Землетрясение

Землетрясение — это подземные толчки и колебания земной поверхности, возникающие в результате внезапных разрывов и смещений в литосфере Земли. Землетрясения относятся к природным катастрофам и представляют собой один из наиболее разрушительных видов стихийных бедствий, способных вызывать значительные человеческие жертвы и материальный ущерб. Основной причиной землетрясений является тектоническая активность — движение литосферных плит, которое накапливает упругие напряжения в горных породах. Когда напряжение превышает предел прочности породы, происходит разрыв, высвобождающий энергию в виде сейсмических волн. Землетрясения также могут быть вызваны вулканической деятельностью, обвалами, техногенными факторами (например, заполнением водохранилищ, горными работами, ядерными взрывами) или падением крупных метеоритов.

История изучения

Первые попытки научного объяснения землетрясений относятся к античности. Древнегреческий философ Аристотель в трактате «Метеорологика» предположил, что подземные толчки вызываются ветрами, заключёнными в пещерах Земли. В Китае в 132 году н. э. астроном Чжан Хэн создал первый известный сейсмоскоп — бронзовый сосуд с маятником, который при колебаниях земли выбрасывал шарик из пасти дракона в рот жабы, указывая направление толчка. В Средние века и эпоху Возрождения представления о землетрясениях оставались преимущественно мифологическими или религиозными.

Систематическое научное изучение землетрясений началось в XVIII–XIX веках. В 1755 году Лиссабонское землетрясение (магнитуда около 8,5–9,0) привело к гибели десятков тысяч человек и стимулировало развитие сейсмологии. Английский геолог Джон Мичелл в 1760 году выдвинул идею о том, что землетрясения связаны с волнами, распространяющимися в земной коре. В 1857 году ирландский инженер Роберт Маллет провёл систематическое исследование Неаполитанского землетрясения и считается одним из основателей современной сейсмологии.

В XX веке сейсмология стала самостоятельной наукой. В 1935 году американский сейсмолог Чарльз Рихтер разработал шкалу магнитуд (шкала Рихтера), которая позволила количественно оценивать энергию землетрясений. В 1960-х годах теория тектоники плит объяснила глобальные закономерности распределения землетрясений. Современные исследования включают использование глобальных сейсмических сетей, спутниковой геодезии (GPS, InSAR) и компьютерного моделирования для прогнозирования сейсмической опасности.

Причины и механизмы

Тектонические землетрясения

Наиболее распространённый тип (более 90 % всех землетрясений) связан с движением литосферных плит. Земная кора разделена на несколько крупных плит, которые медленно перемещаются относительно друг друга со скоростью несколько сантиметров в год. На границах плит возникают зоны сжатия, растяжения или сдвига, где накапливаются упругие деформации. Когда напряжение превышает прочность горных пород, происходит разрыв — очаг землетрясения (гипоцентр). Точка на земной поверхности над гипоцентром называется эпицентром.

Выделяют три основных типа тектонических границ:

• Конвергентные границы (зоны субдукции и коллизии) — плиты сталкиваются, одна погружается под другую. Пример: Тихоокеанское огненное кольцо, где происходят самые сильные землетрясения.
• Дивергентные границы (срединно-океанические хребты) — плиты расходятся, образуется новая кора. Землетрясения здесь обычно слабые и неглубокие.
• Трансформные границы (разломы) — плиты скользят горизонтально друг относительно друга. Пример: разлом Сан-Андреас в Калифорнии.

Вулканические землетрясения

Связаны с движением магмы в вулканических каналах. Обычно имеют небольшую магнитуду, но могут предшествовать извержению. Часто происходят роями — сериями множества мелких толчков.

Обвальные и техногенные землетрясения

Обвальные землетрясения вызываются обрушением карстовых пустот или горных выработок. Техногенные землетрясения могут быть спровоцированы:

• Заполнением крупных водохранилищ (наведённая сейсмичность) — вода увеличивает поровое давление в породах, снижая их прочность.
• Закачкой жидкости в скважины (например, при добыче сланцевого газа или геотермальной энергии).
• Горными работами (взрывы, обрушения).
• Ядерными взрывами (подземные испытания).

Характеристики землетрясений

Очаг и гипоцентр

Очаг землетрясения — область в земной коре или верхней мантии, где происходит разрыв и выделяется энергия. Гипоцентр — точка начала разрыва, расположенная на определённой глубине. По глубине гипоцентра землетрясения делятся на:

• Мелкофокусные (0–70 км) — наиболее частые и разрушительные.
• Среднефокусные (70–300 км).
• Глубокофокусные (300–700 км) — происходят в зонах субдукции, где плита погружается в мантию.

