Силы, обусловившие землетрясение. Упругая отдача

На рис. 3 схематически показаны силы, обусловившие землетрясение 1906 г. Вообразите, что этот рисунок-вид с птичьего полета на дорогу, пересекающую разлом Сан-Андреас под прямым углом. Белая линия по оси дороги идет прямолинейно на обеих сторонах разлома. По мере медленного действия тектонических сил эта линия изгибается, что указывает на движение левой стороны разлома относительно правой. За время порядка 50 лет деформация составит несколько метров.

Понятно, что это не может продолжаться бесконечно долго и что рано или поздно по ослабленной зоне на участке наибольшего изгиба появится разрыв. После возникновения трещины на обеих ее сторонах произойдет отскок назад-отдача. Как показано на рис. 3,а и б, породы обоих крыльев разлома возвратятся от точки D к точкам D₁ и D₂. На рис. 4 приведена фотография такого эффекта, возникшего при землетрясении 1906 г.

Рис. 3. Вид с птичьего полета на осевую линию дороги AB, пересекающей линию разлома на земной поверхности, а - под действием тектонических сил точки А и В смещаются в противоположных направлениях и осевая линия на пересечении с разломом изгибается, б-в точке D происходит разрыв, и ранее деформированные породы скачком возвращаются в положения D₁ и D₂

Рис. 4. Правостороннее горизонтальное смещение по разлому Сан-Андреас, возникшее при землетрясении 1906 г. на старом шоссе имени сэра Френсиса Дрейка к северу от Сан-Франциско, у южного берега залива Томалес, штат Калифорния. Величина сдвига 6,5 м. (Фото Дж. К. Гилберта, с разрешения Геологической службы США.)

По предположению Рида упругая отдача является непосредственной причиной землетрясений, и это объяснение с течением времени подтвердилось. Подобно часовой пружине, которую закручивают все туже и туже, глубинные породы земной коры могут упруго деформироваться, и чем больше эта деформация, тем большая энергия накапливается в породах. Когда пружина лопается, происходит высвобождение упругой деформации, причем очень резкое. Когда вспарывается разлом, упругая энергия, накопленная в породах, также высвобождается: частично в виде тепла, а частично в виде упругих волн. Эти волны и представляют собой землетрясение.

Столь же часто наблюдается деформация горных пород в вертикальном направлении. Упругая отдача, возникающая вдоль наклонных поверхностей разрыва, создает вертикальные смещения на поверхности; иногда образуются крупные сбросовые уступы (рис. 5). Вертикальные движения грунта, обусловленные землетрясениями или другими явлениями, могут достигать на больших площадях величин порядка десятков сантиметров.

Рис. 5. Сбросовый уступ в каньоне Иксл, гора Фэрвью, штат Невада. (С разрешения К. В. Стайнбругге.)

Вертикальные смещения, возникшие при двух японских землетрясениях, достигли поразительных размеров. При катастрофическом землетрясении Канто 1 сентября 1923 г., когда погибло более 100 тысяч человек) (из них около 68 тысяч в опустошенном пожаром Токио), произошли исключительно большие изменения глубины залива Сагами к югу от Токио. Местами глубина изменилась на 250 м. На полуострове Босо появился ряд разрывов и возникло поднятие высотой до 1,9 м.

Далее, при землетрясении в Ниигате 16 июня 1964 г. также произошли значительные вертикальные подвижки, однако они были не результатом крупного сейсмического толчка, а его предвестником. Реперы, установленные вдоль западного побережья острова Хонсю, были использованы для измерений высоты местности относительно уровня моря в 1898, 1930, 1955, 1958, 1961 гг. и непосредственно перед землетрясением 1964 г. С 1898 по 1958 г. эти измерения показывали, что берега Хонсю против острова Ава неуклонно поднимаются со скоростью около 2 мм в год. К 1961 г. подъем ускорился, после чего вплоть до 1964 г. высота менялась мало, а во время землетрясения в районе острова Ава произошло резкое опускание берега на 15-20 см.

Еще один подобный случай, пока еще (ко времени написания этой книги) не завершившийся сильным землетрясением, недавно обнаружен в Калифорнии. С конца прошлого века данные нивелирования показывают, что в гористых районах севернее и восточнее Лос-Анджелеса происходят заметные изменения высоты.

Весьма значительное поднятие (до 35 см) на площади около 12 тыс. км² отмечено в начале 1960-х годов у города Палмдейл, в 70 км к северу от Лос-Анджелеса. Эта область вздутия земной коры) получила от некоторых исследователей громкое название «Палмдейлский купол». Мы рассмотрим значение этого явления в гл. 9, где обсуждается проблема предсказания землетрясений.