1. СМЕЩЕНИЯ МАСС В ЗЕМЛЕ Н ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ. О учебниках и в специальных книгах часто описывается землетрясение 1891 года в Японии, в местности Мино-овари, которое произошло в момент образования огромного разрыва почвы. Этот разрыв тянулся в длину на 100 километров, а в высоту достигал в некоторых !местах почти 6 метров. Одна часть местности внезапно опустилась, а другая, соседняя, часть поднялась.Другой пример — грандиозное землетрясение 1899 года на Аляске (в Северной Америке), на берегах Тихого океана. Здесь в некоторых местах прибрежные части морского дна поднялись до 10 и даже до 15 метров, причём обнажилось морское дно, и берег продвинулся далеко в море (рис. 10). В других местах суша опустилась, и берег ушёл под воду; солёная морская вода залила прибрежные участки лесов, и деревья погибли, но их мёртвые стволы ещё долго стояли в воде.
Ещё раньше, в 1811 году, такой же случай произошёл в районе города Новый Мадрид (в Северной Америке). Здесь мгновенно опустился огромный участок земли в долине реки Миссисипи, и на месте полей и лесов образовалось большое озеро. На озере пышно расцвели водоросли и лилии, развелась рыба, но ещё и по сию пору из воды торчат засохшие стволы могучих деревьев, среди которых приходится пробираться лодке рыбака.
Несколько отлично Калифорнийское землетрясение 1906 года. Здесь, вдоль берегов Тихого океана, уже давно было обнаружено несколько линий разрыва, причём одна из них, самая большая, проходила рядом с городом Сан-Франциско и в длину тянулась больше чем на 500 километров. Вдоль этой линии произошло внезапное и быстрое смещение горных масс. В отличие от предыдущих случаев здесь земные массы сместились не вверх или вниз, а главным образом по горизонтали. Восточное крыло разрыва, то-есть участок земли, который находился к востоку от разрыва, сдвинулось на юг, а западное крыло — участок к западу от разрыва — сместилось к сезеру. Это было заметно на всём: если разрез пересекал дорогу, то одна часть дороги оказывалась перемещённой к югу, другая к северу; разошлись стены и заборы, пересекавшие разрыв, сместились попавшие на линию разрыва улицы, сдвинулись плотины и пристани на берегу. Смещение доходило до 6 метров. И именно в этот момент произошло сильнейшее Калифорнийское землетрясение, от которого очень сильно пострадал крупнейший город Америки — Сан-Франциско.
Таких примеров можно отыскать сколько угодно. Известно много подобных случаев и в СССР. В последние годы в некоторых странах пробовали измерять такие смещения почвы с помощью точных специальных приборов; эти приборы называются геодезическими, и похожи они на те, которыми пользуются землемеры. Такие измерения производились не только у самого очага землетрясения, но и вдали от него; измерения производились как после землетрясений, так и до них. И стало совершенно ясно, что землетрясения связаны с внезапными мгновенными смещениями почвы, с теми смещениями, которые называются тектоническими и которые проявляются на земной поверхности в виде разрывов, поднятий, спусканий, наклонов и измятий земной коры. При быстром смещении земных масс под землёй возникает мощный толчок, который распространяется во все стороны на далёкое расстояние, подобно тому как расходятся волны по воде от брошенного в неё камня.
Из приведённой ниже таблицы видно, какие серьёзные изменения претерпевает земная кора при землетрясениях.
Районы землетрясения Год землетрясения На сколько метров опустилась (или поднялась) поверхность земли (наибольшее вертикальнее смещение) На сколько метров сдвинулись отдельные участки (наибольшее горизонтальное смещение) Общее протяжение разрыва в километрах I
Байкал ....... 1862 2,5
Калифорния ..... 1872 6,9 5,4 68
Япония ....... 1891 5,7 3,9 102
Ассам ....... 1897 10,5 — 20
Аляска....... 1899 14,1 — —
Формоза...... 1906 1,8 2,4 41
Калифорния ..... 1906 0,9 6,3 —
Невада....... 1915 4,5 — 37
"Новая Зеландия . . . 1931 2,7 1,8
2. ПРИЧИНА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ — ТЕКТОНИЧЕСКИЕ ДВИЖЕНИЯ
Итак, землетрясения происходят при внезапных смещениях и разрывах земной коры.
