Распространение землетрясений и их геологическая позиция.

Распространение на земном шаре землетрясений носит крайне неравномерный характер (рис. 18.2.1). Одни места характеризуются высокой сейсмичностью, а другие – практически асейсмичны. Зоны концентрации эпицентров представляют собой протяженные пояса вокруг Тихого океана и в пределах Альпийско-Гималайского складчатого пояса, простирающегося в широтном направлении от Гибралтара, через Альпы, Динариды, Кавказ, Иранское нагорье в Гималаи. Гораздо более узкие и слабее выраженные пояса сейсмичности совпадают с осевыми зонами срединно-океанских хребтов. Короткие зоны сейсмичности известны и в пределах Восточной Африки и в

южной части Северо-Американской платформы. Все остальные древние платформы и абиссальные котловины океанов – асейсмичны.

Закономерное распространение землетрясений хорошо объясняется в рамках современной теории тектоники литосферных плит. Наибольшее количество землетрясений связано с конвергентными и дивергентнымии границами литосферных плит и поясами их коллизии. Высокосейсмичный пояс вокруг Тихого океана связан с погружением, субдукцией холодных и тяжелых океанских плит под более легкие, континентальные. Места перегиба океанических плит, маркируются глубоководными желобами, за которыми располагаются островные дуги типа Алеутской, Курильской, Японской и др. с активным современным вулканизмом и окраинные моря или только вулканические пояса, как, например, в Южной и Центральной Америках. Возникновение сколов в верхней части погружающейся плиты свидетельствует о напряжениях, действующих в направлении пододвигания. Об этом говорит решение фокальных механизмов многочисленных землетрясений. По мере углубления океанической плиты, там, где она пересекает маловязкую астеносферу, гипоцентров становится меньше и они располагаются внутри плиты. Т.о., погружающаяся плита, испытывая сопротивление, подвергается воздействию напряжений, разрядка которых приводит к образованию землетрясений многочисленные гипоцентры которых сливаются в единую наклонную зону, достигающую в редких случаях глубин в 700 км, т.е. границы верхней и нижней мантии. Впервые эту зону в 1935 г. описал японский сейсмолог Кию Вадати, а американский геофизик Хьуго Беньофф из Калифорнийского технологического института, создавший сводку по этим зонам в 1955 г., вошел в историю, т.к. с тех пор наклонные, уходящие под континенты самые мощные в мире скопления очагов землетрясений, называются «зонами Беньофа».

Глубина зон Беньофа сильно различается в разных местах. Под островами Тонга она заканчивается на глубинах почти в 700 км, в то время как под Западной Мексикой ее глубина не превышает 120-140 км. Внутреннее строение зон Беньофа достаточно сложное. Следует подчеркнуть, что например, под Японской островной дугой прослеживается как бы двойная сейсмофокальная зона, подразделенная участком слабой сейсмичности. Под западной окраиной Южной Америки зона Беньофа имеет извилистые очертания в разрезе, то выполаживаясь, то погружаясь более круто (рис.18.2.2).

Рис. 18.2.1. Распределение эпицентров землетрясений на земном шаре

Рис. 18.2.2. Зоны Беньофа. Гипоцентры с 1954 по 1969 гг.: 1 – Алеутская дуга, 2 – Северо-Марианская дуга, 3 – Южная Илзу-Бонинская дуга, 4 – Северная Идзу-Бонинская дуга, 5 – Ново-Гебридская дуга, О – ось желоба, В - вулканы

В последнее время сейсмическая активность на восточной окраине северной Евразии, т.е. в пределах Камчатки, Курильской и Японской островных дуг значительно возросла. В 1991-93 гг. было 5-6 сильных землетрясений с М=6,5, в 1994- - 14, в 1995 – 20,

в 1996 – 12, причем многие землетрясения были очень сильными. Все они связаны с процессами неравномерной субдукции океанической плиты.

