Лекция 7.

Эндогенные процессы - такие процессы, происхождение которых связано с глубинными недрами Земли. Вещество земного шара развивается во всех зонах, в том числе и в глубинных. В недрах Земли под действием сложных физико-механических и физико-химических преобразований вещества возникают мощные силы, воздействующие на земную кору и коренным образом преобразующие последнюю.

К эндогенным процессам относятся:

Из этих явлений только колебательные движения проявляются повсеместно, остальные же главным образом приурочены к подвижным (геосинклинальным) поясам.

Землетрясение - это всякое колебание земной поверхности, вызванное естественными причинами, среди которых основное значение принадлежит тектоническим процессам (перемещения масс внутри Земли). Это распространенное явление, наблюдаемое на многих участках материков и на дне океанов.

За год на Земле происходит несколько сотен тысяч землетрясений, т.е. в среднем 1-2 в минуту. Сила их различна; большинство улавливается только высокочувствительными приборами - сейсмографами, другие ощущаются человеком.

Землетрясения можно подразделить на эндогенные (связанные с глубинными процессами) и экзогенные. Эндогенные бывают вулканические (вызванные процессом извержения) и тектонические (обусловленные перемещением вещества в недрах Земли). Экзогенные землетрясения случаются при подземных обвалах, взрывах газов, обвалах скал, ударах метеоритов, падения воды с большой высоты и др.

Нас интересуют эндогенные землетрясения.

Одним из самых разрушительных в нашей стране было землетрясение в Ашхабаде 5 октября 1948 г. Участок, в пределах которого подземные толчки ощущались с наибольшей силой, располагался в 25 км к ЮВ от Ашхабада. На поверхности Земли было много трещин различного размера (некоторые достигали нескольких сотен метров), произошли многочисленные осыпи, обвалы, оползни. Город Ашхабад был разрушен полностью, погибли более 100 тыс. человек. Сила этого землетрясения достигала 10 баллов. Землетрясение в Анкоридже на Аляске 27 марта 1964 года достигало 12 баллов. Огромный береговой блок съехал в море. Землетрясение в Ташкенте 26 апреля 1966 г., сильно разрушившее город, оценивалось в 8 баллов.

В глубинах Земли постоянно накапливаются упругие напряжения, и в тот момент, когда они достигают предела прочности горных пород, в последних возникает разрыв, потенциальная энергия переходит в кинетическую, напряжение снимается, а энергия в форме упругих волн распространяется во все стороны от разрыва (очага землетрясения), достигает поверхности Земли и там ощущается в форме подземного толчка или колебаний почвы. Таким образом, каждое землетрясение сопровождается освобождением упругой энергии. И важно определить ее величину.

Магнитуда изменяется от 0 до 8,8.

Глубинный центр, или очаг землетрясения, называется гипоцентром (в плане округлая или овальная площадь). Область, расположенная на поверхности Земли над гипоцентром, называется эпицентром. Она характеризуется максимальными разрушениями, причем многие предметы здесь смещаются вертикально (подпрыгивают) и трещины в домах располагаются вертикально. Область над очагом называется плейстосейстовой областью.

При смещении блоков земной коры возникает несколько типов волн.

Продольные волны (Р) - волны сжатия и разрежения среды, следующие попеременно одна за другой со скоростью (в твердых породах) порядка нескольких километров в секунду. Продольные волны - реакция среды на изменение объема; они распространяются с твердых, жидких и газообразных средах. Частицы вещества колеблются в направлении движения волн, т.е. во все стороны от источника колебаний.

Землетрясение обычно происходит не в результате единовременного акта на глубине, а вследствие какого-то длительно развивающегося процесса движения материи во внутренних частях земного шара. Обычно за начальным крупным толчком следует цепь более мелких толчков (афтершоков). Время их проявления составляет период землетрясения. Все толчки одного периода исходят из общего гипоцентра, который иногда в процессе развития может смещаться, а вместе с ним и эпицентр.

Изменения поверхности Земли при землетрясениях.

Изменения эти выражаются в образовании трещин, провалов, складок, поднятий участков суши, островов в море. Эти нарушения называются сейсмическими; они часто способствуют образованию мощных обвалов, осыпей, оползней, селей, появлению новых источников, исчезновению старых, образованию грязевых сопок и др. (постсейсмические нарушения). Явления, связанные с землетрясениями как на поверхности, так и в недрах, называются сейсмическими явлениями. Их изучает наука сейсмология.

Сейсмические нарушения.

Трещины. Наиболее распространенная форма сейсмических нарушений, образуется почти при всех землетрясениях. Трещины делятся на открытые (с раздвинутыми стенками) и закрытые (с соприкасающимися стенками). Выделяются трещины с видимым вертикальным или горизонтальным перемещением стенок вдоль трещины и трещины без перемещения. Трещины образуются в твердых и рыхлых породах (в последних плохо сохраняются).