Но иногда, и даже весьма нередко, никаких перемещений земных масс при землетрясениях не наблюдается. В Средней Азии, например, каждый год происходит несколько сот землетрясений, а резкие изменения почвы замечаются редко. Как же в этом случае объяснить землетрясения?
Ответ нужно искать в том, на какой глубине находится очаг землетрясения, то-есть то место, в котором рождается подземный удар, от которого расходятся во все стороны колебания земли. Если очаг мелкий, то-есть в движение приведены самые верхние участки земной коры, то эти движения и обнаруживаются без труда на самой поверхности земли. Если же очаг глубок, то движения масс, происходящие в нём, отражаются на поверхности слабее; в этом случае ощущается лишь мгновенный подземный удар или колебания почвы, но без смещений её верхних слоёв.
Оказывается, большинство очагов лежит близ самой поверхности земли, на глубине не более 10 километров.
Но многие очаги, и притом самых сильных землетрясений, лежат значительно глубже, на расстоянии 30—50 километров от поверхности земли. Бывают, хотя не часто, даже такие очаги, которые лежат на глубине нескольких сот километров. Самый глубокий очаг, который известен сейчас учёным, имеет глубину около 800 километров.
Остановимся немного на этих цифрах. После сильных крымских землетрясений 1927 года земля очень долго не могла успокоиться. Была найдена глубина, на которой возникали толчки: от 9 до 40 километров; по чаще всего толчки возникали на глубине 20—30 километров.
На Кавказе за пять с половиной лет, с 1933 по 1938 год, зарегистрировано более 1000 землетрясений. Для многих из них удалось определить глубину очага — от 5 до 70 километров.
Для Средней Азии известна глубина очагов очень большого количества землетрясений. Здесь громадное большинство очагов лежит либо у поверхности земли, па глубине 10 километров, либо в более глубокой зоне около 40 километров; промежуточные глубины встречаются реже. В районе Памира обнаружены очаги глубиной до 300 километров.
Из этого перечня видно, что глубина очагов сильно меняется, и можно предположить, что землетрясения с разной глубиной очага будут ощущаться на поверхности земли различно.
Сравним между собой некоторые землетрясения.
Во время Кебинского землетрясения 1911 года местность была потрясена на площади больше 1 миллиона квадратных километров, и, начиная от центра землетрясения к его краям, сила толчков и колебаний ослабевала медленно и постепенно. Точно такая же картина наблюдалась при землетрясениях в Семиречье в 1889 году, в Красноводске в 1895 году, в Ашхабаде в 1929 году и в некоторых других случаях. Область распространения этих землетрясений огромна, их разрушительная сила в центре громадна. Движение затронуло на большую глубину крупные горные массивы в целом. Очаги таких землетрясений лежали не менее чем на 40 - 50 километров ниже поверхности земли.
Землетрясения в Шемахе в 1902 году и в Зангезуре в 1931 году были слабее упомянутых выше; ощутимые толчки распространялись не так далеко, колебания ослабевали быстрее, а форма потрясённой области оказалась не такой правильной, как у первых. Глубина очага этих землетрясений была меньше: она не превышала 20— 30 километров.
И, наконец, при таких землетрясениях, как Ленинз-канское в 1926 году, Ереванское в 1937 году или многочисленные сильные землетрясения за последние 15 лет в Таджикистане, область ощутимых толчков оказалась совсем небольшой, хотя сила толчков в центре была довольно велика. Участки самых сильных разрушений, вызванных этими землетрясениями, в точности располагаются по линиям тектонических разрывов. Особенно показательным является в этом смысле землетрясение 1930 года близ г. Файзабада. Глубина очагов таких землетрясений обычно не превышает 10 километров; а иногда очаги лежат у самой" поверхности земли.
