 г. - погибли около 140 тысяч человек;

Ашхабад (Туркменистан), 1948 г. - погибли около 50 тысяч человек;

Таншань (Китай), 1976 г. - погибли более 500 тысяч человек.

Степень катастрофичности землетрясения измеряется не только числом погибших людей, но также разрушениями, которые оно вызвало. Многое зависит от характера местности и типа земных пород в данном районе, от характера построек, их способности противостоять сейсмическим колебаниям. Большую роль играет и фактор внезапности. При своевременном предупреждении о землетрясении люди эвакуируются из опасной зоны, покидают дома.

Картины разрушений, производимых землетрясениями, подчас очень страшны. Они могут превосходить последствия мощных ракетно-бомбовых ударов. Обрушившиеся стены домов, вывороченные с корнями деревья, испещренная глубокими ямами поверхность, всюду горы всевозможных обломков. Какая же огромная энергия должна была высвободиться, чтобы произвести все эти разрушения! А вдобавок ко всему - массовые пожары. И, кроме того, гигантские волны цунами - частые спутники землетрясений в прибрежных местностях.

Вот как происходило одно из самых страшных землетрясений - Лиссабонское землетрясение 1755 года. Катастрофа разразилась в 9 часов 40 минут по местному времени 1 ноября. Послышался подземный рев, заколебалась земля, и от страшных толчков начали рушиться здания. Многие люди бросились к морю в надежде спастись на морском берегу или на кораблях, стоявших в гавани. Но это их не спасло. Ровно в 10 часов (через 20 минут после первых толчков) море внезапно отступило, увлекая за собой корабли, оголив дно. И вдруг море стремительно перешло в наступление на берег. Исполинская волна цунами высотой более 10 м обрушилась на берег, потом отхлынула, снова обрушилась на берег и повторила это еще раз. В результате мгновенно исчезли и великолепная мраморная набережная вместе с теснившейся на ней толпой, и здания порта и таможни, и многие дома, которым удалось частично уцелеть при подземных толчках. Все вместе с обломками было унесено морем. Но это еще не было завершением трагических событий этого дня. Примерно через три часа после подземных толчков, уже после того как более четверти зданий были разрушены, в городе начался пожар. Вскоре он принял чудовищные размеры. Пламя, перекидываясь от одного дома к другому, быстро превратило значительную часть португальской столицы в один огромный костер. Был объят пламенем королевский дворец. Превратилась в пепел знаменитая библиотека в 70 тысяч томов. В огне погиб и великолепный оперный театр, вызывавший всеобщее изумление своими грандиозными размерами и фресками. Сгорело все, что составляло величие и великолепие Лиссабона.

Знаменитый французский писатель и философ Вольтер (1694-1778) откликнулся на страшное землетрясение философским произведением под названием «Поэма о лиссабонской катастрофе». Известный английский геолог Чарльз Лайель (1797-1875), автор фундаментального трехтомного труда «Основы геологии», говоря о лиссабонском землетрясении, задал вопрос: «Перед лицом подобных ужасных катаклизмов может ли геолог с полной уверенностью утверждать, что Земля, наконец, пришла в состояние покоя?»

На примере лиссабонского землетрясения ты можешь видеть, насколько разрушительными бывают землетрясения, и можешь понять, почему они нередко приводят к столь огромным человеческим жертвам. А теперь послушай, как описывали землетрясения мастера художественного слова. Знаменитый писатель Максим Горький (1868-1936) в 1908 году жил в Южной Италии. Вот как он описывает страшное землетрясение, которое в конце декабря этого года произошло в итальянском городе Мессине и погубило 120 000 человек.

«В 5 часов 20 минут земля вздрогнула. Ее первая судорога длилась почти десять секунд. Треск и скрип оконных рам, звон стекла, грохот падающих лестниц разбудили спящих. Люди вскочили, ощущая всем телом эти подземные толчки. Качались стены. Срываясь, падали потолки, посуда, картины, зеркала; изгибался пол; мебель тряслась, двигаясь по комнате. Опрокидывались шкафы и подпрыгивали столы. Как бумажный, разрывался потолок, сыпалась штукатурка. В темноте все качалось, падало, с треском проваливаясь в какие-то вдруг открывшиеся пропасти...

