Мы уже писали о том, как защитить себя при землетрясениях. Но почему они происходят и можно ли их предсказать? Об этом нам расскажет ведущий научный сотрудник Института Геологии и Сейсмологии АН РМ, кандидат физико-математических наук Рашид Зетович Буртиев.
Почему возникают землетрясения
Часто строение Земли сравнивают со строением сваренного всмятку яйца. Скорлупа — ее литосфера, это жесткий наружный слой Земли толщиной около 70 км. Белок соответствует силикатной оболочке Земли — называемая мантией, а жидкий желток подобен ядру Земли. Но оболочки сваренного яйца статичны (неподвижны), а Земли — динамичны, находятся в постоянном движении. Течения в ядре Земли создают геомагнитное поле, медленное течение в верхней мантии создает напряжения в литосфере. При разрядке напряжений и происходят землетрясения.
Ежегодно на Земле происходит около миллиона землетрясений, но большинство из них так незначительны, что они остаются незамеченными. Лишь около 800 сейсмических событий имеют магнитуду 5-7. Хотя бы раз в год регистрируется землетрясение с магнитудой более 8. Есть разные типы землетрясений, но самыми сильными и разрушительными являются тектонические землетрясения.
С начала формирования Земли в ней происходил распад радиоактивных элементов, что увеличивало запас тепла в ее недрах. Внутри нее непрерывно образуется тепло, переносится к поверхности и излучается в космос. Перенос тепла вызывает ответное перемещение мантии. Горячее вещество из глубины мантии поднимается, охлаждается, а затем вновь погружается, замещаясь новым горячим веществом, т.е. происходит конвекция, вещество переносится и циркулирует подобно конвееру. В результате различные участки земной поверхности испытывают разное давление. Напряжения в земной коре возникают вследствие сложных перемещений вещества мантии и вследствие сжатия или расширения его объема. Напряжения могут возникнуть и от неравномерного разогрева вещества внутренним теплом Земли, вследствие чего кора раскалывается, образуются плиты, когда в ней возникают напряжения. Наверху астеносферы плавают породы, составляющие твердую поверхность Земли, тектонические плиты. Толщина этих плит примерно 10–120 км, и они перемещаются по поверхности частично расплавленной мантии подобно ледяному покрову Северного Ледовитого Океана. Материки, состоящие из относительно легких пород, образуют самый верхний слой плит. Более легкие горные породы стремятся подняться вверх, а более тяжелые — опуститься вниз. На их перемещение влияют силы тяготения Луны и Солнца.Со временем процессы, происходящие внутри Земли, сдвигают плиты, вызывая их столкновение и растрескивание, вплоть до образования новых плит или исчезновения старых.
Из-за медленного, но непрерывного перемещения плит поверхность планеты находится в динамике, постоянно меняясь. Таким образом, одни плиты двигаются навстречу друг другу, другие плиты расходятся в стороны, третьи скользят друг относительно друга в противоположных направлениях.
Горные породы обладают определенной эластичностью, а в местах тектонических разломов — границ плит, где действуют силы сжатия или растяжения, постепенно могут накапливать тектонические напряжения. Напряжение внутри земной коры растет до тех пор, пока не превысит предел прочности самих пород. Тогда пласты горных пород разрушаются и резко смещаясь излучают сейсмические волны. Такое резкое смещение пород называется подвижкой. Землетрясения возникают не только в местах разломов — границ плит, но и в центре плит, в местах горообразования при выгибании пластов вверх в виде свода. При землетрясении частицы грунта начинают колебаться, они толкают, колеблют соседние частицы, которые передают колебания еще дальше в виде упругой волны и возникают сейсмические волны. Вблизи очагов сильных землетрясений сейсмические волны обладают разрушительной силой, на большом удалении от очагов их интенсивность уменьшается вследствие затухания.
Твердые вещества с течением времени медленно деформируются, хотя на протяжении человеческой жизни они выглядят абсолютно твердыми и неподвижными. Например, в средневековых церквях оконные стекла внизу толще, чем наверху, потому что в течение многих веков стекло стекало вниз под действием силы тяжести. То же самое за сотни миллионов может произойти с твердыми горными породами.
Движение слоев происходит не только в результате физико-механических процессов, но и в связи с физико-химическими условиями среды. Однако, конвекция в астеносфере — главная причина движения плит, его движущая сила. Именно с астеносферой связаны тектонические движения — смятие в складки осадочных пород, разломы и трещины, подъем горных пород и отдельных глыб, извержение вулканов. На тектонические движения влияет и сила тяжести.
Задача сейсмологии
Сейсмология возникла в связи с необходимостью объяснения причин разрушительных землетрясений и развитием способов строительства сейсмостойких зданий. Основной задачей сейсмологии является предсказания места, силы и времени возникновения землетрясений. Задача ещё не решена, так как отсутствуют данные о процессах, на больших глубинах Земли приводящих к землетрясениям. Работы в этом направлении связаны с поиском предвестников землетрясений.
