Цунами

История представлений

Прежде чем человечеству удалось понять грозную силу различных явлений природы, оно прошло длительный и сложный путь развития — от трепета и страха перед силами природы на заре своего существования через столетия полного суеверий и религиозных предрассудков средневековья до современного состояния знаний.

Обратившись к истории, мы можем восстановить по различным писаниям и легендам, каким наши далекие предки видели устройство мира и каковы, по их взглядам, причины возникновения землетрясений. Некоторые из легенд излагают фантастические представления малограмотных или просто неграмотных людей; другие были выдуманы различными ловкачами, стремившимися поразить воображение людей своими необъятными познаниями и прослыть волшебниками; третьи, более поздние, рождались при искреннем стремлении дать более или менее правильную оценку землетрясениям. Но в силу недостатка в то время фактических сведений и неумения делать из них правильные выводы и обобщения, в силу слабого развития науки люди не могли найти ответ.

Вот что пишет З. Робертс в книге «Когда сотрясается земля»: «По преданию одного бирманского племени Земля окружена кольцом из змей. Если какая-нибудь из них, приняв по ошибке свой хвост за нечто съедобное, начинала ловить его, то вызванные ею сотрясения распространялись по всей Земле. Жители Молуккских островов также верили, что причиной землетрясений являются змеи. Согласно индийской легенде, Землю поддерживает множество змей, не давая ей упасть в море. Перебрасывая свою ношу друг другу, они якобы вызывают землетрясения.

Существует немало вариаций на эту тему, и всегда в них фигурируют животные. В древние времена они играли особо важную роль в жизни человека. Крупные животные восхищали древних своей силой; ничего удивительного, что они казались предназначенными для выполнения наиболее ответственных задач. В Восточной Индии, например, считалось, что Землю поддерживает буйвол. На о-ве Целебес эту роль выполнял боров; почесываясь о пальму, он раскачивал Землю и этим вызывал землетрясения. Монгольские ламы — буддийские священники — утверждали, будто бы бог препоручил заботы о Земле специально сотворенной для этой цели чудовищной лягушке. Всякий раз, когда она делала движение какой-либо частью тела, в ближайших областях Земли возникали землетрясения…

Подобные представления получили широкое распространение и пользовались популярностью даже среди греков и римлян, обладавших более высоким уровнем развития. Постепенно люди поняли абсурдность представлений о животных — монстрах, которых никто не видел в глаза. Появилась потребность в других объяснениях, которые, как считали в те времена, были более правдоподобными.

Так у древних появились особые боги и титаны. У греков это был Атлас, славившийся своей силой; он-то и держал на своих плечах Землю. Однако виновником частых землетрясений был не он. Считалось, что землетрясения чаще всего происходят вдоль побережья, поэтому их связывали с греческим богом морей — Посейдоном (у римлян — Нептуном). Его называли также «Колебателем Земли».

…Многих философов древности интересовали причины землетрясений. О них упоминается в трудах Сенеки, Плиния, Аристотеля и др. Римскому поэту Овидию Земля казалась одушевленным и крайне чувствительным существом. Пытаясь укрыться от палящих лучей, грозящих ей гибелью, она в страхе содрогается. Подобное представление Овидия частично перекликается с бытующим кое-где и поныне мнением, что причиной землетрясений следует считать взрывы под землей, которые отмечаются только в жаркую погоду…

Греческий философ Анаксагор (V в. до н. э.) связывал землетрясения с воздействием особого эфира (который, по-видимому, соответствовал нашему понятию атмосферы), попадавшего на землю вместе с дождем. Другой философ — Демокрит, живший в то же время, считал, что землетрясения вызываются дождем или просачивающейся из морей и озер водой…

Греческий философ Аристотель, живший в IV в. до н. э… по-своему пытался объяснить все природные явления… Он, например, сравнивал землетрясения с приступами озноба у человека, больного лихорадкой, и впервые ввел понятие[1] о четырех элементах: этими элементами, позднее всеми признанными, являются огонь, вода, земля и воздух. По мнению Аристотеля, именно различными их сочетаниями объясняются такие хорошо известные природные явления, как ураган, извержения вулканов и землетрясения. Из его пространных трактатов о сущности явлений мы узнаем, что землетрясения вызываются главным образом просачиванием заключенного в пещерах Под большим давлением воздуха»[2].

Позднее наступил довольно продолжительный период религиозного догматизма. В этот период большинство явлений природы объяснялось «божьей карой».

«Византийский император Юстиниан, правивший в VI в. н. э., указом ввел смертную казнь за целый ряд преступлений, в том числе за богохульство и ворожбу на волосах с чьей-либо головы, так как считалось, что эти поступки вызывают грозы и землетрясения.

