Текст книги "Землетрясения"
Автор книги: Пьер Руссо
сообщить о нарушении
Текущая страница: 10 (всего у книги 16 страниц)
Итак, мы еще не получили ответа па вопрос, «чем же вызываются катастрофические землетрясения, если ни геологические явления, ни извержения не могут быть их причиной». Какие же титанические силы в состоянии вызвать сотрясение на площади в сотни тысяч квадратных километров, как это наблюдалось В Китае в 1920 году, или вызвать возмущение земной поверхности на полосе протяженностью более чем на 1000 километров, как это произошло в Чили в 1960 году?
На какой глубине зарождаются землетрясения
Одно место в предыдущем разделе могло вызвать удивление читателя. Отмечая, что теория обвальных землетрясений годится лишь для объяснения самых поверхностных возмущений, мы привели в качестве примера Тюрингию, где очаг землетрясения находился на глубине 5 километров.
«Как же, – воскликнет читатель, – можно считать глубину 5 километров незначительной? Разве она не того же порядка, что глубина французских нефтяных скважин?»
Да, эта глубина кажется нам значительной, хотя в бурении уже достигнут рекорд, превышающий 7 километров. Но подумайте, насколько такая глубина ничтожна по сравнению с радиусом Земли!
Глубина 5 километров означает, что сейсмический очаг находится в самых поверхностных слоях земной коры, толщина которой приближается к 30 километрам.
Почти то же самое происходит и при землетрясении вулканического происхождения.
Геотермическая ступень[43]43
Известно, что температура под землей повышается примерно на 1 градус с увеличением глубины на 32 метра.
[Закрыть] позволяет подсчитать, что глубина, на которой находится жидкая лава, составляет примерно 40 километров. По всей вероятности, именно на этом уровне расположены резервуары, питающие вулканы, а следовательно, и очаги вулканических землетрясений. «Многие толчки, – заявляет американский сейсмолог Маселуэйн, – исходят из какой-нибудь точки горного массива, возвышающегося над окружающей местностью».
Из этого мы делаем вывод: если бы все землетрясения были геологического или вулканического происхождения, то их очаги находились бы на глубине, не превышающей 40 километров.
Ниже мы покажем, как определяют глубину очага землетрясения. Между тем первые исследователи, научившиеся подсчитывать эту глубину в 1922 году, в том числе англичанин Тернер, были очень удивлены: вместо того чтобы получить величины, близкие к 40 километрам, они убедились, что на самом деле очаги размещаются на любой глубине – от нескольких метров до 700 километров.
«Этого не может быть! – запротестовали некоторые. – На глубине свыше 100 километров материя находится в жидком состоянии: как же могут происходить там сотрясения, вызывающие сейсмические возмущения?»
Однако ученым пришлось сдаться перед фактами и приступить к составлению статистических таблиц, подобных тем, которые включили в свой труд «Сейсмичность Земли» Гутенберг и Рихтер[44]44
Gutenberg, Richter, Seismicity of the Earth, 1954.
[Закрыть].
Познакомимся с этой поучительной таблицей.
Мы видим, что очаги огромного большинства землетрясений находились на глубине, не превосходившей 100 километров. Более детальное исследование позволило даже локализировать их на глубинах от 8 до 30 километров. Впрочем, значительным остается и число землетрясений с очагами на глубине 200 километров. Далее, по мере возрастания глубины очагов число землетрясений заметно снижается и доходит до минимальной цифры при глубине 300 километров. Затем число землетрясений медленно увеличивается, достигая невысокой предельной цифры при глубине очага 600 километров, после чего окончательно падает.
Весьма знаменательно, что в большинстве случаев глубокие землетрясения происходят недалеко от берегов Тихого океана. Еще недавно можно было заменить слова «в большинстве случаев» словом «все», но в 1954 году Ротэ обнаружил, что очаг землетрясения, происходившего на юге Испании 29 марта был глубже 600 километров. Напротив, очаг землетрясения, которое 11 июня 1938 года наделало столько шума в районе Парижа, находился на глубине 25 километров.
