Геоэкология

Прогноз вулканических явлений основывается на анализе длительного режима сейсмических событий в районе, наблюдениях за активностью выбросов пепла и газов, уровнем, составом и температурой водоисточников в периоды затишья.

Таким образом, геологическая среда, представляющая собой базис для функционирования всего живого на Земле и, в первую очередь, для успешного развития человеческого общества, является объектом воздействия большого комплекса природных и техногенных факторов. Это обусловливает неравновесное состояние геологической среды как системы, эволюция которой происходит под воздействием как природных, закономерно развивающихся процессов, так и различных антропогенных вмешательств.

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. 5.8).

Рис. 5.8. Схема географического расположения вулканов:

1 - Тихоокеанский вулканический пояс; 2 - Средиземноморско -Индонезийский пояс, 3 - егo возможное продолжение в Тихом и Атлантическом океанах; 4 - Атлантический пояс; 5 - Контур Атлантического срединно-океанического хребта и рифтов; 6 - Африканский рифтовый пояс; 7 - вулканические площади и отдельные вулканы континентов и островов;

8 - вулканы на дне океанов; 9 - отдельные вулканы.

1 - Шивелуч, 2 - Ключевская Сопка, 3 - Толбачик, 4 - Крашенинникова, 5 - Карымский, 6 - Ававчинский, 7 - Ксудач, 8 - Менделеева, 9 - Бандайсан, 10 - Фудзияма, 11 - Эребус, 12 - Сангай, 13 - Чимборасо, 14 - Котопахи, 15 - Ицалько, 16 - Попокатепетль, 17 - Парикутин, 18 - Лассен-Пик. 19 - Катмай, 20 - Вулькано, 21 - Везувий, 22 -Стромболи, 23 - Этна, 24 - Санторин, 25 - Кракатау, 26 - Мерапи. 27 -Келуд, 28 - Семеру, 29 - Агунг, 30 - Батур, 31 - Тамбора, 32 - Ян-Майен, 33 - Гекла, 34 - Лаки. 35 - Нирагонго, 36 - Килиманджаро, 37 - Килауэа. 38 - Мауна-Лоа, 39 - Фалькон, 40 - Мон-Пеле, 41 - Суфриер.

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 0С. 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.

Извержение вулкана Гекла (1947 г., 29 марта - 1948 г.) в Исландии сопровождалось в начальную стадию наводнением, обусловленным таянием снега. Общий объем водного потока составил 0,0032 км3. Тефра, выброшенная 29 марта, покрыла Исландию на площади 3130 км2. Начальную стадию также сопровождали подземные толчки. Взрывы были слышны по всей стране. Спустя 8 часов после начала извержения в основном извергалась лава со средней скоростью 1560 м3/с. Количество извергнутой лавы оценивается от 0,4 до 0,8 км3 на площади 25 км2, Образовавшаяся при извержении окись углерода, отстоявшаяся на равнинах и в депрессиях, погубила много животных и птиц [20]. В Восточно-Африканском вулкане Нирагонго до настоящего времени сохраняется кратерное жидкое лавовое озеро размером 100 300 м2.

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. 1 апреля 1815 г. в 22 часа в Баньюванги (о. Ява) в 300 км от вулкана раздалась канонада, напоминавшая отдаленные раскаты грома. Время от времени она повторялась до 9 часов утра 2 апреля. Утром 3 апреля начался слабый пеплопад. 5 апреля взрывы стали раздаваться каждые 15 минут, все более усиливаясь. Грохот их стал слышен в 1800 км от вулкана.

Кульминация извержения наступила 10 апреля. Над вулканом появился колоссальный газовый столб, насыщенный пеплом, достигший высоты 70-80 км. В течение трех суток на расстоянии 500 км (о. Мадура) установилась непроницаемая мгла. В 1100 км от вулкана наблюдались интенсивные пеплопады.

В Срабайе на о. Ява, в 425 км от вулкана, воздушные волны вырывали с корнями деревья, разрушали стены домов, опрокидывали людей и животных.

Живописный о. Сумбава, в центре которого находился вулкан Тамбора, имеющий протяженность 275 км, превратился в пустыню. Обломки горных пород диаметром до 15 см разносились взрывами на расстояние до 40 км. Под тяжестью выпавших обломков разваливались здания, На о. Сумбава 10 000 человек было убито и 3800 умерло от болезней. Из всего населения этого острова уцелело всего 26 человек.

На соседнем о. Ломбок, расположенном в 150-250 км от вулкана, выпал пепел слоем 0,6 м. На этом острове было убито 2 человека, а от болезней и голода умерло 44 000 человек - почти все население погибло. Общее число погибших на этих островах составляет 92000 человек (по другим подсчетам 56 000 и 57 925 человек). Кульминация извержения пришлась на 11 и 12 апреля.

