Действительно, современное распределение землетрясений в пространстве указывает на глобальную систему, но систему своеобразную. Большая часть сейсмической активности приурочена к периферии Тихого океана, где она связана с островными дугами, желобами и континентальными краевыми желобами. Распределение очагов по глубине наводит на мысль о существовании плоскостей скалывания, погружающихся в сторону от океана под континент. Кроме того, существуют ограниченные центры заметкой сейсмической активности, не связанные с Тихоокеанской областью (Гиндукуш, Греция, Турция). Они составляют части особого сейсмического пояса, протягивающегося от Гибралтара до Бирмы. Сейсмические пояса связаны также со всеми крупными океаническими поднятиями, которые, как считают, являются центрами раздвигания земной коры.
Геологические данные указывают на существование орогенических циклов, которые предопределяют периодические изменения объема, а также на разрастание континентов (путем образования гор на месте островных дуг и желобов). Имеются также данные о ыестпых расширениях коры и растягивающих силах, которые вызывают долговременные поднятия, часто сопровождающиеся коровым рифтообразованием и связанным с ним вулканизмом. Мы располагаем сведениями об опусканиях коры и силах сжатия, вызывающих образование покровов. Геологические наблюдения в некоторых районах показывают, что поднятия и опускания проявляются одновременно на смежных участках. О раскалывании земной коры свидетельствует существование асейсмичных океанических хребтов вулканического происхождения и зон разрывов, непрерывно протягивающихся по дну океана на расстояния, превышающие несколько сотен километров, а также аналогичных разрывов на континентах. Кроме того, палеомагнитные данные указывают на перемещение континентов относительно друг друга и на расползание коры в стороны от крупных зон разрывов в океанах.
Когда-то эти районы дробления коры должны были быть сейсмически активными; возможно, что современная система напряжений, фиксируемая сейсмичностью, со временем сместится в другие районы. Современная сейсмичность, таким образом, гораздо теснее связана с полем напряжений, чем механизм, определяющий формирование общей системы геологических нарушений. Тем не менее геологические и сейсмологические данные следует рассматривать совместно, а не в отрыве друг от друга.
Геологическая структура
Северную Америку можно представить в виде центрального ядра древних кристаллических пород, частично перекрытых чехлом осадков; это ядро окаймлено протягивающимися с севера на юг горными сооружениями. Горные сооружения на западе (Скалистые горы) имеют мезозойский, а на востоке (Аппалачи в США, лаврентьевские, каледонские и лабрадорские горы в Канаде) — палеозойский и докембрийский возраст. Тот же основной структурный план обнаруживается в Мексике, за тем лишь исключением, что ее центральная часть состоит из окаймленного горными хребтами поднятого плато. Это плато сливается с районами, расположенными непосредственно к западу от Скалистых гор,— с плато Колорадо и областью глыбового строения — Провинцией бассейнов и хребтов. Западнее Провинции бассейнов и хребтов располагается следующая складчатая зона, представленная горами Сьерра-Невада (крупный батолит) и кайнозойскими Каскадными вулканическими горами. Западная прибрежная полоса — другой район активной современной тектоники — отделена от Сьерра-Невады крупной впадиной Калифорнийской долины.
На этот генеральный тектонический план наложен ряд поднятий и прогибов. На востоке, между Аппалачскими горами и побережьем Атлантического океана, это серия триасовых прогибов глыбового происхождения. В Аппалачах и в центральной области щита, так же как и на плато Колорадо, развиты обширные впадины и поднятия, образовавшиеся в результате эпейрогенических опусканий и поднятий земной коры. От Мексики до Аляски, в различных геологических провинциях, известны крупные нормальные разрывы длиной в сотни километров с заметными вертикальными и горизонтальными смещениями. Имеются также крупные надвиги, особенно на западном склоне Аппалачей и на восточном склоне Скалистых гор, а также в широтных палеозойских горах Уошито в Оклахоме и Арканзасе. В южном направлении Аппалачи погружаются и скрываются под прибрежной равниной Мексиканского залива, которая, как полагают, представляет собой погрузившуюся в юре сушу. Скалистые горы изменяются от складчатого пояса в Канаде до зоны глыбового строения на севере США. состоящей из комплекса крупных горстов и грабенов. Сьерра-Невада погружается к северу и замещается вулканическими породами Каскадных гор.