«Прекрасно, – скажете вы, – существуют землетрясения неглубокие (от 0 до 60 километров глубины), промежуточные (от 70 до 300) и глубокие (свыше 300 километров). Но говорит ли нам что-нибудь о происхождении землетрясений это непостоянство глубин? Может ли оно ответить на вопрос, который мы настойчиво себе ставим: чем же вызываются землетрясения?
Отступление, посвященное горообразованию
Да, именно анализ глубин, как мы надеемся, даст нам ключ к разгадке. Прежде всего примечательно, что избранное место глубокофокусных землетрясений – побережье Тихого океана. Об этом свидетельствует линия на рис. 21, которая проходит вдоль Индонезии, затем поднимается, окаймляя Японские острова, и снова спускается, проходя вдоль Северной и Южной Америки. На этом «бульваре Тихого океана» не только случаются самые сильные землетрясения, но и вулканов здесь более чем достаточно.
Так вот, как раз этот «бульвар», или по крайней мере определенная его часть, представляет собой место зарождения будущих гор. Именно здесь, по всей вероятности, будут возвышаться через несколько миллионов лет новые Альпы и Гималаи, которые заменят наши современные горы, к тому времени уже рассеченные, отшлифованные и разрушенные эрозией[45]45
J.-P. Rоthé, Histoire de l’Avenir, p. 216.
[Закрыть].
Мы не собираемся рассказывать здесь, как в наши дни объясняют процесс горообразования. Это уже сделано в цитировавшемся выше труде Ротэ[46]46
Ibidem.
[Закрыть], и нам остается изложить проблему в самых общих чертах. Для этого в первую очередь обратимся к отложению морских осадков и постараемся представить себе все мельчайшие их частицы: продукты эрозии, пустые ракушки, скелеты рыб, которые падают непрестанно на дно Мирового океана. Если мы примем во внимание, что процесс этот длится не веками, не тысячелетиями, а миллионами лет, то сможем представить себе мощность толщ, нагромождающихся друг на друга, и вес, которым они давят на морское дно.
Рис. 8. Схематический разрез геосинклинали.
Дно моря прогибается, образуя нечто вроде рва.
В определенное время на каком-то участке дно поддается. Оно оседает, прогибается, в нем образуется своего рода впадина, ров, который называется геосинклиналью (см. рис. 8). Затем, по мере того как сотни тысячелетий складываются в миллионы, ров углубляется, его склоны становятся круче и сближаются, а зажатые между ними пласты, которые, разумеется, непрерывно утолщались, вытесняются вверх, образуя выпуклость: так зарождается корень складки. Этот зародыш горной цепи, зачатый на дне океана, можно обнаружить с момента его появления. Приборы для замера глубин выявляют выпуклость, выступающую на дне моря, а гравиметры фиксируют меньшее ускорение силы тяжести по сравнению с окружающими точками. Это вполне естественно, ведь выпуклость сложена породами, снесенными с поверхности континентов и, следовательно, не очень плотными, тогда как повсюду в других местах дно состоит из тяжелого базальта. Некоторые вершины, уже сейчас выступающие над поверхностью воды и образующие множество рассеянных островков, выдают секрет зарождения будущей горной цепи.
Рис. 9. Чем больше прогибается геосинклиналь, тем сильнее сминаются в складки отложившиеся в ней осадки.
Так образуется выпуклость, которая все больше приближается к поверхности океана. Процесс закончится появлением над водой горной цепи.
Такие явления наблюдаются у берегов Индонезии, как уже отметил в 1930 году голландский геофизик Венинг-Мейнес. То же самое происходит вдоль восточного побережья японского острова Хонсю. И там на дне океана образовался ров глубиной 10 000 метров, в котором накапливаются толщи легких осадочных пород, о чем свидетельствуют гравиметры. Подобный процесс развивается и в водах, омывающих западное побережье Центральной Америки. Возможно, впадины, обнаруженные на траверсе Акапулько (Мексика) и у берегов Гватемалы, таят в своих глубинах зародыши будущих гор.
