На протяжении всей человеческой истории они разоряли города, оставаясь одним из самых непонятных природных явлений.
Однажды в 2008 году, около полуночи, я столкнулся с необычным событием сейсмического характера. Я тогда закончил писать рецензию на книгу «Апокалипсис: землетрясения, археология и гнев божий» и вдруг почувствовал, как пол второго этажа моей квартиры в Лондоне начал почти незаметно двигаться. Это продолжалось пару секунд. «Похоже, вибрация от поезда метро», — подумал я и отправился спать.
На следующее утро Би-би-си сообщила о землетрясении, которое случилось в 0:56. Британская геологическая служба отметила, что оно произошло на глубине 5 км с эпицентром на территории графства Линкольншир, в 200 км от Лондона, с потенциально опасной магнитудой 5,2.
Был зафиксирован один несчастный случай, разрушено много домов, находившихся вблизи эпицентра (там, где сила толчков максимальна). Это самое сильное землетрясение в Соединенном Королевстве с 1984 года. Каждый год сейсмографы регистрируют в Британии около 200 незначительных толчков. Землетрясения с магнитудой 4 происходят в среднем каждые два или три года, с магнитудой 5 — каждое десятилетие.
В 1931 году произошло землетрясение с магнитудой 6,1 — самое крупное британское землетрясение из зафиксированных приборами на сегодняшний день. Как правило, люди не замечают 90% толчков. Но и те, на которые обращают внимание — как землетрясение 27 февраля 2008 года магнитудой 5,2, — всё равно быстро забываются.
Большинству людей землетрясения в Англии кажутся чем-то принципиально иным по сравнению с апокалиптическими катаклизмами, опустошавшими Китай, Японию, Иран и Пакистан. В этих странах в результате сильнейших подземных толчков только в наше время погибли миллионы человек. Но именно в Британии сейсмология получила развитие как наука.
Еще древнегреческие философы пытались найти естественно-научные объяснения тому, что же в действительности является причиной землетрясений. Посейдон, в гневе сотрясающий трезубцем землю, убедительной причиной им уже не казался. Аристотель в IV веке до н. э. верил в существование «центрального огня» внутри полостей в земле. Он думал, что, когда подземные пожары сжигают породу, пустоты внутри земли сжимаются, вызывая землетрясения.
Аристотель разделил землетрясения на типы, исходя из их специфики: трясут ли они сооружения и людей преимущественно в вертикальном или преимущественно в диагональном направлении, сопровождаются ли вырывающимися из-под земли испарениями. Гораздо позже римский философ Сенека под впечатлением от сильного землетрясения, разрушившего Помпеи в 62 или 63 году н. э., предположил, что причиной землетрясений (и ураганов) являются не испарения из глубин, а движущийся воздух, попавший в подземные пустоты, сжатый и ищущий выхода.
СДЕЛАНО В КИТАЕ
Впрочем, первое измерение силы подземных толчков было сделано в Северном Китае. Древнейший из известных сейсмометров изобретен Чжан Хэном (Zhang Heng) в 132 году. Прибор состоял из восьми голов дракона (по числу восьми основных секторов компаса). Драконьи головы располагались снаружи украшенного орнаментом сосуда, напоминающего винный кувшин диаметром около 2 м. У основания, точно под головами драконов, сидело восемь жаб с открытыми ртами.
Если происходило землетрясение, бронзовый шар с громким лязгом падал из пасти дракона в рот жабы. Направление землетрясения определялось по голове дракона, из которой выпал шар, кроме тех случаев, когда падало больше одного шара, что означало более сложные сейсмические толчки. В устройстве (сейсмометре) находился маятник — главный чувствительный к толчкам элемент, а к нему присоединялись рычаги, вызывавшие падение шаров.
Китайские хронисты зафиксировали в записях, что в 134 году сейсмометр позволил Чжан Хэну определить, где случилось землетрясение — в уезде Лунси, в 600 км к северу от Луяна, столицы Китая того времени, — за два-три дня до гонцов, принесших вести о разрушениях. Это предсказание преисполнило придворных чиновников доверием к сейсмометру, был назначен секретарь для наблюдений за инструментом. Эта должность существовала потом еще четыре века. Но лишь после разрушения Лиссабона в 1755 году чрезвычайно мощным землетрясением, сопровождавшимся цунами и пожарами, возникло научное понимание причин землетрясений. Лондонское королевское общество собрало данные о последствиях португальского землетрясения по стране и за ее рубежами, дополняя знания, накопленные после серии британских землетрясений в 1750 году. Джон Митчелл (John Mitchell), астроном Кембриджского университета (Великобритания), проанализировал показания очевидцев, пытаясь объяснить землетрясения в терминах ньютоновской механики. В итоге он опубликовал важный, хотя отчасти еще и наивный геологический труд «Предположения о причинах возникновения землетрясений и наблюдения за этим феноменом» в издании «Философские труды» (Лондонское королевское общество, 1760). Митчелл совершенно верно заключил, что землетрясения — это «волны, вызванные движением пород, находящихся в милях под поверхностью земли». Однако его объяснение этих движений базировалось на неверном утверждении о взрывах пара, возникающих при столкновении подземных вод с подземными же пожарами. Митчелл также сделал абсолютно верный вывод о том, что, когда происходит движение пород под океаническим дном, возникает и океаническая волна (цунами), и землетрясение.