Со временем взгляды на причины землетрясений стали менее фантастичными, но по-прежнему находились под сильным влиянием религиозных предрассудков, поскольку истинные причины оставались неясными…

Длительное время люди ошибочно полагали, что землетрясения происходят только в населенных районах. Это заблуждение объяснялось слабой заселенностью отдельных районов и отсутствием приборов, способных указать точное местоположение удаленных толчков»[3].

Впрочем, даже при современном состоянии знаний здесь имеется еще немало белых пятен. По крайней мере о причинах землетрясений не существует единого мнения среди ученых и по сей день.

Земная поверхность непрерывно меняет свой лик

Все многообразие окружающего нас материального мира находится в непрерывном движении и изменении. Масштабы этих изменений безграничны: от космических катаклизмов в далеких глубинах Вселенной до ничтожно малых, происходящих с какой-либо частицей вещества.

Вырастают новые величественные хребты, равные Гималаям, а затем они же превращаются в частицы песка и глины. Снесенный со склонов гор дождевыми потоками, ручьями и реками, этот обломочный материал оседает на дне близлежащих морей, образуя слои осадочных отложений толщиной до 10–20 км. Время изменяет контуры береговых линий. Моря то наступают на сушу, то уходят с нее. И даже огромные горы, уходящие своими основаниями от дневной поверхности в глубь Земли до 60–70 км, не остаются на месте, а испытывают медленное, но непрерывное перемещение в различных горизонтальных направлениях, как великие айсберги суши.

«Чем возвышены великие хребты Кавказские, Таврийские, Кордильерские, Пиренейские и другие, и самые главные горы, то есть части света? Конечно, не ветрами, не дождями… Есть в сердце земном иное неизмеримое могущество, которое по временам заставляет себя чувствовать на поверхности и коего следы повсюду явствуют, где дно морское на горах, на дне морском горы видим…» — писал в трактате «О слоях земных» М. В. Ломоносов.

Такие изменения, разумеется, происходят очень медленно. Если дать некоторую среднюю оценку этим вертикальным и горизонтальным движениям, то она не превысит для роста гор десятой доли миллиметра, а для перемещения материков — 1 см в год. Тем не менее при такой скорости движения произойдет перемещена на 1000 км, если оно будет происходить, допустим, 100 млн. лет. А с точки зрения геологии это не такой уж и большой срок — всего 2 % времени существования Земли.

Здесь упомянуты изменения глобального масштаба. Они действительно требуют очень продолжительного времени. А можно было бы указать на множество, хотя и более мелких, но тоже значительных изменений, происшедших, как говорится, на глазах человека, по крайней мере за исторический период человеческой деятельности: образование пустынь, где некогда были густые лесные массивы и заросли; возникновение рек, появление озер и т. п. в местах, где никак нельзя было предполагать их рождение. И наоборот. Но это уже тема другого рассказа.

Немного о слоях земных

Для того чтобы были более понятными процессы, происходящие в земных недрах, необходимо, хотя бы вкратце, остановиться на внутреннем строении Земли.

Внешне Земля — шар, или, несколько точнее, имеет форму, весьма близкую к шаровидной. Об этом теперь уже известно каждому школьнику. Но как устроен этот «шар» изнутри, каково его внутреннее строение, его внутреннее содержание — этот вопрос, видимо, еще достаточно долго будет оставаться дискуссионным.

Действительно, самые совершенные машины не позволяют проникнуть внутрь Земли на глубину более полутора десятков километров. Да и такая глубина пока еще не реальность, а мечта. Поэтому совершенно ясно, что только механический способ, например бурение скважин для изучения глубинного строения Земли, пи в какой мере не может считаться достаточным. Как же быть?

Для ознакомления с работой какой-либо сложной и незнакомой машины ее можно разобрать на отдельные простые устройства или детали, определить назначение, взаимосвязь и взаимозависимость каждого узла и детали в отдельности и в итоге получить более или менее правильное представление о работе машины в целом; при изучении внутреннего строения живого организма его можно препарировать; исследуя какое-либо природное явление, за ним проводят непосредственные наблюдения и т. д.

Эти прямые способы хороши, если они возможны и применимы к явлению, организму, машине. А как быть с Землей? Ее не препарируешь и не разберешь на отдельные детали. Необходим какой-то косвенный путь. И этот косвенный путь подсказала сама природа — изучение всех проявлений, возникающих при землетрясениях.

