Землетрясение: типы, очаг, характеристики

СОДЕРЖАНИЕ 

       ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………………………….…..….………….3

1. Землетрясения…………………………………………………………………………………….………..4

2. ТИПЫ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ…………………………………………………………………………...………7

3. ОЧАГ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ……………………………………………………………………….………….10

4. ОСНОВНЫЕ  ПОНЯТИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ………………………………………….……….11
5. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СИЛЫ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ……………………………….……………………13
6. ГЕОГРАФИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ……………………………………………………………………….16
7. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ…………………………………………………..………17
8. ТРУДНОСТИ ПРОГНОЗА………………………………………………………………………….………22

      ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………….……..…………..24

      СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ……………………………….…………….25 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

                  Землетрясения – важная составная часть окружающей нас среды, и ни один район земного шара нельзя считать полностью от них избавленным. Сейсмологи работают во всех развитых, а также во многих развивающихся странах. Они интересуются, почему и как происходят землетрясения. Изучая волны, проходящие через Землю при землетрясениях, ученые воссоздают существенные детали ее внутреннего строения. Разработанные для такого изучения методы оказались полезными также при поисках нефти и других полезных ископаемых. В странах, где землетрясения происходят часто, возникают важные социальные и экономические проблемы, специальные задачи должны решать архитекторы и инженеры. Таким образом, сейсмология служит как практической деятельности человека,  так и познанию фундаментальных законов природы.

                   Сейсмология – это часть более  широкой науки  - геофизики, возникшей как пересечение и связующее звено двух более старых наук – геологии и физики. Геология в широком смысле слова занимается всесторонним изучением Земли, однако в настоящее время ее предметом, как правило, считают преимущественно описательное изучение происхождения и свойств горных пород  и содержащихся в них ископаемых, а также преобразований земной поверхности под воздействием высоких температур, давления, электричества и других сил. В сферу действия геофизики попадают, таким образом, разделы геологии, связанные с физическими измерениями и расчетами, и разделы физики, рассматривающие Землю и ее атмосферу. 
 
 
 
 
 
 
 

1. ЗеМЛЕТРЯСЕНИЯ

     Землетрясения — подземные толчки и колебания поверхности Земли, вызванные естественными причинами (главным образом тектоническими процессами) или искусственными процессами (взрывы, заполнение водохранилищ, обрушением подземных полостей горных выработок). Небольшие толчки могут вызывать также подъём лавы при вулканических извержениях.

     Ежегодно  на всей Земле происходит около миллиона землетрясений, но большинство из них  так незначительны, что они остаются незамеченными. Действительно сильные  землетрясения, способные вызвать  обширные разрушения, случаются на планете примерно раз в две недели. К счастью, большая их часть приходится на дно океанов, и поэтому не сопровождается катастрофическими последствиями (если землетрясение под океаном обходится без цунами).

     Землетрясения наиболее известны по тем опустошениям, которые они способны произвести. Разрушения зданий и сооружений вызываются колебаниями почвы или гигантскими приливными волнами (цунами), возникающими при сейсмических смещениях на морском дне.

     Причиной  землетрясения является быстрое  смещение участка земной коры как  целого в момент пластической (хрупкой) деформации упруго напряженных пород  в очаге землетрясения. Большинство  очагов землетрясений возникает близ поверхности Земли. Само смещение происходит под действием упругих сил в ходе процесса разрядки - уменьшения упругих деформаций в объёме всего участка плиты и смещения к положению равновесия. Землетрясение представляет собой быстрый (в геологических масштабах) переход потенциальной энергии, накопленной в упругодеформированных (сжимаемых, сдвигаемых или растягиваемых) горных породах земных недр, в энергию колебаний этих пород (сейсмические волны), в энергию изменения структуры пород в очаге землетрясения. Этот переход происходит в момент превышения предела прочности пород в очаге землетрясения.

     Предел  прочности пород земной коры превышается  в результате роста суммы сил, действующих на неё:

     1. Силы вязкого трения мантийных  конвекционных потоков о земную кору;

     2. Архимедовой силы, действующей на  легкую кору со стороны более  тяжелой пластичной мантии;

     3. Лунно-солнечных приливов;

     4. Изменяющегося атмосферного давления.

