Сейсмология

Сейсмология — это раздел геофизики, изучающий землетрясения, их причины, механизмы возникновения, распространение сейсмических волн в недрах Земли, а также связанные с ними явления, такие как цунами и деформации земной коры. Сейсмология также занимается оценкой сейсмической опасности и риска, прогнозированием землетрясений и разработкой методов сейсмостойкого строительства. Термин происходит от греческих слов «σεισμός» (seismos — землетрясение) и «λόγος» (logos — учение).

История развития

Древние представления

Первые научные попытки объяснить природу землетрясений относятся к античности. Древнегреческий философ Аристотель в трактате «Метеорологика» (IV век до н. э.) связывал подземные толчки с движением воздуха и ветрами в пещерах Земли. В Древнем Китае в 132 году н. э. Чжан Хэн создал первый известный сейсмоскоп — бронзовый сосуд с маятником, который выталкивал шары из пастей драконов, указывая направление подземного толчка.

Становление как науки

Научная сейсмология начала формироваться в XVIII–XIX веках. В 1760 году английский геолог Джон Мичелл, изучая Лиссабонское землетрясение 1755 года, предположил, что землетрясения вызываются смещением горных пород. В 1855 году итальянец Луиджи Пальмиери создал первый электромагнитный сейсмограф. Ключевым событием стало изобретение в 1889 году немецким учёным Эрнстом фон Ребер-Пашвицем первого высокочувствительного сейсмографа, способного регистрировать волны от удалённых землетрясений.

XX век и современность

В 1906 году после Великого землетрясения в Сан-Франциско американский сейсмолог Гарри Филдинг Рид сформулировал теорию упругой отдачи, которая стала основой современного понимания механизма землетрясений. В 1935 году Чарльз Рихтер разработал шкалу магнитуд (шкала Рихтера), а в 1939 году Бено Гутенберг и Чарльз Рихтер установили закон распределения землетрясений по магнитудам. В 1960-е годы развитие теории тектоники литосферных плит позволило объяснить глобальное распределение сейсмичности.

Основные понятия и методы

Сейсмические волны

Основным инструментом сейсмологии является изучение сейсмических волн, которые распространяются от очага землетрясения. Различают два основных типа:

• Объёмные волны: проходят через внутренние слои Земли. Делятся на P-волны (продольные, первичные) — самые быстрые, распространяющиеся в твёрдых и жидких средах, и S-волны (поперечные, вторичные) — более медленные, распространяющиеся только в твёрдых средах.
• Поверхностные волны: распространяются вдоль земной поверхности. Они медленнее объёмных, но вызывают наибольшие разрушения. К ним относятся волны Лява и волны Релея.

Очаг и эпицентр

Очаг землетрясения (гипоцентр) — это область в недрах Земли, где происходит разрыв горных пород и высвобождение упругой энергии. Эпицентр — проекция гипоцентра на земную поверхность. Глубина очага варьируется от нескольких километров (мелкофокусные землетрясения) до 700 км (глубокофокусные).

Магнитуда и интенсивность

• Магнитуда — безразмерная величина, характеризующая энергию, выделившуюся в очаге землетрясения. Наиболее известна шкала Рихтера (локальная магнитуда ML), но в современной практике чаще используется моментная магнитуда (Mw), основанная на сейсмическом моменте.
• Интенсивность — качественная характеристика силы землетрясения на поверхности Земли, оцениваемая по степени разрушений и ощущениям людей. В России и странах СНГ применяется 12-балльная шкала MSK-64 (Медведева — Шпонхойера — Карника).

Сейсмографы и сейсмические сети

Сейсмограф — прибор для регистрации колебаний земной поверхности. Современные сейсмографы представляют собой высокочувствительные цифровые системы, работающие в широком диапазоне частот. Данные со станций сейсмических сетей (например, Глобальной сейсмографической сети GSN) обрабатываются в центрах сбора данных для определения координат, глубины и магнитуды землетрясений.

Причины и механизмы землетрясений

Тектонические землетрясения

Наиболее распространённый тип (более 90% всех землетрясений). Возникают в результате движения литосферных плит. В зонах субдукции (например, Курило-Камчатская дуга) океаническая плита погружается под континентальную, вызывая мощные глубокофокусные землетрясения. В зонах спрединга (срединно-океанические хребты) плиты расходятся, что приводит к слабым и умеренным толчкам. Внутриплитные землетрясения происходят вдали от границ плит, например, в 1811–1812 годах в Нью-Мадриде (США).

Вулканические землетрясения

Связаны с движением магмы и газов в вулканических каналах. Обычно имеют небольшую магнитуду, но могут быть предвестниками извержений. Характерны для регионов активного вулканизма, таких как Камчатка, Исландия, Гавайи.

