7 років тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

For the sake of viewer convenience, the content is shown below in the alternative language. You may click the link to switch the active language.

Император Юстиниан запретил под страхом смерти… богохульство и обычай клясться волосами на собственной голове на том основании, что такие поступки, как известно, вызывают удары молнии и землетрясения. Этот аргумент представляется мне достаточно веским. Действия, являющиеся причиной землетрясений, столь же нетерпимы, как и действия, ведущие к бунтам и беспорядкам.

А. Г. Кэмпбэлл. Правосудие и терпимость.

Теперь мы готовы к тому, чтобы оставить в стороне общую связь землетрясений с геологическим и геофизическим развитием Земли и посмотреть, каким образом медленное накопление тектонических сил переходит во внезапный сейсмический взрыв.

Во многих местах земной коры имеются разрывы. Когда породы по обе стороны от разрыва смещены настолько, что отдельные слои не соответствуют друг другу, геологи называют такую трещину разломом (рис. 63). Разлом может образоваться под действием сжимающих, растягивающих или сдвигающих усилий. Каждое из них приводит к смещениям различного вида, и на этом обычно основана классификация разломов. На рис. 64—71 показано, как в действительности выглядят разломы различных типов в разных природных условиях.

На 6-метровом скальном откосе у берега моря разлом Нукумару выглядит как разрыв слоев

На 6-метровом скальном откосе у берега моря разлом Нукумару выглядит как разрыв слоев

След разлома в Мидори

След разлома в Мидори

Основные типы геологических разломов (А) и названия различных его частей (Б)

Основные типы геологических разломов (А) и названия различных его частей (Б)

Вертикальный сброс

Вертикальный сброс

Поперечный сброс

Поперечный сброс

Поперечный сброс

Поперечный сброс

"Кротовины", образованные в результате землетрясения на рыхлых породах

“Кротовины”, образованные в результате землетрясения на рыхлых породах

Разлом в долине Нимблук

Разлом в долине Нимблук

Шов разлома, вышедшего на поверхность

Шов разлома, вышедшего на поверхность

Нормальные сбросы обычно считают результатом растяжения, а обращенные сбросы — результатом сдавливания. Поперечные сбросы называют также сбросами по простиранию, поскольку движение здесь происходит вдоль направления простирания (такое название присвоено направлению следа разлома). Если противоположная сторона разлома смещена вправо от наблюдателя, то движение называют правым боковым, если влево — то левым боковым. Поперечное смещение, конечно, может сопровождаться более или менее значительным нормальным или обращенный смещением, но обычно доминирует какое-либо одно из них. Слово «нормальный» не нужно понимать в том смысле, что это тип сбросов встречается чаще, чем другие.

Общее смещение по разлому обычно состоит из нескольких этапов. В каждом конкретном районе силы, вызывающие смещение, продолжают действовать в течение долгого времени; но это происходит не всегда. Их действие может передаться в другое место, может оказаться прерванным, а затем возобновиться; эти силы могут даже изменить направление.

Геологи заметили, что сильные неглубокие землетрясения иногда сопровождаются появлением новых разломов на поверхности земли или возобновлением движения по старым разломам. Первый яркий пример такого движения стал известен после землетрясения 1819 г. вблизи современной границы между Индией и Пакистаном, в результате которого погибло примерно 1500 чел., а на прибрежном солончаке Качский Ранн образовался уступ высотой около 3 м. Этот разлом получил название Аллах-Бунд («Божья плотина») за сходство с дамбами, воздвигнутыми местным правителем для целей ирригации.

После землетрясения в Сан-Франциско 1906 г. Г. Ф. Рид исследовал впечатляющее поперечное смещение на протяжении 300—400 км по гигантскому разлому Сан-Андреас, а также деформации поверхности на различных расстояниях по обе стороны от разлома. На основе наблюдений он выдвинул гипотезу, известную под названием теории упругой отдачи.

