Представляем подборку фактов о землетрясениях и их изучении — от Древнего Китая до наших дней.
1. Сколько бывает землетрясений?
Ежегодно на Земле фиксируется 500 тысяч землетрясений. Большинство из них можно обнаружить только при помощи сейсмометров. Количество зарегистрированных землетрясений с каждым годом увеличивается, что объясняется просто: растёт точность приборов и количество сейсмостанций. Человек может ощутить только пятую часть из полумиллиона, а к разрушительным последствиям приводят около 100 землетрясений в год. На одно землетрясение магнитудой 5 приходится в среднем 10 землетрясений магнитудой 4, 100 — с M=3 и так далее. Это эмпирическое правило называют законом Гуттенберга-Рихтера.
2. Самое-самое?
Самое первое зафиксированное в исторических хрониках землетрясение произошло в 1831 г. до н.э в китайской провинции Шаньдун — по крайней мере, пока не удалось найти более древних записей. Самое разрушительное из исторических землетрясений — событие в китайской провинции Шеньси 1556 года. Количество его жертв оценивают в 830 тысяч человек, хотя оно не самое сильное в истории — сейсмологи считают, что по силе оно сопоставимо с землетрясением 2023 года в Турции. Но в этом регионе большинство населения проживало в пещерах, выдолбленных в мягких лёссовых породах и во время землетрясения эти жилища разрушились. Самая древняя и долгая хроника сейсмических событий также родом из Китая: систематические записи о них начинаются в 780 г. до н.э. при династии Чжоу.
3. Сейсмограф — сейсмометр — сейсмоскоп?
Для регистрации землетрясений используют специальный инструментарий — сейсмометры или сейсмографы. Первые сейсмографы известны ещё в Древнем Китае, а прототип современных приборов со стрелкой самописца, представляющей колебания земной поверхности при прохождении сейсмической волны появился в 1880 году.
Сейсмометры на Земле формируют глобальную сеть, и их стараются установить везде, где позволяют технические возможности и логистика (например, их пока сложно массово установить на океанском дне). Это не обязательно активные зоны землетрясений. Сейсмометры используют для «просвечивания» внутренней структуры Земли — см. об этом ниже. Кроме того, сейсмометры установлены и на ближайших небесных телах. Так, их имеется несколько на Луне. Пока что один сейсмометр установлен на Марсе — это стационарная станция InSight, предназначенная для сейсмологических наблюдений. Осенью 2022 года она завершила свою работу по естественным причинам — её солнечные панели покрылись густым налётом марсианской пыли и больше не могут давать необходимое для её работы количество энергии. Подробнее про InSight можно прочитать в нескольких других статьях.
4. Огонь — вода — воздух..?
О причинах землетрясений учёные спорили со времён античности, причём современное представление о движениях земной коры не очень давнее. Так, древнегреческие философы приписывали их, например, «газам в недрах Земли» или «напряжениями между земной и водной средой». Также виновником землетрясений называли «огонь», «воздух» и остальные известные древним стихии. По-видимому, первым верно указал причину землетрясения в 1760 году английский инженер Джон Митчелл, которого считают одним из основателей сейсмологии. Он написал, что землетрясения и «волны энергии», которые они переносят, вызваны «перемещением горных пород на глубине множествa миль от поверхности» — сегодня такое объяснение принимается фактически без изменений.
Причиной сотрясения земли одни полагали воду, другие огонь, третьи — саму землю, четвертые — движущийся воздух; пятые — несколько [стихий], шестые — все вместе. Некоторые точно знают, по их словам, что причина землетрясений — одна из этих [стихий], но не знают, какая именно.
(Сенека, «О природе», книга VI)
5. Земная кора как источник неприятностей?
Землетрясения возникают при смещении блоков земной коры — самой верхней и самой тонкой оболочки Земли. Толщина земной коры меняется в диапазоне от 5 до 90 км. Самая тонкая кора — под океанами, а самая толстая — под высокогорными массивами. Но в любом случае кора занимает ничтожную часть объёма планеты. Так, радиус Земли — около 6400 километров, то есть кора занимает меньше одного процента по толщине и 0,5% массы Земли. Изучением движений земной коры занимается специальный раздел геологии — тектоника. Очевидно, в ведении геологов-тектонистов находятся и землетрясения.
Гипоцентр землетрясения может располагаться на глубинах и до нескольких сотен километров. Это уже далеко не земная кора, но слои верхней мантии. Но такие землетрясения, называемые глубокофокусными, достаточно редкие — подавляющее число сейсмических событий происходит всё же в пределах коры.