Замечательный русский ученый, основоположник современной приборной сейсмологии академик Б. Б. Голицын в «Лекциях по сейсмометрии» писал: «Можно уподобить всякое землетрясение фонарю, который зажигается на короткое время и освещает нам внутренность Земли, позволяя ^ем самым рассмотреть то, что там происходит. Свет этого фонаря пока еще очень тусклый, но не подлежит сомнению, что со временем он станет гораздо ярче и позволит нам разобраться в этих сложных явлениях природы…».

На самом деле, не будь этого «фонаря», еще не известно, узнало бы человечество что-либо о внутреннем, глубинном строении Земли. Здесь уместна русская поговорка: «Не было бы счастья — несчастье помогло». Землетрясение — несчастье. Но именно благодаря ему ученым удалось представить довольно четкую картину строения Земли до ее центра.

Изучением землетрясений занимаются сейсмологи. Сейсмологией называется раздел геофизики, который изучает причины и условия возникновения землетрясений, а также возникновение и распространение упругих (сейсмических) волн внутри Земли.

Возбужденные в очаге землетрясений колебания различной частоты — сейсмические волны, возникая при разрушении земных пород, пронизывают все тело Земли и несут, таким образом, ценнейшую информацию. С помощью в основном этой информации и возникли современные представления о внутреннем строении Земли. Абсолютно единого мнения о глубинном строении Земли до настоящего времени еще нет, однако главные контуры ее намечены, и в этом расхождений почти не наблюдается.

Наибольшее распространение получила модель К. Е. Буллена (рис. 1, табл. 1).

Рис. 1. Схема глубинного строения Земли

Из рисунка и таблицы видно, что Земля имеет слоистое строение. Детальное исследование этих слоев в последние два десятилетия показало наличие в них еще и горизонтальных неоднородностей.

Слой земной коры по своей глубине занимает совсем небольшую часть всего тела Земли. Чтобы представить толщину коры, обычно прибегают к различным образным сравнениям. Приведем одно из наиболее распространенных. Если земной шар уменьшить до размеров крупного яблока, то толщина его кожуры будет соответствовать толщине земной коры. Конечно, это сравнение не следует использовать для каких-либо расчетов! Пример показывает лишь, насколько тонок тот слой, на котором протекают все земные процессы и на котором так бурно развилась жизнь.

Разные слои Земли имеют различную температуру. Всюду, за исключением коры, она, как правило, довольно высока, во всяком случае близка к точке плавления или превышает ее для большинства веществ на земной поверхности. Но испытывая колоссальное давление, вещество это находится в основном (кроме отдельных областей или сфер внутри Земли) в твердом состоянии. Явно выраженной сферой со свойствами жидкого тела считается слой Земли, расположенный ниже мантии и равный по толщине примерно двум третям радиуса земного ядра его внешней части. При этом не следует понимать, что вещество ядра можно сравнить с каким-либо веществом, находящимся в жидком виде на поверхности Земли. Испытывая огромное давление при очень высокой температуре, оно находится в особом состоянии, которому нет сравнения на земной поверхности. Его «жидкое» состояние рассматривается только в смысле отсутствия у него качеств, обязательных для твердого тела (например, сопротивление сдвигу). К сожалению, человечество пока не может добыть хотя бы «кусочек» мантии, тем более ядра Земли, чтобы точно установить их свойства и состояние.

Границы слоев, или сфер, Земли установлены сейсмологами на основе расшифровки записей сейсмических волн, возникающих, как уже говорилось, при землетрясениях и проходящих через Землю. Очень резкая разница в свойствах вещества разных слоев даже заставила разделить их условно границами. Как видно из табл. 1, таких границ установлено по крайней мере две: Гутенберга и Мохоровичича. Первая названа по имени американского ученого Гутенберга, установившего эту границу в 1914 г. по отраженным от земного ядра волнам, вторая — по имени югославского геофизика Мохоровичича, открывшего ее в 1909 г. при изучении сейсмических записей землетрясений в Хорватии (Югославия). Первая разделяет земное ядро и мантию и находится на глубине около 2900 км от земной поверхности, вторая отделяет верхнюю мантию от коры и находится на глубине 4—60 км. Кроме того, значительными различиями между собой обладают внутреннее и внешнее ядро, а также нижняя и верхняя мантии, хотя они и не получили именной разделительной границы. В соответствии с предложенной схемой (см. рис. 1) они разделяются так называемыми переходными зонами. Толщина переходной зоны между внутренним и внешним ядром оценивается примерно в 140–150 км, а между нижней и верхней мантиями — в 600 км. Наибольшее количество вещества всего объема и массы Земли приходится на верхнюю и нижнюю мантии.