Магнитуда и энергия

Магнитуда — безразмерная величина, характеризующая энергию, выделившуюся в очаге землетрясения. Наиболее известна шкала Рихтера (локальная магнитуда ML), но в современной сейсмологии используются различные типы магнитуд:

• ML (локальная) — по амплитуде волн на расстоянии до 600 км.
• Ms (поверхностная) — по поверхностным волнам.
• Mw (моментная) — наиболее точная, основана на сейсмическом моменте (произведение площади разрыва, среднего смещения и жёсткости пород).

Шкала магнитуд логарифмическая: увеличение магнитуды на 1 соответствует увеличению амплитуды колебаний в 10 раз и выделению энергии примерно в 32 раза. Сильнейшие зарегистрированные землетрясения имели магнитуду около 9,5 (Великое Чилийское землетрясение 1960 года).

Интенсивность

Интенсивность — качественная характеристика силы землетрясения на поверхности, основанная на наблюдаемых разрушениях и ощущениях людей. Измеряется по шкалам интенсивности, наиболее распространены:

• Шкала Меркалли (MMI, модифицированная шкала Меркалли) — 12-балльная, от I (не ощущается) до XII (полное разрушение).
• Шкала MSK-64 (Медведева — Шпонхойера — Карника) — 12-балльная, принята в России и странах СНГ.
• Европейская макросейсмическая шкала (EMS-98) — современная 12-балльная шкала.

Интенсивность зависит от магнитуды, глубины гипоцентра, расстояния до эпицентра, геологических условий (тип грунта, рельеф). На рыхлых грунтах интенсивность может быть выше на 1–2 балла, чем на скальных.

Сейсмические волны

При землетрясении возникают три основных типа сейсмических волн:

• P-волны (продольные, первичные) — волны сжатия и растяжения, распространяются в твёрдых телах и жидкостях, скорость 5–8 км/с. Первыми достигают сейсмографов.
• S-волны (поперечные, вторичные) — волны сдвига, распространяются только в твёрдых телах, скорость 3–5 км/с. Вызывают более сильные колебания, чем P-волны.
• Поверхностные волны (волны Лява и Рэлея) — распространяются вдоль поверхности Земли, имеют наибольшую амплитуду и вызывают основные разрушения.

Сейсмические пояса и сейсмичность России

Основная часть землетрясений происходит в пределах Тихоокеанского сейсмического пояса («Тихоокеанское огненное кольцо»), который охватывает побережья Тихого океана — от Аляски до Японии, Индонезии, Новой Зеландии и западного побережья Южной Америки. Второй крупный пояс — Средиземноморско-Трансазиатский (Альпийско-Гималайский), проходящий через Средиземноморье, Ближний Восток, Гималаи и Юго-Восточную Азию.

Сейсмичность России обусловлена её положением на стыке нескольких литосферных плит. Наиболее сейсмоактивные регионы:

• Камчатка и Курильские острова — зона субдукции Тихоокеанской плиты под Охотскую, здесь происходят сильнейшие землетрясения (магнитудой до 9,0) и цунами.
• Сахалин — активные разломы, Нефтегорское землетрясение 1995 года (магнитуда 7,6) привело к гибели около 2000 человек.
• Прибайкалье и Забайкалье — Байкальская рифтовая зона, где происходит растяжение земной коры (Цаганское землетрясение 1862 года, Среднебайкальское 1959 года).
• Кавказ — зона коллизии Аравийской и Евразийской плит (Спитакское землетрясение 1988 года в Армении, магнитуда 6,8, погибло около 25 000 человек).
• Алтай и Саяны — внутриплитные землетрясения (Чуйское землетрясение 2003 года, магнитуда 7,3).
• Крым — сейсмическая активность связана с движением Черноморской впадины (Ялтинское землетрясение 1927 года).

Около 25 % территории России характеризуется сейсмической опасностью 7 баллов и выше. Сейсмическое районирование территории РФ регламентируется СНиП II-7-81* «Строительство в сейсмических районах».

Прогнозирование и предупреждение

Долгосрочный прогноз

Долгосрочный прогноз основан на анализе сейсмической истории, геологических данных и скорости накопления напряжений. Он позволяет оценить вероятность сильного землетрясения в регионе на период от десятков до сотен лет. Такие прогнозы используются для сейсмического районирования и норм строительства.

Краткосрочный прогноз

Краткосрочный прогноз (от часов до дней) остаётся одной из сложнейших научных проблем. Надёжных методов предсказания точного времени, места и магнитуды землетрясений в настоящее время не существует. Исследуются возможные предвестники:

• Изменения уровня грунтовых вод.
• Деформации земной коры (наклономеры, GPS).
• Аномалии электромагнитного поля.
• Изменения концентрации радона в почвенном воздухе.
• Рои мелких землетрясений (форшоки).

