Геологические опасности: виды, причины, последствия и прогнозирование природных катастроф

Геологические опасности охватывают широкий спектр природных явлений — от внезапных землетрясений и извержений вулканов до медленного проседания почвы и сезонного расширения глинистых минералов. Естественные геологические процессы на Земле протекают непрерывно, но становятся опасными, когда достигают экстремальных значений, которые нарушают жизнедеятельность человека. Например, тектоника плит постоянно перемещает земную поверхность, однако это движение остаётся незаметным до тех пор, пока внезапные сдвиги не приводят к разрушительным землетрясениям. Понимание природы этих явлений позволяет учёным разрабатывать методы прогнозирования и снижения ущерба.

Земля по своей природе является динамичным и опасным миром. Извержения вулканов выбрасывают лаву и пепел, землетрясения вздымают горы и сотрясают поверхность, а цунами проносятся по океанским бассейнам со скоростью сотен миль в час (около 500 км/ч), формируя огромные волны у отдалённых берегов. Горы могут внезапно обрушиваться, погребая целые деревни под мощными оползнями, в то время как другие склоны постепенно сползают вниз, наклоняя и смещая построенные на них сооружения. Прибрежные штормы за один день уносят миллионы тонн песка из одного места и переносят его в другое; обширные регионы превращаются в пустыни, ледники быстро отступают, а уровень моря повышается быстрее, чем предполагалось ранее. Учёные всё лучше понимают эти ожидаемые последствия планетарных процессов, что позволяет более точно прогнозировать, когда и где природные геологические опасности могут перерасти в стихийные бедствия, и принимать превентивные меры.

Селевой поток на реке Вангаэху после лахара из кратерного озера горы Руапеху в центральной части Северного острова Новой Зеландии, 18 марта 2007 года: мост через реку Тангивай-роуд-бридж.

Тектоника плит как основной фактор возникновения опасностей. Медленное, но неуклонное движение тектонических плит прямо или косвенно вызывает множество геологических опасностей. Тектоника плит управляет распространением землетрясений и извержений вулканов, а также приводит к поднятию гор. Другие опасности связаны с процессами, происходящими на поверхности Земли, включая разливы рек, береговую эрозию и смену климатических зон. Многие поверхностные процессы являются частью природных циклов, но становятся опасными, поскольку люди строят жильё на открытых береговых линиях или в районах, подверженных климатическим изменениям, без должного понимания рисков. Третья группа опасностей связана с такими материалами, как крупнозернистая глина (разбухает при увлажнении) и карстовые воронки, образующиеся в известняковых отложениях. Дополнительные угрозы возникают за пределами Земли — случайные столкновения с метеоритами и астероидами. Экспоненциально растущее население планеты усугубляет последствия большинства опасных явлений; в настоящее время Земля переживает массовое вымирание, по масштабам сравнимое с исчезновением динозавров 66 миллионов лет назад.

Многие геологические опасности возникают непосредственно из-за тектоники плит, связанной с движением отдельных блоков твёрдой внешней оболочки Земли. Поскольку движение плит поглощает огромное количество энергии, тектоника плит представляет собой основной источник энергии для стихийных бедствий. Большинство землетрясений происходят непосредственно вдоль границ плит, и на эти разрушительные события приходится большая часть деформации между плитами. Отдельные землетрясения уносили жизни от десятков до сотен тысяч человек, например Таншаньское землетрясение 1976 года в Китае (250 000 погибших) и Сычуаньское землетрясение 2008 года (около 100 000 погибших). Землетрясения также приводят к огромным финансовым потерям: так, землетрясение в Нортридже (Калифорния, 1994 год) нанесло ущерб на сумму более 14 миллиардов долларов. Большинство вулканов мира также связаны с границами плит. Тысячи вулканических жерл расположены вдоль системы срединно-океанических хребтов, где извергается большая часть магмы, хотя такой вулканизм редко бывает взрывным или опасным. Напротив, вулканы, расположенные над зонами субдукции на сходящихся границах, производят мощные взрывные извержения, опустошающие местные регионы.

