Провал, взрыв, сдвиг
— Вы будете заниматься механизмами землетрясений, — зал мне по телефону в Москве шеф. — Оформляйте командировку и выезжайте. Прошу вас, не задерживайтесь.
...Возможно, читатель будет удивлен, поняв, что основой сейсмологической науки по сей день является сейсмограмма, почти неотличимая от тех, которыми пользовался еще до первой мировой войны отец русской сейсмологии Б. Б. Голицын. Но это так. Сейсмографы системы Голицына (прекрасная вещь!) по сей день на вооружении науки.
Говорят, в этой неровной синусоидальной кривой, нарисованной перописцем, а чаще "зайцем" (световым зайчиком) на фотобумаге, — вся информация и о самом источнике сейсмического сигнала, и о среде на пути этого сигнала. Нужно только научиться "читать" эти письмена...
Думается, это утверждение столь же верно (и столь же неверно), как и мнение "доквантовых" физиков о принципиальной определимости координат микрочастицы или о независимом от наблюдателя объекте наблюдения. Мне не хотелось бы брать на себя слишком много, заявляя, что принципы неопределенности и дополнительности легко перенести на сейсмологическую почву. Но — читатель убедится — процесс практической "камеральной" работы с материалами наблюдений очень часто сталкивает сейсмолога с проблемами, весьма похожими на трудности физика, пытающегося подойти к микромиру с позиций буквального детерминизма.
Да, в сейсмограмме землетрясения, особенно если это сейсмограмма с хорошей разверткой (такие получают, например, при записи сигналов на магнитную ленту), наверняка скрыты все нужные данные об очаге землетрясения и о среде по пути сейсмической волны. Вот только разделить эти две составляющие... Мне приходилось слышать такое, крайне, скептическое мнение: ни в чем нельзя быть уверенным, если, например, данные о среде у нас только сейсмологические, если мы не изучили ее еще каким-нибудь методом. Своеобразные взаимоотношения дополнительности! Уравнение с двумя неизвестными, требующее для своего точного решения еще одного уравнения.
Что же там есть, на сейсмограмме?
Самые простые и ясные непосвященному сигналы (они же и самые интересные, больше всего давшие науке) — это моменты прихода, первые вступления продольной волны (это волна сжатия — разрежения, во всем подобная обычной звуковой волне) и волны поперечной. Расстояние на сейсмограмме между этими первыми вступлениями — это разность во времени прихода продольной и поперечной волн, очень важный параметр, характеризующий, во-первых, расстояние до очага землетрясения и, во-вторых, отношение скоростей продольной и поперечной сейсмических волн, по которому можно определять опасное сгущение энергии на пути сейсмического "луча", предвещающее сильное землетрясение...
Размах колебаний на сейсмограмме — амплитуда... Учтя расстояние до очага, по максимальной амплитуде мы определим энергию, магнитуду землетрясения. А разные отклонения от среднего характеризуют свойства среды. Длинный хвост записи, похожий на хвост метеора, — тоже весьма интересный объект изучения. Это — запись волн, долго плутавших, отражавшихся от разных слоев, преломляющихся. Длина хвоста тоже говорит о свойствах среды. Полной неожиданностью для сейсмологов было необычайно долгое сейсмическое эхо на Луне. Там хвост записи удара от отделившейся ступени раке ты растянулся на целый час. Как сейчас предполагают ученые столь долгое почти без затухания блуждание сейсмически! волн в недрах ночного светила, возможно, связано с полным отсутствием воды в лунной коре. И это (если это так) — сильнейший довод в пользу "водного" варианта гипотезы дилатенсии, сулящей нам эффективный прогноз землетрясений.
Впрочем, одно перечисление всего, что можно увидеть на сейсмограмме, заняло бы полкниги. Нам досталось самое первое, самое "простое", самое начало сейсмограммы — вступление продольной волны.
...Еще только начиналась эта наука. И первые сейсмологи-станционники при определении эпицентров землетрясений столкнулись со странным явлением. Сейсмографы в те времена не измеряли вертикальных колебаний почвы, не имели "вертикальной компоненты", а только две горизонтальные — широтную и меридиональную (в этих направлениях у них качался под действием подземных толчков массивные маятники). Именно с помощью этих двух компонент определялось направление от станции на землетрясение. И нередко начинающие станционники ошибались на 180 градусов. Почему?
