СЕЙСМОЛОГИЯ И ТЕКТОНИКА

Содержание статьи

• Вулканы.
• Состав вулканических пород.
• Действующие вулканы земли.
• Источники тепла.
• Лава
• Состав лавы.
• Землетрясение
• Возникновение очага землетрясения.
• Сейсмические волны.
• Причины землетрясений.
• Глубокофокусные землетрясения.
• Сейсмографы.
• Интенсивность землетрясений.
• Изучение землетрясений.
• Длительность землетрясений.
• Параметры землетрясений.

СЕЙСМОЛОГИЯ И ТЕКТОНИКА – науки, занимающиеся изучением земле трясений и развитием земной коры.

Сейсмические волны, возникающие при землетрясениях, используются и для изучения внутреннего строения Земли, достижения в этой области послужили основой для развития методов сейсмической разведки. Наблюдения за землетрясениями ведутся с древнейших времен. Детальные исторические описания, надежно свидетельствующие о землетрясениях с середины 1 тыс. до н.э., даны японскими учеными. Большое внимание сейсмичности уделяли и античные ученые и другие. Систематические инструментальные наблюдения, начатые во 2-ой половине 19 в., привели к выделению сейсмологии в самостоятельную науку (Б.Б.Голицын, Э.Вихерт, А.Мохоровичич, Ф.Омори и др.).

Взглянув на современную карту мира, можно заметить, насколько хорошо совмещаются очертания береговой линии Африки и Америки, если «убрать» разделяющий их океан. Сотни миллионов лет назад весь массив суши земного шара составлял единый первичный континент – Пангею. Позднее он раскололся на части (нынешние континенты), которые, медленно дрейфуя, заняли свои теперешние места на земном шаре. С теорией дрейфа континентов тесно связано имя немецкого геофизика Альфреда Вегенера, опубликовавшего ее первое подробное изложение в 1912.

Выделяются три основных типа границ плит: дивергентные – на них плиты раздвигаются, там образуется новая океаническая кора; трансформные – по этим границам плиты скользят друг относительно друга в противоположных направлениях, конвергентные – у этих границ плиты сходятся, причем одна из них подвигается под другую и погружаются в мантию (на рисунке отображены красным цветом).

«Новая глобальная тектоника» (тектоника литосферных плит) – тектоническая гипотеза, предполагающая, что литосфера разбита на крупные плиты, которые перемещаются по астеносфере (слой пониженной твердости и прочности под литосферой) в горизонтальном направлении. Близ срединно-океанических хребтов литосферные плиты наращиваются за счет вещества, поднимающегося из недр, и расходятся в стороны (спрединг); в глубоководных желобах одна плита поддвигается под другую и поглощается мантией (субдукция) мантией. Там, где плиты сталкиваются между собой, возникают складчатые сооружения.

Сейсмология изучает и связанные с землетрясениями явления. выясняются причины землетрясений, связь с тектоническими процессами и возможность предсказания. Используется для исследования внутреннего строения Земли и определения положения важнейших границ раздела между ее «твердыми» оболочками и решаются задачи по сейсмическому районированию и микрорайонированию. Как самостоятельная наука существует со второй половины 19 в.

Тектоника изучает не только развитие структуры земной коры, но и ее изменения под влиянием тектонических движений и деформаций, связанных с развитием Земли в целом. Представления, объясняющие деформации и движения земной коры, выражаются в гипотезах мобилизма и фиксизма. Начало развития тектоники относится к 16–17 вв. В 20 в. она оформилась как самостоятельная отрасль геологии.

Вулканы.