Однако ни один из этих признаков не является надёжным и универсальным. Наиболее известный случай неудачного прогноза — Хайчэнское землетрясение 1975 года в Китае, которое было успешно предсказано по форшокам и изменениям уровня воды, что позволило эвакуировать население. Однако уже в 1976 году Таншаньское землетрясение (магнитуда 7,8) произошло без предвестников и привело к гибели около 250 000 человек.

Системы раннего предупреждения

Системы раннего предупреждения (Earthquake Early Warning, EEW) не прогнозируют землетрясения, а обнаруживают начало разрыва и передают предупреждение до прихода разрушительных S-волн и поверхностных волн. Время предупреждения составляет от нескольких секунд до нескольких десятков секунд, в зависимости от расстояния до эпицентра. Такие системы действуют в Японии, США (ShakeAlert), Мексике, Китае, Турции. В России система раннего предупреждения разрабатывается на Камчатке.

Последствия землетрясений

Первичные последствия

• Разрушение зданий и сооружений — основная причина человеческих жертв.
• Оползни и обвалы — в горных районах.
• Цунами — при подводных землетрясениях с вертикальным смещением дна (магнитуда >7,5, глубина <50 км).

Вторичные последствия

• Пожары — из-за повреждения газопроводов и электросетей (например, землетрясение 1906 года в Сан-Франциско).
• Разжижение грунтов — потеря несущей способности рыхлых водонасыщенных грунтов.
• Эпидемии — из-за разрушения систем водоснабжения и канализации.
• Психологические травмы — посттравматическое стрессовое расстройство (ПТСР) у выживших.

Экономический ущерб

Землетрясения наносят огромный экономический ущерб. По данным ООН, ежегодные потери от землетрясений в мире составляют десятки миллиардов долларов. Наиболее разрушительные землетрясения XXI века:

• 2004 год — землетрясение в Индийском океане (магнитуда 9,1) и цунами — более 230 000 погибших.
• 2010 год — землетрясение на Гаити (магнитуда 7,0) — около 160 000 погибших.
• 2011 год — землетрясение у побережья Японии (магнитуда 9,0) и цунами — около 20 000 погибших, авария на АЭС «Фукусима-1».
• 2023 год — землетрясение в Турции и Сирии (магнитуда 7,8) — более 50 000 погибших.

Сейсмостойкое строительство

Сейсмостойкое строительство — комплекс инженерных мер, направленных на обеспечение безопасности зданий и сооружений в сейсмически активных районах. Основные принципы:

• Выбор площадки — строительство на скальных или плотных грунтах, избегание рыхлых и водонасыщенных грунтов.
• Конструктивные схемы — монолитные железобетонные каркасы, сейсмостойкие стены (диафрагмы жёсткости), антисейсмические швы.
• Материалы — использование пластичных и вязких материалов (сталь, железобетон), избегание хрупких (неармированная кладка).
• Сейсмоизоляция — установка специальных опор (резинометаллические, скользящие) между фундаментом и зданием, гасящих колебания.
• Демпферы — устройства для поглощения энергии колебаний (гидравлические, вязкоупругие).

В России нормы сейсмостойкого строительства установлены СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах». Здания проектируются с учётом расчётной сейсмичности площадки (7, 8 или 9 баллов по шкале MSK-64).

Крупнейшие землетрясения в истории

Интересные факты

• Землетрясения происходят на Земле постоянно — ежегодно регистрируется около 500 000 сейсмических событий, из которых около 100 000 ощущаются людьми, а 100–200 вызывают разрушения.
• Самое глубокое зарегистрированное землетрясение произошло на глубине около 735 км (зона субдукции Фиджи, 2004 год).
• Луна также испытывает «лунотрясения», вызванные приливными силами Земли и падениями метеоритов.
• Некоторые животные (например, змеи, рыбы, собаки) могут проявлять необычное поведение перед землетрясением, однако научного подтверждения надёжности такого предсказания нет.
• В России сильнейшие землетрясения происходят на Камчатке и Курилах — в 1952 году землетрясение магнитудой 9,0 вызвало цунами, разрушившее Северо-Курильск (погибло более 2300 человек).

Источники

• Болт Б. А. «Землетрясения». — М.: Мир, 1981.
• Соболев Г. А. «Основы прогноза землетрясений». — М.: Наука, 1993.
• Уломов В. И. «Сейсмичность и сейсмическое районирование России». — М.: ОИФЗ РАН, 2005.
• «Строительство в сейсмических районах» (СП 14.13330.2018).
• USGS Earthquake Hazards Program (данные по магнитудам и истории землетрясений).
• Global Seismic Hazard Assessment Program (GSHAP).