Что такое землетрясения

Однажды в Ташкенте меня пригласили в гости одни очень милые люди. Мы сидели, ели плов, пили чай, как вдруг во дворе завыла собака. Хозяева переглянулись. А когда за соседним дувалом в неурочное время заорал петух – они встали, дружно взяли приготовленные чемоданы и предложили пойти погулять. «Будет землетрясение, – авторитетно заявили оба. – На улице безопаснее». Прошло совсем немного времени после разрушительного ташкентского землетрясения, и пренебрегать мнением переживших его не имело смысла. Я оделся и вышел с ними.

Землетрясение. Со старинной гравюры.

Тех, кто ждет сейчас описания страшного бедствия, постигнет разочарование. Должен признаться, что я его тоже испытал. К моему скрытому сожалению, не заходила под ногами земля, не стали рушиться с грохотом дома, не выворачивались с корнем столетние деревья…

Когда, минут через сорок, мы вернулись в дома, хозяин вытащил из пиалы кусочек штукатурки и глубокомысленно заявил: «Три балла, можно было не уходить!»

Каждый день в разных районах нашей планеты случаются землетрясения. И не по одному, а по нескольку за день. Реже бывают катастрофические землетрясения, которые остаются в памяти истории. Но и то, хоть одно в год, но бывает обязательно. Ученые давно ищут надежные способы предсказаний этих ужасных бедствий. Кое‑что уже сделано, но – мало. Пока мы должны признать, что животные лучше наших приборов чувствуют приближение подземных толчков.

Как же все‑таки получается, что вдруг в каком‑то одном месте земная кора начинает трястись?

Чтобы понять это, нам придется на какое‑то время забраться в ванну и там провести небольшой эксперимент, прежде чем приступить к намыливанию мочалки. Возьмите с собой кусок заранее припасенной резины. Опустите его в воду и начните под водой растягивать. Медленно, не торопясь. Следите за поверхностью воды. Она остается совершенно спокойной. А между тем в резине накапливается потенциальная энергия. Накапливается, накапливается, и вдруг в какой‑то момент резинка разрывается. В тот же миг освободившаяся энергия передается воде и на поверхности ее вскипают волны. При этом, чем глубже вы погрузили резину, тем волны на поверхности слабее.

Примерно так же образуются и некоторые землетрясения. Земные слои в большинстве своем тоже ведь не находятся в неподвижности. Особенно в горных районах. Одни из них медленно опускаются, другие поднимаются. Часть – сжимается, изгибается, растягивается. Вещество земли обладает упругостью. И чем оно плотнее в глубину, тем его упругость больше. Деформации накапливают и накапливают в слоях потенциальную энергию. Потом наступает момент, когда слой, накопивший слишком много энергии, не выдерживает и лопается. Возникает катастрофическое землетрясение. По классификации сейсмологов оно называется тектоническим. В результате движения больших масс земной коры на поверхности Земли вспучиваются горы, образуются глубокие разломы. Меняется тектонический рельеф планеты.

Бывают землетрясения и не столь сильные, связанные с извержениями вулканов, с обвалами в подземных пещерах и в горах. Возникают они и от неразумных взрывов на поверхности земли атомных и термоядерных бомб.

Ученые оценивают силу землетрясений по 12‑балльной шкале. Землетрясения до 3 баллов – пустяк. Даже не почувствуешь. При пяти – могут полопаться стекла в рамах. При семи – сыплется вовсю штукатурка, а плохо построенные дома норовят и сами развалиться. 10‑балльные толчки разрушают не только дома, но и мосты. Расползаются плотины, дамбы. С гор спускаются оползни и происходят сильные обвалы.

Землетрясение в 12 баллов – это сильнейшее стихийное бедствие. Рушится все. Изменяются даже русла рек…

Почти сто тысяч подземных толчков происходит на земле каждый год. Из них едва ли не тысяча сопровождается разрушениями. Но не только злому делу разрушения служат землетрясения.