Вулкан (от лат. vulcanus – огонь, пламя), геологическое образование, возникающее над каналами и трещинами в земной коре, по которым на земную поверхность извергаются лава, пепел, горячие газы, пары воды и обломки горных пород. Различают действующие, уснувшие и потухшие вулканы, а по форме – центральные, извергающиеся из центрального выводного отверстия, и трещинные, имеющие вид зияющих трещин или ряда небольших конусов. Основные части вулкана: магматический очаг (в земной коре или верхней мантии), жерло – выводной канал, по которому магма поднимается к поверхности; конус – возвышенность на поверхности Земли из продуктов выброса вулкана, кратер – углубление на поверхности конуса вулкана. Лавовый купол имеет округлую в плане форму и крутые склоны, прорезанные глубокими бороздами. В жерле вулкана может образоваться пробка застывшей лавы, которая препятствует выделению газов, что впоследствии приводит к взрыву и разрушению купола. Крутосклонный пирокластический конус сложен чередующимися прослоями пепла и шлаков. Щитовой вулкан с большим кратером (кальдерой), и тонким покровом застывшей лавы на поверхности. Излияния лавы могут происходить из кратера на вершине или через трещины на склонах. Внутри кальдеры, а также на склонах щитового вулкана встречаются воронки обрушения. Конус стратовулкана состоит из чередующихся слоев лавы, пепла, шлаков и более крупных обломков. Современные вулканы расположены вдоль крупных разломов и тектонических подвижных областей (главным образом на островах и берегах Тихого и Атлантического океанов). Активные действующие вулканы: Ключевская Сопка и Авачинская Сопка (Камчатка, Российская Федерация), Везувий (Италия), Исалько (Сальвадор), Мауна-Лоа (Гавайские о-ва) и др.

Состав вулканических пород.

Существует множество типов вулканических пород, различающихся по химическому составу. Чаще всего встречаются четыре типа, принадлежность к которым устанавливается по содержанию в породе диоксида кремния: базальт – 48–53%, андезит – 54–62%, дацит – 63–70%, риолит – 70–76%. Породы, в которых количество диоксида кремния меньше, в большом количестве содержат магний и железо. При остывании лавы значительная часть расплава образует вулканическое стекло, в массе которого встречаются отдельные микроскопические кристаллы. Исключение составляют т.н. фенокристаллы. Цвет вулканического стекла зависит от количества присутствующего в нем железа: чем больше железа, тем оно темнее.

Действующие вулканы земли.

К действующим относятся вулканы, извергавшиеся в историческое время или проявлявшие другие признаки активности (выброс газов и пара). Всего известно примерно 2500 извержений 500 таких вулканов.

Многие вулканические островные дуги, по-видимому, связаны с системой глубинных разломов. Центры землетрясений располагаются примерно на глубине до 700 км от уровня земной поверхности, т.е. вулканический материал поступает из верхней мантии. На островных дугах он часто имеет андезитовый состав, андезиты по своему составу сходны с континентальной земной корой, в этих районах кора наращивается за счет поступления мантийного вещества. Вулканы, действующие вдоль океанических хребтов (например, Гавайского), извергают материал преимущественно базальтового состава. Эти вулканы, сопряжены с мелкофокусными землетрясениями, глубина которых не превышает 70 км. Поскольку базальтовые лавы встречаются как на материках, так и вдоль океанических хребтов, предполагают, что непосредственно под земной корой существует слой, из которого поступают базальтовые лавы.

Источники тепла.

Одной из нерешенных проблем проявления вулканической активности является определение источника тепла, необходимого для локального плавления базальтового слоя или мантии. Такое плавление должно быть узколокализованным, поскольку прохождение сейсмических волн показывает, что кора и верхняя мантия обычно находятся в твердом состоянии. Более того, тепловой энергии должно быть достаточно для плавления огромных объемов твердого материала. Например, в США в бассейне р.Колумбия (штаты Вашингтон и Орегон) объем базальтов более 820 тыс. км³, такие же крупные толщи базальтов встречаются в Аргентине (Патагония), Индии (плато Декан) и ЮАР (возвышенность Большое Кару). Сейчас есть три гипотезы. Одни геологи считают, что плавление обусловлено локальными высокими концентрациями радиоактивных элементов, но такие концентрации в природе кажутся маловероятными, другие предполагают, что тектонические нарушения в форме сдвигов и разломов сопровождаются выделением тепловой энергии. Есть еще одна точка зрения, согласно которой верхняя мантия в условиях высоких давлений находится в твердом состоянии, а когда вследствие трещинообразования давление падает, она плавится и по трещинам происходит излияние жидкой лавы.

Лава

– раскаленная жидкая или очень вязкая, преимущественно силикатная масса, изливающаяся на поверхность Земли при извержениях вулканов, а затем затвердевающая. Лава может изливаться из основного вершинного кратера, бокового кратера на склоне вулкана или из трещин, связанных с вулканическим очагом – резервуар магмы, находящийся в земной коре или верхней мантии Земли и питающий вулкан. Лава стекает вниз по склону в виде лавового потока. При застывании лавы образуются эффузивные горные породы.