В субширотном коллизионном поясе, простирающемся от Гибралтара до Гималаев

и далее распределение гипоцентров носит неравномерный и сложный характер, подчиняясь молодому, неоген-четвертичному структурному рисунку Альпийского складчатого пояса и прилегающих территорий. Гипоцентры землетрясений в основном верхнекоровые, мелкофокусные, а более глубокие, в 100-200 км встречаются лишь спорадически. Отдельные наклонные сейсмофокальные зоны, скорее «лучи», с глубинами гипоцентров до 150 км известны на юге Апеннинского полуострова, в районе зоны Вранча

в Румынских Карпатах. Плохо выраженнные сейсмофокальные зоны небольшой протяженности располагаются в горах Загрос, к северу от Мессопотамского залива, наклоненные к северу; в районе хребтов Западный Гиндукуш и в Гималаях. На Памире наблюдаются почти вертикальные сейсмофокальные «гвозди», уходящие на глубину в десятки км (рис. 18.2.3).

Рис. 18.2.3. Распределение гипоцентров землетрясений в сейсмофокальной зоне под Японией

В целом же, сейсмичность коллизионного пояса хорошо отражает обстановку общего субмеридионального сжатия, в поле которого попадает мозаика из разнородных

структурных элементов – складчатых систем и жестких, более хрупких микроконтинентов. Например, в Кавказском пересечении этого пояса, на распределение мелкофокусных землетрясений большое влияние оказывает перемещение к северу древней Аравийской плиты. Этот жесткий клин, вдавливаясь в складчатые системы Альпийского пояса, вызывает образование сдвиговых зон, контролирующих сейсмичность

и отжимание масс к западу (рис. 18.2.4). Именно в результате этого процесса сформировался Северо-Анатолийский правый сдвиг, с которым связаны неоднократные разрушительные землетрясения, в том числе последнее в районе г. Измит в Западной Турции, повлекшее за собой многочисленные жертвы. Аравийский клин медленно, но постоянно, со скоростью 2.5 см/год давит на Альпийский пояс и он как бы «потрескивает», реагируя на возрастающие напряжения их разрядкой в виде землетрясений.

Очень протяженный узкий сейсмический пояс слабых и крайне мелкофокусных, до 10 км глубиной, землетрясений совпадает с осевой, рифтовой зоной срединно-океанических хребтов, общей протяженностью более 60 тыс. км. Частые. Но слабые землетрясения происходят в обстановке непрерывного растяжения, что характерно для дивергентных границ литосферных плит, т.к. в зоне рифтов океанских хребтов происходит спрединг и наращивание океанической коры.

Такие же обстановки тектонического растяжения характеризуют и континентальные рифты в Восточной Африке, в Европе – Рейнский грабен, в Азии - Байкальский рифт, Восточно-Китайские рифты. Следует отметить, что некоторое количество катастрофических землетрясений произошло в, казалось бы, совсем неподходящих для землетрясений местах. Например, Агадирское (Марокко), 1960 г.; Лиссабонское (Португалия), 1975 г.; Иеменское (юг Аравийского п-ва), 1982 г. и ряд других. Эти землетрясения связаны с активизацией разломных зон.

Наведенная сейсмичность. Техногенное воздействие человека на геологическую среду достигло такой силы, что стали возможными землетрясения, спровоцированные инженерной деятельностью человека. Понятие «наведенная сейсмичность» включает в себя как возбужденные, так и инициированные сейсмические явления.

Под возбужденной сейсмичностью понимается определенное воздействие на ограниченные участки земной коры, которое способно вызывать землетрясения. Инициированная сейсмичность подразумевает существование уже как бы «созревшего» сейсмического очага, воздействие на который играет роль «спускового крючка», ускоряя событие.

Если землетрясения возникают в результате наведенной сейсмичности, это означает, что верхняя часть земной коры находится в неустойчивом состоянии или, как говорят, в метастабильном, и достаточно некоторого воздействия на нее, чтобы вызвать разрядку накопившихся напряжений, т.е. землетрясение.

