Землю, твердую почву под нашими ногами, мы привыкли считать чем-то незыблемым, прочным. На ней мы возводим самые тяжелые сооружения, углубляя их фундамент тем глубже, чем они тяжелее. Поэтому, когда земля начинает колебаться под ногами так, что на ней нельзя устоять, когда раскачиваются большие деревья, трещат и на наших глазах разваливаются прочные здания, простоявшие десятилетия и более, когда трещины разрывают почву и из глубины ее раздается гул и грохот, как будто рушатся сами недра Земли, - человека охватывает ужас, он теряет голову, не знает куда бежать, где спасаться от грозящей гибели.
А между тем наша Земля содрогается постоянно. Точные инструменты обнаружили, что каждый год случается от восьми до десяти тысяч землетрясений, т.е. примерно одно землетрясение каждый час; в действительности их гораздо больше, т.к. две трети земной поверхности покрыто водой, на которой нет станций, записывающих все, даже слабые сотрясения почвы, да и на материках обширные площади таких станций не имеют. К счастью, в большинстве случаев землетрясения так слабы, что человек их не ощущает. Он начинает их замечать, когда вещи в доме уже потрескивают или стукаются друг о друга; но эти землетрясения еще безобидные. Немного сильнее те, при которых звенит посуда, качаются висячие лампы и стенные картины, дребезжат стекла в окнах; такие землетрясения уже тревожат нас. А когда начинает сыпаться штукатурка, падают разные предметы, останавливаются маятники часов, хлопают двери и в стенах появляются трещины, люди невольно выбегают из зданий, потому что чувствуют себя в большей безопасности на улице, чем в закрытом помещении, которое становится похожим на мышеловку или западню.
Таких землетрясений в течение года бывает несколько десятков, а еще более сильных, которые разрушают города и губят тысячи людей, - только единицы. Еще реже случаются катастрофические землетрясения, при которых в течение нескольких секунд погибает больше людей, чем от эпидемий или сражений.
Землетрясение проявляется на земной поверхности, но его очаг, т.е. область, где оно возникает, находится в недрах Земли, на большей или меньшей глубине, и сосредоточен в пределах плоскости или какого-нибудь пространства с неизвестными нам ограничениями.
Для упрощения вычислений принимают, что очаг представляет точку, называемую гипоцентром . Из него исходит ударная волна, распространяющаяся во все стороны и приводящая все частицы в упругие колебания, которые вместе с самой волной постепенно ослабевают с удалением от гипоцентра. На земной поверхности сотрясение всего сильнее в области, расположенной непосредственно над очагом: ее называют эпицентральной областью , а эпицентром - точки над гипоцентром.
С удалением во все стороны от эпицентра сотрясения чувствуются все слабее и слабее и, наконец, уже не ощущаются человеком, но записываются точными инструментами.
Изучение землетрясений составляет задачу особого отдела геологии, называемого сейсмологией (от греческого слова "сейсм" - сотрясение). Сотрясения, ощущаемые человеком, называют макросейсмами, а ощущаемые только инструментами - микросейсмами.
Сильные землетрясения обыкновенно начинаются одним или несколькими слабыми ударами, за которыми следуют после короткого или длинного промежутка времени один или несколько главных ударов, наиболее разрушительных; затем удары постепенно ослабевают и наконец переходят из макросейсмических в микросейсмические. В общем землетрясение может длиться несколько часов или целые сутки. Иногда известная область Земли испытывает сотрясения разной силы в течение нескольких дней, недель или месяцев.
Почти каждое землетрясение сопровождается звуковыми явлениями, которые производят сильное впечатление и внушают человеку ужас. Подземный гул то подобен глухим раскатам грома, то клокотанию кипящей воды, то грохоту тяжелого поезда или обвала, то свисту ветра, то визгу при полете снаряда, то взрыву. Звуки иногда опережают волну землетрясения, иногда отстают от нее.
Для изучения землетрясений используют специальные инструменты - сейсмографы. Они регистрируют землетрясение, отмечая время, силу и направление каждого удара в отдельности. Кривая хода землетрясения называется сейсмограммой . Она пишется на бумаге, заправленной в сейсмограф.