- Точку в глубине Земли, где произошло смещение блоков земной коры, называют гипоцентром землетрясения. А эпицентр — это проекция этой точки на земную поверхность.
- Следы метеоритных кратеров на Земле называются астроблемами, или импактными структурами.
Землетрясения могут вызываться и другими причинами, например, падением крупных метеоритов и деятельностью вулканов. В условиях Земли, однако, процент таких сейсмических событий невелик по сравнению с землетрясениями от тектонических причин. Но, к примеру, на Марсе сейсмические толчки, или марсотрясения из-за бомбардировки метеоритами — явление более частое. Некоторые из таких толчков удалось уловить при помощи марсианского сейсмометра InSight, а в отдельных случаях — даже найти кратер, который оставил метеорит, вызвавший марсотрясение (об этом есть отдельная статья).
6. Вниз к центру Земли
Под земной корой располагаются следующие, гораздо более представительные по объёму оболочки Земли — мантия и металлическое ядро, которое разделяется на две компоненты: внешнее жидкое (расплав железа и никеля) и внутреннее твёрдое. Размеры мантии и ядра уже исчисляются тысячами километров. Толщина мантии примерно 2900 километров, и на долю ядра приходятся оставшиеся 3500 километров из 6400. Подобное строение имеют и другие планеты земной группы, в частности, Марс. Так, ядро у Марса имеет радиус, вероятно, около 1800 км — это половина радиуса планеты. Под вопросом пока наличие у Марса жидкого внешнего ядра. Подробнее о новых данных по внутреннему строению Марса можно прочитать в отдельной статье.
7. Откуда мы всё это знаем?
Сведения о внутреннем строении Земли и некоторых космических тел мы получаем из тех же землетрясений. Для этого используют сейсмические волны, которые распространяются от очага землетрясения сквозь всю Землю и фиксируются сейсмографами по всему миру. По задержке поступления волны на ту или иную станцию можно судить о скорости распространения сейсмосигнала в этом направлении (от «источника» — фокуса землетрясения к приёмнику — сейсмостанции на другой стороне земного шара), и соответственно о строении пород на пути волны. Раздел геологии, занимающийся исследованием внутренней структуры планеты по анализу сейсмических волн, называется сейсмотомография.
Сейсмотомографию используют также для изучения Луны, Марса и более удалённых тел Солнечной системы (в частности, планет-гигантов и их спутников). Больше того, сейсмические волны можно использовать для исследования звёзд — этот раздел астрофизики называется астросейсмология. Про исследование строения Марса при помощи данных, собранных станцией InSight, можно прочитать специальную большую статью.
8. Сейсмограммы и сейсмоволны
Сейсмограмма изображает колебания земной коры, которые фиксирует сейсмограф. Первые сейсмограммы рисовали на движущейся бумажной ленте, по которой передвигалось перо самописца. На рисунке видно, как выглядит начало землетрясения — момент прихода сейсмической волны четко выделяется на кривой. Но после первого толчка на сейсмограмме видны дальнейшие события, при которых характер кривой резко изменяется — это моменты прихода разных типов волн. Первый сигнал приходит от самой быстрой волны, или P-волны (Primary wave). Затем следует вторичная, или S-волна (Secondary wave). Можно заметить, что амплитуда этой второй волны ощутимо выше. P и S волны — это соответственно продольная и поперечная звуковая волна в твёрдом теле. Их скорости различаются на несколько километров в секунду. Поэтому после первого сейсмического толчка землетрясения с некоторой задержкой последует второй, который может быть сильнее первого. Вслед за P- и S-волной на сейсмограмме появляется целая серия новых сигналов. Это так называемые поверхностные волны, у которых также выделяют несколько типов (волны Рэлея, Лява и т.д.) В отличие от и P- S-волн, которые распространяются сквозь толщу Земли (поэтому они называются объёмными) поверхностные волны распространяются на границе раздела двух сред, в нашем случае — по поверхности Земли. Самый известный пример таких волн — обычные морские волны. Их скорость ещё меньше, чем у двух объёмных, но их воздействие при землетрясении может быть ещё более разрушительным. На разнице скоростей разных типов волн можно сыграть в системах предупреждения (см. об этом ниже): когда сейсмостанция фиксирует самый первый толчок от P-волны, до прихода следующих может быть запас времени несколько десятков секунд — за это время можно выдать сигнал предупреждения о неизбежном землетрясении.
9. Магнитуда или балльность?