Хотя основной структурный рисунок континента образуют структуры, вытянутые с севера на юг, имеется несколько крупных элементов с широтным простиранием. Таким простиранием обладают древние Пенокийскпе горы в Висконсине, грабен озера Верхнего, грабеп реки Снейк в Айдахо, горы Юинта в Юте и Колорадо, горы Уошито, грабен Мексиканской долины. Известны также крупные разрывы широтного простирания с отчетливыми сдвиговыми перемещениями на расстояние более 160 км; к ним относятся разрывы Салтилло — Монтеррей в северной Мексике и разрывы в северных Аппалачах.
При такой сложной тектонической структуре и при наличии данных о периодических процессах выравнивания и поднятия и Аппалачей, и Скалистых гор можно было бы ожидать, что региональные напряжения реализуются в виде широко распространенной по всему континенту системы землетрясений. В действительности же сейсмическая активность довольно ограничена и сосредоточена в основном на территории США (фиг. 1).
Характер сейсмичности
Карта эпицентров землетрясений (фиг. 1), возможно, отражает в первую очередь (особенно для слабых землетрясений) размещение сейсмических обсерваторий и населенных пунктов. Однако автор полагает, что она в основном верно характеризует современное состояние сейсмической активности, так как, начиная с МГГ (1957—1958), почти вся территория Северной Америки была покрыта сетью однотипных сейсмических станций для регистрации землетрясений с магнитудой 4 и больше. В течение этого периода удаленные землетрясения средней магнитуды регулярно записывались на всей площади, за исключением пустой области, показанной на фиг. 1; тем не менее большая плотность землетрясений в США частично, возможно, отражает более длительную историю изучения и большую плотность распределения обсерваторий.
Западный берег Северной Америки в целом рассматривается как часть Тихоокеанского сейсмического пояса; этот пояс, однако, не непрерывен и не связан с какой-то определенной геологической обстановкой.
Сейсмический пояс Алеутской островной дуги и желоба заканчивается в центральной Аляске. Второй сегмент Тихоокеанского пояса протягивается от побережья южной Аляски (около 141)° з. д.) к границе штатов Вашингтон и Орегон. Третий сегмент состоит из двух самостоятельных ветвей, начинающихся примерно на границе Орегона и Калифорнии. Одна ветвь следует вдоль побережья и связана с разрывами системы Сан-Андреас в Калифорнии; другая ветвь поворачивает в глубь континента; она следует вдоль восточного края батолита Сьерра-Невады, а затем сливается с прибрежной ветвью на севере Калифорнийского залива, где обе ветви и заканчиваются. Хотя Калифорнийский залив и обладает некоторой сейсмичностью, значительная сейсмичность возобновляется приблизительно только от 29° с. ш., откуда начинается Центральноамериканский желоб. Он заканчивается близ границы Коста-Рики и Панамы, где угасает также и сейсмичность.
Следовательно, североамериканский сегмент Тихоокеанского сейсмического пояса соответствует нескольким различным геологическим условиям. В Алеутском районе он связан с островной дугой и желобом, в котором видят поверхностное выражение крупной зоны скалывания в земной коре (фиксирующейся фокальной зоной землетрясений). Зона скалывания погружается от океана, т. е. по направлению к вогнутой стороне дуги [2]. Как отметили Тобин и Сайкс [10], промежуточные землетрясения (60—150 км) на Аляске сосредоточены в узком поясе и исчезают близ 63е с. ш. Мелкофокусные землетрясения рассеяны сильнее и прослеживаются до 67° с. ш. Канадский сегмент связан с краевой континентальной системой горстов и грабенов. Береговая калифорнийская ветвь связана с системой разрывов Сан-Андреас, смещение по которой по подсчетам превышает 650 км (крыло, прилегающее к морю, смещено в северном направлении) [1]. Внутренняя ветвь следует вдоль системы разрывов на восточном склоне Сьерра-Невады. В Центральной Америке сейсмичность ассоциирует с краевым континентальным желобом и, очевидно, с зоной скалывания, погружающейся под континент; эта зона распознается по последовательному увеличению глубины очагов землетрясений от 39 до 159 км под Мексиканским плато.
