Вулканизма и землетрясений

Основными эндогенными геологическими процессами, изменяющими характер экосистем и влияющими на хозяйственную деятельность людей, являются вулканизм, землетрясения и современные (голоценовые) тектони­ческие движения. При этом первые два процесса отно­сятся к катастрофическим, протекающим достаточно быстро, практически мгновенно.

Области проявления современной вулканической деятельности и сейсмической активности густо заселены, что определяет их экологическое значение. К таким областям относятся в первую очередь Средиземноморье, Японский, Индонезийский и Филиппинский архипелаги, Индокитайский полуостров, Центральная Америка, Тихо­океанское побережье Северной и Южной Америки и некоторые другие районы.

Вулканизм представляет собой совокупность процес­сов, связанных с извержениями на поверхность Земли, в атмосферу и гидросферу разнообразных продуктов вулканической деятельности. Вулканические процессы сопровождаются образованием геологических тел и форм рельефа, сложенных вулканическими горными породами.

Основные экологически неблагоприятные последст­вия создают современные вулканические извержения. За исторический период зафиксировано около 1000 действующих вулканов. 90 % их общего количества сосредоточено в Тихоокеанском, Средиземноморско-Индонезийском и Атлантическом вулканических поя­сах. Остальные 10 % находятся за их пределами. К ним относятся вулканы Африки, островов Индийского океана, островные и подводные вулканы Пацифики (рис.).

Более древние погасшие вулканы влияют на экоси­стемы опосредованно, в связи с разработкой различных месторождений полезных ископаемых, генетически связанных с вулканической деятельностью.

Характер экологического воздействия современного вулканизма во многом определяется продуктами вулкани­ческой деятельности, в зависимости от которых все вулканы подразделяются на три большие группы: лавовые или эффузивные, газово-взрывные вулканы и вулканы смешанного типа.

Лавовые вулканы (эффузивные) распространены на океанических островах и на активных континентальных окраинах, где они приурочены к зонам глубинных разломов.

Основными продуктами их извержений являются подвижные базальтовые лавы, в меньшей степени рыхлая тефра и газы. Излияния лав происходят либо из зияющих трещин, либо из расположенных на них изолированных жерловин, либо через широкий трубообразный канал. В последнем случае образуются щитовые вулканы, в кратерах которых возникают кипящие лавовые озера с температурой лав на поверхности озер 1000-1300 ºС. Скорость перемещения лавовых потоков на склонах подобных вулканов достигает 25 км/ч.

Такие вулканы наблюдаются в Исландии, Японии, Новой Зеландии, Восточной Африке, на Гавайях, Кам­чатке, островах Самоа.

Газово-взрывные вулканы извергают огромные количе­ства газа, пара, вулканического пепла. Излияний лав почти не происходит, либо лава среднего и кислого состава в сравнительно небольших объемах выжимается из кратера в виде экструзивных куполов.

Извержения сопровождаются взрывами и появле­нием раскаленных газово-пепловых облаков, пред­ставляющих собой суспензию мельчайших капелек жидкой лавы в газовом облаке. Энергия взрывов столь велика, что в результате происходит разрушение значительной части вулканической постройки. Твердые продукты извержений обычно сильно раздроблены и представлены пеплом.

Вулканы этой группы пользуются наибольшим распро­странением. Количество жертв газово-взрывных извер­жений обычно наиболее велико. Вот только два примера событий, связанных с газово-взрывной вулканической деятельностью, которые потрясли весь мир.

При извержении вулкана Тамбора на о. Сумбава в Индонезии погибло более 90 тыс. человек.

Во время извержения вулкана Мон-Пеле (высота около 1350 м) на острове Мартиника огненное облако погубило 30 тыс. жителей г. Сен-Пьер. Почти мгновенно был уничтожен один из наиболее крупных и красивых городов Малой Антильской дуги. Вулкан не пользовался особым вниманием, так как было известно, что со времен колонизации острова французами (1635) произошло всего лишь два очень слабых извержения с кратковременными выбросами пепла в 1851 г.; они не вызвали тревоги и вскоре были забыты. Берег озера, расположенного в пологом понижении на вершине вулкана, служил попу­лярным местом отдыха для жителей города.

Утром 8 мая 1902 г. в 7 ч 50 мин произошли четыре оглушительных взрыва и прямо вверх из кратера взви­лись черные тучи, сопровождавшиеся сверкающими молниями. Следующий взрыв был латеральным (боковым), или направленным, и вызвал появление потока раска­ленного воздуха, насыщенного тонко раздробленным материалом - пеплом и песком. С ураганной скоростью поток ринулся вниз по склону и в течение 2-3 мин. (некоторые указывают 2-3 с) достиг Сен-Пьера и обру­шился в море.

