Проблемы управления экологической ситуацией на горных территориях

Беда приходит совершенно неожиданно. Первый толчок ошеломляет человека, и пока он пытается осознать происходящее, может упустить время для спасения. Е.А. Розова и В.П. Грин10 - основоположники сейсмологии Тянь-Шаня - приводят следующее описание И.В. Мушкетовым Верненского катастрофического землетрясения 08.06.1887 г., в результате которого был разрушен г. Верный (ныне Алматы).

«Утром 28 мая (старого стиля) в 4 часа 35 минут послышался сильный подземный гул и почувствовался толчок, который разбудил всех спавших. Колебание земли продолжалось не более секунды, и так как слабые землетрясения здесь довольно часты, то вскоре все успокоились. Но через несколько минут снова раздался подземный гул: казалось, будто звонило множество колоколов или ехали тяжелые орудия. За этим гулом последовали сильные удары. В домах стала осыпаться штукатурка, рушились печи и стены, падали потолки. Шум и грохот от разрушившегося города был ужасен, а поднявшаяся пыль наполнила улицы как бы туманом. Животные сорвались с привязи и бешено мчались в разные стороны с диким мычанием и ржанием. В первую минуту никому не приходило в голову спасаться и спасать других. Все выскочили, кто в чем был на улицу, где сидя и лежа ожидали неминуемой гибели. Первой заботой всех было - прикрыть наготу. Многие, опомнившись от первого испуга, недоискались своих родных и близких; матери бросались доставать из полуразрушенных домов своих забытых детей, другие спешили вынести, что было более ценное из одежды и имущества». Сила этого землетрясения составила 9 - 10 баллов. Область распространения его до 1 миллиона кв. км, примерные координаты эпицентра j = 43° с.ш. и l = 77° в.д.

Однако сами сотрясения земли ответственны лишь за часть потерь. Землетрясения вызывают и другие геологические эффекты, такие, как оползни и разжижение грунта, способные также убивать людей и животных, губить поля и разрушать здания. Землетрясения порождают и цунами, т.е. морские волны, которые устремляются через океан, проходят тысячи километров и опустошают, обрушившись на побережье, прибрежные города, прибавляя новые жертвы.

Колебания поверхности земли на территории Кыргызстана возникают по разным причинам, поэтому необходимо знать классификацию землетрясений по способу их образования в пределах Тянь-Шаня. Больше всех распространены тектонические землетрясения. Они возникают, когда в горных породах под действием различных геофизических сил происходит разрыв сплошности горных пород. Тектонические землетрясения имеют важное научное значение для познания недр Земли и громадное практическое значение для человеческого общества, поскольку они представляют собой самое опасное природное явление. Поэтому в дальнейшем изложении мы касаемся только тектонических землетрясений.

Однако землетрясения возникают и от других причин. Подземные толчки другого типа сопровождают вулканические извержения. И в наше время многие люди все еще считают, что землетрясения связаны главным образом с вулканической деятельностью. Эта идея восходит к древнегреческим философам, которые обратили внимание на широкое распространение землетрясений и вулканов во многих районах Средиземноморья. Сегодня сейсмологи выделяют вулканические землетрясения - те, которые происходят в сочетании с вулканической деятельностью, но считают, что как извержение вулканов, так и землетрясения являются результатом действия тектонических сил на горные породы, и они не обязательно возникают вместе. Сам механизм образования сейсмических волн при вулканических землетрясениях, вероятно, тот же, что и при тектонических.

Третью категорию образуют обвальные землетрясения. Это небольшие землетрясения, возникающие в районах, где есть подземные пустоты и горные выработки. Непосредственная причина колебаний грунта заключается при этом в обрушении кровли шахты или пещеры. Часто наблюдаемая разновидность этого явления - так называемые «горные удары». Они случаются, когда напряжения, возникающие вокруг горной выработки, заставляют большие массы горных пород резко, со взрывом, отделяться от ее забоя, возбуждая сейсмические волны.

