Происхождение землетрясений

Луций Анней Сенека (4 г. до нашей эры - 65 г. нашей эры), римский философ-стоик, некогда обращался к согражданам, пережившим сильное землетрясение: "...кто поручится ...за то, что в другом месте земля держится крепче? Она всюду подвластна тому же року, и если где еще не колебалась, не следует думать, будто там она непоколебима. Может быть, то самое место, на котором вы сегодня чувствуете себя в такой безопасности, разверзнется нынче ночью, а то и до захода солнца. Откуда ты знаешь, может быть, те края, где судьба, свирепствуя, истощила свои силы, впредь окажутся устойчивее других, опираясь на собственные развалины?"...

За год на планете происходит порядка миллиона землетрясений. Большинство из них незначительные и человека не напрягают. Однако, случаются катастрофы, когда сильнейшие удары обрушиваются на поверхность земли, разрывая глубокими провалами или вздыбливая слагающие ее породы, образуя горные хребты. Такие монстры рушат города и коммуникации, сопровождаются многочисленными жертвами. Возможно, на их счету гибель некоторых древних цивилизаций и племен.

Механика подземного толчка

По современным представлениям механизм возникновения землетрясений всегда один и тот же. На земную кору постоянно действует ряд сил - сила трения движущихся потоков магмы в мантии Земли, сила Архимеда со стороны вязкой мантии, гравитационные силы со стороны Солнца и Луны и атмосферное давление. Они вызывают напряжения в земной коре, которые накапливаются и растут. Им противостоит сопротивление пластов земной коры. Если результирующая этих сил в какой-то момент превысит предел прочности пластов, произойдет их разрушение и сдвиг, упругие волны деформации быстро распространятся в разные стороны от очага, вызывая колебания пород и высвобождая энергию - произойдет землетрясение.

В очаге землетрясения энергия деформации сбрасывается, а в его окрестностях увеличивается, что делает возможными повторные толчки. Иногда предвестниками сильного землетрясения являются предваряющие его малые толчки. Медленно меняющиеся силы вязкого трения и сила Архимеда могут дать некоторое представление о последующих катаклизмах на столетия вперед. Быстро колеблющиеся значения атмосферного давления и гравитационных сил характеризуют вероятность толчков в течение года.

Итак, основная причина землетрясения всегда одна - нарастание внутреннего напряжения земной коры, требующее разрядки и сброса энергии. А вот причины такого нарастания могут быть различными. В связи с чем выделяют тектонические, вулканические, обвальные и техногенные землетрясения.

Тектонические землетрясения

Тектонические землетрясения связаны с движением отдельных составляющих частей земной коры - тектонических плит. Это Северо-Американская, Евро-Азиатская, Африканская, Южно-Американская, Тихоокеанская и Атлантическая плиты. Они дрейфуют неспешно, смещаясь на несколько сантиметров за год. Плиты сходятся, расходятся, скользят одна относительно другой. Понятно, что неминуемы дорожно-транспортные происшествия - столкновения и деформации. Результатом этого являются землетрясения, сопровождающиеся образованием складок и разломов, оползнями и обвалами. Это обычно самые мощные явления, с глубоким залеганием очага и охватывающие весьма протяженные территории.

Чаще они случаются вблизи границ тектонических плит и в этом случае говорят о краевых землетрясениях. Такого рода события нередки в Калифорнии, Японии, Греции, Турции. Основная часть землетрясений в районах разломов земной коры происходит под водами Мирового океана, где может вызывать гигантские волны цунами. На суше горные породы до определенной степени способны выдерживать некоторое растяжение или сжатие в местах границ плит за счет нарастания напряжения внутри них, но при продолжающемся растяжении (сжатии) происходит их разрушение с последующим смещением. Такие процессы называются подвижками и сопровождаются излучением сейсмических волн. Подвижки чаще не превышают нескольких сантиметров, но с учетом значительной массы горных пород сопровождаются колоссальным выделением энергии.

