Механизм "подземных бурь"

Тяжелые последствия землетрясений торопят науку в ее стремлении помочь человечеству обезвредить грозную стихию. Что же может сегодня наука противопоставить "подземным бурям"?

Путь к ответу на этот вопрос лежит через множество других: какова причина "подземных бурь"? Каковы современные представления о природе землетрясений? Возможно ли предсказание места, силы, точного момента времени будущего землетрясения? Ведь именно они определяют направления научного поиска.

В науке есть термин - "черный ящик". Им обычно именуют явление, источник и результат которого известны, а ход неясен. Вы включили телевизор, и на экране появилось изображение. Если вы незнакомы с радиоэлектроникой, он будет для вас "черным ящиком". Ведь понять, что творится внутри, вы не сможете. Примерно таким же "черным ящиком" для сейсмологов до недавнего времени оставалась наша планета Земля. Землетрясения были символом слепого рока.

Многие годы среди ученых господствовало мнение, что прогнозирование землетрясений - удел писателей-фантастов. В основном, не так уж давно, предсказанием землетрясений занимались астрологи, гадалки, различного рода прорицатели. Серьезных широкомасштабных научных исследований по прогнозу подземных бурь не велось. Если какой-нибудь ученый иногда и осмеливался высказать какое-либо мнение по данному вопросу, он делал это с трепетом и сдержанностью, боясь, как бы его коллеги не отмежевались от него. Даже в такой высокосейсмичной стране, как Япония, где люди давно страдают от губительных землетрясений, лет 20-25 назад, по свидетельству известного геофизика, профессора Токийского университета Т. Рикитаке, "сейсмологам даже говорить о предсказании землетрясений не полагалось..."

Но все течет, все изменяется. К шестидесятым годам произошел коренной перелом во взглядах на решение проблемы прогнозирования землетрясений. "Тема "Предсказание землетрясений", - как отметил в своей книге "Катастрофы" английский профессор Т. Уолтхэм, - наконец перешла от прорицателей и религиозных фанатиков к ученым". Во многом этому способствовало, прежде всего, осознанное понимание того, что жизненно важно, как можно быстрее научиться оценивать сейсмический риск, связанный со строительством крупных промышленных комплексов, энергетических объектов, интенсивным заселением новых городов, возводимых во многих сейсмоопасных регионах земного шара, подверженных периодически сильным землетрясениям. Не менее важную роль в обращении сейсмологов, геофизиков, геологов, физиков и других ученых к проблеме предсказания землетрясений сыграло и то, что к рассматриваемому времени расширилась мировая сеть сейсмологических обсерваторий (к 1960 году во многих странах действовало около 700 сейсмостанций), значительно пополнился арсенал инструментальной сейсмологии новыми, более совершенными измерительными приборами, электронно-вычислительными устройствами и другой техникой, позволяющей производить на более высоком уровне геофизические измерения, собирать, систематизировать и автоматически обрабатывать данные наблюдений, материалы экспериментов, проведенных как в природных, так и в лабораторных условиях.

Первыми исследованием природы "подземных бурь", разработкой методов их прогнозирования занялись советские ученые. В 1948 году, вскоре после ашхабадской трагедии, академики С. И. Вавилов и Г. А. Гамбурцев составили план поиска предвестников землетрясений, но выполнить этот план не удалось - главным образом потому, что имевшиеся в распоряжении сейсмологов тридцать лет назад технические средства не позволяли проводить с необходимой точностью, быстро и в большом количестве геофизические измерения. Тем не менее тогда были заложены основы теперешней работы сейсмологов. Через 15 лет ученые США и Японии приступили к составлению аналогичных программ исследований. Что же достигнуто советскими и зарубежными геофизиками за последние тридцать лет в изучении механики землетрясений? Как протекает в земной коре процесс подготовки "подземной бури"?

Ныне все сходятся на том, что непосредственной причиной землетрясений служит деформация земной коры (растяжение, сжатие, скручивание, изгиб и т. п.), которая вызывает упругие напряжения в горных породах. Когда эти напряжения "пересиливают" прочность горных пород, происходит землетрясение.

Но какие же силы вызывают саму деформацию? На этот узловой вопрос проблемы ученые, к сожалению, пока отвечают по-разному.

