Различают две группы сейсмических волн – объемные и поверхностные. Слагающие Землю горные породы упруги и поэтому могут деформироваться и испытывать колебания при резком приложении давления (нагрузок). Внутри объема горных пород распространяются объемные волны. Они делятся на два типа: продольные и поперечные. Продольные волны в теле Земли, как и привычные нам звуковые в воздухе, попеременно сжимают и растягивают вещество горных пород в направлении своего движения. Волны другого типа колеблют среду, через которую они проходят, поперек пути своего движения. Именно они-то, выходя на поверхность, раскачивают из стороны в сторону и вверз-вниз все на земле находящееся, приводя к наибольшим разрушениям. Именно потому, что поверхность твердой Земли – это граница с гораздо менее плотной средой, воздушной (ее называют свободной поверхностью), на земной поверхности объемные сейсмические волны могут свободнее «разгуляться», что обычно и происходит. Этому способствует и свойства приповерхностных грунтов.
Очень важны свойства разных групп и типов сейсмических волн, особенно скорость их прохождения через горные породы. Обычно она измеряется несколькими километрами в секунду и следовательно, на разных расстояниях от очага( гипоцентра и эпицентра) приход волн и ощущается и регистрируется неодновременно. На этом свойстве основано определение координат эпицентра по записям прихода волн на удаленные сейсмические станции. Не менее важны различие в скоростях отдельных групп и типов волн. Так поверхностные волны распространяются медленнее объемных и, следовательно, приходят в пункты наблюдения позднее. В группе объемных поперечные волны распространяются в среднем в 1,75 раза медленнее продольных. Отсюда понятно, почему оказавшиеся в эпицентральной области сильного землетрясения люди часто попадают во власть волн: их толкает, качает, трясет в разных направлениях с разными ускорениями.
Очевидцы нередко «слышат» землетрясения в буквальном смысле слова. Продольные волны сходны со звуковыми. При определенной частоте колебаний (в диапазоне слышимых волн, то есть более 15 герц) они при выходе на поверхность и становятся звуковыми волнами. Если вспомнить, что продольные волны распространяются быстрее, а поперечные нередко несут главные разрушения, легко понять, почему гул может слышаться перед землетрясением. Тут много зависит и от спектров излучения.
Землетрясения классифицируются в зависимости от глубины расположения их очага. Они делятся на следующие три типа1)нормальные- с глубиной очага 0-70 км;2) промежуточные – 70-300 км;3) глубокофокусные – более 300 км.
4. Перспективы предсказаний
Заинтересованность правительственных учреждений в прогнозе землетрясений исключительно велика – тысячи человеческих жизней могут быть спасены, если предсказания окажутся точными. Целые города могут эвакуированы зря, если оно окажется ложным. Из-за многих неопределенностей, связанных с землетрясениями удачное их предсказание бывает весьма редким. Тем не менее возможность точного предсказания настолько заманчива, что сегодня сотни ученых, в основном в США, Японии, Китае и России, заняты исследованиями по прогнозу землетрясений.
В качестве возможной основы прогноза принят целый ряд признаков. Наиболее важны и надежны из них следующие:
1) статистические методы,
2) выделение сейсмически активных зон, которые долго не испытывали землетрясения,
3) изучение быстрых смещений земной коры,
4) исследование изменений соотношений скорости продольных и поперечных волн,
5) изменения магнитного поля и электропроводности горных пород,
6) изменения в составе газов, поступающих из глубин,
7) регистрация предваряющих толчков «форшоков»,
8) исследование распределения очагов во времени и пространстве.
Статистические методы просты. Они основаны на анализе сейсмологической истории района: данных о числе, размерах и частоте повторения землетрясений. Предполагая, что сейсмичность района не меняется с течением времени, можно по этим данным оценить вероятность будущих землетрясений. Чем длиннее период времени, за который имеем сведения о землетрясениях, тем точнее будет прогноз.
В Калифорнии сведения о землетрясениях собраны примерно за 200 лет, а в Китае имеются данные более чем за 2000 лет.
Статистическое изучение сейсмического режима позволило ввести понятия сейсмического цикла и так называемых зон затишья – зон в сейсмически активных районах, где в течение длительного времени наблюдается слабая сейсмическая активность. Средняя длительность сейсмического цикла равна примерно 140 годам – время между сильнейшими сейсмическими событиями в одном месте. Зоны затишья – места накопления максимальной упругой энергии, где возможно ожидать сильное землетрясение. Это явилось основой долгосрочного сейсмического прогноза..
Если известна частота, с которой землетрясения происходили в прошлом, можно сделать обобщенный статистический вывод о вероятности землетрясения в будущем.