Извержения вулканов и связанные с ними явления унесли жизни десятков тысяч человек в XX веке, включая массовые сели (лахары) в Невадо-дель-Руис (Колумбия), в результате которых в 1985 году погибло 23 000 человек. Более крупные извержения покрывают пеплом обширные территории и могут изменять глобальный климат. Тектоника плит также приводит к поднятию горных поясов, что создаёт такие опасные явления, как оползни и другие формы массового перемещения горных пород.

Пирокластический поток на вулкане Майон в городе Легаспи, Филиппины, 7 марта 2000 года.

Оползни, ползучесть и гравитационные процессы. Некоторые геологические опасности связаны с крутыми склонами, где гравитация перемещает материал вниз, в населённые пункты. Оползни и медленное движение грунтовых пород по склону иногда приводят к гибели тысяч людей в результате крупных катастроф. Например, в 1970 году в Перуанских Андах обрушилась часть горы, похоронив под собой деревню в десятках миль от неё и унеся жизни 60 000 человек. Нисходящие потоки, как правило, более локализованы, разрушая отдельные дома, кварталы, дороги или мосты. Некоторые склоновые процессы протекают медленно — почва и другие материалы проседают на сантиметры в год, увлекая за собой всё на своём пути. Проседание грунта является одним из самых дорогостоящих природных явлений, ежегодно обходясь американским налогоплательщикам в миллиарды долларов.

Опасности, обусловленные солнечной энергией: наводнения, штормы и эрозия берегов. Многие другие геологические опасности обусловлены энергией Солнца и отражают взаимодействие между гидросферой, литосферой, атмосферой и биосферой. Сильные или продолжительные дожди приводят к переполнению речных систем, затоплению низменных районов, разрушению городов и сельскохозяйственных угодий, а также к изменению русел крупных рек. Типы наводнений варьируются от внезапных паводков в горных районах до региональных наводнений в долинах крупных рек, таких как сильные разливы рек Миссисипи и Миссури в 1993 году. Прибрежные районы подвержены наводнениям в результате тайфунов, ураганов или штормовых нагонов, которые вызывают высокие приливы, штормовые волны, проливные дожди и смертоносные ветры. Такие штормы вызывают обширную береговую эрозию, включая отступление скал, миграцию пляжей и дюн, а также открытие или закрытие приливных каналов. Эти обычные пляжные процессы стали опасными, поскольку всё больше людей селится в домах на берегу моря. Ураган «Эндрю» в 1992 году нанёс ущерб югу Соединённых Штатов на сумму более 19 миллиардов долларов.

Опасные явления в пустынях: засухи и опустынивание. Пустыни и засушливые регионы по-своему опасны в геологическом отношении. Сильные ветры и зыбучие пески препятствуют развитию сельского хозяйства, а способность пустынь прокормить большое население ограничена. Некоторые из величайших бедствий в истории были вызваны засухами, часть из которых связана с распространением пустыни на районы, где ранее выпадало достаточно осадков и велось сельское хозяйство. В этом столетии африканский регион Сахель, расположенный к югу от Сахары, пережил многочисленные стихийные бедствия, от которых пострадали миллионы людей и животных. Эти засухи, по-видимому, являются частью естественного климатического цикла чередования влажных и засушливых периодов в Сахаре. Сокращение и расширение границ пустыни имеет серьёзные последствия для тех, кто пытается жить в таких меняющихся условиях.

Ледники и глобальное изменение климата. Опустынивание представляет собой одно из возможных проявлений глобального изменения климата. Земля колебалась между экстремальными климатическими условиями — жарким и сухим, холодным и засушливым или холодным и влажным — и пережила несколько периодов, когда большая часть поверхности суши была покрыта ледниками. Ледники представляют опасность для местного населения: ледяные трещины могут быть смертельны, потоки талой воды способны быстро менять русло и смывать стоянки, а айсберги угрожают судоходным путям. Что ещё более важно, ледники отражают едва заметные изменения в глобальном климате: отступающие ледники могут указывать на потепление и высыхание, тогда как наступающие предполагают похолодание и более влажные условия. За последние 100 000 лет ледники на севере Северной Америки несколько раз наступали и отступали. В настоящее время Земля переживает межледниковый период и может стать свидетелем возвращения континентальных ледников в течение следующих нескольких сотен или тысяч лет.

