Еще не так давно было широко распространено мнение, что причины землетрясений всегда будут скрыты во мраке неизвестности, поскольку они возникают на глубинах, слишком далеких от сферы человеческих наблюдений. Долгое время господствовал взгляд, что землетрясения приходят как наказание за человеческие грехи. В стихотворении, написанном неизвестным автором примерно в 1750 г. и озаглавленном «Землетрясение», эта идея выражена следующим образом:
Чья мощна длань в безумной злобе
Так-раз за разом-нас трясет?
Иль воет пар в земной утробе?
Иль царь морской трезубцем в берег бьет?
Ах, нет! То нечестивцев рать
Земля терпеть уже не в силах.
Спешит злодеев покарать
И вся дрожит, готовя им могилу.
Сегодня мы можем объяснить природу землетрясений и большую часть их видимых свойств с позиций физической теории. Согласно современным взглядам, землетрясения отражают процесс постоянного геологического преобразования нашей планеты. Рассмотрим теперь принятую в наше время теорию происхождения землетрясений и то, как она помогает нам глубже понять их природу и даже предсказывать их.
Первый шаг к восприятию новых взглядов заключается в признании тесной связи в расположении тех районов земного шара, которые наиболее подвержены землетрясениям (они показаны на рис. 1 гл. 1), и геологически новых и активных областей Земли (см. рис. 4 гл. 1). Большинство землетрясений возникает на окраинах плит: поэтому мы делаем вывод, что те же глобальные
геологические, или тектонические, силы, которые создают горы, рифтовые долины, срединно-океанические хребты и глубоководные желоба, те же самые силы представляют собой и первичную причину сильнейших землетрясений. Природа этих глобальных сил в настоящее время еще не совсем ясна, но несомненно, что их появление обусловлено температурными не-однородностями в теле Земли-неоднородностями, возникающими благодаря потере тепла путем излучения в окружающее пространство, с одной стороны, и благодаря добавлению тепла от распада радиоактивных элементов, содержащихся в горных породах,-с другой. Мы отмечали уже в гл. 3, что появление свежих трещин на поверхности часто связано с землетрясениями. Обращает на себя внимание тот факт, что большинство самых разрушительных землетрясений-таких как Сан-Францисское 1906 г., Японское (Мино-Овари) 1891 г. и Гватемальское 1976 г.-возникло в результате вспарывания крупных разломов, выходящих на поверхность.
Полезно ввести классификацию землетрясений по способу их образования. Больше всех распространены тектонические землетрясения. Они возникают, когда в горных породах под действием тех или иных геологических сил происходит разрыв. Тектонические землетрясения имеют важное научное значение для познания недр Земли и громадное практическое значение для человеческого общества, поскольку они представляют собой самое опасное природное явление. Поэтому в данной книге мы касаемся преимущественно этого типа землетрясений.
Однако землетрясения возникают и от других причин. Подземные толчки другого типа сопровождают вулканические извержения. И в наше время многие люди все еще считают, что землетрясения связаны главным образом с вулканической деятельностью. Эта идея восходит к древнегреческим философам, которые обратили внимание на широкое распространение землетрясений и вулканов во многих районах Средиземноморья. Сегодня мы также выделяем вулканические землетрясения-те, которые происходят в сочетании с вулканической деятельностью, но считаем, что как извержения вулканов, так и землетрясения являются результатом действия тектонических сил на горные породы, и они не обязательно возникают вместе. Сам механизм образования сейсмических волн при вулканических землетрясениях, вероятно, тот же, что и при тектонических. Этот интересный тип землетрясений мы рассмотрим подробнее в следующей главе.
Третью категорию образуют обвальные землетрясения. Это небольшие землетрясения, возникающие в районах, где есть подземные пустоты и горные выработки. Непосредственная причина колебаний грунта заключается при этом в обрушении кровли шахты или пещеры. Часто наблюдаемая разновидность этого явления-так называемые «горные удары». Они случаются, когда напряжения, возникающие вокруг горной выработки, заставляют большие массы горных пород резко, со взрывом, отделяться от ее забоя, возбуждая сейсмические волны. Горные удары наблюдались, например, в Канаде; особенно часто они отмечаются в Южной Африке.