Хорошие сейсмографы регистрируют не только землетрясение, случившееся в той местности, где установлен инструмент, т.е. где находится сейсмическая станция или в ближайших окрестностях, но и самые отдаленные землетрясения и позволяют определить, на каком расстоянии от станции они случились, а также их силу.
Вопрос о том, на какой глубине находится очаг землетрясения, решается вычислениями на основании сейсмо-граммы. Грубый, но наглядный способ дает измерение трещин в стенах зданий. Определив наклон трещин к земной поверхности и проведя к ним перпендикуляры, можно найти очаг на пересечении последних на глубине с вертикалью, проведенной через эпицентр, или на пересечении перпендикуляров друг с другом.
Наблюдения показали, что большая часть землетрясений зарождается на глубине 50 км от земной поверхности, небольшая часть - на глубине от 50 до 100 км и лишь единичные землетрясения исходят с глубин до 300-700 км.
Область, наиболее пострадавшая от землетрясений, располагается вокруг эпицентра и называется плейстосейстовой областью. Размеры ее зависят не только от силы удара, но и от глубины очага.
Сила землетрясений определяется по их последствиям; по принятой в СССР шкале различают 12 баллов землетрясений: от незаметного до сильной катастрофы. (О градациях силы землетрясений см. "Наука и жизнь" № 5, 2005 г. Там же пояснено отличие классификации интенсивности землетрясений в баллах и по величине магнитуды по шкале Рихтера. - Прим. ред.)
Причины землетрясений бывают троякие. Во-первых, пустоты, создаваемые в растворимых породах земной коры подземными водами, являются причиной землетрясений, обусловленных провалом кровли этих пустот. Это провальные землетрясения , они имеют очень небольшую область распространения, маленькую плейстосейстовую область, небольшую глубину очага, но могут быть очень разрушительными.
Во-вторых, вулканическим извержениям часто предшествуют, а иногда и сопутствуют более или менее сильные землетрясения, обусловленные внезапным разрежением напряжения газов в канале вулкана, при выпирании ими лавовой пробки из жерла, а также провалами кровли пустот, образовавшихся после излияния лавы. Эти вулканические землетрясения иногда бывают весьма разрушительными: область их распространения и плейстосейстовая область невелики, очаг неглубокий.
В-третьих, все медленные смещения толщ в земной коре в связи с их дислокациями - образованием складок, сбросов, взбросов и сдвигов - часто сопровождаются землетрясениями. Эти тектонические землетрясения наиболее распространены и являются также нередко самыми разрушительными; область их распространения и плейстосейстовая область могут иметь очень различные размеры, а очаг может находиться на различных глубинах.
Каковы предвестники землетрясений?
Слабые сотрясения почвы, регистрируемые сейсмографами, а отчасти также замечаемые людьми за несколько часов до разрушительного землетрясения, являются его предвестниками, впрочем необязательными; сильное землетрясение может наступить без таких предвестников, или же они предшествуют ему так непосредственно, что теряют свое предупредительное значение. Иногда все дело может закончиться этими слабыми сотрясениями.
Наиболее чуткими по отношению к близкому землетрясению являются животные. Домашние животные - куры, свиньи, ослы - начинают беспокоиться и шуметь. Дикие звери ревут, крокодилы выползают из воды, на острове Куба ручные ужи, спасаясь, уползают из домов на поля. (Подробнее см.: П. Мариковский. Животные предсказывают землетрясения. - Алма-Ата: Наука, 1984. - Прим. ред.)
Последствия землетрясений выражаются в более или менее сильных повреждениях всяких сооружений человека вплоть до их полного разрушения, в трещинах, сбросах и сдвигах пластов земной коры, обвалах и оползнях в горах, в исчезновении и появлении источников, осушении и затоплении морских берегов.
Степень повреждения сооружений зависит прежде всего от качества постройки, но также и от состава почвы, характера сотрясения, силы удара и угла его выхода. Вертикальные удары, которые наблюдаются в эпицентре и в непосредственной близости к нему, менее вредны, чем волнообразные колебания, которые характерны для окружающей местности. Волны землетрясения, пробегающие в почве, сильно разрушают здания, в особенности стены, если они параллельны волне. Они не только поднимаются по волне, но и выгибаются ею. Угол выхода удара на поверхность, как показали теория и опыт, влечет наибольшие разрушения при величине от 45 до 55о.