Землетрясения могут происходить и в центральной части плит, при накоплении деформаций в плите из-за давления на ее границе. В этом случае говорят о внутриплитовых землетрясениях. Они случаются в местностях с большим перепадом высот, под складками гор, как в Ашхабаде в 1948 году в предгорьях Копет Дага. Или в районах слабой складчатости, связанной с разломами под поверхностью ландшафта. Местность, покрытая слабыми волнами смятых в складки пород, скрытых растительностью, при всей кажущейся умиротворенности является источником сейсмической опасности. Под складками происходят сильнейшие землетрясения, хотя они не разрывают поверхность земли. Такого рода землетрясение произошло в Алжире, в Эль-Асаме, в 1980 году. Оно имело магнитуду более 7 баллов (из максимально возможных 12) и унесло жизни трех с половиной тысяч человек. Разломы разбивают плиты на отдельные участки, по которым идут сдвиги в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Напряжения в коре вызывают циркуляции магмы в мантии и разделение вещества по плотности и температуре. Подземные толчки возникают вследствие взрывов в коре или верхних слоях мантии и имеют волновой характер. Крупнейшее внутриплитовое землетрясение произошло 11 апреля 2012 года в районе Суматры. За 50 секунд литосферные плиты сместились на 37 метров в направлении разлома. Образовались трещины от 100 до 200 километров длиной, простирающиеся вглубь на расстояние до 50 километров. Собственно, плита лопнула на всю свою толщину. Район сдвига располагался в центре Индо-Австралийской плиты, разрываемой надвое. Западная ее часть толкает Евразийскую плиту, тормозя за счет этого, а восточная ныряет под Тихоокеанскую. Землетрясение имело магнитуду 8.7 балла с повторным толчком в 8.2 балла, что является рекордом для землетрясений этого типа.

Вулканические землетрясения происходят в районах, где есть действующие вулканы и напрямую связаны с их деятельностью. Чаще это небольшие толчки с ограниченной зоной распространения, локализованные в районе очага вулкана. В этом случае напряжение в слоях земной коры обусловлено подъемом магмы в жерле и очаге вулкана и выбросом газов. Возникают разломы в верхних слоях коры и конусе вулкана.Часто землетрясение свидетельствует о начинающейся активности вулкана и сопровождает его извержение.Обычно это небольшие толчки с ограниченной зоной распространения, но бывают и исключения.

Подобный характер имело извержение вулкана Кракатау (Индонезия) в 1883 году, сопровождавшееся сильным землетрясением. Колоссальный взрыв разрушил половину вулкана, а заодно и поселения Суматры, Явы и Борнео, поднявшаяся волна цунами прошлась по островам Зондского пролива. А в декабре 2001 года вблизи камчатского вулкана Карымский прокатилась волна землетрясений достаточной силы - магнитудой до 7 баллов по шкале Рихтера. Серии мелких вулканических землетрясений (вулканический тремор) говорят о том, что магма прорывается сквозь трещины и разломы горных пород и о возрастающем напряжении в их слоях, предупреждают о готовящемся феерическом представлении.

Но иногда землетрясения случаются там, где все спокойно и нет ни тектонической активности, ни вулканов. В этом случае их проявление обусловлено залеганием в данной местности легко растворимых пород и наличием карстовых полостей и пещер в недрах земли. Грунтовые и поверхностные воды со временем вымывают такие пустоты и под действием силы тяжести верхних слоев пласты породы обрушиваются, вызывая обвальное землетрясение. Они могут возникать и в результате обрушения склонов - горных, речных или морских берегов.Так, обвальное землетрясение 2003 года в Кош-Агачском районе Республики Алтай стало следствием обвала древнего ледника, объемом порядка 20 миллионов кубических метров. В образовавшихся трещинах виднелся пласт льда, по которому шли подвижки. А в 1974 году в Перуанских Андах в долину реки Монтаро с высоты 2000 метров рухнули около 1,5 миллиардов кубических метров горных пород, вызвав землетрясение магнитудой более 5 баллов.

