Как изучают землетрясения
За время своего существования человечество понесло немало жертв от землетрясений. Как изучают землетрясения, чтобы предупредить разрушения и человеческие жертвы, (подробнее: Какие землетрясения изменили лик Земли).
Приборы для изучения землетрясений
Землетрясения изучают при помощи специальных приборов, называемых сейсмографами. Эти приборы непрерывно ведут точную запись всех колебаний земной коры на специальной ленте, называемой сейсмограммой («грамма» по-гречески - запись). Мировой известностью пользовались сейсмографы конструкции академика Б. Б. Голицына и других ученых.
Современные сейсмографы - сложные электронные устройства.
Сейсмограф Татевского монастыря
Толчки землетрясения выявляли и другими способами. Большой интерес в этом отношении представляет Гавазан - качающийся восьмигранный каменный столб, высотой около 8 метров, в Татевском монастыре в Зангезуре (в Армянии). Этот древний монастырь был основан в IX веке. Он долгое время являлся центром армянской культуры и служил местом пребывания главы духовенства.
Гавазан сооружен во дворе монастыря. В 1931 г. монастырь сильно пострадал от землетрясения, были разрушены все его сооружения, кроме самого Гавазана.
Долгое время люди предполагали, что качающийся столб Гавазан имеет закругленное основание, которым входит в чашеобразное углубление. Высказывались предположения, что в это углубление наливалась ртуть для большей чувствительности этого своеобразного сейсмоскопа, т. е. прибора, позволяющего отмечать толчки землетрясений (по-гречески «скопео» - смотрю).
Гавазан завершается рельефным украшением в виде ажурного креста в квадратной каменной раме. Отсюда - второе его название хачкар - надгробный памятник. В середине ХХ века столб стоял неподвижно, так как, очевидно, был заклинен попавшим в его основание щебнем, хотя еще недавно он легко наклонялся от прикосновения руки.
Архитекторы разобрали Гавазан, это помогло определить, что он установлен на шарнире. Точный расчет цента тяжести обеспечивал ему вертикальное положение, а шарнир помогал ему раскачиваться и возвращаться в вертикальное положение. Амплитуда раскачивания могла достигать 20 метров.
В настоящее время, с целью сберечь старинный сесмограф, ученые застопорили механизм качания, а сам столб стянули металлическими обручами и скрепили болтами, поэтому он неподвижен.
Как изучают землетрясения
Работа в области сейсмологии, иначе - науки о землетрясениях, требует не только абсолютной точности приборов, но также и установки их в таком помещении, где наблюдается постоянная в течение года температура и куда не проникают случайные толчки. Поэтому сейсмические станции устраиваются в глубоких подвалах, причем сами приборы устанавливаются на специальных глубоких фундаментах.
Землетрясения большей или меньшей силы совершаются часто, известия же, подтверждающие их, не всегда доходят до нашего сведения, так как колебания земной коры могут происходить в странах малонаселенных, а также на дне океанов, занимающих в общем около трех четвертей поверхности земного шара (71%). Каждый год, по подсчетам специалистов, совершается в среднем до десяти тысяч землетрясений, иначе говоря, земная кора содрогается ежечасно.
Если же учесть еще сигналы морских глубин, то проявление жизни Земли, биение, так сказать, ее «пульса» будет еще чаще. На основании многолетних наблюдений сейсмических станций, число которых в различных странах доходит до нескольких сотен, ученые в настоящее время приходят к такому выводу, что земная кора никогда не находится в состоянии сейсмического покоя.
Незначительные ее колебания, отличающиеся удивительным постоянством, отмечаются сейсмическими станциями даже при отсутствии землетрясений.
Основние определения в сейсмологии
Нарушение равновесия пластов земной коры, происходящее во время землетрясений, сопровождается колебаниями различной силы. Тот участок внутри земной коры, в котором происходят эти изменения, называется очагом землетрясения или гипоцентром (от греческого предлога «гипо» - под, а вместе - «под центром», т. е. под центром землетрясения).
Глубина гипоцентра бывает различна, в зависимости от чего различна и сила землетрясения: чем ближе к земной поверхности расположен гипоцентр, тем сотрясение сильнее и тем ограниченнее область его распространения. При значительной глубине гипоцентра сила землетрясения не велика, зато область распространения его огромна.
Согласно большинству определений гипоцентры возникают в земной коре на глубине до 50 километров от земной поверхности, реже - до 100 километров (примером могут служить Карпатские землетрясения 1802 и 1940 гг.) и лишь единичные землетрясения - от 300 километров и глубже.