Сегмент, расположенный вдоль побережья южной Аляски и Канады, Менард [7] рассматривает как продолжение гребня Восточнотихоокеанского поднятия, теряющего свою батиметрическую и сейсмическую индивидуальность в Калифорнийском заливе и, видимо, исчезающего под континентом, по вновь появляющегося близ острова Ванкувер. Сейсмичность на восточном склоне Сьерра-Невады и в западной Неваде, возможно, связана с воздыманием, обусловленным продолжающимся действием под континентом тех же сил, которые создали Восточнотихоокеанское поднятие. Блок Сьерра-Невады наклонен к западу и ограничен разрывами на востоке. Все же, как это видно на фиг. 1 и 2, связь между Невадой и островом Ванкувер весьма проблематична, если только пе считать, что действие тех же сил распространяется северо-восточнее, в Айдахо, или что связь между ними замаскирована в Орегоне Колумбийскими базальтами. Нагрузки этих лав, мощность которых в среднем превышает 1000 м, вероятно, достаточно для того, чтобы препятствовать движению по расположенному под ними разрыву. В Антарктиде сейсмическая деятельность подавляется нагрузкой льда мощностью примерно 3500 м. хотя Трансантарктическая горная система, по-видимому, ограничена одним из крупных (по протяженности и величине смещения) планетарных разрывов [12]. Отсутствие землетрясений в восточной и центральной Канаде, возможно, связано с нагрузкой плейстоценового ледникового покрова, исчезнувшего только в последние 10 000 лет; гравиметрические данные наводят па мысль, что кора все еще находится в состоянии сжатия, хотя льда больше и не существует. Данная площадь, характеризующаяся отрицательными гравитационными аномалиями в свободном воздухе и в изостатической редукции, находится в состоянии гидростатической неуравновешенности с мантией [5, 11]. Проявления сейсмичности можно было бы ожидать к югу от линии флексуры, отделяющей площадь, которая была «придавлена» льдом, от более южной области. Последняя находится в напряженном состоянии из-за изгиба вверх, обусловленного нагрузкой на севере. Такой перекос коры фиксируется затопленными долинами (например, Чесапикский залив) и серией выведенных на дневную поверхность третичных и плейстоценовых морских террас к югу от мыса Фир (Ю. Каролина) и на прибрежной равнине в Джорджии. Тот факт, что сейчас происходит обращение этих движений, доказывается ростом отмелей в районе Гудзонова залива, постепенным поднятием северного берега Великих озер относительно их южного берега и относительным изменением среднего уровня моря между штатом Мэн и Флоридой. Существуют также хорошо различимые зоны экстраординарной сейсмичности, которые, по-видимому, не имеют отношения к указанной выше системе напряжений, обусловленных местоположением и перемещением плейстоценового ледникового покрова. На фиг. 2 показан хорошо различимый сейсмический пояс, протягивающийся вдоль Аппалачей от Алабамы через Мэн в Нью-Брансуик в Канаде; этот пояс не связан с каким-либо частным тектоническим элементом Аппалачской системы. В целом он диагонально пересекает структуры от наиболее молодых складок Аппалачей и зоны надвигов позднепалеозойского возраста в Алабаме до древней раннепалеозойской зоны Аппалачей в Новой Англии. Южнее, по-видимому, проходит параллельная полоса, связанная с известными разрывами Пидмонта (Джорджия). На севере наблюдается раздваивание; один сегмент связан с зоной таконской складчатости у западной границы Вермонта, другой проходит вдоль границы Вермонта и Нью-Гэмпшира; между ними находится асейсмичная область. Третий самостоятельный сейсмический пояс, по-видимому, протягивается от центральных районов штата Мэн к оконечности острова Лонг-Айленд.
Ограниченная область заметной сейсмичности, прослеживающаяся от Атлантического побережья в Южной Каролине к Аппалачам, не обнаруживает четких геологических особенностей. Чарлстонское землетрясение 1886 г. в Южной Каролине было одним из крупных землетрясений и ощущалось на площади 5 000 000 кв. км. Хотя Хек [3] оценивает глубину очага землетрясения примерно в 40 км, конфигурация изосейст свидетельствует о глубине около 60 км.
По существу непрерывная сейсмоактивная зона, параллельная Аппалачскому сейсмическому поясу, протягивается от северного Арканзаса к восточному Квебеку. Она следует вдоль крупной системы разрывов, подчеркнутой долиной реки Св. Лаврентия, которую Кумаранели и Солл [6] сопоставляют с рифтовыми долинами Африки. В этом поясе произошло несколько сильных землетрясений. Землетрясение 1663 г. в долине реки Св. Лаврентия ощущалось на площади по крайней мере 1 900 000 кв. км. Другие землетрясения такой же большой магнитуды происходили в том же основном районе после 1870 г. с интервалом приблизительно в 10 лет. На южной окраине этого сейсмоактивного пояса, в районе Ныо-Мадрид, штат Миссури, землетрясение 1811 г. ощущалось на площади 5 000 000 кв. км; сильные землетрясения в этом районе происходили с интервалом 5—10 лет. За исключением западных районов Новой Англии, где сейсмические пояса Аппалачей, Миссури и реки Св. Лаврентия объединяются сейсмоактивной зоной, связанной с Таковским разрывом и антиклиналью Грин-Маунтинс в западном Вермонте, оба пояса разделены асейсмичной площадью. Эта сейсмически спокойная площадь соответствует плато Камберленд на юге, области палеозойских угольных бассейнов в Западной Виргинии и Пенсильвании и массиву Адирондак в штате Нью-Йорк, который представляется независимым элементом, ограниченным зонами с прерывистой сейсмичностью.