Предположим, что на рис. 72 (А) изображен участок поверхности примерно 50—100 км в поперечнике, причем самые слабые породы залегают вдоль линии ху (например, это может быть старый разлом). Представим себе, что пунктирные линии — это очень длинные прямые заборы, поставленные под прямым углом к линии слабых пород, и что поверхность медленно деформируется региональными силами, возникшими в земной коре. Со временем заборы приобретут форму, показанную на рис. 72 (Б). Пока это продолжается (а этот процесс может длиться столетие и более), в породах накапливается упругая энергия, как в сжатой пружине. В конце концов напряжение может достичь такой величины, что слабые породы уже не смогут его выдержать и внезапно произойдет разрыв вдоль линии ослабления. Таким образом освободится накопленная энергия (как если бы мы внезапно отпустили сжатую пружину). По обе стороны от разрыва породы вернутся в ненапряженное состояние. Движение проявится наиболее сильно вблизи разрыва, а по мере удаления от него в обе стороны будет постепенно уменьшаться. Волны, порожденные этим внезапным движением отдачи, и называются землетрясением.

Упругая отдача

Упругая отдача

Блочная модель (рис. 73) несколько по-другому иллюстрирует тот же процесс. Движение может быть горизонтальным, как показано на рисунке, вертикальным или же комбинацией обоих движений, в соответствии с характером напряжений в породах. Если Рид прав, то землетрясения — это не внезапные нарушения нормального состояния толщ пород, а наоборот, возвращение к норме после длительного периода напряжения.

Упругая отдача

Упругая отдача

Теория упругой отдачи не избежала критики. В 1927 г. двое японских наблюдателей сообщили, что при землетрясении в Танго след разлома появился лишь после того, как их дома были разрушены. Аналогичные наблюдения были сделаны в 1891 г. На основании этого некоторые японские сейсмологи утверждали, что образование разломов — это не причина землетрясений, а их следствие. Тем не менее следует вспомнить, что механические разрушения такого рода должны развиваться из некоторой наиболее слабой точки. Эта точка является очагом землетрясения, и обычно она находится на значительной глубине. Скорость, с которой разрыв может распространяться от очага, меньше, чем скорость сейсмических волн, поэтому максимальное сотрясение будет, по-видимому, предшествовать появлению дислокации на поверхности. Если только высвобождение основной энергии происходит не в ограниченной области и не в сравнительно короткий промежуток времени, сейсмограмма будет иметь значительно более сложный вид, чем упорядоченная последовательность колебаний.

Теория упругой отдачи, безусловно, дает удовлетворительное объяснение деформациям, которые можно наблюдать на поверхности земли, однако исследование разломов на поверхности мало что говорит нам об условиях в очаге, который даже в случае самых неглубоких толчков находится на глубине нескольких километров. Возможно, что большая часть энергии высвобождается не от разрядки упругих напряжений, а от чего-то другого, и что разломы на поверхности — лишь одна из форм сейсмических нарушений. В начале 60-х годов так считали многие новозеландские сейсмологи, и с ними соглашались некоторые их японские коллеги. В течение нескольких десятилетий сейсмологи Европы и Америки занимались проблемами, к которым механизм землетрясений не имел никакого отношения или фигурировал как побочный вопрос; видимо, рассмотрение серьезных физических возражений против этой теории было упущено из виду.

Известно, что по крайней мере в некоторых районах земного шара землетрясения происходят на глубинах до 700 км. Трудности измерений не позволяют с уверенностью сказать, существует ли верхняя граница для очагов, однако даже для самых неглубоких толчков сколько-нибудь значительной силы глубина очага равна по меньшей мере нескольким километрам. Проникая в глубь Земли, мы обнаруживаем, что температура и давление возрастают. Рост давления означает, что соответствующим образом увеличиваются силы трения, предотвращающие подвижки по разломам. В то же время рост температуры облегчает деформации и течение пород. Если породы недостаточно жесткие, в них не может накопиться энергия упругого напряжения, достаточная для преодоления силы трения, поэтому образование разломов с помощью обычного хрупкого растрескивания, по-видимому, возможно лишь для самых неглубоких землетрясений. По оценке д-ра Э. Орована, на глубине 600—700 км сила трения должна по меньшей мере в тысячу раз превосходить прочность породы. Такого рода соображения заставляют многих сейсмологов, считающих, что упругая отдача удовлетворительно объясняет неглубокие землетрясения, делать оговорки относительно глубоких толчков. Но если действительно существует два совершенно различных типа землетрясений, то почему они дают похожие записи и происходят в одних и тех же районах мира?