Участок поверхности земли, находящийся непосредственно над гипоцентром, называется эпицентром (от греческого предлога «эпи» - на, т. е. район землетрясения на поверхности земли). Здесь землетрясение проявляется наиболее резко. Во время сильных землетрясений в эпицентре ощущаются вертикальные толчки, подбрасывающие вверх все предметы.
По мере удаления от эпицентра толчки принимают более косое, боковое направление, постепенно теряя свою разрушительную силу. Удары, получающиеся при землетрясении, передаются во все стороны как в глубинах земной коры, так и по ее поверхности. Распространение и силу ударов можно грубо сравнить с теми волнами, которые получаются на гладкой поверхности воды от брошенного в нее камня.
Большой камень, производя значительное колебание частиц воды, дает большие волны, маленький - небольшие. Точно так же и сила землетрясений зависит от мощности подземных ударов. Колебания частиц жидкости, конечно, отличны от колебаний частиц твердого тела. Они не могут прийти в такое колебательное движение, как частицы жидкости - движения их ограничены соседними частицами; они могут только сжиматься, изменять свой объем.
Волны землетрясений
Волны землетрясений распространяются двумя путями:
- первый путь - снизу вверх, иначе говоря, в направлении удара; этот путь называется продольным, потому и волны получают определение продольных волн;
- другой путь - направление поперечное, т. е. перпендикулярно предыдущему, почему волны и называются поперечными.
И те и другие волны возникают одновременно в гипоцентре и распространяются от него во все стороны по радиусам. Наибольшей скоростью распространения отличаются продольные волны - от 8 до 10 километров в секунду.
Эти волны отмечаются сейсмографами первыми. Скорость поперечных волн приблизительно вдвое меньше продольных -4 километра в секунду, а скорость поверхностных еще меньше - 3,5 километра.
Эти волны, по данным Пулковской сейсмической станции, обежали весь земной шар во время Мессинского землетрясения (1908) за 3 часа 8 минут 51 секунду. При особенно сильных землетрясениях возникают в области эпицентра, особенно в рыхлых породах, волны тяжести, подобные волнам на поверхности воды. Распространяются эти волны с весьма незначительной скоростью - 4 метра в секунду, зато действие их особенно разрушительно.
Этим волнам не могут сопротивляться ни почва, ни постройки. Именно эти волны заставляют нагибаться деревья, качаться заводские трубы, соборы и высотные дома. Нередко подобные волны так и запечатлеваются на поверхности земли. Расшифровка, иначе - чтение, сейсмограмм какого-нибудь землетрясения требует от исследователя большой работы для выяснения содержания всех записей в целом и ответа на вопрос как изучают землетрясения.
Сейсмические шкалы
В мире существует большое число сейсмических шкал.
- Первоначально сила землетрясений определялась по специальной шкале Росси - Фореля. Эти ученые (Росси и Форель), в 1883 году расположили в определенной последовательности те характерные признаки, которые наблюдаются во время землетрясений, и разделили их на десять номеров, или баллов. В настоящее время эта шкала используется в странах Латинской Америки.
- В России применяется наиболее широко используемая в мире 12‑балльная шкала землетрясений МSK‑64 (Медведева‑Шпонхойера‑Карника), основанная на шкале Меркалли‑Канкани (1902 г.).
- В Японии используют 7‑балльную шкалу землетрясений.
Шкала землетрясений
Ознакомимся с содержанием Шкалы землетрясений по описанным ниже баллам:
- Колебания непосредственно не ощущаются людьми, а обнаруживаются только специальными приборами.
- Очень слабые сотрясения, замечаемые только отдельными лицами в состоянии покоя.
- Весьма слабые сотрясения, замечаемые большинством людей только внутри здания и часто смешиваемые с сотрясениями здания от грузовика.
- Слабые колебания почвы, ощущаемые людьми в движении и работе. Дребезжание оконных стекол и посуды, скрип двери, полов, треск потолков.
- Довольно сильное землетрясение, ощущаемое всеми. Сотрясение зданий. Колебание кроватей, стульев и другой мебели. Качание ветвей деревьев, как при небольшом ветре. Занавески, люстры и картины покачиваются. Двери и окна открываются и закрываются. Спящие пробуждаются.
- Сильное землетрясение, чувствительные удары. Падение картин со стен и книг с полок. Движение мебели. Остановка часов с маятником. Штукатурка, начинает осыпаться. Пробуждение всех спящих.
