Строение Земли. Причины землетрясений

Верхний слой Земли - литосфера (земная кора с верхней частью мантии) рассечена на отдельные плиты, которые постоянно перемещаются относительно друг друга, как бы плавая по разжиженному слою мантии (астеносфера). На этом основана теория тектоники плит. Согласно этой теории, верхняя оболочка Земли - кора и подстилающая ее верхняя мантия, образующие литосферу, вместе с расположенными на ней континентами и океанами разделена на несколько огромных плит, состыкованных, как показано на рис. 10.1.2. Плиты под воздействием конвекционных потоков постоянно перемещаются относительно друг друга, «плавая» по разогретому слою астеносферы. Направление движения плит показано стрелками. Так, например, расширение стыка установлено между плитами 3 и 5, что приводит к увеличению расстояния между Лондоном и Нью-Йорком примерно на 1 см в год. Плиты 1 и 5, наоборот, сжимают друг друга, что приводит к образованию горных систем, время от времени сопровождающихся землетрясениями. Отмечены также взаимные сдвиги плит, которые приводят к трещинам - трансформным разломам. Разломы фиксируют и на материках. Так, Анатолийский разлом на севере Турции приводит к большим сдвигам смежных плит, и здесь наблюдается много землетрясений. Столь же активен разлом Сан-Андреас, отделяющий узкий участок на тихоокеанском побережье США от их остальной территории.

Рис. 10.1.3. Типы границ между плитами: а - хребет; б - желоб; в - трансформный разлом

Детальное изучение границ между континентальными плитами (Н. Кэлдер) позволяет наметить три основных типа границ: хребет, желоб, трансформный разлом (сдвиг) (рис. 10.1.3). Схема а представляет собой заполнение расплавленной породой расщелины, образовавшейся при отходе плит друг от друга (например, плит 3 и 5 на рис. 10.1.2). Схема б показывает границу плит при их сближении, когда одна из них изгибается и погружается под край другой, а в месте перегиба образуется желоб - океаническая впадина. Трение, возникающее при подвижках в стыкуемых элементах желоба, приводит к разогреву породы и способствует образованию вулканов. Желобам сопутствуют глубоко расположенные очаги сильных землетрясений. Большинство глубоководных желобов обрамляет Тихий океан. Во всех анализированных до сих пор случаях установлено, что по мере заглубления разломы все больше уходят в сторону от океана к континенту. На схеме в показано образование трансформного разлома. Так как все три схемы взаимных движений плит связаны с образованием очагов землетрясений (в районах впадин - глубоких землетрясений), то границам плит соответствует область сейсмических явлений. Но сейсмические явления вдоль некоторых участков границ более или менее продолжительное время могут не проявляться, создавая иллюзию асейсмичности.

Объединяющим все современные представления о характере тектонических процессов является нарушение сплошности земной коры геосинклинальными поясами с их рифтовыми зонами, желобами и разломами, поперек или вдоль которых происходит постепенное деформирование пород. Наличие сети таких поясов подтверждено в результате космических наблюдений.

На рис. 10.1.4. показаны области земной коры, где по данным сейсмологов наблюдаются землетрясения высокой интенсивности (зоны или пояса сейсмичности). Нетрудно видеть, что они совпадают с границами континентальных плит.

В результате тектонической деятельности осуществляется длительное накопление энергии в очаге разлома. В тот момент, когда напряжения в материале некоторой ограниченной области плит достигают своих предельных значений, происходит разрыв или срез материала с быстро растущими трещинами в породе. Это вызывает очень быстрый процесс высвобождения энергии, сопровождающийся возникновением и распространением сейсмических волн в окружающей среде.

Рис. 10.1.4. Схематическое изображение континентальных плит и областей сейсмостойкости (точками показаны области землетрясений высокой интенсивности): 1 - Африканская; 2 - Индийская; 3 - Евразийская; 4 - Американская; 5 - Тихоокеанская; 6 - Антарктическая

Продолжительность основного землетрясения, как правило, составляет несколько десятков секунд, причем, в течение этого времени может быть зарегистрировано несколько основных толчков. Иногда основному землетрясению предшествуют слабые толчки, называемые форшоками. Часто после сильного основного землетрясения по истечении некоторого времени наблюдаются повторные толчки - афтершоки, объясняемые вторичными землетрясениями. Как правило, интенсивность афтершоков слабее интенсивности основного землетрясения, но иногда их воздействия сопоставимы, и тогда можно говорить о последовательности, "рое", землетрясений.

