Землетрясения: сможет ли человечество когда-либо их прогнозировать

Обычно мы воспринимаем поверхность Земли как нечто монолитное и незыблемое, однако природа постоянно «напоминает» людям об ошибочности этого убеждения. Ежегодно в мире происходит более миллиона землетрясений — колебаний, зарождающихся в глубоких слоях литосферы и достигающих земной коры. Большинство подземных толчков настолько слабы, что их фиксируют лишь высокоточные приборы. Но некоторые из них приводят к катастрофическим разрушениям на огромных территориях. В этой статье мы вспомним историю изучения землетрясений, определим причины их возникновения и возможные последствия, а также узнаем, как современная наука и инженерия помогают справляться со стихией.

История изучения землетрясений

В древности люди объясняли землетрясения в основном мифологическими сюжетами. Однако уже античный философ Аристотель в своем сочинении «Метеорологика», написанном в IV веке до н. э., попытался объяснить землетрясения естественными природными процессами. Согласно его гипотезе, из-за того что Солнце нагревает Землю, в ее внутренних полостях скапливается горячий воздух. Когда его становится слишком много, он пытается найти выход на поверхность, провоцируя колебания земной тверди.

Во II веке н. э. древнекитайский изобретатель Чжан Хэн сконструировал «первый сейсмограф» — прибор для фиксации и раннего предупреждения подземных толчков. Устройство получило название «Хоуфэн Дидун И», что в переводе означает «измерение ветров и движений Земли». Оно представляло собой бронзовый кувшин с головами восьми драконов, ориентированных по сторонам света и расположенными непосредственно под ними фигурками жаб с раскрытыми ртами. Внутри сосуда находился маятник, который отклонялся при подземных толчках и приводил в движение систему рычагов, открывавших пасть одного из драконов. Когда из нее выскакивал металлический шарик и с громким звоном падал в рот жабе, это позволяло фиксировать как сам факт колебания, так и его направление к эпицентру. В 138 году этот «сейсмограф» точно определил землетрясение, произошедшее в 600 километрах к западу от столицы, где толчки не ощущались совсем. Тем не менее устройство не получило широкого применения, и научный подход к изучению землетрясений был возрожден только в XVIII веке. 

Отправной точкой для этого стала трагедия, известная как Великое Лиссабонское землетрясение. В 1755 году оно разрушило столицу Португалии и нанесло серьезный ущерб ряду стран Западной Европы и Северной Африки. Выдающиеся просветители, такие как Иммануил Кант и Вольтер, бывшие современниками тех событий, в своих трактатах писали о необходимости поиска рациональных причин возникновения землетрясений и способов прогнозировать подобные стихийные бедствия. Тогда же были предприняты первые попытки систематизации данных о землетрясениях. Главный министр Португальской империи Маркиз де Помбал, фактически правивший государством, разослал во все приходы страны анкеты с обширным списком вопросов, в числе которых были такие:

• как долго продолжались толчки?
• в каких направлениях распространялись трещины?
• как изменился уровень воды в колодцах?
• замечалось ли что-нибудь странное в поведении животных и птиц?

В 1760 году английский геолог Джон Мичелл заложил фундамент современной сейсмологии, представив свою «волновую» теорию. Он первым предположил, что землетрясения представляют собой упругие волны, проходящие сквозь горные породы, а также предложил методы расчета эпицентра и глубины подземных толчков. 

Ирландский инженер и изобретатель Роберт Маллет начиная с 1840-х годов развивал идеи Мичелла, трансформируя сейсмологию в точную физическую науку. Объединив колоссальные массивы исторических данных, он составил первую карту сейсмических поясов Земли. Кроме того, Маллет подтверждал свои теоретические выкладки экспериментами. Проводя контролируемые взрывы, он измерял скорость прохождения энергии через разные типы пород и в результате доказал волновую природу землетрясений.

В конце XIX века ученые перешли от простой фиксации факта толчков к записи изменения характера колебаний с течением времени. Ключевой фигурой этого периода стал британский геолог Джон Милн, проводивший свои исследования в Японии. В 1890-х годах он представил свой сейсмограф в виде горизонтального маятника — длинной легкой штанги с грузиком на конце, которая крепилась к вертикальной стойке под небольшим углом. Когда земля начинала дрожать, стойка двигалась вместе с ней, а тяжелый маятник стремился остаться на месте, и между ними возникало относительное движение. В более ранних приборах колебания фиксировались посредством пера или иглы, которые соприкасались с бумагой или стеклом. Это соприкосновение создавало дополнительное сопротивление, которое не могли преодолеть слабые физические волны. Милн же использовал такой инновационный для того времени метод как фоторегистрация. На конце маятника он установил пластину с узкой прорезью, под которой скрыл барабан с фотобумагой. В обычном состоянии лучи света проходили через прорезь, оставляя на бумаге тонкие прямые линии, но при колебаниях эти полосы принимали зигзагообразную форму.