Системы трещин почти всегда расположены в определенных направлениях. В эпицентре они очень крутые, по мере удаления от него становятся положе, причем одна из систем трещин наклонена в стороне эпицентра. Иногда при повторных толчках открытые трещины закрываются очень плотно, до расплющивания пород.

Трещины с резкими значительными вертикальными перемещениями часто хорошо выражены в рельефе - приподнятая часть обрывается в виде уступа, пересекающего все другие формы рельефа.

Провалы - котловины, опустившиеся участки по двум или нескольким сопряженным трещинам.

Положительные формы рельефа. Во время землетрясения в Сопоре в 1887 г. на северной границе Мексики между двумя сбросами поднялась цепь холмов высотой до 7 м. Во время землетрясения в Средней Азии в 1911 г. по р. Аму одно из крыльев сброса сильно приподнялось, образовав вал длиной свыше 50 км, высотой до 10 м, пересекавший овраги. подпруживавший ручьи.

Таким образом, сейсмические формы на поверхности Земли весьма разнообразны, но, как правило, быстро разрушаются под воздействием экзогенных процессов, поэтому встречаются реже остальных форм.

Регистрация землетрясений.

Сейсмографы - приборы для записи волн землетрясений (сейсмических волн). Основаны на принципе маятника. Сейсмические волны выводят из равновесия подставку маятника, колебания маятника записываются на бумаге или пленке, находящимися под острием маятника. Сейсмографы бывают двух типов: с вертикальным и горизонтальным расположением маятника. Сейсмограф состоит из стержня, маятника, укрепленного на стержне, проволочного подвеса, записывающего устройства, теперь обычно заменяемого световым лучом, вращающегося барабана с бумагой или фотобумагой, массивной подставки, укрепленной на грунте. После прихода волны маятник несколько отстает от подставки, начиная колебаться позже нее.

Скорость прохождения волн не одинакова на всех этапах землетрясения. Для выяснения характера движения волны составляют графики кривых времени пробега - годографы (по вертикали откладывают время в минутах, по горизонтали - расстояние в градусах меридиана). По годографу и разности времени прихода продольных и поперечных волн легко определить расстояние до эпицентра. Местоположение его определяется методом засечек с различных станций.

Географическое распределение землетрясений.

Эпицентры землетрясений расположены по поверхности земного шара закономерно. Основная масса землетрясений (около 90%) располагаются в двух узких сейсмических поясах, окаймляющих земной шар.

Тихоокеанский пояс протягивается вдоль восточного побережья Азии, к северу и востоку от Австралии, вдоль западного побережья Америки (68% всех землетрясений, особенно в Японии и на Филиппинах).

Средиземноморский пояс охватывает острова Зеленого Мыса - Португалию - Средиземное и Черное моря - Малую Азию - Гималаи - Индонезию с боковой ветвью в сторону Центрального Китая. С этим поясом связан 21% землетрясений.

В России основными сейсмическими районами являются Кавказ, район Байкала, Камчатка, Курильские острова.

За пределами указанных двух поясов за последние 100 лет совершилось не более 11% всех землетрясений. Очаги землетрясений есть и в средней части Атлантического океана - от Шпицбергена через Исландию до о-ва Буве в южной части Атлантического океана. Небольшие пояса - от р. Нил через область Великих озер Африки; вдоль Урала и др.

Как правило, землетрясения происходят в областях наиболее резкого колебания высот рельефа, т.е. там, где горы чередуются со впадинами. Области же больших равнин (Восточно-Европейской, Западно-Сибирской и др.) являются асейсмичными. Это объясняется тектонически. Участки с расчлененным рельефом связаны со значительными проявлениями тектонических напряжений, а равнины относятся к платформам, т.е. устойчивым областям. Области проявления землетрясений в основном совпадают с областями вулканизма. Замечено, что в одних случаях землетрясения как бы оживляли вулканическую деятельность, а в других - извержения вулканов прекращались после землетрясения. Например, после Лиссабонского землетрясения перестал действовать Везувий. Все это свидетельствует об их связи, общности процессов движения вещества в подкоровом слое.

На Земле в год происходит примерно одно катастрофическое землетрясение, около 100 разрушительных и около 1 млн. ощутимых в населенной местности (по Б.Гутенбергу и Ч.Рихтеру).

Причины землетрясений

Причины землетрясений окончательно не ясны. Землетрясения зарождаются в различных частях земной коры и в подкоровом слое, в условиях твердой среды. Большинство ученых считает, что причины землетрясений - смещения на глубине в веществе Земли, связанные или с моментальным сдвигом, со скольжением, или с кручением вещества. Это доказывается тем, что гипоцентры землетрясений расположены вдоль плоскостей ранее существовавших разрывов земной коры (разлом Сан-Андреас, зона на юге Крыма и др.). Вдоль берегов Охотского моря также имеется такая зона. Плоскости этих разломов обычно наклонены в сторону суши. Области суши по ним движутся в сторону моря. Эти движения вызывают напряжения, с которыми связываются повторные разрывы, которые и вызывают землетрясения.