Другой причиной возникновения землетрясений может быть вулканическая деятельность. Вулканы являются одним из самых интересных и загадочных образований на планете. Раскаленные газы и лава, бурлящие в недрах вулканических гор толкают и давят на верхние слои Земли, как пары кипящей воды на крышку чайника. Вулканы делятся на действующие, уснувшие и потухшие. Вулканическая деятельность сопровождается целым рядом природных явлений, в том числе взрывами огромных количеств пара и газов, что сопровождается сейсмическими и акустическими колебаниями. Первое, из известных извержений этого вулкана относится к 1500 году до нашей эры. Районы, активной вулканической деятельности, как правило, совпадают с зонами активной сейсмической деятельности, описанными ранее.

Наконец, причиной возникновения землетрясений может служить и хозяйственная деятельность человека. Это так называемые наведенные землетрясения. Проводя подземные ядерные взрывы, закачивая в недра или извлекая оттуда большое количество воды, нефти или газа, создавая крупные водохранилища, которые своим весом давят на земные недра, человек, сам того не желая, может вызвать подземные удары.

В настоящее время выделяют следующие типы землетрясений:

Мегалоземлетрясения. Это достаточно редкие, почти планетарного масштаба события - фавориты в череде тектонических землетрясений. По шкале Рихтера их магнитуда более 8.5. Их энергии оказывается достаточной, что бы так "раскачать" земной шар, что чувствительной сейсмометрической аппаратурой и наклономерами начинают регистрироваться собственные колебания Земли, длящиеся десятки дней. Этих землетрясений происходит немного, но ими на масштабе сотен лет контролируется сейсмическая машина планеты.

Разрушительные-катастрофические землетрясения. Такими землетрясениями независимо от их природы издавна называют те, при которых рушатся города и погибают люди. Колебания от них могут ощущаться за тысячи километров от их эпицентров. Разрушительные землетрясения происходят не часто, однако по степени ущерба от них они более заметны в сообщениях средств массовой информации, показах телевидения. К вторичным, а иногда основным поражающим факторам относятся лавины, обвалы, цунами, сели. Значительная часть землетрясений происходит под морским дном, практически также как и на суше. Цунами - морские волны, возникающие в результате сдвига вверх или вниз крупных участков дна при сильных подводных или прибрежных землетрясениях и, изредка, при вулканических извержениях. Высота волн в эпицентре может достигать пяти метров, у берегов - до десяти, а в неблагоприятных по рельефу участках побережья - до 50 метров. Они могут распространяться со скоростью до 1000 километров в час. Более 80% цунами возникают на периферии Тихого океана. Цунами способны вызвать огромные разрушения и большое количество жертв среди населения (например, цунами 2008 г. – погибло около 250 тыс. человек (Таиланд); цунами 2009 г. – погибло около 200 тыс. человек (Гаити) и другие случаи).

Слабые землетрясения. Почти ежедневно, где-то в мире происходят землетрясения, при которых здания дают трещины (но не разрушаются), звенит и разбивается посуда и другое. Они вызывают местный интерес, не занимают главного места в сводках мировых новостей и быстро забываются. Особенную опасность слабые толчки представляют в горах, где могут оказаться неустойчивые горные склоны. Тогда, даже при незначительном сейсмическом колебании, произойдет их обрушение. Могут возникнуть каменные и ледовые лавины и начаться оползень. Если на их пути окажется населенный пункт или сооружение, то последствия могут оказаться непредсказуемыми. Слабые землетрясения опасны тем, что могут возникнуть на территориях казалось бы спокойных в сейсмическом отношении, и на очень небольшой глубине. Чаще всего по этим территориям не сохраняется никаких сведений о слабых землетрясениях. Подобное землетрясение, хотя и будет носить локальный вид, может сказаться губительно на новых постройках, расположенных над его эпицентром.

Микроземлетрясения. Эти землетрясения регистрируются только в пределах локальных территорий высокочувствительными приборами. Их энергии недостаточно, что бы возбудить интенсивные сейсмические волны способные распространятся на большие расстояния.

Сейсмический шум и микросейсмы. Еще более слабые толчки и трески - сейсмический шум и микросейсмы практически непрерывен. Он порождается целым комплексом явлений - от более сильных землетрясений до атмосферных явлений на поверхности земли и уже относиться к микросейсмическим явлениям. На сейсмограммах чутких датчиков постоянно присутствуют слабые колебания - создавая впечатление, что Земля действительно дышит. Шумы большого города связаны с одновременным действием большого количества источников и именно поэтому современные сейсмические станции для регистрации землетрясений стараются выносить за пределы городских территорий, размещая в удаленных, горных местностях.

