Землетрясения: причины и прогнозы

Землетрясения — это подземные толчки, которые вызывают колебания земной поверхности. Эти толчки связаны с подвижками в земных оболочках: земной коре или в верхней мантии. Смещения в недрах порождают сейсмические волны — колебания, которые распространяются в земной коре, подкоровой литосфере и в мантии Земли.

Десятки землетрясений происходят на Земле каждый день. Но чаще всего это слабые и умеренные события, которые не ощущаются на поверхности. Землетрясения магнитудой от 4 до 5 не вызывают больших разрушений, но фиксируются сейсмическими сетями. Землетрясений с магнитудой около 6–7 происходит несколько сотен в год. Магнитуда 8 встречается порядка десяти раз за год. Самые разрушительные землетрясения с магнитудой 9 происходят примерно раз в 30 лет.

Первые наблюдения

Ученым известны землетрясения, которые происходили еще в Древнем Риме, Древнем Китае и в Средние века. Люди, попадавшие в зону землетрясений, записывали свои впечатления о них. Но в Средние века еще не было никаких сейсмических приборов. Люди описывали то, что они видели: оползни, разломы на склонах гор и разрушение зданий. Таким образом, было описано Лиссабонское землетрясение 1 ноября 1755 года, которое разрушило столицу Португалии и привело к многочисленным человеческим жертвам.

Первые сейсмографы были изобретены в Китае около 2 тысяч лет назад. Китайские сейсмографы представляли собой бронзовый кувшин, на котором по краям сидели драконы, а внизу, у подножья, его окружали лягушки. У драконов во рту были шарики. Если начинались колебания, шарики вываливались в ту сторону, откуда пришли колебания, и попадали в открытую пасть соответствующей лягушки.

Сейсмографы, похожие на современные, стали использоваться в начале XX века. Российский академик Борис Борисович Голицын изобрел один из первых сейсмографов еще до революции. Его прибор послужил прообразом современных сейсмографов. В первые десятилетия XX века был установлен ряд сейсмических станций в разных странах. Англия занимала лидирующее положение, так как многие ее колонии, такие как Индия, находились в зоне сейсмической опасности.

В России первые сейсмографы стали устанавливать в основном в европейской части, на Кавказе и Урале. А Германия была одним из передовиков в изучении сейсмичности экспериментальными методами. Обычно сейсмограф представлял собой пружинку (датчик), которая при подходе сейсмической волны начинала колебаться и тянула за собой стрелку, показывавшую размах колебаний. При этом колебания фиксировались по определенной шкале. У современных сейсмографов механическая часть осталась прежней, но на смену стрелочному механизму пришли компьютерные технологии. Идея сейсмографа состоит в том, что сейсмическая волна при подходе к поверхности вызывает колебания датчика сейсмографа и прибор записывает эти колебания в определенной системе фиксации.

Причины землетрясений

Земля — космическое тело, в глубине которого происходят процессы дифференциации материи, переплавление внутреннего вещества. При этом холодный материал в недрах Земли тонет, а теплый материал поднимается вверх. Это вызывает напряжения в земной коре. Толщина земной коры — 7–10 километров в океане и 40–60 километров на континенте. Под воздействием внутренних напряжений Земли происходит накопление напряжений в литосфере и на поверхности. Эти напряжения разряжаются трещинами и подвижками, которые запускают сейсмические волны.

В последнее время ученые также выдвигают идею о том, что в результате плавления и дифференциации материи в глубине Земли происходят существенные горизонтальные движения в верхних горизонтах коры и на поверхности. Тектонические плиты движутся, на их границах образуются зоны сжатия, накопления напряжений, и в этих зонах происходит 90% сейсмичности Земли.

Процесс землетрясения

Накопление напряжений, которое происходит из-за внутренней дифференциации вещества, по механизму похоже на то, как люди варят кашу: внутреннее вещество нагревается, и на поверхность постепенно всплывают пузыри, вызывающие горизонтальные смещения на поверхности. Также и Земля начинает «бурлить», снизу всплывает горячее вещество, сверху тонет холодное. При этом близ поверхности Земли возникают напряжения, вызывающие разрывы.

Накопленные напряжения во внутреннем веществе концентрируются в области какой-то структуры, например разлома земной коры или большой трещины. Затем эта трещина постепенно накапливает напряжения, и по ней проходит моментальная подвижка. Смещаются края трещины, это вызывает колебания, которые представляют собой сейсмические волны. После разрушения зоны, когда возник очаг землетрясения, начинается процесс стабилизации. Все, что было разрушено вокруг, начинает приспосабливаться к новым условиям напряжений. Возникают повторные толчки, или афтершоки, которые могут длиться месяцы и даже годы, прежде чем зона успокоится.

Классификация землетрясений

Землетрясения отличаются друг от друга по многим свойствам. Они различаются по магнитуде — математической величине, которая характеризует энергию очага. Кроме того, они различаются по интенсивности, то есть по реакции поверхности на приход сейсмических волн. Другие характеристики связаны с сейсмотектонической приуроченностью. Например, есть внутриплитные и межплитные землетрясения. По периферии Тихого океана расположено сейсмическое «огненное кольцо». Если посмотреть на карту, то можно увидеть, что весь Тихий океан опоясан активными зонами: Кордильеры, Анды, Камчатка, Япония, Курильские острова и так далее.

