Дыхание земных недр

Земля «живет», она вращается вокруг своей оси, испытывает внешнее гравитационное воздействие Луны и Солнца, перепады ускорений при движении по эллиптической околосолнечной орбите. В это же время из ядра Земли поднимаются потоки глубинных флюидов. Все это воздействует на систему разноразмерных, фрактально вложенных друг в друга блоков земной коры, которые испытывают постоянные взаимные перемещения, как вертикальные, так и горизонтальные. Даже если смещение составляет несколько сантиметров, энергия, выделяемая при движениях горных масс весом в миллиарды тонн, даже на малое расстояние, огромна. Она высвобождается в виде сейсмических толчков — землетрясений, которые сотрясают планету каждую минуту. Таким образом, землетрясения — это обычный и нормальный природный феномен.

Однако его причины могут быть самыми разными — в зависимости от них разнятся и названия. Обычно современная сейсмология выделяет такие генетические типы землетрясений: тектонические, вулканические, обвальные, техногенные. Мы добавим в эту классификацию ещё один тип — дегазационные землетрясения, и расскажем о всех пяти по порядку.

Невидимые движения земной коры

Тектонические плиты и границы между ними образуют самую крупномасштабную структуру блоков для нашей планеты. Их называют планетарными. Однако каждый из таких блоков состоит из определенного количества более мелких. Иллюстрация: Eric Sokolowsky, Horace Mitchell NASA/GSFC

Подвижки отдельных блоков по зонам разломов оборачиваются самыми сильными землетрясениями, которые называют тектоническими. Именно к этому типу относятся до 95% от числа всех землетрясений, а их магнитуда достигает максимума — 9,0.

Ещё в начале ХIХ века было установлено, что эпицентры частых землетрясений тяготеют к линейным зонам — берегам морей и океанов, подножьям хребтов. Так очаги крымских землетрясений лежат в узкой полосе, проходящей в 30 км от берега, за которой дно Черного моря крутым уступом обрывается на большую глубину.

Верхняя твердая оболочка Земли — земная кора разбита сетью планетарной трещиноватости на огромное число разномасштабных кусков — блоков. Главные трещины этой сети — рифтовые зоны, которые имеют в основном меридиональные простирания и прослеживаются от полюса до полюса. Хорошо выделяются широтные, а также дополнительные к ортогональным диагональные разломные зоны планетарной протяженности. Характерные размеры блоков земной коры, ограниченных такими планетарными трещинами — рифтами, соответствуют материкам и океанам, то есть измеряются тысячами километров.

Но дело этим не ограничивается: крупные блоки состоят из более мелких. Блочную структуру земной коры можно обнаружить на любых масштабах, вплоть до первых километров и сотен метров. Некоторое представление о планетарной сети трещиноватости читатель может получить, внимательно всмотревшись в физическую карту, независимо от того, сколь она подробна. Речная сеть, где изгибы русел, притоки, повороты продолжают друг друга в линейных направлениях и могут быть прослежены на сотни и тысячи километров, даст нам представление о характерной для выбранного масштаба разломной сети. Именно это её свойство позволяет говорить о её фрактальной структуре.

Подземные полости в коре могут тянуться на сотни километров. Лавинообразные обвалы в них становятся причиной обвальных, или денудационных землетрясений. Фото (Creative Commons license): showmeone

Перемещения блоков земной коры во время тектонических землетрясений могут проявляться на земной поверхности, иногда в виде трещин протяженностью до полутора километров при ширине около двух метров. Такие широкие и протяженные трещины наблюдались во время Калабрийского землетрясения 1783 года. А во время Лиссабонского землетрясения 1755 года набережная мгновенно опустилась на 200 м под воду вместе с толпами народа, искавшего там спасения. Похожим образом во время Байкальского землетрясения 1862 года на три метра опустилась часть дельты реки Селенги.

Блоки могут не только опускаться, но и подниматься. В результате землетрясения 1822 года тихоокеанское побережье Чили поднялось на метр на протяжении 400 км, а через тридцать один год следующее землетрясение подняло отдельные участки этого побережья ещё на 8,5 м. Наблюдались и горизонтальные смещения блоков земной коры — например, после калифорнийского землетрясения 1906 года произошло смещение на 6,3 м вдоль разлома Сан-Андреас возле Сан-Франциско. Оно прослеживалось на протяжении 440 км.