В результате извержения вся верхняя часть двухвершинного вулкана, имевшего высоту 4000 м, исчезла. Его новая абсолютная высота составила лишь 28,51 м. Образовалась кальдера диаметром 6 6,5 км и глубиной 600-700 м. Было извергнуто, по разным подсчетам, от 30 до 300 км3 вулканогенного материла.

Имеется много сведений о замечательных закатах солнца и окрашенных сумерках в Европе (Лондон) с 15 апреля и вплоть до конца 1815 г. Часть побережья возле вулкана опустилась так, что на месте бывшей суши появились глубины 5-6 м. Извержение сопровождалось цунами, которое в районе о. Сумбава достигало 3,5 м [20].

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 вершник вулкана, служил популярным местом отдыха для жителей города [25].

Первое предупреждение о возобновлении вулканической деятельности было получено 2 апреля 1902 г., когда в верховьях р. Белой, стекающей со склонов вулкана, была отмечена деятельность фумарол (рис. 5.9). Впрочем, еще за три месяца до извержения у подножия вулкана ощущался запах сероводорода.

Во второй половине апреля он усилился до такой степени, что временами приходилось дышать через мокрый платок. 23 апреля на улицах города наблюдался слабый пеплопад и был слышен резкий запах сернистого газа. Проявлялись также слабые толчки землетрясений. 25 апреля пепел, подобно снегу, покрыл тонким слоем улицы города.

Туристы, посетившие вершину вулкана, отметили, что на дне кратера образовалось озеро поперечником около 200 м, с температурой воды около 37 °С и возник небольшой шлаковый конус высотой около 10 м. Из его верхушки поднимался столб пара. Местная газета 3 мая писала: «Пепловый дождь идет не переставая. Езда экипажей по улицам прекратилась. Колеса утопают (в пепле)». Были отменены экскурсии на вершину вулкана. Из окрестных селений встревоженные люди стали собираться в город, население которого увеличилось на несколько тысяч.

5 мая в устье р. Белой стремительно текущим горячим грязевым потоком был разрушен сахарный завод в 3 км к северо-востоку от города. Около 30 рабочих погибло в бурлящем потоке - только одиноко торчащая труба напоминала о заводе.

6 и 7 мая деятельность вулкана усилилась, звуки взрывов были слышны даже на соседних островах. Газета писала: «Пеле не более опасен для Сен-Пьера, чем Везувий для Неаполя». Несмотря на это, началось массовое бегство из города в Фор-де-Франс и на соседний о. Сент-Люсия.

Над вершиной Пеле клубились плотные тучи, озаряемые вспышками молний и багровыми отблесками из кратера. По склонам вулкана стекали потоки грязи, перемещавшие многочисленные глыбы.

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.

В бухте Сен-Пьера было перевернуто 15 парусных шхун, на которых погибли все люди. На двух небольших пароходах, стоявших на рейде, были повреждены палубные надстройки и произошли пожары. На одном из них были снесены стальные мачты, многие члены экипажа и пассажиры были убиты или обожжены. 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.

В камере было только небольшое узкое отверстие в верхней части двери. Ципарис сообщил, что 8 мая, когда он ожидал утренний завтрак, внезапно наступил мрак, одновременно он почувствовал сильный жар. Это продолжалось мгновение, затем в камеру проник раскаленный пепел. Открытые части его тела и спина под рубашкой подверглись сильным ожогам. Кроме него, спасся сапожник Леон Компере, который в момент взрыва сидел на ступеньках своего дома, защищенного со стороны вулкана обрывом. Во время прохождения горячего урагана он почувствовал кратковременное удушье и сильный жар; открытые части его тело как бы обварило горячим паром.

Температура воздушного потока превышала 650-700 °С (стекло подвергалось размягчению). Большинство людей погибло мгновенно из-за вдыхания горячего воздуха и удушья. Граница области распространения взрывной волны была очень резкой. Так, два человека, ехавшие в экипаже на расстоянии 5,5 км к югу от вулкана, остались живы (хотя экипаж перевернулся, а их оглушило и обожгло), тогда как люди, находившиеся в 10 м сзади экипажа, - погибли. Общие очертания области, охваченной взрывом, показаны на рис. 5.9.

Рис. 5.9. Карта района вулкана Пеле по Лакруа (Lacrols, 1904) толстой линией показана граница области направленного взрыва 8 мая 1902 г. [25]

После 8 мая извержения вулкана Пеле продолжались в течение нескольких месяцев. Одно из них (20 мая), подобное наблюдавшемуся 8 мая и равное ему по силе, довершило разрушение Сен-Пьера. 30 августа область, захваченная взрывами, затронула только северную окраину Сен-Пьера. Однако был уничтожен и частично разрушен ряд деревень, в том числе Морн-Руж, откуда многие наблюдали взрыв 8 мая (см. рис. 5.9). Погибло еще 2000 человек.

