Как ощущаются землетрясения

Как ощущаются землетрясения. Хоть ветра не было, Дрожал в шкафу фарфор. Александр Поп. Похищение локона. Есть люди, уверяющие, что они никогда не ощущают землетрясений. Это целиком и полностью зависит от их местожительства, занятий и от характера сотрясений. В одних районах земного шара землетрясения бывают часто; в других они не происходят почти никогда. Самые слабые толчки можно принять за сотрясения от проезжающего грузовика или от порыва ветра; самые сильные могут вызвать разрушение строений, дорог и мостов, срыв оползней; на море могут подняться огромные волны, которые обрушиваются на сушу и довершают начатое землетрясением разрушение. Еще в 18 в. Джон Мичелл пришел к выводу, что сотрясения Земли происходят вследствие прохождения через земную толщу упругих волн. Если проследить их путь назад до места их порождения, то можно установить причину возмущения. Очевидно, что для этого нужно осмотреть пораженную территорию, изучить повреждения и опросить свидетелей; тем не менее первая серьезная попытка развить идеи Мичелла была сделана лишь почти через два столетия.

Началом современной сейсмологии считается появление в 1862 г. красочно иллюстрированного двухтомника под названием: «Великое неаполитанское землетрясение 1857 года: основные принципы сейсмологических наблюдений». Это была работа ирландского инженера Роберта Маллета, совершившего экспедицию в Италию при поддержке Королевского общества. Маллет составил карту пораженной территории; разделив ее на четыре зоны. В первой зоне населенные пункты были уничтожены полностью; во второй были разрушены крупные строения и имелись человеческие жертвы; в третьей имели место лишь небольшие повреждения и не было несчастных случаев; наконец, в четвертой не было отмечено повреждений, хотя толчок и ощущался. Введенные Маллетом четыре категории составляют первую примитивную шкалу интенсивности землетрясений.

