Провал, взрыв, сдвиг

- Вы будете заниматься механизмами землетрясений, - зал мне по телефону в Москве шеф. - Оформляйте командировку и выезжайте. Прошу вас, не задерживайтесь.

...Возможно, читатель будет удивлен, поняв, что основой сейсмологической науки по сей день является сейсмограмма, почти неотличимая от тех, которыми пользовался еще до первой мировой войны отец русской сейсмологии Б. Б. Голицын. Но это так. Сейсмографы системы Голицына (прекрасная вещь!) по сей день на вооружении науки.

Говорят, в этой неровной синусоидальной кривой, нарисованной перописцем, а чаще "зайцем" (световым зайчиком) на фотобумаге, - вся информация и о самом источнике сейсмического сигнала, и о среде на пути этого сигнала. Нужно только научиться "читать" эти письмена...

Думается, это утверждение столь же верно (и столь же неверно), как и мнение "доквантовых" физиков о принципиальной определимости координат микрочастицы или о независимом от наблюдателя объекте наблюдения. Мне не хотелось бы брать на себя слишком много, заявляя, что принципы неопределенности и дополнительности легко перенести на сейсмологическую почву. Но - читатель убедится - процесс практической "камеральной" работы с материалами наблюдений очень часто сталкивает сейсмолога с проблемами, весьма похожими на трудности физика, пытающегося подойти к микромиру с позиций буквального детерминизма.

Да, в сейсмограмме землетрясения, особенно если это сейсмограмма с хорошей разверткой (такие получают, например, при записи сигналов на магнитную ленту), наверняка скрыты все нужные данные об очаге землетрясения и о среде по пути сейсмической волны. Вот только разделить эти две составляющие... Мне приходилось слышать такое, крайне, скептическое мнение: ни в чем нельзя быть уверенным, если, например, данные о среде у нас только сейсмологические, если мы не изучили ее еще каким-нибудь методом. Своеобразные взаимоотношения дополнительности! Уравнение с двумя неизвестными, требующее для своего точного решения еще одного уравнения.

Что же там есть, на сейсмограмме?

Самые простые и ясные непосвященному сигналы (они же и самые интересные, больше всего давшие науке) - это моменты прихода, первые вступления продольной волны (это волна сжатия - разрежения, во всем подобная обычной звуковой волне) и волны поперечной. Расстояние на сейсмограмме между этими первыми вступлениями - это разность во времени прихода продольной и поперечной волн, очень важный параметр, характеризующий, во-первых, расстояние до очага землетрясения и, во-вторых, отношение скоростей продольной и поперечной сейсмических волн, по которому можно определять опасное сгущение энергии на пути сейсмического "луча", предвещающее сильное землетрясение...

Размах колебаний на сейсмограмме - амплитуда... Учтя расстояние до очага, по максимальной амплитуде мы определим энергию, магнитуду землетрясения. А разные отклонения от среднего характеризуют свойства среды. Длинный хвост записи, похожий на хвост метеора, - тоже весьма интересный объект изучения. Это - запись волн, долго плутавших, отражавшихся от разных слоев, преломляющихся. Длина хвоста тоже говорит о свойствах среды. Полной неожиданностью для сейсмологов было необычайно долгое сейсмическое эхо на Луне. Там хвост записи удара от отделившейся ступени раке ты растянулся на целый час. Как сейчас предполагают ученые столь долгое почти без затухания блуждание сейсмически! волн в недрах ночного светила, возможно, связано с полным отсутствием воды в лунной коре. И это (если это так) - сильнейший довод в пользу "водного" варианта гипотезы дилатенсии, сулящей нам эффективный прогноз землетрясений.

Впрочем, одно перечисление всего, что можно увидеть на сейсмограмме, заняло бы полкниги. Нам досталось самое первое, самое "простое", самое начало сейсмограммы - вступление продольной волны.

