Катастрофы в природе: землетрясения

© Батыр Сеидович Каррыев, 2016

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Предисловие

Рок кружит по земле, вновь посещая те места, где давно не был. Некоторые он тревожит чаще, некоторые – реже, но ни одного не оставляет невредимым и безопасным навсегда.

Мир вокруг нас меняется очень быстро, и уже нет большинства угроз осложнявших жизнь наших предков. С приобретением способности строить жилища и образованием городов дикая природа перестала угрожать человеческой популяции. Однако стены и каменные своды, хорошо спасавшие от непогоды и холода, оказались неспособными противостоять другой природной угрозе – подземным ударам.

Потребовалось многие сотни лет для изобретения способов постройки устойчивых к землетрясениям зданий, однако и в наше время люди продолжают гибнуть под их обломками. Казалось бы, техника и технологии достигли уровня не мыслимого еще сто лет назад.

Мы знаем о природе вещей и силах движущих мирозданье в тысячи раз больше, чем все ученые древности вместе взятые. Тем не менее, наблюдается тревожная тенденция – потери и жертвы стихийных бедствий не уменьшаются, а растут от года к году.

Почему это происходит? Какие факторы влияют на степень защищенности людей и, что необходимо предпринять для уменьшения потерь от стихийных бедствий? Это те вопросы, на которые ищут ответ ученые, и которые все чаще задают себе люди во всём мире.

Способ преодоления всех проблем – применить знание и выбрать верную стратегию их решения. Однако всегда ли достаточно для этого умения, терпения и средств? Важно и то, способно ли то или иное сообщество осознать угрозу и использовать необходимые ресурсы для защиты людей от неё?

Современный мир не только разнолик, он всё ещё различается по уровню знаний, богатства и способам их использования. Одни сообщества с успехом решают вопросы обеспечения безопасности своих членов, в других защита от стихии находится на уровне каменного века.

Начало XXI века принесло ужасающие для цивилизованных государств цифры смертей от стихийных бедствий. Свыше тысячи в США от урагана, десятки тысяч в Иране и Пакистане от землетрясений, сотни тысяч в Юго-Восточной Азии и на Гаити от землетрясений и цунами. Почти не остается сомнений в том, что при сохранении нынешних темпов роста населения и существующей системе предупреждения последствий стихийных бедствий жертвы будут расти.

Об этом, в частности говорится в Докладе генерального секретаря ООН (2015): «Спустя 25 лет после провозглашения Международного десятилетия по уменьшению опасности стихийных бедствий и спустя 10 лет после одобрения документа „Хиогская рамочная программа действий на 2005—2015 годы: создание потенциала противодействия бедствиям на уровне государств и общин“ Генеральной Ассамблеей глобальный риск бедствий по-прежнему нарастает быстрее, чем сокращается. Экономические потери достигли уровня, составляющего в среднем от 250 до 300 млрд. долл. США в год, что оказывает крайне негативное воздействие на стабильный экономический рост в странах с низким и среднем уровнем дохода и подрывает достижения в области развития в уязвимых общинах».

В 2001 году на нашей планете от землетрясений погибло 21436 человек. Сильные землетрясения происходили 65 раз. Было зарегистрировано 82 толчка с магнитудой 6,5 и выше по шкале Рихтера. В 2002—2003 годах повторились землетрясения в Афганистане, Иране и Турции. В иранском городе Бам под развалинами собственных жилищ в 2003 году погибло около сорока тысяч человек, а ущерб составил около миллиарда долларов США.

В 2004 году землетрясение и мегацунами в Юго-восточной Азии принесло смерть более чем двумстам тысячам человек. В 2005 году десятки тысяч человек погибли от землетрясения в Пакистане. В 2008 году землетрясение в Китае унесло жизни пятидесяти тысяч человек. В 2009 году по данным ООН, за последние десять лет было зарегистрировано 3800 стихийных бедствий, в результате которых погибло около 780 тысяч человек, причем 60% всех жертв пришлись на землетрясения.

