двадцать фактов о землетрясениях и тектонике. часть I

18.03.2024
251

Представляем подборку фактов о землетрясениях и их изучении — от Древнего Китая до наших дней.

1. Сколько бывает землетрясений?

Italian earthquake 4 century BC byLycosthene
Рисунок 1557 г., изображающий землетрясение в Италии в IV в. до н.э.

Ежегодно на Земле фиксируется 500 тысяч землетрясений. Большинство из них можно обнаружить только при помощи сейсмометров. Количество зарегистрированных землетрясений с каждым годом увеличивается, что объясняется просто: растёт точность приборов и количество сейсмостанций. Человек может ощутить только пятую часть из полумиллиона, а к разрушительным последствиям приводят около 100 землетрясений в год. На одно землетрясение магнитудой 5 приходится в среднем 10 землетрясений магнитудой 4, 100 — с M=3 и так далее. Это эмпирическое правило называют законом Гуттенберга-Рихтера.

2. Самое-самое?

Самое первое зафиксированное в исторических хрониках землетрясение произошло в 1831 г. до н.э в китайской провинции Шаньдун — по крайней мере, пока не удалось найти более древних записей. Самое разрушительное из исторических землетрясений — событие в китайской провинции Шеньси 1556 года. Количество его жертв оценивают в 830 тысяч человек, хотя оно не самое сильное в истории — сейсмологи считают, что по силе оно сопоставимо с землетрясением 2023 года в Турции. Но в этом регионе большинство населения проживало в пещерах, выдолбленных в мягких лёссовых породах и во время землетрясения эти жилища разрушились. Самая древняя и долгая хроника сейсмических событий также родом из Китая: систематические записи о них начинаются в 780 г. до н.э. при династии Чжоу.

3. Сейсмограф — сейсмометр — сейсмоскоп?

Для регистрации землетрясений используют специальный инструментарий — сейсмометры или сейсмографы. Первые сейсмографы известны ещё в Древнем Китае, а прототип современных приборов со стрелкой самописца, представляющей колебания земной поверхности при прохождении сейсмической волны появился в 1880 году.

Zhang Heng seismoscope reconstruction
Первый известный китайский сейсмоскоп — реконструкция 1939 года. Он появился, по-видимому, в 132 году н.э. во времена династии Хань, а изобрёл его известный учёный Чжан Хэн. При землетрясении бронзовый шарик вываливался из пасти одного из восьми драконов и с громким звуком падал на подставку в виде лягушки с открытым ртом. Положение «сработавшего» дракона указывало на направление, откуда пришёл сейсмический толчок. Источник фото: https://en.wikipedia.org/wiki/File:EastHanSeismograph.JPG

Сейсмометры на Земле формируют глобальную сеть, и их стараются установить везде, где позволяют технические возможности и логистика (например, их пока сложно массово установить на океанском дне). Это не обязательно активные зоны землетрясений. Сейсмометры используют для «просвечивания» внутренней структуры Земли — см. об этом ниже. Кроме того, сейсмометры установлены и на ближайших небесных телах. Так, их имеется несколько на Луне. Пока что один сейсмометр установлен на Марсе — это стационарная станция InSight, предназначенная для сейсмологических наблюдений. Осенью 2022 года она завершила свою работу по естественным причинам — её солнечные панели покрылись густым налётом марсианской пыли и больше не могут давать необходимое для её работы количество энергии. Подробнее про InSight можно прочитать в нескольких других статьях.

4. Огонь — вода — воздух..?

О причинах землетрясений учёные спорили со времён античности, причём современное представление о движениях земной коры не очень давнее. Так, древнегреческие философы приписывали их, например, «газам в недрах Земли» или «напряжениями между земной и водной средой». Также виновником землетрясений называли «огонь», «воздух» и остальные известные древним стихии. По-видимому, первым верно указал причину землетрясения в 1760 году английский инженер Джон Митчелл, которого считают одним из основателей сейсмологии. Он написал, что землетрясения и «волны энергии», которые они переносят, вызваны «перемещением горных пород на глубине множествa миль от поверхности» — сегодня такое объяснение принимается фактически без изменений.