В начале 1889 года немецкий геодезист Ребер Пашниц изучал влияние притяжения Луны и Солнца на движение земной коры. Он установил в глубоком подвале Потсдамской обсерватории горизонтальные маятники, которые отклонялись от своего среднего положения при приливах в одну сторону, а при отливах – в другую. При этом самописец вычерчивал на бумажной ленте плавную кривую линию. И вдруг 18 апреля 1889 года на плавной кривой появились сильные колебания, которые длились примерно полтора‑два часа.

Что такое? В чем причина? Никаких видимых сотрясений в окрестностях подвала не наблюдалось. В тот же день через несколько часов телеграф принес известие, что буквально за несколько минут до начала зарегистрированных колебаний в Японии произошло страшное разрушительное землетрясение. Но от островной империи до Потсдама 9 тысяч километров?..

И все‑таки вполне естественно было высказать гипотезу о том, что колебания маятников были вызваны упругими волнами, которые возникли в земле под влиянием землетрясения и распространились через внутренние твердые слои планеты. Дальнейшие наблюдения подтвердили предположение. Были зарегистрированы толчки еще от нескольких сильных землетрясений, происходивших в удаленных зонах Земли. Таким образом было сделано важное открытие, что Земля является проводником упругих колебаний. Причем скорость распространения их не постоянна, а зависит от плотности слоев в глубине, по которым упругие волны пробегают.

Давайте проделаем еще один опыт. Вот на земле лежит длинный и тяжелый стальной рельс. Приложите к его торцу ладошку и попросите товарища стукнуть по противоположному концу рельса молотком. Сам‑то рельс при этом, конечно, не двинется. Но вы после удара молотком ощутите ладонью легкий толчок. Это с другого конца прибежала к вам упругая, сейсмическая волна – колебание. Точно такая же, какие распространяются и в теле нашей планеты. Тряхнет где‑нибудь в одном месте земную кору, сдвинутся с места частицы, передадут свое движение соседним, те – своим соседям. И побежит упругое колебание в разные стороны от очага сотрясения.

Если бы земля состояла из однородного вещества, скорость распространения сейсмических волн с глубиной бы не менялась. Но в недрах на пути волн встречаются слои разной плотности. В одних, более плотных, скорость больше, в других, менее плотных, – меньше. Встречая границы разделения плотностей, волны отражаются, часть из них возвращается к поверхности Земли. Другие же преломляются и идут дальше. Казалось бы, все просто. Лови на поверхности отраженные и преломленные волны горизонтальным маятником, и вся картина сейсмической жизни планеты как на ладони.

На самом деле все, конечно, далеко не так легко. Собственные движения маятников так запутывали и усложняли записи, что сделать какие‑нибудь заключения об истинном характере движения частиц земной поверхности было просто невозможно. Нужно было прежде всего сконструировать надежный прибор – сейсмограф.

Эту задачу решил русский ученый академик Борис Борисович Голицын. В конце ноября 1906 года в подвале Пулковской обсерватории он открыл временную сейсмическую станцию. Причем все его сейсмографы дали отчетливые и ясные записи зарегистрированных землетрясений.

Во всех странах мира по достоинству оценили преимущества приборов Голицына. И скоро все главнейшие сейсмические станции были оборудованы сейсмографами его системы. А сам Борис Борисович от практической работы перешел к теории. Он изучал скорости распространения различных сейсмических волн, их разделение, затухание и поглощение.

На глазах современников происходило рождение новой науки – сейсмологии. Труды замечательного ученого легли в основу создания обширной сети сейсмических станций Советского Союза, которая занимает одно из ведущих мест в мировой сейсмической сети.

В 1913 году Борис Борисович Голицын был назначен директором Главной физической (позже – геофизической) обсерватории. Он пробыл на этом посту всего три года, но и за это короткое время сумел вывести свое научное учреждение в ряд первых геофизических обсерваторий мира.