Очаг Вранча
Территория Республики Молдова находится в радиусе воздействия землетрясений Карпатской зоны, главным поставщиком землетрясений которой, является очаг Вранча. Вранчские землетрясения способны вызвать на территории Молдовы сейсмические сотрясения до 8 баллов (по шкале MSK-64). Массив Вранча — отколовшаяся плита восточно-европейской платформы. Гидростатические силы способствуют погружению плиты, а вязкость и силы трения препятствуют. На промежуточных глубинах возникают напряжения, что в конечном итоге вызывает землетрясения.
Тектонические движения в Карпатах еще продолжаются. Об этом свидетельствуют геодезические наблюдения — горные Карпаты продолжают подниматься и сдвигаются на северо-восток со скоростью нескольких сантиметров в год. Об активных процессах в верхней мантии Земли под Карпатами свидетельствуют последние землетрясения, которые произошли 1977, 1986, 1990 годы в горах Вранча.
Иногда, у некоторых людей возникают подозрения о руке служб каких-то стран в возникновении землетрясений. Самым большим взрывом в истории был взрыв водородной бомбы «Царь бомба» осуществленный Советским Союзом в октябре 1961. Мощность взрыва составила 50 000000 тонн в тротиловом эквиваленте, и вызвал землетрясение интенсивности 7.1 по шкале Рихтера. Для сравнения, магнитуда землетрясения 1977 г. составляет 7.2, а землетрясение 1986 г. 7.0 по шкале Рихтера. Т.е. для того, чтобы вызвать землетрясение, подобное в Нефтегорске, на Гаити и в Спитаке нужно было бы взорвать бомбу по мощности равную «Царь бомбе».
Определение силы землетрясения
Существуют разные варианты сейсмической шкалы. 12-ти ступенчатая европейская макросейсмическая шкала (EMS-92), является основной шкалой для оценки сейсмической интенсивности в европейских странах, также используется в ряде стран за пределами Европы.
Невозможно сравнивать землетрясения по силе, зная только интенсивность сотрясений. Эпицентр может находиться в недоступной местности, где невозможна прямая оценка макросейсмической интенсивности по степени воздействия на строения. С целью объективного инструментального измерения размеров землетрясения Рихтером (1935) было введено понятие магнитуды, в противоположность сейсмической интенсивности I. Магнитуда (М) использует инструментальные измерения движения почвы, нормированные по расстоянию и глубине источника. Магнитуда землетрясений обычно определяется по шкале, основанной на записях сейсмографов. Эта шкала известна под названием шкалы магнитуд, или шкалы Рихтера.
Обычно в СМИ появляются сообщения следующего содержания: «Случилось землетрясение с силой 7 баллов по шкале Рихтера», которое ни о чем не говорит, т.к. при магнитуде 7 по шкале Рихтера интенсивность землетрясения на поверхности, если очаг неглубокий, может составить X баллов. Если же очаг расположен на достаточной глубине, то при такой магнитуде 7 интенсивность на поверхности может составить VIII баллов. Чтобы лучше ориентироваться в газетных и телевизионных сообщениях о произошедших землетрясениях, можно воспользоваться следующей таблицей Н.В. Шебалина.
Прогноз
Прогноз землетрясений во времени состоит из четырех частей: долгосрочный прогноз (от десяти и до нескольких десятков лет), среднесрочный (от 1 года до 10 лет) и краткосрочный (от дня до года) и оперативный (на часы — минуты).
Для повышения точности прогноза землетрясений необходимо лучше представлять механизмы накопления напряжений в земной коре, крипа (плавное перемещение) и деформаций на разломах, выявить зависимость между тепловым потоком из недр Земли и пространственным распределением землетрясений, а также установить закономерности повторяемости землетрясений в зависимости от их магнитуды. Во многих районах земного шара, где существует вероятность возникновения сильных землетрясений, ведутся геодинамические наблюдения с целью обнаружения предвестников землетрясений, особенно над изменением сейсмической активности, деформации земной коры, аномалии геомагнитных полей и теплового потока. Изменения свойств горных пород (электрических, сейсмических и т.п.), геохимические аномалии, нарушения водного режима, атмосферные явления, а также аномальное поведение насекомых и других животных (биологические предвестники) также являются предвестниками.
Накопление громадных запасов энергии в очаге будущего землетрясения не может не сказаться на структуре основных физических по¬лей вблизи очага. Существует гипотеза, что при возникновении трещин и разломов в земной коре излучаются электромагнитные волны, которые могут быть предвестниками землетрясений. Высокочастотные возмущения электрического поля могут быть связаны с пьезоэлектрическим эффектом и процессами образования трещин. В некоторых случаях, аномальные возмущения наблюдались примерно за 1 час до землетрясения. Перед сильными землетрясениями, на огромных расстояниях от землетрясений (от 1000 км до 10000 км), наблюдались изменения гравитационного поля Земли.