"Бывают... случаи, когда фронт первой волны представляем собой волну разрежения, вызывая как бы всасывающее действие и тем самым смещая элемент поверхности Земли в сторону к эпицентру". Так писал более 60 лет назад основоположник научной сейсмологии, академик Голицын. Вот это противоположное здравому смыслу движение к землетрясению, как к всасывающей воронке (а не от него), и порождало странные результаты измерений с точностью "до наоборот".
Голицын подозревал, что двоякое поведение первой приходящей к прибору волны связано с тем, как реально движется горная порода в очаге землетрясения — от наблюдателя или к нему. И советовал сейсмометристам выходить из положения с помощью вертикального сейсмографа (маятник которой способен качаться только строго вертикально). "Так как продольные волны идут всегда снизу, то, если вертикальный сейсмограф укажет, что первое смещение почвы было кверху, то тем самым определится, что первая пришедшая волна была волною сжатия и наоборот", — писал дальше Голицын. Теперь, когда положительные и отрицательные вступления продольной волны из очага землетрясения перестали быть просто источником ошибок, а стали важнейшей составной частью сейсмологических наблюдений, первое вступление на Z-компоненте (зенитном сейсмографе) обязательно проставляется в международном бюллетене, где регулярно печатаются сведения обо всех сильных землетрясениях мира. В этом бюллетене хорошо видно, что от одного землетрясения на разные станции волна приходит то в виде положительного, то в виде отрицательного вступления — факт, во времена Голицына еще неизвестный.
О чем говорит этот факт? Представим себе, что мы ровно ничего не знаем о том, почему и отчего происходят землетрясения ... Но мы знаем, что на разные станции первое вступление сейсмической волны может прийти как в виде положительного (от очага), так и в виде отрицательного (к очагу) вступления. Можем ли мы на этой основе (см. рис. 2) построить достаточно уверенную модель происходящего там, в черных глубинах?
Гёте, говоря о Лиссабонском землетрясении, упомянул и о своих воззрениях на природу очага землетрясения: "Со всех сторон земли поступали все более подробные сведения о влиянии подземного взрыва".
Взрывом считал первопричину землетрясений английский ученый Мале, которого называют иногда первым сейсмологом. Допустим, первотолчок землетрясения — действительно взрыв. От взрыва тоже идут во все стороны сейсмические волны. Но где бы мы ни поставили наши сейсмоприемники, они должны качнуться от источника волны, все первые вступления будут положительными. Так, кстати, можно отличить на записях взрыв от естественного землетрясения (правда, бывают случаи, когда вулканический или искусственный взрыв "маскируется" под настоящее землетрясение, и это очень интересные случаи, но об этом немного дальше). Значит, взрыв как модель землетрясения не годится.
В свое время (в 1857 году) упомянутый уже Мале, исследуя плейстосейстовую область (область наибольших разрушений) Неаполитанского землетрясения, стал жертвой своих неверных теоретических представлений о физике очага землетрясения. Он был на правильном пути, пытаясь установить направление на очаг, глубину "фокуса" землетрясения по расположению трещин, смещению сдвинутых и опрокинутых предметов. Но Мале считал источником волн вулканический взрыв. А раз взрыв, значит, лобовой удар, а волны, распространяющиеся от очага, только продольные. А ведь наибольшие разрушения бывают как раз от поперечных колебаний, значит, все вычисления Мале были проведены впустую, с точностью "до наоборот"!
Рис. 2. Что дает сейсмологу определение механизмов землетрясений? Прежде всего — возможность отличить настоящие тектонические землетрясения от нетектонических, например взрывов, искусственных, или вулканических (верхний рисунок), или подземных обвалов (внизу). Настоящие землетрясения на сети станций всегда образуют четыре чередующиеся области с первым движением горных пород от очага (+) или к очагу (-). Это первая информация о землетрясении, запечатленная в самом начале сейсмограммы. Средний рисунок — это тектоническое землетрясение. Движение в очаге идет по типу надвига (по одной из возможных плоскостей разрыва). Видно, что в том случае, если бы "сработала" вторая плоскость, этого по механизмам никак нельзя было бы уловить, но геологический смысл движения в данном случае не изменился бы, землетрясение осталось бы надвиговым