Движения частей суши

В последнее десятилетие широкое распространение получила давно высказанная идея дрейфа материков. Рост наших знаний по геологии поверхности Земли действительно позволяет с большей долей уверенности, чем раньше, высказать предположение о том, что некогда материки примыкали друг к другу, но впоследствии разошлись. Согласно этой гипотезе около 300 млн. лет назад поверхность Земли представлялась двумя сверхматериками — Гондваной и Лавразией — и одним, разделяющим их океаном, — Тетисом.

По описанию Д. и М. Тарлингов, эта картина выглядела следующим образом: «…в конце каменноугольного и начале пермского геологических периодов возвышенные участки суши всего земного шара были сгруппированы в два местами смыкающихся сверхматерика разных размеров, причем материки в том виде, как мы их знаем теперь, были уже различными их частями. Такое расположение, с очень небольшими изменениями, сохранялось последующие 150 млн. лет; поэтому удобно считать 300 млн. лет назад началом истории разделения материков, имея в виду, что это всего лишь 1/15 часть продолжительности существования Земли.

Гондвана, включающая Южную Америку, Африку, Индию, Австралию и Антарктиду, располагалась так, что ее южная часть была покрыта полярной ледяной шапкой, в то время как северные области находились в тропических широтах. Северная Америка, — Европа и Азия составляли Лавразию, пересекавшуюся в то время экватором (рис. 2).

Рис. 2. Расположение материков на земном шаре в далеком прошлом (предположительно)

1 — раскрывшиеся разломы, которые затем образовали Индийский и Атлантический океаны; 2 — разломы, которые возникли, но еще не раскрылись; 3 — впадины, окаймляющие материки; 4 — мелкие моря на континентах

Вокруг этого огромного массива суши располагались длинные прогибы, в которых накапливались осадки и обломки материковых пород. Эти прогибы в дальнейшем превратились в современные Альпийско-Гималайский и Тихоокеанский горные пояса, но в то время и в течение большей части их последующей истории они были местами наибольшей геологической активности…

Лавразию и Гондвану разделял океан Тетис. Он сужался по направлению к западу так, что эти сверхматерики соединялись: Северо-Западная Африка примыкала к Северной Америке и Южной Европе…».

В первоначальном виде эта гипотеза была сформулирована в 1915–1925 гг. А. Вегенером. Она предполагала только дрейф материковых глыб по подкоровым слоям и по коре океанов. Сейчас теория больших горизонтальных перемещений глыб земной коры (так называемая тектоника плит, или глобальная тектоника), понимается иначе, а именно как представление о перемещении огромных плит, включающих не только материки, но и припаянные к ним обширные площади коры океанов. В одних зонах, где формируются складки, надвиги и происходят наиболее сильные землетрясения, эти плиты надвигаются друг на друга, как торосы при сжатии ледяного покрова в Ледовитом океане. В других поясах на осевых линиях срединных океанических хребтов плиты разрываются, расходятся и в промежутке между ними формируется новая океаническая кора.

У земных недр своя жизнь

Условия, в которых находится вещество Земли, и его состояние предрасполагают к большим и малым физико-химическим, механическим, радиоактивным и другим глубинным процессам, носящим название тектонических.

Все такие процессы происходят с выделением либо поглощением энергии и с ее перераспределением. В результате названных тектонических процессов вещество Земли подвергается медленной деформации. При этом в разных областях внутри Земли, в том числе и в ее коре, скапливается различное количество энергии, что приводит к большим напряжениям.

Концентрация энергии и возникновение напряжении в отдельных частях земной коры и верхней мантии могут достигать такой величины, когда прочность вещества Земли в каком-то месте не выдерживает. Происходит нарушение того состояния вещества, в котором оно находилось. На определенном участке начинается разрушение пород. Это нарушение (или разрушение) может представлять собой какой-либо скол, разлом, раздробление и т. д. со смещением отдельных блоков, участков земной коры вертикально вверх или вниз. Может произойти сдвиг по наклонной плоскости под значительным или небольшим углом, а может быть, и горизонтально. Процессы такого рода, как правило, не только вызывают колебания в месте разрушения, но могут охватывать и большие площади на поверхности Земли. Следовательно, можно сказать, что колебания Земли, происходящие в результате внезапных разрывов в верхних или более глубоких слоях Земли с нарушением ее сплошности и вызывающие сотрясение земной поверхности, и называются землетрясениями.

Область внутри Земли, где возникают эти разрушения и происходит разрыв сплошности материала Земли под действием упругих напряжений, накопленных в результате тектонических процессов, и проявляются остаточные деформации, называется очагом землетрясения. Очаг обычно имеет значительную протяженность. Место на поверхности Земли над областью очага называют эпицентральной областью. Точку, в которой начинается разрушение, именуют гипоцентром, а ее проекцию на земную поверхность — эпицентром землетрясения.