Рис. 18.2.4. Распределение эпицентров землетрясений в Кавказском регионе. Глубины эпицентров в км: 1 – 0 –10; 2 – 10-25; 3 – 25-50; 4 – глубже 50

В качестве техногенных причин выступают такие, которые создают избыточную нагрузку или, наоборот, недостаток давления. В качестве первых особенно характерны крупные водохранилища. Первое такое землетрясение с М=6,1 произошло в США в 1936 г. в районе плотины Гувер, где раньше землетрясения не были зафиксированы. В Калифорнии в 1975 г. произошло землетрясение силой около 7 баллов, после того, как была построена высокая (235 м) плотина и создано большое водохранилище вблизи города Оровилл. В 1967 г. в районе плотины Койна в Индии, через 4 года после создания водохранилища произошло разрушительное землетрясение с М=6,3. В середине 60-х годов довольно сильное землетрясение (М=6,2) имели место вблизи плотины Крамаста в Греции.

Чем больше водохранилище, тем выше вероятность возбужденного землетрясения. Отмечается, что в подобных землетрясениях наблюдается значительное число форшоков и афтершоков (Сейсмические опасности, 2000). Кроме массы воды, как избыточного

нагружения земной коры, важную роль играет снижение прочностных свойств горных пород ввиду проникновения по трещинам воды.

Добыча нефти и газа, откачка воды из земных недр, приводит к изменению пластового давления воды, что, в свою очередь, влияет на перераспределение напряжений, оживлению подвижек по разломам, возникновению новых трещин. Как правило, землетрясения, вызванные этими явлениями невелики по своей силе. Однако, очень сильные землетрясения с М=7,0 и 7,3 произошли в 1976 и 1984 гг. в Узбекистане, в районе гигантского месторождения газа в Газли. Раньше в этой местности прогнозировались лишь слабые сейсмогенные подвижки. После начала эксплуатации в 1962 г. до 1976 г. было откачано 300 млрд. м³ газа и пластовое давление стало неравномерно изменяться. Наблюдалась форшоковая активность. Главные толчки произошли в тех зонах, где изменение гидродинамических условий было сильнее всего. Влияние добычи нефти на активизацию сейсмических событий имело место на севере Сахалина; в Западной Туркмении (Кумдагское землетрясение 1983 г. с М=6,0) и другие.

Возбужденные землетрясения могут происходить также в результате закачки внутрь пластов каких-либо жидких промышленных отходов, как это произошло в районе г.Денвер в 1962 г. с М>5,0, когда на глубине около 5 км резко возросло пластовое давление. Сейсмический отклик находят и подземные ядерные взрывы, интенсивно проводившиеся в недавнем времени.

Естественные геологические процессы, такие как земные приливы, изменение скорости вращения Земли, далекие землетрясения, солнечная активность, даже изменение атмосферного давления и фазы Луны влияют на сейсмическую активность, особенно мелкофокусную. Интересны в этом отношении приливные деформации поверхности Земли, связанные с гравитационным взаимодействием Земли, Луны и Солнца. Интенсивность этого взаимодействия минимальна у полюсов и максимальная на экваторе. Волны, вызванные этим явлением, постоянно перемещаются по поверхности Земли с востока на запад.

Проблема наведенной сейсмичности в наши дни становится одной из важнейших и ей уделяется много внимания как в прикладной, так и в фундаментальной сейсмологии. Это особенно актуально в связи с быстро растущими городскими агломерациями, колоссальным отбором нефти, газа и воды из месторождений, строительством плотин и водохранилищ, что приводит к возрастанию сейсмического риска.

Прогноз землетрясений.

Несмотря на все усилия различных исследователей, предсказать десятилетие, год, месяц, день, час и место, где произойдет землетрясение, пока невозможно. Сейсмический

удар происходит внезапно и застигает врасплох. Созданные в нашей стране силы МЧС призваны не только оказывать помощь после катастрофы, но содействовать тому, чтобы ущерб от них был максимально снижен. Сейсмическое районирование (СР) территории России как раз и предназначено для этого. Когда мы говорим о прогнозировании землетрясений следует различать прогнозирование сейсмичности как режима, т.е. сейсморайонирование и прогнозирование отдельных землетрясений по предвестникам,т.е.

собственно сейсмопрогнозирование.

Сейсмическое районирование.

В настоящее время 20% площади России подвержено землетрясениям силой до 7 баллов, что требует специальных антисейсмических мер в строительстве. Более 15% территории находится в зоне разрушительных землетрясений, силой 8-10 баллов. Это Камчатка, Курильские острова и, по существу, весь Дальний Восток, Северный Кавказ и Байкальский регион.