Причины возникновения землетрясений

Землетрясения — это результат резкого высвобождения энергии в земной коре, которое приводит к зарождению сейсмических волн. Земная кора не является монолитной системой, она представляет собой совокупность твердых, но упругих материалов. Именно благодаря этой упругости, испытывая давление, они могут постепенно накапливать энергию подобно сжимающейся пружине. Однако у любого земного пласта есть предел прочности, и когда он оказывается пройден, возникает разлом. Энергия, копившаяся годами или даже десятилетиями, выплескивается наружу и распространяется во все стороны в виде волн. Самой частой причиной возникновения землетрясений является движение литосферных плит, но также им могут предшествовать вулканическая активность, обвалы в подземных пустотах, а также деятельность человека. Подробнее обо всех этих факторах мы поговорим в следующих разделах.

Тектонические землетрясения и движение литосферных плит

Около 95% от общего количества фиксируемых землетрясений являются тектоническими. Это означает, что они вызваны тектоникой, или взаимным движением, литосферных плит. Эти землетрясения являются причиной выделения почти 100% совокупной сейсмической энергии. Литосферные плиты — это гигантские массивы пород, из которых состоит вся поверхность нашей планеты. «Плавая» в вязком пластичном слое верхней мантии Земли — астеносфере, — они взаимодействуют друг с другом. А самые мощные и разрушительные землетрясения возникают в зонах субдукции, где одна литосферная плита погружается под другую. Также высокую опасность представляют трансформные разломы, где плиты соприкасаются краями, двигаясь в одном или противоположных направлениях, и рифтовые зоны — границы расходящихся плит. 

Попробуем разобраться, как именно возникают подземные толчки на примере тектонических землетрясений.

• Накопление энергии. Шероховатые края взаимодействующих литосферных плит сцепляются друг с другом, что приводит к появлению напряжения и накоплению потенциальной энергии. В рифтовых зонах плиты не прижимаются друг к другу, а напротив, пытаются разорвать связи, и тогда накопление энергии обусловлено прочностью пород, сопротивляющихся растяжению.
• Деформация. По мере возрастания напряжения породы начинают деформироваться — они сминаются, смещаются, дробятся и истончаются. На финальных стадиях деформации возникают форшоки — подземные толчки, предшествующие самому сильному, главному удару землетрясения.
• Очаг и эпицентр землетрясения. Место, где горные породы начинают разрушаться и распространять сейсмические волны, называется очагом, или гипоцентром, землетрясения. Эпицентр землетрясения — это проекция гипоцентра на поверхность Земли, то есть место, которого колебания достигают быстрее всего, а потому демонстрируют самую большую силу.
• Афтершоки. После ключевого, самого сильного удара землетрясения, горные породы продолжают деформироваться и смещаться, вызывая повторные толчки — афтершоки. И хотя количество афтершоков может достигать сотен или даже тысяч, их сила очень быстро затухает, и серьезную опасность представляют лишь самые первые повторные колебания.

Помимо тектонических землетрясений, ученые также выделяют еще один тип подземных толчков — глубокофокусные землетрясения. Их очаги могут возникать как в верхней, так и в нижней мантии, на глубинах до 700 километров. Согласно наиболее распространенной гипотезе, эти колебания вызывает фазовый переход минералов — под колоссальным давлением их кристаллическая решетка перестраивается, что приводит к изменению их объема и возникновению мощных импульсов. Из-за огромного расстояния до поверхности энергия сейсмических волн сильно рассеивается, и до поверхности доходят лишь слабые вибрации. Люди, находящиеся в самом эпицентре глубокофокусного землетрясения, могут вовсе не почувствовать каких-либо толчков.

Вулканические землетрясения

Примерно в 3% от всех зафиксированных случаев землетрясений подземные толчки вызывает не тектоника плит, а подповерхностное движение магмы. 

Плотная и тяжелая земная кора буквально выталкивает магму на поверхность, подобно тому, как деревянный брусок или пузырек воздуха всплывают в воде. Несмотря на то что она следует по пути наименьшего сопротивления к уже сформированным жерлам вулканов, магма все же взаимодействует с окружающими слоями пород, раскалывая и деформируя их. Этот процесс уже сам по себе вызывает первичные подземные толчки.

По мере продвижения вверх давление в земной коре падает и происходит дегазация расплава. Это означает, что летучие вещества взрывообразно выделяются из общей массы, порождая сейсмические волны. Также важную роль играет процесс гидротермального кипения: подземные воды в непосредственной близости от магматического потока мгновенно превращаются в пар, колоссально увеличиваясь в объемах, провоцируя микровзрывы и дрожь земли.

Помимо самого расплава и содержащихся в нем летучих веществ, на возникновение вулканических землетрясений влияют и твердые кристаллы. Скапливаясь в больших количествах, они цепляются друг за друга и делают магму более густой и вязкой. В результате от плавного течения она переходит к рывкам, иногда будто «заклинивая» в жерле. Так создается избыточное давление, ломающее стенки вулканов и приводящее к серии толчков.

