Исследования геофизиков позволили установить, что Земля представляет собой многослойное тело шаровидной формы (геоид) со средним радиусом, равным 6367,5 км. Многослойная структура земного шара представляет собой плотно примыкающие друг к другу слои, отличающиеся минералогическим составом, плотностью, механическими свойствами, температурой, давлением.
Самый верхний слой называется корой. Кора состоит из осадочных стратифицированных (слоистых) пород, толщиной в несколько километров, лежащих на гранитном слое. В некоторых областях осадочные породы могут отсутствовать, и тогда гранитный слой выступает на дневную поверхность. Толщина гранитного слоя - от 10 км до 40 км (под горными хребтами).
В свою очередь под гранитным слоем располагается слой базальтов толщиной от 30 км под равнинами, до 20 км - под хребтами. Поверхность раздела гранитного и базальтового слоя называется в геофизике поверхностью Конрада. В совокупности эти два слова носят общее название с и а л ь (от слов silicium и aluminium).
Под корой располагается верхняя мантия толщиной до 1000 км, а далее - нижняя мантия толщиной до 2000 км.
Верхняя мантия содержит породообразующие элементы кремний и магний и называется с и м а.
Поверхность раздела слоев сиаль и сима называется поверхностью Мохоровичича (рис. 1.1).
Примерно на глубине 2900-3000 км резко меняются свойства вещества - возрастает плотность, а сдвиговая жесткость падает до нуля. Это характерно для жидкости, поэтому можно полагать, что материал в этой области находится в расплавленном состоянии.
С ростом глубины происходит возрастание температуры и давления. Так на глубине 1000 км температура достигает примерно 3500°С, а давление в центре Земли составляет величину порядка 3,5 млн. атм.
Вообще говоря, переменность соотношения температуры и давления в глубинах приводит к тому, что хотя основная масса расплавленного вещества располагается на уровне 2900 км, отдельные участки расплава встречаются и в коре, и, как правило, совпадают с областями интенсивного складкообразования, сопровождающегося вулканической деятельностью.
8
Рис. 1.1. Схематическое представление коры земного шара
Что же касается причин возникновения высокой температуры в глубинных зонах, то здесь существуют разные версии. По одной из них повышение температуры с глубиной объясняется остаточными явлениями остывания Земли, а по другой - наличие высокой температуры объясняется присутствием большого количество радиоактивных материалов, выделяющих тепло.
На глубине примерно 5100 км предполагается существование сверхплотного (∼13 г/см3) субъядра, находящегося в твердом состоянии.
Именно на основе этих представлений сейсмологами была развита теория распространения волн в толще земной поверхности, позволившая приближенно определять очаги землетрясений, их расстояния до рассматриваемой площадки, а также предполагаемый характер волнового воздействия на сооружение.
Подробнее о типах волн, воздействующих на сооружение, будет сказано ниже.
Одним из важных достижений геофизики и сейсмологии является открытие того факта, что верхний слой Земли - литосфера (земная кора с верхней частью мантии) рассечена на отдельные плиты, которые постоянно перемещаются относительно друг друга, как бы плавая по разжиженному слою мантии (астеносфера). Впервые теория тектоники плит была высказана в 1915 г. А. Вегенором в работе "Происхождение материков и океанов", в которой обосновывалась теория дрейфа континентов. Позже было выяснено, что разломы литосферы расчленяют её на отдельные плиты, но границы этих разломов, вообще говоря, не совпадают с очертаниями материков.
По мнению некоторых ученых границы между континентальными плитами совпадают с хребтами и глубоководными разломами - желобами. В последние десятилетия было установлено, что по дну всех океанов проходят мощные системы подводных горных хребтов, иссеченных многочисленными разломами и глубокими впадинами, которые простираются иногда на сотни километров.
9
Рис. 1.2. Типы границ между плитами:
а-хребет;
б -желоб;
в -трансформный разлом
Детальное изучение границ между континентальными плитами (Н. Кэлдер) позволяет наметить три основных их типа - хребет, желоб, трансформный разлом (сдвиг) (рис. 1.2).
Механизмы возникновения взаимодействия континентальных плит достаточно хорошо прослеживаются из приведенных рисунков. Остается добавить, что все описанные механизмы взаимодействия плит допускают изливание магмы из расщелин.
Сеть хребтов, желобов и трансформных разломов расчленяет земную кору на целый ряд отдельных плит, из которых особо следует отметить континентальные плиты (рис. 1.3).
Здесь же стрелками показаны направления движения этих плит. На этом же рисунке показаны области земной коры, где по данным сейсмологов наблюдаются землетрясения высокой интенсивности (зоны или пояса сейсмичности). Нетрудно видеть, что они практически полностью совпадают с границами континентальных плит.
Таким образом, с высокой степенью достоверности можно считать справедливой гипотезу о тектоническом характере причин возникновения землетрясений.
Рис. 1.3. Схематическое изображение континентальных плит и
областей сейсмостойкости:
1 - Африканская; 2 - Индийская;
3 - Евразийская;
4 - Американская; 5 - Тихоокеанская;
6 - Антарктическая
10
В основе этой гипотезы лежит представление об упругом высвобождении энергии путем внезапного образования отдельных трещин, разломов и сдвигов. В результате тектонической деятельности осуществляется длительное накопление энергии в очаге разлома. В тот момент, когда напряжения в материале некоторой ограниченной области плит достигают своих предельных значений, происходит разрыв или срез материала с быстро растущими трещинами в породе. Это вызывает очень быстрый процесс высвобождения энергии, сопровождающийся возникновением и распространением сейсмических волн в окружающей среде.
Продолжительность основного землетрясения, как правило, составляет несколько десятков секунд, причем, в течение этого времени может быть зарегистрировано несколько основных толчков. Иногда основному землетрясению предшествуют слабые толчки, называемые форшоками. Часто после сильного основного землетрясения по истечении некоторого времени наблюдаются повторные толчки - афтершоки, объясняемые вторичными землетрясениями. Как правило, интенсивность афтершоков слабее интенсивности основного землетрясения, но иногда их воздействия сопоставимы, и тогда можно говорить о последовательности, "рое", землетрясений.
Другой причиной возникновения землетрясений может быть вулканическая деятельность. По статистике вулканические землетрясения отличаются сравнительно малой областью сотрясения и незначительной силой. Хотя в истории известны и чрезвычайно сильные вулканические землетрясения. Например, землетрясение, вызванное извержением вулкана Кракатау 27.08.1883г., сопровождалось образованием приливных волн (цунами), затопивших целые острова и заметным почти во всех частях света. Районы активной вулканической деятельности, как правило, совпадают с зонами активной сейсмической деятельности, описанными ранее.
Наконец, причиной возникновения землетрясений может служить и хозяйственная деятельность человека. Это так называемые наведенные землетрясения. Например, заполнение крупного водохранилища, откачка газа и нефти из полостей Земли и др. могут служить причиной сдвижки отдельных пластов, вызывающих сотрясение земной поверхности. Сюда же можно отнести землетрясения, происходящие вследствие карстовых явлений. Наведенные землетрясения обычно отличаются малой силой, хотя имеются примеры и разрушительных землетрясений.
11
