Танцы беспокойной тверди

Сейсмические события, как ни странным это может показаться жителю Восточно-Европейской равнины, — обычные и закономерные проявления жизни нашей планеты. Каждую минуту на Земле происходит 1–2 землетрясения, что за год составляет несколько сотен тысяч, из которых одно — катастрофическое, около десяти — сильно разрушительных, около ста — разрушительных и ещё порядка тысяч сопровождаются незначительными повреждениями сооружений. Сегодня достаточно заглянуть в Интернет, чтобы убедиться в том, что земля постоянно содрогается под ногами жителей самых разных стран и всех континентов.

Автору этих строк дважды довелось стать свидетелем разрушительных землетрясений. С 12 июня по конец октября 1966 года я работал в составе геологического отряда в окрестностях Ташкента и помимо многочисленных мелких толчков, испытал два семибалльных (29 июня и 4 июля). А поздним вечером 15 июля более часа мы с коллегами наблюдали в небе яркое круговое свечение (подобное нередко сопровождает сильные землетрясения). Запомнились также ночные патрули в Ташкенте, ежедневные сводки о силе сейсмических толчков и очень интенсивная хорошо организованная работа по расчистке завалов.

В мае 1970 года на железнодорожной станции Дербент в Дагестане я оказался в воинском эшелоне, который простоял несколько часов из-за того, что на путях горели горы зерна, обильно политые нефтепродуктами, вытекшими из цистерн двух столкнувшихся составов. Авария случилась совсем незадолго до нашего приезда. Виновником столкновения было восьмибалльное землетрясение.

А одиннадцать лет спустя, в августе 1981 года мне довелось испытать и непосредственно восьмибалльный толчок. Мы тогда проводили экспедиционные работы на Курильских островах на склоне вулкана Тятя на острове Кунашир. Внезапно земля загудела под ногами, и твердая укатанная грунтовая дорога на несколько секунд превратилась в болотную хлябь. На всю жизнь в памяти остались воспоминания об уходящей из-под ног земле, о чувстве нереальности происходящего и отрешенности сознания, нарушении восприятия времени…

Позже выяснилось, что я стал свидетелем двух землетрясений, которые сыграли важную роль в установлении связи сейсмособытий с усилением глубинной дегазации. Во время Ташкентского землетрясения 1966 года был установлен эффект усиления радоновой дегазации за 2–3 недели до сейсмособытия. При Дагестанском землетрясении 14 мая 1970 года удалось измерить концентрацию газов в зияющих трещинах. Оказалось, что концентрации водорода во время сейсмособытия повышается на 5–6 порядков. Активизация газовыделения во время землетрясения наблюдается на площади в десятки и первые сотни тысяч квадратных километров, в зоне, где сила толчков превышает 4 балла.

Первый толчок Ташкентского землетрясения произошел ранним утром в 5 ч 22 мин. 26 апреля 1966 года. Интенсивные колебания продолжались 6–7 секунд и сопровождались подземным гулом и световыми вспышками. Очаг Ташкентского землетрясения находился непосредственно под центром города на глубине всего 8 км, поэтому эпицентр землетрясения, сила которого составила здесь 8 баллов, совпал с городским центром, который и пострадал более всего. Было разрушено большое количество жилых домов, особенно саманных старой постройки. Естественно, первый утренний толчок застал жителей города в постелях, что привело к человеческим жертвам. Разрушены были школы, фабрики, больницы и другие здания. Основной толчок сопровождался повторными — их называют афтершоками (от английского aftershock — толчок после толчка), — которые регистрировались ещё на протяжении двух лет, общее число которых превысило 1100. Самые сильные (до 7 баллов) отмечались в мае–июле 1966 года, а последний — 24 марта 1967 года.

Волны, фокусы и центры

Термин землетрясение настолько удачен и емок, что не требует дополнительного пояснения. Происходит землетрясение в результате скачкообразного выделения энергии внутри некоторого объема земных недр. Этот объем или пространство именуется очагом землетрясения, центр очага — гипоцентр. Проекция гипоцентра на поверхность Земли называется эпицентром. Расстояние от эпицентра до гипоцентра — это глубина очага. Проекция очага на поверхность, в пределах которой землетрясение имеет максимальную силу называется эпицентральной областью.

Очаги подавляющего числа землетрясений находятся на глубинах до 50–60 км. Кроме того, существуют глубокофокусные землетрясения, их очаги фиксируются на глубинах до 650–700 км. Обнаружены они были в 20-х годах прошлого века на окраинах Тихого океана. Относительно небольшое число землетрясений зарождается на глубинах 300–450 км. Кроме тихоокеанских окраин землетрясения с глубокими очагами (250–300 км) обнаружены на Памире, в Гималаях, Куньлуне и Гиндукуше.