Такая классификация была, безусловно, необходима. За год-два до своего путешествия в Италию Маллет получил письмо от своего коллеги из Новой Зеландии, в котором описывалось землетрясение на юго-западе Уайрарапы в 1855 г.: «Дом… испытал весьма неожиданное сотрясение, которое явно не прекращалось и сопровождалось ужасным шумом. Я моментально вскочил и бросился бежать в сад так быстро, как это позволяли сильные колебания; при этом сила колебаний возрастала, они сопровождались грохотом, похожим на близкую стрельбу большого числа пушек одновременно, и тучами грязной пыли из падающих дымовых труб. Вначале, пока я бежал в сад,— примерно в течение 25 секунд — колебания носили характер резких рывков взад-вперед в северо-восточном и юго-западном направлениях; затем последовали более короткие и быстрые нарастающие колебания в перпендикулярном направлении, влившиеся примерно такое же время, и остававшиеся строго в горизонтальной плоскости. Затем оба вида колебаний продолжались в виде вихревого движения, очень похожего на то, которое ощущается а тряском вагоне на плохо уложенном железнодорожном полотне при очень большой скорости, когда человека кидает из стороны в сторону. Все это сопровождалось ощути­мыми толчками вверх..» В письме приводится еще много деталей, свидетельствующих о наблюдательности и аналитических способностях автора и его редком хладнокровии. Сейсмические движения сложны, но поддаются классификации. Не составляет труда также уточнить оценки интенсивности по сравнению с четырьмя градациями сотрясений, использовавшимися для карты Маллета. При составлении шкал интенсивности было проявлено много изобретательности. Одной из первых широко применявшихся шкал была разработанная в Швейцарии и Италии в конце прошлого века шкала Росси — Фореля, в которой описывались десять степеней сотрясения. В большинстве современных шкал их двенадцать, и, по-видимому, это максимальное число градаций, которые можно надежно различать между собой. На сегодняшний день в англоязычных странах наиболее широко распространена модифицированная шкала Меркалли (ММ). В нее включены градации начиная от едва ощутимого толчка (ММ I) до поистине ужа­сающих разрушений (ММ XII). В основу положены бытовые последствия землетрясений, различить которые нетрудно даже неопытному наблюдателю (рис. 1, 2). Иллюстрация к шкале интенсивности. Иллюстрация к шкале интенсивности. В последние годы предприняты попытки ввести международную шкалу, известную под названием шкалы MSK (по фамилиям инициаторов разработки Медведева, Спонейера и Карника). Эта шкала удачна, однако при наличии нескольких критериев для одной и той же интенсивности возникает необходимость устанавливать их эквивалентность. Для сейсмических наблюдений в Австралии, где одну из степеней сотрясения сравнивают с тем, «как лошадь трется о столб веранды», будет малопригодным широко употребляемое в Европе описание: «Начинают звонить церковные колокола». Европейцам, в свою очередь, будет трудно определить, может ли ощущаемый ими толчок опрокинуть каменный фонарь, фигурирующий в японских шкалах. Понятие «обычное крепко стоящее строение» будет иметь различные значения в Сан-Франциско и в сельских районах Ирана. Следует подчеркнуть, что шкалы интенсивности не имеют никакого отношения к инструментальным измерениям. Они позволяют свидетелю в удобном виде обобщить свои ощущения и наблюдения, так что их можно сравнить с тем, что произошло в других местах или при другом землетрясении. Было бы ошибкой считать этот метод лишь историческим курьезом. Никакая сейсмическая станция не способна расставить приборы в количестве, сравнимом с числом живых свидетелей или строений. Связь между местоположением толчка, определенным сейсмологом на станции, с его последствиями можно установить также лишь путем наблюдений на местности. Поскольку территория, на которой ощущается даже умеренное землетрясение, может измеряться сотней километров в поперечнике, а сильный толчок может ощущаться за тысячу и более километров, полевые исследования обычно включают рассылку вопросников по почте. В них просят указать дату и время толчка, оценить длительность и направление колебаний, уточнить, какие звуки были слышны, какие предметы передвигались и какие повреждения были обнаружены. Это позволяет сотрудникам сейсмостанции определить интенсивность колебаний. Точность собираемой информации различна. В частности, лишь немногие люди имеют точное ощущение длительности секунды, поэтому для толчка, длившегося менее 1 мин, иногда может быть указана длительность в 10 мин и более. Миссионер-иезуит, сообщивший, что толчок длился «столько же, сколько занимает чтение «Отче наш», или чуть больше» ( 25 с), должен считаться исключительно надежным наблюдателем. Там, где толчки происходят часто, имеет смысл создавать постоянные группы наблюдателей. Например, на всей территории Новой Зеландии работает сеть наблюдателей-добровольцев, живущих на расстоянии 40—50 км друг от друга; эта сеть охватывает также некоторые острова южной части Тихого океана. Среди этих добровольцев — почтовые служащие, смотрители маяков и заповедников, а также частные лица. От них на сейсмостанцию Веллингтона в среднем два раза в неделю поступают сообщения о землетрясениях. После сбора сообщений о подземном толчке оцениваются и наносятся на карту интенсивности сотрясений (рис. 3). Затем проводятся линии, соединяющие территории с одной и той же интенсивностью. Эти линии называются изосейсмами. Если бы Земля имела повсеместно одно и то же строение, то можно было бы ожидать, что энергия распространяется от источника — очага землетрясения равномерно по всем направлениям и что район наиболее сильных сотрясений находится в эпицентре — точке на земной поверхности, расположенной непосредственно над очагом. Изосейсмы представляли бы собой множество концентрических окружностей, причем интенсивность убывала бы постепенно и равномерно во все стороны по мере удаления от эпицентра. Иногда так и происходит. Тогда местоположение эпицентра может быть определено по направлению, в котором перемещались предметы, и по ориентировке трещин в поврежденных зданиях. Чаще возникают нарушения, связанные с распространением слабых грунтов и особенностями геологического строения недр. На несвязных грунтах типа рыхлых галечников интенсивность колебаний возрастает (мы еще вернемся к этой теме при рассмотрении вопросов инженерной сейсмологии). Глубинная геология часто такова, что изосейсмы превращаются из окружностей в эллипсы. Иногда это происходит из-за влияния геологического строения на механизм землетрясения, в результате чего в одних направлениях выделяется больше энергии, чем в других. Чаще, однако, это связано с тем, что упругие волны легче распространяются вдоль осей структурных складок и разрывов, чем в перпендикулярных направлениях. Важнейшим фактором, влияющим на вид изосейст, является глубина очага землетрясения. Неглубокий толчок может ощущаться на небольшой территории как сильный, но на больших расстояниях его последствия незаметны. От глубокого толчка происходят более умеренные сотрясения, но на гораздо большей площади. Из рис. 4 становится ясно, почему это происходит. Для неглубоких толчков оценки глубины очага по изосейсмам иногда бывают лучше, чем инструментальные оценки, особенно при малом числе регистрирующих станций вблизи эпицентра. С другой стороны, вид изосейст от глубоких толчков обычно сильно искажается по причинам, которые обсуждаются в одной из следующих глав. Они могут быть смещены настолько, что эпицентр окажется за пределами пораженной территории. Влияние глубины очага землетрясения на его интенсивность. Землетрясения могут ощущаться не только на суше, но и на кораблях в открытом море, хотя по-другому. Как правило, здесь ощущается единственный толчок вверх, как будто корабль наткнулся на подводное препятствие. Объясняется это тем, что жидкости пропускают лишь некоторые типы волн, проходящих через землю. Переходя из земли в воду на океанском дне, эти волны приобретают строго вертикальное направление. О различных типах волн будет говориться ниже. Сейсмические волны на воде обычно незаметны в открытом океане, однако в прибрежных водах и гаванях они могут нанести серьезный ущерб. Наиболее полезную информацию о землетрясениях дают полевые наблюдения и обследование причиненных им разрушений, но для точного определения положения очага землетрясения и понимания механизма этого явления необходимо располагать также инструментальными наблюдениями. Поэтому в течение полувека после Маллета история изучения землетрясений сводилась к поискам подходящего регистрирующего прибора и попыткам разобраться в получаемых кривых.