Среди ключевых признаков вулканических землетрясений выделяют локальность и небольшую силу. Их очаги располагаются на небольшой глубине, обычно в пределах 1 – 5 километров, а эпицентры находятся внутри главного кратера или кучно проецируются на склоны вулкана. В отличие от тектонических землетрясений с их резкими одиночными ударами, вулканические представляют собой высокочастотные серии из сотен или даже тысяч мелких толчков (прим.ред.: в геологии такой эффект называют роем землетрясений). Для ученых эти толчки служат одним из важнейших индикаторов того, что вулкан просыпается и в самом ближайшем будущем начнется извержение.

Обвальные и техногенные землетрясения

Оставшиеся 2% всех сейсмических событий на Земле распределяются между обвальными землетрясениями, вызванными обрушениями подземных пустот, и техногенными землетрясениями, которые провоцирует деятельность человека. У этих двух типов есть определенные сходства, такие как локальный характер и малая глубина очага. В тех случаях, когда горные работы приводят к обрушениям пород, обвальное землетрясение может стать частным случаем техногенного. 

Обвальные землетрясения зачастую возникают из-за карстовых процессов. Грунтовые воды, циркулируя под землей, вымывают легкорастворимые породы вроде известняка или гипса, что приводит к образованию пустот: карстовых пещер, шахт и колодцев. Со временем несущие опоры и своды таких пустот также размываются, истончаются под действием силы тяжести, что приводит к обрушению пород и вызывает сейсмический импульс. На поверхности при этом ощущается резкий подземный толчок, после которого иногда начинается цепное обрушение и образуется провал — карстовая воронка.

Иногда причиной землетрясений становятся крупные оползни. Например, в 1974 году в Перуанских Андах блок пород колоссальным объемом в 1,5 млрд м³ сорвался с высоты 2 километров и обрушился в долину реки Мантаро. Жертвами обвала стали более 400 человек, каменные массы ударяли о землю с такой силой, что спровоцировали землетрясение. Сейсмографы фиксировали колебания грунта на расстоянии порядка 3 000 километров от катастрофы.

Что касается техногенных землетрясений, то исторически они были крайне редким явлением. Однако в последние десятилетия их доля от общего числа стремительно растет. Важно уточнить, что деятельность человека не создает сейсмическую энергию с нуля, а лишь высвобождает уже накопленное в земной коре напряжение. Помимо локальных обрушений, о которых мы упоминали ранее, выделяют следующие распространенные факторы техногенных землетрясений.

• Добыча полезных ископаемых. Чтобы безопасно извлекать из земных недр полезные ископаемые, специалисты вынуждены откачивать колоссальные объемы воды, функционирующей как дополнительная внутренняя опора пластов. Когда ее давление ослабевает, пласты начинают сжиматься неравномерно, нарушая равновесие сил трения в ближайших тектонических разломах.
• Закачка флюидов в скважины. При добыче нефти и природного газа из сланцев распространен метод гидравлического разрыва пласта посредством закачки в него жидких химических реагентов. Как и в предыдущем пункте, равновесие сил трения нарушается, но теперь — из-за избыточного давления вблизи разломов, приводящего к деформации пород.
• Создание водохранилищ. При заполнении крупных водохранилищ миллиарды тонн воды с колоссальной силой давят на дно, создавая мгновенный гидростатический эффект. Он выражается в том, что пласты под водохранилищем начинают упруго прогибаться, и, если в непосредственной близости находится тектонический разлом, его края последовательно начинают деформироваться и разрушаться.

Сейсмические волны при землетрясении

Чтобы еще глубже погрузиться в суть процесса землетрясения, поговорим о том, что же представляют собой сейсмические волны. Их можно охарактеризовать как «энергетическое эхо» — высвободившееся в недрах напряжение превращается в механические колебания. Выделяют 2 основных типа сейсмических волн: объемные, преодолевающие всю толщу Земли и углубляющиеся в ее недра, а также поверхностные, которые, распространяются вдоль поверхности нашей планеты или вблизи от нее. 

Объемные сейсмические волны.

• P-волны. Эти волны также называют первичными(Primary), или продольными. Колебания частиц происходят со скоростью до 8 км/с, вдоль направления движения волны, подобно тому, как ударная волна проходит по всем вагонам поезда, когда локомотив резко прицепляется к составу.
• S-волны. Вторичные (Secondary) волны имеют более низкую скорость распространения  и проявляются в поперечных колебаниях частиц — влево-вправо или вверх-вниз, относительно направления движения волны. Этот процесс часто сравнивают с фанатами, запускающими «волну» на стадионе — сама «волна» движется по трибунам горизонтально, тогда как люди перемещаются только в вертикальном направлении.

Поверхностные сейсмические волны.

• Волны Рэлея. Распространяются со скоростью 1,5 – 4 км/с, и частицы пород на пути волн отклоняются одновременно в продольном и вертикальном направлениях, описывая эллипс. Наглядно такую траекторию иллюстрирует лодка на морских волнах, которая циклично поднимается, продвигается вперед, опускается и отходит назад.
• Волны Лява. Распространяются на 10 – 15% быстрее, чем рэлеевские волны. Колебания происходят исключительно в горизонтальной плоскости, перпендикулярно направлению движения волны, подобно тому, как змея ползет вперед, а ее тело изгибается в левую и правую стороны.