Но землетрясения возникают не только от указанных выше причин. Они могут явиться также следствием смещения «земных плит» друг относительно друга, что приводит к сминанию их кромок или мест соприкосновения и в результате — к большим разрушениям и перестройке их граничных форм. Такие процессы также носят название тектонических, а землетрясения, вызванные ими, — ' тектонических.

Учитывая сказанное, можно утверждать, что процесс формирования земного рельефа в немалой степени является следствием движений, происходящих в недрах Земли на значительных глубинах.

Тектонические процессы, происходящие вблизи расположения вулканов, способны вызвать значительную вулканическую деятельность (извержения, взрывы газа и т. п.). При этом землетрясения называют вулканическими, хотя порождены они, по-видимому, теми же тектоническими процессами. Такие землетрясения возникают реже, обычно они слабее, неглубоки и носят местный характер. Хотя иногда бывают и исключения, когда происходит взрыв части вулкана или даже целого вулканического острова. Классический пример тому — взрыв вулкана Кракатау в 1883 г.

Еще реже и слабее, но могут возникать землетрясения в результате карстовых процессов. Вымывание растворимых пород в земной коре водой, проникающей с поверхности земли внутрь коры, приводит к образованию больших и малых пустот, которые впоследствии заполняются путем обвалов вышележащих пород. При этом наблюдаются так называемые провальные (или обвальные) землетрясения.

Наконец, на больших глубинах бывают землетрясения, получившие название глубокофокусных, или плутонических. Механизм и причины возникновения их пока еще далеко не ясны.

По глубине возникновения начальных процессов различают три группы очагов (в км): 1) нормальные — до 70; 2) промежуточные — от 70 до 300; 3) глубокие — от 300 до 700.

Процессы разрушения, происходящие на различной глубине, по-разному проявляются на поверхности Земли. Это и понятно. Землетрясения с очагом па глубине до 5 км в силу невозможности накопления больших напряжений (из-за предела прочности пород) и, стало быть, концентрации значительного количества потенциальной энергии не могут обладать большой разрушительной силой, и действие их ограничивается небольшим участком.

Землетрясения с глубиной очага более 300 км также слабо проявляются на поверхности Земли. Это вызвано тем, что сейсмическая энергия, возникающая в очаге, распространяясь во все стороны от него, с расстоянием рассредоточивается все в большем, объеме Земли и при выходе на поверхность плотность ее на единицу площади становится незначительной.

Таким образом, опасными, по-видимому, следует считать (при прочих равных условиях) землетрясения с очагами в указанном промежутке глубин — от 5 до 300 км. Наиболее опасны землетрясения, очаги которых находятся на глубине от 15 до 100 км.

Всеобщее внимание, однако, привлекают сильные землетрясения, потому что они, как правило, служат причиной разрушения сооружений либо изменяют вид земной поверхности, иногда еще и сопровождаются человеческими жертвами. При нескольких десятках очень сильных землетрясений наблюдалось образование крупных разломов.

Исходя из этого полагают, что так происходит при большинстве сильных землетрясений, и именно этим объясняется результат разрушений. В действительности положение дел обстоит не совсем так. Видимые проявления сильных землетрясений на поверхности Земли (трещины, провалы, смещение отдельных участков Земли друг относительно друга и т. п.) лишь косвенно связаны с глубинными, тектоническими процессами, где происходят разломы и разрушения. И главная опасность при землетрясении — это не трещины и провалы, а очень сильные сотрясения верхних слоев грунта, вызванные пришедшей из сейсмического очага упругой волной.

Когда в Земле возникает землетрясение или происходит взрыв, часть высвобождающейся энергии превращается в упругие волны, которые распространяются в горных породах с различной скоростью, зависящей от плотности и упругости пород. Различают два вида упругих волн: объемные и поверхностные. Объемные волны пронизывают все тело, весь объем Земли и бывают двух типов: 1) сжатия и разрежения, называющиеся продольными, или волнами Р; 2) поперечных смещений, называющиеся поперечными, или волнами S. Поверхностные образуются сложным взаимодействием продольных и поперечных волн с земной поверхностью и распространяются только в поверхностных слоях Земли.

Таким образом, при сильном землетрясении сейсмические волны, идущие по всему земному шару, могут быть обнаружены в любой точке его поверхности специальными высокочувствительными приборами — сейсмографами, служащими для записи землетрясений.

Обычно принимают, что упругие волны, возникающие при землетрясении, исходят из одной точки. Это допустимо, когда расстояние до' источника много больше размеров самого источника — очага землетрясения. В действительности, очаг имеет значительную протяженность, по крайней мере 10 км, а чаще больше (иногда даже более 100 км). Это зависит от энергии землетрясения. И если расстояние от источника до места регистрации землетрясения становится соизмеримым, то такое допущение нельзя считать правомерным.