Тайная жизнь пещер

Происходят землетрясения и при вулканических извержениях, при этом их магнитуда достигает 5,0. Сильные вулканические землетрясения относительно редки: они составляют не более 5% от общего числа. Для них характерны: локальность проявления (толчки заметны на расстояниях до 30–50 км), приуроченность эпицентра к кратеру вулкана, а гипоцентра к его жерлу на небольшой глубине.

Кроме движения магмы к дрожанию земли приводят взрывы газов, обвалы и провалы частей вулканической постройки, и их перемещения по системам разрывных нарушений.

Сильнейшее из известных вулканических землетрясений связано с извержением вулкана Кракатау в Индонезии в 1883 году. Взрывом снесло половину конуса вулкана. Городам на островах Суматра, Ява и Борнео были причинены сильные разрушения.

К вулканическим близки по природе и обвальные, или денудационные землетрясения. Их магнитуда тоже не превышает 5,0, однако они значительно более редки — их доля не превышает 1% от общего числа. Они вызываются обрушением сводов карстовых пещер. Очевидно, что очаги таких землетрясений находятся на малой глубине и распространение сейсмических волн недалекое. Обычно площадь составляет десятки квадратных километров, хотя в 1915 году в Волчанской волости Харьковской губернии обвальное землетрясение охватило площадь диаметром 100 км. В Харькове сотрясались дома, в них звенели стекла, открывались двери, качались лампы. Локальные сейсмособытия могут вызываться и горными обвалами, правда, сами они, как правило, являются следствием тектонических землетрясений.

Дело рук человеческих

Люди пока не научились ни предсказывать землетрясения с нужной долей вероятности, ни управлять ими. Однако в некоторых единичных случаях именно техногенная деятельность приводила к возникновению сейсмособытий. Впервые подобное явление наблюдалось в 1935 году в США в штате Аризона, где было заполнено водохранилище Лейк-Мид, после чего в ближайшие 10 лет произошло около шестисот толчков магнитудой 5,0. Ранее в этом районе землетрясений не было.

Водохранилище Лейк-Мид в штате Аризона. Его создание в 1935 году сопровождалось превращением не сейсмоопасного района в район повышенной сейсмичности. Фото (Creative Commons license): Adam Baker

В 1967 году после заполнения водохранилища Койна возле Бомбея последовало множество землетрясений. Магнитуда одного из них достигала 6,5, произошли разрушения зданий, погибли люди. Увеличение активности слабых землетрясений наблюдалось в момент заполнения водохранилищ Нурекской, Токтогульской, Червакской гидроэлектростанций.

Сейсмогенный эффект в этих случаях связан с дополнительной нагрузкой на нижележащие пласты горных пород и их обводнением, что значительно уменьшает сопротивление пород к трению и облегчает относительное движение блоков земной коры. Нечто похожее происходит и при закачках жидкости в подземные полости. Такая процедура широко используется при добыче нефти. Впервые эффект был обнаружен в США вблизи Денвера в штате Колорадо, где в 1962 году в скважину, пробуренную в трещиноватых гранитах на глубину 3600 м стали закачивать сточные воды. За 80 лет до этого здесь было отмечено только три слабых сейсмособытия, за восемь последующих — шестьсот десять! Местные сейсмологи с изумлением обнаружили, что частота слабых подземных толчков находится в прямой зависимости от объема закаченной жидкости.

Спровоцировать толчки может и откачка больших объемов жидкости или газа. Например, разработка Газлийского месторождения вызвала сильнейшие землетрясения 8 апреля и 17 мая 1976 году в Бухарской области Западного Узбекистана. Их магнитуды были 7,0 и 7,3, а сейсмический эффект в эпицентре достиг 9–10 баллов по 12-балльной шкале. Очаговая область этих землетрясений располагалась на глубине 20–25 км. Следующий сильный подземный толчок с магнитудой 7,2 возник 20 марта 1984 года в том же очаге, сместившись немного к западу. В результате этих землетрясений был практически полностью разрушен рабочий поселок нефтяников — Газли, расположенный, примерно, в 30 км от эпицентра.

Воронка на месте подземного испытания 104-килотонного ядерного заряда 6 июля 1962 года. Фото: courtesy of National Nuclear Security Administration / Nevada Site Office

Есть некоторые указания на то, что землетрясения могут вызывать и подземные ядерные взрывы. Единственный достоверный случай был зарегистрирован в 1968 году во время испытаний в Неваде (США) — магнитуда основного сейсмособытия составила 6,3, а после чего последовала серия афтершоковых землетрясений с магнитудой до 5, 0. Однако режим секретности и обилие слухов не позволяют сказать по этому поводу что-либо конкретное.