Существует так называемая лунная гипотеза. Известно, что когда Луна находится в перигее своей околоземной орбиты (то есть ближе всего к Земле), ее приливообразующая сила на 40% больше, чем в апогее. Исходя из этого, некоторые ученые считают, что именно эти силы и вызывают растяжение земной коры, то есть ее деформацию, которая, в свою очередь, приводит к упругим напряжениям в какой-либо части планеты. По другой гипотезе движение земной коры и тем самым ее сейсмичность обусловлены взаимодействием электрического и магнитного полей Земли. "Однако, - как писал известный советский сейсмолог, член-корреспондент АН СССР Е. Ф. Саваренский, - тут может быть не причинно-следственная связь, а простое совпадение. Например, в Ташкенте в 1966 году часть повторных толчков совпала с соответствующими фазами Луны, а другая часть - нет. Словом, четкая связь еще не установлена. То же самое можно сказать и о взаимодействии электрического и магнитного полей Земли. Энергетическое воздействие этих сил незначительно... Землетрясение как таковое они вызвать не могут. Разве что когда-нибудь, в исключительном случае, могут сыграть роль "спускового механизма".

Ну а коль "подземные бури" не вызываются внешними влияниями на земную кору, стало быть, основной "заряд" энергии землетрясений скрыт в недрах Земли? Где же?

Магнитологи (землетрясения изучают сейчас ученые разных специальностей) выдвигают такую гипотезу. Внутри Земли находится внешнее жидкое (расплавленное) ядро, в котором "плавает" твердое субъядро (рис. 9) - масса радиусом около 1,3 тысячи километров. Оно движется по эллипсу, и его приближение к поверхости может приводить, считают они, к увеличению деформирующих сил, а следовательно, и сейсмичности. Подтверждение гипотезы ее авторы видят в крупных землетрясениях, которые в 1976 году произошли в Китае, на Филиппинах, в Газли: субъядро в этот период "подплыло" близко к Гималаям (дрейф субъядра определенным образом влияет на магнитное поле Земли, и это дает возможность следить за ним).

Рис. 9. Модель планеты Земля: сверху жесткая кора, затем, примерно от 50 до 200 км, - полужидкий слой верхней мантии, далее - гораздо более вязкая средняя и нижняя мантии и, наконец, жидкое ядро

В последнее время все больше и больше ученых в объяснении причин, вызывающих землетрясения, склоняются к так называемой "тектонической" теории дрейфа континентов ("теория тектоники литосферных плит", "плито-тектоника").

Плитотектоника - это, образно говоря, геометрия сферической поверхности в действии.

Дело в том, что согласно теории "тектоники плит" литосфера (самый верхний твердый слой Земли) разломана на 7-8 разных по форме и плотности крупных и множество сравнительно небольших, в сотни и десятки километров, плит, которые "плавают" по астеносфере (поверхностный слой мантии). На некоторых тектонических плитах покоятся континенты. Сложенные из более легкой породы, они дрейфуют вместе с платформой, "плавают по Мировому океану", меняя расположение.

Новая теория возникла не на пустом месте. Географы уже давно заметили: если вырезать на глобусе контуры Африки и Южной Америки, а потом соединить их вместе, они совпадут, словно части составной картинки-загадки. А если вырез сделать не по береговой линии, а по очертаниям шельфа - мелководья, окружающего материк, - сходство еще больше увеличивается. Исходя из этого, английские ученые еще в 1620 году предложили гипотезу континентального дрейфа, согласно которой в далеком прошлом Южная Америка и Африка составляли единый континент. Но одно дело выдвинуть гипотезу, а другое - найти для ее подтверждения такой источник энергии, который был бы достаточно мощным, чтобы оторвать Южную Америку от Африки на расстояние 4,5 тысячи километров. В середине XVII века француз Франсуа Пласе утверждал, что Старый и Новый Свет впервые разделились во время сорокадневного потопа, описанного в Библии. Отголоски этой идеи встречались еще в начале XIX века в высказываниях известного немецкого естествоиспытателя, одного из основоположников современной геофизики и гидрографии - Александра Гумбольдта (1769-1859 гг.).

Первым, кто взял на себя смелость научно объяснить, почему континенты движутся, и убедительно обосновать теорию континентального дрейфа, был немецкий ученый Альфред Вегенер (1880-1930). Будучи по профессии метеорологом, а также аэронавтом и полярным исследователем, Вегенер принадлежал к той редкой категории людей, которые склонны к обобщениям и в своих далеко идущих построениях не страшатся воспользоваться достижениями отраслей науки, казалось бы, далеких от их специальности.

