Землетрясения. Основные причины возникновения землетрясений

Земля – сейсмически активная планета. Все, конечно, имеют некоторое представление из газет, телевидения или, возможно, из личного опыта о том, насколько сильными могут быть землетрясения. За считанные минуты они могут разрушить города и унести миллионы человеческих жизней.

Одно из самых разрушительных землетрясений 1990-х годов произошло недалеко от Кобе, Япония, 17 января 1995 года. В результате этого погибло более 5000 человек, 25000 были травмированы, а четверть миллиона остались без крова. Это было самое разрушительное японское землетрясение со времен землетрясения в Токио 1923 года, когда погибло 143000 человек.

1. Основные причины возникновения землетрясений

Что заставляет внешне твердую и жесткую поверхность Земли двигаться и таким образом вызывать землетрясение? В основном, землетрясения происходят, когда различные тектонические плиты, составляющие поверхность Земли, перемещаются относительно друг друга (рис. 1а), вызывая деформирование горных пород (рис. 1b). Деформирование происходит очень медленно, в течение десятков или сотен лет.

Читать также: Как происходят землетрясения

Когда породы деформируются очень медленно, они ведут себя так, как если бы они были пружинами, способными накапливать энергию при растяжении или сжатии. До землетрясения этот район похож на подпружиненную систему, готовую сработать. В конечном счете, в определенный момент напряжения деформации становится достаточно, чтобы заставить горные породы двигаться, высвобождая энергию в форме землетрясения. Образующиеся трещины в поверхности называются разломами. Они начинаются как небольшие трещины (рис. 1с), которые быстро вырастают до больших разломов (рис. 1d). В общем, чем больше площадь разлома, тем больше сила землетрясения. Длина разлома может варьироваться от нескольких метров при небольшом землетрясении до примерно 1000 км при очень большом землетрясении.

• (а) Часть Земли, где силы (показаны стрелками) пытаются сдвинуть породы в противоположных направлениях.
• (б) Перед появлением разлома породы растягиваются.
• (c) Когда деформации становится достаточно, чтобы вызвать разрушение горных пород, начинается разрыв в одной точке.
• (d) Разрыв быстро распространяется вдоль разлома, высвобождая энергию. Разломы не всегда происходят в одной плоскости, и силы, вызывающие движение, иногда могут приводить к тому, что породы по обе стороны разлома движутся вверх, вниз, или по горизонтали.

Каково реальное место возникновения землетрясения? По мере распространения начального разрыва, энергия высвобождается вдоль всего разлома, поэтому в некотором смысле землетрясение происходит по всей длине разлома, длина которого может составлять 1000 км. Однако полезно ссылаться на одну часть разлома как на место происхождения землетрясения, и это принимается за начальный разрыв, называемый очагом (фокусом) землетрясения. Обычно это происходит ниже поверхности Земли. Точка на поверхности Земли непосредственно над фокусом называется эпицентром (рис. 3).

За большим землетрясением часто следует серия более мелких землетрясений на одном и том же разломе, называемых афтершоками (или повторными толчками). Они могут продолжаться в течение нескольких месяцев после основного землетрясения. Эти повторные толчки вызваны изменением положения горных пород после основного землетрясения, высвобождением небольших, локализованных накоплений энергии на разломе. Иногда основному землетрясению предшествует один или несколько меньших толчков.

Землетрясение 1989 года в Калифорнии вызвало серию афтершоков, которые показали размер и ориентацию разлома. Это землетрясение произошло 17 октября 1989 г. с эпицентром примерно в 100 км к юго-востоку от Сан-Франциско, и обычно его называют «землетрясением Лома-Приета» по названию горы к востоку от эпицентра. Землетрясение произошло по разлому протяженностью около 40 км. Оно было достаточно сильным, чтобы вызвать разрушения не только в соседнем городе Санта-Крус, но и в Сан-Франциско и его окрестностях, где обрушились некоторые здания, мосты и надземные автострады.

На рисунке 4а представлена карта, показывающая расположение эпицентров землетрясения Лома-Приета и его афтершоков. Землетрясение и подземные толчки произошли вдоль хорошо известного разлома в Калифорнии — разлома Сан–Андреас.

