Землетрясение

Землетрясение, естественные сотрясения земной поверхности, которые происходят вследствие движений, возникающих в глубине земли. Сила землетрясений варьирует от ничтожных дрожаний, не ощутимых для человека, до сильнейших движений, производящих катастрофические разрушения. Сильные землетрясения представляют для человечества одно из серьезнейших бедствий. Особенно страшны они внезапностью наступления и своей непредотвратимостью. При сильных землетрясениях земная поверхность то приходит в волнообразное движение, то получает ряд толчкообразных ударов. Здания рушатся, их обитатели погибают под обломками. В течение нескольких минут, даже в несколько секунд, цветущие города превращаются в груду развалин, разоряются целые области. Землетрясения  на побережье морей часто сопровождаются приливными волнами. Море вначале отходит от берега, а затем громадной волной устремляется на сушу, сметая все,  встречающееся на пути. Насколько ужасны последствия катастрофических землетрясений, показывают следующие примеры. Землетрясение  в 536 г., охватившее часть Сирии и Малой Азии, уничтожило 120 000 чел. Землетрясение, разыгравшееся там же в 1759 г., превратило в развалины несколько городов и погубило свыше 30 000 чел. Грозное лиссабонское землетрясение 1-го ноября 1755 г. в течение 5 мин. разрушило цветущую столицу Португалии и мн. др. города и погубило около 60 000 чел. Землетрясение в Сицилии 1693 г. уничтожило около 60 000 чел. Ужасное калабрийское землетрясение 5 февраля 1783 г. в течение 2 мин. разрушило множество деревень и городов Калабрии и северо-восточной Сицилии и унесло около 30 000 человеческих жизней. Из землетрясений более нового времени выделяются: японское землетрясение 1891 г., захватившее провинцию Мино-Овари; оно разрушило около 20 000 построек и погубило до 7 тыс. чел.; калифорнийское землетрясение 16 апреля 1906 г., причинившее громадные разрушения г. Сан-Франциско, и особенно страшное мессинское землетрясение 28 декабря 1908 г., разрушившее до основания города Мессину и Реджио и погубившее 77 283 чел. В России печальную память оставили землетрясения в г. Верном 28 мая 1887 г., унесшее 332 жизни; ахалкалахское землетрясение 19 декабря 1899 г., погубившее 208 чел., и особенно андижанское землетрясение 3 декабря 1902 г., при котором погибло больше 4 ½ тыс. человек.

Явления, связанные с землетрясениями, называются сейсмическими (греческий seismos — сотрясение земли). Отрасль знания, изучающая их, носит название сейсмологии. Движения, производящие сейсмические явления, возникают на некоторой глубине в теле земли. Достигая земной поверхности, они приводят в движение частицы поверхностного слоя. Непосредственному наблюдению доступны лишь эти последние движения. Отсюда понятно то исключительное значение, которое имеет для сейсмологии точное выяснение всех элементов данного движения. Колоссальные успехи современной сейсмологии неразрывно связаны с усовершенствованием наблюдательной техники. В настоящее время сейсмические колебания записываются саморегистрирующими приборами, называющимися сейсмографами. Эти приборы отмечают момент наступления колебания, записывают в увеличенном виде путь, проходимый при колебании точкой земной поверхности, и указывают скорость движения во всех его фазах. Конструкция сейсмографов разнообразна, но прототипом для всех их служит простой маятник. Пусть мы имеем массу А, совершенно неподвижную (фиг. 1а). Поверхность почвы de приходит в движение, увлекая укрепленную в почве дощечку с. Прикрепленный к А штифт при движении дощечки начертит на ее поверхности линию (фиг. 1b). Неподвижной точкой и служит центр тяжести обыкновенного вертикального маятника. При землетрясении приходит в колебательное движение, вместе с почвой, точка прикрепления маятника (фиг. 2), а его центр тяжести остается неподвижным, так как тяжелая масса его подвеса, в силу инерции, отзывается на передвижении точки прикрепления с некоторым опозданием. Поэтому непрерывно следующие друг за другом противоположные движения точки прикрепления маятника не оказывают на тяжелую массу последнего никакого действия. Неподвижность центра тяжести маятника тем совершеннее, чем больше масса его привеса и чем длиннее его собственный период качания. Штифт такого маятника чертит на подставке линию действительного движения последней. В результате повторных движений вычерченные линии накладываются одна на другую и дают спутанный рисунок (фиг. 3), на котором трудно разобрать отдельные фазы движения. Для устранения этого неудобства, поверхности, на которой вычерчивается кривая, придают равномерное движение. Движение точки земной поверхности, как и всякое движение, может быть разложено на три составляющих: две горизонтальных, например N—S и W—О, и вертикальную. Современные сейсмографы обычно вычерчивают лишь одну составляющую. Для регистрации горизонтальных составляющих наичаще употребляются т. н. конические или горизонтальные маятники, идея устройства которых представляет лишь некоторое видоизменение идеи вертикального маятника. Тяжелый горизонтальный маятник состоит из массы G, прикрепленной к концу коленчатого стержня А (фиг. 4), противоположный конец которого упирается в агатовое гнездо штатива. Нить F удерживает маятник в его положении. Масса G выходит из состояния равновесия от движений, направленных к плоскости привеса, но к движениям, параллельным этой плоскости, маятник не чувствителен. Значит, такой маятник зарегистрирует лишь одну горизонтальную составляющую движения. Движение массы G, увеличиваясь помощью системы рычагов, передается штифту, который оставляет соответствующую черту на равномерно вращающейся катушке (фиг. 5). Более совершенная регистрация происходит отражением светового пучка от зеркала, прикрепленного к массе G, на светочувствительную бумагу. Для регистрации вертикальной слагающей служат пружинные маятники. Они представляют тяжесть N, насаженную на пружине F, противоположный конец которой при G укреплен неподвижно. Вертикальные движения N при помощи коленчатого рычага I увеличиваются и передаются пишущему штифтику р (фиг. 6). Чувствительность сейсмографов доводится до высокой степени. Их записи увеличивают истинное движение в 200—300, в 700—800 раз. В Гёттингене Вихертом установлен маятник с увеличением в 5 000 р. Если в некотором отдалении от такого маятника прижать руку к земле, то он отмечает колебания почвы, вызываемые ударами пульса. Одновременные записи трех компонентов движения (фиг. 7) дают возможность выяснить все элементы последнего. Это движение часто бывает весьма сложным.