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 Геркулапум, 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 сдоя 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 возникает 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 I960 г.).

Землетрясения обычно выражаются несколькими (многими) толчками, направленными вертикально вверх или имеющими определенную горизонтальную составляющую. По отношению к главному землетрясению предшествующий (форток) 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 землетрясении.

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 6 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 - чрезвычайно грозное явление природы. Обусловленные продолжающейся эволюцией земных недр, они сотрясают и изменяют земную поверхность и влияют на экологию планеты. Каждое крупное сейсмическое событие в густонаселенной местности оборачивается катастрофой. Человеческие потери от землетрясений по всему миру составляют 60 % всех жертв от различных стихийных бедствий. Землетрясения возникают внезапно и это усугубляет их разрушительные последствия. Умеренные по энергии землетрясения могут оказаться катастрофическими в районах, где не были предприняты достаточные меры по обеспечению сейсмостойкости строительных сооружений, особенно таких опасных в экологическом отношении, как атомные электростанции и другие крупные энергетические и гидротехнические объекты. Последствия разрушительных землетрясений могут ощущаться в течение десятилетий, а затраты на их ликвидацию поглощают значительную часть национального бюджета.

На территории СССР за послевоенное время при землетрясениях погибло свыше 200 тыс. человек.

Свыше 20 % территории Российской Федерации подвержено сейсмическим воздействиям, превышающим 7 баллов по 12-балльной шкале MSK-64, отражающей сейсмический эффект на земной поверхности, в связи с чем требуется проведение антисейсмических мероприятий в строительном деле. Более 5 % территории России занимают чрезвычайно опасные 8-10-балльные зоны, где возникают наиболее крупные землетрясения с магнитудами М = 78 и более по шкале Рихтера. Наиболее сильные землетрясения в европейской части России наблюдаются на Северном Кавказе, где их сила может достигать 9 баллов.

Высокая степень риска возникновения разрушительных землетрясений диктует настоятельную необходимость углубленных исследований, включая теорию и практику их прогноза, сейсмического районирования, нормирования антисейсмического строительства, постсейсмической и социальной реабилитации.

Прогноз землетрясений, т.е. прогноз места, силы и времени сейсмического события, относится к числу важнейших научно-технических проблем мирового значения, над разрешением которых давно работают коллективы ученых различных стран.

Крупным циклом исследований рассматриваемого направления является создание карт сейсмического районирования.

Сейсмическое районирование представляет собой важное звено в оценке сейсмической опасности и социально-экономического риска территории. Исследования в этой области основываются на комплексном изучении структуры литосферы, современной геодинамики и сейсмогеодинамики, сейсмотектоники, региональной сейсмичности, сейсмического режима земных недр и сейсмического эффекта на земной поверхности. Карты сейсмического районирования необходимы для рационального землепользования, долгосрочного государственного социально-экономического планирования и оценки сейсмической уязвимости строительных объектов. Такие карты пока еще далеки от совершенства. Крупные землетрясения продолжают вносить в нормативные строительные документы свои трагические коррективы.

Повышение надежности сейсмического районирования продолжает оставаться одной из самых сложных проблем прикладной сейсмологии. Многочисленные примеры несовпадения сейсмологических расчетов и прогнозов с реальными природными условиями можно привести по всем регионам мира. Причина ошибок сейсмического районирования состоит прежде всего в том, что оно базируется на неполной информации о сейсмичности и сейсмотектонике территории, скудном опыте оценок сейсмической опасности и на недостаточно совершенных методологических позициях. Поэтому одной из главных практических задач сейсмологических исследований является создание на новой методологической сейсмологической и геолого-геофизической основе обновленной карты сейсмического районирования территории Российской Федерации и сопредельных с ней стран.

Новая карта призвана официально заменить устаревшую, но используемую в настоящее время карту сейсмического районирования 1978 г. (СР-78), вошедшую в 1981 г. в Строительные нормы и правила (СНиП-II-7-81). Она, подобно своим предшественницам (1937, 1957, 1968 гг.), также не выдержала испытания временем. Начиная с 1988 г., практически ежегодно возникали 8-10-балльные землетрясения в зонах, опасность которых на карте СР-78 оказалась заниженной по меньшей мере на 2-3 балла. Это - катастрофическое Спитакское землетрясение в Армении в 1988 г., унесшее десятки тысяч человеческих жизней, разрушительные Зайсанское землетрясение 1990 г. в Казахстане и Рача-Джавское 1991 г. в Грузии. В 1991 г. аналогичное по величине землетрясение случилось в зоне Корякского нагорья. В 1992 г. разрушительное 9-10-балльное Сусамырское землетрясение произошло в 7-8-балльной зоне Кыргызстана. 28 мая 1995 г. на севере о.Сахалин на границе 6- и 7-балльной зон произошло 9-10-балльное Нефтегорское землетрясение. Погибло более 2000 человек, составлявших две трети населения Нефтегорска. Нефтегорск был полностью разрушен и перестал существовать как населенный пункт. Высокая магнитуда землетрясения (М), оцениваемая разными методами от 7,2 до 7,6, большая горизонтальная протяженность (свыше 50 км) и относительно небольшая глубина очага (от 15-20 км вплоть до земной поверхности), естественно, привели к интенсивным афтершокам.