Географическое распространение землетрясений на планете неоднородно. Наряду с асейсмичными областями, где на памяти человека не происходило значимых сейсмособытий, отчетливо выделяются сейсмически активные области, которые имеют вид линейно вытянутых зон, практически на 90% совпадающих с областями активного вулканизма. Это, в первую очередь, Тихоокеанское «огненное кольцо» — зона сочленения океана с его континентальными окраинами. Уже упомянутой спецификой этих зон является наличие глубокофокусных землетрясений. Постоянно происходят малоглубинные землетрясения в рифтовых зонах в сводовой части срединно-океанских хребтов, а также в континентальных рифтовых зонах, например на озере Байкал. Интересно, что сейсмичными зонами являются Финский залив Балтийского моря и Кандалакшский залив — Белого. Здесь сила землетрясений достигает 7 баллов, а сами события резко участились в последние годы.

Наиболее активной сейсмической зоной в планетарном масштабе считается так называемая Альпийско-Гималайская геосинклинальная область. Она, охватывая практически половину земного шара, протягивается от Атлантики на западе до Тихого океана на востоке.

Подчеркнем, что характер географического распределения землетрясений, совпадающий с областями проявления современного вулканизма и активной глубинной дегазации прямо указывает на наличие генетической связи между этими катастрофическими явлениями.

Энергия, мгновенно освободившаяся в очаге, распространяется в окружающем пространстве в виде упругих сейсмических волн. Материя реагирует на импульсное воздействие изменением формы и объема. Элементарные изменения объема распространяются в горных породах в виде продольных волн (волны сгущения), а изменение формы — в виде поперечных волн (волны сдвига). Наглядным примером продольных волн является волна, бегущая по железнодорожному составу после резкого толчка локомотива. Всякий, кто бывал на грузовых станциях, вспомнит характерный звук трогающегося состава, сопровождающий бегущую волну. Поперечная волна подобна обычному колебанию струны. Сейсмические волны подчиняются всем законам волнового движения, на границах сред они преломляются и отражаются, затухают при удалении от источника. Длина сейсмических волн варьирует от сотен метров до сотен километров.

Скорость распространения продольных волн в 1,7 раза больше скорости поперечных, поэтому они первыми достигают поверхности Земли, почему и называются ещё P-волнами (от английского primary — первичные), а поперечные, соответственно, S — волны (от английского secondary — вторичные). Пришедшие первыми в эпицентр продольные волны возбуждают волны поверхностные, которые являются поперечными, но в отличие от первичных поперечных волн имеют скорость распространения в два раза меньшую. В скальных грунтах она не превышает 3,3–4,0 км/с. Амплитуда поверхностных волн не превышает нескольких сантиметров, а длина достигает сотен километров. Они расходятся от эпицентра во все стороны и могут обежать всю планету, место встречи разнонаправленных фронтов называется антиэпицентром.

В толщах рыхлых или вязких (пески, глины), особенно насыщенных водой пород возбуждаются волны тяжести, причина их возникновения — дезинтеграция частиц. Некий объем породы, взброшенный сейсмическим ударом как единое целое, возвращается в исходное положение под действием гравитации в виде отдельных частиц. Скорость волн тяжести в 1000 раз меньше скорости упругих колебаний и измеряется метрами в секунду, но амплитуда может достигать десятков сантиметров. Так, при Калифорнийском землетрясении 1906 года в отдельных местах отмечались поверхностные волны высотой до 1 м, было зафиксировано также распространение волн высотой около 30 см и длиной 18 м.

Поверхностные волны и волны тяжести приносят наибольший ущерб, они вызывают видимые колебания почвы, изгибы рельсов, трубопроводов и дорог.

Обычно поверхностные движения длятся не более одной минуты, и в 1906 году в Сан-Франциско землетрясение продолжалось около сорока секунд. Однако продолжительность сильнейшего землетрясения на Аляске в 1964 году была в пять раз больше. Затем все стихает, и на смену волнам перечисленных типов приходят афтершоки, вызванные вторичными подвижками пород в точке первоначального нарушения их целостности или вблизи её. Афтершоки могут продолжаться довольно долго, до нескольких лет, причем сила некоторых из них может быть очень большой. В течение суток после землетрясения на Аляске в 1964 году было зарегистрировано двадцать восемь афтершоков, десять из которых были достаточно ощутимыми. Из-за афтершоков очистительные и спасательные работы после землетрясения становятся опасными.

Наши баллы против их Рихтера

Интенсивность землетрясения измеряется в баллах или выражается его магнитудой. В России принята 12-балльная шкала, разработанная Институтом физики Земли Академии наук СССР; градации этой шкалы утверждены в качестве общегосударственного стандарта. Шкала построена на показаниях сейсмографов, дающих величину колебаний при толчках, а также на ощущениях людей и наблюдаемых явлениях.

