А.Д. Завьялов, доктор физико-математических наук
Событие
Катастрофическоеземлетрясение в Юго-Восточной Азии произошло в воскресенье 26 декабря 2004 г. в0 ч 58 мин 53 с по Гринвичскому времени (7 ч 58 мин 53 с по местному), в самыйразгар рождественского курортного сезона. Его эпицентр находился в Индийскомокеане в 250 км к западу от северной оконечности о.Суматра (Индонезия). Очагземлетрясения имел глубину около 30 км и, по всей видимости, располагался вземной коре. Расчетная магнитуда оказалась равной 9. По величине магнитуды онозаняло четвертое место среди землетрясений, зарегистрированных за всю историюинструментальных сейсмических наблюдений, начиная с 1900 г. (табл.1).
/>
Термины и понятия
Несколькослов о том, что же такое землетрясение. Землетрясение — слово русское, ипоэтому смысл его ясен — трясение земли. Если быть более точным, тоземлетрясение — это колебания земной поверхности при прохождении волн отисточника, находящегося внутри. По-гречески землетрясение — .Отсюда и название направления в геофизике — сейсмология, изучающаяземлетрясения, их природу и закономерности распространения.
/>
Тектоническаясхема северо-восточной части Индийского океана, на которой показаны эпицентр(желтая звездочка) главного толчка землетрясения 26 декабря 2004 г. и егоафтершоки (кружки) первых суток. Стрелки показывают скорости перемещения плит(мм/год). Ломаная линия обозначает зону океанической конвергенции Индийской иАвстралийской плит.
Еслиаккуратно нанести эпицентры всех зарегистрированных хотя бы за один годземлетрясений на карту, то окажется, что их распределение по земному шару вполнезакономерное. Подавляющее большинство происходит вблизи зон сочленениятектонических плит, слагающих земную кору — твердую оболочку нашей планеты,образуя так называемые сейсмические пояса: Тихоокеанский, Средиземноморский,Анатолийский, Памиро-Байкальский, Срединно-Атлантический и др. Наиболее активенТихоокеанский. Именно в нем происходят сильнейшие землетрясения нашей планеты.Здесь, на одном из периферийных участков, в зоне сочленения Индийской,Австралийской, Бирманской и Зондской плит и возникло землетрясение 26 декабря2004 г. Потенциальная энергия для него накопилась в результате движения(скорее, сопротивления движению) Индо-Австралийской плиты всевер-северо-восточном направлении со средней скоростью 60—70 мм в год. В этомместе она сталкивается с Бирманской и Зондской плитами, которые мешаютгоризонтальному перемещению и заставляют ее погружаться в мантийный слой в зонеЗондского желоба.
/>
Распределениеземлетрясений на планете в 2000 и 2001 г г. по данным Национального центраинформации о землетрясениях США (NEIC).
Посовременным представлениям, землетрясение — следствие возникновения разрывасплошности горных пород (гигантской трещины) или смещения одного бортаотносительно другого по уже существующему разрыву в глубинах земных недр. Такойразрыв распространяется, или, как говорят, прорастает со скоростью несколькихкилометров в секунду, а его борта при этом излучают упругие волны, которыедостигают земной поверхности в течение нескольких секунд.
Чтоже служит причиной землетрясения? Современные геологические, сейсмологические иэкспериментальные данные свидетельствуют о том, что землетрясения возникают врезультате внезапной разрядки накопленных в области очага будущего событиямеханических напряжений (высвобождение упругой потенциальной энергии).Возникновение напряжений — следствие эволюционного развития Земли как планеты.Энергия в очаге землетрясения снимается и перераспределяется в некоторомокружающем разрыв объеме пород. Однако его границы, строго говоря, неопределимыи в сильной степени зависят от строения и напряженно-деформированного состоянияземной коры. Не всякий разрыв излучает упругие волны в изучаемом сейсмологиейчастотном диапазоне (10–3—102 Гц), а лишь распространяющийся со скоростьюнескольких километров в секунду.
Приочень сильных землетрясениях вызвавшие их разрывы иногда достигают поверхностиземли. В таких случаях говорят, что очаг вышел на поверхность. Длина разрывовпри самых сильных землетрясениях достигает нескольких сотен километров,относительные смещения его бортов на поверхности (вертикальные илигоризонтальные) — нескольких метров, а в некоторых исключительных случаях инескольких десятков метров. Точка в глубине земли, где началось движениевызвавшего землетрясение разрыва, называется гипоцентром землетрясения, апроекция этой точки на поверхность — эпицентром. Но чаще всего очаг в видесистемы разрывов располагается внутри земли, а его положение определяетсякосвенными методами, по разнице времен прихода в точки наблюдения (как минимум,их должно быть три) различных типов волн.