Техногенные землетрясения

Вызываются деятельностью человека. Основные причины:

• Закачка жидкости в глубокие скважины (например, при добыче сланцевого газа или геотермальной энергии).
• Горные работы (обрушение кровли шахт).
• Заполнение крупных водохранилищ (наведённая сейсмичность).
• Ядерные взрывы (подземные испытания).

Сейсмическое районирование и прогнозирование

Сейсмическое районирование

Это процесс оценки потенциальной сейсмической опасности на определённой территории. В России действует система карт общего сейсмического районирования (ОСР-2015), которые регламентируют требования к сейсмостойкому строительству. Карты показывают ожидаемую интенсивность землетрясений с заданной вероятностью (например, 10% за 50 лет).

Прогнозирование землетрясений

Прогнозирование делится на три типа:

• Долгосрочный (на десятилетия) — основан на сейсмическом цикле и повторяемости сильных событий. Позволяет планировать строительство.
• Среднесрочный (на годы — месяцы) — использует данные о сейсмическом затишье, миграции очагов и изменении напряжений.
• Краткосрочный (на дни — часы) — наиболее сложен и ненадёжен. Основан на предвестниках: форшоках, деформациях земной коры, изменениях уровня грунтовых вод, аномалиях электромагнитного поля и поведении животных.

На сегодняшний день достоверный краткосрочный прогноз землетрясений невозможен. Наиболее успешные случаи (например, прогноз Хайчэнского землетрясения в Китае в 1975 году) единичны.

Применение сейсмологии

Сейсмостойкое строительство

Сейсмологические данные используются для разработки строительных норм и правил (СНиП). В сейсмоопасных районах применяются специальные конструктивные решения: сейсмоизоляция (резинометаллические опоры), демпферы (гасители колебаний), усиление каркасов зданий. Примеры: высотные здания в Японии, Калифорнии, а также в городах России (Петропавловск-Камчатский, Южно-Сахалинск).

Разведка полезных ископаемых

Сейсморазведка — метод геофизической разведки, основанный на изучении распространения упругих волн, искусственно возбуждаемых взрывами или вибраторами. Используется для поиска нефти, газа, угля и рудных месторождений. В России широко применяется на нефтегазовых месторождениях Западной Сибири и Тимано-Печорской провинции.

Изучение строения Земли

Сейсмические волны, проходя через недра, позволяют определить их структуру. Благодаря сейсмологии установлено, что Земля состоит из коры, мантии, внешнего (жидкого) и внутреннего (твёрдого) ядра. Сейсмическая томография — метод, аналогичный компьютерной томографии, — позволяет строить трёхмерные изображения глубинных структур.

Мониторинг ядерных испытаний

Международная система мониторинга (МСМ) Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ) включает сейсмические станции, способные обнаруживать подземные ядерные взрывы. Сейсмология позволяет отличать взрывы от землетрясений по характеру записи волн.

Сейсмология в России

Россия обладает одной из старейших и наиболее развитых сейсмологических школ. В 1902 году была создана Сейсмологическая комиссия при Императорской Академии наук. В советский период были развёрнуты сети сейсмических станций на Камчатке, Сахалине, Курильских островах, Кавказе и в Байкальском регионе. Крупные научные центры: Институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН (Москва), Камчатский филиал Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба РАН» (Петропавловск-Камчатский), Байкальский филиал Геофизической службы СО РАН (Иркутск). В 1995 году после Нефтегорского землетрясения (Сахалин) были усилены работы по сейсмическому районированию и сейсмостойкому строительству.

Интересные факты

• Ежегодно на Земле регистрируется около 500 000 землетрясений, из которых примерно 100 000 ощущаются человеком, а 100–200 вызывают разрушения.
• Самое сильное зарегистрированное землетрясение — Великое Чилийское землетрясение 1960 года (магнитуда 9,5).
• Самое разрушительное по числу жертв — землетрясение в Шэньси (Китай) в 1556 году, унёсшее жизни около 830 000 человек.
• Сейсмические волны от землетрясения могут обходить Землю несколько раз. Например, волны от землетрясения на Суматре 2004 года регистрировались сейсмографами по всему миру в течение нескольких недель.

Источники

• Аки К., Ричардс П. Количественная сейсмология. — М.: Мир, 1983.
• Болт Б. А. Землетрясения. — М.: Мир, 1981.
• Сейсмическое районирование территории Российской Федерации / Под ред. В. И. Уломова. — М.: ОИФЗ РАН, 2015.
• Куликов В. С. Сейсмология. — М.: Изд-во МГУ, 2004.
• Stein S., Wysession M. An Introduction to Seismology, Earthquakes, and Earth Structure. — Blackwell Publishing, 2003.