...Еще только начиналась эта наука. И первые сейсмологи-станционники при определении эпицентров землетрясений столкнулись со странным явлением. Сейсмографы в те времена не измеряли вертикальных колебаний почвы, не имели "вертикальной компоненты", а только две горизонтальные - широтную и меридиональную (в этих направлениях у них качался под действием подземных толчков массивные маятники). Именно с помощью этих двух компонент определялось направление от станции на землетрясение. И нередко начинающие станционники ошибались на 180 градусов. Почему?

"Бывают... случаи, когда фронт первой волны представляем собой волну разрежения, вызывая как бы всасывающее действие и тем самым смещая элемент поверхности Земли в сторону к эпицентру". Так писал более 60 лет назад основоположник научной сейсмологии, академик Голицын. Вот это противоположное здравому смыслу движение к землетрясению, как к всасывающей воронке (а не от него), и порождало странные результаты измерений с точностью "до наоборот".

Голицын подозревал, что двоякое поведение первой приходящей к прибору волны связано с тем, как реально движется горная порода в очаге землетрясения - от наблюдателя или к нему. И советовал сейсмометристам выходить из положения с помощью вертикального сейсмографа (маятник которой способен качаться только строго вертикально). "Так как продольные волны идут всегда снизу, то, если вертикальный сейсмограф укажет, что первое смещение почвы было кверху, то тем самым определится, что первая пришедшая волна была волною сжатия и наоборот", - писал дальше Голицын. Теперь, когда положительные и отрицательные вступления продольной волны из очага землетрясения перестали быть просто источником ошибок, а стали важнейшей составной частью сейсмологических наблюдений, первое вступление на Z-компоненте (зенитном сейсмографе) обязательно проставляется в международном бюллетене, где регулярно печатаются сведения обо всех сильных землетрясениях мира. В этом бюллетене хорошо видно, что от одного землетрясения на разные станции волна приходит то в виде положительного, то в виде отрицательного вступления - факт, во времена Голицына еще неизвестный.

О чем говорит этот факт? Представим себе, что мы ровно ничего не знаем о том, почему и отчего происходят землетрясения ... Но мы знаем, что на разные станции первое вступление сейсмической волны может прийти как в виде положительного (от очага), так и в виде отрицательного {к очагу) вступления. Можем ли мы на этой основе (см. рис. 2) построить достаточно уверенную модель происходящего там, в черных глубинах?

Гёте, говоря о Лиссабонском землетрясении, упомянул и о своих воззрениях на природу очага землетрясения: "Со всех сторон земли поступали все более подробные сведения о влиянии подземного взрыва".

Взрывом считал первопричину землетрясений английский ученый Мале, которого называют иногда первым сейсмологом. Допустим, первотолчок землетрясения - действительно взрыв. От взрыва тоже идут во все стороны сейсмические волны. Но где бы мы ни поставили наши сейсмоприемники, они должны качнуться от источника волны, все первые вступления будут положительными. Так, кстати, можно отличить на записях взрыв от естественного землетрясения (правда, бывают случаи, когда вулканический или искусственный взрыв "маскируется" под настоящее землетрясение, и это очень интересные случаи, но об этом немного дальше). Значит, взрыв как модель землетрясения не годится.

В свое время (в 1857 году) упомянутый уже Мале, исследуя плейстосейстовую область (область наибольших разрушений) Неаполитанского землетрясения, стал жертвой своих неверных теоретических представлений о физике очага землетрясения. Он был на правильном пути, пытаясь установить направление на очаг, глубину "фокуса" землетрясения по расположению трещин, смещению сдвинутых и опрокинутых предметов. Но Мале считал источником волн вулканический взрыв. А раз взрыв, значит, лобовой удар, а волны, распространяющиеся от очага, только продольные. А ведь наибольшие разрушения бывают как раз от поперечных колебаний, значит, все вычисления Мале были проведены впустую, с точностью "до наоборот"!