На рисунке 4b показано вертикальное поперечное сечение этой области вдоль разлома, от точки B до точки B’ на рисунке 4a. Это показывает положение и глубину землетрясения и афтершоков, то есть их очаги. Видно, что афтершоки произошли на протяженности разлома более 70 км и глубина основного землетрясения была 17 км, а максимальная глубина афтершоков составила 21 км.

Рисунок 4c представляет собой поперечное сечение, показывающее очаги разлома под линией, соединяющей точку C с точкой C’ на рисунке 4a.

Разлом Сан-Андреас является крупнейшим и, возможно, наиболее активным из многих разломов в Калифорнии. Помимо землетрясения Лома-Приета, движение вдоль разлома вызвало другие крупные землетрясения, в том числе крупное землетрясение в Сан-Франциско в 1906 году. Тогда катастрофа привела к почти полному уничтожению города огнем в результате повреждения газовых трубопроводов. Разрыв водопроводных систем сделал невозможным тушение пожаров. Во время этого землетрясения земля к западу от разлома сдвинулась на целых 6 метров.

Теперь, зная немного больше о том, что вызывает землетрясения, мы можем вернуться к первому землетрясению, о котором говорилось выше (Кобе, 1995). Эпицентр находился примерно в 30 км к юго-западу от города Кобе (рис. 5). Породы сдвинулись горизонтально на 1,5 м вдоль 10-километрового разлома с северо-востока на юго-запад вдоль северного побережья острова Аваджи. Подземные толчки произошли на этом разломе и к северо-востоку, примерно в 50 км.

Единственное ранее зарегистрированное значительное землетрясение вдоль этого разлома произошло в 1916 году, и оно было значительно слабее, чем землетрясение 1995 года. Считалось, что разлом движется очень медленно, достаточно медленно, чтобы каждые тысячу лет или около того производить сильное землетрясение. К несчастью для Кобе, 1995 год оказался этим самым годом из тысячи.

2. Где на Земле чаще всего происходят землетрясения

Как глубоко в Земле происходят землетрясения? Большинство очагов землетрясений находятся в пределах нескольких десятков километров от поверхности. Землетрясения глубиной менее 70 км классифицируются как мелкофокусные (нормальные, очаг землетрясения на малой глубине). Землетрясения с глубиной очагов 70-300 км классифицируются как промежуточные, а те, что ниже 300 км, являются глубокофокусными. Мелкофокусные землетрясения происходят чаще, чем глубокофокусные. Около 75% общей энергии, выделяемой при землетрясениях, приходится на  мелкофокусные землетрясения. К сожалению, чем ближе к поверхности располагается очаг землетрясения, тем больший ущерб оно может нанести. Промежуточные и глубокофокусные землетрясения редко бывают разрушительными. Известно, что землетрясения не происходят ниже примерно 700 км. На больших глубинах породы очень горячие и находятся под высоким давлением, поэтому они деформируются, растекаясь, а не разрушаясь и разрываясь.

Происходят ли землетрясения повсюду или только в некоторых частях Земли? На рисунке 6 показано глобальное распределение землетрясений.

Землетрясения в основном приурочены к определенным областям Земли, называемым сейсмическими зонами (происходит от греческого слова «seismos», означающего «сотрясение»). Большая часть остальной части Земли относительно свободна от землетрясений или, по крайней мере, там не происходят крупные землетрясения.

Однако даже в Великобритании наблюдалось несколько небольших землетрясений.

Самое крупное из зарегистрированных в Англии землетрясений (в 1931 году) обладало примерно в тысячу раз меньшей энергией, чем землетрясение в Сан-Франциско 1906 года. Это землетрясение 1931 года произошло под Северным морем, но ощущалось на большей части территории Великобритании. Два землетрясения чуть меньшего масштаба произошли в Дуврском проливе в 1382 и 1580 годах, причинив значительный ущерб Лондону, в результате последнего погибли два ученика в Ньюгейте. В 1863 году Чарльз Диккенс испытал потрясение, вызванное землетрясением в Херефорде, и был вынужден написать статью в «Таймс» с описанием его последствий.