При­чи­ной сотря­се­ния зем­ли одни пола­га­ли воду, дру­гие огонь, третьи — саму зем­лю, чет­вер­тые — дви­жу­щий­ся воздух; пятые — несколь­ко [сти­хий], шестые — все вме­сте. Неко­то­рые точ­но зна­ют, по их сло­вам, что при­чи­на зем­ле­тря­се­ний — одна из этих [сти­хий], но не зна­ют, какая имен­но.
(Сенека, «О природе», книга VI)

5. Земная кора как источник неприятностей?

Mediterranean seismicity
Разломы земной коры и места землетрясений в средиземноморском регионе.

Землетрясения возникают при смещении блоков земной коры — самой верхней и самой тонкой оболочки Земли. Толщина земной коры меняется в диапазоне от 5 до 90 км. Самая тонкая кора — под океанами, а самая толстая — под высокогорными массивами. Но в любом случае кора занимает ничтожную часть объёма планеты. Так, радиус Земли — около 6400 километров, то есть кора занимает меньше одного процента по толщине и 0,5% массы Земли. Изучением движений земной коры занимается специальный раздел геологии — тектоника. Очевидно, в ведении геологов-тектонистов находятся и землетрясения.

Гипоцентр землетрясения может располагаться на глубинах и до нескольких сотен километров. Это уже далеко не земная кора, но слои верхней мантии. Но такие землетрясения, называемые глубокофокусными, достаточно редкие — подавляющее число сейсмических событий происходит всё же в пределах коры.

  • Точку в глубине Земли, где произошло смещение блоков земной коры, называют гипоцентром землетрясения. А эпицентр — это проекция этой точки на земную поверхность.
  • Следы метеоритных кратеров на Земле называются астроблемами, или импактными структурами.

Землетрясения могут вызываться и другими причинами, например, падением крупных метеоритов и деятельностью вулканов. В условиях Земли, однако, процент таких сейсмических событий невелик по сравнению с землетрясениями от тектонических причин. Но, к примеру, на Марсе сейсмические толчки, или марсотрясения из-за бомбардировки метеоритами — явление более частое. Некоторые из таких толчков удалось уловить при помощи марсианского сейсмометра InSight, а в отдельных случаях — даже найти кратер, который оставил метеорит, вызвавший марсотрясение (об этом есть отдельная статья).

6. Вниз к центру Земли

Под земной корой располагаются следующие, гораздо более представительные по объёму оболочки Земли — мантия и металлическое ядро, которое разделяется на две компоненты: внешнее жидкое (расплав железа и никеля) и внутреннее твёрдое. Размеры мантии и ядра уже исчисляются тысячами километров. Толщина мантии примерно 2900 километров, и на долю ядра приходятся оставшиеся 3500 километров из 6400. Подобное строение имеют и другие планеты земной группы, в частности, Марс. Так, ядро у Марса имеет радиус, вероятно, около 1800 км — это половина радиуса планеты. Под вопросом пока наличие у Марса жидкого внешнего ядра. Подробнее о новых данных по внутреннему строению Марса можно прочитать в отдельной статье.

7. Откуда мы всё это знаем?

Seismic waves probing Earth interior
Принцип сейсмотомогафии: сейсмические волны от землетрясения можно использовать для исследования внутренней структуры планеты.

Сведения о внутреннем строении Земли и некоторых космических тел мы получаем из тех же землетрясений. Для этого используют сейсмические волны, которые распространяются от очага землетрясения сквозь всю Землю и фиксируются сейсмографами по всему миру. По задержке поступления волны на ту или иную станцию можно судить о скорости распространения сейсмосигнала в этом направлении (от «источника» — фокуса землетрясения к приёмнику — сейсмостанции на другой стороне земного шара), и соответственно о строении пород на пути волны. Раздел геологии, занимающийся исследованием внутренней структуры планеты по анализу сейсмических волн, называется сейсмотомография.