Имеются медико-биологические свидетельства воздействия геофизических процессов, предшествующих землетрясениям и сопровождающих сейсмические события, на человека и животный мир. Особого внимания заслуживает, в частности, реакция различных видов животных (холоднокровных и теплокровных) на аномальные изменения или повышенные концентрации различных химических соединений (в жидком или газообразном состоянии), или на вариации физических полей, предшествующих разрядке сейсмической энергии. Этот феномен иногда используется в качестве биологического индикатора надвигающейся геодинамической катастрофы.

Можно полагать, что механизмы воздействия названных природных факторов на организм человека схожи с влиянием на других биологических представителей живой материи. Однако уровень развития и социальная структура человеческого общества в сочетании со сложившейся на текущий момент времени конкретной политико-экономической обстановкой в регионе определяют специфические особенности коллективного поведения как реакцию на биофизические вариации в природе. Так, если подобная эволюция обстановки происходит на фоне активизации или торможения геобиофизических процессов, то последние незримо оказывают постоянное воздействие на психофизическое состояние конкретных личностей, снижая или повышая степень реактивности всего общества.

Исходя из отмеченного, в ряде случаев становится возможным рассматривать фазы социального неспокойствия как производные элементы геобиофизических аномалий, периодически генерируемых в природе. Такие фазы, располагаясь в некоторой последовательности природно-социальных явлений, замыкаются предельным событием - геодинамической катастрофой, завершающей очередную цепь развития в живой и косной материи конкретного ареала.

Медиками отмечены прямая зависимость количества сердечно-сосудистых и нервных заболеваний от силы и частоты сейсмических колебаний, своеобразие клинического течения заболеваний и их исход. Отрицательные эмоции, обусловленные землетрясением и его афтершоками, сильно влияют на эндокринную систему, приводят к глубоким перестройкам организма. Наблюдается функциональное поражение нервной и сердечно-сосудистой систем, называемое медиками “болезнью землетрясения”: во время или вскоре после подземного толчка возникают страх, учащенное сердцебиение, боль в области сердца, слабость в ногах, потеря ориентации и связности мышления, увеличение холестерина в крови, рост гипертонических кризов, инсультов, острой коронарной недостаточности и других осложнений сердечно-сосудистой системы.

Рассматриваемое геофизическое явление и медико-биологические последствия, выражающиеся в стрессовых реакциях населения на землетрясения, представляют собой одну из наиболее острых экологических проблем, требующих привлечения усилий специалистов-психологов, исследовательских центров медицины катастроф.

Как показывают исследования последних лет, одним из наиболее эффективных подходов к оценке степени геодинамической активизации крупных регионов является мониторинг напряженно-деформированного состояния геологической среды, выполняемый в реальном времени. Такой вид исследований, разработанный во ВСЕГИНГЕО и применяемый для оценки состояния геологической среды во всех сейсмоактивных регионах страны, получил наименование гидрогеодеформационного (ГГД) мониторинга.

Уже первые сведения об особенностях функционирования ГГД-поля в различных структурно-фациальных зонах позволили установить разнообразие в интенсивности его развития в зависимости от местоположения (платформа, горно-складчатая система) и времени (период геодинамического затишья или активизации). ГГД-полю платформенных регионов свойственна сравнительная “вялость”, в то время как это же поле, зафиксированное в смежных системах, характеризовалось энергичными, контрастными перестроениями с быстрыми сменами границ короткоживущих структур сжатия и растяжения. Для геодинамически спокойных периодов отмечено неупорядоченное строение ГГД-поля, когда структуры одного знака, зарождаясь и развиваясь в течение нескольких десятков суток, так же быстро разрушаются и замещаются короткоживущими структурами противоположного знака.

Важной чертой ГГД-поля является его “реактивность”, чувствительность к смене геодинамической обстановки в регионе. Особенно резко происходит смена характера ГГД-поля в периоды нарастания напряжений, предшествующие сильным землетрясениями. В эти периоды, обычно исчисляемые 4-6 мес, в регионах отчетливо фиксируется направленное формирование (или деградация) короткоживущих структур определенного знака [30].