Люди, склонные к обобщениям, будут рассматривать эти явления как различные фазы горообразования. Хребет у побережья Индонезии, готовый вот-вот появиться над поверхностью воды, можно считать более поздней стадией по сравнению с геосинклиналью, которая окаймляет побережье Центральной Америки. Эта геосинклиналь представляет нечто вроде колыбели бесформенного зародыша, тогда как хребет готов выйти из чрева! океана, как Афродита из пены морской. Согласно этой концепции, еще более поздней стадией горообразовательного процесса будут Альпы. Прошло приблизительно 70 миллионов лет, с тех пор как они появились над поверхностью моря, но их рост еще не закончен. Впадина, в которой они возникли, уже давно покинутая морем, продолжает тем не менее сужаться и прогибаться. Отпрыск Альп, Апеннины, – более молодые горы, их можно считать еще подростками.
Кризисы в горообразовательном процессе
Идет ли речь о побережье Тихого океана, дугах Альп и Апеннин или о подводной впадине Бартлетт, которая, начинаясь от Гондурасского залива, проходит между Кубой и Ямайкой и заканчивается в водах, омывающих Венесуэлу, – всюду мы имеем дело с орогеническими зонами, то есть с такими районами, где зарождаются горы. Это как бы цеха, где не прекращается работа земной коры. По сравнению с районами почти абсолютной стабильности и неподвижности, такими, как Канадский и Сибирский щиты, орогенические зоны, где земная кора смялась, прогнулась и истончилась, представляются более хрупкими. Эта их хрупкость и вызывает всякого рода катастрофы. Разумеется, не может быть и речи о том, чтобы человек непосредственно изучал процесс горообразования. Зарождение, появление на свет и развитие горной цепи – это события геологической истории, которые развертываются неприметно для человеческого глаза и удручающе медленно. Нужно, говорят ученые, несколько тысячелетий, чтобы на дне морских впадин отложился слой осадков толщиной от 4 до 40 миллиметров, но ничто не мешает нам вообразить Альпы вершиной склона исполинского прогиба, сводом корневой складки, основание которой уходит на 60 или 80 километров под землю. В течение миллионов лет осадочные толщи накапливались в этой впадине, прогибались, сминались в складки на тысячу ладов. Породы, сложившие Альпы, были всегда достаточно пластичными, чтобы покорно сминаться в складки, и никаких разрывов не происходило. Но случалось и так, что к ним прилагались более мощные усилия и тогда, сопротивляясь, породы сминались в более резкие складки. Это резкое сопротивление приводило к толчку, который распространялся до поверхности земли и проявлялся как землетрясение.
Так объясняют в наше время некоторые сейсмические возмущения. Это явления не геологические и не вулканические, а тектонические, то есть они зарождаются не в поверхностных толщах земной коры, а в ее глубинных пластах, там, где залегают основания гор и корневые складки.
А если пласты не сминаются в складки, а разрываются?
Именно в разрыве пластов, по единодушному признанию, и кроется основная причина землетрясений, и в частности самых сильных. Действительно, вполне вероятно, что пласты, сопротивляясь до тех пор, пока не превзойден предел их пластичности, не выдерживают и разрываются. И хотя разрыв происходит на глубине десятков километров от поверхности земли, в этом явлении нет ничего сверхъестественного.
Попробуем изогнуть стальной или железный прут, деревянную линейку или сургучную палочку. Первый, допустим спица от велосипедного колеса, легко выпрямится, железо лишь слегка согнется, а затем сломается, тогда как линейка и сургуч сейчас же переломятся.
Этот несложный опыт приводит нас к важному заключению: сопротивление, оказываемое прутом, представляет собой его накопленную энергию, которая внезапно высвобождается, как только он ломается. Отсюда следует, что, чем больше энергии накапливается, тем сильнее будет разрыв. Землетрясение вызывается именно таким резким разрывом, который «распространяется затем, как трещина по стеклу», по меткому выражению Жана Кулона. А поскольку мы имеем здесь дело не с прутом, а с земным шаром, разрыв вызывает землетрясение.
