УДК 550.34(470.4/5)
МОРОЗОБОЙНЫЕ СОТРЯСЕНИЯ КАК ОСОБЫЙ КЛАСС СЕЙСМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ (ПО МАТЕРИАЛАМ ВОСТОЧНО-ЕВРОПЕЙСКОЙ ПЛАТФОРМЫ)
© 2010 г. А. А. Никонов
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 05.10.2007 г. После доработки 28.09.2009 г.
Рассматривается группа сотрясений, вызываемых действием быстрого замораживания влагонасы-щенных грунтов при резком падении зимних температур, что нередко случается в средних и высоких широтах Евразии. Дается обзор малоизвестной литературы, приводятся статистические данные о распределении фиксированных землетрясений по сезонам и времени суток в разных регионах Евразии. Особое внимание уделено Восточно-Европейской платформе, по материалам на которой, на основе тщательного рассмотрения опорных случаев сотрясений вместе с погодными показателями, выделены признаки группы нетектонических сейсмических сотрясений, выделяемых в особый класс морозобойных. Ставится вопрос о необходимости дискриминации морозобойных сотрясений при составлении каталогов землетрясений тектонической природы в отдельных регионах.
Все сводки и руководства по сейсмологии, начиная с XIX века, неизменно выделяют три класса сейсмических явлений по их происхождению — вулканические, обвальные и тектонические. Между тем, уже с начала XX века сейсмологи стали замечать и спорадически изучать сейсмические сотрясения особого рода, а именно, связанные с промерзанием и иногда растрескиванием земной поверхности и ледяных пространств под действием сильных морозов. Ввиду их нечастого проявления и, главное, ограниченного, локального воздействия на людей, предметы и постройки, такого рода сотрясения не привлекали специального внимания большинства сейсмологов и не удостоились обсуждения и выделения. К настоящему времени, однако, такое положение, по мнению автора, как с точки зрения познания самих явлений, так и в прикладном отношении сохраняться дальше не должно.
Рассмотрение группы сейсмических явлений, названных морозобойными, оказалось в ряду актуальных вопросов современной геофизики и даже шире — исследований в области наук о Земле. К ним относятся, в первую очередь, взаимодействие процессов у поверхности земли в разных сферах — твердой, жидкой и воздушной оболочках, роль флюидов
The tremors come, the tremors go, They love the wintry weather, With periods fast and periods slow — Perplexing altogether
C.B. Hammond. The song of the seismologist. 1911.
в геофизических процессах, условия и механизм тре-щинообразования и деформаций в твердой оболочке, ранжирование, классификация разрывов в сейсмических шкалах, идентификация следов древних землетрясений и дискриминация среди них явлений собственно тектонических.
Настоящая публикация ставит ограниченные задачи, выполнение которых необходимо на первом этапе рассмотрения морозобойных явлений, а именно: привести представительный фактический материал, выделить отличительные черты явлений именно данной группы, показать их реальное значение в сейсмической практике (на примере Восточно-Европейской платформы) и на этой основе обосновать необходимость выделения морозобойных сотрясений в особый класс сотрясений.
ПОСТАНОВКА ВОПРОСА И ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Начиная с XIX в. в российской печати неоднократно появлялись сведения о возникновении вследствие внезапных сильных морозов локальных трещин в грунте, частично переходящих и в строения (с одновременными колебаниями поверхности и без них). Например, Русское телеграфное агентство со-
An
Месяцы
Рис. 1. Распределение по месяцам максимальных амплитуд долгопериодных колебаний (An, в микронах) на станции Геттинген в 1907—1910 гг. (по [Gutenberg, 1912]).
общало из г Риги от 31 января 1870 г.: "Здесь обнародовано ученое исследование о бывшем землетрясении в г Риге. Исследование это показывает, что бывшие в прошлое воскресенье и четверг сотрясения земли не могут быть признаваемы землетрясениями, но произошли от того, что земная кора дала трещины вследствие сильных морозов" [Санкт-Петербургские..., 1870, с. 2].
Приуроченность землетрясений к периодам сильных морозов была хорошо известна местным жителям в Сибири в XIX веке [Мушкетов, Орлов, 1893; Бюлл. ПЦСК, 1912]. В XX в. возможность возникновения толчков и колебаний при морозном растрескивании земли отмечалась в литературе по Северо-Западу России и по сопредельным странам неоднократно [Tornquist, 1910; Gutenberg, 1912; 1927; Renquist, 1930; Bath, 1980].