Следует подчеркнуть, что ГГД-поля, отображая эволюции напряженно-деформированнного состояния обширных ареалов, дают представление о субглобальных геодинамических эволюциях литосферы и при этом демонстрируют согласную или противоположную по знаку жизнь очень крупных геологических структур, расположенных в разных частях земного шара. Приводимый ниже пример достаточно ярко иллюстрирует это положение.

Трансрегиональные реконструкции ГГД-поля, выполненные для периодов подготовки катастрофических землетрясений (Спитак, Рудбар-Таром, Рача-Джавское, Каспийское и др.), свидетельствуют о жесткой генетической связи между геомеханическими процессами и сейсмичностью, развивающимися на фоне динамической активизации недр.

Для территории Кавказа, Казахстана и Средней Азии инструментально зарегистрировано развитие мощных процессов растяжения земной коры, охвативших в 1989-1990 гг. Памирскую горную страну, Тянь-Шань, Туранскую (Туркмения) и, по-видимому, Аравийскую плиты, горные системы Копетдага и Кавказа. С учетом полученных измерений даже по сильно заниженным оценкам следует, что на заключительной фазе подготовки Рудбар-Таромского (Иран) землетрясения (с января 1990 г.) в этот процесс были вовлечены ареалы площадью не менее 3 300 000 км2.

С конца 1989 г. Копетдагская складчатая система испытывала значительные процессы растяжения, достигшие максимума в январе-марте 1990 г., после чего началось “вырождение” короткоживущих структур растяжения с постепенным их замещением структурами сжатия. Господствующее сжатие в регионе зафиксировано с середины октября 1990 г.

В этот же период на Кавказе преобладало развитие короткоживущих структур сжатия, которые с конца апреля 1990 г. интенсивно замещались структурами растяжения. Максимум растяжения в регионе был зафиксирован в начале сентября 1990 г., после чего произошло стремительное вырождение структур растяжения с замещением их вновь структурами сжатия.

Выявленные особенности в режиме геодинамической жизни обширных ареалов свидетельствуют о сложных процессах современной эволюции земной коры, развитие которой идет по “закону коромысла”: на период максимальных растяжений в пределах Копетдага приходился период наибольшего сжатия на Кавказе.

Геодинамическое “коромысло”, подобное выявленному в период Рудбар-Таромского землетрясения, но с инверсионным развитием процесса, отмечается и при Рача-Джавском событии: в этот период на Кавказе прослежено очень интенсивное сжатие, после чего произошла разрядка сейсмической энергии. Одновременно с этим в Туркмении было зафиксировано максимальное растяжение, а после Рача-Джавского землетрясения - всплеск сжатия, длившегося с апреля по сентябрь 1991 г.

Результаты свидетельствуют, что в регионально выдержанные процессы эндогеодинамики бывают вовлечены огромные объемы горных пород, далеко выходящие за границы отдельных регионов. В планетарном масштабе землетрясения, очевидно, могут рассматриваться как следствия взаимодействий крупных литосферных плит.

Из анализа данных, полученных для длительных отрезков времени, следует, что деформационные процессы, развивающиеся в пределах крупных регионов, имеют ярко выраженный циклический характер, когда периоды господствующего растяжения (релаксации) сменяются кратковременными интервалами сжатия длительностью в несколько месяцев.

Рассмотренные особенности геодинамической эволюции крупных регионов свидетельствуют о том, что отдельные, иногда даже близко расположенные геологические блоки, в реальном времени геодинамически развиваются независимо. Геодинамические процессы имеют колебательно-пульсационную, квазиволновую природу, когда в пределах сильно удаленных регионов, а также смежных или близко расположенных структур в одно и то же время могут иметь место противоположные по знаку и различные по интенсивности.

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 Альпийско-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.

26 января 2001 г. разрушительное землетрясение силой в эпицентре 7,9 баллов прокатилось по Индии от граничащего с Пакистаном Кашмира до Калькутты. Разрушены города Бхудж, Анджар и Бхачау, находившиеся вблизи эпицентра землетрясения. По данным сейсмологического центра Калифорнии непосредственно перед землетрясением было афиксировано 32 форшока. Потом обрушился тридцать третий разрушающей силы толчок, который «прокатился» по городам Индии как цунами. Ахмадабада, город с 4-миллионным населением, который, хотя и находился от эпицентра в 150 км, выглядит так, словно пострадал от массированной бомбежки. По словам очевидцев, как карточные домики рушились малоэтажные постройки в бедных густонаселенных кварталах и монументальные железобетонные здания в деловом центре. Рухнул набок, похоронив под собой 150 человек, 12-этажный элитный дом. В Индии погибло более 100000 человек.