Восточный внутренний сейсмический пояс имеет явное отношение не только к реке Св. Лаврентия, по также к рекам Миссисипи и Огайо, которые образуют западную и южную границы штата Иллинойс, а геологически соответствуют границам Иллинойсского бассейна, опустившегося в течение палеозоя примерно на 3500 м. Тот факт, что план распределения землетрясений согласуется с северной границей Иллинойсского бассейна, где он контактирует с Висконсинским поднятием, а также с его западной границей, где он контактирует с поднятием Миссури, свидетельствует о продолжающихся до нашего времени дифференцированных движениях этого блока земной коры.
Во внутренней части континента на границе между Южной Дакотой и Небраской прослеживается субширотная полоса землетрясений; она сливается с полем рассеянной сейсмичности, занимающим восточные части этих двух штатов и прилегающие районы Канзаса. Как и в случае восточной внутриконтинентальной сейсмоактивной зоны, сейсмичность здесь связана с различными особенностями геологического строения; единый тектонический контроль отсутствует. Далее к югу, в районе границы Техас — Оклахома, располагается отчетливая сейсмоактивная зона, простирающаяся с востока на запад, которая может быть сопоставлена с позднепалеозойским поднятием Амарилло — Уичито, оконтуренным крупными, все еще активными разрывами.
Узкая сейсмическая зона в центральных районах штата Нью-Мексико продолжается к северу, но становится неотчетливой севернее границы Нью-Мексико — Колорадо, следуя, по-видимому, вдоль восточной границы Скалистых гор. Другой, более отчетливо выраженный сейсмический пояс протягивается параллельно указанной зоне вдоль западной границы блока Скалистых гор — плато Колорадо, где он примыкает к Провинции бассейнов и хребтов; в Вайоминге этот пояс пересекает Скалистые горы и в Монтане, вплоть до границы с Канадой, следует по восточной окраине Скалистых гор, а затем поворачивает, по-видимому, па запад, к побережью Тихого океана. На юге штата Айдахо, близ его границы с Ютой, наблюдается явное расщепление пояса: землетрясения прослеживаются как вдоль фронта Скалистых гор, так и вдоль западного склона батолита Айдахо; обе ветви поворачивают назад, к побережью Тихого океана, вновь сливаясь близ острова Ванкувер.
Вышеприведенное краткое описание указывает на четкую связь сейсмичности с некоторыми основными геологическими особенностями. В то нее время оно позволяет говорить об отсутствии постоянной системы связей между сейсмичностью и конкретными геологическими явлениями или тектоническими элементами. По-видимому, система крупных нарушений, выявленных на глубине сейсмическими методами, не связана с поверхностным тектоническим планом. Хотя сейсмичность ассоциирует и с Аппалачами, и со Скалистыми горами, в каждой из этих провинций пояса эпицентров пересекают простирания геологических структур. Даже в Калифорнии, где сейсмичность ассоциирует с крупной системой разрывов, положение эпицентров не ограничено разрывами, а частично подчиняется независимой поперечной системе [1, 8, 9].
Распространение сейсмической энергии
Конфигурация изосейст отдельных сильных землетрясений указывает на несимметричное затухание сейсмической энергии. Заметное неравенство передачи энергии через мантию в разные районы наблюдалось при подземном ядерном взрыве Гном. Херрин и Таггарт [4] показали, что поглощение энергии и время пробега в разных направлениях от места взрыва Гном взаимосвязаны: в районах с большими временами пробега (с низкой скоростью) происходит повышенное поглощение энергии, и наоборот. Эти соотношения рассмотрены в статье Херрина (см. стр. 198 настоящей работы). На фиг. 1, стр. 199, дана схема распределения скоростей в мантии под территорией США. Неожиданным на этой карте является то, что зоны градиентов скоростей пересекают системы Скалистых гор и Аппалачей, а не согласуются с их конфигурацией.
