Катастрофы в природе: землетрясения

Из-за неоднородности недр на сейсмограмме отражается широкий спектр сейсмических волн разного типа. Помимо P и S волн к основным относятся т.н. поверхностные волны Рэлея и Лява (R и L). Они названы по именам ученых разработавших математическую теорию их распространения.

При прохождении волн Рэлея частицы среды описывают вертикальные эллипсы вдоль направления распространения. В поверхностных волнах Лява частицы среды колеблются перпендикулярно направлению своего распространения. Эти типы волн распространяются по земной поверхности подобно волнам в водоемах со скоростью 3,2 – 4,4 км/с.

Из-за того, что Р-волны вблизи от очага землетрясения имеют большую скорость, чем S-волны они регистрируются первыми, отсюда их наименование «Primary». Поперечные S-волны распространяются с меньшей скоростью и приходят следом за P-волнами. Соответственно их назвали вторичными волнами «Secondary». Чем дальше от очага землетрясения расположена сейсмическая станция, тем больший интервал времени между моментами вступления на сейсмограмме P и S волн. Это свойство используется для определения дистанции от станции до очага землетрясения.

На больших удалениях от источника волновая картина значительно меняется из-за неоднородности земных недр. Для её расшифровки в этом случае используются специальные годографы времён пробега типов волн. Один из первых широко использовавшихся годографов получил название по имени его создателей англичанина Сэра Гарольда Джеффриса и австралийца Кита Эдварда Буллена. Буллен также построил одну из первых сейсмических моделей внутреннего строения Земли.

Сейсмические волны проходят внутри земного шара в местах недоступных для прямых измерений. Все, что они встречают на пути, формирует их структуру, и отражается на сейсмограммах. Их анализ позволяет получить представление о том, как распространялись сейсмические волны и изучать строение земных недр.

Интересен сам по себе факт открытия сейсмических волн. Теоретически существование в твердых телах объёмных Р и S волн предсказано в 1829 году Пуассоном, но до 1900 года сейсмологам не удавалось их однозначно распознавать на сейсмограммах. Многие исследователи принимали поверхностные волны Релея за вступления S-волн и приходили к ошибочным результатам.

Проблема была решена в 1899 году Ричардом Диксоном Олдхэмом сумевшего в записях Ассамского землетрясения 1897 года выделить истинные вступления S-волн. Это позволило уже к 1914 году составить общую картину строения планеты и её скоростного разреза. Выдающийся вклад в решение этой задачи внесли такие ученые как Олгрем, Цепринтц, Мохорович, Гуттенберг, Вихерт, Джеффрис, Буллен, Лапвуд и другие.

Джеффрис одним из первых рассчитал кривую времен пробега сейсмических волн (годограф) в зависимости от строения Земли. Это позволило по записям колебаний на сейсмограмме точно определять место и время возникновения землетрясений. Для этого было достаточно измерить моменты вступления Р и S волн на станции и по интервалу времени между ними с использованием годографа рассчитать дистанцию (эпицентральное расстояние) между станцией, где получена запись и эпицентром землетрясения. Сопоставляя полученные расстояния по нескольким станциями можно точно определить место и время возникновения землетрясения или, как его называют сейсмологи время в очаге (t0).

Расшифровка структуры записи сейсмических волн очень сложная задача. С момента вступления Р-волн (в ближней зоне землетрясений) и длительное время после, сейсмическая запись не бывает спокойной, а вступления остальных фаз происходят на фоне предыдущих колебаний. С другой стороны, на сейсмограмме всегда присутствуют микроколебания – микросейсмы (сейсмические шумы), которые затрудняют измерения. Чем чувствительнее прибор, тем больше амплитуда помех, а значит и ошибки в определении координат и глубины очага землетрясения.

Традиционно сейсмостанции оснащаются сейсмографами для записи колебаний в виде сейсмограммы смещений. Однако существуют и другие типы сейсмических приборов. Это велосиграфы для записи скоростей и акселерометры для записи ускорений грунта. Эти приборы устанавливаются в инженерных сооружениях там, где могут возникнуть интенсивные сейсмические колебания. Они находятся в режиме ожидания, и включаются при сильных землетрясениях. С их помощью удаётся точно определять продолжительность разрушающей фазы землетрясения и её частотный спектр.

Наряду с сейсмическими станциями на суше создаётся все больше пунктов наблюдений на морском дне. В 1940 году было обнаружено, что помимо распространяющихся в твердой оболочке Земли сейсмических волн, у землетрясений есть акустическая компонента Т-фаза. Её исследование имеет большой интерес для поиска методов прогноза цунами. Поэтому на морских станциях, наряду с сейсмографами, устанавливаются гидрофоны для записи акустических сигналов.