Вегенер, как и многие его предшественники, тоже был поражен удивительным сходством очертаний континентов. Он соединял их вместе, и они сливались в один огромный древний сверхконтинент... Ученый назвал его "объединенным материком" - Пангеей. Пангея, писал Вегенер в 1915 году в своей небольшой книге "Происхождение материков и океанов", начала разламываться на части в эпоху динозавров, около 150 млн. лет назад. На первом этапе из этого сверхконтинента выделились Антарктида, Австралия, Индия и Африка. Впоследствии Африка и Южная Америка отошли друг от друга, подобно "кускам треснувшего ледяного поля", в результате чего образовалась Атлантика (рис. 10).

Рис. 10. 150 миллионов лет назад огромный суперконтинент Пан-гея начал раскалываться, подобно ледяному полю, и эти осколки - нынешние континенты - 'поплыли' друг от друга. На схемах: так выглядело 'лицо' нашей планеты 135 миллионов лет назад, и таким оно стало сегодня

В своей гипотезе о дрейфе континентов Вегенер опирался не только на поразительное сходство рисунка береговых линий Африки - Европы, с одной стороны, и Южной- Северной Америки, с другой, но и на удивительное сходство геологического строения континентальных окраин по разные стороны Атлантического океана, общность древней фауны и флоры на разобщенных ныне континентах Южного полушария и резкое несовпадение климатических зон в прошлом и настоящем. Например, 200-300 миллионов лет назад большую часть южных континентов, включая Индию, покрывал мощный слой льда, а в Северной Америке и Европе, в том числе и под Москвой, климат был тропическим...

Без допущения дрейфа континентов трудно увязать между собой все отмеченные Вегенером геологические данные. Тем не менее гипотеза о дрейфе континентов была предана лет на пятьдесят забвению, геологи в своей работе руководствовались в основном представлением о незыблемом расположении материкой.

В последние 20 лет, когда увеличился объем геологических и геофизических исследований с применением новой техники, появились дополнительные свидетельства о крупномасштабных горизонтальных перемещениях как океанских, так и континентальных блоков земной коры. И гипотеза Вегенера вновь "ожила". Ныне теория дрейфа континентов признается справедливой подавляющим большинством геофизиков.

Теоретически каждую тектоническую плиту можно сравнить с ленточным транспортером. Расселина, образовавшаяся в результате разлома океанического хребта (цепи гор длиной в 70 тысяч и шириной от 500 до 3 тысяч километров, расположенные на дне Мирового океана), начинает заполняться горячей и вязкой магмой, поднимающейся из астеносферы. Достигнув поверхности, она "прирастает" к краям, охлаждается, застывает, давая дорогу следующему потоку. На другом конце ленточного транспортера соответствующее количество породы должно исчезнуть. Именно это происходит в глубоководных впадинах, сосредоточенных в основном на дне Тихого океана, где одна тектоническая плита как бы заплывает, "ныряет" под другую и уходит на глубину под углом 50-70 градусов (как правило, "ныряет" та плита, на которой нет континентального массива, состоящего из более легкого материала, который, как понтон, держит край и не дает ему погрузиться). По мере оседания затвердевшее вещество литосферы вновь попадает в условия температуры и давления, свойственные подземным глубинам, и мало-помалу снова превращается в пластическую магму (рис. 11).

Рис. 11. Очертания наиболее крупных литосферных плит: 1 - границы между плитами, вдоль которых происходит расширение дна океана; 2 - границы, на которых преобладает сжатие; 3 - границы, вдоль которых происходили или происходят сдвиговые движения; 4 - растяжение; 5 - сжатие. Обозначение плит: А - Евразийская; Б - Индийская; В - Тихоокеанская; Г - Американская; Д - Антарктическая; Е - Африканская

Жесткие, внутри спокойные тысячекилометровые глыбы-платформы толщиной до 100-150 километров движутся по раскаленной полупластичной подкладке со скоростью от 1 до 10 сантиметров в год. Взаимное перемещение блоков земной коры происходит по-разному. То они удаляются друг от друга, то сближаются, то спокойно скользят по отношению друг к другу. Наползая друг на друга, они образуют складки - горы, раздвигаясь - глубокие впадины, такие, как, например, озеро Байкал. Однако бывают случаи, когда громады-блоки как бы сцепляются и движение затрудняется. При этом горная порода, образующая блоки, начинает деформироваться. В ней, как в пружине, накапливается упругая энергия - тем большая, чем больший объем охвачен деформациями, пока не будет превзойдена прочность горной породы. Как только это происходит и порода начинает разрушаться, блоки получают возможность подвигаться скачками, а титаническая энергия, накопленная в породе, освобождается в виде сейсмических волн - происходит землетрясение.