Большой интерес вызывает разновидность обвальных землетрясений, возникающих иногда при развитии крупных оползней. Например, по Болту11, в результате гигантского оползня, образовавшегося 25 апреля 1974 г. на реке Мантаро в Перу, возникли сейсмические волны, эквивалентные землетрясению умеренной силы. Оползень имел объем 1,6 млрд. м³ и был виновником гибели около 450 человек. Насколько известно, он не был спровоцирован каким-либо местным тектоническим землетрясением, что, конечно, бывает часто. Некоторая часть гравитационной энергии, выделившейся при быстром оползании почвенного слоя и коренных пород, перешла в сейсмические волны, которые четко записались сейсмографами на расстоянии сотен километров. Продолжительность колебаний, зарегистрированных одним сейсмографом на расстоянии 80 км, составила 3 мин.; это соответствует действительному перемещению оползня на 7 км. при скорости порядка 140 км/ч.

Подобный же случай произошел в результате величайшего в истории обвала скальных пород, который возник у селения Усой в горах Памира в 1911 г.12 Князь Б.Б. Голицын, один из основоположников современной сейсмологии, записал своими сейсмографами, установленными недалеко от Санкт-Петербурга, сейсмические волны, которые пришли, по-видимому, из района этого обвала. Он сопоставил энергию сейсмических волн с энергией обвала и заключил, что обвал мог быть вызван землетрясением. Действительно, здесь 18.02.1911 г. произошло одно из крупнейших землетрясений Памира - 9-балльное Сарезское землетрясение на высоте более 3000 м. Громадный обвал и оползень перегородили р. Мургаб и образовалось Сарезское озеро средней глубиной 220 м. и объемом 17 млрд. м³, а село Усой было полностью погребено под обвалом. В 1915 г. экспедиция, посланная для исследования этой катастрофы, установила, что объем захваченного оползнем и обвалом материала составил 2,5 млрд. м³.13

Последний тип землетрясений - это искусственные, производимые человеком взрывные землетрясения, возникающие при обычных или ядерных взрывах. Подземные ядерные взрывы, производившиеся в течение последних десятилетий на ряде испытательных полигонов в разных местах земного шара, вызвали довольно значительные землетрясения.

Многолетние геофизические и геологические исследования ученых разных стран мира позволили получить определенную картину строения Земли и выявить причины землетрясения. Эти причины сразу же станут понятны, как только мы представим себе динамичный характер Земли и те медленные движения, которые происходят в ее коре - литосфере. Этот слой довольно тонок и покрывает Землю на толщину около 70 км. под Тянь-Шанем. Его небольшую толщину хорошо иллюстрирует такой пример: если Землю уменьшить до размеров яйца, то твердая кора окажется толщиной со скорлупу. Этот твердый слой, однако, не цельный: он разбит на несколько больших кусков, называемых плитами, размеры которых варьируют от сотни до нескольких тысяч километров.

Под литосферой действуют силы, принуждающие плиты перемещаться со скоростью, как правило, несколько сантиметров в год. Они могут быть вызваны, например, медленными течениями горячего пластичного вещества в недрах Земли. Течения возникают в результате тепловой конвекции в сочетании с динамическими эффектами вращения Земли. В некоторых областях новое вещество поднимается наверх из земных недр, оттесняя плиты в стороны (это происходит, например, в Срединно-Атлантическом хребте); в других местах плиты проскальзывают краями одна вдоль другой (как вдоль разлома Сан-Андреас в Калифорнии). Наконец, есть области, называемые зонами субдукции (поддвига), где одна плита при встрече заталкивается под другую (например, в океане у западных берегов Южной и Центральной Америки, у побережий Аляски и Японии). Несогласованность в движении плит при любом его направлении заставляет каменную толщу растрескиваться вдоль разломов, создавая, таким образом, землетрясения. Поэтому не удивительно, что подавляющая часть землетрясений - 95% - происходит по краям плит распределение основных сейсмических зон на Земле.