Осторожно, газы!

Большое число фактов прямо указывает на тесную связь землетрясений и процесса глубинной дегазации. Во-первых, это пространственное совпадение эпицентров землетрясений и зон интенсивной дегазации в осевых частях рифтовых зон и разломах. Во-вторых, уже упомянутая выше прямая связь вулканических извержений (а это проявление планетарной дегазации) и сейсмособытий. В-третьих, многочисленные данные о корреляции флуктуаций потоков газов (радона, гелия, водорода) и землетрясений. В-четвертых, вышеприведенные примеры провоцирования землетрясений поступлением жидкого флюида в глубокие недра при закачке скважин и заполнении водохранилищ прямо указывают на возможность землетрясений при поступлении природных флюидов в верхние горизонты литосферы снизу с больших глубин.

Десять лет назад группа исследователей Института геохимии СО РАН под руководством Игоря Константиновича Карпова создала и обосновала модель взрывного происхождения землетрясений при подъеме глубинных флюидов. Во флюидной детонации особую роль играют тяжелые углеводороды: алканы, алкены, алкадиены, алкины, нафтены и арены. Образуясь в жидком ядре и поднимаясь с флюидными потоками, они быстро превращаются в стабильные легкие углеводороды (2СН₃ = СН₄ + С + H₂; 2СН₃ + 2Н₂ = 2СН₄ + H₂ и др.) с высвобождением огромного количества энергии, порядка 10¹⁸ – 10²⁰ эрг. Детонация скоплений метастабильных тяжелых углеводородов может быть ответственна за сейсмические события в пределах Восточно-Европейской платформы, например в Беломоро-Балтийской зоне и на Кольском полуострове, а также на Воронежской антиклизе. В перечисленных регионах с начала 80-х годов прошлого века значительно увеличилась частота и мощность сейсмических событий.

Это не единственная модель подобного рода. В Институте физики Земли РАН Исааком Липовичем Гуфельдом разрабатывается модель возникновения сейсмических событий при прохождении через объемы пород глубинных флюидов: гелия, водорода, метана. В рамках модели постулируется, что импульс дегазации приводит к торможению взаимного перемещения блоков, то есть к блокированию границ. Этот процесс возможен за счет увеличения объема кристаллических структур границ и блоков при имплантации в горные материалы водорода и гелия в концентрациях, соответствующих литосфере.

На кафедре петрологии геологического факультета МГУ академик Алексей Александрович Маракушев создал принципиально новую петрологическую концепцию глобальной сейсмичности, которая не отвергает и не опровергает наработки сейсмологии, но по новому объясняет первопричину блоковых тектонических движений, в результате которых возникают многие землетрясения. В основу концепции положены процессы переработки мантийного и корового вещества под воздействием флюидных, существенно водородных потоков, восходящих к поверхности из расплавного ядра. Так, орогенная структура Анд с андезитовым вулканизмам проецируется на эпицентры землетрясений средней глубины (до 300 км), а под обрамляющими её платформенными депрессиями происходят глубокофокусные (300–700 км) землетрясения.

На платформах флюидные глубинные потоки приводят в результате сложных геохимических процессов к перераспределению вещества между корой и мантий с истончением первой и наращиванием второй. Так возникают изометричные платформенные депрессии (например, Прикаспийская впадина), в пределах которых импульсы дегазации обеспечивают фазы вздымания и проседания корового субстрата, сопровождающиеся сейсмическими событиями.

Цитата из давней работы известного советского тектониста Михаила Михайловича Тетяева как нельзя лучше описывает наружные проявления процесса, смоделированного Маракушевым. «Данные о последнем Пенджабском землетрясении в Индии, где удалось установить характер движения земной коры, предварившего землетрясение, рисуют его как медленное вздутие поверхности данного участка, которое при землетрясении сменилось оседанием. Этот частный случай показывает, что сейсмичность отражает неустойчивое состояние поднятых и расколотых частей земной коры, оседание которых, идущее толчками, и создает благоприятные условия для землетрясений».

Можно надеяться, что привлечение новейших представлений о газовом дыхании Земли в многофакторную проблему генезиса землетрясений, позволит существенным образом продвинуться в решении самой сложной, и самой востребованной задачи предсказания места и времени землетрясений.