Вас волнует теперь вопрос, что же представляет собой этот разрыв в глубинных толщах и что порождает те силы, которые его вызывают? Какие же исполинские силы нужны для того, чтобы привести к таким катаклизмам, как в 1920 и 1923 годах?
Эти две проблемы мы и рассмотрим здесь по порядку. Первая уже получила широко известное решение.
Разрыв обычно называют разломом, в результате которого появляется сброс. С одним таким сбросом мы уже познакомились в связи с Сан-Францисским землетрясением, где проявил себя знаменитый рифт Сан-Андреас. Теперь нам известно, что после разрыва горные породы разбиваются сбросом на две глыбы. По плоскости сброса одна глыба может скользить вдоль другой. Так происходят горизонтальные смещения пластов, кптооые бросаются в глаза, когда при этом повреждается дорога или железнодорожные пути, и вертикальное смещение, при котором разница в уровнях достигает нескольких метров.
Разумеется, даже в тех случаях, когда разрыв пластов вызывает катастрофическое землетрясение, сброс может не проявиться на поверхности. И все же он не проходит бесследно, даже если все сводится к тому, что глубинные толщи в этом месте теряют свою однородность. Отныне это будет слабым участком земной коры, где в последующем сейсмические силы смогут, так сказать, «отвести душу». Представьте себе, что вы случайно порвали, а затем заштопали кусок сукна. Не нужно быть портным, чтобы понять, что со временем сукно порвется прежде всего в этом месте.
То же самое и с землетрясениями. Ведь у нас нет никаких оснований полагать, что те силы, которые вызвали первый разрыв и привели к землетрясению, вдруг перестанут существовать. Им ничего не стоит снова вступить в игру и резко сместить края сброса. Тогда произойдет новое землетрясение и населению такого района придется смириться с мыслью, что покоя не будет.
Если это может утешить жителей других районов, то сообщим им, что, с тех пор как земная кора приняла свою современную конфигурацию, все слои, которые были обречены на разрыв, уже разорвались. Пьер Бернар пишет: «Поскольку сейсмические районы почти не меняются, мало вероятности, что в земной коре произойдут новые разрывы»[47]47
Pierre Bernard, Seismologie, Encyclopédie, «Clarté».
[Закрыть].
Беглый взгляд на строение земного шара
Обратимся ко второй проблеме: что же это за силы, которые, действуя на глубине десятков или сотен километров, достигают такой мощи, чтобы привести к разрывам и сбросам?
Эта проблема связана с другой, затронутой нами вскользь на стр. 153, 154. Здесь пора ответить на вопрос, почему в определенных местах морское дно прогибается, когда: там накапливаются осадочные толщи, из которых затем образуются горные цепи? Почему оно прогибается, образуя геосинклиналь вдоль побережья Индонезии или Японии, а не у берегов Австралии? И почему горная цепь возникла там, где теперь вздымаются Альпы, а не в глубине Сибири, Канады или Африки?
Оговоримся сразу же, что мы поднимаем здесь такие сложные проблемы, которые решаются пока только посредством гипотез. Ведь речь идет не больше и не меньше, как о строении земного шара. На рис. 18 представлена схема, предложенная австралийским геофизиком Балленом. Нам кажется, что она заслуживает большего доверия, чем схемы, предложенные другими учеными, например англичанином Баллардом. Дело не в том, что схема Баллена более поздняя, просто последние наблюдения подтвердили ее обоснованность. Со времени землетрясений 1960 года в Чили распространение сейсмических волн было детально изучено израильским геофизиком Пекерисом, который пользовался методами, разработанными его американским коллегой – Бениоффом. Пекерис убедился, что только модель Баллена помогла объяснить особенности этого процесса.