Дляколичественной оценки величины землетрясения предлагались разные меры, но самойпрактичной оказалась шкала магнитуд (M), которая позволяет достаточно простосравнивать между собой разные землетрясения. Понятие магнитуды было впервыевведено в сейсмологическую практику в 1935 г. американским сейсмологомЧ.Ф.Рихтером (1900—1985), который, в свою очередь, заимствовал этот термин изастрономии. Она характеризует величину землетрясения в его очаге (т.е. вглубине земли) и вычисляется на основании измерений амплитуды и периодасейсмических колебаний на сейсмических станциях. Наиболее проста для измерениявеличины сильных землетрясений магнитуда Ms, вычисляемая по поверхностнымволнам:
Ms= lg(A/T) + Blg +, (1)
гдеA, T — амплитуда и период колебаний в волне, — расстояние от станциинаблюдения до эпицентра землетрясения, B и — константы, зависящие отусловий расположения станции наблюдения.
Применяютсямагнитуды и других типов, которые вычисляются на основании измерений продольныхи поперечных волн при глубоких землетрясениях, при использовании регистрирующейаппаратуры с разными амплитудно-частотными характеристиками, по спектру илидлительности колебаний.
Посколькушкала магнитуд логарифмическая, то увеличение магнитуды на единицу означаетдесятикратное возрастание амплитуды колебаний (или смещения грунта) всейсмической (упругой) волне. Нулевая магнитуда не означает отсутствиеземлетрясения. Так как нуль — логарифм единицы, то такое землетрясениезаписывается стандартным сейсмографом на расстоянии 100 км с амплитудой 1 мкм(0.001 мм).
/>
Соотношениемежду магнитудой (М) и энергией (Е) землетрясений.
Шкаламагнитуд дает относительную силу землетрясения, но из нее мало что можно узнатьо физических свойствах сейсмического источника. Поэтому рассчитывают такжеобщую энергию E излучаемых очагом упругих волн. В первом приближении мыполучаем
E= q(A/T)2t, (2)
гдеt — время прохождения волны через точку регистрации, а коэффициент q учитываетгеометрическое расхождение и поглощение энергии на пути от очага до станциинаблюдения. Энергетическая характеристика землетрясения в отличие отмагнитудной более обоснована физически, но ее прямое вычисление по записямсейсмических волн (сейсмограммам) затруднительно.
Изсопоставления формул (1) и (2) видно, что не должно существовать линейногосоответствия между магнитудой и энергией землетрясения. Увеличение магнитуды на2 единицы соответствует увеличению выделившейся энергии в 1000 раз.
Какотмечалось выше, магнитуда и энергия характеризуют силу землетрясения в очаге.В то же время разрушительные эффекты этого стихийного бедствия проявляютсяглавным образом на поверхности земли. Интенсивность (I) сейсмических колебанийна поверхности исторически определялась шкалой сейсмической интенсивности,которая служит для установления степени воздействия сейсмических волн на земныеобъекты и для оценки ожидаемых параметров движения грунта при будущихземлетрясениях с заданной интенсивностью сотрясений.
ВРоссии применяется 12-балльная шкала сейсмической интенсивности MSK-64.Колебания интенсивностью до 4 баллов замечаются даже не всеми жителями и неприводят к разрушениям. Колебания в 5—6 баллов не только ощущаются населением,но приводят к появлению отдельных трещин в постройках; 7-балльное землетрясениеуже может характеризоваться как сильное и приводить к разрушениям.Катастрофические землетрясения с интенсивностью сотрясений в 11 и 12 балловпрактически полностью разрушают сооружения и изменяют рельеф местности.
Разрушительные7-балльные колебания наблюдаются обычно при землетрясениях с магнитудой от 5.5и на небольшом удалении от эпицентра. При сильнейших землетрясениях смагнитудами выше 8 они проявляются даже на расстояниях в 300—500 км отэпицентра. Чем ближе очаг землетрясения к поверхности, тем больше интенсивностьколебаний в эпицентральном районе, но в то же время она быстрее убывает срасстоянием. Неслучайно землетрясения интенсивностью до 5 балловрегистрировались на территории Европы, хотя их очаги располагались в Карпатахна глубине более 100 км. Площадь разрушений (S) растет при увеличении магнитудыземлетрясения.