Объемные продольные и поперечные волны возникают одновременно и распространяются независимо друг от друга, причем скорость продольных волн почти вдвое больше скорости поперечных, тем более поверхностных, распространяющихся еще медленнее, чем поперечные. Поэтому продольные волны, проходя через глубины Земли и достигая ее поверхности первыми, приносят информацию о происшедшем землетрясении. Основные параметры, характеризующие сейсмические волны, — это амплитуда колебания, период и скорость.

Если бы вещество Земли, где происходят сейсмические процессы, являлось идеально упругой и однородной средой, то волновая картина, возникающая при землетрясении, была бы значительно проще. В действительности же вследствие слоистости, неоднородности коры, а также в зависимости от гидрологических условий и значительной неровности земной поверхности сейсмические волны, отражаясь, преломляясь, рассеиваясь и поглощаясь, приобретают исключительно сложный характер распространения. В результате запись движения почвы при землетрясениях представляется в виде очень сложной кривой.

Сейсмические колебания по-разному проявляются в земных породах различной плотности и упругости. Энергия, которую несет сейсмическая волна и которая проявляется на поверхности Земли, зависит от произведения трех величин (квадрат скорости колебаний V, плотность пород р и скорость сейсмической волны С) в виде Е~ρCV². Произведение ρС принято называть сейсмической жесткостью земных пород. Устойчивость построек к разрушению в значительной степени зависит от сейсмической жесткости грунта.

Действительно, при постоянной энергии колебаний их скорость должна быть тем большей, чем меньше сейсмическая жесткость грунта. В свою очередь, чем больше скорость колебаний, тем вероятнее разрушение стоящей на нем постройки.

С. В. Медведевым и Н. В. Шебалиным составлена таблица, в которой указаны интервалы скорости распространения волн, плотности и сейсмической жесткости для основных категорий грунтов (табл. 2).

Из таблицы видна зависимость сейсмической жесткости от типа грунта.

Таким образом, в силу неоднородности земной коры под действием сейсмических волн, особенно поверхностных, колебания недостаточно жесткого слоя (плывуны, песчаник, торфяник, искусственные насыпи и т. п.) происходят с большими амплитудами по сравнению с твердыми породами, поэтому на них возникают более опасные условия для любых построек.

Можно привести нижеследующее сравнение в виде соотношений между величинами амплитуд для различных грунтов при сильных землетрясениях: сейсмическая волна, вызывающая колебания грунта на скальных породах в 2–5 мм, создает колебания в землистых уже до 25 мм, а в насыпях и неустойчивых почвах даже до 100 мм и более.

Приведенный пример дает достаточно ясное представление об опасности строительства объектов на рыхлых грунтах.

Пояса разрушений

По земному шару землетрясения распределяются весьма неравномерно. Они приурочены к определенным зонам — поясам сейсмичности. Основными из них можно считать два: 1) Тихоокеанский и 2) Средиземноморско-Транс-азиатский. К второстепенным относятся Арктико-Атлантический, пояс западной части Индийского океана и др. Все они, в свою очередь, делятся на небольшие (по сравнению с сейсмическими поясами) сейсмические зоны.

Тихоокеанский пояс охватывает побережье почти всех стран Тихоокеанского бассейна. Здесь происходит почти 80 % всех землетрясений Земли. И если учесть, что этот сейсмический пояс одновременно богат еще и действующими вулканами, то станет ясно, почему нередко образно его называют «Огненным кольцом».

Средиземноморско-Трансазиатскпй пояс простирается широкой полосой, включая побережье стран Средиземного моря, Карпаты, Турцию, Иран, Кавказ, Среднеазиатские республики Советского Союза, Северную Индию, Алтай, северную часть Китая, Монголию, Прибайкалье, северо-восточную часть Китая и Приморский край, выходя к Сахалину. Захватывая немалую часть территории СССР, этот пояс, пожалуй, более всего доставляет забот и хлопот сейсмологам, строителям и населению этих районов.

Арктико-Атлантический — проходит примерно от устья р. Лены через подводный хребет Ломоносова под Северным Ледовитым океаном в направлении Исландии и, далее, по акватории Атлантического океана.

Пояс Индийского океана начинается от Аравийского полуострова и идет по поднятию дна и его средней части в направлении к Антарктиде.

