Вот пришло землетрясение. Факты, причины, гипотезы и последствия

Маллет опубликовал карты мировой сейсмической активности, впервые наглядно проиллюстрировавшие тот факт, что землетрясения концентрируются в опоясывающих Землю определенных зонах. Объяснение этому было найдено только в ХХ веке с появлением теории дрейфа материков Вегенера.

Несмотря на революционное значение идей Маллета почти до конца XIX века торжествовало объяснение землетрясений подземными вулканическими взрывами предложенное Александром Гумбольдтом. Вслед за древнегреческим учёным Страбоном он рассматривал вулканы как предохранительные клапаны Земли: «…в тех местах, где эти клапаны открыты, там напряжения вулканических сил слабее, нежели там где их нет».

Близкое к современному понимание причин сейсмической активности планеты сформировалось только к началу прошлого века. Череда разрушительных землетрясений конца XIX – начала XX веков способствовала тому, что в странах Европы, России, США и Японии приступили к систематическим наблюдениям за сейсмической активностью Земли.

Были изобретены приборы для регистрации сейсмических колебаний, дешифрирована их структура, созданы первые каталоги инструментально зарегистрированных землетрясений и построены карты распределения их эпицентров на планете. Это позволило установить связь между землетрясениями и трансформацией вещества на поверхности и внутри планеты. Стали понятны причины разрушения зданий, и появилась возможность не интуитивно, а на научной основе возводить инженерные сооружения в сейсмоопасных зонах.

В 1899 году немецкий учёный Эмиль Вихерт предположил, что фиксируемые на сейсмограмме продольные P и поперечные S сейсмические волны имеют глубинное происхождение, т.е. связаны с источниками в недрах Земли.

В 1906 году Вихерт истолковал промежуточные группы волн на сейсмограмме как отраженные от земной поверхности. В свою очередь британский учёный Диксон Олдхэм (Richard Dixon Oldham, Олгрем) изучив характер распространения P- и S волн выдвинул предположение о наличии у планеты центрального ядра и оценил его размеры (1906). Позже оно было подразделено на внешнее «жидкое» и внутреннее «твёрдое» ядро.

В 1907 году немецкий учёный Карл Цепприц (Karl Zoppritz) доказал, что изучение амплитуд сейсмических волн позволяет судить о внутреннем строении Земли.

В 1909 году хорватский учёный 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 учёному Бено Гутенбергу сформулировать общее представление о внутреннем строении Земли.

В 1926 году английский учёный Гарольд Джеффрис и Бено Гутенберг обосновали границу между мантией и ядром планеты.

В последующие годы сеть сейсмических станций расширялась, охватывая страны и континенты. Это позволило собрать достаточные данные для установления характера распространения сейсмических волн в земных недрах и разработки способов установления по ним места нахождения очагов землетрясений и определения их мощности.

В 1936 году датский учёный Инге Леманн по данным сейсмических станций Екатеринбург и Иркутск оборудованных сейсмографами Бориса Голицына – самых лучших на то время, установила существование у планеты твёрдого внутреннего ядра. Но только спустя пятьдесят лет американскими и французскими учёными было доказано, что твердое земное ядро состоит из железа и никеля, а его диаметр составляет около 2,4 тысячи километров. Уже к середине XX века, в первую очередь в работах австралийского сейсмолога Кита Эдварда Буллена накопленные сведения были обобщены, и он построил первую общепризнанную модель внутреннего строения планеты.

Изучение землетрясений принесло немало удивительных открытий о строении планеты, состоянии вещества на недоступных для человека глубинах. И главное – понять механизм возникновения самых опасных т.н. тектонических землетрясений и установить области их преимущественного возникновения.

Сейсмология быстро превратилась в практическую науку позволяя строить карты сейсмического риска и развивать методы сейсмостойкого строительства. В свою очередь её наработки быстро наши применение для поиска месторождений полезных ископаемых и установления строения верней части земной коры – сейсморазведке.

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

Самый верхний слой земного шара получил название земной коры. Она подразделяется на два основных типа – материковый и океанический. Под земной корой находится мантия толщиной около трёх тысяч километров. С глубиной в земной коре и мантии температура повышается. Из мантии к дневной поверхности идёт тепловой поток, в несколько тысяч раз меньший, чем поступает от Солнца.

Земная кора вместе с верхней частью мантии образует простирающуюся до глубин в сто километров литосферу – твёрдую оболочку Земли. Она разбита разломами на крупные блоки – тектонические плиты. Ниже мантии находится сложенное из тяжёлых металлов, преимущественно железа, земное ядро радиусом 3470 километров. Здесь плотность вещества и температура значительно увеличиваются. В мантии температура не достаточна для полного расплавления её вещества и под материками она достигает 700 градусов по Цельсию.