Такова в упрощенном, схематическом изложении теория тектоники литосферных плит, смысловые основы которой были сформулированы немецким ученым Альфредом Вегенером еще в 1912 году.

Любопытную гипотезу высказал член-корреспондент АН СССР В. Л. Барсуков. Ее суть в том, что в истории планеты положение полюсов Земли несколько раз менялось, и всякий раз это было связано с активными тектоническими движениями и горообразованием. Так, 400 миллионов лет назад магнитный полюс переместился из Западной Австралии в точку к востоку от Японии. Спустя 200 млн. лет, когда образовались Анды и Кордильеры, Урал и Тибет, полюс снова переместился - на этот раз в современное положение. Стало быть, очередное перемещение полюсов (и магнитных и географических) возможно в современную геологическую эпоху. И действительно, ученые отмечают, что Северный географический полюс сейчас смещается к Северной Америке с большой по геологическим понятиям скоростью. А раз меняется положение оси вращения, то усиливается движение блоков земной коры. При этом в тех областях, что оказались в зоне нового экватора, линейная скорость вращения возрастает, а у новых полюсов - уменьшается. "Трения" в этих условиях неизбежны, причем наиболее сильные - преимущественно у экватора и в поясах между 35-м и 40-м градусами северной и южной широты. То есть именно там, где на наших глазах произошли наиболее сильные землетрясения последних лет...

Итак, все гипотезы и теория "тектоники плит" сходятся в том, что землетрясение случается, когда растущее напряжение в земной коре превосходит предел прочности горных пород. Однако последние работы ученых показывают, что может быть и по-иному.

Дело в том, что механические свойства горных пород, особенно в районах, где происходят активные тектонические процессы и горообразование, не остаются постоянными. Возрастает трещиноватость пород, появляются очень тонкие трещины. Ученые Института физики Земли имени О. Ю. Шмидта АН СССР считают, что под воздействием постоянных напряжений в земной коре начинает нарастать образование трещин, и в какой-то момент этот процесс становится лавинообразным. Тут и происходит землетрясение.

Американские исследователи полагают, что микротрещины, а также очень мелкие поры, которые есть даже в самых твердых гранитах, заполняются жидкостью, что также вызывает сильное снижение прочности пород. Обе гипотезы приводят к одному и тому же выводу: землетрясение может произойти и при постоянных, стабильных напряжениях в земной коре - в момент падения прочности горных пород.

В последнее время развивается так называемая волновая гипотеза землетрясений. Ее авторами являются советские ученые. Суть гипотезы кратко такова: в возникновении землетрясений повинны особые волны, одновременно зарождающиеся на полюсах земного шара и распространяющиеся к экватору; встретившись, эти волны поворачивают вспять, в результате чего образуется система узлов и пучностей. Иначе говоря, поверхность Земли колеблется, как струна, и в местах, где эти колебания имеют наибольший размах, происходят наиболее сильные землетрясения.

Из этой гипотезы следует, что наиболее опасные сотрясения земной поверхности должны наблюдаться на определенных широтах, составляющих геометрическую прогрессию: 5,625... 11,250... 16,875... И действительно, именно на этих широтах наблюдаются наиболее сильные землетрясения. Но из этой же гипотезы следует, что положение опасных широт не должно зависеть ни от скорости распространения волн (то есть от характеристик материала, по которому они распространяются), ни от размеров тела. Значит, и на других планетах Солнечной системы наиболее активные сейсмические зоны должны располагаться теми же поясами (Тем, кто заинтересуется этими гипотезами более подробно, советуем прочитать книги: Ганус А. Тайны земных катастроф. М., Мысль, 1977; Кэдлер Н. Беспокойная земля. М., Мир, 1975; Болт Б. Землетрясения. М., Мир, 1981).

И верно: зоны лунотрясений, а также крупнейшие вулканы на Марсе, Меркурии и Венере находятся почти в точности на тех же широтах, что и на Земле. Иными словами то, что уже известно о геологической жизни планет Солнечной системы, не расходится с предложенной волновой гипотезой. Есть основания полагать, что и там существуют волны, подобные земным.

Разумеется, окончательные выводы из волновой гипотезы сегодня делать рано. Никаких подтверждений реальности "особых волн" пока еще нет. Тем не менее в науке не раз случалось, что появившиеся на свет новые гипотезы при всей своей первоначальной фантастичности впоследствии обретали реальность. Возможно, что подобное произойдет и с волновой гипотезой землетрясений...