Магнитуда землетрясения и шкалы измерения

В сводках новостей можно часто услышать фразу: «Произошло землетрясение магнитудой 6 баллов по шкале Рихтера». С точки зрения сейсмологии эта фраза некорректна, так как магнитуда является безразмерной величиной, а в баллах считают интенсивность землетрясения. Эти показатели не связаны друг с другом напрямую, а для их расчетов применяются принципиально разные методы.

Магнитуда — это относительная величина, которая характеризует общую энергию, выделившуюся в гипоцентре в виде сейсмических волн. Она называется относительной, так как не выражается напрямую в физических единицах, например, джоулях или ватт-часах, а показывает энергию относительно базового уровня. Исторически этот уровень был обозначен как самое слабое землетрясение, которое можно зафиксировать, однако современные высокочувствительные приборы способны улавливать и менее существенные колебания, и тогда магнитуда приобретает отрицательные значения. 

В начале XX века исследование землетрясений было затруднено тем, что у ученых не было объективного научного метода их измерения — в основном они полагались на субъективные описания свидетелей. В 1935 году американский сейсмолог Чарльз Рихтер представил свою знаменитую шкалу, которая помогла решить проблему комплексно. Шкала Рихтера была основана на двух ключевых признаках.

1. Логарифмическая зависимость. При разных землетрясениях амплитуды колебаний грунта (прим.ред.: максимальное расстояние, на которое смещается точка на земле относительно состояния покоя) может отличаться в миллионы и даже миллиарды раз — от долей микрона до нескольких метров. Чтобы не оперировать огромными числами, Рихтер предложил использовать десятичный логарифм. Это означает, что каждый последовательный шаг шкалы соответствует увеличению амплитуды в 10 раз. При магнитуде 1 сейсмограф показывал отклонение в 0,01 мм, при магнитуде 2 — 0,1 мм и так далее. Коллега Рихтера, немецкий сейсмолог Бено Гутенберг, стал соавтором его шкалы. Он рассчитал, что при увеличении амплитуды в 10 раз выделяемая энергия возрастает примерно в 32 раза. 
2. Наличие эталона. Рихтер подобрал нулевую точку шкалы так, чтобы отразить минимальное, едва уловимое колебание грунта, которое только мог отразить стандартный сейсмограф. Но, как мы уже знаем, чем большее расстояние от гипоцентра проходят сейсмические волны, тем сильнее они затухают, и амплитуда колебаний становится меньше. Поэтому за эталонное «нулевое» землетрясение был принят такой толчок, который вызывает отклонение 0,001 мм на сейсмографе, расположенном на расстоянии в 100 км от эпицентра. Расстояние до эпицентра вычислялось по точному времени прихода на станцию P- и S-волн, подобно тому, как мы считаем секунды, проходящие между вспышкой молнии и раскатом грома, чтобы определить удаленность разряда. Конечно, сейсмографы не находились ровно на 100-километровом расстоянии от эпицентра, поэтому Рихтер ввел поправочные коэффициенты, позволявшие ученым в разных точках получать одинаковые значения магнитуды.

Шкала Рихтера имеет определенный физический предел, который в сейсмологии называют «эффектом насыщения». После магнитуды 6,0 – 6,5 перестает увеличиваться амплитуда коротких высокочастотных волн, фиксируемых стандартным прибором. Когда происходят столь сильные катастрофы, смещаются колоссальные блоки земной коры. Этот процесс может занимать несколько минут, порождая длинные волны низкой частоты. Таким образом, измеряя только амплитуду колебаний, для землетрясений с разломами в 100 и 500 километров ученые могли получать одинаковую магнитуду.

Долгое время ученым приходилось мириться с зашкаливающими сейсмографами, пока в 1977 году японский сейсмолог Хиро Канамори не разработал шкалу моментных магнитуд. Ученый предложил измерять не сами колебания, а сейсмический момент — физическую работу в очаге землетрясения, выведенную в ньютон-метрах. Для его расчета необходимо перемножить 3 параметра: площадь разлома, величину сдвига и модуль сдвига (прим.ред.: т.е. способность разных материалов сопротивляться деформации — глину сдвинуть значительно проще, чем гранит).

Перемножая эти цифры, ученые получают сейсмический момент, выражающий абсолютную механическую энергию землетрясения, в которой нет условностей и калибровок под приборы. Однако в случае с особенно сильными землетрясениями получаются невообразимо большие числа с десятками нулей. Так как использовать их в оперативных расчетах было проблематично, Канамори совместно с американским сейсмологом Томасом Хэнксом предложил способ перевода абсолютной механической энергии в привычную магнитуду с помощью все того же десятичного логарифма. Так была обеспечена полная преемственность шкал, ведь значения магнитуд слабых и средних землетрясений полностью совпадают. Шкала Канамори-Хэнкса позволила работать с самыми сильными катастрофами, так как ее максимальное теоретическое значение (прим.ред.: магнитуда 10,5) упирается в физический предел прочности земной коры.