Распад радиоактивных элементов и сохранившийся со времён образования планеты жар приводят к тому, что в её центре температура выше, чем на поверхности Солнца. На глубине 2700 километров между земным ядром и мантией она достигает 2200 градусов по Цельсию, а мощность теплового потока из земного ядра в нижние слои мантии оценивается в тринадцать тераватт.

В состоящей из силикатных расплавов мантии происходит перенос тепла из внутренних частей планеты к поверхности. Раскалённая магма поднимается из глубин, охлаждается, а затем снова погружается, замещаясь новым горячим веществом. Тепловая конвекция в мантии приводит к тому, что более холодный материал литосферы разрушается и сегментируется на огромные тектонические плиты.

Многое, что известно о строении земного шара получено при изучении записей землетрясений. Это особенно важно, поскольку представление об устройстве планеты и составляющего вещества даёт новое знание, которое может быть использовано для различных целей – от добычи полезных ископаемых до понимания происходящих климатических изменений или природы магнитного поля Земли от которого зависит существование на ней жизни.

В 2005 году сейсмологи из США и Канады пришли к выводу, что ядро Земли вращается быстрее, чем её мантия и кора – «твердый» шар внутри планеты делает лишний оборот вокруг своей оси примерно за тысячу лет.

В 2013 году учёные из Австралийского национального университета обнаружили, что ядро нашей планеты, часто рассинхронизируется с остальными частями Земли и начинает вращаться с большей или меньшей скоростью. Собственно движениями вещества в ядре объясняется наличие магнитного поля Земли.

В сейсмологии многое взаимосвязано. Так, исследуя места возникновения землетрясений, учёные выяснили внутреннее устройство Земли, а затем то, что её вещество находятся в постоянном движении. Изучение характера этих движений привело к пониманию физических механизмов обуславливающих трансформацию вещества внутри и на поверхности планеты. Были построены модели для объяснения характера протекающих в её недрах физико-химических процессов. В свою очередь это привело 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. Значительный вклад в сейсмологию внесли: Д. Митчелл, Р. Маллет, Дж. Милн и Х. Джефрис (Великобритания), Б.Б.Голицын (Россия), Э. Вихерт Германия), К. Буллен (Австралия), Ф. Омори, А. Имамура и К. Вадати (Япония), А. Мохоровичич (Югославия), Б. Гутенберг и Ч. Рихтер (США), Ю. Ризниченко (СССР) и многие другие.

Сообщения о землетрясениях напоминают сводки с передовой – разрушено, погибло, ранено и т. д. Так с кем идёт война? И кто этот безжалостный противник, с которым никаким образом нельзя договориться?

Почему происходят землетрясения?

«Изучающему любой предмет чрезвычайно полезно читать оригинальные мемуары, относящиеся к этой теме, потому что знание усваивается наиболее полно тогда, когда видишь процесс его зарождения».

    Джеймс Кларк Максвелл «Трактат об электричестве и магнетизме», 1873 год

Земля сейсмически активна, но это её фундаментальное свойство, несмотря на всю очевидность землетрясений, за ней было признано далеко не сразу. Для понимания природы землетрясений сначала потребовалось осознать то, что Земля это шар и, следовательно, у неё есть внутреннее строение.

Сразу после открытия шарообразной формы Земли появились сомнения в том, что её недра однородны и сложены только из видимой на поверхности породы. На это указывала выброшенная при извержениях вулканов магма и астрономические наблюдения. Математика и астрономия помогли оценить общий вес планеты, но тайна её внутреннего строения оставалась неразгаданной до тех пор, пока не появилась сейсмология.

Благодаря сейсмическим исследованиям доказано, что в земных недрах происходит непрерывная трансформация огромных масс материи. Если на самой дневной поверхности она также связана с воздействием процессов, порождаемых поступающей на Землю энергией солнечного излучения, то глубинные трансформации и движения происходят благодаря энергии внутренних источников.

Оказалось, что Земля полна движений, от медленных вековых смещений огромных масс суши и морского дна – брандисейсмических, и быстрых, происходящих при землетрясениях – сейсмических. Они воздействуют на земную кору и вызывают непрерывные вертикальные и горизонтальные смещения отдельных её участков и блоков. Это явление получило называние тектонического процесса связанного с магматическим (вулканическим) процессом – проникновением через трещины в земной коре на дневную поверхность – глубинного расплавленного вещества магмы.

Под воздействием глубинных процессов и внешних воздействий в течение миллионов и миллиардов лет формируется рельеф дневной поверхности, и происходит кругооборот вещества в природе. Осадочные породы опускаются в земные недра, где преобразуются в магму, а затем вновь поднимаются тектоническими процессами на поверхность.

Схема круговорота вещества на Земле

Недра планеты под воздействием внутренних и внешних факторов постоянно накапливают и растрачивают механическую энергию. Значительная её часть теряется при землетрясениях. Их роль в этом огромна. Сейсмическая машина Земли «вырабатывает» около 5х10

Дж ежегодно. Сами же колебания дневной поверхности, как доказал в XVIII веке Джон Митчелл, являются результатом прохождения через земную кору упругих волн возникающих в момент разрыва сплошности горных пород – т.н. очаговых зонах землетрясений.