По данным ООН свыше 89% жертв природных катаклизмов за последние двадцать лет пришлись на страны с низким доходом на душу населения. В первую очередь это связано с качеством управления не позволяющее им в полной мере использовать достижения современной науки и техники для обеспечения безопасности своих граждан. Однако неприемлемые жертвы от стихии несут и государства с передовой экономикой. Это связано со следующим.

На протяжении большей части своей истории люди жили в сельской местности, и вело аграрный образ жизни. Сегодня человечество вступило в период стремительной урбанизации. На месте небольших поселений выросли мегагорода там, где происходили, происходят, и будут происходить сильные землетрясения.

Усложнение городской инфраструктуры, быстрое перемещение людей между городами и странами, всё большая потребность в источниках энергии и т. д. принципиально отличают современное время от прошлых веков. Несмотря на большую защищённость людей стихия начинает угрожать всё большему числу людей на планете. Ещё сто лет назад мировое население составляло около 1,5 миллиардов человек, к 2015 году оно превысило 7,3 миллиарда и обеспечить равные экономические условия жизни для всех, как и равную защищённость от стихии становится всё сложнее.

Тем не менее, безопасное проживание вполне достижимо, поскольку наука о землетрясениях достигла того уровня, когда ее результаты могут быть применены на практике. Поиск предвестников землетрясений и создание систем их прогноза становится уже не просто актуальной, а жизненно необходимой задачей в густонаселенных регионах и там, где сосредотачивается сегодня потенциал высоких технологий, промышленного и компьютерного производства.

Человеческая цивилизация находится между Сциллой и Харибдой – необходимостью и достаточностью. Они двигают наш мир по пути прогресса, меняя одни угрозы и опасности на другие.

Жизнь с землетрясениями требует нахождения приемлемой черты между затратами на безопасность и риском потерь от них. Борьба с подземной угрозой пока еще не стала общемировой задачей, но уже сейчас можно выделить места, где существуют неприемлемые для всего человечества риски потерь от неё.

Вопросам исследования сейсмической активности планеты, методам противостояния землетрясений и их роли в судьбах людей посвящена эта книга. Она будет полезна всем тем, кто интересуется исследованиями в области наук о Земле.

Что такое землетрясение?

Ради подтверждения моего мнения я мог бы злоупотребить авторитетом многих мужей, которые сообщают, что в Египте никогда не бывало землетрясений. Объясняют же они это тем, что Египет будто бы весь образовался из ила… Однако и в Египте бывают землетрясения, и на Делосе, хоть Вергилий и повелел ему стоять неподвижно…

Землетрясения представляют собой подземные толчки и колебания земной поверхности. Наиболее опасные из них возникают из-за тектонических смещений и разрывов в земной коре или верхней части мантии Земли. Колебания от них в виде упругих – сейсмических волн передаются на огромные расстояния, а вблизи от очагов землетрясений они становятся причиной разрушения зданий и гибели людей.

Землетрясения и связанные с ними явления изучает специальная наука – сейсмология, которая ведет исследования по следующим основным направлениям.

1. Изучение природы землетрясений, иными словами, ищет ответ на вопрос: почему, как и где они происходят.

2. Применение знаний о землетрясениях для защиты от них путем прогноза возможных в том или ином месте сейсмических ударов в целях строительства стойких к их воздействию конструкций и сооружений.

3. Изучение строения земных недр и разведка месторождений полезных ископаемых с использованием сейсмических волн от землетрясений и искусственных сейсмических источников.

Сейсмология исследует все явления так или иначе связанные с возникновением землетрясений. Поэтому изучение природы подземных ударов происходит на стыке многих наук – геологии, геофизики, физики, химии, биологии, истории и других.