Измерение сотрясений

Как и всякое физическое явление, сотрясение необходимо измерять. Что же является единицей измерения? Характеристиками сотрясения служат скорость движения частиц Земли, ускорение, отклонение от первоначального положения частиц (амплитуда смещения) и величина его, частота колебаний и т. д. Важно, чтобы в той или иной степени в такой единице измерения участвовали и отражались все указанные параметры. Было условно принято единицу измерения сотрясения называть баллом. Естественно, была дана оценка и самому слабому сотрясению, регистрируемому только приборами и не ощущаемому Человеком, в один балл. Что касается самого сильного, fro оно оценивалось в различных странах по-разному. Так, в Европе довольно долго применялась шкала Росси — Фореля, а затем несколько улучшенная шкала Меркалли, максимальное сотрясение по которой оценивалось в 10 баллов. В Японии и сейчас используется шкала, по которой максимальное сотрясение оценивается как семибалльное. В Советском Союзе с 1952 г. до последнего времени применялась 12-балльная сейсмическая шкала Института физики Земли Академии наук СССР, составленная С. В. Медведевым. По этой шкале сотрясение, возникающее в эпицентральной области при самом сильном землетрясении, оценивается в 12 баллов.

Существуют и другие шкалы. Такое разнообрази^ и разнотипность шкал создают большое неудобство для единой международной оценки сотрясаемости от землетрясений, возникающих на территориях различных стран, тем более что на земном шаре ежегодно происходит не так уж мало значительных по силе землетрясений. В среднем за год на Земле регистрируется 10–15 9-балльных землетрясений, 50—100 8-балльных, 300–500 7-балльных.

В течение последних 10–15 лет сейсмологи разных стран стремились выработать единую шкалу для измерения интенсивности сотрясений. На основе существовавших до 1964 г. различных шкал, дополненных материалами полевого изучения последствий землетрясений, была выработана временная шкала MSК-64 (см. Приложение). Межправительственное совещание ЮHЕСКО по сейсмологии и сейсмостойкому строительству в 1964 г. в Париже признало важность создания единой международной шкалы интенсивности и рекомендовало всем странам временное использование в этих целях выработанной шкалы MSK-64. Шкала дополнена соответствующими более подробными пояснениями и таблицами по каждому баллу. От применявшейся в СССР шкалы, составленной С. В. Медведевым, она отличается очень незначительно.

Понятно, что не только указанными признаками можно характеризовать силу землетрясения. Для более широкого ознакомления интересующиеся могут воспользоваться специальной сейсмологической литературой.

Оценка энергии землетрясений

Естественно, что от одного и того же землетрясения на различных расстояниях от эпицентра сотрясения на поверхности Земли не будут одинаковыми, так же как не бывает одинаковой величина предмета, рассматриваемого с различного расстояния. Не будут одинаковыми сотрясения и в том случае, если очаги равных по силе землетрясений располагаются на различной глубине.

Для оценки количества энергии, выделяющейся при землетрясении, или для объективной оценки силы землетрясения применяется другая шкала, носящая название шкалы магнитуд (коротко принято обозначать буквой М). В ней использована изменяющаяся от эпицентрального расстояния по определенному закону величина смещения почвы при землетрясении в поверхностных волнах. Шкала рассчитана таким образом, что разница магнитуд на единицу соответствует разнице амплитуд смещения почвы приблизительно в 10 раз.

За нулевой уровень магнитуды (М = 0) выбран энергетический уровень землетрясения столь низкой интенсивности, чтобы только сделать положительными магнитуды самых слабых из записанных землетрясений.

За максимально большой уровень магнитуды принята энергия возможного сильнейшего землетрясения, соответствующая величине, приблизительно равной 10²⁵ эрг, что, в свою очередь, соответствует энергии разрыва самых прочных пород земной коры при землетрясении с нормальной глубиной очага. По шкале магнитуд это означает приблизительно М=9.

Ниже приводится табл. 3, показывающая, сколько в среднем землетрясений разной энергии происходит на Земле за год.

Существование поясов сейсмичности показывает, что землетрясения происходят далеко не по всей поверхности земного шара. Кроме того, в одном и том же месте очень сильные, особенно катастрофические, землетрясения случаются все-таки довольно редко. Однако, несмотря на это, ежегодно от землетрясений в мире гибнет не одна тысяча человек, не говоря уже о материальных потерях и колоссальных разрушениях, вызываемых ими.

Приведем в очень кратком изложении ряд наиболее характерных примеров таких землетрясений, происшедших на суше с 1887 по 1957 г.

Верненское, 9 июля 1887 г.

Эпицентр землетрясения располагался в 10–12 км южнее г. Верного (ныне Алма-Ата) в виде полосы шириной 5 км и длиной 35 км. Сила оценивалась в 10 баллов. Сотрясения были так велики, что люди не могли устоять на ногах. Погибло более 300 человек. Разрушены 3000 зданий (из 1799 кирпичных уцелело лишь одно). Убыток определялся в 2 млн. золотых рублей.