Опасные геологические материалы. Геологические материалы сами по себе могут быть опасными. Асбест — широко распространённый минерал, удаляемый из тысяч зданий в США, поскольку некоторые виды асбестовых волокон, попадающих в воздух, угрожают здоровью человека. В одних случаях эта угроза реальна и требует удаления; в других — безопаснее не трогать асбест, чем выбрасывать частицы. При естественном радиоактивном распаде выделяются вредные газы, в том числе радон, который проникает в дома, школы и офисы и ежегодно вызывает многочисленные случаи рака. Простой контроль и вентиляция могут эффективно снизить уровень радоновой опасности. Другие, казалось бы, инертные материалы также могут быть опасны: например, некоторые глинистые минералы при увлажнении увеличиваются в объёме в сотни раз. Эти крупнозернистые глины залегают под многими фундаментами, мостами и автомагистралями, ежегодно нанося ущерб в Соединённых Штатах на миллиарды долларов.

Карстовые воронки, оседание грунта и повышение уровня моря. В последние годы карстовые воронки, в том числе в Уинтер-Парке (штат Флорида), поглотили дома и предприятия во Флориде и других местах. Обвалы и другие опасные явления, связанные с оседанием грунта, гораздо важнее, чем многие думают. Большая часть южной Калифорнии вблизи Лос-Анджелеса опустилась на десятки футов (около 10 метров) из-за откачки грунтовых вод и нефти из подземных резервуаров. Другие объекты, расположенные над бывшими горнодобывающими районами, начали погружаться в обрушившиеся шахтные туннели. Прибрежные районы, испытывающие оседание, сталкиваются с дополнительным риском проникновения океанских вод на бывшие жилые территории. Оседание побережья в сочетании с постепенным повышением уровня моря быстро становится серьёзной глобальной опасностью, поскольку большая часть населения мира живёт вблизи побережья. Города могут оказаться затопленными, а сельскохозяйственные угодья — покрытыми мелководными солёными морями.

Новый Орлеан и большая часть побережья Мексиканского залива опускаются со скоростью до одного дюйма в год (2,5 см/год) из-за природных и антропогенных процессов, что подвергает некоторые городские районы высокому риску штормовых нагонов и ущерба от ураганов. Эти риски были наглядно продемонстрированы ураганами «Катрина» и «Рита» в 2005 году. Необходимо как можно скорее провести масштабное планирование для устранения этой растущей угрозы.

Внеземные опасности: столкновения с астероидами и метеоритами. В истории Земли на планету неоднократно падали астероиды и метеориты из космоса, что приводило к полному разрушению биосферы и климатической системы. В настоящее время считается, что многие массовые вымирания в геологической летописи были вызваны, по крайней мере частично, крупными ударами. Например, вымирание динозавров и огромного процента других видов животных 66 миллионов лет назад объясняется сочетанием мощного вулканизма в базальтовой провинции (сохранившейся в Индии) и столкновения с метеоритом шириной около 10 км, который упал на полуостров Юкатан в Мексике. В результате столкновения образовался огненный шар шириной 1610 км, поднявшийся в верхние слои атмосферы, цунами высотой в сотни метров, охватившее Карибский бассейн, и мощные землетрясения. Выброшенная в атмосферу пыль привела к наступлению глобальной зимы; по мере оседания пыли избыток углекислого газа создавал парниковые условия, согревавшие Землю в течение многих лет. Многие формы жизни не вынесли этих быстрых изменений и погибли. Подобные столкновения, происходившие несколько раз в истории Земли, оказали глубокое влияние на эволюцию и вымирание видов.

Рост численности населения и его последствия. Численность населения растёт пугающими темпами, в настоящее время удваиваясь каждые 50 лет. При таких темпах через 800 лет на каждого жителя Земли будет приходиться пространство размером около 0,3 квадратных метра. Этот беспрецедентный рост популяции оказывает негативное воздействие на другие виды, что может привести к новому массовому вымиранию. Поскольку взаимоотношения между видами изучены не до конца, многие опасаются, что уничтожение такого количества форм жизни может привести к нашей собственной гибели. В связи с демографическим взрывом люди переезжают в опасные районы, включая береговые линии, берега рек, крутые склоны гор и склоны вулканов. Население, становящееся слишком большим для прокормления за счёт окружающей среды, как правило, страдает от катастроф, болезней, голода или других факторов, ограничивающих рост. Общество должно найти способы ограничить рост человеческой популяции устойчивыми темпами; выживание планеты зависит от поддержания этих пределов.

