Многие здания в Чарлстоне, штат Южная Каролина, были повреждены или разрушены мощным землетрясением, произошедшим 31 августа 1886 года.
Министерство внутренних дел США / Геологическая служба США
Землетрясения
Кей М. Шедлок и Луи С. Пакисер
Для продажи Палатой представителей Правительственного полиграфического бюро США Суперинтендант документов Почтовый индекс: SSOP, Вашингтон, округ Колумбия 20402-9328
Одно из самых пугающих и разрушительных природных явлений — сильное землетрясение и его страшные последствия. Землетрясение представляет собой внезапное движение Земли, вызванное резким высвобождением напряжения, которое накапливалось в течение долгого времени. На протяжении сотен миллионов лет силы тектоники плит формируют облик Земли, поскольку огромные плиты, образующие поверхность Земли, медленно движутся над, под и мимо друг друга. Иногда это движение происходит постепенно. В другое время плиты оказываются заблокированными и не могут высвободить накапливающуюся энергию. Когда накопленная энергия становится достаточно сильной, плиты вырываются на свободу. Если землетрясение происходит в густонаселенном районе, оно может стать причиной множества смертей и травм, а также масштабных материальных убытков.
Сегодня мы бросаем вызов предположению о том, что землетрясения неизбежно представляют собой неконтролируемую и непредсказуемую угрозу для жизни и имущества. Ученые начали оценивать места и вероятность будущих разрушительных землетрясений. Определяются зоны наибольшей опасности, и достигается определенный прогресс в проектировании сооружений, способных выдерживать последствия землетрясений.
Ученый из Геологической службы США использует переносное сейсмическое записывающее оборудование неподалеку от вулкана Сент-Хеленс, штат Вашингтон.
Землетрясения в истории
Научное изучение землетрясений относительно ново. До XVIII века регистрировалось мало фактологических описаний землетрясений, а их естественные причины были малопонятны. Те же, кто искал естественные причины, часто приходили к выводам, которые сегодня кажутся фантастическими; одной из популярных теорий было то, что землетрясения вызываются воздухом, вырывающимся из пещер глубоко во внутренних слоях Земли.
Самое раннее землетрясение, о котором у нас есть описательные сведения, произошло в Китае в 1177 г. до н.э. В китайском каталоге землетрясений описывается несколько десятков крупных землетрясений в Китае в течение следующих нескольких тысяч лет. Землетрясения в Европе упоминаются уже в 580 г. до н.э., но самое раннее, о котором у нас есть хоть какие-то описательные сведения, произошло в середине XVI века. Самые ранние известные землетрясения в Америке произошли в Мексике в конце XIV века и в Перу в 1471 году, однако описания их последствий были задокументированы плохо. К XVII веку описания последствий землетрясений стали публиковаться по всему миру, хотя эти отчеты часто были преувеличенными или искаженными.
Самыми ощутимыми землетрясениями в зарегистрированной истории Северной Америки стала серия подземных толчков, произошедших в 1811–1812 гг. близ Нового Мадрида, штат Миссури. Мощное землетрясение, магнитуда которого оценивается примерно в 8, произошло утром 16 декабря 1811 года. Еще одно сильное землетрясение произошло 23 января 1812 года, а третье, самое сильное из всех, — 7 февраля 1812 года. Афтершоки следовали практически непрерывно между этими крупными землетрясениями и продолжались в течение нескольких месяцев после них. Эти землетрясения ощущались людьми даже в Бостоне и Денвере. Поскольку наиболее интенсивные проявления наблюдались в малонаселенном регионе, ущерб человеческой жизни и имуществу был незначительным. Если бы сегодня в том же районе произошло хотя бы одно из этих колоссальных землетрясений, пострадали бы миллионы людей, а также здания и другие сооружения стоимостью в миллиарды долларов.
The great 1906 San Francisco earthquake and fire destroyed most of the city and left 250,000 people homeless.
Сан-Францисское землетрясение 1906 года было одним из самых разрушительных в зарегистрированной истории Северной Америки: землетрясение и последовавший за ним пожар унесли жизни почти 700 человек и оставили город в руинах. Аляскинское землетрясение 27 марта 1964 года превосходило по магнитуде землетрясение в Сан-Франциско; оно высвободило, пожалуй, вдвое больше энергии и ощущалось на площади почти в 500 000 квадратных миль. Движение почвы вблизи эпицентра было настолько сильным, что у некоторых деревьев обломало верхушки. В результате этого землетрясения погибли сто четырнадцать человек (некоторые на таком расстоянии, как Калифорния), но человеческие жертвы и материальный ущерб были бы гораздо масштабнее, если бы Аляска была более густонаселенной.