Сейсмическое районирование – это составление разномасштабных специальных карт сейсмической опасности, на которых показывается возможность землетрясения определенной интенсивности в определенном районе в течение некоторого временного интервала. Карты обладают различным масштабом и разной нагрузкой.

Рис. 18.3.1. Сейсмическое районирование территории бывшего СССР. 1-6 – районы с различной бальностью, показанной цифрами. Белый цвет бальность от 0 до 5

Общее сейсмическое районирование (ОСР) составляется в масштабе от 1:5000000 до 1:2500000; детальное сейсмическое районирование (ДСР) – 1:500000-1:100000; сейсмическое микрорайонирование (СМР) – 1:50000 и крупнее. ОСР является основным документом, а СМР используется для отдельных городов, населенных пунктов, крупных промышленных объектов. Карты ОСР используются в экономических целях, для строительства и землепользования. Первая карта ОСР, составленная в 1937 г. Г.П.Горшковым все время совершенствовалась и последнее ее издание было в 1997 г. Балльность, выделенных опасных в сейсмическом отношении зон, непрерывно уточняется

и в карту вносятся коррективы. Работа над картой ОСР России продолжается и в наши дни, т.к. необходимость долгосрочного прогноза и оценки сейсмического риска возрастает.

Сейсмопрогнозирование.

Прогнозирование землетрясений использует много факторов, в которые включаются различные модели подготовки землетрясения и разные предвестники: сейсмологические, геофизические, гидродинамические, геохимические.

Согласно дилатантно-диффузионной модели, процесс подготовки землетрясения разделяется на 3 стадии. 1-ая характеризуется увеличением тектонического напряжения; 2-ая-возникновением микротрещин отрыва, т.к. напряжение практически равно пределу прочности пород. При этом происходит некоторое увеличение и упрочнение объема пород, называемое дилатансией. Если напряжения продолжают возрастать, то это приводит к макроразрушению объема пород, т.е. к землетрясению.

Модель лавинно-неустойчивого трещинообразования была предложена в 1975 г. Мячкиным. Она предполагает процесс взаимодействия полей напряжений трещин и локализации трещинообразования. Напряжения, действующие длительное время в горных породах, вызывают постепенное образование трещин. Когда достигается некоторая критическая плотность трещин, начинается лавинообразный процесс их объединения, что сопровождается концентрацией трещин в одной узкой зоне, в которой и происходит макроразрыв, т.е. землетрясение. Существуют также модели неустойсивого скольжения, консолидации и др.

Предвестники землетрясений весьма разнообразны. Например, предвестники электросопротивления, когда за пару месяцев перед землетрясением наблюдаетсяпонижение электросопротивления глубоких слоев земной коры, что связано с изменением парового давления подземных вод. Электротеллурические предвестники свидетельствуют

о том, что перед землетрясением начинается рост электротеллурических аномалий, что связывается с изменением меняющегося поля напряжений. Гидродинамические

предвестники связаны с изменением уровня вод в скважинах. Обычно за несколько лет до сильного землетрясения наблюдается падение уровня вод, а перед землетрясением – резкий подъем. Геохимические предвестники указывают на аномальное увеличение содержания радона перед землетрясениями.

Нередко, напоминая о трех-четырех удачных предсказаниях, заявляют: прогноз возможен. Подобный вывод совершенно неправомерен. Ибо подлинный прогноз – это вовсе не любые, сбывающиеся впоследствии предсказания, а лишь те, которые достаточно надежно, устойчиво сбываются,когда их делают по некоторым определенным правилам (алгоритмам). Естественно, что несколько удачных попаданий на фоне сотен ошибок типов «пропуска цели» или «ложная тревога» никаких оснований для вывода о возможности прогноза не дают.

В проблеме прогноза главное открытие последних лет: непредсказуемость землетрясений вызвана вовсе не недостатком наблюдательных данных, как полагали еще недавно, а особенностями механизма разрушения, порождающими хаотичность сейсмического процесса.