Напряжения, колебания и землетрясения
Ключом к пониманию этих процессов служит термин напряжение. Именно напряжения, вызванные всасыванием пластов конвекционными течениями, заставляют эти слои сминаться в более или менее резкие складки или разрываться. Напряжение — это предмет особого раздела физики — учения об упругости. Сейсмологи должны хорошо его знать, ибо совсем не просто объяснить, как напряжение, воздействуя на толщи горных пород, в конечном счете вызывает землетрясения.
Если среди наших читателей есть математики, то они легко представляют себе этот процесс. Они знают, что для определения силы, действующей на любую точку данного слоя и ее направления относительно осей требуется знание шести величин. Математики знают, что при определении напряжения пользуются математическим выражением, которое нельзя назвать иначе как тензор[48].
Таково происхождение этого понятия, которым пользуются чаще в теории относительности, чем при исследовании причин землетрясений. Впрочем, не задерживаясь в этих высоких сферах науки, постараемся разрешить более скромный вопрос: что же происходит под землей, когда там возникает напряжение? Каменотесы и горняки часто наблюдают подобные явления. Ротэ пишет по этому поводу: «Случается, что у выхода из карьера некоторые глыбы с шумом растягиваются». Иногда даже если мы имеем дело со сланцами, такими, например, как в Монсоне (штат Массачусетс, США), «то они выгибаются, образуя миниатюрную антиклиналь», либо раскалываются и лопаются. Явление это, естественно, становится более впечатляющим и опасным, когда оно имеет место на глубине нескольких сотен метров, например в рудниках. В любом случае оно обусловлено напряжением, в котором раньше находилась порода. Напряжение это внезапно модифицировалось под воздействием рабочих, извлекавших глыбу.
Обобщая, скажем, что когда напряжение развивается в горных породах, то, поскольку эта среда более или менее эластична, они деформируются, а затем снова возвращаются в первоначальное состояние. Если же напряжение не прекращается, то порода снова деформируется и т. д. Короче, чередование подобных деформаций перерастает в настоящие колебания, которые постепенно распространяются в этой среде. Впрочем, такие деформации или колебания принимают две различные формы. Прикрепите резиновую нить к стенке, натяните ее, затем отпустите, снова натяните и т. д. Нить будет то удлиняться, то укорачиваться, и мы говорим в этом случае, что происходят продольные колебания. Нам хорошо известны волны этой категории. Мы имеем в виду звуковые волны, которые порождают то расширение, то сжатие воздуха.
К другому виду колебаний относятся те, которые наблюдаются на поверхности воды, если бросить в нее камень. Образуются круговые волны, поперечные колебания точно такие, как у световых волн.
Что касается горных пород, то в них под влиянием напряжения возникают одновременно оба вида колебаний. Они распространяются сквозь толщу земной коры, каждый со свойственной ему скоростью, и оба в конечном счете достигают поверхности. Вы уже догадались, что такие колебания носят название «сейсмических сотрясений».
Такова, дорогой читатель, суть этих грандиозных явлений природы, по крайней мере согласно современной науке. Все начинается со смятия в складки в глубинах земной коры и продолжается непрерывно в течение тысячелетий. В деформированном слое напряжения нарастают. Они проявляются в виде колебаний, которые на поверхности дают о себе знать слабыми толчками. Осторожнее! Пусть те, кто проживает в таком районе, не надеются, что эти слабые толчки гарантируют их от сильных. Аналогия с предохранительным клапаном, высвобождающим угрожающий избыток энергии, здесь не уместна. Как раз наоборот, население таких районов должно насторожиться, так как эти слабые толчки — предвестники того, что напряжение вот-вот превзойдет предел сопротивления породы.
Когда напряжение почти достигает предела сопротивления разрыву, достаточно малейшего повода, чтобы он действительно произошел. Пушка заряжена, остается только привести в действие запальник. Но какая же сила это осуществляет? Что вызовет разлом в глубине и землетрясение на поверхности? Для этого достаточно какого-нибудь незначительного повода, воздействия внешнего фактора, например, более сильного, чем обычно, прилива, внезапного изменения атмосферного давления или даже ослабленного отзвука сейсмических колебаний, происходивших за тысячи километров. И катастрофа разражается.