Согласно Баллену, Земля состоит из: 1) коры, мощность которой колеблется в пределах 30–40 километров под поверхностью континентов, но под дном океанов значительно снижается, причем нижний ее слой сильно разогрет радиоактивными элементами горных пород; 2) промежуточной оболочки плотных пород мощностью 2900 километров; 3) ядра, образованного горными породами и металлом в жидком состоянии мощностью 2200 километров, и 4) субъядра с радиусом 1250 километров, находящегося в твердом состоянии.
Важное значение для нашего исследования имеет разница температур при переходе от верхних слоев к нижним, которая присуща: всей толще коры и промежуточной оболочке. В промежуточной оболочке верхние слон сильно разогреты, тогда как в нижних пластах температура падает. Здесь происходят почти те же физические процессы, что и в кастрюле с водой, поставленной на огонь. Вода на дне кастрюли, естественно, нагревается быстрее, чем на поверхности; нагреваясь и расширяясь, она становится легче и поднимается вверх, тогда как поверхностные слои опускаются и в свою очередь нагреваются. Таким образом, разница температур наверху и внизу создает конвекционные течения, которые переносят тепло по вертикали.
Разумеется, сравнение материи, из которой состоит промежуточная оболочка, с водой в кастрюле весьма условно; ведь одно вещество находится в твердом состоянии, а другое в жидком. Однако тепло, которое радиоактивные элементы горных пород коры выделяют в промежуточную оболочку, вызывает в толще последней очень значительную разницу в температуре. Разумеется, это тепло в некоторых местах должно нагревать породы до температуры, близкой к плавлению. Легко понять, что в этом случае образуются конвекционные течения, правда, с незначительной скоростью, что объясняется почти твердым состоянием ядра. Хотя скорость этих конвекционных течений, видимо, не превышает нескольких сантиметров в год, все же они вызывают вертикальную циркуляцию по направлению от нижних слоев оболочки к верхним.
На рис. 10 показано море, а под ним кора и промежуточная оболочка Земли. Мы видим также конвекционное течение, восходящее в точке А и нисходящее в точке В. Понятно, что ставший вязким от высокой температуры участок коры D, зажатый между двумя нисходящими течениями, как бы всасывается вниз и образует нечто вроде кармана, который постепенно прогибается.
Рис. 10. Почему прогибается морское дно?
Предполагают, что породы, из которых оно сложено, притягиваются вниз, как если бы они всасывались нисходящими течениями, которые циркулируют в глубинных пластичных толщах земной коры.
Вот и образовалась геосинклиналь, причины происхождения которой мы доискивались!
Таким образом, конвекционные течения выступают как основа горообразования. И мы можем даже предположить, что геосинклинали – это именно такие участки земной коры, под которыми начинается нисхождение течений. Что же касается мощности таких течений, то ее нельзя переоценить. Она действительно должна быть исполинской, если в состоянии всосать земную кору. Мы охотно согласимся с тем, что она в состоянии смять в складки осадочные толщи, изогнуть их, как теплый воск, и даже разорвать.
Теперь же, как это ни парадоксально, нам остается предостеречь читателя от слепой веры в эту стройную теорию. В конечном счете теория – это всего лишь теория! Если она кажется такой убедительной, то это лишь потому, что мы для простоты изложения затенили неразрешенные трудности и слабые места. Примем во внимание, что эта теория все же признана некоторыми геофизиками в качестве рабочей гипотезы, и согласимся с тем, что нам не пристало быть требовательнее этих известных специалистов. В заключение скажем, что мы имеем право рассматривать сейсмические районы как такие участки земной коры, где ее слои с особой силой терзаются конвекционными течениями и где на протяжении нескольких миллионов лет они сминаются, скручиваются и время от времени в результате такой деформации разрываются.
Напряжения, колебания и землетрясения
Ключом к пониманию этих процессов служит термин напряжение. Именно напряжения, вызванные всасыванием пластов конвекционными течениями, заставляют эти слои сминаться в более или менее резкие складки или разрываться. Напряжение – это предмет особого раздела физики – учения об упругости. Сейсмологи должны хорошо его знать, ибо совсем не просто объяснить, как напряжение, воздействуя на толщи горных пород, в конечном счете вызывает землетрясения.