Таким образом, если смещение земных масс происходит близ поверхности земли, то-есть очаг землетрясения не глубок, то мы видим его тесную связь с геологическими линиями складок и разрывов. В. этом случае наисильнейшие разрушения на поверхности наблюдаются вдоль тектонических разрывов, которые описаны выше. Если же такие движения происходят на большой глубине и подземный удар достаточно силен, тогда колебания тоже дойдут до поверхности, но они широко расплывутся и непосредственной связи с видимыми на поверхности отдельными тектоническими разрывами не дадут.
Так как движения земной коры называются тектоническими движениями, то такие землетрясения называются также тектоническими. Очаг, то-есть точка под землёй, которая является источником землетрясения, называется гипоцентром (гипо — глубоко). Прямо над нею на поверхности земли находится так называемый эпицентр (эпи — мелко), вокруг которого располагается область, испытывающая при землетрясении наисильнейшие толчки; эта область именуется эпицентральной.
От очага, или гипоцентра, по твёрдому телу земли во все стороны расходятся колебания, которые называются упругими или сейсмическими волнами. Различают два главных вида этих волн. Первый вид — это продольные волны; они возникают вследствие колебания частиц почвы в том направлении, в котором распространяются сами колебания. Можно оказать, что частицы колеблются как бы вдоль лучей, которые расходятся от очага во все стороны; эти направления так и называются — сейсмическими лучами. Каждая частица замещается на очень небольшую, совсем незаметную величину и в конце концов возвращается на своё почти прежнее место; но эти её смещения передаются соседним частицам, от них к следующим и так далее, и в целом вдоль по сейсмическому лучу распространяется сейсмическая или упругая волна, притом с огромной скоростью — около 6—8 километров в секунду и даже больше.
Другим видом волн являются по-перечные волны; при них частицы почвы колеблются в другом направлении, чем при продольных волнах, именно в направлении, поперечном к линии сейсмического луча; скорость распространения этих волн несколько меньше, чем первых, — 4—5 километров в секунду.
В целом же каждая частица испытывает весьма сложные колебательные движения, участвуя сразу во всех их видах, так что если бы нам пришлось начертить весь путь отдельной частицы земли во время землетрясения, то получилась бы очень сложная линия.
Различают ещё и другие виды сейсмических волн, из них большое значение имеют так называемые поверхностные волны. Они возникают не в очаге, а в эпицентре, и затрагивают только самый верхний слой Земли. Они распространяются сравнительно медленно, но нередко являются главной причиной катастрофических разрушений при землетрясениях.
Итак, землетрясения вызываются движениями земной коры. Разумеется, такие движения должны быть, как говорят геологи, молодыми, то-есть относиться к настоящему периоду в развитии Земли. Следы древних тектонических движений, прошедших в давние времена, встречаются очень часто; весь Урал, например, состоит из таких нарушений. Но современные землетрясения вызываются не старыми тектоническими движениями, а теми, которые происходят теперь. На земной поверхности имеется много районов, где тектонические движения сильны в настоящее время. Такими районами являются прежде всего горы, но не только они. Движения происходят нередко на большой глубине в Земле, а на рельефе земной поверхности они могут отражаться не только з ферме гор, но и в форме глубоких впадин. Те участки в Земле, в пределах которых подобные тектонические движения наблюдаются в настоящее время, причём обычно такими участками оказываются горы, называются «сов-временными складчатыми зонами». Большинство землетрясений и есть следствие тектонических движений в современных складчатых зонах.