Благодаря сейсмологии раскрыта тайна строения Земли и установлены главные границы раздела в её недрах – кора, мантия и ядро. Выяснено, что помимо данных об источнике – очагах землетрясений, сейсмические волны несут информацию о среде, через которую они распространяются. Методы сейсмологии используются для исследования строения Луны и Марса.

Сейсмология позволила понять природу землетрясений, разработать новые технологии строительства стойких к подземным ударам сооружений и многое другое. Однако первые шаги этой науки не были легкими. Потребовалось более ста лет, чтобы связать природу землетрясений с возбуждаемыми ими сейсмическими волнами и около пятидесяти лет для получения общего представления о внутреннем устройстве Земли и характере распространения в её недрах сейсмических волн.

В XVIII веке Джон Мичелл первым предположил, что землетрясения вызываются прохождением через земную кору упругих волн. Его идея опередила время, подготовив почву для восприятия происходящих в земных недрах процессов на основе опыта. Пытаясь объяснить землетрясения в терминах ньютоновской механики, он проанализировал показания очевидцев, и опубликовал в 1760 году книгу «Предположения о причинах возникновения землетрясений и наблюдения за этим феноменом».

Митчелл совершенно верно заключил, что землетрясения это «волны, вызванные движением пород, находящихся в милях под поверхностью земли». Однако его объяснение этих движений базировалось на неверном утверждении о взрывах пара, возникающих при столкновении подземных вод с подземными же пожарами. Митчелл также сделал абсолютно верный вывод о том, что, когда происходит движение пород под океаническим дном, возникает волна цунами и землетрясение.

Митчелл утверждал, что есть два типа волн, вызывающих землетрясения, и был недалек от истины. Первый из них «треморное» колебание внутри Земли, сопровождающееся волнообразными поднятиями на её поверхности. Из этого Митчелл сделал вывод, что скорость движения волны можно определить по времени ее прибытия к различным точкам на земной поверхности. Он стал первым ученым сделавшим подобный расчет, хотя и не знал о том, что скорость сейсмических волн варьируется в зависимости от типа горных пород, через которые они проходят.

По свидетельствам очевидцев Лиссабонского землетрясения 1755 года Митчел оценил скорость сейсмических волн в 1930 км/ч. Он также предположил, что местоположение центра землетрясения на поверхности земли (то, что сейчас называется эпицентром) можно определить путём сопоставления данных о времени прибытия колебаний в то или иное место. Этот метод стал основой современных способов определения эпицентра, хотя Митчелл использовал неверный приём для расчета эпицентра Лиссабонского землетрясения на основе свидетельств о направлении цунами.

Новый скачок в развитии сейсмологии произошел в середине XIX века благодаря Роберту Маллету. Он в течение двух десятилетий собирал данные об исторических землетрясениях и проводил натурные эксперименты. Маллет составил каталог мировой сейсмичности состоящий из 6831 землетрясении. По каждому из них приводились дата, местоположение, число толчков, возможное направление, продолжительности колебаний и их последствиях.

В 1858 году для изучения сильного землетрясения Маллет совершил путешествие в Неаполь. Он исследовал вызванные им разрушения и составил первую в мире изосейсмическую карту. Места со схожими разрушениями Маллет соединил линиями, и выделил зону где землетрясение проявилось с наибольшей силой. С некоторыми улучшениями этот метод используется и сегодня для картирования проявлений землетрясений на поверхности земли.

Маллет придавал большое значение направлению падения объектов и типам деформаций в зданиях. Он использовал их как индикаторы характера проявления землетрясения. На самом деле особенности деформации во многом обусловливается не только силой колебаний, но конструкцией здания. Тем не менее, карты Маллета позволяли находить эпицентры землетрясений и сравнивать масштабы разрушений.

Маллет для документирования разрушений использовал новую для своего времени технику фотографии. Доклад о своих исследованиях Маллет подготовил в двух томах для Королевского общества. В 1862 году он опубликовал статью «Великое Неаполитанское землетрясение 1857 года: основные законы наблюдательной сейсмологии».