Как рождаются горы

Сказать по чести, толком этого никто не знает и по сей день. Трудна загадка гор! Но разгадывать ее начали уже давно. И нужно надеяться, что со временем геологи до истины доберутся.

С самого начала обсуждения проблемы формирования земного шара именно горы смущали ученых. Потому что если предположить, что сперва Земля была огненным, расплавленным шаром, то ее поверхность после остывания должна бы остаться более или менее гладкой… Ну может быть, слегка шероховатой.

А откуда же появились высокие горные хребты и глубочайшие впадины в океанах?

В XIX веке господствующей идеей стало представление о том, что время от времени по каким‑то причинам раскаленная магма изнутри приступом идет на каменную оболочку и тогда в ней вспучиваются горы и поднимаются хребты. Поднимаются? Но почему тогда на поверхности так много районов, где хребты идут параллельными складками один подле другого? При вспучивании каждая горная область должна бы иметь форму купола или пузыря…

Объяснить возникновение складчатых гор действием вертикальных сил, идущих из недр, не удавалось. Складки требовали горизонтальных усилий.

А теперь возьмите яблоко в руку. Пусть это будет небольшое, слегка привядшее яблочко. Сдавите его в руках. Смотрите, как сморщилась кожица, как покрылась она мелкими складочками. А представьте себе, что яблочко размером с Землю. Складочки вырастут и превратятся в высоченные горные хребты… Какие же силы могли бы так сдавить Землю, чтобы она покрылась складками?

Вы ведь знаете, что каждое раскаленное тело при остывании сжимается. Может быть, этот механизм годится и для объяснения складчатых гор на земном шаре? Представьте себе – расплавленная Земля остыла и покрылась коркой. Корка или кора, как каменное платье, оказалась «сшитой» на определенный размер. Но планета‑то остывает дальше. А раз остывает, то и сжимается. Немудрено, что со временем каменная рубашка оказалась велика, стала мяться, идти складками.

Спуск в рудник. Со старинной гравюры.

Такой процесс предложил для объяснения формирования поверхности Земли французский ученый Эли де Бомон. Он назвал свою гипотезу контракционной от слова «контракция», что в переводе с латыни как раз и обозначало – сжатие. Один швейцарский геолог попробовал вычислить, какими оказались бы размеры земного шара, если разгладить все складчатые горы.

Получилась весьма впечатляющая величина. Радиус нашей планеты при этом увеличился бы едва ли не на шестьдесят километров!

Новая гипотеза приобрела множество сторонников. Самые известные ученые поддержали ее. Они углубляли и разрабатывали отдельные разделы, превращая предположение французского геолога в единую науку о развитии, движении и деформации земной коры. В 1860 году эту науку, ставшую важнейшим разделом комплекса наук о Земле, предложили назвать геотектоникой. Станем и мы дальше называть этот важный раздел так же.

Гипотеза контракции или сжатия Земли и сморщивания ее коры особенно укрепилась, когда в Альпах и Аппалачах открыли крупные «надвиги».

Этим термином геологи обозначают разрывы в залегающих горных породах, когда одни из них как бы надвинуты на другие. Специалисты торжествовали, новая гипотеза объясняла все!

Правда, возникал маленький вопрос: а почему горы‑складки располагались не по всей поверхности Земли равномерно, как на сморщившемся, усохшем яблоке, а собирались в горные пояса? И почему эти пояса располагались только по определенным параллелям и меридианам? Вопросик пустяковый, но коварный. Потому что на него ответить контракционная гипотеза никак не могла.