В 2013 году на Кузбассе в 3 километрах от села Старобачаты недалеко от Новокузнецка произошло землетрясение, глубина которого составила 9,8 километра. Специалисты назвали его причиной горный удар. Это явление возникает в условиях горной выработки (шахта), когда равновесное состояние пластов нарушено ведением работ. Происходит разрушение слоя породы с выбросом его части, сопровождающимся расширением окружающих пластов и образованием сейсмических волн. Горные удары часто происходят на глубине свыше 120 метров. Вероятность их увеличивается с увеличением прочности пород и глубины ведения работ, при имеющихся трещинах, делящих породу на отдельные блоки или при наличии участков повышенного горного давления.

Землетрясения и оползни

Толчки могут провоцировать гигантские оползни. В таком случае они будут иметь местный характер и являться незначительными. Оползни увеличивают давление породы на отдельных участках, ее напряжение увеличивается и может привести к сбросу в виде землетрясения. Как правило, оползни и вызванные ими землетрясения связаны с циклонами и наводнениями. Исследователи выяснили, что в 85% случаев после крупного урагана или тайфуна в течение нескольких лет происходят землетрясения мощностью свыше 6 баллов. Так на Гаити в 2008 году резвились сильные ураганы Фей, Густав, Хана и Их, а в 2010 году здесь ударило землетрясение магнитудой в 7 баллов. А подвижки на Тайване 2010 года заложил в 2008 году тайфун Моракот, выливший на местность 292 сантиметра осадков за 5 дней.

К сожалению, нарастание напряженности в слоях земной коры может вызывать и деятельность человека. Речь идет о горных работах, ослабляющих пласты породы, добыче газа и нефти, нарушающей равновесие земных недр закачке воды в выработанные скважины, заполнении крупных водохранилищ и, наконец, подземных взрывах. В таких случаях приходится сталкиваться с наведенной сейсмичностью и техногенными землетрясениями.

Большая масса воды в водохранилищах увеличивает давление в слоях слагающих пород и уменьшает трение между ними. В результате вероятность снятия напряжения путем подвижек многократно возрастает. При этом замечена корреляция вероятности с высотой плотины - при высоте порядка 90 метров 10% плотин вызывают землетрясение, при высоте более 140 метров - 21%. Сильные наведенные толчки с магнитудой более 6 баллов регистрировались при создании Асуанской плотины в Египте, плотины Кариба в Родезии, Лейк Мид в США. Особенно велики будут последствия, если работы идут в сейсмически напряженных районах.

Выработки в шахтах, скважинах и рудниках нарушают целостность пород, уменьшая сопротивление и создают подземные пустоты. Это ведет к обрушению и как следствие - к землетрясению. Добыча сланцевого газа методом гидравлического разрыва, при котором закачиваемая внутрь земли жидкость увеличивает внутреннее давление и разрушает соседние пласты, бесконтрольное выкачивание глубинных вод для снабжения городов - на все это Земля ответит разрушительными толчками.

Казалось бы все предельно ясно - землетрясения опаснейшие природные явления, несущие угрозу для человека. Ан нет, не все так однозначно. Некоторое время назад американский геолог Эрик Форс (Eric Force) из Аризонского университета в Тусоне заметил, что человека как магнитом тянет к местам сейсмической активности. Из 15 древних евразийских цивилизаций 13 располагались в сейсмических районах Альпийско-Гималайского пояса.

Форс систематизировал имеющиеся данные и получил некоторые интересные закономерности. Все цивилизации можно условно разбить на две группы - первичные (которые сформировались изначально) и вторичные (которые возникли под влиянием первых). И если первые появлялись на случайно выбранных местностях, то вторые - только в районах тектонической и сейсмической активности, по краям плит и разломов. Каким-то образом сейсмическая активность приводит к взрыву активности культурной. Гипотез, объясняющих это явление, несколько, но определенности пока нет.

Известно, что тектонически активные области обладают значительным запасом чистой воды и плодородных почв, что могло привлекать людей. С другой стороны, в сейсмически активных местах перед лицом нависающей угрозы людей проще объединить в сообщество, они вынуждены реагировать на постоянную опасность, развивая технологии и приобретая особые навыки поведения. По мнению британского археолога Джеффа Бэлли (Geoff Bailey) из университета Йорка (University of York), длительное время изучающего влияние активности тектонических плит на эволюцию человека, сейсмическая активность влияет на всю нашу историю, вплоть до причастности ее к возникновению человечества.