Статистические прогнозы не помогают предсказать конкретное место и конкретное время землетрясения. Таким образом, они не очень полезны с точки зрения предварительных мероприятий по безопасности. С другой стороны они имеют огромное значение для инженеров, которые должны проектировать сооружения со сроком существования 50-100 лет.
Принцип другого метода – выделение сейсмически активных зон без землетрясений – логичен. В его основе определение в сейсмически активных зонах участков, где долго не было толчков и где, следовательно, долго не происходило разрядки энергии. Именно там можно ожидать катастрофическое землетрясение. Этот метод правилен и проверен, однако для точного прогноза не представляет. Он не позволяет назвать ни день, ни неделю, ни месяц, когда произойдет событие. Но это не означает, что такого рода исследования не имеют значения: это обеспечит в угрожаемых местах своевременную подготовку и должно учитываться во всех нормативах при возведении зданий и промышленных объектов.
О готовящемся землетрясении может свидетельствовать и увеличение скорости движения земной коры. Этот метод исследований используется в России, Японии, Соединенных Штатах Америки. Перед некоторыми землетрясениями земная поверхность быстро поднималась (быстро в геологическом смысле, со скоростью несколько миллиметров в год), затем движения прекращались, и происходило разрушительное землетрясение.
Много внимания уделяют методу исследования соотношения скорости продольных и поперечных волн. Скорость сейсмических волн зависит от напряженного состояния горных пород, через которые волны распространяются, а также от содержания воды и других физических характеристик пород. В той степени, в какой изменения этих физических характеристик являются предвестниками землетрясений, можно рассматривать в качестве предвестников и скорости сейсмических волн. Скорости волн измеряются с помощью небольших взрывов в скважинах; при этом возбуждаются сейсмические волны, которые записываются близлежащими станциями. Продольные волны распространяются со скоростью приблизительно в 1,75 раза больше, чем поперечные. Перед землетрясением скорость продольных волн уменьшается, и это соотношение выражается цифрой 1,5. Подобное явление отмечается за несколько месяцев до сейсмического события. Непосредственно перед землетрясением указанное соотношение возвращается к «правильной цифре». Этот метод проверен экспериментально.
Перед отдельными землетрясениями повышается напряженность магнитного поля и электропроводимость пород. Земное магнитное поле может испытывать локальные изменения из-за деформации горных пород и движений земной коры. С целью изменения малых вариаций магнитного поля были разработаны специальные магнитометры. Такие изменения наблюдались перед землетрясениями в большинстве районов, где были установлены магнитометры. Измерения электропроводимости пород проводятся с помощью электродов, помещаемых в почву на расстоянии нескольких километров друг от друга. При этом измеряется электрическое сопротивление толщи земли между ними. Электропроводность обеспечивается главным образом присутствием воды. Следовательно, сопротивление меняется, когда изменяется содержание воды.
Многообещающим является метод изучения состава газа в подземных водах. Этот метод был разработан главным образом учеными, ведущими исследования на Камчатке и Средней Азии. Газы, перед землетрясением, оказываются сильно обогащены радоном. Но недавно группа калифорнийских ученых установила, что это газ выделяется в больших количествах и когда нет никакой сейсмической активности. Последние годы этот метод был распространен и на хлор, содержание которого возрастает в 6 раз( максимальная концентрация радона перед землетрясениями превышает нормальную в 2,7 раза). Высказано предположение, что содержание хлора резко возрастает за 3-5 дней до землетрясения. В настоящее время объектом исследования стало и изменения содержания гелия, ртути, серебра и других элементов.
Некоторым сильным землетрясениям предшествуют более слабые толчки, так называемые форштоки. Установлена последовательность событий, предшествовавших нескольким сильным землетрясениям в Новой Зеландии и Калифорнии. Во-первых, это тесно сгруппированная серия толчков примерно равной магнитуды, которая называется «предваряющим роем». За ним следует период, названный «предваряющим перерывом», в течение которого нигде в окрестностях сейсмических толчков не наблюдается. Затем следует «главное землетрясение», сила которого зависит от величины роя землетрясений и продолжительности перерыва. Предполагается, что рой вызывается раскрытием трещин. Возможность прогнозирования землетрясений на основе этих представлений очевидна, однако имеются определенные трудности в выделении предваряющих роев из других сходных по характеру групповых землетрясений, и каких – либо бесспорных успехов в этой области не достигнуто. Положение и число землетрясений различной магнитуды может служить важным индикатором приближающегося сильного землетрясения. В Японии исследования этого явления признаны заслуживающими доверия, но надежным на 100% этот метод не станет никогда, ибо многие катастрофические землетрясения происходили без каких-либо предварительных толчков.