- Очень сильное землетрясение. Сильные удары. Опрокидывание предметов квартирной обстановки. Звон больших колоколов. Откалывание кусков штукатурки и лепных украшений. Повреждение дымовых труб. Появление оползней, изменение уровней колодцев.
- Разрушительное землетрясение, весьма сильные удары. Образование трещин в стенах зданий. Разрушение дымовых труб. Падение фабричных труб. Деревья сильно раскачиваются и даже ломаются. Многие испытывают «морскую болезнь».
- Опустошительное землетрясение. Разрушение отдельных частей зданий или целых построек. Появление трещин в почве.
- Необыкновенно сильные удары. Всеобщее разрушение. Образование трещин в земле, сбросы, обвалы, оползни. Искривление железнодорожных рельсов. Разрывы водопроводной, канализационной, газовой и электрической сети. На дорогах появляются трещины и волнообразные выпячивания.
- Катастрофическое землетрясение. Образование широких трещин, многочисленных оползней и обвалов. Полное разрушение каменных построек и устоев мостов, разрушение насыпей, плотин и других сооружений.
- Сильное катастрофическое землетрясение. Образование сбросовых трещин, сдвигов и разрывов. Громадные изменения в природной обстановке: появление водопадов, отклонение течений рек, образование озер в результате завалов рек. Окончательное разрушение всех сооружений, воздвигнутых человеком.
Определения района землетрясения
Для определения района землетрясения отмечают по карте в пунктах наблюдения время ощущения толчков и их силу. Соединяя пункты с одинаковыми по времени отметками, получают линии - гомосейсты (от древнегреческого слова «гомос» - одинаковый), а одинаковые по силе удара пункты дают изосейсты (от греческого слова «изос» - равный по мере, по силе).
Область наибольших разрушений называется плейстосейстовой (что значит в переводе с древнегреческого «наиболее потрясенной», т. е. испытавшей наибольшее потрясение). Очертания этой области имеют различную форму - более или менее правильного круга, овала, наконец, полосы.
При Верненском землетрясении (1887) плейстосейстовая область занимала 5476 кв. км, а область распространения самого землетрясения 1 478 570 кв. км; область распространения второго Крымского землетрясения была свыше 1 млн. кв. км. Продолжительность каждого в отдельности удара землетрясения бывает весьма незначительна, в редких случаях она продолжается минуту.
В начале землетрясения удары бывают обыкновенно часты, до трех в секунду, затем они становятся все реже и реже. Тот срок, в течение которого повторяются в данной местности удары, называется периодом землетрясения. Он отличается различной продолжительностью - от нескольких минут до нескольких лет; например, в Верненском землетрясении он продолжался около трех лет.
Фокидское землетрясение 1870 г. (Фокида - провинция в Греции), беспримерное по силе, продолжалось три года и дало до 750 тысяч ударов (из которых 300 сопровождалось страшными разрушениями). Наибольшей силой отличаются удары в начале землетрясения, к концу его периода удары постепенно замирают. Самые первые удары бывают обыкновенно слабее тех, которые следуют непосредственно за ними.
Землетрясения могут неоднократно повторяться в одном и том же районе. В связи с этим различают сейсмические области, где землетрясения часты, например побережье Тихого океана (Японские острова, Курильские, Алеутские, Филиппинские, Анды, а из других горных районов - Апеннины, Карпаты, Кавказ, Тянь-Шань, Гималаи), страны Латинской Америки. Землетрясения часто являются последствием перемещения тектонических плит земной коры.
Асейсмические области, где землетрясения более редки или вовсе отсутствуют, такова, например, Русская равнина, Западно-Сибирская низменность и др. Первые землетрясения отмечаются по летописям в Киеве в 1107, 1122, 1196 и 1211 гг. Особенно сильное впечатление произвело на современников «потрясение земли» во Владимире, Киеве и Переяславле в 1230 г.
В Москве заметные колебательные движения были отмечены несколько раз: в 1445 г., как говорит летопись:
В 6 час. нощи потрясеся град Москва, Кремль и посад весь и храм поколебашеся, мнози люди не спяще и слышавши то, во многи скорби быша и живота отчаявшеся.
Затем отмечались сотрясения также в 1802 г. и в 1940 г. Более незначительные колебания имели местный характер и были вызваны провалами кровель известковых пустот. Москва белокаменная в основном на глубине 10-30 метров лежит на каменноугольных известняках, в которых встречаются значительные пустоты, обусловленные размывающей деятельностью воды, (подробнее: Горные породы слагающие земную кору).
При постройке метро такие пустоты действительно были обнаружены во многих местах.