При этом, как писал ещё в 1873 г. А. П. Орло , «Землетрясения... не могут считаться непосредственной абсолютной причиной относительных изменений в уровне почвы, точно так же и наоборот, но... оба явления нужно считать соотносительными». Верно, ибо как землетрясения, так и «изменения в уровне почвы», являются следствием тектонических движений, источник которых заложен на большой глубине в недрах Земли.
3. ДВИЖЕНИЯ НА БОЛЬШИХ ГЛУБИНАХ И ВНУТРЕННЕЕ СТРОЕНИЕ ЗЕМЛИ
Можно ли быть уверенным в том, что на очень больших, неизведанных глубинах в Земле тектонические движения идут так же, как на поверхности? Можно ли сказать, что в глубине горные породы такие же, как наверху? Конечно, нет.
Во-первых, там, в глубине, другие горные породы. Там нет таких горных пород, как песок, глина или известняк, то-есть осадочных пород, которые преобладают на поверхности земли. Там есть только одна порода — очень тяжёлая, плотная чёрная каменная кристаллическая масса с большим количеством железа и малым количеством кремнезёма. На поверхности земли таких пород мало.
Во-вторых, там, в глубине, высокая температура. Горнякам, работающим в шахтах, известно, что чем глубже шахта, тем в ней жарче. Можно поэтому предполагать, что на глубине 100 километров температура доходит до 1500 градусов и больше, и горные породы должны там расплавиться. Иногда такие расплавленные массы породы, ослепительно сверкающие красным или жёлтым светом, действительно выбрасываются на поверхность земли — происходит, как говорят, вулканическое извержение.
Наконец, пласты горных пород, лежащие на большой глубине, испытывают громадное давление: на них давят всей своей огромной тяжестью пласты, находящиеся над ними. Если рыхлую породу очень сильно сжать — получится плотная порода с иными свойствами, чем раньше. То же и в Земле. Если на глубину в 100 километров поместить серебряную монету, то её маленькая площадка будет испытывать давление в 30 тонн.
Значит, на больших глубинах земного шара и породы иные, чем на поверхности, и температура выше, и давление больше. Поэтому нельзя думать, что там движения земных масс происходят так же, как вверху. В глубине Земли движения масс развиваются как-то иначе. Но они также вызывают землетрясения; очаги землетрясений, как мы знаем, лежат не только в верхней части земного шара, но и на глубине во много сот километров.
При землетрясении сейсмические волны, о которых уже говорилось, идут не только вверх, к эпицентру, но и во все другие стороны, в том числе и прямо вниз, к центру Земли. Если толчок в очаге был достаточно сильным, то волны могут пройти через центр Земли, пересечь земной шар насквозь и дойти до противоположной стороны его, причём такой путь они пройдут скорее, чем кругом, вдоль поверхности. Изучая пути этих сейсмических волн, можно судить о внутреннем строении Земли. Таким способом удалось выяснить, что Земля состоит из нескольких оболочек. Самая верхняя из них называется земной корй, она тверда, состоит из кристаллических горных пород и распространяется до глубины около 100 километров. В ней располагается наибольшее количество очагов землетрясений. Земная кора в свою очередь состоит из нескольких слоёв.
Под земной корой находится так называемая минеральная оболочка, толщина которой оценивается в 1100 километров. Всюду в этой оболочке температура превышает 1500 градусов, давления очень велики, и таким образом, всё, что говорилось выше об особенностях тектонических движений в таких условиях, прямо относится к минеральной оболочке. В этой оболочке также возникают землетрясения, но в гораздо меньшем числе, чем в земной коре.
Наконец, ниже следует так называемая промежуточная оболочка, а с глубины в 2900 километров — земное ядро. Ядро почти целиком состоит из железа, температура в нём по некоторым данным достигает 5—6 тысяч градусов, а давление — больше 2 миллионов атмосфер (то-есть каждая площадка в 1 квадратный сантиметр испытывает давление, превышающее 2 тысячи тонн). В промежуточной оболочке и в ядре обнаружить очаги землетрясений пока не удалось.