Вздрогнув, пошатываясь, здания наклонялись; по их белым стенам змеились трещины, и стены рассыпались, заваливая узкие улицы и людей тяжелыми грудами острых камней. Подземный гул, грохот камней, визг дерева заглушают вопли о помощи, крики безумия, стоны раненых. Земля волнуется, как море, сбрасывая с груди своей дворцы, лачуги, храмы, казармы, тюрьмы, школы, с каждым содроганием уничтожая сотни и тысячи женщин, детей, богатых и бедных, неграмотных и ученых, верующих в Бога и отрицающих его.

Все море качалось, как огромная чаша, готовая опрокинуться на остатки города. Кажется, что вот сейчас вся смятенная масса его выплеснется на землю до последней волны, до последней капли. Вот поднялась к небу волна высотой неизмеримой, закрыла грудью половину неба и, качая белым хребтом, согнулась, переломилась, упала на берег. И страшной тяжестью своею покрыла трупы, здания, обломки, раздавила, задушила живых и, не удержавшись на берегу, хлынула назад, увлекая за собой схваченное...».

А вот как описывал сильное землетрясение знаменитый азербайджанский поэт и мыслитель Низами Гянджеви (1140-1209):

Вся земля сотряслась, туч метнулась гряда,

Сотрясенье земли унесло города.

Закрутилась земля. Иль пришел ее срок?

Стал ее кувыркать разыгравшийся рок.

Все оковы небес разомкнуться смогли.

Свел разгул сотрясенья суставы земли.

Заградил к ее жилах текучие воды,

Гор поранил хребет, в них закрыл все проходы.

Сжал он бедную землю в такие тиски,

Что огромные скалы разбил на куски...

Почему происходят землетрясения

Природа землетрясений: первоначальные и современные представления

Первоначальные объяснения природы землетрясений основывались на наивных представлениях об устройстве мира. Например, Земля держится на трех китах или четырех слонах; когда те двигаются, Земля покачивается - и происходит землетрясение. В средние века взгляды на природу землетрясений были более реалистичными. Считалось, например, что причиной землетрясений является движение ветров, «запертых» внутри земных недр. Можно вспомнить строки из «Божественной комедии» Данте:

...Внизу трясет, быть может, временами,

Но здесь ни разу эта вышина

Не сотряслась подземными ветрами.

Конечно, представление о подземных ветрах, сотрясающих земную поверхность, более разумно по сравнению с гипотезой о трех китах, но и оно не соответствует действительности. Не бушуют в недрах Земли ветры. Все это надо рассматривать как фантазию. Ее породила красивая легенда о царе ветров Эоле, который якобы держит все ветры Земли скованными в Пещере и время от времени выпускает их на свободу.

Точка зрения, согласно которой землетрясения - это сотрясения и обвалы под действием внутриземных ветров, просуществовала вплоть до XIX столетия. По современным представлениям, обвальные землетрясения и в самом деле бывают, но происходят они не от каких-то «внутренних ветров», а как следствие нарушения сводов карстовых пещер. Пещеры могут обрушиваться под действием различных факторов и прежде всего под действием воды. Это слабые и довольно редкие землетрясения. Они наблюдаются в карстовых областях; например, в Югославии и на Урале. Кроме того, обвалы могут быть связаны с оползнями в горах.

Более частыми и более опасными являются вулканические землетрясения. Они зарождаются на километровых глубинах и сопутствуют переходу магмы из твердого состояния в жидкое. Вулканические землетрясения могут быть связаны также со взрывами, происходящими при вулканических извержениях.

Основную группу землетрясений составляют тектонические землетрясения. О них-то мы с тобой и будем говорить ниже.

Глубинные разломы как первопричина тектонических землетрясений

Разговор следует начать издалека - от времен архея, отстоящих от нашего времени на 3,5-2,5 млрд. лет. Ты уже знаешь, что во времена архея образовалась твердая наружная оболочка Земли, которую можно назвать ранней (первичной) литосферой. Поначалу это была монолитная оболочка. Понятно, что она в определенной степени препятствовала уходу внутриземного тепла в космическое пространство, что привело к заметному повышению температуры под литосферной оболочкой и, как следствие, к некоторому расширению магматических масс. В результате монолитная литосферная оболочка не выдержала, и произошло глобальное землетрясение - монолитная оболочка раскололась на отдельные «куски». Возникла первичная сетка разломов литосферы. В дальнейшем формировались новые зоны разломов (землетрясения продолжались весьма активно); они накладывались на первичную сетку и все более усложняли общую картину.