Достижения науки, техники и общественное мнение. Достижения науки и техники за последние десятилетия кардинально изменили представления о стихийных бедствиях. В прошлом люди рассматривали разрушительные природные явления (землетрясения, извержения вулканов, наводнения, оползни и цунами) как неизбежные и непредсказуемые. Инвестиции общества в фундаментальные научные исследования позволили делать общие прогнозы относительно времени, места и серьёзности таких событий, тем самым уменьшая их последствия. Сообщества используют эту информацию для планирования эвакуации, укрепления зданий и подготовки подробных планов реагирования на стихийные бедствия, что значительно сокращает расходы. Повышение ответственности правительства сопровождается более глубоким пониманием ситуации.

Раньше общество практически не обращалось к правительству за помощью в случае стихийных бедствий. Например, во время урагана, обрушившегося на Галвестон (штат Техас) 8 сентября 1900 года, погибло около 10 000 человек; поскольку систем оповещения не существовало, винить было некого. В 2001 году на тот же район обрушился двухфутовый (0,6 м) ливень с последующим сильным наводнением, в результате которого никто не погиб, но были выплачены страховые выплаты на миллиарды долларов. Когда ураган «Айк» обрушился на Галвестон в 2008 году, большинство людей были эвакуированы, и человеческие жертвы оказались минимальными. Общественное восприятие стихийных бедствий изменилось с развитием систем оповещения и защиты, и лишь немногие катастрофы происходят без того, чтобы вина не возлагалась на государственных служащих, инженеров или проектировщиков.

Развитые системы оповещения, строительные нормы и более глубокое понимание процессов предотвратили тысячи смертей, но в то же время они дают обществу ложное чувство безопасности. Когда происходит землетрясение или другое стихийное бедствие, люди ожидают, что их дома будут безопасны, однако эти дома построены так, чтобы выдерживать только определённый уровень сотрясений. Когда природная геологическая опасность превышает ожидаемый уровень, может произойти катастрофа с большими разрушениями, и люди часто обвиняют правительство в том, что оно не предвидело это событие. Однако усилия по планированию и строительству рассчитаны только на определённые уровни силы; планирование более редких и сильных событий было бы непомерно дорогостоящим.

Экономические издержки, связанные с геологическими опасностями. Геологические опасности чрезвычайно дороги как с точки зрения финансовых потерь, так и человеческих жертв. С ростом населения и благосостояния стоимость природных катастроф также возросла. Сумма материального ущерба, измеряемая в долларах, удваивается или утраивается каждое десятилетие, при этом отдельные стихийные бедствия иногда обходятся в десятки миллиардов долларов. В отчёте за 2000 год, представленном Комитету Конгресса по стихийным бедствиям, оценивались затраты на недавние катастрофы: ураган «Эндрю» (1992) — 23 миллиарда долларов; наводнения на Среднем Западе в 1993 году — 21 миллиард долларов; землетрясение в Нортридже (1994) — 45 миллиардов долларов. Восстановление после урагана «Катрина» обошлось в 80–200 миллиардов долларов, а по некоторым оценкам — более 1 триллиона. Для сравнения, вся первая война в Персидском заливе обошлась США и их союзникам в 65 миллиардов долларов. То, что издержки, связанные с природными геологическими опасностями, в настоящее время сопоставимы с военными расходами, демонстрирует важность понимания их причин и потенциальных последствий.

Дополнительная литература:
Эбботт П. Л. Природные катастрофы. 3-е изд. Бостон: Макгроу Хилл, 2002.
Брайант, Э. А. Природные катаклизмы. Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 1993.
Эриксон, Джон. Землетрясения, извержения и другие геологические катаклизмы: выявление опасностей, подстерегающих Землю. Нью-Йорк: Факты в архиве, 2001.
Григгс, Гэри Б. и Дж. А. Гилкрист. Геологические опасности, ресурсы и экологическое планирование. Белмонт, Калифорния: Уодсворт, 1983.
Куски, Тимоти М. Геологические опасности: справочник. Гринвуд Пресс, 2003.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.