Сомнения усилились после одного открытия в Калифорнии, где родилась теория отдачи и где в нее долго верили. В 1948 г. вблизи Холлистера один виноградарь построил себе новую винодельню, укрепленную бетоном. Через несколько лет начали трескаться стены на противоположных сторонах дома. Со временем трещины становились все шире, а бетонные плиты, из которых был сделан пол, сместились. Здание было расположено так, что одна его часть находилась на одной стороне разлома Сан-Андреас, а другая — на другой его стороне. Хотя не произошло землетрясения, достаточно сильного для того, чтобы повредить здание, и уж конечно не было землетрясения, достаточно сильного для того, чтобы появился видимый разрыв в земной коре, противоположные стороны разлома медленно раздвигались со средней скоростью примерно 1—2 см в год. Никакое здание не могло бы выстоять в таких условиях. Были установлены сейсмографы и приборы для измерения величины и скорости смещений. Хотя известно, что при локальных землетрясениях скорость движения нарастает постепенно, такое постоянное движение по-видимому, не имеет отношения к сейсмической активности.

Это был не первый случай, когда наблюдался крип. Еще в 1932 г. обнаружили, что нефтяные скважины, пробуренные через разлом Буэна Виста в северной части округа Керн, срезаются постоянными движениями такого рода. Число разломов, через которые проходят скважины или на которых стоят винные заводы, не очень велико, поэтому до сих пор неясно, насколько распространено явление крипа. Над несколькими разломами в Новой Зеландии установлено наблюдение с целью обнаружения крипа, но пока он не отмечен. Очевидно, что если напряжения постоянно сбрасываются, то не может произойти накопления энергии, достаточной для порождения волн типа тех, что мы наблюдаем при сильных землетрясениях.

Наконец, еще одно возражение основано на очень небольшом числе землетрясений, при которых с достоверностью происходили движения по новым разломам. В 1954 г. проф. К. Ф. Рихтер заметил, что имеется лишь 36 таких «ясных и твердо установленных случаев», да и то некоторые из них можно поставить под сомнение. С тех пор по результатам тщательных наблюдений этот список значительно расширился; но, даже делая скидку на подводные землетрясения и другие недоступные толчки, число таких примеров нужно считать удивительно малым по сравнению с общим число регистрируемых землетрясений.

Несмотря на эти, несомненно, сильные возражения, сегодня мало кто из сейсмологов сомневается в корректности теории упругой отдачи в целом. Голоса оппонентов затихли после проведения исследований трех типов. Исследования первого типа касаются восстановления картины в очаге на основе смещений, наблюдаемых на поверхности земли. Теория используемого для этой цели метода была впервые разработана X. Накано примерно в 1922 г. В течение следующих двух десятилетий его широко применяли Кавасуми и другие японские сейсмологи, но их успехи были ограничены недостатками приборов и небольшим числом надежных регистрирующих станций; поэтому в других странах он применялся мало.

Представим себе, что источник землетрясения окружен достаточно большой сферой, центр которой находится в очаге толчка. Если соединить очаг со всеми регистрирующими станциями линиями, проходящими по траекториям Р-волн, то они пересекут сферу каждая в своей точке. Если теперь первое движение, достигшее станции, есть сжатие, то соответствующая точка на сфере должна была сдвинуться наружу, если же это разрежение, то она должна была сдвинуться внутрь сферы. Собрав записи достаточно большого числа станций по всему земному шару, можно воссоздать картину в очаге.

Практически осуществить такое исследование очень сложно. Далеко не каждое землетрясение начинается четким движением; на многие станции приходят лишь нарастающие колебания, начало которых теряется на фоне микросейсм. Трудно также получить множество наблюдений, удачно распределенных по сфере — не только потому, что сейсмические станции неравномерно размещены по земному шару, но и потому, что слоистое строение Земли отклоняет лучи так, что для неглубоких толчков траектории всех волн, проходящих через верхнюю полусферу, должны выйти на поверхность в пределах 100 км от эпицентра. Теоретически следует иметь в этой области половину всех станций. К счастью, для глубоких землетрясений положение несколько лучше.