Одним из крупных достижений современной науки является создание теории тектоники плит создавшей основу для понимания целого ряда геофизических и геологических явлений. Ещё в XVII веке совпадение очертаний береговых линий западного побережья Африки и восточного побережья Южной Америки наводило на мысль о том, что континенты перемещаются.

В 1620 году английский философ Франсис Бэкон в книге «Новый Органон» первым обратил внимание на поразительное сходство береговой линии континентов по разные стороны Атлантики.

В 1858 году итальянский географ Антонио Снидер-Пеллегрини соединил пять континентов. Он предположил, что Америка есть не что иное, как легендарная Атлантида, отколовшаяся от Африки и Европы.

В 1911 году Бейкер подогнал друг к другу материки по очертаниям их береговой линии.

В 1912 году немецкий учёный приват-доцент Марбургского университета Альфред Лотар Вегенер выдвинул гипотезу континентального дрейфа, по которой относительное положение континентов менялось на протяжении всей истории Земли. В опубликованной в журнале «Геологише Рундшау» статье и книге «Возникновение материков и океанов» Вегенер привёл аргументы в пользу того, что в далёком прошлом континенты были одной структурой. Тем не менее, его теорию отвергли и только в 60-х годах прошлого века идея о движениях в твёрдой оболочке Земли – мобилизме снова возродилась.

Благодаря исследованиям рельефа и геологии океанического дна доказано существование процессов расширения (спрединга) океанической коры и пододвигания одних частей коры под другие (субдукции). В 1958 году Кэри, в 1965 году Буллард и Ле Пишон в 1977 году научно обосновали теорию тектоники плит.

Примерно 90% твёрдой современной поверхности Земли образовано восемью литосферными плитами, а остальная часть десятками меньшего размера и множеством мелких. За миллионы лет под воздействием конвекционных процессов в мантии, гравитационных и ротационных сил литосферные плиты совершают сложные разнонаправленные движения. Образуются новые и исчезают старые образования, а вместе с ними меняется лик земной поверхности.

Схема спрединга в срединно-океанических хребтах и субдукции у континентальных окраин с образованием вулканов.

Тектоника литосферных плит лучше всего объясняет распределение вулканов на поверхности земного шара. Определены три основных механизма межплитового взаимодействия и современного вулканизма. Если литосферные плиты раздвигаются, то между ними образуется рифтовая зона – крупная линейная впадина в земной коре в областях спрединга. Она приурочена к разломным зонам в земной коре, из которых на океаническое дно изливается базальтовый расплав. Вулканы рифтовых зон находятся в осевой части Срединно-атлантического хребта и вдоль Восточноафриканской системы разломов.

Там где одна океаническая плита пододвигается под другую, опускаясь в мантию, образовались зоны субдукции. В них вещество погружающейся плиты расплавляется, а затем может вновь подняться к поверхности и образовывать островные дуги – цепочки вулканических островов над зоной субдукции. К ним относятся Алеутские, Курильские, Марианские острова и другие архипелаги, помеченные в рельефе океанического дна глубоководными желобами расположенных параллельно береговым линиям и островным дугам.

Иной тип взаимодействия происходит при смещении тектонических плит относительно друг друга по трансформным разломам. Наибольшее их число находится океаническом дне. Наиболее известен разлом Сан-Андреас в Калифорнии, возникший между Тихоокеанской и Североамериканкой плитами, смещающимися относительно друг друга примерно на 0,6 сантиметра за год.

Общая площадь земной поверхности остаётся квазипостоянной в силу того, что расширение земной коры в зонах спрединга компенсируется погружением участков литосферных плит в мантию в зонах субдукции. Само погружение плиты под островные дуги и континентальные окраины трассируется очагами землетрясений возникающих по наклонной плоскости до глубин в 700 километров получившей название зоны Вадати-Бениофа. Она была обнаружена учёными Бениофом и Вадати по сейсмическим записям.

Поскольку угол погружения плиты близок к 45 градусам вулканы располагаются между сушей и глубоководными желобами на удалении до 150 километров от их осей, образуя в плане повторяющую очертания желоба и береговой линии вулканическую область. В этих местах на глубинах до 150 километров от дневной поверхности формируются магматические очаги, содержащие расправленное вещество, водяные пары и различные газы.

Образование очагов магмы под земной корой приводит к деформированию и подъёму её поверхности. В Андах огромный купол магмы поднимает плато Альтиплано-Пуна с действующими вулканами. Оно шириной в сотни километров и поднято на километр относительно уровня моря. Из-за давления магмы расположенный в центре купола вулкан Утурунчу растёт примерно на один сантиметр в год.