Несмотря на революционное значение идей Маллета почти до конца XIX века торжествовало объяснение землетрясений подземными вулканическими взрывами. Оно было сделано Александром Гумбольдтом. Как и древнегреческий историк и географ Страбон Гумбольдт рассматривал вулканы как предохранительные клапаны Земли и «…в тех местах, где эти клапаны открыты, там напряжения вулканических сил слабее, нежели там где их нет».

Маллет опубликовал карты мировой сейсмической активности, впервые наглядно проиллюстрировавшие тот факт, что землетрясения концентрируются в опоясывающих Землю узких зонах. Объяснение этому факту было найдено только в ХХ веке.

Череда разрушительных землетрясений конца XIX и начала XX веков способствовала тому, что в странах Европы, России, США и Японии приступили к систематическим наблюдениям за землетрясениями. Были составлены первые каталоги инструментально зарегистрированных землетрясений, построены карты распределения их очагов. Это позволило установить связь между землетрясениями и трансформацией вещества на поверхности и внутри Земли. Стали понятны причины разрушения зданий, и появилась возможность не интуитивно, а на научной основе возводить инженерные сооружения в сейсмоопасных зонах.

В 1899 году немецкий геофизик, сейсмолог Эмиль Вихерт предположил, что фиксируемые на сейсмограмме продольные P и поперечные S сейсмические волны имеют глубинное происхождение. Иными словами связаны с источниками в недрах Земли. Прошло еще несколько лет, и эта точка зрения получила всеобщее признание. Стала понятна общая картина возбуждения и распространения сейсмических волн в недрах планеты.

В 1906 году Вихерт истолковал промежуточные группы волн на сейсмограмме как отраженные от земной поверхности, а англичанин Диксон Олдхэм (Олгрем) по характеру распространения S-волн предположил существование у планеты внутреннего ядра. Позже оно было подразделено на внешнее «жидкое» и внутреннее «твердое» ядро.

В 1907 году немецкий геофизик и сейсмолог Карл Цепприц доказал, что изучение амплитуд сейсмических волн позволяет судить о внутреннем строении Земли.

В 1909 году хорватский геофизик и сейсмолог Андрей Мохоровичич обнаружил границу между земной корой и лежащей под ней мантией.

В 1913 году прогресс в области геологических исследований и инструментальные сейсмические данные позволили американскому сейсмологу Бено Гуттенбергу сформулировать общее представление о внутреннем строении Земли.

Карта мировой сейсмичности Роберта Маллета, 1854 год.

В 1936 году датский геофизик, сейсмолог и преподаватель Королевского общества в Лондоне Инге Леманн по данным сейсмических станций Екатеринбург и Иркутск оборудованных сейсмографами Голицына установила существование у планеты внутреннего ядра. Но только спустя пятьдесят лет американскими и французскими учеными доказано, что твердое земное ядро состоит из железа и никеля, а его диаметр составляет 2,4 тысячи километров.

В 2005 году сейсмологи из США и Канады пришли к выводу, что ядро Земли вращается быстрее, чем ее мантия и кора, делая лишний оборот вокруг своей оси примерно раз в тысячу лет.

В 2013 году ученые из Австралийского национального университета обнаружили, что ядро нашей планеты, часто рассинхронизируется с остальными частями Земли и начинает вращаться с большей или меньшей скоростью.

Самый верхний слой земного шара получил название земной коры. Она подразделяется на два основных типа: материковый и океанический. Под земной корой расположена раскалённая мантия толщиной около трех тысяч километров.

В земной коре и мантии температура повышается с глубиной. Из мантии к дневной поверхности поднимается тепловой поток, в несколько тысяч раз меньший, чем поступает от Солнца. Здесь температура недостаточна для полного расплавления ее вещества. Под материками она достигает около 700 градусов по Цельсию.