Большинство землетрясений связано с определенными особенностями рельефа поверхности Земли – срединно-океаническими хребтами, океанскими впадинами и некоторыми горными поясами. Также можно видеть, что более глубокие землетрясения характерны для океанских впадин, в то время как мелкие землетрясения более типичны для срединно-океанических хребтов. Эта взаимосвязь между особенностями поверхности Земли и движением тектонических плит, которое вызывает землетрясения, может быть объяснено теорией тектоники плит.

3. Магнитуда и балльность землетрясений

3.1 Интенсивность землетрясения

Почему некоторые землетрясения более разрушительны, чем другие? Есть три основные причины: местоположение (например, землетрясение с очагом под океаном на большом расстоянии от суши обычно не является разрушительным, если только оно не вызывает цунами), глубина (мелкофокусные землетрясения могут быть более разрушительными), но, самое главное, размер землетрясения.

Самый простой способ измерить силу землетрясения — посмотреть на причиненный им ущерб. Это мера силы сотрясения земли, вызванного землетрясением, и называется интенсивностью землетрясения (или по-другому балльность).

Для оценки интенсивности землетрясения в одном конкретном месте собираются описания того, что произошло с людьми и сооружениями во время землетрясения, и эти описания сравниваются со специальной шкалой последствий землетрясения, например, «предметы падают с полок» или «большинство дымоходов рушатся».

Первая из этих «шкал» появилась во второй половине XIX века. В 1902 году была разработана шкала Меркалли-Канкани, которая долгое время считалась одной из лучших. Она устарела и сегодня не используется, но именно на ее основе были созданы почти все современные 12-балльные шкалы, в том числе наиболее распространенная на сегодняшний день международная шкала Mедведева-Шпонхойера-Карника (MSK-64), разработанная в 1964 году. Она используется для оценки интенсивности землетрясений в большинстве стран мира. В описаниях приведены цифры по 12-балльной шкале интенсивности, при этом интенсивность 1 не ощущается, а 12 — полное разрушение.

Краткую расшифровку этой шкалы вы можете увидеть в таблице:

Шкала интенсивности является качественной шкалой, потому что она не основана на конкретных измерениях, хотя и пронумерована.

Важно понимать, что интенсивность относится к ущербу, причиненному землетрясением в каком-то определенном месте. В разных местах землетрясение будет иметь разную интенсивность. Поэтому неправильно ссылаться только на интенсивность землетрясения. Необходимо указать интенсивность в конкретном месте, или «максимальную интенсивность».

Интенсивность в эпицентре землетрясения Лома Приета 1989 года составляла 8 баллов, но максимальная интенсивность (и ущерб) имела место в некоторых районах Сан-Франциско и Окленда, примерно в 100 км к северо-западу от эпицентра, где была зарегистрирована интенсивность 9 баллов. Это произошло в основном из-за наличия слоя рыхлой песчаной почвы в районе залива Сан-Франциско, который не поддерживал строения так же хорошо, как твердая порода вблизи эпицентра.

Шкалы интенсивности имеют два основных недостатка: они бесполезны для землетрясений под океанами и не используются для необитаемых районов. Даже в населенных районах стандарты строительства в разных областях отличаются, поэтому последствия землетрясений различны. Чтобы преодолеть эти проблемы при измерении размеров землетрясений, вместо интенсивности часто используется другой способ измерения размеров землетрясения — с помощью приборов.

3.2 Магнитуда землетрясения. Шкала Рихтера

Магнитуда землетрясения — это мера количества выделяемой им сейсмической энергии. Шкала магнитуды землетрясения называется шкалой Рихтера, что не совсем корректно. Шкала Рихтера приближенно соответствует современным формулам для расчёта магнитуды, но в настоящее время не используется. Магнитуда землетрясения характеризует общую энергию сейсмических колебаний земной поверхности. Магнитуда определяется как «логарифм отношения максимальных амплитуд волн данного землетрясения к амплитудам тех же волн некоторого стандартного землетрясения» (магнитуда «стандартного землетрясения» принимается за 0).

Изменение магнитуды на одну единицу означает рост амплитуды колебаний в 10 раз и рост количества выделившейся энергии в 32 раза.