Механическая энергия, освободившаяся на некоторой глубине под земной поверхностью в области С (фиг. 8), распространяется в виде упругих волн W₁-W₅. До поверхности волны, прежде всего, доходят по вертикали СА. Область С называется гипоцентром, а также фокусом, очагом или гнездом землетрясений; область А — эпицентром землетрясений. В эпицентральной области и в непосредственной близости от нее землетрясение является наиболее интенсивным. Область наиболее напряженных ударов аа' называется плейстосейстовой, а само землетрясение здесь называется местным землетрясением. К периферии плейстосейстовой области удары ослабевают, но они все еще ощущаются до расстояния на несколько сот километров — это будет область близкого землетрясения, ab. На большем расстоянии сотрясения для нас не ощутимы, они регистрируются лишь чувствительными сейсмографами. Такие сотрясения называются микросейсмическими. Они распространяются на тысячи км, их область bD составляет область отдаленного землетрясения. Диаграммы сейсмографов рисуют отдаленные землетрясения в следующем виде (фиг. 9). Наступление землетрясений отмечается значительными зубцами, которые вскоре ослабевают — это первые волны-предвестницы. Через некоторое время следует новое внезапное усиление зубцов — это вторые волны-предвестницы. Наконец, в дальнейшем появляются еще большие колебания, представляющие главные волны. Они, то усиливаясь, то ослабляясь, постепенно затухают. Первые волны-предвестницы суть волны продольные, вторые волны-предвестницы – поперечные. Промежуток времени между приходом первых и вторых волн-предвестниц и между волнами-предвестницами и главными волнами тем больше, чем далее отстоит пункт наблюдения от эпицентра землетрясения. В силу этого по характеру диаграммы расстояние пункта наблюдения от эпицентра легко определяется, а по диаграммам двух пунктов наблюдения довольно точно находится географическое положение эпицентральной об-ласти. Промежутки времени, в течение которых волны-предвестницы доходят до различных пунктов наблюдения, не пропорциональны расстояниям последних от эпицентра. Значит, эти волны распространяются не по поверхности. Они идут к пунктам наблюдения от фокуса С (фиг. 8) по глубоким частям земли. Если бы при этом их путь был прямолинеен, соответственно линиям S₁, S₂, S₃, то указанные промежутки времени были бы пропорциональны длине хорд, проведенных от пунктов наблюдения к эпицентру А. Но этого не замечается. Далее, при прямолинейности пути, волны в большем удалении от фокуса должны выходить к поверхности под более острым углом, в силу чего вертикальная составляющая должна уменьшаться. В действительности же к пунктам более отдаленным волны-предвестницы подходят все более снизу вверх. Значит, данные волны распространяются по кривым линиям (фиг. 10), что может быть лишь в том случае, если в различных частях пути они имеют различную скорость. Последнее подтверждается прямыми наблюдениями: волны-предвестницы, достигающие поверхности дальше от эпицентра и, следовательно, проходящие по более глубоким частям земли, обладают большей скоростью. Скорость первых волн-предвестниц приблизительно равна 8 км в сек. близ земной поверхности и до 13 км в сек. на глубине 1 500 км. Скорость вторых волн-предвестниц около 4 км/сек. в первом случае и около 8 км/сек. во втором. Отношение между скоростями этих волн остается постоянным и равно √3:1. Это как раз соответствует свойству упругой среды, в которой механические нарушения равновесия, толчки и т. п. возбуждают упругие волны двух родов — продольные и поперечные с указанным отношением скоростей распространения.