Состав лавы.

Твердые породы, образующиеся при остывании лавы, содержат в основном диоксид кремния, оксиды алюминия, железа, магния, кальция, натрия, калия, титана и воду. Обычно в лавах содержание каждого из этих компонентов превышает один процент, а другие элементы присутствуют в меньшем количестве. Мощность лавовых потоков, как правило, составляет от 3 до 15 м. Более жидкие лавы образуют более тонкие потоки. Когда на поверхности базальтового потока начинается затвердевание, внутренняя часть потока может оставаться в жидком состоянии, продолжая течь и оставляя за собой вытянутую полость, или лавовый тоннель. Поверхность лавового потока бывает ровной и волнистой. Горячая лава, обладающая высокой текучестью, может продвигаться со скоростью более 35 км/ч, однако чаще ее скорость не превышает нескольких метров в час. В медленно движущемся потоке куски застывшей верхней корки могут отваливаться и перекрываться лавой; в результате в придонной части формируется зона, обогащенная обломками. При застывании лавы иногда образуются столбчатые отдельности (многогранные вертикальные колонны диаметром от нескольких сантиметров до 3 м) или трещиноватость, перпендикулярная охлаждающейся поверхности. При излиянии лавы в кратер или кальдеру формируется лавовое озеро, которое со временем охлаждается.

Землетрясение

– подземные толчки и колебания земной поверхности, возникающие в результате внезапных смещений и разрывов в земной коре или верхней части мантии и передающиеся на большие расстояния в виде упругих колебаний. См. также ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ.

Возникновение очага землетрясения.

Напряжение внутри земной коры растет до тех пор, пока не превысит прочности самих пород. Пласты горных пород разрушаются и резко смещаются, такое резкое смещение пород называется подвижкой. Вертикальные подвижки приводят к резкому опусканию или поднятию пород. Обычно смещение составляет лишь несколько сантиметров, но энергия, выделяемая при перемещении миллиардов тонн породы даже на малое расстояние, огромна. Накопленное напряжение в месте подвижки снимается.

Землетрясения часто описывают как мгновенные события, что вполне справедливо в масштабе Земли, подвижка продолжается в течение некоторого интервала времени. Точка, в которой начинается подвижка, называется очагом, фокусом или гипоцентром землетрясения. Точка на земной поверхности, расположенная непосредственно над очагом, называется эпицентром. Здесь сила подземных толчков достигает наибольшей величины. Фокус землетрясения может находиться на разной глубине, поэтому землетрясения разделяются на глубокофокусные (очаг землетрясения на глубине 300–700 км), промежуточные (глубина очага 55–300 км) и мелкофокусные (очаг от поверхности менее 55–60 км.

Сейсмические волны.

При землетрясении в очаге частицы горных пород перемещаются и передают колебания в виде акустической волны. Акустические волны, которые возникают при землетрясении, называются сейсмическими. Сейсмические волны возбуждаются землетрясением или крупным взрывом. Различают несколько типов сейсмических волн: волны сжатия, волны сдвига и поверхностные волны.

Волны сжатия, Р-волны, или продольные волны, заставляют частицы пород колебаться подобно спиральной пружине. Р-волны вызывают колебания частиц вдоль направления распространения волны путем чередования участков сжатия и разрежения в породах. P-волны могут проникать в любое место земного шара.

Волны сдвига, S-волны, или поперечные сейсмические волны заставляют частицы пород колебаться перпендикулярно направлению распространения волны подобно вибрирующей гитарной струне. S-волны распространяются только в материале, обладающем упругостью, и поэтому не в состоянии проходить через жидкое ядро Земли. Благодаря этому явлению в 1906 английский сейсмолог Олдгем, наблюдая за распространением S-волн, сделал вывод о существовании земного ядра. Скорость волн зависит от типа породы, в которой они распространяются, скорость Р-волн примерно в 2 раза больше скорости S-волн. Именно продольные волны первыми регистрируются сейсмографами, поэтому сейсмологи называют их первичными (Primary) P-волнами, а поперечные – вторичными (Secondary) – S-волнами. Третий тип сейсмических волн – поверхностные или длинные (Long) – L-волны. Они распространяются по земной поверхности подобно морским волнам. Поверхностные волны движутся примерно в 2 раза медленнее, чем S-волны, но отличаются наибольшей амплитудой. Поверхностные волны и вызывают самые сильные разрушения, сотрясая земную поверхность.

