Концентрация энергии и возникновение напряжении в отдельных частях земной коры и верхней мантии могут достигать такой величины, когда прочность вещества Земли в каком-то месте не выдерживает. Происходит нарушение того состояния вещества, в котором оно находилось. На определенном участке начинается разрушение пород. Это нарушение (или разрушение) может представлять собой какой-либо скол, разлом, раздробление и т. д. со смещением отдельных блоков, участков земной коры вертикально вверх или вниз. Может произойти сдвиг по наклонной плоскости под значительным или небольшим углом, а может быть, и горизонтально. Процессы такого рода, как правило, не только вызывают колебания в месте разрушения, но могут охватывать и большие площади на поверхности Земли. Следовательно, можно сказать, что колебания Земли, происходящие в результате внезапных разрывов в верхних или более глубоких слоях Земли с нарушением ее сплошности и вызывающие сотрясение земной поверхности, и называются землетрясениями.
Область внутри Земли, где возникают эти разрушения и происходит разрыв сплошности материала Земли под действием упругих напряжений, накопленных в результате тектонических процессов, и проявляются остаточные деформации, называется очагом землетрясения. Очаг обычно имеет значительную протяженность. Место на поверхности Земли над областью очага называют эпицентральной областью. Точку, в которой начинается разрушение, именуют гипоцентром, а ее проекцию на земную поверхность — эпицентром землетрясения.
Но землетрясения возникают не только от указанных выше причин. Они могут явиться также следствием смещения «земных плит» друг относительно друга, что приводит к сминанию их кромок или мест соприкосновения и в результате — к большим разрушениям и перестройке их граничных форм. Такие процессы также носят название тектонических, а землетрясения, вызванные ими, — ' тектонических.
Учитывая сказанное, можно утверждать, что процесс формирования земного рельефа в немалой степени является следствием движений, происходящих в недрах Земли на значительных глубинах.
Тектонические процессы, происходящие вблизи расположения вулканов, способны вызвать значительную вулканическую деятельность (извержения, взрывы газа и т. п.). При этом землетрясения называют вулканическими, хотя порождены они, по-видимому, теми же тектоническими процессами. Такие землетрясения возникают реже, обычно они слабее, неглубоки и носят местный характер. Хотя иногда бывают и исключения, когда происходит взрыв части вулкана или даже целого вулканического острова. Классический пример тому — взрыв вулкана Кракатау в 1883 г.
Еще реже и слабее, но могут возникать землетрясения в результате карстовых процессов. Вымывание растворимых пород в земной коре водой, проникающей с поверхности земли внутрь коры, приводит к образованию больших и малых пустот, которые впоследствии заполняются путем обвалов вышележащих пород. При этом наблюдаются так называемые провальные (или обвальные) землетрясения.
Наконец, на больших глубинах бывают землетрясения, получившие название глубокофокусных, или плутонических. Механизм и причины возникновения их пока еще далеко не ясны.
По глубине возникновения начальных процессов различают три группы очагов (в км): 1) нормальные — до 70; 2) промежуточные — от 70 до 300; 3) глубокие — от 300 до 700.
Процессы разрушения, происходящие на различной глубине, по-разному проявляются на поверхности Земли. Это и понятно. Землетрясения с очагом па глубине до 5 км в силу невозможности накопления больших напряжений (из-за предела прочности пород) и, стало быть, концентрации значительного количества потенциальной энергии не могут обладать большой разрушительной силой, и действие их ограничивается небольшим участком.
Землетрясения с глубиной очага более 300 км также слабо проявляются на поверхности Земли. Это вызвано тем, что сейсмическая энергия, возникающая в очаге, распространяясь во все стороны от него, с расстоянием рассредоточивается все в большем, объеме Земли и при выходе на поверхность плотность ее на единицу площади становится незначительной.
Таким образом, опасными, по-видимому, следует считать (при прочих равных условиях) землетрясения с очагами в указанном промежутке глубин — от 5 до 300 км. Наиболее опасны землетрясения, очаги которых находятся на глубине от 15 до 100 км.
Всеобщее внимание, однако, привлекают сильные землетрясения, потому что они, как правило, служат причиной разрушения сооружений либо изменяют вид земной поверхности, иногда еще и сопровождаются человеческими жертвами. При нескольких десятках очень сильных землетрясений наблюдалось образование крупных разломов.
Исходя из этого полагают, что так происходит при большинстве сильных землетрясений, и именно этим объясняется результат разрушений. В действительности положение дел обстоит не совсем так. Видимые проявления сильных землетрясений на поверхности Земли (трещины, провалы, смещение отдельных участков Земли друг относительно друга и т. п.) лишь косвенно связаны с глубинными, тектоническими процессами, где происходят разломы и разрушения. И главная опасность при землетрясении — это не трещины и провалы, а очень сильные сотрясения верхних слоев грунта, вызванные пришедшей из сейсмического очага упругой волной.
Когда в Земле возникает землетрясение или происходит взрыв, часть высвобождающейся энергии превращается в упругие волны, которые распространяются в горных породах с различной скоростью, зависящей от плотности и упругости пород. Различают два вида упругих волн: объемные и поверхностные. Объемные волны пронизывают все тело, весь объем Земли и бывают двух типов: 1) сжатия и разрежения, называющиеся продольными, или волнами Р; 2) поперечных смещений, называющиеся поперечными, или волнами S. Поверхностные образуются сложным взаимодействием продольных и поперечных волн с земной поверхностью и распространяются только в поверхностных слоях Земли.
Таким образом, при сильном землетрясении сейсмические волны, идущие по всему земному шару, могут быть обнаружены в любой точке его поверхности специальными высокочувствительными приборами — сейсмографами, служащими для записи землетрясений.
Обычно принимают, что упругие волны, возникающие при землетрясении, исходят из одной точки. Это допустимо, когда расстояние до' источника много больше размеров самого источника — очага землетрясения. В действительности, очаг имеет значительную протяженность, по крайней мере 10 км, а чаще больше (иногда даже более 100 км). Это зависит от энергии землетрясения. И если расстояние от источника до места регистрации землетрясения становится соизмеримым, то такое допущение нельзя считать правомерным.
Объемные продольные и поперечные волны возникают одновременно и распространяются независимо друг от друга, причем скорость продольных волн почти вдвое больше скорости поперечных, тем более поверхностных, распространяющихся еще медленнее, чем поперечные. Поэтому продольные волны, проходя через глубины Земли и достигая ее поверхности первыми, приносят информацию о происшедшем землетрясении. Основные параметры, характеризующие сейсмические волны, — это амплитуда колебания, период и скорость.
Если бы вещество Земли, где происходят сейсмические процессы, являлось идеально упругой и однородной средой, то волновая картина, возникающая при землетрясении, была бы значительно проще. В действительности же вследствие слоистости, неоднородности коры, а также в зависимости от гидрологических условий и значительной неровности земной поверхности сейсмические волны, отражаясь, преломляясь, рассеиваясь и поглощаясь, приобретают исключительно сложный характер распространения. В результате запись движения почвы при землетрясениях представляется в виде очень сложной кривой.
Сейсмические колебания по-разному проявляются в земных породах различной плотности и упругости. Энергия, которую несет сейсмическая волна и которая проявляется на поверхности Земли, зависит от произведения трех величин (квадрат скорости колебаний V, плотность пород р и скорость сейсмической волны С) в виде Е~ρCV2. Произведение ρС принято называть сейсмической жесткостью земных пород. Устойчивость построек к разрушению в значительной степени зависит от сейсмической жесткости грунта.