Только самые разрушительные землетрясения за последние сто лет унесли более 560 000 жизней:

26 января 2001 г., Индия, 7,9 балла, более 100000 погибших;

21 сентября 1999 г., Тайвань, 7,6 балла, 2400 погибших,

17 августа 1999 г. Турция, 7,4 балла, 17000 погибших;

30 мая 1998 г., Афганистан, Таджикистан, 6,9 балла, 5000 погибших;

17 января, 1995 г., Япония, 7,2 балла, 6000 погибших;

7 декабря 1988 г., Армения, 6,9 балла, 25000 погибших;

16 сентября 1978 г., Иран, 7,7 балла, 22780 погибших;

4 февраля 1976 г., Гватемала, 7,5 балла, 33000 погибших;

6 октября 1948 г., Ашхабад, 9,0 баллов, 110000 погибших;

24 января 1939 г., Чили, 8,3 балла, более 140000 погибших;

16 декабря 1920 г., Китай, 8,6 балла, более 100000 погибших.

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, изменения отношении Vp/Vs и величин Vp, 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).

При долгосрочном прогнозе используется определение магнитуды готовящегося толчка в зависимости от радиуса r площади предваряющих деформаций:

М = 2 lg r + 4,5.

Для оценки времени ДФ действия долгосрочных предшественников используется соотношение:

ДФ (годы) = 0,5М - 2,9.

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.

В мае 2000 г. в средствах массовой информации прошло сообщение, что в течение ближайших 30 лет сильнейшее землетрясение потрясет Средиземноморье. В его эпицентре, вероятнее всего, окажется Италия.

Согласно прогнозу европейских и американских сейсмологов, предстоящее бедствие по размаху будет напоминать знаменитое Калифорнийское землетрясение, в результате которого по Средиземному морю пройдет несколько цунами. Вероятность толчков в 8-10 (!) магнитуд по шкале Рихтера (или 10-12 баллов) составляет 66 %. К зонам самого высокого риска относятся о. Сицилия, южная область Калабрия, центральные области Марке и Абруцци. Возможно, пострадает и граничащая с Австрией область Фриули. Островками относительного спокойствия могут остаться «каблук» Апеннинского полуострова, область Апулия и ряд приальпийских областей - Лигурия, Ломбардия и Пьемонт [21].

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.

5.5. Космогеологические процессы и глобальное вымирание биологических видов

Среди природных явлений, воздействующих на геологическую среду и биосферу, особое место занимают космогеологические процессы. Эти процессы связаны с падением на Землю космических тел - метеоритов, астероидов и комет, что приводит к образованию в верхней части геологического разреза ударных, ударно-взрывных кратеров и астроблем, а также к ударно-метаморфическому (шоковому) преобразованию вещества горных пород.

Научная общественность не спешила принимать идею о признании ударных явлений в качестве важных и распространенных геологических процессов на поверхности земли.

Довольно долго некоторые ученые возражали против ударного происхождения Аризонского метеоритного кратера. Однако с годами число хорошо задокументированных ударных кратеров на поверхности Земли резко увеличилось. Систематические поиски кратеров в пустынных районах и на древних щитах, проводимые с помощью тщательного анализа аэрофотоснимков, привели к обнаружению десятков новых ударных кратеров, существование которых впоследствии подтвердилось при полевых исследованиях и изучении образцов.

Космогенные структуры имеют различные размеры. Ударные кратеры - в диаметре менее 100 м, ударно-взрывные - свыше 100 м. Большинство астроблем имеют поперечник 2-33 км.

В настоящее время обнаружено около 200 таких структур. В табл. 17 приведены названия некоторых земных кратеров или структур, ударное происхождение которых не вызывает сомнения. На территории России одной из наиболее крупных является Попигайская астроблема, расположенная на севере Сибири и достигающая в поперечнике 100 км.

По современным представлениям за геологическую историю Земля многократно подвергалась космическим бомбардировкам, вызывающим глобальные экологические катастрофы и глобальное вымирание биологических видов.

Упоминания о камнях, падающих с неба можно найти в литературных источниках Китая, Греции и Рима.

Таблица 5.4

Известные и предполагаемые земные ударные кратеры и структуры (с сокращениями [23])

