Наш природный дом – наша красавица Земля – не всегда и не везде ласкова к нам. Чуть ли не каждый день средства массовой информации сообщают о стихийных бедствиях: ураганах и смерчах, землетрясениях, извержениях вулканов, цунами и др.
Например, только с августа месяца 2016 года в мире произошло более десятка мощных землетрясений. Италия, Греция, Япония, США, Новая Зеландия – вот далеко не полный перечень стран, где за небольшой промежуток времени это стихийное бедствие принесло значительные разрушения и массовые человеческие жертвы.
Какова же причина таких ужасных катастроф? Можно ли их предотвратить, предсказать? В данном коротком очерке речь пойдёт о явлениях, связанных с землетрясениями.

Землетрясения. Землетрясения и вулканы – это проявление глубинных процессов, происходящих сравнительно недалеко от поверхности Земли. Очаги глубоких землетрясений не наблюдается ниже 700 километров (радиус Земли – 6400 км), а сейсмические сотрясения перед извержением вулканов поступают из глубины 50-60 километров.

Изучением землетрясений занимается одна из наук о Земле – сейсмология (от греческого сейсм – сотрясение).

Ежегодно на земном шаре приборами фиксируется более 100000 землетрясений, в том числе, в среднем, одно катастрофическое и около 100 разрушительных.

В эпицентре (место на поверхности над очагом землетрясения – гипоцентром) землетрясение ощущается, как толчок снизу, а на расстоянии – как колебания. От гипоцентра землетрясение распространяется волнами, называемыми сейсмическими. Эти волны и вызывают колебания на поверхности Земли.

Количество высвобождённой энергии при землетрясении характеризуется специальным числом, называемым магнитудой. Энергетический диапазон землетрясений огромен: у сильнейших с магнитудой около 9 высвобождается энергии в триллион раз больше, чем при лёгких.

Землетрясения, отличающиеся своей магнитудой на единицу, по количеству высвобождаемой энергии различаются в 30 раз. Верхний предел магнитуды землетрясений обусловлен прочностью горных пород, ограничивающей возможность накопления большого значения упругой энергии.

Всего на Земле за год освобождается сейсмической энергии в 5 раз больше, чем при землетрясении, разрушившем Мехико в 1985 году (магнитуда 8).

Вполне очевидно, что интенсивность колебаний на поверхности Земли будет зависеть от многих факторов, и прежде всего – расстояния от очага землетрясения. Согласно с интенсивностью колебаний землетрясения классифицируют по 12-балльной шкале.

Землетрясения от одного до 4 баллов считаются слабыми, от 5 до 7 баллов – достаточно сильными – при них наблюдаются первые разрушения, а более 7 баллов – сплошь разрушительны.

Начиная с трёх баллов землетрясения становятся ощутимыми для людей, при 5 баллах трескается штукатурка, при 6 – разрушаются отдельные старые здания, при 8 – разрушаются каменные дома, при 10 – деревянные дома, мосты, повреждаются плотины, при 11 – здания почти полностью уничтожаются, сгибаются железнодорожные рельсы, образуются многочисленные оползни и завалы, при 12 – предметы подпрыгивают вверх, меняется направление течения рек, трещины на Земле простираются на сотни километров, совсем меняется пейзаж.

Сильнейшим землетрясением в прошлом веке считается Гоби-Алтайское на юге Монголии, которое произошло 4 декабря 1957 г. (11-12 баллов).

Моретрясения. В довершение бедствий, которые причиняют людям землетрясения, прибрежные страны часто страдают от цунами. Цунами – слово японское. Так называют огромные морские волны, возникающие в результате подводных землетрясений, при взрывах островных или подводных вулканов.

Цунами состоит из 5-7 волн, идущих одна за другой на расстоянии 200-300 километров и со скоростью до 800 километров в час. Высшей бывает вторая или третья волна.

В открытом океане из-за огромных расстояний от гребня до гребня высота волны незаметна и с кораблей не наблюдается. При приближении к берегу в результате трения с дном волна постепенно становится более крутой и на пологом побережье переходит в высокий вал, с разгона падающий на берег.

В большинстве случаев моретрусы начинаются с отступления океана от берега. Морское дно обнажается на несколько сотен, а то и тысяч метров. Чем дальше отступает океан, тем с большей силой обрушивается на берег цунами.

Через 10-15 минут после того, как начало отступать море, волна высотой 5-10 метров, иногда 30 и более с огромной скоростью накатывается на берег и затапливает его на несколько километров. Отступая от берега в океан, цунами образует на дне сильное течение, которое сносит всё, захваченное на берегу.

Цунами – довольно распространённое стихийное бедствие. За две с половиной тысячи лет известно 355 больших цунами, из них 308 – на Тихом океане. Особенно страдает от них Япония.

Вулканы. Размещение очагов землетрясений на поверхности Земли подлежит определенной закономерности. Наибольшее количество их сосредоточено в двух сейсмических зонах: тихоокеанской, охватывающей Тихий океан, и средиземноморской, что тянется почти по параллели вдоль Средиземного моря и далее на восток до Тихого океана, немного разветвляясь под конец пояса.