Сегодняшняя литосфера Земли характеризуется богатством и разнообразием разломов - от глубинных разломов, идущих по краям литосферных плит, до разломов в пределах плит (когда разломы идут по земной коре в пределах данной плиты) и далее - до неглубоких разломов в приповерхностных областях земной коры. Первопричиной тектонических землетрясений являются в первую очередь и главным образом глубинные разломы, идущие по краям литосферных плит.

Постепенное созревание тектонического землетрясения

Ты уже знаешь, что литосферные плиты как бы плавают на астеносфере; при этом они совершают как смешения вверх и вниз, так и перемещения в горизонтальных направлениях. Все эти движения литосферных плит происходят из-за движений магматических масс астеносферы, т.е. за счет тепловой энергии земных недр. При движениях литосферных плит возникают вблизи их краев (т.е. в областях глубинных разломов) деформации пород, из которых сложены плиты.

Тут надо сделать небольшую паузу и поговорить немного о деформациях твердых тел. Прикладывая к твердому телу соответствующие силы, можно его изогнуть, сжать, растянуть. Соответственно говорят о деформациях изгиба, сжатия, растяжения. Проще всего продемонстрировать деформацию изгиба. Ведь совсем нетрудно пальцами руки согнуть какую-нибудь тонкую металлическую пластинку, например лезвие бритвы. Чтобы наблюдать деформации сжатия и растяжения какого-нибудь куска металла, одними руками не обойтись - тут потребуются более мощные усилия. Существенно, что любое тело нельзя как угодно сильно деформировать, т.е. как угодно сильно изгибать, сжимать, растягивать. Для каждого тела и для каждого вида деформации есть определенный предел прочности (определенный предел допустимых деформирующих усилий). Если превысить предел прочности, то произойдет разрушение. Изогнутое тело переломится. Растянутое тело разорвется. Сжатое тело расколется.

Далее учтем, что в процессе изгибания, сжатия, растяжения тела к нему прикладывались соответствующие силы, затрачивалась энергия. Затраченная в процессе деформации энергия перешла к деформированному телу. Будем называть энергию, накопившуюся в деформированном теле, энергией деформации.

Вот наглядный пример. Мы заводим пружину обычных часов. Это означает, что мы деформируем пружину и тем самым «заряжаем» ее энергией деформации. Впоследствии именно эта энергия обеспечит движение часовой стрелки. Если, закручивая часовую пружину, мы перестараемся и превысим предел прочности, пружина лопнет.

Вернемся к литосферным плитам и будем рассматривать их как твердые тела, которые в процессе движения по астеносфере подвергаются различным деформациям. Это те самые деформации изгиба, сжатия и растяжения, с которыми мы с тобой только что познакомились. Остановим внимание на какой-нибудь литосферной плите, подвергающейся каким-то деформациям. Пусть эта плита постепенно изгибается. Или постепенно сжимается. Обрати внимание: деформация происходит не вдруг, а постепенно, в течение длительного времени. Постепенно растет величина деформации и постепенно накапливается энергия деформации. Можно сказать, что наша плита постепенно «заряжается» энергией и все больше и больше напрягается.

Землетрясение как быстрое высвобождение энергии деформации земных пород

Этот процесс не может длиться сколь угодно долго. Как только будет превышен предел прочности плиты, так сразу же возникнет разрыв в породах, слагающих плиту, стремительно произойдут те или иные подвижки в породах. В тот же момент снимется напряжение в плите и высвободится энергия деформации.

Куда же денется высвободившаяся энергия деформации? (Ведь энергия не может исчезнуть, она сохраняется!). Частично энергия пойдет на нагревание литосферной плиты, а частично превратится в энергию сейсмических волн. Волны побегут по плите в разные стороны, доберутся до поверхности Земли, и там энергия волн превратится в разрушительную энергию землетрясения. Она будет раздвигать и сдвигать пласты пород, крушить скалы, превращать в руины башни, дома, мосты.

Такова в общих чертах картина возникновения землетрясения. Она требует некоторого уточнения. Дело в том, что деформациям, приводящим в конечном счете к землетрясению, подвергается всякий раз не вся литосферная плита, а только края плиты, т.е. области глубинных разломов. Поэтому надо уточнить типы глубинных разломов и виды деформации для тех или иных разломов. Все это мы сейчас уточним. Пока же важно оттенить главную общую мысль: землетрясение - это очень быстрое расходование накапливаемой медленно и постепенно энергии деформации земных пород; землетрясение происходит всякий раз тогда, когда процесс нарастания напряжений, обусловленных деформацией, превысит предел прочности породы. Землетрясение долго зреет, да быстро происходит.