Название	Диаметр, км (если в районе несколько кратеров, то указан наибольший)
Дризонскии метеоритный кратер, США 1220 м Боксхол, Северная территория, Австралия 175 м Брент, Онтарио, Канада 4 Вабар, Саудовская Аравия 90 м Ваиапмтен, Онтарио, Канада 8,5 Вест-Хок, оз., Манитоба, Канада 3,7 Вредефорт, ЮАР 100 Вулф-Крик, Западная Австралия 850 м Госсес-Блафф, Северная территория, Австралия 22 Декатурвил, Миссури, США 6 Деллен, Швеция 12 Каалиярви, Эстония 110 м Кампо-дель-Киело, Аргентина 70 м Карсуэлл, Саскачеван, Канада 30 Кентленд, Индиана, США 6 Кёфелг, Австрия 5 Клируотер, оз., западный кратер, Квебек, Канада 30 Клируотер, оз., восточный кратер, Квебек, Канада 15 Крукед-Крик, Миссури, США 5 Лаппанрви, Финляндия 10 Лак-Кугюр, Квебек, Канада 10 Ливерпуль, Севервая территория, Австралия 1,6 Маникуаган, Квебек, Канада 65 Мидлсборо, Кентукки, США 7 Миен, оз., Швеция 20 Мистастин, Лабрадор, Канада 20 Монтуракуа, Чили 0,48 Менсон, Айова, США 30 Нью-Квебек, Канада 3,2 Одесса, шт, Техас, США 168 м Рис, ФРГ 24 Рошешуар, Франция 15 Садбери, Онтарио, Канада 100 Силджан, Швеция 45 Сихотэ-Алинь, Приморье, Россия 26,5 м Стренгуэйс, Северная территория, Австралия 16 Тенумер, Мавритания 1,8 Уэллул, Мавритания 250 м Хенбери, Северная территория, Австралия 150 м Хэвиленд, Канзас, США 11 Шарлевой, Квебек, Канада 35 Штейвхсйм, ФРГ 3

Падение метеорита часто происходит в виде выпадения тысяч каменных или железных обломков, и считается, что все эти обломки являются фрагментами одного метеоритного тела.

Практически во всех случаях обильные выпадения происходят в результате распада единого крупного метеороида на две и больше части в результате аэродинамического давления при вхождении его в плотные слои земной атмосферы с космической скоростью.

5.5.1. Характерные признаки космогенных структур

Выделяются четыре группы признаков космогенных структур: морфоструктурные, минералого-петрографические, геофизические и геохимические.

К морфоструктурной группе признаков относятся кольцевая или овальная кратерная форма, наличие кольцевого вала, центрального поднятия или "центральной горки" в кратерах диаметром более 3 км, отчетливое радиально-кольцевое расположение разрывных нарушений.

Группа минералого-петрографических признаков предполагает наличие в ударно-метаморфических кратерах высокобарических модификаций и шоковых (планарных) структур минералов, импактитов, раздробленных и брекчированных пород.

К высокобарическим минералам относятся полиморфные модификации SiO2 - коэсит и стишовит, мелкие кристаллы алмаза, морфологически отличающиеся от алмазов кимберлитов, и наиболее высокобарическая модификация углерода - лонсдейлит. Они возникают при сверхвысоких давлениях, не характерных для земной коры.

В породообразующих и акцессорных минералах мишени, таких как кварц, полевые шпаты, циркон и др., образуются пленарные структуры, или деформационные ламелли, - тонкие трещины шириной в несколько микрон, расположенные обычно параллельно определенным кристаллографическим элементам зерен минералов. Минералы с планарными структурами называют шоковыми, например шоковый кварц.

При падении космического тела за сверхмалое время (менее 0,1 с) выделяется огромное количество энергии, расходующейся на сжатие и дробление, плавление и испарение пород в точке соприкосновения с поверхностью (мишенью). В результате воздействия ударной волны в мишени образуются породы, носящие общее название импактитов, а возникающие при этом структуры часто называют импактными.

Импактиты представлены стеклами плавления, часто с обломками различных пород и минералов мишени. Они подразделяются на туфоподобные - зювиты и массивные лавоподобные - тагамиты.

Среди брекчированных пород выделяются:

1) аутогенная брекчия - интенсивно трещиноватые и часто передробленные до состояния муки породы мишени, сохраняющие место первоначального залегания;

2) аллогенная брекчия, состоящая из крупных перемещенных обломков различных пород.

Геофизическими признаками космогенных структур являются кольцевые аномалии физических полей, в основном гравитационных и магнитных. Центрам кратеров обычно соответствуют отрицательные или пониженные магнитные поля, гравитационные минимумы, осложненные иногда локальными максимумами (если есть центральная горка).

Геохимические особенности определяются обогащенностью пород тяжелыми металлами (Pt, Os, Ir, Co, Ni, Cr), характерными для хондритов, а также изотопно-геохимическими аномалиями углерода и кислорода.

Примерный сценарий образования космогенных структур показан на рис. 5.10 [17].

Приближаясь к поверхности планеты, космическое тело соударяется с ней. От точки удара распространяется ударная волна, приводящая вещество мишени в движение. Начинает расти полость будущего кратера (рис. 5.10, а). Частично за счет выброса, а частично за счет преобразования и выдавливания разрушающихся пород полость достигает максимальной глубины. Образуется временный кратер (рис 5.10, б).

При малом размере космического тела кратер может оказаться устойчивым (рис. 5.10, в).