Ряд интересных особенностей обнаруживается при анализе изосейст Чарлстонского землетрясения 1886 г. (фиг. 3). Отчетливо заметная вытянутость изосейст в северо-западном направлении и их резкий изгиб на северо-востоке свидетельствуют о плохой передаче энергии по простиранию Аппалачей и о более свободной передаче ее в обе стороны от гор. Зона повышенной передачи энергии на западном склоне Аппалачей сопоставляется, по карте Херрина п Таггарта [4], с зоной высоких скоростей в мантии, пересекающей Огайо. Поразительно также совпадение зоны высоких скоростей в мантии с резко выраженным выпячиванием контура изосейст в штатах Миссури и Айова. (Ни одна из этих особенностей не видна на более современном варианте той же карты; см. фиг. 1 на стр. 199.)
Такое совпадение подтверждается еще более выразительным изгибом изосейст Квебекского землетрясения 1935 г. Таким образом, для восточной части США мы располагаем убедительными данными, указывающими, что на интенсивность землетрясений существенно влияет скорость в мантии.
В других областях рисунок изосейст также характеризуется тенденцией вытягиваться в направлениях, определяемых максимальными величинами мантийной скорости. В некоторых областях изосейсты совпадают с простиранием геологических структур, в других — пересекают их. Распространение энергии пе обнаруживает систематической корреляции и с сейсмичностью. Например, контур изосейст Оклахомского землетрясения 1952 г. ориентирован под прямым углом как к простираниям геологических структур, так и к той сейсмоактивной полосе, с которой связано, по-видимому, это землетрясение. Хорошо выраженное удлинение системы изосейст отмечается в асейсмичной области центрального Техаса на юге и Айовы на севере; оба эти района характеризуются высокими значениями мантийной скорости. При землетрясении 1931 г. на границе Мексики и Техаса наблюдалось отчетливое вытягивание изосейст в асейсмичиую область центрального Техаса с высокой мантийной скоростью. Такое «перехлестывание» контуров изосейст, отражающих поступление энергии по разным направлениям, на асейсмичные территории в участках, отличающихся высокой скоростью в мантии, убедительно доказывает значение мантийной скорости при определении интенсивности землетрясений на больших эпицентральпых расстояниях.
Глубина очагов
Распределение очагов землетрясений по глубине позволяет выделить две системы. Одна из них, вероятно, связана с зоной скалывания, погружающейся от Тихого океана (она приурочена к Алеутской дуге и желобу и Центральноамерикалскому желобу па широте Центральной Америки); другая, выше субстрата континента, очевидно, связана с глубинами, соответствующими разделу Мохоровичича. Преобладающие глубины очагов для разных сейсмоактивных площадей приведены в табл. 1.
Вопрос о том, почему землетрясения происходят на глубине границы Мохоровичича или вблизи лее, можно решить только в том случае, если предположить, что эта граница представляет собой зону полиморфных фазовых переходов. Землетрясения больших глубин свидетельствуют о том, что скорость накопления напряжений в этих районах больше, так как преимущественная тенденция к образованию разрывов, а не к пластическому течению, зависит от скорости накопления напряжений. Изучение строения земной коры США методом преломленных воли от искусственных взрывов, проведенное Буллардом [13], показало, что граница Мохо является также геохимической границей. По данным Булларда, имеется определенная зависимость между мощностью коры до раздела Мохоровичича и величиной мантийной скорости; колебания мощности коры, возможно, в общем зависят от степени развития базального слоя коры со значением скорости от 6,8 до 7,4 км/с. Там, где скорость в мантии равна 7,8—8,0 км/с, этот базальный слой с высокой скоростью обычно отсутствует, и кора является ненормально тонкой (относительно гипсометрии поверхности). Там, где мантийная скорость равна 8,2—8,4 км/с, базальный слой хорошо развит, и кора (относительно гипсометрии поверхности) характеризуется аномальной мощностью. Данные геологии и характер гравитационных аномалий показывают, что вариации в строении и составе коры сопровождаются вариациями ее средней плотности, приводящими к эпейрогеническим поднятиям и опусканиям. В случае мощной коры и хорошо развитого высокоскоростного базального слоя изостатические аномалии и аномалии в свободном воздухе преимущественно положительные. Там, где базальный слой недоразвит и кора тонкая (относительно гипсометрии поверхности), указанные аномалии отрицательные. Площади с мощной корой повышенной плотности обычно представляют собой участки опускания (бассейны); в местах с тонкой корой и пониженной плотностью, как правило, развиваются поднятия. Однако в районах глыбового строения наблюдаются обратные соотношения гравитационных аномалий со структурой и мощностью коры. Несмотря на это, в обоих случаях границы подвижных элементов земной коры представлены зонами флексур и вероятными сколами, т. е. потенциальными зонами высокой сейсмичности. Именно такую природу, по-видимому, имеет сейсмичность на периферии Иллинойсского бассейна, блока Скалистых гор — плато Колорадо и Адирондакского массива.