В отличие от интенсивности, магнитуда не имеет единицы измерения — она обозначается целым числом или десятичной дробью, поэтому неправильно говорить «магнитуда 6,9 баллов». Если интенсивность определяется субъективными показателями: по ощущениям людей, степенью повреждений сооружений, качественными изменениями рельефа, то определение магнитуды основано на строгих физико-математических расчетах. 

Можно провести аналогию: балльность землетрясения — это грубая, навскидку проведенная оценка силы взрыва по внешним проявлениям, а магнитуда — это мощность взрывного устройства. Однако следует помнить, что магнитуда не является абсолютным значением энергии землетрясения, это лишь относительная характеристика. Для определения фактической энергии землетрясения по значению магнитуды используется специальная формула.

Самое сильное землетрясение за всю историю наблюдений произошло в 1960 году в Чили, его магнитуда составила 9,5.

Все сообщения о сейсмических катастрофах обычно сопровождаются словами типа «…произошло землетрясение магнитудой 6,9 по шкале Рихтера». Такая формулировка является неверной. Правильно будет сказать следующее:

«Произошло землетрясение магнитудой 6,9»,

или, если речь идёт о балльности:

«…В N–ске произошло землетрясение интенсивностью 8 баллов (по шкале MSK-64)…».

Чарльз Рихтер и его шкала магнитуды

Многие ученые внесли свой вклад в эволюцию концепции величины землетрясения, но именно Чарльз Рихтер, профессор Калифорнийского технологического института, создал шкалу на основе многолетних наблюдений и применил ее к хорошо известным землетрясениям. Он объяснил эту шкалу в ставшей классической работе, опубликованной в 1935 году.

Профессор Рихтер по своей скромности никогда не присваивал шкале свое имя и отказался называть ее шкалой Рихтера в своих работах, даже уже после того, как пресса и общественность сделали «шкалу Рихтера» синонимом «шкалы магнитуд землетрясений».

Профессору Рихтеру часто было трудно объяснить людям, что шкала Рихтера — это математическая шкала, включающая измерения и расчеты на бумаге. «Они думают, что это какой-то прибор или устройство. Каждый год они приходят и хотят посмотреть на мою шкалу», — сказал он однажды в интервью. Рихтер позаимствовал термин «магнитуда» из астрономии, которой он увлекался на любительском уровне. В астрономии яркость звезд измеряется по шкале магнитуд.

В отличие от интенсивности землетрясения, любое землетрясение имеет только одну магнитуду Рихтера. Шкала Рихтера является количественной, поскольку основана на числовых измерениях. Она не имеет верхнего предела, но в действительности ее верхний предел обеспечивает сама Земля благодаря прочности горных пород. Самые сильные землетрясения, когда-либо зарегистрированные, имели магнитуду по шкале Рихтера 9,5.

Размеры землетрясений варьируются в огромных пределах, поэтому величина вызванных землетрясением подземных толчков может отличаться на тысячи и даже миллионы от одного землетрясения к другому. Для того чтобы справиться с таким огромным разбросом, шкала Рихтера основана на десятичных степенях, что означает, что увеличение на одну единицу по шкале означает десятикратное увеличение силы подземных толчков. Например, землетрясение магнитудой 2 подразумевает подземные толчки в 10 раз сильнее, чем землетрясение магнитудой 1. Землетрясение магнитудой 3 еще в 10 раз больше, то есть в 10 × 10 = 100 раз больше максимального движения грунта, чем землетрясение магнитудой 1.

То, что на первый взгляд кажется небольшим изменением магнитуды землетрясения по Рихтеру, на самом деле представляет собой очень большое изменение в размерах землетрясения.

4. Сейсмическая энергия землетрясения

Также можно связать магнитуду с сейсмической энергией, выделяемой землетрясением. Увеличение на одну единицу по шкале Рихтера представляет собой увеличение примерно в 40 раз количества выделяемой сейсмической энергии.