Большой интерес вызывает разновидность обвальных землетрясений, возникающих иногда при развитии крупных оползней. Например, в результате гигантского оползня, образовавшегося 25 апреля 1974 г. на реке Мантаро в Перу, возникли сейсмические волны, эквивалентные землетрясению умеренной силы*). Оползень имел объем 1,6 млрд. м^ и был виновником гибели около 450 человек. Насколько нам известно, он не был спровоцирован каким-либо местным тектоническим землетрясением, что, конечно, бывает часто. Некоторая часть гравитационной энергии, выделившейся при быстром оползании почвенного слоя и коренных пород, перешла в сейсмические волны, которые четко записались сейсмографами на расстоянии сотен километров. Продолжительность колебаний, зарегистрированных одним сейсмографом на расстоянии 80 км, составила 3 мин; это соответствует действительному перемещению оползня на 7 км при скорости порядка 140 км/ч. Одна из сейсмограмм этого землетрясения, записанная на сейсмической станции Нана в Перу, воспроизведена на рис. 1.
Подобный же случай произошел в результате величайшего в истории оползня, который возник у селения Усой в горах Памира в 1911 г. Князь Б. Б. Голицын, один из основоположников современной сейсмологии, записал своими сейсмографами, установленными недалеко от Санкт-Петербурга, сейсмические волны, которые пришли, по-видимому, из района этого оползня. Он сопоставил энергию сейсмических волн с энергией оползня и заключил, что оползень**) мог быть вызван землетрясением. Более поздние расчеты породили некоторые сомнения в этом выводе, но в конце концов они привели к разработке методики вычисления по сейсмограммам энергии, высвобождающейся при землетрясении. Только в 1915 г. экспедиция, посланная для исследования Усойского оползня, установила, что объем захваченного оползнем материала составил 2,5 км3.
Последний тип землетрясений-это искусственные, производимые человеком взрывные землетрясения, возникающие при
обычных или ядерных взрывах. Подземные ядерные взрывы, производившиеся в течение последних десятилетий на ряде испытательных полигонов в разных местах земного шара, вызвали довольно значительные землетрясения. Когда в скважине глубоко под землей взрывается ядерное устройство, высвобождается огромное количество ядерной энергии. За миллионные доли секунды давление там подскакивает до величин, в тысячи раз превышающих атмосферное давление, а температура увеличивается в этом месте на миллионы градусов. Окружающие породы испаряются, образуя сферическую полость диаметром во много метров. Полость разрастается, пока кипящая порода испаряется с ее поверхности, а породы вокруг полости под действием ударной волны пронизываются мельчайшими трещинами.
За пределами этой трещиноватой зоны, размеры которой измеряются иногда сотнями метров, сжатие в горных породах приводит к возникновению сейсмических волн, распространяющихся во всех направлениях. Когда первая сейсмическая волна сжатия достигает поверхности, грунт выгибается вверх и, если энергия волны достаточно велика, может произойти выброс поверхностных и коренных пород в воздух с образованием воронки. Если скважина глубокая, то поверхность только слегка растрескается и порода на мгновение поднимется, чтобы затем снова рухнуть на подстилающие слои.
Некоторые подземные ядерные взрывы были настолько сильны, что распространившиеся от них сейсмические волны прошли через внутренние области Земли и были записаны на дальних сейсмических станциях с амплитудой, эквивалентной волнам землетрясений с магнитудой 7 по шкале Рихтера. В некоторых случаях эти волны поколебали здания в отдаленных городах. Один из достопамятных примеров-ядерное испытание под названием «Бокскар» на испытательном полигоне в штате Невада 26 апреля 1968 г.*) Перед этим испытанием в Лас-Вегасе широко высказывались опасения-в частности местным мультимиллионером и владельцем огромной недвижимой собственности Говардом Хьюзом,-что такой взрыв может вызвать разрушение построек и даже гибель людей. Тем не менее испытание было проведено, и жители в окрестных городах ощутили колебания, которые в Лас-Вегасе, на расстоянии 50 км, длились 10-12 секунд. К счастью, существенных разрушений не было.