Влияние состава почвы объясняется тем, что скорость распространения землетрясения зависит от него; в твердых породах скорость гораздо больше, чем в рыхлых. В мощной толще рыхлых пород, например наносов (аллювий долин), волна ослабевает и может даже совсем затухнуть; но небольшая толща, лежащая на твердых коренных породах, не успевает смягчить удар, а подбрасывается на своем основании. В этих условиях разрушение будет сильнее, чем прямо на коренных породах.
При наибольшей силе землетрясения все здание превращается в кучу обломков. Однако огромное значение имеет качество материала, из которого построено здание: стены, сложенные из кирпича на хорошем цементе, при той же силе землетрясения пострадают гораздо меньше, чем стены, сложенные из валунов, связанных глиной.
Разрушение зданий часто сопровождается пожарами, так как развалившиеся очаги, опрокинутые лампы, разорванные электропровода дают начало огню, а порча водопроводов и загромождение улиц обломками затрудняют в городах тушение пожаров. Так, при землетрясении 1 сентября 1923 года в Японии после первого толчка в Токио вспыхнули пожары в 76 местах, и за двое суток выгорело три четверти города.
Сильные разрушения зданий, в особенности при землетрясениях, случающихся ночью, неминуемо влекут за собой гибель людей, засыпанных обломками в домах: всеобщая паника, пожары и загромождение улиц затрудняют своевременное откапывание живых. Например, землетрясение 1920 года в провинции Ганьсу в Китае повлекло за собой смерть около 200 000 человек, большинство из них было засыпано в разрушенных от удара пещерных жилищах в лёссе.
Кроме зданий в городах во время землетрясений страдают также и подземные сооружения - трубы канализации, водопроводов и газопроводов, кабели освещения и телефона, каменные и железные мосты (у последних соскакивают с устоев отдельные фермы), рельсовые пути (искривляется полотно вместе с рельсами).
В земной коре при каждом сколько-нибудь значительном землетрясении образуются трещины, в наибольшем количестве в области эпицентра; иногда они расходятся во все стороны от какого-либо центра, но чаще располагаются без всякого порядка в разных направлениях. В горах они обычно располагаются вдоль склона, а на побережье - вдоль берега. Трещины достигают ширины от 20-50 см до 10-15 м и тянутся иногда на многие километры; глубина их доходит до 10 м; в них проваливаются отдельные здания, люди и животные. Трещины, образовавшиеся при первом ударе, иногда закрываются при следующих, но часто смыкаются медленно или остаются открытыми.
Опускания более крупных площадей или провалы их происходят при очень сильных землетрясениях, достигают даже 60 м глубины и сопровождаются извержением воды и грязи. В Лиссабоне при землетрясении 1755 года опустилась набережная с массой собравшихся на ней людей, а во время землетрясения 1861 года в дельте реки Селенги на озере Байкал случился провал — оседание площади около 260 км2, которая вместе с находившимися на ней жилищами и стадами опустилась ниже уровня озера в среднем на 2,9 м.
Если очаг землетрясения находится где-либо под дном океана или большого моря, то сотрясение передается через всю толщу воды — это море-трясение (или цунами). Его ощущают на кораблях, проходящих в это время по морю. При вертикальном ударе, т.е. над эпицентром, корабль вдруг поднимается, а затем опускается, замечается вспучивание воды. При боковых ударах корабль испытывает толчок, как будто он наткнулся на подводную скалу, плавучий лес или ледяную глыбу; незакрепленные предметы падают, люди с трудом удерживают равновесие; особенно сильно бывает сотрясение руля. Удар часто сопровождается глухим шумом, переходящим из воды в атмосферу.