Гипотеза разрывного происхождения землетрясений доказывается тем, что в целом ряде землетрясений поперечные волны, образующиеся при сдвигах, оказываются более интенсивными, чем волны продольные. В случае простого сжатия и растяжения вещества без разрыва продольные волны были бы более сильными.

Выяснению причин землетрясений способствует анализ сейсмограмм. Разрабатываемая аппаратура позволяет раздельно изучать продольные и поперечные волны, что очень важно.

Значение изучения землетрясений

Землетрясения приносят неисчислимые бедствия человечеству. Современная наука может лишь уменьшить вредные последствия землетрясений. Решение этих задач сводится к следующему: 1) определить область возможного распространения землетрясения; 2) определить возможную силу землетрясения в определенной области; 3) в зависимости от силы землетрясения разработать такой тип построек, который был бы максимально устойчив; 4) своевременно предсказать начало катастрофического землетрясения.

Первая задача в настоящее время решается более-менее точно, исходя из анализа тектонического строения земной коры, учета эпицентров ранее произошедших землетрясений. Остальные задачи в полной мере пока не решаются.

Для регистрации землетрясений в СССР были организованы почти 200 сейсмических станций, информация поступала в специализированные институты. В настоящее время эта сеть функционирует лишь частично. Всего на земном шаре действует более 400 сейсмических станций. Важное значение имеет изучение геологического строения, тектонических особенностей участка, характер новейших колебательных движений земной коры (см. ниже). Учет силы землетрясений прошлых лет позволяет предположить силу будущих землетрясений, возможных в данной местности. Так составляются карты сейсмического районирования. На таких картах показаны ограниченные изосейсмами районы, в которых возможны землетрясения той или иной силы (от 5 баллов и выше).

Антисейсмическое строительство

Опыт показал, что возведенные определенным образом постройки могут противостоять многобалльным землетрясениям. При этом очень важно учитывать характер грунта. В сейсмических районах лучше строить на массивных скальных невыветрелых породах, а также на мощных толщах аллювиальных и делювиальных отложений (играющих роль "подушки"). Неблагоприятны для строительства маломощные рыхлые четвертичные отложения: галечники, глины, суглинки и т.п., залегающие на скальных породах, а также разрушенные и водоносные коренные породы. Особенно опасно строительство на маломощных четвертичных отложениях на склонах гор и оврагов, под отвесными скалами и т.п.

Существует мнение о большей устойчивости сооружений над подземными пустотами, построек, окруженных водоемами и т.п. (волны, переходя из одной среды в другую, гасятся). Но здесь может возникнуть опасность обрушений, оползней.

Наиболее удачны два типа антисейсмических построек: 1) легкие бревенчатые здания с хорошо связанными перекрытиями, с легкой крышей, пружинящие при сдавливании (для сельской местности); 2) массивные железобетонные постройки с мощным фундаментом, крепкой связью постройки с фундаментом. Нижняя часть постройки должна быть более массивной, чем верхняя. Форма здания - круглая, овальная или с закругленными углами (для городов).

При землетрясении 1948 г. в Ашхабаде устояло круглое здание элеватора, здание древней мечети. Так же стойки круглые пагоды в Японии.

Если направление сейсмических волн известно, четырехугольные здания рекомендуется строить под углом 45╟ к фронту. Окна целесообразны овальные.

Даже высокие дома, построенные с учетом всех требований антисейсмического строительства, выдерживали очень сильные землетрясения (в Сан-Франциско, например, прекрасными антисейсмическими качествами обладает 19-этажное здание высотой 96 м.

Предсказание землетрясений

Труднее всего предсказать время начала землетрясения, что как раз самое важное. С давних пор известны факты "предчувствия" землетрясений некоторыми животными. За несколько часов до землетрясения возбуждаются коровы, собаки, но особенно сильно подземные животные - кроты, мыши (вылезают из нор и бегут). Некоторые исследователи пытаются связать эти явления с появлением перед землетрясением электромагнитных волн, но это не доказано.

Разрабатываются следующие способы предсказания землетрясений: 1) Выявление изменений электромагнитного поля Земли, предшествующих землетрясению. 2) Улавливание звуковых волн в земной коре (впервые метод применен в Италии). Звукоулавливающая аппаратура погружается в Землю. В Калифорнии аппарат был установлен на глубине 110 м в колодце с водой. Фиксироваося подземный шум перед землетрясением. Но в большинстве случаев землетрясение таким способом не предсказуемо. 3) Изучение наклонов земной поверхности высокочувствительными наклономерами (в Японии). Считается, что перед землетрясением изгиб земной поверхности, вслед за которым совершается разрыв, может быть зафиксирован. Приборы - кварцевые дефиографы и водяные уровни - достаточно чувствительны (до долей секунды). Недостаток метода - изменения земной поверхности так малы, что трудно установить их причину. Не предсказуем и район землетрясения. 4) Изучение упругих свойств вещества внутри Земли в связи с увеличением сил сжатия перед землетрясением. Этот метод технически очень труден.

Общий недостаток методов - ненадежность.

Вопросы для самопроверки.