Обвальные землетрясения. Из-за вымывания известковых пород подземными водами образуются карсты, более тяжелые породы давят на образующиеся пустоты и они иногда обрушаются, вызывая землетрясения. В некоторых случаях, за первым ударом следует другой или несколько ударов с промежутком в несколько дней. Это объясняется тем, что первое сотрясение провоцирует обвал горной породы в других ослабленных местах. Подобные землетрясения называют еще денудационными. Сейсмические колебания могут возникать при обвалах на склонах гор, провалах и просадках грунтов. Хотя они носят локальный характер, но могут привести и к большим неприятностям. Сами по себе обвалы, сходы лавин, обрушение кровли пустот в недрах могут подготавливаться и возникать под воздействием различных, достаточно естественных факторов. Обычно это следствие недостаточного отвода воды, вызывающее размывание оснований различных построек, или проведение земляных работ с использованием вибраций, взрывов, в результате которых образуются пустоты, изменяется плотность окружающих пород и другое. Сотрясения земли могут быть вызваны обвалами и большими оползнями несвязанными с тектоническими землетрясениями. Обрушение в силу потери устойчивости горных склонов громадных масс породы, сход снежных лавин также сопровождаются сейсмическими колебаниями, которые обычно далеко не распространяются.

Классификация землетрясений. Современная сейсмология придерживаются теории упругого высвобождения или упругой отдачи, связывая возникновение землетрясений с внезапным высвобождением энергии упругой деформации. Горные породы обладают определенной эластичностью, а в местах тектонических разломов - границ плит, где действуют силы сжатия или растяжения, постепенно могут накапливать тектонические напряжения. Напряжения растут до тех пор, пока не превысят предела прочности самих пород. Тогда пласты горных пород разрушаются и резко смещаются, излучая сейсмические волны. Такое резкое смещение пород называется подвижкой. После длительных деформаций в районе разлома и накопления в связи с этим напряжений, достигающих в определенный момент предельной для прочности пород величины, вдоль ослабленного ранее участка (обычно старого излома, а иногда и с образованием нового) происходит разрыв или срез этих пород с внезапным быстрым смещением - упругой отдачей (рис. 10.1.3), вследствие чего и возникают сейсмические волны. Таким образом, длительные и очень медленные тектонические движения при землетрясении переходят в сейсмические движения, имеющие большую скорость в результате быстрой «разрядки» накопленной энергии. Эта разрядка происходит всего за 10 - 15 с (реже за 40-60 с).

Вертикальные подвижки приводят к резкому опусканию или поднятию пород. Обычно смещение составляет лишь несколько сантиметров, но энергия, выделяемая при движениях горных масс весом в миллиарды тонн, даже на малое расстояние, огромна! Максимальное из зафиксированных значение выделяемой во время сильного землетрясения энергии достигает 10¹⁸ Дж. На дневной поверхности образуются тектонические трещины. По их бортам происходят смещения относительно друг друга обширных участков земной поверхности, перенося вместе с собой и находящиеся на их поля, сооружения и многое другое. Эти перемещения можно увидеть невооруженным глазом, и тогда связь землетрясения с тектоническим разрывом в недрах земли очевидна.

От тектонических процессов сейсмические отличаются их локальностью. По-видимому, при зарождении землетрясения имеет место разрушение породы на ограниченном участке, расположенном на некоторой глубине от поверхности Земли. В связи с возникшим ослаблением происходит развитие дислокации на некоторую область - очаг или гипоцентральную область землетрясения. Точку же этой области, где начался разрыв, называют гипоцентром, или фокусом.

Землетрясения классифицируются в зависимости от глубины расположения их очагов. Нормальными (поверхностными) называются землетрясения при глубине их очага до 70 км. Это основное количество землетрясений. При глубине очага более 300 км землетрясения называются глубокофокусными. Такие землетрясения редки, они отличаются большой величиной выделенной энергии. Например, подобное землетрясение произошло в 1970 году с магнитудой 7.6 в Колумбии на глубине 650 километров. Глубины очагов промежуточных землетрясений относятся к пределам 70-300 км. К таким землетрясениям, например, относятся карпатские землетрясения.

В зависимости от эффекта проявления на поверхности Земли землетрясения классифицируются по их интенсивности в баллах. Ожидаемая для каждого района максимальная величина интенсивности - сейсмичность - различна.

Сейсмичность территории России, приуроченная к некоторым средним горно-геологическим условиям, устанавливается по схеме сейсмического районирования или по списку сейсмичности населенных пунктов (рис. 10.1.5). Анализ исторических данных и геологических особенностей территории показывает, что в разных районах страны землетрясения с максимальной для данного района интенсивностью происходят с разной частотой повторений. Карты ОСР-97-А, ОСР-97-В и ОСР-97-С отражают 10%-, 5%- и 1%-ную вероятность возможного превышения (или 90%-, 95%- и 99%-ную вероятность непревышения) в течение 50 лет интенсивности сейсмических воздействий, указанных на картах цифрами в баллах шкалы MSK-64, и соответствуют повторяемости сейсмических потрясений в среднем один раз в 500 (карта А), 1000 (В) и 5000 (С) лет.