Сейсмическими также являются срединные океанические хребты Атлантического, Тихого и Индийского океанов. Эти образования легко можно проследить на физических картах мира или глобусах.

В Атлантике срединный океанический хребет строго отмечает ось симметрии океана, копируя его параллельные берега, в Индийском океане он смещён к западу от середины и продолжается в Красном море, а в Тихом смещён далеко на восток, прилегая в северной части к берегам Северной Америки.

Как правило, хотя и не без некоторых исключений, с сейсмическими поясами географически связаны и вулканы. Слово «вулкан» происходит от собственного: так именовали древние римляне бога войны, пожаров и кузнечных дел.

На Земле известно около 1300 действующих вулканов (действующими называются вулканы, извержения которых произошли на памяти человечества, или, другими словами, в историческое время), из них в Тихоокеанском поясе находится 68% от их общего количества.

Их активность наблюдается сравнительно редко: только 20-30 вулканов в год. Гораздо больше тех, которые действовали относительно недавно. Следы этой активности хорошо заметны на достаточно свежих, не разрушенных эрозией вулканических конусах.

Известно, что вулканическая лава образуется в результате расплавления горных пород на больших глубинах, достигающих нескольких десятков километров.

По особенностям распространения сейсмических волн под вулканом Ключевский на Камчатке был найден резервуар расплавленной магмы на глубине около 60 километров. По трещинам в земной коре лава поднимается и изливается на поверхность. Температура лавы иногда превышает 1200 градусов.

Формы вулканической деятельности разнообразны: в одном случае из кратера спокойно или довольно бурно вытекает расплавленная лава, из которой выделяются растворённые в ней газы, в другом преобладают газы, выход которых происходит внезапно и сопровождаются большими разрушениями. Между этими крайними типами можно наблюдать все промежуточные случаи.

Продукты извержения попадают на поверхность через кратер вулкана (диаметр 2-2,5 километра, иногда больше) и формируют само сооружение вулкана, особенности строения которого зависят от состава извержённых пород.

Преобладают вулканы конусные и щитовые. Конусные насыпаны из вулканического пепла в смеси с лавой, щитовые – образуются за счёт базальтовых лав, имеющих небольшую вязкость.

Крутизна склонов щитовых вулканов не превышает 10 градусов. Вулканические горы по высоте соревнуются с самыми высокими горными массивами мира. Так, вулкан Тупунгато в Андах имеет высоту 6,8 километра, а потухший вулкан Эльбрус на Кавказе – 5,6 километра.

Иногда лава выливается через трещины в земной коре. Крупнейшее извержение такого типа произошло в Исландии 1783 г., когда из трещины Лаки длиной 30 километров вылилось более 12 кубических километров базальтовой лавы. Она покрыла площадь в 500 квадратных километров. Это близко к современной «годовой норме» всех вулканов на Земле.

Извержения вулканов происходят через самые различные промежутки времени. Некоторые вулканы на Гавайях действуют периодически с промежутками во времени 2-4 года, хотя ранее они долгое время находились в состоянии покоя.

От извержения Везувия, уничтожившего Помпеи, до следующего эпизода его деятельности прошло 1600 лет. Длительность активности вулкана точно не известна – считается, что около миллиона лет.

Земная кора, океаны и атмосфера. Суммарное количество вулканических продуктов на поверхности Земли свидетельствует о том, что вулканическая деятельность в давнем прошлом была более интенсивной, чем сейчас.

Подсчитано, что за всю историю нашей планеты вулканы вынесли на поверхность столько минерального вещества, что оно равно массе всех материков. Из этого вещества, переработанного водой, воздухом и живыми организмами, и состоит земная кора – верхняя оболочка земного шара толщиной от 10 до 70 километров.

Вулканические газы состоят в основном из водяного пара и углекислоты, причём воды в них больше в 3-10 раз. Водяной пар в вулканах иногда развивает огромное давление в тысячи атмосфер.

Это давление может привести к таким грандиозным катастрофам, как взрыв вулкана Кракатау в Индонезии в 1883 году. Энергия этого взрыва оценивается в 2 миллиарда тонн тротила, а звук взрыва был слышен в Австралии за 5000 километров. Облако газов и твёрдых частиц поднялось над вулканом на высоту 27 километров.

В атмосферу было выброшено 18 кубических километров твёрдого вещества различных размеров; маленькие частички оставались в воздухе круглый год, вызывая необычные метеорологические явления.

В частности, после таких мощных извержений наблюдаются суровые зимы, что объясняется уменьшением облучения поверхности Земли Солнцем вследствие рассеяния света пылевыми частицами.

С появлением первых растений на Земле в атмосферу начал поступать кислород. От количества углекислоты в атмосфере зависит так называемый парниковый эффект на поверхности планеты, который в значительной мере предопределяет поверхностную температуру.

Есть гипотеза, что теплые и ледниковые периоды в истории Земли определялись периодической сменой вулканической активности и соответственно количеством углекислоты в атмосфере. Другая гипотеза ставит сам факт существования жизни на планете в зависимость от её геологической активности. Сторонники этой гипотезы считают: когда в атмосферу планеты перестаёт поступать углекислота, исчерпывается та основа, на которой строится растениями органическая материя живого.