Японское, 28 октября 1891 г.

Наиболее сильно пострадали провинции Мино и Свари. Землетрясение сопровождалось сбросом вдоль тектонической линии, протянувшейся примерно на 100 км: через гористые районы о-ва Хонсю. Относительное горизонтальное смещение доходило до 4 м. Смещения по вертикали местами достигали 7 м. Вся местность вблизи линии сброса площадью до 10 тыс. км² подверглась разрушению. Ощущалось на площади до 1 млн. км². Погибли более 7000 человек и более 17 тыс. ранены. Разрушены около 20 тыс. зданий, повреждены 10 тыс. мостов.

Ассамское, 12 июня 1897 г.

Землетрясение произошло к северу от Бенгальского залива и г. Калькутты в провинции Ассам (Индия). Оно вызвало разрушения на площади около 350 тыс. км² и ощущалось на площади почти 4 млн. км². Амплитуда колебания почвы доходила до 30 см. На поверхности рыхлой почвы наблюдались «земляные волны». Местами образовались фонтаны песка и мелких камней. Отдельные здания погрузились в мягкий грунт до крыш. Некоторые реки изменили течение. Образовались новые водопады. В эпицентральной области отмечены сбросы до 12 м. После этого землетрясения, которое считается одним иэ сильнейших в мире, зарегистрированы более 5000 повторных толчков значительной силы».

Сан-Францисское, 18 апреля 1906 г.

Землетрясение явилось следствием внезапного горизонтального смещения вдоль крупного сброса Сан-Андреас. Длина трассы образовавшегося сдвига достигала 350 км. Амплитуда сдвига местами доходила до 7 м. Ощущалось на площади в 1 млн км². От развалившихся горячих печей и замыкания электропроводов возникли пожары, которые было трудно тушить из-за отсутствия воды (лопнули все водопроводные магистрали). От пожара пострадала значительная часть города Сан-Франциско. Убытки составили около 400 млн. долларов. Погибли предположительно 700 человек.

Китайское, 16 декабря 1920 г.

Особенно тяжелые бедствия обрушились на провинции Ганьсу и Шаньси. Пострадавшая местность покрылась мощной толщей лёсса, который от сильного сотрясения стал «течь». Под оползнями и обвалами оказались погребенными многие прибрежные селения. Погибли около 100 тыс. человек. Разрушения отмечались на площади около 1 млн. км².

Гималайское, 15 августа 1950 г.

Это землетрясение — одно из сильнейших с момента записи колебаний почвы приборами. Его магнитуда оценивается в 8,7. Сотрясения почвы отмечены на площади более 25 тыс. км². В горах, обильно насыщенных влагой во время муссонов, произошло множество оползней. По приблизительным подсчетам общий вес перемещенных горных пород составил около 2 млрд. т. Страшный гул, шедший из недр Земли, перерос в оглушительный грохот, небо потемнело от взметнувшейся вверх пыли. На глазах пограничников, которые находились вблизи эпицентра, образовавшаяся 6-метровая трещина поглотила четырех человек. В долине Брахмапутры, значительно южнее Гималайских гор, колебания почвы были настолько сильными, что многие жители испытывали приступы морской болезни. Трехсотметровый участок железнодорожного полотна опустился почти на 5 м, дороги были полностью разрушены. Сравнительно малое количество жертв объясняется отсутствием населенных пунктов вблизи эпи-Центральной области.

Гоби-Алтайское, 4 декабря 1957 г.

Возникло в северной ветви Гобийского Алтая. Было настолько сильным, что ощущалось по всей Монголии, а также на смежных территориях СССР и Китая. Ущерб от этого землетрясения был невелик лишь из-за слабой заселенности местности и преобладания легких (войлочных) жилищ, хотя сила его в эпицентре приближалась к 12 баллам. 4 декабря, после основного толчка, произошли еще 120 довольно значительных. Вблизи эпицентральной области отмечено бесчисленное множество трещин протяженностью от нескольких метров до 700 км! Ширина трещин была самой различной — от нескольких сантиметров до 20 м. Отмечены горизонтальные сдвиги до 3,5 м и вертикальные смещения до 12 м. Наблюдались грандиозные обвалы, особенно в горах Ихэ-Богдо. Здесь по си-стеме широтных трещин низвергнулась масса горного грунта объемом около 200 млн. м³. Гора Хурень-онь была срезана обвалом почти наполовину, образовав вертикальный обрыв высотой минимум 300 м.

Нет необходимости удлинять этот список описанием других катастрофических землетрясений, однако небезынтересно привести некоторые фотоснимки (см. вклейку), свидетельствующие о силе разрушений в результате бушующей стихии.