В 7 ч 52 мин часы на башне военного госпиталя остановились, отметив время гибели 30 000 жителей города и его окрестностей. Город был охвачен пламенем. Вспыхнули огромные цистерны со спиртом на ромовых заводах и бочки с ромом на пристани. В огне пожара погибли все, кто уцелел от взрыва. Огненный вихрь бушевал настолько сильно, что только через два-три дня можно было предпринять поиски пострадавших и погребение жертв. Вид города был ужасен: со всех домов сорваны крыши, почти все дома превратились в развалины, стальные балки измяты, каменные стены до метра толщиной опрокинулись как картонные и раз­рушились. Шестидюймовая пушка была сброшена с постамента, статуя массой 3 т переместилась почти на 20 м, столетние деревья были вырваны с корнями.

Только четыре человека были извлечены из-под раз­валин Сен-Пьера. Двое из них вскоре умерли, двое остались живы, несмотря на полученные ожоги. Портового грузчика Огюста Ципариса, находившегося в заключении в одиночной полуподземной тюремной камере, нашли через четыре дня после извержения.

Смешанные вулканы центрально-кратерного типа характеризуются чередующимися во времени извер­жениями вязких лав, твердых (от пепла до бомб) и газообразных продуктов вулканической деятельности. По формам вулканической постройки - это типичные стратовулканы или двойные вулканы типа "Сомма - Везувий".

Смешанные вулканы распространены в Средизем­номорье, Южной Америке, Японии, на Курилах и Камчатке. Их извержения неоднократно были причинами экологических катастроф.

Извержение вулкана Везувий (Апеннинский полу­остров) в 79 г. до н.э. привело к гибели под семимет­ровым слоем вулканического пепла населения городов Геркуланум, Помпеи, Стабия. Во время извержения того же вулкана в 1631 г. раскаленный поток лавы почти полностью уничтожил г. Торре-дель-Греко.

Вулканическим извержениям всех типов часто пред­шествует серия сейсмических толчков - "вулканическое дрожание", являющихся предвестниками параксизмальной стадии.

Человек, живущий в окрестностях вулканов, вынужден искать средства защиты от извержений. Пока они сво­дятся только к изменению направления течения лав при помощи плотин, взрывов; к охлаждению переднего края потока водяными струями с целью остановки движения лавы. В настоящее время разрабатываются проекты ослабления силы извержений путем постепенного вывода части вулканических газов из подводящего канала через буровые скважины с глубин 2-3 км.

Вместе с тем вулканы играют и положительную роль, являясь неисчерпаемыми источниками экологически чи­стой геотермальной энергии. Геотермальные электростан­ции создаются в местах выхода на поверхность парогидротерм, связанных с поствулканической - фумарольной стадией извержения. На вулканическом пепле, богатом калием и фосфором, развиваются высокоплодород­ные почвы.

Вулканическая деятельность, по-видимому, влияет и на глобальные изменения климата. Вулканы выбрасывают в атмосферу значительное количество углекислоты, что может способствовать общему потеплению климата в периоды активизации вулканической деятельности.

Активная водородно-метановая продувка кратерных базальтовых озер лавовых вулканов, связанная с про­цессами дегазации мантии и ядра, может приводить, как указывалось ранее, к разрушению озонового слоя и возникновению озоновых дыр.

Землетрясения являются наиболее опасным эндоген­ным процессом. Подсчитано, что за исторический период (около 4 тыс. лет) от землетрясений погибло не менее 13 млн. человек. Только в результате Тянь-Шаньского землетрясения (Китай) 1976 г. по разным оценкам погибло от 240 000 до 650 000 человек, а 700 000 получили ранения.

По генезису природные землетрясения подразделя­ются на тектонические, вулканические и экзогенные. Наибольшей разрушительной силой обладают тектони­ческие землетрясения, очаги которых максимально концентрируются вдоль глубинных разломов. Они вызываются внезапным быстрым смещением крыльев существующих или вновь образующихся разрывных нарушений.

На крупных разломах землетрясение происходит при длительном смещении в противоположные стороны тектонических блоков или плит. Силы сцепления удержи­вают крылья разлома от проскальзывания, и зона разлома испытывает все возрастающую сдвиговую деформацию. При достижении ею некоторого предела происходит вспарывание разлома и смещение его крыльев.

На вновь образующихся разломах землетрясение - это результат закономерного развития системы трещин, объединяющейся в зону повышенной трещиноватости. В этой зоне возникает магистральный разрыв, сопровож­дающийся землетрясением.

Максимально известная длина разломов, вспарываю­щихся при землетрясениях, составляет 500-1000 км. Крылья разлома при этом смещались до 10 м (землетрясения Камчатское 1952 г., Чилийское 1960 г.).