Интенсивность землетрясения и шкала последствий

Интенсивность землетрясения — это показатель того, как подземные толчки проявляют себя в определенной точке на поверхности Земли. Это достаточно широкий термин, посредством которого могут оцениваться как физические эффекты вроде степени разрушения инфраструктуры или изменений рельефа, так и реакция людей на месте события. 

В мире существуют различные шкалы интенсивности землетрясений или, как их называют в обиходе, шкалы последствий. Как правило, они имеют 12-балльную размерность. Вот два примера таких шкал.

• MSK-64 — была принята в 1964 году как единый для стран социалистического блока стандарт оценки последствий землетрясений. Ее название — это акроним из фамилий сейсмологов, разработавших методику: Сергея Медведева из СССР, Вильгельма Шпонхойера из ГДР (прим.ред.: на немецком пишется Wilhelm Sponheuer) и Вита Карника из Чехословакии. С момента создания шкалы критерии оценки многократно дорабатывались, и в наши дни методику продолжают использовать сейсмологические службы России и ряда стран СНГ.
• EMS-98 (прим.ред: Европейская макросейсмическая шкала) — была разработана в 1998 году как модифицированная версия MSK-64 и принята в качестве стандарта в странах Евросоюза. Главное отличие EMS-98 заключается в том, что в ней используется расширенная матрица классов уязвимости зданий, более подробно описывающая многообразие современных конструкций. Кроме того, в европейской шкале были введены строгие количественные рамки для оценки масштабов разрушений.

Баллы в шкалах интенсивности землетрясений можно разделить на следующие диапазоны.

• Слабые толчки (1 – 2 балла). Землетрясения регистрируют только высокочувствительные приборы. В ряде случаев вибрации ощущают люди, находящиеся на верхних этажах зданий. Домашние животные могут демонстрировать повышенную тревожность.
• Умеренные толчки (3 – 4 балла). Люди в помещениях однозначно распознают землетрясение по дребезжанию стекол, дверей, шкафов и посуды. При этом на улице оно практически не ощущается, и замечают вибрации лишь единицы.
• Сильные толчки (5 – 6 баллов). Землетрясение различимо как внутри, так и снаружи помещений. Уровень колебаний становится пугающим, предметы падают с полок, люди просыпаются и выбегают на улицу. Старые неустойчивые к нагрузкам здания получают первый незначительный ущерб в виде трещин в стенах и откалывания штукатурки.
• Разрушительные толчки (7 – 8 баллов). Ярко выраженный инженерный диапазон. Наименее устойчивые здания получают частичные обрушения, а в стенах обычных кирпичных домов появляются крупные трещины. Кроме того, могут падать фабричные трубы и рваться стыки трубопроводов. Землетрясения начинают ощущать люди, едущие в автомобилях, так как подвеска перестает справляться с поглощением сейсмической энергии.
• Опустошительные толчки (9 – 10 баллов). Население охватывает всеобщая паника. Происходит массовое разрушение стандартных зданий, а сейсмостойкие постройки получают значительный ущерб. На поверхности земли появляются трещины шириной до метра, а в горах происходят крупные оползни. Мосты и плотины получают критические повреждения или разрушаются.
• Катастрофы (11 – 12 баллов). Практически полностью разрушаются постройки и подземная инфраструктура, железнодорожные рельсы изгибаются и скручиваются. Происходят кардинальные изменения ландшафта: образуются глубокие провалы и трещины, рушатся скалы, горные хребты меняют свои очертания, изменяются русла и направления течения рек, озера полностью уходят под землю или образуются там, где их никогда не было.

Сейсмоопасные зоны Земли

Если взглянуть на карту фиксируемых землетрясений, станет очевидно, что они происходят не хаотично. Почти все землетрясения в мире распределены по нескольким зонам, тянущимся вдоль границ взаимодействующих литосферных плит. В науке их называют сейсмическими поясами Земли. Мы с вами поговорим о двух по-настоящему глобальных сейсмических поясах, которые определяют подземную активность нашей планеты.

• Тихоокеанский пояс. Пояс, также известный как Тихоокеанское огненное кольцо, является абсолютным рекордсменом нашей планеты по сейсмической и вулканической активности. Причиной тому является субдукция — огромная и массивная Тихоокеанская плита медленно подползает под более легкие материковые плиты, в том числе Евразийскую и Северо-Американскую. В проекции на карте пояс имеет форму подковы, его протяженность составляет более 40 000 километров, что сопоставимо с длиной экватора. Он буквально очерчивает границы Тихого океана, следуя от берегов Новой Зеландии к Индонезии, Филиппинам и Японии. Далее он пересекает российские Курильские острова и Камчатский полуостров, достигая Аляски. Затем пояс проходит вдоль всего западного побережья Северной и Южной Америки, и после архипелага Новая Земля сейсмическая активность затухает.
• Средиземноморско-Трансазиатский пояс. В отличие от Тихоокеанского огненного кольца, второй по величине и сейсмической активности пояс проходит по суше, пересекая Евразию. Он возник в результате масштабного столкновения континентов — на огромную Евразийскую плиту с большой силой давят Африканская, Индостанская и Аравийская плиты. Следствием этого процесса является образование многочисленных горных массивов, а потому сейсмический пояс также называют Альпийско-Гималайским. Его протяженность составляет порядка 15 000 километров. Захватывая североафриканские горы Атлас, пояс проходит через Андалусские горы и Пиренеи, углубляясь в Альпы. Далее границы проходят по восточноевропейским Карпатам, Крымским горам, захватывают Анатолийское нагорье и переходят на Кавказ. Пересекая горные системы Центральной Азии, пояс достигает величественных Гималаев, а затем и Юго-Восточной Азии, где сливается с Тихоокеанским огненным кольцом.