Землетрясения, вызванные движением плит, относятся к тектоническим. Зона землетрясений, окружающая Тихий океан, носит название Тихоокеанского пояса, здесь происходит около 90% землетрясений земного шара. Другой район очень высокой сейсмичности, включающий 5 - 6% всех событий, - это Альпийский или Альпийско-Гималайский пояс. Он протягивается от Средиземноморья на восток через Турцию, Иран, Туркмению, Узбекистан, Кыргызстан, Таджикистан, Казахстан, Северную Индию и Южный Китай. В этой зоне возникают также внутриплитные землетрясения. Вероятнее всего, они возникают из-за развития деформаций внутри плит, вызванных большими давлениями на их краях. Например, территория Китая сжимается с двух сторон: с востока - Тихоокеанской плитой, с юга - Индо-Австралийской. По мнению многих сейсмологов, эти воздействия несут ответственность за землетрясения, возникающие в пределах страны, включая катастрофическое Таньшаньское землетрясение 1975 г., которое привело к гибели 243 тыс. людей. Примерами крупных внутриплитовых землетрясений на территории Кыргызстана являются Сарыкамышское 1970 г. и Суусамырское 1992 г. землетрясение.

Тянь-Шань - горная система, куда входит территория Кыргызстана, в геологической истории оказалась зажатой между Индо-Австралийской и Евроазиатской плитами. При этом Индо-Австралийская плита постоянно и медленно надвигается на север. В результате этих пульсационных столкновений вдоль подвижных разломов Тянь-Шаня на глубинах 5 - 20 км. возникают очаги коровых землетрясений.

Со времени возникновения Евроазиатской и Индо-Австралийской плит прошли миллионы лет, а глубинные силы постоянно и неуклонно деформируют горные породы под ногами жителей сейсмичных стран. Как выражается на поверхности это колебание земной коры и надвигание одних пластов на другие? В чем проявляются эти могучие тектонические силы? Самое очевидное проявление - это гигантские горные хребты, такие, как Альпы, Кавказ, Памир, Тянь-Шань и Гималаи. Они возникли в результате вертикального вздымания крупных блоков земной поверхности над уровнем моря - процесса, длившегося десятки миллионов лет. Но и те движения коры, которые происходят за гораздо более короткое время, легко можно выявить путем тщательных геодезических съемок. Современные геодезические измерения с использованием спутников показывают, что в тектонически-активных районах, таких, как Калифорния, Тянь-Шань и Япония, горизонтальные и вертикальные перемещения имеют вполне измеримые величины. Результаты съемок позволяют также сделать вывод, что в стабильных областях материков, например, на древних массивах Канадского, Балтийского и Австралийского щитов, произошли лишь небольшие изменения по сравнению с сейсмоактивными районами. К примеру, данные глобальной геодезической сети GPS за период 1991 - 1998 гг. показали, что горная система Тянь-Шаня надвигается на Казахский щит со скоростью 1 - 2 см. в год.

Масштабы и оценка сейсмокатастроф.

В Центральной Азии первый сейсмограф был установлен в 1901 г. в г. Ташкенте, позже, в 1927 г., были организованы сейсмические станции в г. Фрунзе (Бишкек) и Алматы. К настоящему времени в пределах Центральной Азии действует около 100 сейсмических станций, входящих в мировую сеть, в том числе 45 станций, работающих на территории Кыргызстана, благодаря совместным усилиям ученых России, США и Китая.