Достижения электроники и современные телекоммуникации обеспечили условия для создания цифровых сейсмических станций с передачей данных по телеметрическим каналам связи. С другой стороны, переход с телесейсмического на региональный, а затем и на локальный уровень наблюдений сопровождается порядковым скачком объёма данных который человеческий мозг без компьютеров проанализировать не в состоянии.

Рост количества пунктов наблюдений и совершенствование приборов для записи сейсмических колебаний позволили регистрировать с каждым десятилетием всё больше землетрясений происходящих в недрах планеты. Если в начале 1900-х годов регистрировалось около 40 землетрясений магнитуды 7 и выше, то к XXI веку местоположение и сила всех происходящих землетрясений такой магнитуды фиксировалась, и составила более 4000 событий за десятилетие.

Новые информационные и коммуникационные технологии (ИКТ) позволили автоматизировать передачу, обработку и анализ сейсмологических данных. Сейсмические каталоги стали составляться с большей детальностью отображая сейсмическую активность всего земного шара начиная с магнитуды 6 и выше. Так если в начале первого десятилетия прошлого века таковых было зафиксировано только пять штук, то в первом десятилетии XXI века их уже было в тысячу раз больше – почти пять тысяч.

Зачастую ошибочно сообщают об увеличении числа землетрясений на планете исходя из этих данных. Однако это не так. Повышение чувствительности приборов и количества пунктов на планете позволяет регистрировать больше сейсмических событий. Это хорошо видно на примере графиков числа зарегистрированных землетрясений с 1900 по 2015 год. Для землетрясений магнитуды 6 и 7 такой рост действительно происходит но он связан с инструментальными возможностями и использованием в обработке данных электронно-вычислительных машин. Для землетрясений больших магнитуд роста нет и среднегодовое число значимо не изменятся.

Динамика роста количества информации о происходящих на планете землетрясениях. Из графика событий магнитудой около 6 по шкале Рихтера видно, как увеличивалась чувствительность сейсмических наблюдений в мире. На восходящем тренде землетрясений магнитуды около 7 выделяется квазипериодические колебания с пиками в 1911—1920, 1931—1940, 196—1970 и 1991—2000 годах обязанные природному фактору.

Развитие Интернет позволило оперативно сообщать о происходящих на планете землетрясениях. На специальных веб-сайтах благодаря машинной обработке очень быстро появляются сведения о каждом сильном землетрясении, где бы оно не произошло на планете. Подобные службы имеются в Европе, США, России и других странах.

Методы сейсмологии оказались востребованы после запрета испытаний в воздухе и на земле. Подрывы ядерных зарядов начали проводить под землей, а поскольку от них сейсмические волны распространяются также так же как от землетрясений, поэтому по их записям можно точно определить место, время и мощность испытанного ядерного оружия.

Основная проблема заключается в том, как отличить ядерные взрывы от землетрясений, происходящих на планете почти непрерывно. Тем более что для сокрытия мощности и особенностей ядерного заряда испытания проводятся там, где часто возникают обычные землетрясения. Отметим, хотя волновые поля от взрывов и землетрясений содержат заметные для сейсмологов отличия и, все же по ним не всегда удается однозначно установить факт проведения подземных взрывов.

Сейсмические явления сопровождают эволюцию других планет солнечной системы, и получают научное наименование в зависимости от места своего возникновения. В 1997 году орбитальным спутником Сохо зарегистрировано солнцетрясение излучившее в сорок тысяч раз больше энергии, чем землетрясение в Сан-Франциско 1906 года. Этой энергии с лихвой хватило бы для обеспечения США электроэнергией в течение двадцати лет.

20 июля 1969 года произошло знаменательное событие. Впервые сейсмические наблюдения начали вестись на другой планете. Американскими астронавтами Нилом Амстронгом и Базом Олдрином во время экспедиции «Аполлон-11» в Море Спокойствия в 168 метрах от лунного модуля установлена первая инопланетная сейсмическая станция. Аппаратура весила 48 килограмм и запитывалась от солнечных батарей. Станция проработала около месяца позволив обнаружить лунотрясения, а также то, что падение метеоритов вызывает долго незатухающие сейсмические колебания лунной поверхности.

Сейсмограммы землетрясения (1995) магнитудой 5,1 и ядерного взрыва (1998) магнитудой 4,8 в Индии.