Где происходят землетрясения
Земля состоит из нескольких слоев, имеющих очень разные физические и химические свойства. Внешний слой, толщина которого в среднем составляет около 70 километров, состоит примерно из дюжины крупных плит неправильной формы, которые скользят над, под и мимо друг друга поверх частично расплавленного внутреннего слоя. Большинство землетрясений происходит на границах соприкосновения плит. Фактически расположение землетрясений и типы производимых ими разломов помогают ученым определять границы плит.
Существует три типа границ плит: зоны спрединга, трансформные разломы и зоны субдукции. В зонах спрединга расплавленная горная порода поднимается вверх, раздвигая две плиты и добавляя новый материал по их краям. Большинство зон спрединга находится в океанах; например, Северо-Американская и Евразийская плиты раздвигаются вдоль Срединно-Атлантического хребта. В зонах спрединга землетрясения обычно происходят на небольших глубинах (в пределах 30 километров от поверхности).
Трансформные разломы встречаются там, где плиты скользят мимо друг друга. Примером границы плит в виде трансформного разлома является разлом Сан-Андреас вдоль побережья Калифорнии и северо-западной Мексики. Землетрясения на трансформных разломах имеют тенденцию происходить на малых глубинах и образовывать довольно прямые линейные структуры.
Зоны субдукции встречаются там, где одна плита перекрывает другую или погружается под нее, толкая ее вниз в мантию, где она плавится. Пример границы плит в виде зоны субдукции находится вдоль северо-западного побережствия США, западной Канады, южной Аляски и Алеутских островов. Зоны субдукции характеризуются глубоководными желобами, землетрясениями от малой до большой глубины и горными хребтами, содержащими действующие вулканы.
Землетрясения также могут происходить внутри плит, хотя землетрясения на границах плит происходят гораздо чаще. Менее 10 процентов всех землетрясений случается внутри континентальных плит. По мере того как плиты продолжают двигаться, а границы плит меняются в течение геологического времени, ослабленные пограничные области становятся частью внутренних частей плит. Эти зоны слабости внутри континентов могут вызывать землетрясения в ответ на напряжения, возникающие на краях плиты или в более глубоких слоях земной коры. Ново-Мадридские землетрясения 1811–1812 гг. и Чарлстонское землетрясение 1886 года произошли внутри Северо-Американской плиты.
Как происходят землетрясения
Землетрясение представляет собой вибрацию, порой сильную, поверхности Земли, которая следует за высвобождением энергии в земной коре. Эта энергия может генерироваться внезапным смещением сегментов земной коры, извержением вулкана или даже искусственными взрывами. Однако большинство разрушительных толчков вызывается смещениями земной коры. Кора может сначала согнуться, а затем, когда напряжение превышает прочность горных пород, сломаться и «щелчком» занять новое положение. В процессе разлома возникают колебания, называемые «сейсмическими волнами». Эти волны распространяются наружу от источника землетрясения вдоль поверхности и сквозь Землю с различной скоростью в зависимости от материала, через который они движутся. Некоторые из колебаний имеют достаточно высокую частоту, чтобы быть слышимыми, в то время как другие имеют очень низкую частоту. Эти колебания заставляют всю планету содрогаться или звенеть, подобно колоколу или камертону.
Разлом — это трещина в земной коре, вдоль которой два блока коры сместились по отношению друг к другу. Разломы делятся на три основные группы в зависимости от характера их движения. Нормальные разломы возникают в ответ на растяжение или тензионные силы; вышележащий блок смещается вниз по падению плоскости разлома. Взбросы (обратные разломы) возникают в ответ на сжатие или компрессию; вышележащий блок смещается вверх по падению плоскости разлома. Сдвиговые (латеральные) разломы возникают в ответ на любой тип напряжения; блоки перемещаются горизонтально мимо друг друга. Большинство разломов вдоль зон спрединга являются нормальными, вдоль зон субдукции — взбросами, а вдоль трансформных разломов — сдвиговыми.
Нормальный разлом. Блоки растягиваются в разные стороны
Взброс. Блоки сдавливаются вместе
Сдвиговый разлом. Блоки скользят мимо друг друга
Геологи обнаружили, что землетрясения имеют тенденцию повторяться вдоль разломов, которые отражают зоны слабости в земной коре. Однако даже если в зоне разлома недавно произошло землетрясение, нет никаких гарантий, что все напряжение было снято. Новое землетрясение все еще может произойти. В Новом Мадриде за мощным землетрясением последовал сильный афтершок в течение 6 часов, 16 декабря 1811 года. Более того, снятие напряжения вдоль одной части разлома может увеличить напряжение в другой его части; Ново-Мадридские землетрясения в январе и феврале 1812 года могли стать результатом этого явления.