Землетрясения обычно выражаются несколькими (многими) толчками, направленными вертикально вверх или имеющими определенную горизонтальную составляющую. По отношению к главному землетрясению предшествующий (форшок) и последующие повторные (афтершоки) толчки, как правило, более слабые.

80 % всех землетрясений происходит в земной коре (большинство на глубине 8-10 км). Максимальная глубина залегания очагов землетрясений 620-720 км, соответствующая примерно границе верхней и нижней мантии.

Для определения интенсивности колебания поверх­ности в эпицентре используется 12-балльная шкала силы землетрясения, основанная на степени разрушения по­строек и других проявлений землетрясений.

В настоящее время для оценки землетрясения применяется шкала магнитуд (часто неверно называемых баллами), предложенная Ч. Рихтером и соответствую­щая относительному количеству энергии, выделивше­муся в очаге землетрясения. Наиболее крупные землетрясения характеризуются магнитудой от 6 до 9. Магнитуда б соответствует 6-9 баллам, 7-8 -10 баллам, 8-10 - 12 баллам 12-балльной шкалы силы землетрясений.

Оценка землетрясений в магнитудах более объек­тивна, так как степень разрушения построек зависит не только от количества выделенной энергии, но и от ряда других как объективных (глубина очага, водонасыщенность горных пород), так и субъективных (качество построек) факторов.

На Земле за 1 год происходит 10 землетрясений с М = 7,0-7,9; 100 землетрясений с М = 6,0-6,9; 1000 землетрясений с М = 5,0-5,9; 10000 землетрясений с М = 4,0-4,9.

Землетрясения проявляются на поверхности Земли неравномерно, тяготея на континентах к областям но­вейшего горообразования. На земном шаре выделяют­ся сейсмические пояса, приуроченные к границам больших и малых литосферных плит. Основными сейсмическими поясами являются Тихоокеанский и Алыгайско-Гималайский. Первый обрамляет Тихий океан, а второй простирается от Западного Средиземноморья до Восточной Азии, где сливается с Тихоокеанским на пространстве от Приохотья до Индонезии. Именно в этих поясах проявились все разрушительные землетрясения.

Только самые разрушительные землетрясения за последние сто лет унесли более 560 000 жизней. В связи с важнейшей экологической ролью этого природного процесса крайне актуальна разработ­ка теории долгосрочного прогноза землетрясений. Прогноз землетрясений основан на изучении пред­вестников, которые разделяются на долгосрочные и краткосрочные.

К долгосрочным предвестникам относятся деформа­ции земной поверхности на больших площадях, повышение или понижение микросейсмичности территорий, возник­новение глубокофокусных форшоков, изменение и вариации физических полей (электрического, гео­магнитного, гравитационного), флуктация уровня подземных вод, их дебита и состава, изменение уровня нефти в буровых скважинах, выделение газовых эманаций (гелий, радон).

К краткосрочным предвестникам относятся вариации наклонов земной поверхности, регистрируемые маятни­ковыми приборами, флуктуации акустических и элект­ромагнитных полей в приземном слое тропосферы, изменение режима подземных вод и газов и др. Они могут наблюдаться за несколько часов и даже минут до землетрясения.

Ни один из предвестников не является надежным. Есть землетрясения, не предваряющиеся предвестниками, и предвестники, не сопровождающиеся землетрясениями.

Трудности предсказания землетрясений усугубляются и тем, что в сейсмоактивных районах литосфера весьма напряжена. Небольшое добавочное напряжение может ускорить возникновение землетрясения. Факторами "спускового", или триггерного, действия могут быть большие перепады атмосферного давления над крыльями сейсмоактивного разлома, прилив в "твердой" земле в данном месте, космические воздействия и т.д.

В конце 90-х гг. появились сообщения о разработке проекта учеными институтов земного магнетизма, косми­ческих исследований и физики Земли РАН краткосрочного (за несколько дней) прогноза землетрясений. Проект основан на взаимосвязи землетрясений с изменениями электромагнитных полей в верхних слоях атмосферы на расстоянии 400 км от Земли. Пред­полагается создать международную сеть спутников, 8 из которых необходимо запустить на высоту 400 км, а 10 -на высоту 800 км от поверхности Земли.

Ввиду невозможности на современном уровне раз­вития общества предотвращать землетрясения большое значение приобретает в сейсмических районах сейсмостойкое строительство. В комплекс антисейсмических мер входит создание железобетонных сейсмических поясов, уменьшение веса кровли и межэтажных перекрытий, отказ от выступающих тяжеловесных деталей - карнизов, балконов и т.д.

При хозяйственном освоении территории необходимо использовать карты сейсмического районирования, на которых отражена в изосейстах ее балльность. Эти карты находят широкое применение при проектировании и строительстве в сейсмоопасных регионах.