Однобальное землетрясение называется незаметным, характеризуется микросейсмическими сотрясениями почвы, отмечаемые только сейсмическими приборами. В середине шкалы сильное землетрясение силой 6 баллов. Ощущается всеми. В испуге очень многие выбегают на улицу. Наблюдается сильное колебание жидкостей. Картины падают со стен, с полок — книги. Довольно устойчивые предметы домашней обстановки сдвигаются с места или опрокидываются. Штукатурка на домах даже солидной постройки дает тонкие трещины. У домов плохой постройки повреждения сильнее, но не опасны.

Красноречивы названия землетрясений силой от 7 до 11 баллов. Они именуются соответственно: очень сильное; разрушительное; опустошительное; уничтожающее; катастрофа. Максимальное в шкале — 12-бальное землетрясение. Это сильная катастрофа — изменения в почве достигают огромных размеров. Рушатся все постройки без исключения. В покрытой растительностью скалистой почве образуются сбросовые трещины со значительным смещением, сдвигами и разрывами. Начинаются многочисленные обвалы скал, оползни, осыпание берегов на значительном протяжении, появляются новые водопады, реки меняют направление течения.

Эта шкала удобна, но нелинейна. Отношение энергии самых сильных сейсмических катастроф к энергии слабых землетрясений оценивается в 10¹⁷. Во время сильных землетрясений энерговыделение составляет 10²³– 10²⁵ эрг. Для сравнения укажем, что энергия взрыва 15-килотонной атомной бомбы примерно соответствует 6-балльному землетрясению.

Более точную оценку энерговыделения дает магнитуда — параметр, введенный в 1935 году сейсмологом Чарлзом Рихтером (Charles Francis Richter, 1900–1985). Он определил магнитуду как число, пропорциональное десятичному логарифму амплитуды (выраженной в микрометрах) наиболее крупной волны, зарегистрированной стандартным сейсмографом на расстоянии 100 км от эпицентра. Магнитуда землетрясения по шкале Рихтера может изменяться от 1 до 9. Не раз упоминавшееся уже землетрясение 1906 года в Сан-Франциско имело магнитуду 8,3, но вызвало почти полные разрушения и оценивается в 11–12 баллов.

Землетрясения-убийцы

Количество человеческих жизней, унесенных землетрясениями за все время существования человечества, оценивается в 15 млн. Это в 100 раз больше, чем число жертв извержений вулканов. Самые разрушительные из известных землетрясений наблюдались в Китае. 28 июля 1976 года примерно в 160 км к юго-востоку от Пекина, в густонаселенном районе северо-восточного Китая произошло очень мощное землетрясение с магнитудой 8,2, эпицентр которого находился в огромном промышленном городе Таншань.

Жилые дома и магазины, учреждения и заводы превратились в груды обломков. Весь город практически сровнялся с землей. Некоторые районы, расположенные на рыхлых грунтах, во время землетрясения сильно осели и покрылись множеством огромных трещин. Одна из таких трещин поглотила здание больницы и переполненный пассажирами поезд. Развитию трещин способствовало обрушение старых выработок в угольных шахтах. Население Таншаня насчитывало полтора миллиона человек, но лишь очень немногим удалось избежать телесных повреждений. Официальных сообщений об этой катастрофе из Китая не поступало, но гонконгская пресса сообщила, что погибло 655 237 человек (в это число были включены также жертвы землетрясения за пределами Таншаня, в частности в Тяньцзине и Пекине).

Эпицентр ещё более губительного землетрясения, произошедшего 23 января 1556 года, находился также в Китае, в городе Сиань (провинция Шэньси). Сиань расположен на берегах великой реки Хуанхэ, где равнины, выполненные рыхлыми осадками, чередуются с низкими холмами, сложенными тонким лессовым материалом. По рассказам очевидцев, целые города погружались в грунт, разжиженный вследствие колебаний, и тысячи жилищ, вырытых в рыхлых лессовых холмах, обрушились в считанные секунды. Поскольку толчок произошел в 5 часов утра, большинство семей ещё находилось дома и с этим, несомненно, связано огромное число жертв — 830 000. Это единственное землетрясение, при котором погибших было больше, чем при катастрофе в Таншане.

В России и СССР в послевоенную половину прошлого века наиболее разрушительными оказались Ашхабадское (октябрь 1948 года); Ташкентское (апрель 1966 года), Дагестанское (май 1970 года), Спитакское (декабрь 1988 года) и Нефтегорское (май 1995 года) землетрясения, каждое из которых унесло тысячи и десятки тысяч человеческих жизней, а с лица земли были стерты целые города.