Для характеристики землетрясения используется безразмерная величина — магнитуда M. Сейчас используется несколько похожих шкал с таким названием, но самая первая — шкала магнитуд Рихтера, введённая в 1935 году. Магнитуда определялась по максимальному отклонению стрелки стандартного сейсмографа того времени (сейсмографа Вуда-Андерсона). Если сейсмометр находится на эталонном расстоянии 100 километров от эпицентра землетрясения, то магнитуда по Рихтеру определяется просто — это десятичный логарифм максимального отклонения стрелки в микронах. Например, если отклонение стрелки 10 см, или 100 000 мкм, то магнитуда землетрясения — 5 (то есть log10 100 000). Разумеется, инструменты могут располагаться на разных расстояниях от эпицентра, поэтому для произвольных расстояний магнитуду рассчитывали, внося поправки на дальность. Принцип расчёта остался и в современных модификациях шкалы. Магнитуда землетрясения — мера сейсмической энергии, выделяемой во время толчка, и она измеряется в логарифмической шкале: увеличение M на единицу, например, с 5 до 6 соответствует увеличению энергии примерно в 30 раз (а точнее, в 31,6=103/2 раз). Поэтому энергия землетрясений магнитудой 7 и 5 различается в ~1000 раз, и M7 уже относят к катастрофическим событиям. Землетрясение максимальной магнитуды 9,5 зафиксировано в Чили в мае 1960 года. Два катастрофических землетрясения 2023 года — в Турции и Сирии (в феврале) и сентябрьское в Марокко имели магнитуды соответственно 7,8 и 6,8.
Шкалы магнитуд часто путают со шкалой интенсивности землетрясения в баллах (балльностью). Магнитуда — это характеристика всего сейсмического события, балльность — «сила» землетрясения в условных баллах (обычно I — XII), как оно ощущается в конкретной локации в зависимости от расстояния до эпицентра, твёрдости грунта и других факторов.
10. Землетрясения случаются не поодиночке
После «основного» землетрясения в течение нескольких часов и дней может последовать продолжение — сейсмические толчки меньшей силы примерно в том же месте. Их называют афтершоки (aftershocks), а число их может достигать нескольких сотен. Хотя они, как правило, уступают по силе и последствиям уже случившемуся землетрясению, расслабляться ещё рано. Например, один из знаменательных афтершоков — землетрясение магнитудой 7,1 в 1976 году в Китае. Оно случилось через несколько часов после землетрясения магнитудой 7,5. И главное, и «второстепенное» землетрясения, как можно догадаться, были катастрофическими событиями со множеством жертв и разрушений. Другой недавний пример — землетрясение в Турции и Сирии 6 февраля 2023 года: вслед за ним последовало несколько тысяч афтершоков в течение нескольких недель. Самый мощный из них случился через десять часов после главного землетрясения и имел магнитуду около 7,5. Кроме афтершоков, есть ещё и форшоки; как следует из названия, это серия небольших толчков, которые могут указывать на приближающееся катастрофическое событие.
11. Можно ли предсказать землетрясение? (нет)
Механизм землетрясений похож на сход снежной лавины в горах: в силу тектонических причин в горных породах постепенно накапливаются напряжения, которые «сбрасываются» в определённый момент путём резкого смещения блоков коры. Как и со снежной лавиной, мы можем только указать опасные районы (границы плит и участки вдоль тектонических разломов), но предсказать точное время, место и примерную силу будущего землетрясения пока нельзя. На протяжении десятилетий сейсмологи пытаются найти предвестники землетрясений среди самых разных явлений — от изменений магнитного поля Земли до наблюдений за поведением животных. Но пока что любые корреляции таких признаков со случившимися землетрясениями тонут в шумах: количество «ложных срабатываний» и «пропусков цели» любой предложенной системы предвестников не допускает её практического использования. Может оказаться, что невозможность таких предсказаний — фундаментальное свойство тектонической системы, связанное с её хаотичностью: так же невозможен прогноз погоды на несколько недель вперёд, за пределами временнóго горизонта хаотической системы климата.
В сейсмоопасных районах разворачивают системы раннего предупреждения, например, Shake Alert для западного побережья США. Но они не предсказывают землетрясений. Сеть сейсмостанций отслеживает уже начавшееся землетрясение, позволяя в режиме реального времени определить по пеленгу положение эпицентра и магнитуду, а следовательно, рассчитать момент прихода сейсмической волны в конкретное место. Система, таким образом, выдает предупреждение об уже неизбежном подземном толчке и его предполагаемой силе; если эпицентр находится достаточно далеко, это позволяет выиграть несколько десятков секунд — например, чтобы успеть покинуть здание или лечь на пол.