Некоторые сопоставления сотрясений (с трещи-нообразованием) в Восточной Пруссии с записями сейсмостанций в Центральной Германии осуществлены А. Торнквистом [Tornquist, 1910]. В Восточной Пруссии (ныне Калининградская область) в разных местах отмечены локальные сотрясения 29 декабря 1908 г. в 21 ч 45 мин. На сейсмостанции в Гамбурге в этот же день продолжительные сотрясения зарегистрированы с 23 ч 25 мин. до 22 ч 33 мин. Между тем, сейсмостанция в Геттингене в этот день никаких землетрясений не отметила [Tornquist, 1910]. Ясно, что локальное сотрясение в центральной части Восточной Пруссии в те годы не могло быть зарегистриро-
вано на удалении 700—1000 км. Важно, что сейсмо-станции в Гамбурге и Геттингене регистрировали землетрясения в разные часы в период с 29 декабря 1908 г. по 13 января 1909 г., которые не соотносились по времени с какими-либо местными ощутимыми землетрясениями (коих вообще не было в этот период) или удаленными. Но именно в этот период в Северной и Восточной Европе стояли сильнейшие морозы. Одновременно поступали макросейсмические сведения о локальных толчках из Белоруссии, Лиф-ляндии, Восточной Пруссии, Южной Финляндии и Северной Польши (см. [Doss, 1909; 1911; Pentilla, 1978]). Объяснение этому, как и записей станций в Центральной Германии в этот период, естественно искать в связи не с тектоническими, но с экстремальными морозными явлениями.
Воздействие именно замерзания почвы на возникновение сейсмических колебаний определенного типа (пульсаций) выявлено Б. Гутенбергом [Gutenberg, 1912]. Этот автор путем инструментальных наблюдений на сейсмической станции Геттинген в 1907—1910 гт выделил разные виды "сейсмического неспокойствия". Наблюдения осуществлялись тяжелым маятниковым сейсмографом Вихерта, так что удалось выявить длиннопериодные, очень неравномерные колебания с различной амплитудой. Перебрав целый ряд возможных причин регистрируемых колебаний, Б. Гутенберг должен был остановиться на действии мороза ввиду отчетливых корреляций с сезоном, временем суток и ходом температуры воздуха. Корреляция выявлена и в величине и периоде колебаний с ходом температуры. Заметим (для дальнейшего рассмотрения), что наиболее сильные сейсмические движения зарегистрированы с 28 по 31, особенно в ночь 30/31 декабря 1908 г, когда смещения на записи достигали ±1/2 мм по компоненте С-Ю и имели период 23/4 мин. Корреляция выявлена и в величине и периоде колебаний с ходом температуры. Составленные по опубликованным Б. Гутенбергом таблицам графики демонстрируют распределение амплитуд колебаний (в микронах) помесячно (рис. 1), в течение суток (рис. 2) и в соотношении с температурой воздуха (рис. 3). На графиках отчетливо проявляется приуроченность максимальных амплитуд колебаний к самым низким (из зарегистрированных в период наблюдений), зимним месяцам (декабрь—февраль) и ночным—ранне-утренним часам (0—6 ч).
В наблюдениях цитируемого автора отражены движения при замерзании грунта, но не при его растрескивании, что является собственно предметом нашего рассмотрения. Но важно, что уже тогда был выделен особый вид сейсмических движений и определена его природа. Позднее Б. Гутенберг коснулся того же вопроса в своей обобщающей монографии, отметив, что речь идет о колебаниях амплитудой до 0.5 мм с периодом от 0.5 до многих минут [Gutenberg, 1927]. Впоследствии эти его разработки на многие десятилетия оказались невостребованны-
ми, во всяком случае, в Восточной Европе, и проблема осталась нерешенной.
Гораздо позже известный сейсмолог М. Бот обратил внимание не только на длиннопериодные "морозные" колебания, но и на удары при промерзании грунта (frost phenomena) в Швеции, и отметил приуроченность этих ударов к коротким периодам резкого понижения зимней температуры воздуха, когда в глинистых водонасыщенных грунтах возникают сильные стрессовые напряжения и могут возникать разрывы, в том числе в виде длинных трещин [Bäth, 1980]. Он подчеркнул, что подобные трещины развиваются в рыхлых грунтах и не проникают в подстилающие коренные породы, хотя по сопровождаемым эффектам это казалось бы неизбежным. Поверхностные эффекты выражаются в ощущении людьми в виде землетрясений, сильном сотрясении домов и слышимых звуках растрескивания, однако, даже наиболее чувствительные сейсмографы того времени в Швеции их не фиксировали. [Bäth, 1980]. М. Бот полагал, что в прошлом морозные сотрясения могли (в Швеции) приниматься за значительные региональные землетрясения (т.е. тектонические). Но дальнейшей проверки и специальных инструментальных исследований и в этом случае не последовало.
В 30-е годы 20-го столетия Х. Ренквист по макро-сейсмическим данным выделил среди исторических землетрясений Финляндии особые сотрясения под названием frostmallar (морозные удары) и обратил внимание на возможные ошибки в их интерпретации в качестве обычных (тектонических) землетрясений [Renquist, 1930].
Отдельная группа сотрясений связана с растрескиванием ледяного покрова на озерах. Такого рода наблюдения на озере Байкал проведены уже в начале XX-го века [Бюлл. ПЦСК, 1905; 1912]. Ныне морозо-бойные удары нередко регистрируются в особо морозные дни финскими станциями, особенно при резких снижениях температуры, и в каталог такие события не заносятся. В начале 60-х годов ХХ века сей-смостанция Нурмиярви в Финляндии (NUR), оборудованная высокочувствительным короткопериод-ным сейсмографом, в зимние периоды фиксировала слабые сейсмические события, которые удалось связать с трещинообразованием во льду ближайшего озера. Трещинообразование сопровождалось слышимыми звуковыми волнами и упругими волнами в ледяном покрове. После установки сейсмографа непосредствен
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.