Зачем нужна геология - Дуг МакДугалл

class="p1">Калифорния славится многими вещами, и землетрясения — одна из них. В туристических буклетах или в рекламных акциях по продаже недвижимости не упоминается, что на штат приходится примерно три четверти всех оцениваемых рисков землетрясений в Соединенных Штатах. С появлением теории тектоники плит причина стала ясна: через Калифорнию проходит часть границы Тихоокеанской и Североамериканской литосферных плит. Этот конкретный участок границы — не зона субдукции и не центр спрединга. Это разлом — разлом Сан-Андреас, вдоль которого плиты скользят относительно друг друга (рисунок 16). Если не произойдет резких изменений в движении плит, полоса западной части североамериканского материка от южного конца Нижней Калифорнии до Сан-Франциско и далее будет очень медленно двигаться на север к Аляске вдоль разлома Сан-Андреас. Никто из нас не увидит, как пустыни Нижней Калифорнии превратятся в леса умеренного пояса, поскольку это займет десятки миллионов лет. И тем не менее это произойдет — точно так же, как когда-то более 100 миллионов лет Индия отделилась от Антарктиды и поплыла на север, чтобы в итоге врезаться в Азию и выжать вверх Гималаи.

За последние несколько миллионов лет (а вероятно, намного дольше) движение вдоль Сан-Андреаса происходило со скоростью примерно 2–3 сантиметра в год. «Несколько сантиметров в год» — это наглядная мера движения плит, но следует помнить, что это только среднее значение. Во время самого известного из всех калифорнийских землетрясений — великого землетрясения в Сан-Франциско 1906 года — потоки, заборы, трубы и дороги за считанные секунды сместились на три метра и больше. В одном из мест измеренное перемещение составило почти восемь метров. Мгновенно реализовались сотни лет «среднего» передвижения. Однако это перемещение было локальным; вся Тихоокеанская плита одновременно не сдвигалась: видимые признаки смещения грунта проявились вдоль примерно пятисот километров разлома, а дальше с обеих сторон кора осталась прочно соединенной.

Рисунок 16. Слева: гигантский шрам разлома Сан-Андреас, разрезающего Калифорнию — как его видно с воздуха из точки, находящейся примерно посередине между Сан-Франциско и Лос-Анджелесом. Вид на юго-восток: Североамериканская плита слева, а Тихоокеанская справа. (Фото любезно предоставлено Геологической службой США; автор — Р. Уоллес). Справа: след от разлома, идущий по Калифорнии, Стрелки показывают относительное движение плит с обеих сторон.

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