Глубинные разломы литосферных плит

землетрясение сейсмический разлом литосферный

Четыре типа глубинных разломов

А теперь поговорим о глубинных разломах. Можно выделить четыре основных типа глубинных разломов.

Первый тип разломов - разломы, образовавшиеся в зонах субдукции (зонах глубоководных желобов), т.е. там, где океанический край одной плиты пододвигается под континентальный край другой плиты. Уходящая под континент плита подвергается деформации изгиба. Оказавшийся сверху край другой плиты также изгибается, но в меньшей степени. Зато он подвергается сжатию, в результате чего образуются горные складки на континентальном крае.

Второй тип разломов - разломы, образовавшиеся в зонах спрединга (зонах срединно-океанических хребтов). Здесь происходит изгибание океанического края плиты, связанное с выносом на поверхность дна океана магматических масс из глубин астеносферы. Эти массы, выходя на поверхность, не только изгибают край плиты, но и «приваривают» его к краю соседней плиты. Так как магматические массы астеносферы как бы тянут две плиты в разные стороны, то, естественно, возникает деформация растяжения.

Третий, тип разломов, пожалуй, наиболее сложен. Он встречается там, где континентальный край одной плиты напирает на континентальный край другой плиты. Тут ни одна из плит не может пододвинуться под другую и поэтому особенно сильно проявляется деформация сжатия. В результате происходит раскалывание краев плит, выдавливание отдельных участков вверх или вниз. Подобные разломы называют сбросовыми. Наряду со сжатием наблюдается также деформация изгиба; она собирает приповерхностные слои в горные складки.

Четвертый тип разломов - разломы, образовавшиеся между двумя плитами, которые смещаются параллельно друг другу. Края плит подвергаются деформации изгиба, которая приводит в конечном счете к сдвигу плит друг относительно друга в горизонтальном направлении. Подобные разломы геологи называют трансформными. Надо отметить, что трансформные разломы встречаются не столько в «чистом виде», сколько в сочетании с другими типами разломов. Их очень много в зонах спрединга; на дне океанов имеются многочисленные характерные трещины, идущие поперек осевой линии (гребня) срединно-океанического хребта. Образование трещин понять несложно. «Приваренные» друг к другу края двух плит растягиваются в разные стороны от осевой линии хребта. На разных участках этой линии степень прочности «приваренных» краев различна. Поэтому края плит разламываются, образуются упомянутые выше характерные поперечные трещины, соседние участки плиты между трещинами движутся параллельно друг другу, но с разной скоростью. Это типичные трансформные разломы.

Глубинные разломы и география сейсмически активных областей земной поверхности

Из предыдущего обсуждения тебе уже понятно, что сейсмически активные области земной поверхности (области землетрясений) должны наблюдаться там, где находятся глубинные разломы литосферных плит. Убедимся в этом, сопоставив области сейсмической активности с рисунком-схемой глубинных разломов. Эта схема приводилась в виде картины расположения срединно-океанических хребтов и глубоководных желобов, а затем повторялась в виде картины литосферных плит. Районы землетрясений очерчены на схеме.

Частые и наиболее сильные землетрясения происходят, как можно видеть, в пределах двух поясов - Тихоокеанского сейсмического пояса (он идет вокруг берегов Тихого океана) и Средиземноморского сейсмического пояса (он идет вдоль южного края Евразии от Пиренеев до Малайского архипелага). Тихоокеанский сейсмический пояс соответствует разломам первого типа, т.е. разломам с субдукцией. Средиземноморский сейсмический пояс соответствует разломам третьего типа (со сбросами). Относительно редкие, умеренные землетрясения происходят, как можно видеть, по линиям срединно-океанических хребтов. Они соответствуют разломам второго типа, т.е. разломам со спредингом. Что же касается разломов четвертого типа (трансформных разломов), то, как уже отмечалось, они обычно сочетаются с разломами других типов.

Впрочем, есть на Земле сейсмически активный район, где трансформный разлом наблюдается в «чистом виде». Это Калифорния. Здесь вдоль тихоокеанского побережья в направлении с юго-востока на северо-запад идет разлом Сан-Андреас. Глубина разлома достигает 30 км, в длину он тянется примерно на тысячу километров. Вблизи разлома находятся города Лос-Анджелес и Сан-Франциско.