Ниже мантии залегает земное ядро с радиусом в 3470 километров. В нём температура достигает астрономических величин – до пяти тысяч градусов по Цельсию, а вещество находится в расплавленном состоянии.

Из-за разных физических свойств материала, из которого состоит земной шар, с глубиной изменяются скорости распространения сейсмических волн. Изучение особенностей прохождения сейсмических волн вызванных землетрясениями и взрывами позволило получить представление о внутреннем строении Земли.

В сейсмологии многое взаимосвязано. Так, изучая места возникновения землетрясений, ученые выяснили внутреннее строение Земли, а затем то, что ее недра находятся в непрерывном движении. Изучение характера этих движений привело к пониманию процесса трансформации вещества внутри и на поверхности планеты. Это позволило построить модели для объяснения характера протекающих в её недрах физико-химических процессов. В свою очередь они привели к пониманию причин сейсмической активности планеты.

Сейсмология изучает землетрясения и их связь с процессами, происходящими внутри Земли. Методы и данные сейсмологии используются для исследования её внутреннего строения, производства оценок сейсмической опасности в том или ином месте, поиска месторождений полезных ископаемых.

Значительный вклад в сейсмологию внесли Д. Митчелл, Р. Маллет, Дж. Милн и Х. Джефрис (Великобритания), Б.Б.Голицын (Россия), Э. Вихерт и Б. Гуттенберг (Германия), К. Буллен (Австралия), Ф. Омори, А. Имамура и К. Вадати (Япония), А. Мохоровичич (Югославия), Б. Гутенберг, Ч. Рихтер (США), Ю. Ризниченко (СССР) и многие другие.

Землетрясения: Цифры и Факты

Самое сильное землетрясение XX века произошло в Чили в 1960 году с магнитудой 9.5 по шкале Канамори (по шкале Рихтера магнитуда 8,3).

Самое смертоносное землетрясение произошло 23 января 1556 года в Китае в провинции Шэньси. Считается, что оно унесло жизни около 830 тысяч человек.

Самое трагическое по последствиям землетрясение XX века произошло в Китае в 1976 году. Оно имело магнитуду 7,8 по шкале Рихтера и, по разным оценкам унесло жизни от 240 до 670 тысяч человек. Экономический ущерб определён в 6 миллиардов долларов США.

Самое трагическое по последствиям землетрясение на территории бывшего СССР произошло в 1948 году в районе Ашхабада (Туркменистан). Оно имело магнитуду 7,3 по шкале Рихтера, и унесло жизни около сорока тысяч человек.

Самое трагическое землетрясение на территории Российской Федерации произошло на Сахалине в поселке Нефтегорск в 1995 году. Оно унесло жизни 2068 человек.

Самое трагическое землетрясение начала XXI века произошло 26 декабря 2004 года в Юго-Восточной Азии. От него и последовавшего за ним цунами погибло около 232 тысячи человек. В их числе оказались несколько тысяч туристов из европейских стран. До него самым кровавым считалось цунами в Японии унесшее в 1896 году жизни 27 тысяч человек.

Самое сильное из вулканических землетрясений на памяти человека произошло в Индонезии при извержении вулкана Кракатау в 1883 году.

Самое сильное обвальное землетрясение произошло в 1974 году, когда со склона хребта Викунаек в Перуанских Андах в долину реки Мантаро с высоты почти двух километров обрушилось 1,5 миллиарда кубометров горной породы.

Самое сильное на памяти человека ударное землетрясение произошло 30 июня 1908 года от падения Тунгусского метеорита. Сейсмические колебания от его взрыва зарегистрировали сейсмографы Иркутска, Ташкента, Тбилиси и Йены.

Самое продолжительное землетрясение произошло в Средиземноморье (Южная Греция) в виде множества сейсмических толчков. Оно началось 29 июля 1870 года и закончилось в августе 1873 года. Произошло 86 тысяч толчков, из которых 300 вызвали разрушения.