     Эти же силы приводят и к возрастанию  потенциальной энергии упругой  деформации пород в результате смещения плит под их действием. Плотность потенциальной энергии упругих деформаций под действием перечисленных сил нарастает практически во всем объёме плиты (по-разному в разных точках). В момент землетрясения, потенциальная энергия упругой деформации в очаге землетрясения быстро (почти мгновенно) снижается до минимальной остаточной (чуть ли не до нуля). Тогда как в окрестностях очага за счёт сдвига во время землетрясения плиты как целого упругие деформации несколько увеличиваются. Поэтому и случаются часто в окрестностях главного повторные землетрясения — афтершоки. Точно так же малые «предварительные» землетрясения — форшоки — могут спровоцировать большое в окрестностях первоначального малого землетрясения. Большое землетрясение (с большим сдвигом плиты) может вызвать последующие индуцированные землетрясения даже на удаленных краях плиты.

     Из  перечисленных сил первые две  намного больше 3-ей и 4-й, но скорость их изменения намного меньше, чем  скорость изменения приливных и  атмосферных сил. Поэтому точное время прихода землетрясения (год, день, минута) определяется изменением атмосферного давления и приливными силами. Тогда как гораздо большие, но медленно меняющиеся силы вязкого трения и Архимедовой силы задают время прихода землетрясения (с очагом в данной точке) с точностью до столетий и тысячелетий.

     Глубокофокусные землетрясения, очаги которых располагаются  на глубинах до 700 км от поверхности, происходят на конвергентных границах литосферных  плит и связаны с субдукцией.

     Сейсмические  волны, порождаемые землетрясениями, распространяются во все стороны от очага подобно звуковым волнам. Точка, в которой начинается подвижка пород, называется фокусом, очагом или гипоцентром, а точка на земной поверхности над очагом — эпицентром землетрясения. Ударные волны распространяются во все стороны от очага, по мере удаления от него их интенсивность уменьшается.

     Скорости  сейсмических волн могут достигать 8 км/с. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2. ТИПЫ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

     Существуют  три типа землетрясений: обвальные, вулканические и тектонические.

     С древних времен вплоть до конца XIX в. полагали, что землетрясения происходят при обвалах в подземных пустотах, причем долгое время считалось, что обвалы вызываются ветрами, бушующими в этих пустотах. Современная наука отвергает такую точку зрения. Обвальные землетрясения действительно существуют, но они очень редки и очень слабые, происходят у самой поверхности земли в тех местах, где имеются пещеры.

     Более частыми и более опасными являются вулканические землетрясения. Они  начинаются на километровых глубинах и сопутствуют переходу магмы из твердого состояния в жидкое. Особый вид вулканических землетрясений связан со взрывами, вулкана.

     Основную  группу землетрясений составляют тектонические  землетрясения.

     Внешняя оболочка Земли – литосфера. Этот слой довольно тонок и покрывает Землю на толщину около 70км. под океанами и около 150км. на континентах. Этот твердый слой, однако, не целый: он разбит на несколько больших кусков, называемые плитами. На приведенной ниже карте видно эти плиты, размеры которых варьируются от сотен до нескольких тысяч километров.

     Под литосферой действуют силы, принуждающие плиты перемещаться со скоростью, как  правило, нескольких сантиметров в  год. Причина этих сил не вполне ясна. Они могут быть вызваны, например, медленными течениями горячего пластичного вещества в недрах.

     Течения возникают в результате тепловой конвекции 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 (подвига), где одна плита при встречи заталкивается под другую (плита Наска отклоняется вниз и пододвигается под Южно- Американскую плиту) по мере того как в срединно-океанических хребтах из мантии образуется новая кора, старая возвращается в мантию в зонах субдукции. В некотором смысле вся Земля проходит через этот цикл. Основные зоны суддукции расположены вдоль Алеутских островов, возле Японии, на западе Тихого океана (вблизи Филиппинских островов), в Индонезии, в океане у западных берегов Южной и Центральной Америки и в Персидском заливе.

     Когда одна плита пододвигается под другую, вдоль наклонной поверхности контакта плиты с окружающим материалом, называемой зоной Беньоффа, происходит землетрясение (эта зона название по имени Хьюго Беньоффа, сейсмолога из Калифорнийского технологического института). 