Глубина очага землетрясения — это глубина от поверхности Земли до региона, где зарождается энергия землетрясения (очаг). Землетрясения с глубиной очага от поверхности примерно до 70 километров (43,5 мили) классифицируются как мелкофокусные. Землетрясения с глубиной очага от 70 до 300 километров (от 43,5 до 186 миль) классифицируются как промежуточные. Очаг глубокофокусных землетрясений может достигать глубины более 700 километров (435 миль). Очаги большинства землетрясений сосредоточены в земной коре и верхней мантии. Глубина до центра земного ядра составляет около 6370 километров (3960 миль), так что даже самые глубокие землетрясения зарождаются в относительно неглубоких частях внутренних слоев Земли.
Эпицентр землетрясения — это точка на поверхности Земли непосредственно над очагом. Расположение землетрясения обычно описывается географическим положением его эпицентра и глубиной очага.
Землетрясения под океанским дном иногда порождают огромные морские волны, или цунами (ужасную «гигантскую волну» в Японии). Эти волны движутся по океану со скоростью до 960 километров в час (597 миль в час) и к моменту достижения берега могут достигать высоты 15 метров (49 футов) и более. Во время аляскинского землетрясения 1964 года цунами, затопившие прибрежные районы, стали причиной большей части разрушений в Кадьяке, Кордове и Сьюарде, а также нанесли серьезный ущерб вдоль западного побережья Северной Америки, особенно в Кресент-Сити, штат Калифорния. Некоторые волны мчались через океан до побережий Японии.
Разрушения от цунами на авеню Камехамеха на набережной Хило, 1946 год. (Фотография предоставлена Инженерным корпусом сухопутных войск США.)
Разжижение грунта, происходящее, когда слабо уплотненные водонасыщенные осадки теряют свою прочность в ответ на сильные толчки, вызывает значительные разрушения во время землетрясений. Во время землетрясения Лома-Приета в 1989 году разжижение грунтов и обломков, использовавшихся для засыпки лагуны, вызвало значительное оседание, растрескивание и горизонтальное смещение земной поверхности в районе Марина в Сан-Франциско.
Разжижение песков и строительного мусора вызвало масштабные разрушения на территории всего района Марина в Сан-Франциско во время землетрясения Лома-Приета.
Оползни, вызванные землетрясениями, часто приносят больше разрушений, чем сами землетрясения. Во время землетрясения на Аляске в 1964 году спровоцированные толчками оползни опустошили жилой массив Тёрнегейн-Хайтс и многие районы делового центра Анкориджа. Один из очевидцев оставил яркий отчет об разрушении нестабильных земных масс в районе Тёрнегейн-Хайтс: Я выскочил из машины, побежал на север к своей подъездной дорожке и затем увидел, что обрыв отломился примерно на 300 футов к югу от своего первоначального края. Дальнейшее сползание обрыва заставило меня вернуться к машине и сдать назад на юг примерно на 180 футов к углу МакКолли и Тёрнегейн-Паркуэй. Обрыв медленно разрушался, пока угол Тёрнегейн-Паркуэй и МакКолли не сполз на север.
Многие дома были повреждены оползнями, вызванными аляскинским землетрясением 1964 года (вверху) и подземными толчками Лома-Приета 1989 года (внизу).
Измерение землетрясений
Вибрации, производимые землетрясениями, обнаруживаются, записываются и измеряются приборами, называемыми сейсмографами. Зигзагообразная линия, проводимая сейсмографом, называемая «сейсмограммой», отражает меняющуюся интенсивность колебаний, реагируя на движение земной поверхности под прибором. По данным, выраженным в сейсмограммах, ученые могут определить время, эпицентр, глубину очага и тип разлома землетрясения, а также оценить, сколько энергии было высвобождено.
Два основных типа колебаний, производимых землетрясениями, — это поверхностные волны, которые распространяются вдоль поверхности Земли, и объемные волны, которые распространяются сквозь толщу Земли. Поверхностные волны обычно обладают самыми сильными колебаниями и, вероятно, вызывают большую часть ущерба, наносимого землетрясениями.