Он утверждал, что есть два типа волн, вызывающих землетрясения, и опять же был недалек от правды. Первый — «треморное» колебание внутри земли, сопровождающееся волнообразными поднятиями на поверхности. Из этого Митчелл сделал вывод, что скорость движения волны можно определить по времени ее прибытия к различным точкам на земной поверхности. Приблизительные оценки временных интервалов на территориях, затронутых Лиссабонским землетрясением, были известны из свидетельств очевидцев, что позволило Митчеллу оценить скорость волны землетрясения в 1930 км/ч.
Он был первым ученым, попытавшимся сделать подобный расчет, хоть и не знал о том, что скорость сейсмических волн варьируется в зависимости от типа горных пород, через которые она проходит. Митчелл даже предположил, что местоположение центра землетрясения на поверхности земли (то, что мы сейчас называем эпицентром) можно вычислить путем сопоставления тех же самых данных о времени прибытия волн. Выведенный им закон стал основой современного метода определения эпицентра, хотя сам он выбрал неверный способ для расчета эпицентра Лиссабонского землетрясения, опираясь на свидетельства о направлении цунами.
ПОИСК ЭПИЦЕНТРА
Следующий скачок в развитии науки о землетрясениях произошел в середине XIX века благодаря выдающемуся ирландскому инженеру-строителю Роберту Маллету (Robert Mallet), который в течение двух десятилетий собирал данные об исторических событиях. Его каталог мировой сейсмичности содержал 6831 случай, по каждому из которых приводились дата, местоположение, число толчков, возможное направление и продолжительность сейсмических волн, а также пометки о последствиях этих землетрясений. Для изучения разрушений после крупного землетрясения он отправился в 1858 году в Неаполь.
Оценивая каждое повреждение наметанным глазом, Маллет составил изосейсмические карты, на которых одинаковые разрушения (толчки одной интенсивности) соединяются линией. С некоторыми улучшениями метод используется и сегодня для картирования сейсмической опасности.
Маллет придавал слишком большое значение направлению падения объектов и типам деформаций в зданиях, считая их индикаторами движения землетрясения (на самом деле тип деформации в основном обусловлен конструкцией здания). Но его карты действительно позволяли найти эпицентр землетрясения и сравнить масштабы разрушений. Он задокументировал разрушения, используя новую для того времени технику фотографии. Впоследствии Маллет сделал доклад для Королевского общества — двухтомник «Великое Неаполитанское землетрясение 1857 года: основные законы наблюдательной сейсмологии» опубликован в 1862 году.
Также он опубликовал карты мировой сейсмической активности, впервые наглядно иллюстрирующие тот факт, что землетрясения концентрируются в определенных зонах, опоясывающих Землю. Объяснение этому было найдено только в XX веке, но уже в XIX веке карта Маллета привлекла внимание ученых к этому факту.
ГЛОБАЛЬНАЯ СЕТЬ
В течение следующего полувека сейсмология превратилась в международную науку. Чувствительность измерительных инструментов возросла до такой степени, что сейсмологи смогли отслеживать и записывать землетрясения по всей планете из одной точки. Британский геолог и инженер Джон Милн (John Milne), прожив два десятка лет в Японии, создал несколько таких сейсмографов. Возвратившись в Британию в 1895 году, он учредил Центральную обсерваторию для наблюдений за землетрясениями в своем доме на острове Уайт. Она получала данные от всемирной сети сейсмографических станций. Хотя теоретические достижения Милна невелики, его вполне можно признать основателем сейсмологии.
Благодаря значительному увеличению количества данных о сейсмической активности в первом десятилетии XX века ученые стали лучше понимать причины возникновения землетрясений. Еще Аристотель связывал активность вулканов с землетрясениями. От этого убеждения, основанного на соседстве землетрясений и вулканов в Южной Италии, а также в Японии, отказались, когда стало понятно, что извержения вулканов, как правило, не сопровождаются землетрясениями.
Вместо этого в качестве основной причины землетрясений стали рассматривать тектонические движения геологических разломов. Теория упругой отдачи резкого сдвигового движения была впервые предложена геофизиком Гарри Филдингом Рейдом (Harry Fielding Reid) в 1906 году, чтобы объяснить деформации на поверхности разлома Сан-Андреас после землетрясения в Сан-Франциско.
Хотя модель была правдоподобна, она не давала объяснения, почему края разломов сдвигаются относительно друг друга с определенным постоянством, вызывая периодические землетрясения. До появления теории тектоники плит в 60-х годах XX века сейсмологи не понимали, что разлом Сан-Андреас — граница между двумя тектоническими плитами, Тихоокеанской и Североамериканской, двигающимися в противоположных направлениях. Другие границы между плитами, например вблизи Японии, тоже сейсмически активны. Отсюда стала ясна и закономерность, отмеченная Маллетом: землетрясения группируются в определенных поясах. Эти пояса и соответствуют границам плит.
Несмотря на прогресс, сейсмологи далеки от полного понимания землетрясений. Тектоника плит не совсем объясняет британское землетрясение, произошедшее далеко от границы Срединно-Атлантического хребта, разделяющего две плиты. Стало ясно, что для крупных землетрясений роль геологических разломов, как Сан-Андреас, существенно меньше, чем следовало из теории упругой отдачи.
Многие сейсмологи заверяли, что точное предсказание землетрясений станет доступным в последние десятилетия XX века. Очевидно, что и в настоящее время это невозможно.
Сложность задачи обрисовал Чарлз Рихтер, разработавший шкалу магнитуд Рихтера для оценки силы землетрясений в 1930 году. Сейсмолог говорил гак: «Эту задачу (предсказание) можно сравнить с ситуацией, когда человек сгибает доску о колено и пытается точно предсказать, где и в каком месте появятся трещины».
(с) Эндрю Робинсон