Сейсмотомографию используют также для изучения Луны, Марса и более удалённых тел Солнечной системы (в частности, планет-гигантов и их спутников). Больше того, сейсмические волны можно использовать для исследования звёзд — этот раздел астрофизики называется астросейсмология. Про исследование строения Марса при помощи данных, собранных станцией InSight, можно прочитать специальную большую статью.

8. Сейсмограммы и сейсмоволны

Seismogram and seismic waves at earthquake
Начало землетрясения на сейсмограмме.

Сейсмограмма изображает колебания земной коры, которые фиксирует сейсмограф. Первые сейсмограммы рисовали на движущейся бумажной ленте, по которой передвигалось перо самописца. На рисунке видно, как выглядит начало землетрясения — момент прихода сейсмической волны четко выделяется на кривой. Но после первого толчка на сейсмограмме видны дальнейшие события, при которых характер кривой резко изменяется — это моменты прихода разных типов волн. Первый сигнал приходит от самой быстрой волны, или P-волны (Primary wave). Затем следует вторичная, или S-волна (Secondary wave). Можно заметить, что амплитуда этой второй волны ощутимо выше. P и S волны — это соответственно продольная и поперечная звуковая волна в твёрдом теле. Их скорости различаются на несколько километров в секунду. Поэтому после первого сейсмического толчка землетрясения с некоторой задержкой последует второй, который может быть сильнее первого. Вслед за P- и S-волной на сейсмограмме появляется целая серия новых сигналов. Это так называемые поверхностные волны, у которых также выделяют несколько типов (волны Рэлея, Лява и т.д.) В отличие от и P- S-волн, которые распространяются сквозь толщу Земли (поэтому они называются объёмными) поверхностные волны распространяются на границе раздела двух сред, в нашем случае — по поверхности Земли. Самый известный пример таких волн — обычные морские волны. Их скорость ещё меньше, чем у двух объёмных, но их воздействие при землетрясении может быть ещё более разрушительным. На разнице скоростей разных типов волн можно сыграть в системах предупреждения (см. об этом ниже): когда сейсмостанция фиксирует самый первый толчок от P-волны, до прихода следующих может быть запас времени несколько десятков секунд — за это время можно выдать сигнал предупреждения о неизбежном землетрясении.

9. Магнитуда или балльность?

Wood-Anderson sejsmograph
Сейсмограф Вуда-Андерсона — «эталонный» сейсмограф 1930-х годов, на основании которого были разработаны первые версии шкалы магнитуд Рихтера.

Для характеристики землетрясения используется безразмерная величина — магнитуда M. Сейчас используется несколько похожих шкал с таким названием, но самая первая — шкала магнитуд Рихтера, введённая в 1935 году. Магнитуда определялась по максимальному отклонению стрелки стандартного сейсмографа того времени (сейсмографа Вуда-Андерсона). Если сейсмометр находится на эталонном расстоянии 100 километров от эпицентра землетрясения, то магнитуда по Рихтеру определяется просто — это десятичный логарифм максимального отклонения стрелки в микронах. Например, если отклонение стрелки 10 см, или 100 000 мкм, то магнитуда землетрясения — 5 (то есть log10 100 000). Разумеется, инструменты могут располагаться на разных расстояниях от эпицентра, поэтому для произвольных расстояний магнитуду рассчитывали, внося поправки на дальность. Принцип расчёта остался и в современных модификациях шкалы. Магнитуда землетрясения — мера сейсмической энергии, выделяемой во время толчка, и она измеряется в логарифмической шкале: увеличение M на единицу, например, с 5 до 6 соответствует увеличению энергии примерно в 30 раз (а точнее, в 31,6=103/2 раз). Поэтому энергия землетрясений магнитудой 7 и 5 различается в ~1000 раз, и M7 уже относят к катастрофическим событиям. Землетрясение максимальной магнитуды 9,5 зафиксировано в Чили в мае 1960 года. Два катастрофических землетрясения 2023 года — в Турции и Сирии (в феврале) и сентябрьское в Марокко имели магнитуды соответственно 7,8 и 6,8.