4. ПРИЧИНЫ ДВИЖЕНИЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ
Мы говорим, что земная кора движется, что пласты горных пород, из которых она состоит, изгибаются, давая огромные складки, и рвутся, давая тектонические разрывы. Но откуда же берутся эти движения? Что заставляет твёрдую, прочную и, казалось бы, навеки неподвижную Землю испытывать такие сложные изменения?
Одна из самых известных гипотез заключается в следующем:
Земля в начале своего образования, то-есть после того, как она стала самостоятельным небесным телом, была большим расплавленным шаром. Это было около трёх миллиардов лет тому назад. Человеку невозможно представить себе такой громадный промежуток времени, но хорошо известно, что примерно столько времени, не меньше, существует Земля как самостоятельная планета.
С течением времени раскалённый земной шар остывал, и, как остывающее тело, уменьшался в объёме. На его поверхности уже образовалась твёрдая холодная кора, а в глубине всё ещё оставался жар; ко Земля продолжала остывать и, следовательно, сжиматься Значит, и коре нужно уменьшаться, сокращаться в площади; она коробится, сминается, даже рвётся, лишь бы приспособиться к ещё не остывшему ядру. Отсюда те движения и нарушения на поверхности Земли, которые мы наблюдаем. Такова одна из гипотез, пожалуй самая ранняя. Наряду с нею, чтобы лучше и точнее объяснить причины тектонических движений, найти их источник, в последние десятилетия было предложено много новых гипотез.
Так, например, в одной из гипотез говорится, что материки, состоящие из сравнительно лёгких пород, можно представить себе как бы плавающими в более тяжёлых породах нижней части земной коры. При этом материки могут медленно передвигаться по своему основанию, как льдины по воде. Можно рассчитать, какие силы и в каком направлении стремятся сдвинуть огромные массы материков. Если это так, то при своём движении материки будут испытывать различные деформации, то-есть тектонические нарушения, что и явится, с одной стороны, причиной образования гор, а с другой, землетрясений, вулканических извержений и т. п.
В другой гипотезе указывается на то, что материковые массы могут перемещаться не только в горизонтальном направлении, но и в вертикальном, то-есть либо подниматься, либо опускаться. Если такая огромная масса, как целый материк, опустится хотя бы немного и очень медленно, то она с такой силой выжмет из-под своего основания подстилающие её породы, что образуются горы.
Указывают далее на то, что в Земле имеется некоторое количество так называемых радиоактивных веществ, которые всё время испускают тепло, нагревают Землю и могут со временем даже расплавить её. Отсюда — опять возникают движения, которые мы именуем тектоническими.
Наконец, многое говорит за то, что в глубинах Земли4 существуют очень медленные, но мощные потоки вещества, перетекающего с одного места на другое. Вещество в глубинах Земли, вследствие огромного всестороннего давления, обладает пластическими свойствами, то-есть податливо, способно к перемещениям. Подобные подкоровые потоки вовлекают в движение благодаря трению и земную кору; отсюда тектонические нарушения, горы и землетрясения.
Как видим, вопрос о причинах горообразовательных движений очень сложен, и окончательного ответа на него пока нет. Но постепенно мы узнаём о них всё больше, и со временем можно будет гораздо подробнее и точнее говорить о причинах землетрясений.
Как отдельный человек, или отдельное растение и животное, рождаются, растут, развиваются, изменяются, стареют и погибают, так и вся Земля в целом не остаётся неизменной. И земная кора, и горы, и реки, и даже отдельные камни и минералы — всё в мире медленно, но неуклонно изменяется. Все находится в постоянном движении. «Ничто не вечно, кроме вечно изменяющейся» вечно движущейся материи и законов её движения и изменения», — говорил Ф. Энгельс в своей книге «Диалектика природы». Землетрясения — лишь маленькая часть этого грандиозного беспрерывного всеобщего движения и изменения природы.