Разлом Сан-Андреас - это часть разлома между Североамериканской и Тихоокеанской плитами. Посмотри на схему литосферных плит. Обрати внимание на то, что вблизи Калифорнии Североамериканская и Тихоокеанская плиты движутся почти параллельно друг другу в направлении с юго-востока на северо-запад. Но Тихоокеанская плита движется быстрее, чем Североамериканская; в результате эти плиты смещаются друг относительно друга (как если бы они двигались в противоположных направлениях). Отсюда и происхождение разлома Сан-Андреас. Лос-Анджелес находится на Тихоокеанской плите, а Сан-Франциско - на Североамериканской. В результате движения плит Лос-Анджелес постепенно «догоняет» Сан-Франциско. Геологи установили, что эти города сближаются со скоростью 5 см/год.

Сейсмические волны, родившиеся в очаге землетрясения

Землетрясение исподволь готовится в деформируемых породах. Возникает оно в той области деформированных пород, где в результате превышения предела прочности породы стремительно развивается (геологи говорят: вспарывается) разрыв и происходят быстрые подвижки пород. Эту область пространства внутри земных недр называют очагом землетрясения. Именно внутри очага происходит быстрое высвобождение накопившейся энергии деформации. Именно оттуда разбегаются во все стороны сейсмические волны, унося с собой высвободившуюся энергию деформации.

Очаги землетрясений возникают на разных глубинах. В большинстве случаев центр очага находится на глубине порядка 10 км (опускаясь до 50-60 км), т.е. в пределах континентальной земной коры. Очаги землетрясений могут возникать и глубже - они могут оказаться в пределах верхней мантии.

Показанный на рисунке вертикальный схематический разрез двух слоев дает представление о том, как возникает очаг землетрясения.

Родившиеся в очаге землетрясения сейсмические волны называют волнами объемного типа (или проще, объемными волнами) и подразделяют на продольные волны и поперечные волны. Продольные волны наиболее быстрые. Они распространяются в земных недрах со скоростью от 5 до 10 км/с - в зависимости от плотности породы. Скорость распространения поперечных волн - от 2 до 5 км/с. Мы встречались с продольными и поперечными сейсмическими волнами. На рисунке показано, как смещаются породы при распространении сейсмических волн. В продольных волнах смещения происходят параллельно направлению распространения волны, а в поперечных волнах - перпендикулярно к направлению волны. Понятно, что смещения пород совершаются за счет энергии деформации, высвободившейся в очаге землетрясения. При этом, однако, тратится отнюдь не вся энергия деформации. Продольные и поперечные волны достигают земной поверхности и тратят остаток энергии на производимые землетрясением изменения рельефа и разрушения всевозможных объектов, в том числе зданий.

Строго говоря, достигая земной поверхности, объемные волны тратят на всевозможные разрушения не весь остаток энергии деформации, а только одну часть ее. Другую часть они тратят на возбуждение особых сейсмических волн - волн, бегущих по приповерхностному слою. Их называют волнами поверхностного типа, или, проще, поверхностными волнами. По характеру смещений пород эти волны подразделяют на волны Лява и волны Релея. Из рисунка понятно, как смещаются породы в поверхностных волнах. Скорость этих волн сравнительно невелика - 1,5-2 км/с.

Получается, что при землетрясениях различные подземные сооружения (глубокие тоннели, колодцы, бункеры) должны страдать от разрушений в меньшей степени, чем наземные сооружения. Ведь на них обрушиваются только объемные сейсмические волны, тогда как наземные сооружения подвергаются действию не только объемных, но еще и поверхностных волн. Так оно и есть на самом деле.

Итак, энергия, вызывающая серьезные изменения рельефа и приводящая к ужасным разрушениям, - это всего лишь небольшая доля энергии сейсмических волн, родившихся в очаге землетрясения.

Поражают изменения рельефа - грандиозные трещины, раскрывающиеся во время отдельных землетрясений. Вроде тех, что изображены на рисунке внизу. Эти трещины образовались при землетрясении 1884 года в Андалусии (юг Испании). Они поглотили ряд домов и церквей. Во время землетрясения 1988 года в Спитаке (Армения) также раскрывались гигантские трещины. Туда проваливались целиком некоторые здания. Отдельные трещины затем закрывались, хороня в земных недрах поглощенные землетрясением дома вместе с людьми.

Рисунок 1. - Гигантские трещины, возникшие во время землетрясения

Размещено на Allbest.ru