Последствия землетрясений для природы

Думая о последствиях землетрясений, мы чаще всего представляем разрушенные города: обрушившиеся здания, треснувшие автострады… Однако природа также испытывает на себе их колоссальную силу. Как мы уже знаем, наиболее интенсивные землетрясения способны значительно менять очертания ландшафта. Масштабные сдвиги пород происходят как по горизонтали, так и по вертикали, из-за чего в земной коре образуются трещины и провалы. Горизонтальные сдвиги до неузнаваемости преображают русла рек и «ломают» лесные просеки, тогда как вертикальные приводят к образованию крутых скальных уступов и появлению новых низменностей, которые вскоре начинают затапливаться. В результате значительный ущерб получают многие природные среды.

• Флора и фауна. Многие живые организмы гибнут почти мгновенно, так как оползни и камнепады погребают под собой целые лесные массивы. В результате оказываются нарушены пищевые цепочки — травоядные животные лишаются кормовой базы, что, в свою очередь, ведет к сокращению популяций хищников. Кроме того, животные, как и люди, могут впадать в панику. Многие виды способны улавливать инфра- и ультразвуковые колебания, а также изменения электромагнитного поля, возникающие при тектонических сдвигах. Не в силах справиться со стрессом, они покидают насиженные места, оставляя потомство на произвол судьбы.
• Почва. Сильные вибрации провоцируют сжижение грунта — водонасыщенные песок и глина преобразуются в вязкую массу, которая поглощает плодородные слои почвы. Значительный ущерб наносят и глубинные бесплодные породы, которые поднимаются на поверхность и провоцируют перемешивание почвенных слоев. Также землетрясения способствуют сдвигу водоносных горизонтов, из-за чего одни места начинают пересыхать, а другие превращаются в болота.

• Атмосфера. Через большие разломы из недр Земли вырываются колоссальные объемы метана и углекислого газа, усиливающих парниковый эффект, а также сероводород, локальные повышенные концентрации которого поражают нервную систему животных, вызывают кислотные дожди и ухудшают общую экологическую обстановку. Резкий выход горючих газов в эпицентре землетрясения может провоцировать масштабные лесные пожары.

Последствия землетрясений для человека 

История показывает, что наибольшую опасность для человечества представляют не сами землетрясения, а вызванные ими повреждения инфраструктуры. Люди погибают и получают травмы вследствие обрушения зданий, разрушения газопроводов и плотин, а также сильных пожаров. 

Одним из самых опасных для жизни вторичных факторов землетрясений являются волны цунами. Тектоника плит в океанах приводит к вертикальному смещению земной коры. Этот сдвиг, в свою очередь, толкает всю массу воды, и на ее поверхности образуются гигантские волны. В открытом океане они двигаются с огромной скоростью, из-за чего растягиваются в длину на километры, тогда как их высота обычно не превышает даже 1 метра. Но на мелководье их скорость падает, длина стремительно сокращается, а высота может достигать 30 – 40, а в редких случаях и более 100 метров.

Чтобы понять, с какими последствиями приходится сталкиваться людям, живущим в сейсмоопасных зонах, вспомним некоторые особенно разрушительные землетрясения за последние сто лет.