Фиг. 2. Вертикальный маятник старой конструкции (по Sieberg).

Фиг.  3. Запись землетрясения вертикальным маятником старой конструкции.

Фиг. 4. Схематический чертеж тяжелого горизонтального маятника.

Фиг. 5. Общий вид тяжелого горизонтального маятника.

Фиг. 6. Схематическое изображение сейсмографа для вертикальной составляющей.

Фиг. 7. Запись землетрясения в Токио 20 июня 1894 г.: на верху составляющая SE—NW, в средине NE—SW, внизу вертикальная составляющая.

Фиг. 2—4 по Hobbs-Ruska, «Erdbeben», фиг. 5—7 по Sieberg,   «Hdb. d. Erdb.-kunde».

Фиг. 8. Схематическое изображение движения, возникающего при землетрясении.

Фиг. 9. Диаграмма отдаленного землетрясения, происшедшего в Мексике 14 апр. 1907 г., записанная в Вашингтоне.

Фиг. 10. Схематическое изображение распространения упругих волн, возникающих в фокусе землетрясения.

Фиг. 11. Диаграмма близкого землетрясения.

Фиг. 12. Горизонтальное искривление рельсов во время индийского землетрясения 1897 г.

Фиг. 9, 10 по Hobbs-Ruska, «Erdbeben», фиг. 8, 10, 12 no Sieberg, «Hdb. d. Erdb.-kunde».

Главные волны распространяются иначе. Время, необходимое для достижения ими различных пунктов, пропорционально расстоянию последних от эпицентра землетрясений; отношение вертикального и горизонтальных компонентов всюду остается одинаковым. Таким образом, главные волны распространяются по поверхности. Возникают они в эпицентральной области под влиянием тех толчков, которые испытывает здесь поверхность от действия упругих волн, переходящих из фокуса землетрясений.

В области близких землетрясений (ab фиг. 8)  волны-предвестницы почти сливаются с главными (фиг. 11), которые достигают значительно большей интенсивности. В плейстосейстовой области удары упругих волн (соответствуют волнам-предвестницам далеких землетрясений) достигают наибольшего напряжения. Под влиянием этих ударов волн часто возникают волны тяжести, подобные волнам на водной поверхности. Возникновение таких волн происходит в тех частях эпицентральной области, где поверхность сложена рыхлыми отложениями, покоящимися на твердом основании. Во время землетрясений в Мино-Овари в 1891 г. такие волны достигали 1 фута высоты, расстояние между их вершинами равнялось от 3 до 10 м. Когда поверхность недостаточно упруга, чтобы вернуться к первоначальному состоянию, эти волны остаются после землетрясений как бы застывшими. Эти волны производят наибольшее смещение точек земной поверхности; ужасные разрушения при катастрофических землетрясениях обусловливаются ими. Во время сильных землетрясений земная поверхность в эпицентральной области испытывает ряд других изменений. В горах по склонам рыхлые поверхностные массы сползают вниз, образуя обвалы, запруживающие речки, разрушающие жилища. При землетрясений 1348 г. в восточных Альпах такой обвал засыпал 17 деревень. На равнинах происходят трещины, воронкообразные провалы, из которых нередко выступает мокрый песок, образующий насыпные конусы. Поверхностные рыхлые отложения часто смещаются целыми участками. При этом смыкаются берега речек, искривляются рельсы (фиг. 12) и т. п. Иногда трещины не ограничиваются рыхлыми поверхностными отложениями, а глубоко захватывают и лежащие под ними твердые массы. В Японии и Индии при землетрясении появлялись трещины до 50 и 100 км длиной и до 100 м глубиной. По трещинам происходят опускания прилегающих участков. Сила землетрясений определяется их разрушительностью. Условные шкалы для определения этой силы даны Мерколли и Росси-Форелем. По этим шкалам баллу I соответствуют микросейсмические дрожания, обнаруживаемые только чувствительными приборами, а последнему Х баллу — общее разрушение, сопряженное с образованием в земной коре трещин, сбросов и т. п. Существуют попытки выразить интенсивность землетрясений в абсолютных числах — математическим выражением силы сейсмических движений.