Продолжительность геологической истории планеты пропорциональна её массе. На Марсе, масса которого составляет лишь одну десятую массы Земли, вулканы уже давно не действуют.

В чем причина? Рассмотрим теперь, какие физические процессы в недрах Земли приводят к вулканам и землетрясениям.

Современная наука о Земле связывает эти процессы с движением континентов. Согласно теории движения континентов, вся земная поверхность делится на 7 больших и несколько малых плит, толщина которых достигает 100-200 км (см. рисунок).

Одна из этих плит – Евразийская – несёт на себе огромный континент Евразию, другая – Тихоокеанская – крупнейший океан Земли, а остальные включают в себя материки и части океанов.

Так, Африканская плита держит на поверхности Африку, западную часть Индийского океана до срединного океанического хребта и восточную часть Атлантического, тоже до Срединного хребта. Индийская плита, кроме Индийского океана, охватывает также Австралию и Индостан, две Американские включают обе Америки и западную часть Атлантики, Антарктическая, кроме Антарктиды, – значительную часть всех трёх прилегающих к ней океанов. Интересно, что границы этих и других плит и представляют собой сейсмические и вулканические зоны Земли.

В местах срединных океанических хребтов плиты расходятся. Это приводит к образованию трещин в земной коре, по которым заодно с вулканическими выбросами, на твёрдую поверхность поступает базальтовый расплав, который идёт на формирование новых участков океанического дна. Атлантический океан, возникший после отделения Америки от Европы и Африки 100000000 лет назад, продолжает расширяться и теперь со скоростью около сантиметра в год.

Что касается движущих сил, смещающих плиты, то причина их до конца ещё не выяснена. Считается, что такими причинами может быть конвекция в расплавленных недрах, когда разогретая лава поднимается с глубины. А когда под плитой её движение становится горизонтальным, она захватывает и сдвигает плиту.

Если плиты расходятся в одном месте, то логично, что где-то в другом они должны сталкиваться. В местах такого столкновения плит океаническая – большей плотности – ныряет под материковую и, с наклоном до 45 градусов, постепенно погружается в недра Земли.

Такие места ныряния отмечены глубоководными впадинами Тихого океана: Курильской, Японской, Филиппинский у Евразии, Атакамской и Гватемальской у Америки и другими. Погружённая в недра океаническая плита при движении относительно континентальной может вызвать деформации и разрывы в породе, на последних и происходят землетрясения. Прежде чем полностью расплавиться, плита может войти в недра до 700 километров. Именно такого предела и достигают глубокие очаги землетрясений.

Часть вещества плиты после расплавления, имея меньшую плотность, чем окружающая среда, поднимается по трещинам и дальше по ходу плиты на расстоянии порядка 200 км от глубоководных впадин обозначает эти места на поверхности рядом вулканов.

Именно такими вулканами являются островные дуги – Алеутские, Курильские, Марианские острова, все вулканы Камчатки, Японии, Новой Зеландии, американские Кордильеры и другие, которые окружают Тихоокеанскую плиту. Вулканы Средиземного моря отмечают линию столкновения Африканской плиты с Евразией.

В длиннющей зоне столкновения или расхождения плит разрывные нарушения породы вызывают землетрясения, происходящие то в одном, то в другом месте, и тем чаще, чем больше скорость взаимного смещения плит. На этом основан метод долгосрочного прогноза землетрясений.

О возможности землетрясения, произошедшего 19 сентября 1985 года в Мексике, учёные предупреждали ещё в 1980 году. Эти прогнозы основывались на том, что в этом месте активных смещений плит (со скоростью до 9 сантиметров в год) в зоне Гватемальской впадины землетрясения не было уже с 1911 года.

Что касается краткосрочного и точного прогнозирования землетрясений и извержений вулканов, то в последнее время здесь также сделаны определённые шаги. Специалистам удалось заметить в породах вблизи эпицентра такие явления, которые предшествуют землетрясениям: изменение скорости сейсмических волн, малые наклоны и другие деформации земной поверхности, изменение уровня грунтовых вод и их химического состав и прочее.

Вблизи вулкана Ключевский за 10-20 дней до его извержения наблюдались также сильные наклоны земной поверхности, свидетельствующие о вспучивании зоны вокруг вулкана.

Давно известно необычное поведение животных, птиц, пресмыкающихся и рыб перед землетрясениями. Очевидно, они хорошо чувствуют те первые, ещё слабые сотрясения, предшествующие основному удару. Такие сотрясения отмечаются также и приборами.

Не совсем ясно только, как животные отличают их от множества других, которые являются просто слабыми землетрясениями. Впрочем, ведутся исследования с использованием животных для прогноза землетрясений.

Предложены также проекты ранней провокации землетрясений, когда недра накопили ещё не так много деформационной энергии, и мощность «преждевременного» землетрясения не будет представлять значительной опасности.

Учёные продолжают работать над этой очень актуальной глобальной проблемой.

И.А. Дычко, кандидат физ.-мат. наук, г. Полтава