Причины землетрясений.

Большая часть землетрясений связана с процессами горообразования или разломами литосферных плит. Такие землетрясения называются тектоническими. Верхнюю часть земной коры составляют около десятка огромных блоков – тектонических плит. Эти плиты перемещаются под воздействием конвекционных течений, поднимающихся из высокотемпературной мантии. Одни плиты двигаются навстречу друг другу (как, например, в районе Красного моря).

Глубокофокусные землетрясения.

Большинство землетрясений происходит в литосфере, т.е. на глубине до 200 км. Здесь земная кора растрескивается подобно фарфору. Напряжения накапливаются в ней до тех пор, пока не образуется разрыв и подвижка горных пород. Однако иногда очаги землетрясения находятся на глубинах вплоть до 700 км. По современным представлениям о внутреннем строении Земли на таких глубинах вещество мантии под действием тепла и давления переходит из хрупкого состояния, при котором оно способно разрушаться, в тягучее, пластическое. Везде, где глубокие землетрясения случаются достаточно часто, они «обрисовывают» некоторую наклонную плоскость, начинающуюся вблизи земной поверхности и уходящую в недра Земли до глубины 700 км. Эти плоскости стали называть зонами Вадати – Беньоффа по имени японского сейсмолога Вадати и американского – Беньоффа, которые впервые открыли это явление. Эти зоны привязаны к местам, где сталкиваются плиты. Одна плита изгибается и поддвигается под другую, погружаясь в мантию. Зона глубоких землетрясений как раз и связана с такой опускающейся плитой. Хотя для объяснения глубоких землетрясений выдвинуто множество интересных идей, но в течение 60 лет, прошедших после открытия глубоких землетрясений, они все еще остаются загадкой. До сих пор неясен механизм возникновения очага землетрясения в таких размягченных породах.

Сейсмографы.

Для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн используются специальные приборы – сейсмографы. В наше время это сложные электронные устройства. У современных сейсмографов были свои предшественники. Первый сейсмограф появился в 132 в Китае. Настоящие сейсмографы появились в 1890-е. В современном сейсмографе используется свойство инерции (свойство сохранять первоначальное состояние покоя или равномерного движения). Впервые инструментальные наблюдения появились в Китае, где в 132 Чан Хен изобрел сейсмоскоп, представлявший собой искусно сделанный сосуд. На внешней стороне сосуда с размещенным внутри маятником по кругу были выгравированы головы драконов, держащих в пасти шарики. При качании маятника от землетрясения один или несколько шариков выпадали в открытые рты лягушек, размещенных у основания сосудов таким образом, чтобы лягушки могли их проглотить (рис. 9_2). Современный сейсмограф представляет собой комплект приборов, регистрирующих колебания грунта при землетрясении и преобразующих их в электрический сигнал, записываемый на сейсмограммах в аналоговой и цифровой форме. Однако, по-прежнему, основным чувствительным элементом служит маятник с грузом.

Интенсивность землетрясений.

Интенсивность проявления землетрясений на поверхности измеряется в баллах и зависит от глубины очага и магнитуды землетрясения, служащей мерой его энергии.

Интенсивность землетрясений оценивается в сейсмических баллах. (таблица)

Таблица 1. Шкала Меркалли

Таблица 1. ШКАЛА МЕРКАЛЛИ
I балл	Не ощущается людьми
II балла	Ощущается в спокойной обстановке на верхних этажах зданий.
III балла	Ощущается в помещениях; кажется, будто под окнами проезжает легкий грузовик. Качаются висячие предметы
IV балла	Кажется, будто проезжает тяжелый грузовик; звенят оконные стекла, посуда, скрепят двери.
V баллов	Ощущается на улице; просыпаются люди, выплескивается из посуды жидкость.
VI баллов	Ощущается всеми; испуганные люди выбегают на улицу; трескается штукатурка и кирпичная кладка; сдвигается и переворачивается мебель; лопаются оконные стекла.
VII баллов	Трудно стоять на ногах; ощущается водителями движущихся автомобилей; осыпается штукатурка, падают кирпичи, керамическая плитка и т.д.; звенят большие колокола; на поверхности водоемов возникают волны.
VIII баллов	Трудно вести автомобиль; падает штукатурка, рушатся некоторые кирпичные стены, дымовые трубы, башни, памятники; обламываются ветки деревьев; в сыром грунте образуются трещины.
IX баллов	Общая паника; лопаются каркасы строений и подземные трубы; образуются значительные трещины в грунте и песчаные воронки.
X баллов	Рушится большинство кирпичей кладки, каркасных сооружений и фундаментов; серьезные повреждения плотин и насыпей; рушатся мосты; мощные оползни.
XI баллов	Серьезная деформация железнодорожных путей; полностью выходят из строя подземные трубопроводы.
XII баллов	Практически полное разрушение; нарушение линии горизонта; взлетают в воздух отдельные предметы.