Эта периферия охвачена сейсмическими процессами. Там концентрируется примерно 60% сейсмичности Земли. Второй крупнейшей сейсмоактивной структурой является Альпийско-Гималайский подвижный пояс, идущий от Альп к Индийскому океану через Кавказ, зоны Центральной Азии, Иран, север Индии. В нем концентрируется 20% землетрясений. Менее сейсмоактивны срединные океанические хребты: Атлантический, Гаккеля, Тихоокеанский. Тут происходит примерно 10% сейсмических толчков. Остальные зоны внутриплитной сейсмичности генерируют не более 10% событий.

Прогнозы землетрясений

Для полноценного сейсмического прогноза необходимо предсказывать место, время землетрясений и их силу. Прогноз может быть долгосрочным, среднесрочным, краткосрочным в зависимости от того, на какой период предсказываются эти события. Во всех случаях базовый подход — это оценка сейсмической опасности региона. При этом подходе ученые предсказывают не землетрясение, а общий уровень сейсмической опасности какой-либо территории. В этом случае неизвестно, когда именно произойдет конкретное землетрясение, но можно спрогнозировать, в каком месте оно произойдет, с какой вероятностью и какие вызовет разрушения.

Например, для России, как и для всех развитых стран, существует карта общего сейсмического районирования. На ней обозначены все зоны, которые могут породить землетрясения, указаны их максимальные магнитуды и рассчитаны все максимальные воздействия в баллах. Таким образом, мы знаем территорию с точки зрения уровня возможных землетрясений и их ущерба.

Кроме того, есть уровень детального сейсмического районирования. Если вы строите какие-либо ответственные объекты, то нужно учитывать местные сейсмические условия, то есть систему разломов, известную сейсмичность, посчитать воздействия и прочее. Это делается при строительстве зданий повышенной ответственности, трубопроводов, мостов и так далее. Оценка сейсмической опасности не делается для определенного периода времени. Хотя периоды и учитываются, они очень большие — 500–1000 лет.

Помимо оценки сейсмической опасности, сейсмологи разрабатывают и прогнозы. Долгосрочный прогноз охватывает десятилетия. Например, можно предсказать, что на Камчатке в течение 10 лет возможно землетрясение с магнитудой 8. Среднесрочный прогноз охватывает период около года. Краткосрочный прогноз предсказывает землетрясение в ближайшие дни и часы. Точность этих прогнозов постепенно ухудшается. Если долгосрочный и среднесрочный прогнозы можно как-то обосновать по ходу текущей сейсмичности, геодинамическим проявлениям, деформациям поверхности, колебаниям уровня грунтовых вод, аномалиям геофизических полей, то краткосрочные прогнозы крайне редко бывают удачными. В настоящий момент наука и техника еще не доросли до уровня, когда можно делать устойчивый краткосрочный прогноз. Среднесрочный и долгосрочный прогнозы более перспективны.

При прогнозировании землетрясений почти всегда учитывается ход фоновой сейсмичности. Например, мы наблюдаем за каким-то регионом и видим, что там изменяется стандартный уровень сейсмичности. Если на Кавказе, к примеру, регулярно происходят слабые землетрясения, а потом наступает на несколько месяцев сейсмическое затишье, то это может являться предвестником прогнозируемого сильного сейсмического события. Кроме того, используются системы GPS, ГЛОНАСС. Мы видим направление и скорость движений поверхности, изменения которых, а также вариации геофизических полей могут служить основанием для среднесрочного прогноза. Если мы наблюдаем резкие изменения теплового, гравитационного, магнитного полей, то можем считать их предвестниками землетрясений. В целом сейсмологи, являющиеся специалистами по прогнозу, используют более 200 различных подходов для предсказания землетрясений.

Характеристики проявления землетрясений

Сила землетрясений измеряется их магнитудой. Магнитуда показывает отклонение стрелки сейсмографа на какую-либо величину на расстоянии 100 километров от эпицентра землетрясения. Магнитуда по Рихтеру является характеристикой энергии землетрясения, которая выделяется в очаге. Помимо магнитуды, существует балльность — то, что происходит на поверхности в том или ином месте. Очаг землетрясения — это объем массы в недрах Земли, в земной коре или в верхней мантии, который порождает сейсмические волны и сотрясения.

Землетрясения — это естественное дыхание Земли. Они происходили на протяжении всей истории развития земного шара. Землетрясения непагубны для природы на Земле, но наносят ущерб человеку, разрушая здания и сооружения и приводя к человеческим жертвам.

В настоящий момент ученые иногда обсуждают возможность предотвращения землетрясений. Один из предлагаемых вариантов — узнать разлом, в зоне которого готовится землетрясение, и закачивать туда через скважины воду: вода будет представлять собой смазку, и подвижка будет не такой сильной. Другое предложение — устраивать взрывы в районе готовящегося очага землетрясения, для того чтобы очаг реализовался на более ранней стадии созревания и сейсмический толчок не был таким сильным. Однако мы никогда не знаем точно, где именно будет очаг зреющего землетрясения, и можем только предполагать положение таких мест. Кроме того, такие работы требуют огромных затрат, для этого нужно значительное финансирование. Таким образом, перспективным направлением в борьбе с негативными последствиями сильных землетрясений является продолжение исследований по оценке сейсмической опасности, долгосрочному и среднесрочному прогнозированию. Краткосрочный прогноз — для будущего.