Рис. 5.10. Примерный сценарий образования метеоритных кратеров:

1 - горная порода; 2 - горная порода, сжатая ударной волной; 3 - горная порода, выброшенная в результате удара: 4 - раздробленная горная порода в смеси с ударным расплавом; 5 - направление перемещения материала (пояснения см. в тексте)

В другом случае разрушенный материал оползает с бортов временного кратера и им заполняется его дно. Формируется "истинный кратер" (рис. 5.10, г).

В ударном событии большого масштаба неясные пока процессы потери устойчивости приводят к быстрому воздыманию днища кратера, обрушению и опусканию его периферийных частей. При этом образуется "центральная горка" (рис. 5.10, д), а кольцевое углубление заполняется смесью обломков и импактного расплава (рис. 5.10, е).

Одним из наиболее полно изученных объектов является Аризонский метеоритный кратер. Эта структура относится к самым молодым природным высокоскоростным ударным кратерам [23].

Кратер расположен в Северной Аризоне, примерно в 35 км западнее города Уинслоу. Аризонский метеоритный кратер достигает глубины 180 м, в его диаметр составляет приблизительно 1220 м. Он образовался в пологозалегающих пермских и триасовых породах южной части плато Колорадо, причем деформации, обусловленные ударным процессом, вполне очевидны и легко выявляются при картировании. Однако даже в отношении этого кратера долгое время велись дискуссии о его происхождении.

На дне кратера и в пределах кратерного вала было пробурено большое число буровых скважин, пройдено несколько шахт в тщетных попытках обнаружить крупное метеоритное тело, сложенное никелистым железом.

Аризонский кратер не имеет абсолютно круглой формы, в плане он скорее напоминает квадрат. Исследователи объясняют такие контуры существованием двух крупных систем сбросов и трещин в подстилающих породах. Вокруг кратера расположен заметный вал, возвышающийся над окружающей равниной на 30-60 м, хорошо сохранились остатки обширного покрова выбросов. Некоторые выбросы до сих пор еще можно закартировать вдали от кратерного вала, на расстоянии, равном диаметру кратера.

Выбросы содержат много мелких обломков метеоритного тела, однако железо, как правило, полностью окислено. Также в выбросах встречаются многочисленные обломки расплавленных и частично расплавленных пород, обломки со следами скалывания и с корочками стекла. Значительная масса метеоритного железа обнаруживается вокруг возвышенности, в центре которой находится обширная впадина. В Аризонском кратере Чжао с сотрудниками (1960) впервые обнаружил природные выделения коэсита и стишовита.

Возраст Аризонского метеоритного кратера точно не установлен, но, очевидно, он относится к молодым образованиям. Дно кратера частично выполнено четвертичными и современными отложениями, а плейстоценовый делювий закрывает самую нижнюю часть его стенок.

У местных индейцев существуют предания о возникновении кратера, однако похоже, что они ведут свое происхождение не от очевидцев. Возраст кратера по оценкам варьирует в диапазоне 20 000-40 000 лет.

Большую дискуссию вызвал вопрос о направлении траектории падения метеорита. Споры главным образом касались симметрии кратера, распределения выбросов и обломков железа. Однако, имеющиеся факты не дают однозначного ответа. Оценки массы ударяющегося тела, состоящего из никелистого железа, варьируют в пределах от 30 тыс. до более чем 200 тыс. т.

На территории Канады в свое время было обнаружено много крупных кольцевых структур, которые исследователи рассматривали как ударные структуры и эродированные кратеры (см. табл. 5.5 и рис. 5.11).

Исследование кольцевых структур проводилось в соответствии с программой геофизической разведки, картирования, бурения.



Таблица 5.5

Вероятные метеоритные кратеры и ударные

структуры Канады на 1972 г.

Примечание. Сводка выполнена отделом физики Земли Департамента энергетических и сырьевых ресурсов. Оттава, Канада [23].

Рис. 5.11. Расположение установленных ударных кратеров (черные кружки) и многочисленных предполагаемых ударных структур (светлые кружки) на территории Канады. Обращает на себя внимание плотность выявленных кратеров в пределах древнего Канадского щита (штриховой край)

Метеоритное происхождение предполагаемых кратеров устанавливалось главным образом по петрографическим критериям и было основано на следах проявления ударного метаморфизма в шлифах пород из поверхностных обнажений или керна буровых скважин. Однако, древний возраст канадских кратеров создает определенные трудности при их распознавании - большинство канадских кратеров не моложе палеозойского или докембрийского возраста. Многие из них в результате длительных геологических процессов заполнились осадками, некоторые были вовлечены в процесс регионального метаморфизма, а большинство существенно изменили свою морфологию под воздействием континентальных ледников. По мнению некоторых исследователей многие крупные кольцевые структуры на территории Канады могут принадлежать к остаточным формам ударных кратеров, однако определенные доказательства на этот счет отсутствуют.

...