Шкалы магнитуд часто путают со шкалой интенсивности землетрясения в баллах (балльностью). Магнитуда — это характеристика всего сейсмического события, балльность — «сила» землетрясения в условных баллах (обычно I — XII), как оно ощущается в конкретной локации в зависимости от расстояния до эпицентра, твёрдости грунта и других факторов.

10. Землетрясения случаются не поодиночке

Turkey 2023 earthquake aftershock map
Землетрясение 2023 года в Турции и Сирии — карта крупных афтершоков (цифры — соответствующая магнитуда).

После «основного» землетрясения в течение нескольких часов и дней может последовать продолжение — сейсмические толчки меньшей силы примерно в том же месте. Их называют афтершоки (aftershocks), а число их может достигать нескольких сотен. Хотя они, как правило, уступают по силе и последствиям уже случившемуся землетрясению, расслабляться ещё рано. Например, один из знаменательных афтершоков — землетрясение магнитудой 7,1 в 1976 году в Китае. Оно случилось через несколько часов после землетрясения магнитудой 7,5. И главное, и «второстепенное» землетрясения, как можно догадаться, были катастрофическими событиями со множеством жертв и разрушений. Другой недавний пример — землетрясение в Турции и Сирии 6 февраля 2023 года: вслед за ним последовало несколько тысяч афтершоков в течение нескольких недель. Самый мощный из них случился через десять часов после главного землетрясения и имел магнитуду около 7,5. Кроме афтершоков, есть ещё и форшоки; как следует из названия, это серия небольших толчков, которые могут указывать на приближающееся катастрофическое событие.

11. Можно ли предсказать землетрясение? (нет)

Illinois earthquake isoseisms
Изосейсмы (линии равной интенсивности) землетрясения 1968 года с магнитудой 5,4.

Механизм землетрясений похож на сход снежной лавины в горах: в силу тектонических причин в горных породах постепенно накапливаются напряжения, которые «сбрасываются» в определённый момент путём резкого смещения блоков коры. Как и со снежной лавиной, мы можем только указать опасные районы (границы плит и участки вдоль тектонических разломов), но предсказать точное время, место и примерную силу будущего землетрясения пока нельзя. На протяжении десятилетий сейсмологи пытаются найти предвестники землетрясений среди самых разных явлений — от изменений магнитного поля Земли до наблюдений за поведением животных. Но пока что любые корреляции таких признаков со случившимися землетрясениями тонут в шумах: количество «ложных срабатываний» и «пропусков цели» любой предложенной системы предвестников не допускает её практического использования. Может оказаться, что невозможность таких предсказаний — фундаментальное свойство тектонической системы, связанное с её хаотичностью: так же невозможен прогноз погоды на несколько недель вперёд, за пределами временнóго горизонта хаотической системы климата.

В сейсмоопасных районах разворачивают системы раннего предупреждения, например, Shake Alert для западного побережья США. Но они не предсказывают землетрясений. Сеть сейсмостанций отслеживает уже начавшееся землетрясение, позволяя в режиме реального времени определить по пеленгу положение эпицентра и магнитуду, а следовательно, рассчитать момент прихода сейсмической волны в конкретное место. Система, таким образом, выдает предупреждение об уже неизбежном подземном толчке и его предполагаемой силе; если эпицентр находится достаточно далеко, это позволяет выиграть несколько десятков секунд — например, чтобы успеть покинуть здание или лечь на пол.

Продолжение — в части 2.

ИСТОЧНИК: XXII век https://22century.ru/popular-science-publications/earthquakes-tectonics-facts-part1

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *