Дуг МакДугалл – Зачем нужна геология (страница 26)

Научные исследования, проведенные непосредственно после землетрясения в Сан-Франциско, привели к совершенно новой концепции происхождения землетрясений, которая оказывала влияние на исследования и прогнозирование вплоть до нашего времени. Ведущим специалистом, занимавшимся официальным изучением катастрофы, был Генри Рид, профессор геологии из университета Джонса Хопкинса. Он выдвинул теорию о том, что причиной является «упругая отдача». Эта теория привлекает простотой и, не в последнюю очередь, тем, что дает возможность прогнозов. Однако многие геофизики считают теорию упругой отдачи недостаточной для понимания взаимодействий в сложных системах разломов, которые обычно происходят в сейсмически активных регионах.

Идея Рида и его коллег состояла в том, что силы в земной коре (в те годы, когда теории тектоники плит еще не было, происхождение этих сил было неизвестно) постепенно повышали напряжение в разломе Сан-Андреас, затем он не выдерживал, и породы по сторонам рвались, снимая напряжение. Поскольку смещение происходило только вдоль части разлома, Рид посчитал, что этот процесс должен действовать сразу только на один фрагмент разлома. Он предположил, что следующее землетрясение можно предсказать, поставив через разлом линию закрепленных маркеров, отслеживающих его перемещение. Из-за постепенного накапливания напряжения линия маркеров из прямой будет медленно превращаться в нечто вроде вытянутой буквы S, и при определенной кривизне землетрясение станет неизбежным. Одним из логических следствий такой теории было то, что землетрясения на конкретном участке какого-то разлома, подобного Сан-Андреасу, должны происходить примерно через равные промежутки времени и иметь примерно равную мощность.

До недавнего времени теория упругой отдачи была основой для большинства попыток спрогнозировать землетрясения вдоль разлома Сан-Андреас. Вместо идеи Рида о пересекающей разлом линии маркеров исследователи для отслеживания перемещений земной коры используют данные GPS. Однако накопленный корпус данных заставляет предположить, что землетрясения вдоль разлома могут не быть ни регулярными, ни одинаковыми по силе, и что спусковым крючком становятся не только накопленные напряжения, но и внешние механизмы — например, крупное отдаленное землетрясение. Одна из сложностей, влияющих на поведение землетрясений и их предсказание, особенно вдоль границы плит вроде разлома Сан-Андреас, заключается в том, что разломы обычно входят в целую взаимосвязанную сеть. Землетрясение вдоль одного разлома может увеличить нагрузку на другой. Например, на рисунке 16 я изобразил Сан-Андреас в виде одной узкой линии, но на самом деле это широкая полоса с многочисленными отдельными разломами. Вы можете ощутить огромные силы, задействованные при трении плит друг о друга, просто взглянув поближе на породы: они разбиты и раздроблены.

Землетрясения вдоль этих небольших разломов происходят часто, но, к счастью, большинство из них слабы и фиксируются только чувствительными сейсмометрами — средний калифорниец их не чувствует. Крупные же могут ужасать. Существует история (возможно, апокрифическая, но в целом правдоподобная) о геологе, который переехал в Лос-Анджелес из сейсмически спокойной части страны. Этот человек сказал, что с нетерпением ждал возможности оказаться рядом с сильным землетрясением, поскольку так долго о них рассказывал, что хотел бы сам испытать такое. Однажды утром в 1994 году землетрясение в Нортридже, сильно встряхнувшее Лос-Анджелес, бесцеремонно выбросило его из постели. Этого было достаточно: он решил, что будет счастлив, если больше никогда с таким не столкнется.

Что сбрасывает людей с кроватей, рассыпает книги с полок и опрокидывает мосты и дома? Резкие повторяющиеся толчки, которые вызваны сейсмическими волнами, проходящими через твердую Землю и по ее поверхности. Земля буквально трясется. Обычно мы представляем себе волны в жидкости, но в твердых телах они тоже распространяются: если вы как-нибудь ударите кувалдой по очень твердому объекту — например, по скале или стальной болванке — то испытаете неприятное ощущение волн, идущих обратно по молоту и костям ваших рук. Если ваш удар будет достаточно сильным, то эти волны могут даже вызвать зубной скрежет.

Сейсмические волны возникают в том месте, где породы по обе стороны от разлома скользят друг по другу — в так называемом очаге землетрясения, который может быть совсем малой областью, длинным фрагментом разлома или чем-то промежуточным. При этом высвобождается и распространяется большое количество энергии: в целом, чем длиннее скользящий фрагмент разлома, тем больше энергии выделится. Очаг может находиться глубоко в коре или даже (как в зонах субдукции) в мантии, однако обычно место землетрясения характеризуют его эпицентром — точкой на поверхности, лежащей непосредственно над очагом. Во время землетрясения перемещение по разлому может быть горизонтальным, вертикальным или (что бывает чаще всего) сочетанием обоих способов. Землетрясение в Нортридже было таким разрушительным, в частности, по той причине, что присутствовали быстрые вертикальные перемещения: сейсмические волны заставляли почву в Лос-Анджелесе резко двигаться вверх-вниз и из стороны в сторону.

Поскольку сильные землетрясения могут нанести огромный ущерб и унести тысячи и даже сотни тысяч жизней, геофизики давно искали способы точно их предсказывать. Первой попыткой была теория упругой отдачи Генри Рида. Однако она базировалась на информации от одного землетрясения, а чтобы по-настоящему понять механизм землетрясения (что и является необходимой предпосылкой для прогнозов), нужны исчерпывающие данные по многим таким катаклизмам в различных геологических условиях. Даже в сейсмически активных регионах крупные разрушительные землетрясения происходят достаточно редко, и исторические данные дают лишь ограниченную информацию. Поэтому самым важным источником информации оказывается геологическая летопись — подсказки, хранящиеся в горных породах. Но в отличие от многих других геологических явлений, землетрясения не оставляют следов, уводящих далеко в прошлое, а расшифровка немногих сохранившихся свидетельств действительно трудна. Почти на всех геологических картах есть разломы — большие и маленькие, активные и неактивные. Они встречаются почти всюду в земной коре и запечатлевают смещение одного участка относительно другого в самых разных масштабах — от нескольких сантиметров до нескольких километров. Все эти перемещения, вероятно, сопровождались землетрясениями, однако часто невозможно определить, когда они произошли и насколько сильными были: последний крупный катаклизм вдоль разлома может стереть свидетельства более ранних и более мелких землетрясений. Трудности с извлечением информации о землетрясениях из геологических данных подтолкнули геофизиков к разработке некоторых весьма творческих подходов.

Первая изобретательная идея — метод балансирующих камней. В 1996 году геофизик Джим Брюн выдвинул предположение, что интенсивность прошлых землетрясений на одном участке разлома Сан-Андреас можно оценить, изучая то, что он назвал «балансирующими камнями» в пустыне Мохаве и прилегающих районах. Камни, о которых говорит Брюн, поражают воображение (рисунок 17): кажется, что их можно опрокинуть легким толчком. Однако внешность обманчива. Чтобы сбросить такую глыбу, нужна большая сила, а сухой климат, где эрозия обычно происходит медленно, гарантирует, что такое хрупкое равновесие сохранится в течение долгого времени. Если мы оценим, какой силы сотрясение нужно, чтобы сбросить эти камни с пьедесталов, и проведем датировку, чтобы узнать, сколько времени они находятся в нынешнем положении, то сможем кое-что узнать о промежутке времени, прошедшем с момента последнего разрушительного землетрясения. Так ученые получают возможность установить верхний предел для силы любого произошедшего с тех пор землетрясения. У этого подхода есть критики, поскольку идея с балансирующими камнями основана фактически на отрицательных свидетельствах: мы наблюдаем только сохранившиеся камни и не знаем, сколько подобных скал упало во время произошедших землетрясений. И тем не менее Брюн и его коллеги провели достаточное количество измерений, чтобы получить ключ к интенсивности крупнейших землетрясений за многие тысячи лет, что трудно установить по большинству других видов геологических свидетельств.

Очевидно, что метод балансирующих камней можно применять только там, где такие камни существуют, а это означает, что его применимость сильно ограничена. Чаще всего геологические свидетельства землетрясений сохраняются в виде нарушений осадочных отложений — смещенный слой почвы, нарушение в озерных отложениях или внезапная смена типа отложений в прибрежной лагуне. Чтобы выявить вертикальный профиль нарушений в таких отложениях, ученые часто используют аккуратно сделанные траншеи рядом с активными разломами или поперек них. В благоприятных случаях таким образом можно зафиксировать несколько прошлых землетрясений, а если с помощью какого-нибудь метода (например, радиоуглеродного датирования) можно установить возраст потревоженных слоев, то можно рассчитать и интервалы повторяемости землетрясений.