Глубокие корни гор

Примерно в середине XIX века, а точнее в 1855 году английский ученый Д. Пратт вел геодезические работы на территории «жемчужины британской короны», то есть в Индии. Он работал вблизи Гималаев. Каждый день, просыпаясь поутру, англичанин любовался величественным зрелищем грандиозного горного района и невольно задумывался: сколько же может весить этот колоссальный горный массив? Его масса должна непременно обладать заметной силой притяжения. Как бы это узнать? Стоп, но если это так, то внушительная масса должна отклонять легкий грузик на нитке от вертикали. Вертикаль – это направление силы тяжести Земли, а отклонение – направление силы притяжения Гималаев…

Пратт тут же прикинул общую массу горного массива. Получилась действительно порядочная величина. По ней, пользуясь законом Ньютона, он вычислил ожидаемое отклонение. Потом неподалеку от склонов гор подвесил грузик на нитке и с помощью астрономических наблюдений измерил его истинное отклонение. Каково же было разочарование ученого, когда при сравнении результатов оказалось, что теория отличается от практики более чем в пять раз. Вычисленный угол оказывался больше измеренного.

Прибавление

Геосинклиналями специалисты называют довольно обширные вытянутые в длину участки земной коры, где особенно часто наблюдаются землетрясения и извержения вулканов. Рельеф в этих местах обычно такой, что, как говорится, «сам черт ногу сломит» – складка на складке.

Еще в 1859 году американский геолог Дж. Холл заметил, что в горно‑складчатых областях осадки гораздо толще, чем в тех местах, где породы залегают спокойными горизонтальными пластами. Почему так? Может быть, под тяжестью накопившихся здесь осадков, смытых с соседних гор, кора Земли прогнулась?..

Выдвинутое предположение понравилось. И несколько лет спустя коллега Холла Джеймс Дана развил взгляды своего предшественника. Он назвал удлиненные прогибы коры, вызванные боковым сжатием (тогда уже господствовала гипотеза контракции), геосинклиналями. Сложный термин произошел из объединения трех греческих слов: «ге» – земля, «син» – вместе и «клино» – наклонять.

Джеймс Дана представлял себе этот процесс следующим образом: сначала сжатая область прогибается. Потом слои сминаются и вспучиваются в виде горных складок.

Пратт никак не мог взять в толк, в чем же заключается его ошибка. Он обратился к гипотезе, выдвинутой когда‑то еще Леонардо да Винчи. Великий итальянский ученый и инженер предположил, что земная кора и расплавленный подкорковый слой – мантия почти всюду находятся в равновесии. То есть блоки коры плавают на тяжелом расплаве, как льдины на воде. А так как при этом часть «льдин»‑блоков погружена в расплав, то в целом блоки оказываются легче, чем принимаются при расчете. Ведь кто не знает, что у айсберга лишь меньшая часть выступает над водой, а большая – погружена…

Соотечественник Пратта Дж. Эри добавил к его рассуждениям свои соображения. «Плотность горных пород примерно одинакова, – говорил он. – Но более высокие и мощные горы стоят, глубже погрузившись в мантию. Менее высокие горы сидят мельче».

Получалось, что горы как бы имеют корни. Причем корневая часть оказывалась сложенной из менее плотных пород, по сравнению с плотностью мантии.

Хорошая получилась гипотеза. Долгое время пользовались ею ученые при измерениях силы тяжести в разных районах Земли. До той поры, пока не полетели над планетой искусственные спутники Земли – самые верные указатели и регистраторы поля притяжения. Но о них еще речь впереди.

В конце прошлого века американский геолог Даттон высказал мысль о том, что наиболее высокие и мощные блоки земной коры размываются дождями и текущими водами сильнее низких, а следовательно, они должны становиться легче и постепенно «всплывать». Тем временем на более легкие и низкие блоки наносятся осадки с вершин более высоких соседей, и они тяжелеют. А раз тяжелеют, то и погружаются. Не является ли этот процесс одной из возможных причин землетрясений в горах и новых горообразований?..

Очень много интересных гипотез выдвинули ученые конца прошлого века. Но едва ли не самой плодотворной из них было создание учения о геосинклиналях и платформах.