Наблюдения за поведением животных перед землетрясением может отражать их обеспокоенность изменениями геомагнитных полей, которые происходят незадолго до самого землетрясения. Исследования показывают, что многие животные имеют на своем теле рецепторы, которые реагируют на изменения геомагнитной обстановки. Пчелы, домашние голуби, многие рыбы и киты имеют в своем головном мозге магнетит. Наличие магнетита в надбровной части человеческого лица и позвоночнике тоже связано с нашей чувствительностью к геомагнитным воздействиям. Установлено, что незадолго до землетрясения в разных местах над очагом землетрясения выходят аэрозоли из земли, на которые реагируют некоторые виды животных.
В начале февраля 1975 на северо-востоке Китая был замечен, выполз на снег змей, черепах и неадекватное поведение животных. Было объявлено предупреждение о грядущем землетрясении, которое действительно случилось через пять часов после объявления тревоги. Это случай остается единственным в истории, предсказанный с такой точностью.
В настоящее время, насчитывается около 600 предвестников землетрясения: геофизические и биологические. Биологические предвестники — это аномальное поведение биологических объектов в преддверии сильного землетрясения. Геофизические предвестники разбиваются на электрические, магнитные, сейсмологические и т.д. Наиболее наблюдаемы — это сейсмологические предвестники. Для качественного предсказания землетрясений, должна быть устойчивая связь между наблюдением предвестников и возникновением сейсмических процессов.
Связь между этими процессами имеет четыре формы:
- Закона, если зависимость установившаяся, неотвратимая, однозначная и появление сейсмического события повторяется каждый раз, когда наблюдаются предвестники.
- Статистического закона, когда сейсмическое событие может случиться, может, и нет, хотя предвестники наблюдаются. Однако относительная частота возникновения землетрясений при достаточно продолжительном периоде наблюдений остается постоянной.
- Теории или принципа, когда нет определенной закономерности в появлении предвестников и землетрясений.
- Гипотезы, когда нет достаточно оснований для теории, то для объяснения феномена возникновения землетрясений выдвигается гипотеза.
Таким образом, в обозримом будущем на вопрос: «Можно ли предсказать землетрясение ответом будет: «Теоретически да». Прогноз землетрясений — вопрос престижа, но для стратегии сейсмостойкого строительства ничего не значит. Связанная с сообщением о предстоящем землетрясении паника нанесет больше вреда, чем само землетрясение. Нужно строить здания, которые смогут выстоять при сейсмических толчках, научить людей разумному поведению при возникновении землетрясений. Здания различаются по расчетным срокам эксплуатации.
Проблема долгосрочного прогноза решается в рамках задач сейсмического районирования (глобальная сейсмичность). Опыт сейсмического районирования показывает, что прогноз места, времени и силы толчка с точностью, представляющей практический интерес (десятки и сотни лет) для сейсмостойкого строительства, принципиально возможен.
Современная теория возникновения землетрясений базируется на косвенных данных, в основном на наблюдениях за сейсмическими волнами. Здесь можно применить системный подход. В нашем случае, система это множество объектов, которыми являются аномалии физических полей Земли, геофизических процессов, предвестников и связей между объектами. Для поиска связей между внутренними объектами системы решаются прямые и обратные задачи геофизики. Внешними объектами системы являются Луна, Солнце и другие космические тела. Необходимо исследовать связь между внешними и внутренними объектами системы. Показано, что между сейсмической активностью и числом солнечных пятен существует статистически значимая связь. Существующие модели являются обобщением, на современном уровне развития наук о Земле. По мере развития наук модели будут усовершенствоваться и возможно появится «Расписание землетрясений», однако в обозримом будущем нет.
В последнее время наблюдается объединение усилий европейских стран по уменьшению сейсмического риска. Предполагается обмен опытом работы спасательных служб, информацией о сейсмических событиях и организация системы раннего предупреждения. Сейсмические волны двигаются по земле со скоростью звука, или около 6-8 километров в секунду. Поэтому система успеет сообщить о землетрясении, если объект, город будет находиться на достаточном удалении от очага. Тогда в распоряжении соответствующих служб будет десятки секунд, чтобы обезопасить работу стратегически важных объектов, например атомных электростанций, водохранилищ, подготовить резервные энергетические системы, притормозить движение поездов и т.д. Расстояние от очага Вранча до Кишинева составляет около 200 км., которое продольные волны покрывают за 35-40 сек. Таким образом, по радиосигналу весть о надвигающихся сейсмических толчках может поступить в Кишинев, теоретически, на 35-40 секунд раньше прихода сейсмических волн.
Сейсмическую опасность уменьшить невозможно, можно уменьшить сейсмический риск до приемлемого уровня, снабжая инженеров-строителей, проектировщиков, спасательные службы и других специалистов, принимающих решения, достаточной для этого информацией. Приемлемый сейсмический риск — это некоторый компромисс между уровнем сейсмической безопасности и способностью общества ее обеспечения в данный момент времени.