Если среди наших читателей есть математики, то они легко представляют себе этот процесс. Они знают, что для определения силы, действующей на любую точку данного слоя и ее направления относительно осей требуется знание шести величин. Математики знают, что при определении напряжения пользуются математическим выражением, которое нельзя назвать иначе как тензор[48]48
Автор имеет в виду, что название тензор происходит от того же корня, что и tension (напряжение). – Прим. ред.
[Закрыть].
Таково происхождение этого понятия, которым пользуются чаще в теории относительности, чем при исследовании причин землетрясений. Впрочем, не задерживаясь в этих высоких сферах науки, постараемся разрешить более скромный вопрос: что же происходит под землей, когда там возникает напряжение? Каменотесы и горняки часто наблюдают подобные явления. Ротэ пишет по этому поводу: «Случается, что у выхода из карьера некоторые глыбы с шумом растягиваются». Иногда даже если мы имеем дело со сланцами, такими, например, как в Монсоне (штат Массачусетс, США), «то они выгибаются, образуя миниатюрную антиклиналь», либо раскалываются и лопаются. Явление это, естественно, становится более впечатляющим и опасным, когда оно имеет место на глубине нескольких сотен метров, например в рудниках. В любом случае оно обусловлено напряжением, в котором раньше находилась порода. Напряжение это внезапно модифицировалось под воздействием рабочих, извлекавших глыбу.
Обобщая, скажем, что когда напряжение развивается в горных породах, то, поскольку эта среда более или менее эластична, они деформируются, а затем снова возвращаются в первоначальное состояние. Если же напряжение не прекращается, то порода снова деформируется и т. д. Короче, чередование подобных деформаций перерастает в настоящие колебания, которые постепенно распространяются в этой среде. Впрочем, такие деформации или колебания принимают две различные формы. Прикрепите резиновую нить к стенке, натяните ее, затем отпустите, снова натяните и т. д. Нить будет то удлиняться, то укорачиваться, и мы говорим в этом случае, что происходят продольные колебания. Нам хорошо известны волны этой категории. Мы имеем в виду звуковые волны, которые порождают то расширение, то сжатие воздуха.
К другому виду колебаний относятся те, которые наблюдаются на поверхности воды, если бросить в нее камень. Образуются круговые волны, поперечные колебания точно такие, как у световых волн.
Что касается горных пород, то в них под влиянием напряжения возникают одновременно оба вида колебаний. Они распространяются сквозь толщу земной коры, каждый со свойственной ему скоростью, и оба в конечном счете достигают поверхности. Вы уже догадались, что такие колебания носят название «сейсмических сотрясений».
Такова, дорогой читатель, суть этих грандиозных явлений природы, по крайней мере согласно современной науке. Все начинается со смятия в складки в глубинах земной коры и продолжается непрерывно в течение тысячелетий. В деформированном слое напряжения нарастают. Они проявляются в виде колебаний, которые на поверхности дают о себе знать слабыми толчками. Осторожнее! Пусть те, кто проживает в таком районе, не надеются, что эти слабые толчки гарантируют их от сильных. Аналогия с предохранительным клапаном, высвобождающим угрожающий избыток энергии, здесь не уместна. Как раз наоборот, население таких районов должно насторожиться, так как эти слабые толчки – предвестники того, что напряжение вот-вот превзойдет предел сопротивления породы.
Когда напряжение почти достигает предела сопротивления разрыву, достаточно малейшего повода, чтобы он действительно произошел. Пушка заряжена, остается только привести в действие запальник. Но какая же сила это осуществляет? Что вызовет разлом в глубине и землетрясение на поверхности? Для этого достаточно какого-нибудь незначительного повода, воздействия внешнего фактора, например, более сильного, чем обычно, прилива, внезапного изменения атмосферного давления или даже ослабленного отзвука сейсмических колебаний, происходивших за тысячи километров. И катастрофа разражается.