Землетрясения магнитудой 8 и более происходят редко, но когда они происходят, они могут привести к почти полному разрушению на большой площади. Более мелкие землетрясения происходят чаще, но их суммарный выброс энергии невелик по сравнению с одним сильным землетрясением. Потребуется около 3 миллионов землетрясений магнитудой 4, чтобы высвободить столько же сейсмической энергии, сколько при одном землетрясении магнитудой 8.

Землетрясения с наибольшей магнитудой Рихтера не обязательно являются самыми разрушительными и не обязательно приводят к наибольшим человеческим жертвам. Ущерб зависит от глубины. Как упоминалось ранее, неглубокие землетрясения более разрушительны, чем более глубокие. Это также зависит от других факторов, таких как плотность населения, типы горных пород, состояние почвы и местные строительные стандарты.

Интересно сравнить энергию, производимую землетрясениями, с другими источниками энергии. Количество энергии, выделенной в результате взрыва ядерной бомбы над Хиросимой, составило около 10¹² Дж, в то время как одно землетрясение магнитудой 8,9 высвободило около 10¹⁸ Дж сейсмической энергии (рис. 7). Это в миллион раз больше энергии (т. е. в 10⁶ раз больше), чем при взрыве бомбы над Хиросимой.

Количество энергии, потребляемой каждый день, к примеру, в Великобритании, составляет чуть больше 10 ¹⁶ Дж (рис. 7), и это более чем в 100 раз превышает сейсмическую энергию, высвобожденную в результате крупнейшего землетрясения в Великобритании.

Однако сейсмическая энергия (ответственная за движение грунта и вызванный этим ущерб) составляет всего несколько процентов от общей энергии землетрясения. Остальная энергия связана с разрушением и дроблением горных пород вокруг разлома, перемещением смежных плит Земли и нагревом горных пород.

5. Вызванные землетрясением оползни и цунами

Землетрясения не только очень разрушительны сами по себе, но и могут спровоцировать два других очень разрушительных природных явления. Одно из них — оползень. Это быстрое перемещение вниз по склону массы горной породы. Объём смещающихся горных пород в оползнях может составить от нескольких десятков м³ до 1 млрд. м³. Города, которым не повезло встать на пути оползней, уничтожаются. Причин схода оползней несколько. И одной из них являются землетрясения. Одного удара землетрясения может быть достаточно, чтобы началось смещение горных пород.

Один из самых губительных оползней, вызванных землетрясением, произошел в Перу в 1970 году.

31 мая 1970 года произошло сильное землетрясение под Тихим океаном примерно в 25 км от побережья Перу. Магнитуда основного толчка составила 7,9. Землетрясение спровоцировало сход с северного склона горы Уаскаран массивного куска ледника и горной породы длиной около полутора километров. Ринувшись вниз, ледяной поток объемом около 80 млн м³ в считанные минуты преодолел 16 километров, достиг реки Санта, перегородил ее и даже заставил течь в обратном направлении. Он прокатился по долине Уайлас у подножия горы, заполнив ее камнями, грязью и льдом и частично разрушив поселок Ранрахирка, расположенный в 12 км от горы.

Часть селевого потока отклонилась в сторону, встретив на своем пути хребет высотой 230 метров. Однако смертоносный поток набрал такую скорость и силу, что, столкнувшись с хребтом, гигантской волной взметнулся над ним, перелетел через препятствие и обрушился на несчастный город Юнгай. Городок был уничтожен. Почти со всеми своими жителями он оказался погребен под десятиметровым слоем льда, камней и грязи. В мгновение ока погибли почти 20 тысяч человек. Только нескольким его жителям удалось спастись, убежав на возвышенность.

Выжившие описали селевой поток как гигантскую океанскую волну с оглушительным ревом и грохотом. Из достигавшей скорости 450 км/ч лавины, словно пушечные ядра, на расстояние до полутора километров вылетали булыжники, льдины и комья грязи. Смертоносный «артобстрел» не пощадил никого и ничего — валуны, вес которых достигал нескольких тонн, оставляли глубокие воронки, рушили каменные дома, убивали домашний скот и людей.

Землетрясение также вызвало множество других небольших оползней в регионе, разрушив тысячи зданий и вызвав еще больше смертей. Окончательные потери составили 67 000 погибших и 800 000 бездомных, что делает эту катастрофу наихудшей катастрофой, вызванной землетрясением в Западном полушарии.