В ноябре 1969 года экспедиция «Аполлон-12» смогла провести более длительные сейсмические наблюдения на Луне. Затем экспедициями 14, 15 и 16 на видимой стороне спутника Земли были установлены еще три высокочувствительные станции оснащенные приборами для наблюдений в широком частотном диапазоне.

Во время экспедиции «Аполлон-12» зарегистрировано много лунотрясений. Их природа была связана как с тектоническими процессами и воздействием на Луну земных приливов, так и ударами метеоров о её поверхность. Самое первое записанное лунотрясение было вызвано ударом о поверхность модуля, на котором астронавты летали на поверхность Луны.

Удар 2,5 тонного аппарата «Аполлон-12» на первой лунной космической скорости (1,7 км/с) был эквивалентен взрыву 800 килограммов тротила. С поверхности поднялось многотонное облако пыли, а через 23,5 секунды волны от удара записал сейсмометр. Колебания лунного грунта продолжалось около часа, что стало сюрпризом для исследователей. Оказалось, что в отличие от Земли на Луне возникают долго незатухающие колебания, подобно тому, как если это был колокол.

Помимо обнаружения лунотрясений астронавты смогли провести первую сейсморазведку на другой планете. На профилях длиной в несколько десятков метров они через каждые 4 – 5 метров производили удары по грунту, и записывали сигналы. На первых инопланетных профилях также устанавливались специальные заряды, подрывавшиеся по команде с Земли, но уже без космонавтов на Луне.

Сейсмостанция экспедиции «Аполлон-17» на Луне (NASA, Public Domain).

13 мая 1972 года в 142 километрах от лунной сейсмостанции упал метеорит диаметром два метра на скорости 20 км/с. Удар от него был настолько силн, что образовался кратер диаметром в сто метров. Сейсмометры на двух сейсмостанциях расположенных в 967 километрах и 1026 километрах от места падения метеорита зашкалили, но смогли записать лунотрясение. После обработки сейсмограмм было обнаружено существование у Луны коры. Она оказалась слоистой и сложенной из кальциево-алюминиевых пород с высокими градиентами скоростей.

Во время экспедиции «Аполлон-13» высадки людей на поверхность Луны не было, но ею было вызвано искусственное лунотрясение. Так, третья ступень ракеты «Сатурн» весом в 15 тонн на второй космической скорости (2,5 км/с) ударилась о лунную поверхность на расстоянии 135 км от сейсмометров. Это удар был эквивалентен взрыву десяти тонн тротила, а колебания от него не затухали четыре часа.

Еще недавно казалось, что исследования сейсмичности Луны представляют чисто научный интерес, однако планы организовать на этой планете обитаемую станцию перевели их в разряд практически важных. На Луне в 1972 – 1977 годах зарегистрированы несколько лунотрясений с магнитудой около 5,5 по шкале Рихтера. Если подобное лунотрясение произойдет вблизи от лунной станции, то она может не выдержать сейсмического удара.

Цифровые сейсмические станции в мире. Увеличение числа и чувствительности станций позволяет регистрировать всё больше сейсмических событий на планете.

Еще продолжалась работа первой лунной сейсмической сети, когда к сейсмическому патрулю присоединилась четвёртая планета Солнечной системы – Марс. Первые сейсмические наблюдения на этой планете были проведены спустя сто лет после Великого противостояния 1877 года, когда были открыты спутники и каналы Марса.

Планировалась работа на Марсе двух сейсмических станций летевших на космических аппаратах «Викинг». Однако первый сейсмометр при посадке на равнине Хриса не смог распаковаться, и включить электропитание. Зато второй, на равнине Утопия, проработал в течение 19 земных месяцев, с 4 сентября 1976 года по 3 апреля 1978 года.

6 ноября 1976 года удалось впервые записать марсотрясение с магнитудой около трех по шкале Рихтера. Однако общие результаты марсианских наблюдений оказались менее результативны, чем на Луне. Видимо только в будущем удастся найти ответы на поставленные вопросы о внутреннем строении четвертой планеты. Тем не менее, важен тот факт, что сейсмические исследования перекинулись на другие планеты, свидетельствуя о появлении нового направления сейсмологии – внеземного.

Изучение сейсмической активности небесных тел очень важно для понимания геологических процессов происходивших на Земле в древности и её будущей судьбы. В этой связи в 1968 году учёный и писатель Иван Ефремов отметил: «К физическим исследованиям Земли как планеты, небесного тела примыкает астрофизика. Изучение развития разновозрастных планет, звезд, метеоритов дает нам возможность в известной мере восстановить ту часть истории Земли, которая не записана в геологической летописи – слоях земной коры и относится к эпохе начального образования Земли».