Что же произошло? Фактические данные
Атеперь снова вернемся к землетрясению 26 декабря 2004 г. Сотрясения, вызванныеэтим землетрясением, ощущались с силой 8 баллов в провинции Банда-Ачех(северная оконечность о.Суматра), 5 баллов — в провинции Медан (восточноепобережье о.Суматра) и 2—4 балла — в различных частях Бангладеш, Индии,Малайзии, Мальдивов, Бирмы, Сингапура, Шри-Ланки и Таиланда. По даннымГеофизической службы Российской академии наук, расчетная сила сотрясений вэпицентре землетрясения составила 10—11 баллов. Выделившаяся энергия составилаболее 1018 Дж. Просадки поверхности и оползни наблюдались на о.Суматра, а 28декабря, т.е. через два дня после землетрясения, начал извергаться грязевойвулкан на одном из Андаманских о-вов.
/>
Распределениевеличин смещений в очаговой области землетрясения (по Чен Джи).
Звездочка— эпицентр основного толчка, кружки — афтершоки.
Врезультате землетрясения дно океана испытало резкий подъем на несколько метров,сыграв роль своеобразного поршня, что явилось причиной возникновения мощногоцунами, ареал губительного воздействия которого, как правило, много больше, чемсамого землетрясения.
Наибольшеечисло погибших от землетрясения и цунами (по данным на начало февраля)приходится на Индонезию — 228448 человек. По меньшей мере 30959 человек погиблив Шри-Ланке, 10749 — в Индии, 5388 — в Таиланде, 150 — в Сомали, 82 — наМальдивах, 68 — в Малайзии, 90 — в Бирме, 10 — в Танзании, 3 — на Сейшелах, 2 —в Бангладеш и 1 в Кении.
Надоотметить, что при этом землетрясении цунами не могло не возникнуть. По даннымакадемика С.Л.Соловьева (1930—1994), одного из наиболее известных в Россииисследователей цунами, при интенсивности сотрясений дна океана уже в 8 балловвероятность возникновения цунами составляет 0.98, т.е. явление можно считатьпрактически неизбежным. Отсутствие службы предупреждения о цунами в Индийскомокеане сыграло свою роковую роль в гибели людей. Если бы такая служба в регионебыла, то у нее было бы по крайней мере несколько десятков минут, чтобы оценитьвероятность возникновения цунами и рассчитать возможные амплитуды волн вразличных точках побережья, как это было сделано Тихоокеанской службойпредупреждения о цунами для побережья Тихого океана.
Первыеопределения механизма сил, действовавших в очаге произошедшего землетрясения, иподвижек блоков земной коры друг относительно друга в нем, основанные наанализе записей сейсмических волн, показали следующее. Подвижки могли произойтипо двум плоскостям, одна (2) из которых крутопадающая, почти вертикальная, адругая (1) — пологая (табл.2). В табл.2 представлены решения, сделанные в двухразличных научных центрах. Но их схожесть очевидна. Сейчас трудно сказать, покакой из плоскостей в действительности произошла подвижка. Для этого требуетсяпривлечение дополнительных данных. Кроме того, тот факт, что эпицентрземлетрясения находился в Индийском океане и возможные нарушения на поверхностинедоступны для прямого изучения, вызывает дополнительные трудности при определениифактической плоскости разрыва.
/>
ЧенДжи (Chen Ji), сотрудник Калифорнийского технологического института,проанализировал первые 200 с сейсмограмм, записанных различными сейсмическимистанциями, и рассчитал распределение величин подвижек в эпицентральной зонеземлетрясения. Он установил, что разрыв распространялся в северо-западном направлении,совпадающем с направлением Зондского желоба, со скоростью 2 км/с, и “оживил”его на протяжении 400 км. При этом максимальное смещение одного борта разрываотносительно другого составило 20 м. Положение зоны максимальных смещений ЧенДжи связывает с наличием жесткого включения, что подтверждается возникновениемвблизи северной границы разрыва пяти афтершоков, имевших магнитуды более 5.Кроме того, он отмечает совпадение положения жесткого включения с зонойповорота Зондского желоба на 30° к северу. По-видимому, для моделированияразрыва в очаге землетрясения необходимо использовать два сегмента с различнымпростиранием.
Замесяц, прошедший со дня возникновения землетрясения в районе о.Суматра —Никобарские о-ва — Андаманские о-ва, было зарегистрировано около 500 повторныхтолчков. Самый сильный из них произошел в тот же день через 3 ч 20 мин уНикобарских о-вов и имел магнитуду 7.1, т.е. по своей энергетике был примерно втысячу раз слабее основного толчка. Уменьшение числа афтершоков в зависимостиот времени, прошедшего после основного толчка, имеет классический вид исоответствует известному закону Омори, в то же время на графике распределениявеличин магнитуд повторных толчков наблюдается тенденция к уменьшениюмагнитуды. Эти данные позволяют говорить о малой вероятности повторения такогосильного землетрясения в этом районе. Произошедший через месяц “рой” включалоколо сотни повторных толчков и состоял в основном из более слабых событий смагнитудами от 6.2 до 4.8, энергетика которых в тысячи раз слабее главноготолчка. Они, по-видимому, завершают процесс разрушения и выделения накопленнойэнергии в очаге.