     Некоторые землетрясения при этом происходят и на большой глубине; самые глубокие из них заходят далеко в глубь континента, поскольку океаническая плита пододвигается под континентальную. В зонах субдукции землетрясения происходят на глубинах до 700км.

     Другим  проявлением процесса субдукции  являются глубоководные желоба. Максимальная глубина Перуанско-Чилийского желоба достигает 8063м. ниже уровня моря на расстоянии всего около 100км. от берега. В процессе субдукции образовались и другие желоба – Алеутский, Японский, Яванский, Центральноамериканский и некоторые другие, в основном вдоль границы Тихоокеанской плиты.

     Цепи  вулканов также типичны для зон  субдукции. Когда одна плита пододвигается  под другую, она стремится смять  и приподнять вышележащую плиту. Это ведет к образованию горных цепей и вулканов. И иногда вулканы возникают внутри континента, как в Андах, а иногда они образуют цепи островов, как на Алеутских островах и в других местах на западе Тихого океана.

     Время от времени в мире случается и землетрясения во внутренних частях плит – так называемые внутриплитовые землетрясения. Вероятнее всего, они возникают из-за развития деформаций в плитах, вызванного давлением на краях. Например, территория Китая сдавливается в двух направлениях: с востока – Тихоокеанской плитой, с юга – Индо-Австралийской.

     3. ОЧАГ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ

     В очаге землетрясения происходит разрыв подземных пород. В данном случае геологи используют специальный термин – разлом. Разлом возникает, когда породы по оби стороны от разрыва смещаются относительно друг друга настолько, что нарушается соответствие слоев.

     Разлом  может образоваться под действием  различных механических усилий –  растяжения, сжатия, сдвига. Соответственно различают три основных типа геологических разломов. Растягивающиеся усилия могут привести к тому, что некоторый объем породы соскользнет вниз – возникнет разлом, называемый нормальным сбросом. При сжатии часть породы может быть «выдавлена» вверх, такой разлом называют обращенным сбросом. Возможно, также перемещение одного объема породы относительно другого при наличии сдвигающих усилий; в этом случае говорят о поперечном сбросе. Все три типа сбросов поясняют рисунки ниже.

     4. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ХАРАКТЕРИСТИКИ

     Место в земной коре или в верхней мантии, где произошло смещение масс, вызвавшее упругие волны в теле Земли, называется гипоцентром (очагом, фокусом) землетрясения. Волны от гипоцентра распространяются, постепенно затухая, во все стороны. Скорее всего, волны достигают поверхности Земли в области, лежащей над гипоцентром, так как здесь они направлены вертикально к поверхности Земли. Область поверхности Земли, где наблюдаются вертикальные удары, называются эпицентром. 

     Среди упругих волн, возникающих в гипоцентре, различают продольные P (primae – первый) и поперечные S (secunde – вторые) волны. Продольные волны – упругая реакция среды на изменение объема при сжатии и растяжении. Частицы среды смещаются по направлению движения волны. Поперечные волны – результат реакции среды на изменение формы при изгибе. Следовательно, упругое возбуждение распространяется не только вдоль образующего смещения, но и перпендикулярно к нему. Для поперечных волн характерно колебания частиц в направлении, поперечном направлению фронта продольной волны. Скорость продольных волн в пределах земной коры 3,5 – 6,5 км/с, поперечных до 4,5 км/с.

     На  поверхности Земли, в эпицентре, на границе раздела твердой среды  с газообразной возникает третий вид волн – поверхностные, или  длинные (волны Релея и Леви), обозначаемые буквой L. Колебания этих волн имеют направление, поперечное к линии удара, но расходятся во все стороны только по самому верхнему слою земной, поперечное к линии удара, но расходятся во все стороны только по самому верхнему слою земной коры. Амплитуда их больше, чем других; скорость 3-3,5 км/с. Они вызывают волнообразные деформации почвы. Поверхностные волны быстро затухают. Продольные и поперечные волны, распространяясь от гипоцентра во все стороны, при сильных землетрясениях могут обойти вокруг земного шара. Продольные волны, идущие в разных направлениях, встречаются в противоположном полушарии. Место встречи носит название антиэпицентр.