Гнездо землетрясений никогда не является в виде точки, а образует некоторую площадь, — то линейно вытянутую, то имеющую форму овала, то совершенно неправильную. Географическое положение гнезда находится легко. Гораздо труднее определить глубину его залегания. До настоящего времени нет точных методов для таких определений, и все существующие вычисления представляют не более, как первое приближение к истине. Несомненно одно, что глубина гнезда землетрясений в различных случаях изменяется в широких пределах. Определения старыми методами приводили к небольшим цифрам: 8, 9, 11, 27 км. Гораздо значительнее эти цифры получаются при новых определениях. Так, глубина гнезда японского землетрясения 25 июля 1898 г. определена в 40 км, землетрясений 30 ноября 1894 г. — 60 км. Для чарльстоунского землетрясения 1886 г. глубина дается в пределах от 107 до 120 км.

Если гнездо землетрясений располагается под морским дном, то сейсмические волны передаются водной массе, вызывая моретрясения. Последние в открытом море обнаруживаются вздутием морокой поверхности, образованием водяных столбов, как бы вскипанием, ударами сейсмической волны о судно, на котором от таких ударов иногда предметы подбрасываются кверху. Близ берегов же моретрясения часто сопровождаются возникновением приливных волн.

Различные части земной поверхности подвержены землетрясениям не в одинаковой степени. Области, потрясаемые наиболее часто и разрушительно, называются сейсмичными. Такими являются побережья Средиземного моря, особенно Италия, Греция, Малая Азия. Затем сейсмичны страны, кольцом окружающие Тихий океан. Из них особенно выделяются Япония и Средняя Америка. Сейсмичны — Кавказ, горы Персии, Гималаи. Области, менее потрясаемые, называются пенесейсмичными. К ним относятся горы Франции, средней и южной Германии, Алтай и др. Области, потрясаемые слабо и совсем не потрясаемые, называются асейсмичными. Асейсмичны — равнина Европейской России, Сибирская низменность, Канада, многие плоскогорья и др.

География, распространения очагов землетрясений указывает на их тесную связь с процессами горообразования. Сейсмичные страны располагаются в областях новейших горных хребтов и в областях значительного опускания земной коры. При складкообразовании, равно как и при вертикальных перемещениях, в земной коре происходит напряжение, которое при нарушении равновесия разрешается образованием трещин или толчками, возбуждающими сейсмические волны, или тем и другими вместе. Землетрясения, происходящие от этой причины, называются тектоническими. Они характеризуются широкой площадью распространения, значительной продолжительностью и связью их очагов с структурными линиями земной коры, как, например, с линиями разломов. Наиболее разрушительные землетрясения относятся к этой категории. Вторую группу образуют землетрясения вулканические. Они вызываются теми, подземными напряжениями, которые развиваются в вулканических очагах при извержениях. Последнюю группу составляют землетрясения, происходящие от обвалов подземных пустот. Их роль в общей сумме сейсмических, явлений весьма незначительна.

Литература: См. литературу по геологии при статье география, XIII, 252, приложение. Сверх того: F. de Montessus de Ballore, «Les tremblements de terre» ; (1906); Hobbs, «Origin of Ocean Basins in the Light of the New Seismology» («Bull, of the Geol. S. of Amer.», 1907, Vd., XVIII); Hobbs, «The Charleston Earthquake in а New Light» («Geol. Mag.», London, N. S. Vol. V.); Clarence Е. Dutton, «Earthquakes in the Light of the New Seismology» (1904); Lawson, «The California Earthquake of April 18, 1906» (1908); Gilbert, Humphrey, Sewell а. F.' Soulé, «San Francisco Earth, and Fire of April 18, 1906». («Bull. 324 U. S» Geol. Survey», 1907). Cp. также многочисленные статьи Montessus de Ballore, Wichert, Hobbs и др. в «Beiträge zur Geophysik». Сейсмические наблюдения в области России публикуются в «Известиях постоянной центральной сейсмической комиссии», издаваемых Императорской Академией наук.

А. Нечаев.