Рис. 2. Что дает сейсмологу определение механизмов землетрясений? Прежде всего - возможность отличить настоящие тектонические землетрясения от нетектонических, например взрывов, искусственных, или вулканических (верхний рисунок), или подземных обвалов (внизу). Настоящие землетрясения на сети станций всегда образуют четыре чередующиеся области с первым движением горных пород от очага (+) или к очагу (-). Это первая информация о землетрясении, запечатленная в самом начале сейсмограммы. Средний рисунок - это тектоническое землетрясение. Движение в очаге идет по типу надвига (по одной из возможных плоскостей разрыва). Видно, что в том случае, если бы "сработала" вторая плоскость, этого по механизмам никак нельзя было бы уловить, но геологический смысл движения в данном случае не изменился бы, землетрясение осталось бы надвиговым

Когда-то думали, что землетрясения вызываются обвалам в подземных пустотах. Вслед за знаменитым геологом XIX века Ч. Ляйелем проницательный русский геолог Д. Соколов в 1842 году писал: "Ни подъема, ни обрушения какой-либо толщи нельзя допустить без полости под нею". Представим себе это явление (в принципе возможное и отмеченное в районах развитого карста, где много подземных пещер, пустот). Камни, грунт, оторвавшиеся от свода, с силой ударяют в дно пещеры. Ясно, что удар в этом случае направлен от земной поверхности, и все расположенные там сейемоприемники покажут отрицательное вступление (только к очень удаленным могут подойти волны, направившиеся вниз от дна пещеры), Но таких сплошь отрицательных вступлений сейсмологи от настоящих землетрясений не получают.

Иное дело - модель сдвига...

Еще великий австрийский геолог Э. Зюсс в конце прошлого века обратил внимание, что землетрясения в Австрии как бы нанизаны на некие линии, причем линии эти были явно связаны со строением Альп. Правда, до него связь землетрясений со всякого рода разломами и сдвигами в земной коре (их называют дислокациями) замечали и Ляйель, и Соколов, и другие геологи. Но все эти предшественники, отмечая связь дислокаций с землетрясениями, подчеркивали, что считают дислокации следствиями независимо происходящих первотолчков (взрывов или обрушений). Зюсс впервые отождествил дислокации с очагами землетрясений. Он раз и навсегда разделил землетрясения на вулканические и тектонические, а тектонические в свою очередь попытался подразделить на сдвиговые землетрясения, вызванные горизонтальными напряжениями земной коры, и сбросовые (землетрясения с вертикальным взаимным перемещением "крыльев" - берегов трещины-дислокации).

В 1906 году в молодой науке сейсмологии произошло два больших события. Русский физик академик Голицын изобрел электромагнитный сейсмограф, неизмеримо повысивший точность регистрации землетрясений. А американский исследователь доктор Рид вооружил наконец науку настоящей теорией тектонического землетрясения. Эта теория, развитая и видоизмененная, лежит в основе всей сейсмологии по сей день.Калифорнийские землетрясения и сейчас высоко "ценятся" за необычайную чистоту и понятность происходящих движений. Сильные толчки привязаны здесь к уникальному для континентальной коры сдвиговому разлому Сан-Андреас. Сдвиговое движение по этому разлому, как медленное, без толчков (такое тектоническое движение носит название крипа), так и быстрое, с разрушением во время землетрясений, можно считать классическим, бесспорным. Во время землетрясения 1906 года крылья разлома сместили изгороди дороги на 7-8 метров!

"Кора во многих местах Земли, - писал Рид в своей знаменитой, сейчас ставшей хрестоматийной статье, - медленно перемещается, и разности перемещений в соседних областях создают упругие деформации, большие, чем порода может выдержать, затем возникает разрыв, и деформированные породы испытывают отдачу под действием их собственных упругих напряжений, пока эта деформация в значительной мере не будет снята... Эти деформации не возникают внезапно, но постепенно накапливаются благодаря медленному перемещению соседних областей".

До Рида (впрочем, этот взгляд и сейчас встречается среди сейсмологов) ученые представляли себе очаг землетрясения, источник сейсмических волн, в виде точки. По Риду, очаг - это прежде всего плоскость, более или менее, в зависимости от масштаба землетрясения, обширная площадка, по которой скользят друг относительно друга соседствующие блоки коры. Основные положения модели Рида не оспариваются по сей день. Поправки же и дополнения к ней основаны на все растущем осознании того факта, что геологическая среда, геологическое пространство-время во многом отличаются от условий лабораторных разрушений (Рид прямо применил к землетрясениям основы теории упругости, разработанной для совершенно других масштабов и материалов.)

