В землетрясениях виноват... кварц!

Бойся кварца! Не станешь жертвой

Разрушительных последствий мартовского землетрясения в Японии, возможно, удалось бы избежать, если бы осенью прошлого года журнал Nature опубликовал статью, содержащую в себе результаты одного исследования. В ней группа ученых сообщает о том, что, согласно их данным, обычно эпицентры землетрясений возникают в местах залегания кварца.

Фото: Фото: AP

Американские геофизики считают, что место возникновения эпицентра землетрясения можно спрогнозировать с точностью до нескольких метров. По их мнению, этот эпицентр всегда возникает там, где в земной коре имеются крупные залежи кварца. Именно этот минерал, в кристаллическую решетку которого включено много молекул воды, достаточно хрупок и не может сопротивляться чудовищному давлению, накапливающемуся в сейсмически опасных зонах

Напомню, что естественные землетрясения чаще всего бывают вызваны тем, что из-за движения вещества в мантии к ядру плиты земной коры постоянно скользят. Этот процесс похож на деформацию пенки, которая происходит при закипании молока в кастрюле — толчки кипящей жидкости снизу рвут ее и заставляют колебаться. Однако при этом и в самой коре тоже происходят очень интересные процессы.

Итак, движение вещества в мантии вызывает скольжение пород земной коры вдоль зоны разлома (места, отмечающего границу двух литосферных плит). Однако этому, как мы понимаем, препятствует сила трения, которое данное скольжение всячески тормозит. В итоге энергия, вызывающая движение пород, накапливается в них в форме упругих напряжений (ведь, как мы помним, энергия не может просто исчезнуть, она лишь переходит из одной формы в другую).

Читайте также: Космос предупредит о землетрясениях

Когда это напряжение достигает критической точки, превышающей силу трения, происходит резкий разрыв пород с их взаимным смещением. При этом та самая накопленная энергия высвобождается и вызывает волновые колебания поверхности земли, которые мы и называем землетрясениями. Этот процесс также хорошо иллюстрирует ситуация с накачкой воздушного шарика: стоит увеличить давление воздуха так, что стенки перестают выдерживать — и он лопается.

Впрочем, иногда землетрясения порождаются совсем другими процессами, такими как извержения вулканов или при смятии пород в складки, однако общий принцип соблюдается и здесь: в каком-то месте порода испытала сильное напряжение, и потом там произошел ее разрыв. Новые исследования американских сейсмологов показали, что этот разрыв, скорее всего, происходит там, где имеются обширные залежи кварца.

Фото: AP

Как мы знаем, кварц (химическая формула которого SiO₂) является одним из самых распространенных минералов земной коры — его массовая доля в литосфере составляет более 60 процентов. В некоторых местах он образует крупные залежи — например, в Скалистых горах на западе США. Именно этот регион и изучала группа исследователей под руководством геофизика Энтони Лоури из Университета штата Юта.

Ученые обнаружили, что во всех регионах, где кора проявляет значительную стабильность (скажем, на востокеСкалистых гор) возникающие при землетрясениях Р-волны движутся в среднем в 1,8 раз быстрее S-волн. Там же, где кора деформировалась, — например, в других областях Скалистых гор или в центральной Неваде — соотношение это ниже. По словам ученых, эти цифры коррелируют с содержанием кварцевых минералов в глубине коры соответствующих регионов.

Напомню, что Р-волны — это волны энергии, которые появляются в результате землетрясения и имеют продольную направленность (то есть от эпицентра землетрясения вверх). А S-волны, возникающие позже, направлены поперек. Они показывают, что земля смещается перпендикулярно к направлению распространения. Именно они-то и являются причиной большинства разрушений зданий и, соответственно, человеческих жертв при колебании земной тверди.

Итак, согласно результатам исследований, именно в местах кварцевых залежей опасные S-волны быстрее возникают и легче распространяются. По словам исследователей, это может быть связано с тем, что кварц достаточно хрупок. Данное свойство этого минерала можно объяснить тем, что в состав его кристаллической решетки входит много молекул воды, которые при накоплении напряжения просто испаряются. В результате структура решетки становится нарушенной и она легко деформируется. Именно эта деформация и способствует быстрому возникновению тех самых S-волн.

Передвижная сейсмическая лаборатория, услугами которой воспользовалась группа Лоури, позволила создать детальную карту геологических свойств земной коры в исследуемом регионе. Ученые обнаружили, что отложения кристаллического кварца всегда сопровождают горные гряды или линии разломов на территории Калифорнии, Айдахо, Невады и Юты. Интересно, что именно данные участки, согласно многолетним наблюдениям сейсмологов, и являются самыми "беспокойными". А вот в старых горах Аппалачах на востоке США, где сейсмическая активность минимальна, никаких кварцевых скоплений не обнаружено.

Фото: AP

Практический смысл данного исследования состоит в том, что теперь можно достаточно точно предсказать место возникновения эпицентра землетрясения в зоне разлома. Он будет именно там, где больше всего кварца. Соответственно, для того чтобы не допускать повторения трагедий в Мияги (Япония) и Сычуани (Китай), достаточно будет убрать из этих зон все опасные объекты, вроде АЭС и многоэтажные здания.

Интересно, что статья с результатами данного исследования поступила на рассмотрение редакции журнала Nature еще 7 октября 2010 года. Однако из-за того, что статьи принимаются и планируются к публикации заранее, так как редакционный план журнала обычно расписан на несколько месяцев вперед, она была принята к публикации лишь весной нынешнего года, уже после японского землетрясения. Но может быть, если бы ее опубликовали раньше, власти Страны восходящего солнца успели бы принять профилактические меры и многих жертв удалось бы избежать…

Читайте самое интересное в рубрике "Наука и техника"