Как уже указывалось, землетрясение происходит, когда в породах, слагающих земную кору, в результате нарастания избыточного напряжения, которое, в свою очередь, обычно является следствием движения литосферных плит, образуется разрыв. Разрыв происходит по неровной области вдоль более или менее плоской поверхности геологического разлома, которая может быть вертикальной или наклонной. Длина вспоровшейся части разлома может быть от нескольких метров (при практически неощутимых землетрясениях) до нескольких сотен километров (при крупнейших землетрясениях). Вспарывающаяся трещина может достичь поверхности Земли, но может и остановиться намного глубже. В целом, чем больше длина вспоровшегося разлома, тем больше амплитуда землетрясения.

Как бывает при любой поломке или срыве, землетрясение начинается в некоторой точке и затем распространяется в стороны от нее. Место, в котором начинается вспарывание, является гипоцентром землетрясения, а точка на поверхности Земли точно над гипоцентром - эпицентром. Поэтому карта, показывающая распределение землетрясений, на самом деле есть карта их эпицентров. Глубина очага может быть от нескольких километров до нескольких сотен километров. У неглубоких (мелкофокусных) коровых землетрясений типа тех, которые происходят на Тянь-Шане, глубина очага составляет от 5 до 20 км, реже до 40 км.14

Относительное смещение пород по обе стороны поверхности разлома может сильно варьировать. При слабых землетрясениях величина смещения не превышает нескольких сантиметров, однако при Кеминском землетрясении 1911 г. она составила 8 м; при Суусамырском землетрясении 1992 г. в долине реки Суусамыр вертикальное смещение противоположных сторон разлома было 2,7 м. и образовался вертикальный уступ такой высоты. В геологическом отношении - это Южно-Тяньшаньская сейсмоактивная зона с серией крупных разломов, разграничивающих Тянь-Шань от Памира и Таримской микроплиты. Вторая зона - область вокруг Ферганской впадины или Западно-Тяньшаньская сейсмоактивная зона с крупнейшими Таласо-Ферганским и Южно-Ферганским разломами. Наконец, третья - Северотяньшаньская сейсмоактивная зона с серией одноименных разломов, охватывающая приграничные районы севера Кыргызстана с Казахстаном.

На рисунке 7 приведена карта эпицентров сильных землетрясений Тянь-Шаня за период 1900 - 1996 гг., где четко видна приуроченность большинства сильных землетрясений к Южно-Тяньшаньской и Северотяньшаньской зонам; сопоставление энергии и магнитуды сильных землетрясений мира и Тянь-Шаня приведено на следующем рисунке.

По мере того как растет население горных стран и усиливается урбанизация, все больше возрастает опасность крупных катастроф от сильных землетрясений. Непрерывно увеличивающемуся количеству населения нужно все больше домов, плотин, дорог, мостов, каналов, электростанций и систем коммуникаций. Человек идет на определенный риск при строительстве новых сооружений в сейсмоопасных зонах и в других жизненных ситуациях, например, при полете на самолетах. Чтобы оценить уровень потерь при будущем землетрясении, мы должны понять, что потери есть результат комбинации риска и опасности. Риск велик в областях с высокой плотностью населения и минимален в безлюдных районах.

Опасность - это те природные силы, которые угрожают жизни и имуществу, скажем, - землетрясения или оползни. От сочетания риска и опасности зависит вероятность потерь в каком-либо определенном районе. Мы не можем предотвратить землетрясение и пока не можем точно указать время и место ожидаемого события. Вместе с тем мы можем сделать очень многое для снижения риска и, следовательно, уменьшения потерь. Мировая статистика по программе IDNDR ООН показывает, что в тех странах, где на уровне государственной политики проводятся планомерные защитные мероприятия, включая научные исследования, потери от сейсмокатастроф уменьшаются в десятки - сотни раз. К примеру, в Армении от Спитакского землетрясения в 1988 г. с магнитудой ML = 6,7 погибло 25 тыс. человек из-за неправильного сейсмического районирования и плохого качества строительства. В Калифорнии, где постоянно проводятся защитные мероприятия и предъявляются жесткие требования к строительству, от такого же землетрясения в 1989 г. с магнитудой ML = 7,1 погибло 15 человек.