• Курильские острова, 1952 год — магнитуда 9; интенсивность 11 – 12 баллов. Несмотря на колоссальную силу, само землетрясение не вызвало каких-либо массовых разрушений, так как его гипоцентр находился на глубине около 25 километров под морским дном. Однако резкое смещение тектонических плит спровоцировало формирование цунами. Гигантские волны достигли побережья Курильских островов и Камчатки, а наиболее разрушительные последствия ощутил на себе город Северо-Курильск. Одна из волн, высота которой составила более 15 метров, сокрушала практически все на своем пути, превращая дальневосточный город в руины. По современным оценкам, количество жертв той трагедии могло достичь 15 000 человек. После цунами Северо-Курильск был отстроен заново на высоте не менее 30 метров над уровнем моря.
• Чили, 1960 год — магнитуда 9,5; интенсивность 11 – 12 баллов. Великое Чилийское землетрясение имело рекордную силу за всю историю инструментальных наблюдений. Его эпицентр находился в Тихом океане, вблизи города Вальдивия. Разрыв земной коры в гипоцентре имел длину порядка 1 000 километров, что спровоцировало сильнейшие подземные толчки, продолжавшиеся в течение 10 минут. Волны цунами высотой до 25 метров обрушились на прибрежные поселения Чили, а также достигли Гавайев, Японии и Филиппин. 
• Индонезия, 2004 год — магнитуда 9,2; интенсивность 9 – 12 баллов. В Индийском океане, к западу от индонезийского острова Суматра, произошло самое смертоносное в современной истории землетрясение. Пласт коры длиной порядка 1 400 километров сместился сразу на 15 метров, что привело к выделению энергии, примерно эквивалентной одновременному взрыву более 12 самых мощных термоядерных бомб. Образовавшиеся волны цунами ударили по Индонезии, Таиланду, Шри-Ланке и Индии. За несколько часов они пересекли океан и достигли восточного побережья Африки, затронув такие страны, как Сомали, Кения, Танзания, Мадагаскар и ЮАР. Общее количество погибших, по разным оценкам, составило от 230 000 до 280 000 человек, более миллиона людей лишились домов и средств к существованию.
• Япония, 2011 год — магнитуда 9,1; интенсивность 9 – 12 баллов. Великое Восточно-Японское землетрясение осталось в истории не только из-за своих разрушительных последствий, но и потому, что стало причиной крупнейшей со времен Чернобыльской катастрофы ядерной аварии. Эпицентр землетрясения находился в Тихом океане, в 70 километрах от японского полуострова Осика в префектуре Мияги. Как и в предыдущих случаях, главной причиной разрушений стали не сами толчки, а цунами, затапливавшие сушу на расстояние до 10 километров вглубь. Одна из волн затопила дизельные генераторы на атомной электростанции «Фукусима-1». Из-за отказа системы охлаждения произошли взрывы в зданиях трех энергоблоков, что привело к выбросу радиации в атмосферу и океан. Землетрясение унесло жизни 20 000 человек, почти полмиллиона человек лишились крова, многие были вынуждены покинуть зону отчуждения авариной АЭС. 

Важно отметить, что мощные землетрясения далеко не всегда приводят к разрушительным и смертоносным последствиям. Рассмотрим 3 случая, когда, по разным причинам, колоссальная подземная энергия не стала причиной катастрофы.

• Канада, 2012 год — магнитуда 7,7. Почти всю силу землетрясения и последовавшего за ним цунами, произошедшего в Тихом океане, приняли на себя западные, практически необитаемые берега канадского архипелага Хайда-Гуай. При этом в восточной заселенной части островов немногочисленная инфраструктура выдержала удар стихии.
• Россия, Охотское море, 2013 год — магнитуда 8,3. Очаг землетрясения находился на глубине более 600 километров. Хотя подземные толчки фиксировались почти по всей Евразии, в том числе Москве, из-за удаленности гипоцентра они не привели к повреждениям инфраструктуры.
• Япония, 2021 год — магнитуда 7,2. Эпицентр землетрясения находился в непосредственной близости от побережья префектуры Мияги. Благодаря системе мгновенного реагирования в зоне сильных толчков были остановлены поезда и отключена подача электроэнергии. Здания, построенные по самым строгим мировым стандартам сейсмоизоляции, не получили даже минимальных повреждений.

Прогнозирование и мониторинг землетрясений

К сожалению, точное прогнозирование землетрясений все еще остается недосягаемой мечтой человечества. Конечно, ученым хорошо известны границы взаимодействующих литосферных плит, по которым определяются сейсмоопасные регионы. Но точно сказать, в каком месте и в какое время произойдет землетрясение, на текущем этапе развития технологий не представляется возможным. В краткосрочной перспективе предвестниками крупных землетрясений являются форшоки, однако отличить их от обычных слабых толчков можно лишь постфактум, когда катастрофа уже произошла. Такие события, как выброс газов через микротрещины, изменения уровня грунтовых вод и странное поведение животных, могут свидетельствовать о скором землетрясении, но не являются его универсальными индикаторами.

Тем не менее, ученые могут делать среднесрочные прогнозы, сужая возможные окна землетрясений до нескольких лет или месяцев. Перед крупными событиями в зоне разлома повышается микросейсмический фон — частота слабых вибраций. Также об относительно скором землетрясении могут свидетельствовать геофизические данные, например, изменение скорости прохождения сейсмических волн от удаленных источников или появление аномальных ультранизкочастотных электромагнитных всплесков. Среднесрочные прогнозы дают возможности для заблаговременной мобилизации экстренных служб, укрепления критически важных объектов и проверки актуальности планов эвакуации населения.

В мониторинге землетрясений за последние десятилетия наука продвинулась впечатляюще далеко. По всему миру установлены десятки тысяч сейсмографов, объединенных в глобальные сети, например, сеть Единой геофизической службы Российской академии наук или японская «Hi-net». Анализ данных позволяет определять гипоцентры, эпицентры и магнитуды с минимальными погрешностями. Кроме того, в мониторинге часто используются акселерометры — устройства, измеряющие силу сотрясений и ускорение грунта в непосредственной близости от эпицентров землетрясений. Акселерометры позволяют точнее определять интенсивность землетрясений, а также являются частью систем раннего предупреждения, фиксируя самые первые незначительные колебания.

Защита от землетрясений и сейсмостойкое строительство

Тому, чтобы здания сохраняли свою целостность под воздействием мощных подземных толчков, посвящен целый раздел науки — инженерная сейсмология. Поговорим об основных инженерных методах, которые широко применяются на практике.