Более разрушительны последствия моретрясений, если эпицентр находится недалеко от берега. Тогда море при первом ударе часто осушает большую площадь, а затем волна с громадной силой возвращается обратно, обрушивается на берега и смывает с них все. Так, при Лиссабонском землетрясении 1775 года волна достигла высоты 26 м и погубила 60 000 человек, распространившись на 15 км в глубь страны. На Камчатке в 1923 году волны занесли лед на полкилометра от берега, завалили им несколько зданий; тундра была залита на несколько километров. Мелкая прибрежная часть моря часто покрывается беспорядочными бушующими волнами, которые мечутся взад и вперед. Волны, поднятые землетрясением у берега, затем распространяются на большое расстояние по океанам и размывают берега, прибрежные селения и города. Например, землетрясение 1960 года в Чили вызвало возобновление деятельности вулканов и сильное цунами, волны которого достигали западных берегов Тихого океана. (Катастрофическое цунами в конце 2004 года в восточной части Индийского океана привело к гибели сотен тысяч людей и к огромному материальному ущербу в странах Юго-Восточной и Южной Азии. См. «Наука и жизнь» № 3, 2005 г. — Прим. ред.) Распространение землетрясений на земной поверхности показывает, что они тесно связаны с областями дислокаций и вулканизма. Статистика показывает, что 40% землетрясений приурочено к берегам Тихого океана, от Магелланова пролива через Алеутские острова до Новой Зеландии, которые отличаются и обилием вулканов. Здесь мы находим горные цепи, окаймляющие материки, и в ближайшем соседстве с ними — самые глубокие впадины на дне океанов, вытянутые вдоль берегов, т.е. наиболее резкие переломы рельефа. Около 50% землетрясений приходится на так называемый «пояс разлома» Земли, который тянется от Мексики в Западном полушарии через Атлантический океан по Средиземному морю до Каспия и Индии и отличается молодыми складчатыми горами и крупными опусканиями — провалами, а также действующими вулканами. Только 10% землетрясений падает на остальные главные массы материков, причем среди них нужно выделить как наиболее подверженные: 1) пояс разломов вдоль африканских озер, Красного и Мертвого морей; 2) горные цепи Тянь-Шаня и Памира и 3) южную часть озера Байкал с прилегающей местностью.
Соотносятся ли как-то землетрясения с другими явлениями природы? Статистика показала, что землетрясения случаются: 1) чаще осенью и зимой, чем весной и летом (соотношение 4:3); 2) чаще во время новолуния и полнолуния; 3) чаще в перигее, т.е. во время нахождения Луны на наименьшем расстоянии от Земли; 4) удары бывают чаще и сильнее во время нахождения Луны на меридиане данного места.
С ветрами, осадками и переменами атмосферного давления также замечаются известные соотношения. Так, сильные ветры сами вызывают микросейсмические колебания. Землетрясения наблюдаются несколько чаще после периода сильных осадков. Наиболее ясна связь с резкими переменами давления воздуха, и это понятно: падение атмосферного давления на 1 мм соответствует уменьшению давления на 1 км2 на 13,6 миллиона килограмм. Резкое падение или увеличение давления воздуха может вызвать разрежение напряжения в складках или разломах в форме смещения толщ, которое, в свою очередь, вызовет сотрясение. Такое же влияние может иметь усиление нагрузки на земную кору вследствие большого количества осадков зимой и осенью, давления ветра и усиления морских приливов в зависимости от положения Луны.
Предотвращать землетрясение человек не в состоянии: в его силах в лучшем случае только заблаговременно предупреждать о них, чтобы люди успели спастись, и возводить такие сооружения, которые выдерживают даже сильные сотрясения.
С целью предупреждения в местностях, подверженных землетрясениям, устраивают сейсмические станции, снабженные точными и чувствительными сейсмографами, которые должны не только регистрировать сильные сотрясения, но и микросейсмические и на основании их изучения выяснить по возможности такие движения, которые являются предвестниками разрушительных. К сожалению, это сделано не во всех регионах Земли.
Предохранительные мероприятия, уже принятые во всех странах, сильно страдающих от землетрясений, состоят в определенных правилах для возведения зданий. В основном они сводятся к расширению фундамента, применению металлической связи в кирпичной кладке, особой прочности сводов и перемычек, отделению крыши зазором от дымоходов, запрещению тяжелых карнизов и лепных украшений и употреблению вполне доброкачественных материалов. Постройки, возведенные согласно этим правилам, называются антисейсмическими и должны гарантировать живущих в них от гибели под развалинами.
См. в номере на ту же тему