Если взять кусок парафина и сжимать его в тисках, то можно заметить, что, сжимаясь в направлении действия сдавливаемых челюстей тисков, образец как бы расширяется в перпендикулярном направлении. Так, решил Рид, все идет и в сжимаемом кубе горных пород: всегда есть ось наибольшего сжатия и перпендикулярная ей ось наименьшего сжатия (или, проще, растяжения). Плоскость же разрыва пойдет по диагонали куба (под 45 градусов к осям напряжения) - либо по одной, либо по другой, либо по обеим (В том случае, если помимо одноосного сжатия в тисках образец находится в состоянии достаточно высокого всестороннего давления, как это всегда бывает в недрах Земли. Без этого условия трещина может пойти иным образом). Расположение в пространстве этих осей и плоскостей, если их установить, и есть механизм землетрясения.

Можно мысленно окружить очаг землетрясения шаровой поверхностью, сферой. Энергия из очага пойдет во все стороны неравномерно. Самый большой импульс движения от очага пойдет в двух противоположных направлениях вдоль оси растяжения. (В недрах Земли, в условиях всестороннего сжатия, строго говоря, не может быть оси растяжения, а может быть только ось наименьшего сжатия. Но для простоты о ней часто говорят как об оси растяжения) Самый большой импульс смещения к очагу - вдоль оси сжатия. Если нанести на сферу все положительные вступления первой волны в виде плюсов и все отрицательные в виде минусов, то ось сжатия окажется в центре области минусов, ось растяжения - в центре области плюсов, а границы между ними совпадут с пересечением сферой двух возможных плоскостей разрыва.

Примерно так представил себе сдвиговую модель очага землетрясения японский ученый Накано в 1923 году. Примерно таким видят сейчас практически механизм землетрясений сейсмологи.

Только невозможно, да и нет нужды окружать очаг сферой из сейсмоприемников. Зная законы преломления волн, можно такую сферу построить на чертеже. Сейсмический луч от очага до каждой станции проткнет эту сферу в той или иной точке. На чертеже сфера изображается плоскостью - кружком, на который проектируют и очаг землетрясения, вернее, ту точку очага, откуда начинается и откуда приходит самая первая волна-сигнал (центр кружка), и станции - точки с положительными и отрицательными вступлениями. Нужно только, чтобы станций было больше да и расположены они были на разных расстояниях от эпицентра землетрясения, более или менее равномерно вокруг него. Значит, нужно либо равномерно размещать сеть станций вокруг сейсмичных районов (так устроена наша гармская сеть станций), либо хорошо наладить международную сеть, международное сотрудничество, обмен сейсмологической информацией. И то и другое в наше время более или менее сделано.

Землетрясение - это горообразование в действии, это воплощенное время сейсмотектонического процесса, это пульсация секундной стрелки на часах тысячелетий. А если это так, то установленный механизм землетрясения, а точнее, механизмы тысяч землетрясений, рассмотренные в комплексе, во времени и пространстве, - это построчная расшифровка истинного смысла и содержания до сих пор таинственного и спорного явления, имя которому - геологический процесс. При обращении к каталогам механизмов землетрясений для разных районов мира охватывает острое чувство присутствия при обычно скрытом своей медлительностью процессе, чувство близости открытия. Чувство это, может быть, преувеличено. Механизмы раскрывают не все и кое в чем, как видит читатель, двусмысленно.

И все же трудно представить себе картину мира, из которой кто-то вычеркнул бы то, что дала науке расшифровка механизмов, то есть движущих сил, землетрясений. Поэтому имена тех, кто разрабатывал методику этих расшифровок, навсегда останутся в истории науки. Это японцы Накано и Хонда, американцы Байерли и Ходжсон, наши Кейлис-Борок и Введенская. Нельзя не поклониться этим людям за минуты острого чувства озарения, которое охватывает, когда из кажущегося сумбура цифр начинает вырисовываться картина, которую так и хочется назвать истиной. Но не нужно слишком поспешно следовать этому желанию...