Существует еще одна серьезная проблема. Получаемые результаты неоднозначны. На рис. 74 показаны два разлома. Плоскость первого перпендикулярна к плоскости чертежа. Направления региональных напряжений таковы, что породы выше разлома будут смещаться вправо. Когда такое напряжение внезапно сбрасывается при упругой отдаче, все сейсмографы в квадрантах, обозначенных буквой С, регистрируют сжатие, в других же квадрантах, обозначенных буквой D,— разрежение. Другой разлом расположен под прямым углом к первому, но уже не с правым, а с левым сдвигом. Картина сжатий и разрежений в обоих случаях будет одна и та же.

Исследование первых колебаний при различных направлениях смещения

Исследование первых колебаний при различных направлениях смещения

Если бы механизм землетрясения отличался от сдвига, то можно было бы ожидать, что первое колебание будет выглядеть по-иному. Например, при взрывах регистрировались бы одни сжатия, а при обрушениях — одни разрежения; правда, если одновременно с изменением объема происходит изменение формы, то на эти простые сжатия или разрежения накладывается схема квадрантов или более сложная схема.

Несмотря на эти трудности, в течение 60-х годов изучение первых колебаний стало очень популярным направлением исследований; особенно тщательные работы проводились под руководством д-ра Дж. Г. Ходжсона в Канаде, проф. Кейлис-Бо-рока в Советском Союзе и проф. Хонда в Японии. Хотя наблюдениям над отдельными землетрясениями присуща неопределенность, удалось построить региональные схемы напряжений, которые способствовали развитию гипотез расширения океанского дна и тектоники плит.

Там, где есть густая сеть регистрирующих станций, можно применять метод анализа первых колебаний к локальным землетрясениям. Во многих частях земного шара проводилась регистрация очень слабых толчков в ограниченных районах с помощью наборов густо сконцентрированных портативных корот-копериодных приборов. При этом в большом количестве регистрировались четкие первые колебания, сыгравшие большую роль в выяснении схем региональных напряжений и их изменения с глубиной.

Если региональные разломы имеют одну и ту же ориентацию, то для истолкования колебаний достаточно иметь одну станцию. Например, в центральной части Новой Зеландии большинство активных разломов простирается примерно на северо-восток или юго-запад. На рис. 75 показаны направления начальных колебаний, полученные по наблюдениям большого числа неглубоких землетрясений в Веллингтоне. При условии справедливости сделанных допущений по карте получается, что здесь происходит правый сдвиг, т. е. северо-западное крыло разлома смещается на северо-восток относительно его юго-восточного крыла. Это согласуется с результатами геологического изучения разломов на поверхности.

Начальные колебания в Веллингтоне

Начальные колебания в Веллингтоне

Второй тип исследований относится к области математики. Порф. Леон Кнопов в Калифорнии и д-р М. Дж. Рэндел в Новой Зеландии подробно исследовали типы волн, которые должны испускаться различными возможными источниками. Их результаты не только помогают выяснить, должно ли первое колебание быть сжатием или разрежением, но и предсказать его амплитуду и соотношение моментов прихода волн Р- и S-типа. Работы д-ра Ари Бен-Менахема позволяют оценить условия в очаге по записям поверхностных волн; другие американские сейсмологи занимались исследованием процессов вскрытия разломов и порождаемых при этом волн. Все эти исследования, как и теория упругой отдачи, указывали на важную роль сдвигов. То, что раньше было лишь качественной гипотезой, становилось строгой математической теорией.

Выполнение исследований третьего типа, начавшееся в последние годы, позволило устранить то возражение, что уже на небольших глубинах сила трения должна препятствовать смещению по разломам. Лабораторное изучение поведения пород при высоких давлениях показало, что жидкость, присутствующая в порах, действует как смазка в трещинах и не позволяет им закрыться. Это было подтверждено наблюдениями, показавшими, что подпруживание речного стока высокими плотинами приводит к увеличению числа землетрясений. Правда, в этих случаях имеет место также рост давления на дно водоемов, поэтому невозможно с уверенностью сказать, насколько велика роль воды. Еще одно сенсационное свидетельство важной роли воды было получено в 1962 г. вблизи Денвера (шт. Колорадо). Представители американской армии захоронили избытки токсичных газов, растворив их в воде и закачав в скважину на глубину 3,5 км. До конца 1965 г. в этом районе, где подземных толчков не было с 1882 г., произошло более 700 землетрясений; их частота была прямо связана с количеством закачанной воды. В одной из следующих глав мы вернемся к проблеме «смазки» разломов.