Объемные волны бывают двух типов: продольные и поперечные. Оба типа проходят через внутренние слои Земли из очага землетрясения в удаленные точки на поверхности, но только продольные волны проходят через расплавленное ядро Земли. Поскольку продольные волны распространяются с огромной скоростью и обычно достигают поверхности первыми, их часто называют «первичными волнами» или просто «P-волнами». P-волны толкают мельчайшие частицы земного вещества непосредственно перед собой или смещают частицы непосредственно позади линии своего движения.
Поперечные волны распространяются сквозь земную кору и мантию не так быстро, как продольные, и поскольку они обычно достигают поверхности позже, их называют «вторичными» или «S-волнами». Вместо того чтобы воздействовать на вещество непосредственно позади или впереди линии своего движения, поперечные волны смещают вещество под прямым углом к своему пути и поэтому иногда называются «поперечными» волнами.
Первым признаком землетрясения часто является резкий глухой стук, сигнализирующий о прибытии продольных волн. За ним следуют поперечные волны, а затем «прокатывание почвы», вызванное поверхностными волнами. Геолог, находившийся в Валдизе, Аляска, во время землетрясения 1964 года, описал эту последовательность: Первые толчки были достаточно сильными, чтобы остановить идущего человека, а ударные волны сразу же стали заметны на поверхности земли. Эти ударные волны продолжались с довольно большой частотой, что создавало у наблюдателя впечатление волнообразного движения, а не резких сильных толчков. Примерно через 1 минуту амплитуда или сила ударных волн возросли по интенсивности, и начали происходить разрушения зданий, а также замерзшей поверхности земли... Примерно через 3½ минуты сильные ударные волны прекратились, и люди начали реагировать так, как и следовало ожидать.
Крупные землетрясения вызывают больше разрушений к востоку от Скалистых гор; на этой карте показаны районы, понесшие серьезные архитектурные повреждения (заштрихованные области) и незначительные повреждения (точечные области) во время землетрясений магнитудой 8 в Новом Мадриде и Сан-Франциско, а также меньших по магнитуде, но все же разрушительных толчков в Чарлстоне и Сан-Фернандо.
Серьезность землетрясения может выражаться несколькими способами. Магнитуда землетрясения, обычно выражаемая по шкале Рихтера, является мерой амплитуды сейсмических волн. Моментная магнитуда землетрясения является мерой количества высвобожденной энергии — величины, которую можно оценить по записям сейсмографа. Интенсивность, выраженная по модифицированной шкале Меркали, представляет собой субъективную меру, которая описывает, насколько сильным был толчок в конкретном месте.
Шкала Рихтера, названная в честь доктора Чарльза Ф. Рихтера из Калифорнийского технологического института, является самой известной шкалой для измерения магнитуды землетрясений. Эта шкала логарифмическая, так что показатель 7, например, указывает на возмущение с движением почвы в 10 раз большим, чем показатель 6. Толчок магнитудой 2 — это наименьший толчок, обычно ощущаемый людьми. Землетрясения со значением по шкале Рихтера 6 или более принято считать крупными; великие землетрясения имеют магнитуду 8 или более по шкале Рихтера.
Модифицированная шкала Меркали выражает интенсивность последствий землетрясения в конкретной местности в значениях от I до XII. Наиболее часто используемая адаптация охватывает диапазон интенсивности от состояния «I — Не ощущается, за исключением очень немногих при особо благоприятных условиях» до «XII — Полное разрушение. Линии визирования и уровня искажены. Объекты подброшены вверх в воздух». Оценка интенсивности землетрясения может быть произведена только после изучения и интерпретации отчетов очевидцев и результатов полевых исследований. Максимальная интенсивность, зафиксированная при аляскинском землетрясении 1964 года, составила X; ущерб от землетрясений в Сан-Франциско и Новом Мадриде достиг максимальной интенсивности XI.
Землетрясение 17 января 1994 года в Нортридже, Калифорния, вызвало обрушение этой крупной развязки шоссе. (Фотография Джеймса В. Дьюи, Геологическая служба США.)
Землетрясения большой магнитуды не обязательно вызывают самые сильные поверхностные эффекты. Эффект в данном регионе в значительной степени зависит от местных поверхностных и приповерхностных геологических условий. Например, район, подстилаемый неустойчивым грунтом (песком, глиной или другими несолидными материалами), вероятно, испытает гораздо более заметные последствия, чем район, находящийся на таком же расстоянии от эпицентра землетрясения, но подстилаемый прочным грунтом, таким как гранит. В целом землетрясения к востоку от Скалистых гор охватывают гораздо большую площадь, чем землетрясения к западу от Скалистых гор.