• Сейсмическая изоляция. Специалисты разрывают жесткую связь между подземной частью здания и грунтом, устанавливая между ними специальные сейсмические подушки. Когда породы приходят в движение, подушка гибко деформируется или проскальзывает, благодаря чему здание движется медленно и плавно, не входя в резонанс с колебаниями грунта.
• Демпфирование. Демпферы — это тип устройств, которые отвечают за рассеивание и гашение энергии. Например, по принципу автомобильных амортизаторов работают цилиндры с вязкой жидкостью, внутри которых движутся поршни с отверстиями. При резких толчках поршни с трудом продавливают жидкость, и кинетическая энергия землетрясения преобразуется в тепловую. Демпферы, как правило, устанавливают в ключевые узлы конструкции: крестовые опоры, стыки между колоннами и балками и внутри фундаментного комплекса совместно с подушками.
• Динамическое гашение колебаний. Метод, весьма распространенный при строительстве небоскребов, основан на принципе маятника. Когда здание начинает раскачиваться в одну сторону, это фиксируют специальные датчики, и грузы внутри него смещаются в противоположную сторону, стабилизируя положение. Энергия этого противодействия гасится с помощью все тех же демпферов, работающих в связке с подвешенными грузами.

Землетрясение в вопросах и ответах

1. Что такое землетрясение простыми словами?

Землетрясение — это серия подземных толчков, вызывающих колебания на поверхности.

2. Почему происходят землетрясения?

Большинство землетрясений происходит из-за движения литосферных плит и взаимодействий на их границах. Также они могут происходить из-за вулканической активности, подземных обвалов и деятельности человека.

3. Где чаще всего возникают землетрясения?

Почти все землетрясения происходят в двух обширных сейсмических поясах: Тихоокеанском и Средиземноморско-Трансазиатском.

4. Чем отличается магнитуда от интенсивности землетрясения?

Магнитуда показывает количество энергии, выделенной в очаге землетрясения, а интенсивность отражает его проявления на поверхности.

5. Какие бывают виды землетрясений?

Землетрясения бывают тектоническими, вулканическими, обвальными и техногенными.

6. Что такое очаг и эпицентр землетрясения?

Очаг землетрясения — это область под землей, где произошел выплеск энергии. Эпицентр представляет собой проекцию очага на поверхность.

7. Как распространяются сейсмические волны?

Сейсмические волны распространяются во все стороны вокруг очага. Выделяют объемные волны, идущие сквозь толщу Земли, и поверхностные, распространяющиеся по ее поверхности.

8. Можно ли предсказать землетрясение заранее?

Точно предсказать день землетрясения невозможно, однако ученые делают среднесрочные прогнозы, в ряде случаев сужая возможные периоды до нескольких месяцев.

9. Какие землетрясения считаются самыми сильными?

Самыми сильными считаются землетрясения с магнитудой выше 9, очаг которых расположен относительно неглубоко под поверхностью Земли.

10. Почему после землетрясения бывают афтершоки?

Афтершоки, или повторные толчки, происходят из-за того, что земная кора в месте удара адаптируется к изменениям и породы стабилизируют свое положение, выделяя остаточную энергию.

11. Как землетрясения связаны с вулканами?

По мере продвижения к жерлу вулкана магма разрушает окружающие породы, провоцируя локальные вулканические землетрясения.

12. Чем опасны подземные толчки для городов?

Подземные толчки, а также вызванные ими волны цунами, приводят к разрушению зданий, наземной и подземной инфраструктуры, провоцируют пожары и провалы грунта.

13. Как люди защищаются от землетрясений?

В сейсмоопасных зонах строго соблюдаются принципы сейсмостойкого строительства, защищающие здания от разрушительных последствий. Кроме того, работают системы раннего оповещения, фиксирующие самые первые толчки и сигнализирующие о необходимости срочной эвакуации.

14. Что делать человеку во время землетрясения?

Если человек находится внутри здания, ему необходимо переместиться в наиболее защищенное место вблизи капитальных стен. Бежать к лестнице или лифту крайне рискованно, так как они обычно рушатся первыми. На улице необходимо выбрать максимально открытое место, вдали от домов, деревьев, столбов и линий электропередач.

15. Может ли землетрясение вызвать цунами?

Да, при сильных землетрясениях в океане возникают гигантские волны цунами, которые на огромной скорости движутся на сушу.

***

Землетрясения постоянно напоминают о том, что наш космический дом представляет собой сложную динамичную систему. Землетрясения — это необходимая «плата» за то, что литосферные плиты движутся, и Земля поддерживает свою геологическую активность, формируя континенты и океаны. Человечество проделало огромный путь от мистического страха перед подземными богами до высокоточного анализа толчков и строительства сейсмостойких высотных зданий. И пусть пока ученые не могут назвать точную минуту следующего землетрясения, с каждым десятилетием мы получаем все более надежные способы защиты от стихии.

Автор текста Иван Стефанов

Изображение на обложке: разработано Magnific