Самая смертоносная в истории железнодорожная катастрофа произошла из-за землетрясения 26 декабря 2004 года. Вызванное им мегацунами обрушилась на пассажирский поезд «The Queen of the Sea» шедший из Коломбо в курортный город Галле. Из 1,7 тысяч пассажиров спаслось только несколько десятков человек.

Самое мощное искусственное воздействие на Земле осуществлено при испытаниях в СССР термоядерной бомбы АН602 (Царь-бомба). Мощность взрыва составила от 57 до 58,6 мегатонн в тротиловом эквиваленте. Вызванные им сейсмические волны три раза обогнули земной шар

Самые мощные зарегистрированные сейсмическими станциями колебания от запуска ракеты вызвал старт «Сатурн-5» осуществлённый по программе американских лунных миссий.

Самый крупный экономический ущерб XX века вызвало землетрясение на Тайване 1999 года – около ста миллиардов долларов США.

Самый большой в мире город XX века с населением почти 26 миллионов человек расположенный в сейсмически опасной зоне – Мехико, столица Мексики.

Самое большое количество землетрясений происходит на глубинах до 70 км от земной поверхности.

Свыше 70% всей энергии землетрясений выделяются сильными землетрясениями с магнитудой от 7 и выше по шкале Рихтера.

Свыше 75% всей энергии выделяемой при землетрясениях на Земле принадлежит поверхностным землетрясениям и только 3% глубоким, т.е. с очагами лежащими ниже 300 км от земной поверхности.

Самые глубокие очаги землетрясений (до 720 км) расположены на территории Индонезии.

Самое большое число (75%) поверхностных землетрясений с глубиной очага до 70 км, 90% землетрясений с глубиной очага до 300 км и все глубокие (начиная с 300 км) возникают в Тихоокеанском тектоническом кольце.

Самое большое число (около 80%) землетрясений происходят на дне океанов и только 20% на материках.

Самое большое число землетрясений (75%) происходит по границам Тихоокеанской литосферной плиты, 22% – в Альпийско-Гималайском сейсмическом поясе и только 3% возникает в пределах срединно-океанических поднятий и во внутренних частях литосферных плит.

Самое большое число человеческих жертв (почти 75%) от землетрясений в мире приходится на Альпийско-Гималайский сейсмический пояс (Афганистан, Индия, Иран, Китай, Пакистан, Турция и т.д.).

Самая большая возможная величина землетрясения по шкале Рихтера равна магнитуде 9. Она ни разу не наблюдалась за всю историю человечества. По шкале Канамори учитывающей сейсмический момент землетрясения максимальная величина магнитуды может быть выше.

Самая минимальная регистрируемая величина землетрясения по энергетической шкале Раутиян равна единице. Это примерно в 1019 раз меньше максимально возможной магнитуды землетрясения по шкале Рихтера.

Самое максимально возможное сотрясение от землетрясения на дневной поверхности равно XII баллам по шкале MSK-64. Возможно, такие колебания возникали только на морском дне.

Впервые на памяти современного человечества землетрясение 26 декабря 2004 года у берегов острова Суматра вызвало цунами от которого пострадали страны расположенные на огромных расстояниях друг от друга. От Малайзии на востоке до африканских государств на западе.

Впервые в мире на основании сохранившихся индейских преданий установлен мемориал в память о землетрясении и цунами погубивших тысячи американских индейцев более трехсот лет тому назад. Он расположен в США на отмели Сайлец Бэй в Линкольн Сити штата Орегон.

Почему происходят землетрясения?

Изучающему любой предмет чрезвычайно полезно читать оригинальные мемуары, относящиеся к этой теме, потому что знание усваивается наиболее полно тогда, когда видишь процесс его зарождения.

Земля сейсмически активна, но это её фундаментальное свойство, несмотря на всю очевидность землетрясений, за ней было признано далеко не сразу. Для понимания природы землетрясений сначала потребовалось осознать то, что Земля это шар и, следовательно, у неё есть внутреннее строение.