Судяпо распределению афтершоков в пространстве за прошедший месяц, длину разрыва вочаге главного землетрясения можно оценить в 1200—1300 км, а его ширину — более100 км. Много это или мало? Если наложить область произошедших афтершоков назападное побережье США, то она почти полностью покроет штат Калифорния.Соизмеримую длину имел разрыв в очаге самого сильного из инструментальнозарегистрированных землетрясений нашей планеты — Чилийского, произошедшего 22 мая1960 г. и имевшего магнитуду 9.5 (табл.1).
Статистика и прогнозы
Вероятно,читателя интересует вопрос о том, а как часто происходят землетрясения такойсилы? Сейсмология сравнительно молодая наука. Ей чуть более 100 лет. Но онанакопила уже достаточный объем данных, чтобы сделать некоторые статистическиевыводы. Они со всей ясностью следуют из табл.3. Однако в ней не приведеныданные о повторяемости землетрясений с магнитудой более 9. Совершенноестественно, что они случаются еще реже. С 1900 г. событий с такой магнитудойна Земле зарегистрировано всего 5.
/>
Землетрясение26 декабря 2004 г. произошло в весьма активном в сейсмическом отношении районе.Только здесь с 1900 по 2004 г г. зарегистрировано 19 событий с магнитудамиболее 7, т.е. в среднем — 1 землетрясение в 6 лет.
Возможноли возникновение таких землетрясений в будущем? Нет оснований полагать, чтосреднегодовой темп выделения сейсмической энергии (табл.3), имевший место в XXв., существенно изменится в большую или меньшую сторону. Скорее всего, из-заогромных масштабов и инерционности глубинных процессов, протекающих в недрахнашей планеты, энергетика сейсмического процесса останется, по крайней мере, напрежнем уровне.
Всередине 60-х годов прошлого века С.А.Федотов на основе изучения сейсмическогорежима Камчатки предложил концепцию сейсмического цикла. Было отмечено, чтосильные землетрясения с магнитудами более 7.5 в одном и том же районесейсмоактивной зоны возникают в среднем через T = 140±60 лет. При этомих очаговые зоны не перекрывают друг друга, а последовательно заполняют всюплощадь сейсмоактивного региона, образуя так называемые бреши — области,имеющие повышенную вероятность возникновения сильных землетрясений.
/>/>
Графикизависимости числа афтершоков (слева) и их магнитуды от времени
(поданным службы срочных донесений Геофизической службы РАН).
Впоследствиисейсмический цикл был установлен и для более слабых землетрясений.М.А.Садовский (1904—1994) получил эмпирическую зависимость длительности такогоцикла от величины (магнитуды, или энергии) землетрясения:
lgT(лет)= 1/3 lgE(Дж) – 3.5.
Еслипринять, что энергия катастрофического землетрясения у берегов Индонезии равнаЕ = 1018 Дж (табл.1), то тогда характерное время повторения такого события вэтом районе будет около 300 лет. Уточнить эту оценку в конкретномсейсмоактивном регионе можно, используя результаты изучения палеоземлетрясенийи палеоцунами, которые значительно расширяют базу данных о сильныхземлетрясениях и делают статистические прогнозы более надежными.
ВРоссии около 25% площади относится к сейсмоопасным зонам, где возможнысотрясения с интенсивностью более 7 баллов. Первое место по уровню сейсмическойактивности здесь занимают Камчатка, Курильские о-ва и о.Сахалин. По последнимданным долгосрочного прогноза академика С.А.Федотова, в ближайшие пять лет свероятностью около 40% в южной части Камчатки, от мыса Шипунский до мысаЛопатка, может произойти землетрясение с магнитудой более 7.7. На опасностьэтого региона указывают результаты наблюдений и других исследователей,использующих набор различных сейсмологических предвестников. В зависимости оттого, насколько далеко окажется гипоцентр землетрясения от г.Петропавловск-Камчатский,интенсивность сейсмических сотрясений на его территории может достигнутьвеличины 8—9 баллов. Поэтому в отпущенное природой время следует в первуюочередь предпринять усилия по увеличению сейсмобезопасности, сейсмоустойчивостивсех объектов городского хозяйства.
Список литературы
Соболевг.А., Аносов г.И., Аптикаев Ф.Ф. и др. Сейсмические опасности / Отв. ред. г.А.Соболев // Природные опасности России в 6 т. М., 2000. Т.2.
WEB-страницаНационального Центра Информации о землетрясениях Геологической службы США.
WEB-страницаГеофизической службы РАН.