Сейсмические волны проходят внутри земного шара в тех местах, которые недоступны наблюдению. Все, что они встречают на пути, так или иначе их изменяет. Поэтому анализ сейсмических волн помогает выяснить внутреннее строение Земли.

При помощи сейсмографа можно оценить энергию землетрясения. Cсравнительно слабые землетрясения высвобождают энергию порядка 10 000 кг/м, т.е. достаточную, чтобы поднять груз весом 10 тонн на высоту 1 м. Этот энергетический уровень принимается за ноль, землетрясению имеющему в 100 раз больше энергии соответствует 1, еще в 100 раз более сильному соответствуют 2 единицы шкалы. Такая шкала называется шкалой Рихтера в честь известного американского сейсмолога из Калифорнии Ч. Рихтера. Число в такой шкале называется магнитудой и обозначается М. В самой шкале верхний предел не предусмотрен, по этой причине шкалу Рихтера называют открытой. В действительности сама Земля создает практический верхний предел. Сильнейшие из зарегистрированных землетрясений имели магнитуду 8,9. Таких землетрясений с начала инструментальных наблюдений зарегистрировано два, оба под океаном. Одно произошло в 1933 у берегов Японии, другое – в 1906 у берегов Эквадора. Таким образом, магнитуда землетрясения характеризует количество энергии, выделяемой очагом во все стороны. Эта величина не зависит ни от глубины очага, ни от расстояния до пункта наблюдения. Сила проявления землетрясения зависит не только от магнитуды, но и от глубины очага (чем ближе очаг к поверхности, тем больше сила его проявления), от качества грунтов (чем более рыхлый и неустойчивый грунт, тем больше сила проявления). Имеет значение, конечно, и качество наземных построек. Сила проявления землетрясения на земной поверхности определяется по шкале Меркалли в баллах. Баллы отмечаются цифрами от I до XII (цифры римские, чтобы не было путаницы с магнитудой).

Изучение землетрясений.

Изучением землетрясений занимается сейсмология. Сейсмические волны, возникающие при землетрясениях, используются также для изучения внутреннего строения Земли, достижения в этой области послужили основой для развития методов сейсмической разведки. Наблюдения за землетрясениями ведутся с древнейших времен. Детальные исторические описания, надежно свидетельствующие о землетрясениях с сер. 1 тыс. до н.э., даны японцами. Большое внимание сейсмичности уделяли и античные ученые – Аристотель и др. Систематические инструментальные наблюдения, начатые во 2-ой пол. 19 в., привели к выделению сейсмологии в самостоятельную науку (Б.Б.Голицын, Э.Вихерт, Б.Гутенберг, А.Мохоровичич, Ф.Омори и др.).

Длительность землетрясений.

Продолжительность землетрясений различна, часто число подземных толчков образует рой землетрясений, включающих предшествующие (форшоки) и последующие (афтершоки) толчки. Распределение наиболее сильного толчка (главного землетрясения) внутри роя носит случайный характер. Магнитуда сильнейшего афтершока меньше на 1,2 чем у основного толчка, эти афтершоки сопровождаются своими вторичными сериями последующих толчков.

Параметры землетрясений.

Очаги землетрясений располагаются на глубинах до 700 км, но большая часть (3/4) сейсмической энергии выделяется в очагах, находящихся на глубине до 70 км. Размер очага катастрофических землетрясений может достигать 100 × 1000 км. Его положение и место начала перемещения масс (гипоцентр) определяют путем регистрации сейсмических волн, возникающих при землетрясениях (у слабых землетрясений очаг и гипоцентр совпадают). Проекция гипоцентра на земную поверхность именуется эпицентром. Вокруг него располагается область наибольших разрушений (эпицентральная, или плейстосейстовая, область)

Эдвард Кононович