Вторая природная опасность, которая может быть вызвана землетрясениями, это цунами. Цунами — это океанские волны, вызванные движением океанского дна в результате землетрясения под океаном. Вода движется так, как будто ее толкает гигантское весло, создавая мощные волны, которые распространяются из района землетрясения через океан. Цунами с трудом обнаруживаются в открытом океане, имея лишь небольшую высоту волны, 1 м или менее, но когда они достигают мелководья у береговой линии, высота их волн значительно возрастает, достигая более 10 м, что приводит к катастрофическим последствиям.

Самым смертоносным цунами в современной истории стало цунами, вызванное подводным землетрясением в Индийском океане, произошедшее в 2004 году.

26 декабря 2004 года в 7:59 утра по местному времени у побережья индонезийского острова Суматра произошло подводное землетрясение магнитудой 9,1. В течение следующих семи часов серия огромных океанских волн, вызванных землетрясением, распространилось по всему Индийскому океану, разрушая прибрежные районы вплоть до Восточной Африки. В некоторых местах сообщалось, что высота волн достигала 15 метров и более, когда они обрушились на береговую линию.

В результате цунами погибло, по разным оценкам, от 225 тысяч до 300 тысяч человек. Точное число погибших неизвестно, так как множество людей было унесено водой в океан. Огромный ущерб был нанесен Индонезии, Шри-Ланке, Индии, Мальдивам и Таиланду. По оценкам индонезийских властей, число погибших в этой стране в конечном итоге превысило 200000 человек, особенно в провинции Ачех на севере Суматры.

Десятки тысяч человек погибли или пропали без вести в Шри-Ланке и Индии, многие из них — жители индийской территории Андаманских и Никобарских островов. Низменная островная страна Мальдивы сообщила о более чем сотне жертв и огромном экономическом ущербе. Несколько тысяч туристов, отдыхавших в регионе, числятся погибшими или пропавшими без вести. Отсутствие продовольствия, чистой воды и медицинской помощи в сочетании с огромной задачей, с которой столкнулись спасатели, пытавшиеся доставить грузы в отдаленные районы, где дороги были разрушены или шла гражданская война, расширили список жертв. Экологический ущерб также был серьезным: деревни, туристические курорты, сельскохозяйственные угодья и рыболовецкие базы были разрушены или завалены обломками, трупами, затоплены соленой водой, убивающей растения.

6. Вывод

Землетрясения сотрясают поверхность земли, могут привести к обрушению зданий, нарушить работу транспорта и служб, а также вызвать пожары. Они могут спровоцировать оползни и цунами.

Землетрясения происходят в основном в результате тектоники плит, при которой блоки Земли перемещаются по земной поверхности. Глыбы горных пород движутся относительно друг друга по разломам. Небольшие землетрясения, называемые форшоками (foreshocks), могут предшествовать основному землетрясению, а афтершоки (aftershocks) могут происходить после основного землетрясения. Землетрясения в основном происходят в определенных областях Земли, известных как сейсмические зоны, которые в основном совпадают с океаническими впадинами, срединно-океаническими хребтами и горными хребтами.

Место возникновения землетрясения называется очагом (или фокусом). Эпицентр — это точка на поверхности Земли непосредственно над очагом. Большинство очагов землетрясений находятся в пределах нескольких десятков километров от поверхности Земли. Землетрясения глубиной менее 70 км классифицируются как мелкофокусные. Промежуточно-фокусные землетрясения находятся на глубине 70-300 км, а глубокофокусные — на глубине более 300 км. Мелкофокусные землетрясения происходят во всех сейсмических зонах Земли, но промежуточные и глубокофокусные землетрясения почти исключительно связаны с сейсмическими зонами вблизи океанических впадин.

Разрушительность землетрясения зависит от размера, глубины (мелкофокусные землетрясения более разрушительны) и местоположения. Размер землетрясения может быть определен с точки зрения причиненного ущерба (интенсивности) или количества движения грунта и энергии, выделяемой землетрясением (связано с магнитудой Рихтера).