     Для изучения землетрясений и их распространения  большое значение имело создание сейсмографа – прибора, регистрирующего интенсивность сейсмических колебаний на подвижной ленте, двигающейся с определенной скоростью. По мере усиления интенсивности колебаний возрастает амплитуда вычерчиваемых на ленте отклонений. Запись на ленте называется сейсмограммой.

     5. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СИЛЫ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

     Для определения силы (интенсивности) землетрясений  между собой в разных странах  были разработаны сейсмические шкалы (шести, десяти, двенадцатибалльные и  др.). Каждый балл условно выражается цифрой, которой соответствуют определенные качественные показатели разрушений построек, почвы и психологических переживаний людей, которые наблюдались при данной силе землетрясения.

     Первый  балл шкалы соответствует самому слабому землетрясению; последний  – самому сильному. В 1963-1964гг. С. В. Медведев (СССР), В. Шпонхойер (ГДР) и В. Карник (Чехословакия) разработали проект двенадцатибалльной сейсмической шкалы, которая известна под названием шкалы MSK – 1964. Сила землетрясения с помощью шкалы MSK – 1964 оценивается по показателям:

     1) по повреждению различных типов  сооружений;

     2) по ощущению людей, звону оконных  стекол, посуды, по степени покачивания  подвешенных предметов;

     3) по остаточным явлениям грунта, изменению режима грунтовых и  поверхностных вод. 

     При изучении землетрясения важно определить его интенсивность в точках, находящихся на разном расстоянии от эпицентра. Для этого производится обследование плейстосейстовой области (часть земной поверхности, на которую распространилось землетрясение). Пункты с равной интенсивностью землетрясения соединяются плавной, чаще всего замкнутой кривой – изосейстой.

     Округлость  изосейст и равномерность их расположения дает возможность предположить более  однородный состав и строение пород  в зоне землетрясения. Относительное  расположение (густота) изосейст указывает  на глубину очага землетрясения. Чем теснее размещены изосейсты, тем глубина очага меньше. Такая закономерность связана с тем, что при неглубоком залегании очага интенсивность землетрясения при удалении от эпицентра быстро падает, а при глубоком расположении очага изменения в интенсивности проявления землетрясения растягивается на большее расстояние.

     При землетрясениях высвобождается огромная энергия. Чтобы определить количество энергии, излучаемой из данного очага, необходимо измерить на поверхности  Земли энергию, приходящуюся на единицу площади, учесть поглощение энергии в пути и энергию ушедшую во всех направлениях. Определение эти чрезвычайно сложны, и поэтому сейсмологи применяют условную энергетическую характеристику землетрясений, называемую магнитудой М или мощностью землетрясений. Для удобства магнитуда выражается не амплитудой, а ее десятичным логарифмом, поэтому самые слабые землетрясения в этой шкале имеют М = О, самые сильные - около 8,5. Шкалы значений магнитуд называют также шкалой Риктера.

     6. ГЕОГРАФИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

     Исторические  сведения и результаты маниторинга  сейсмических событий на земном шаре на протяжении второй половины ХХ в. дают основание выделить области, подверженные наиболее мощным и частым землетрясениям. Они преимущественно приурочены к двум глобальным активным, характеризующимся молодыми и проявлениями современного вулканизма, поясами.

     Первый  – Средиземноморско-Гималайский  пояс протягивается от Средиземного региона на восток через Карпаты, горы Малой Азии, Кавказ, Гиндукуш, Гималаи  до островов Индонезии. Второй – Тихоокеанский  – включает тихоокеанские побережья  Северной и Южной Америки, Новую Зеландию, Филиппины, Японию, Курильские острова и Камчатку. Более 80% всех землетрясений приходится на тихоокеанский пояс.

     К сейсмическим областям также относятся  континентальные рифы Восточной  Африки и Байкала, поднятия Тянь-Шаня и Памира, а в системе Мирового океана – срединно-океанские хребты и глубоководные желоба Тихого океана. В некоторых местах сейсмические явления на суши и океаническом дне обусловлены общим геотектоническим процессом, как это имеет место в зоне островных дуг и глубоководных желобов восточноазиатской окраины Тихого океана.

     7. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

         Заинтересованность правительственных учреждений в прогнозе землетрясений исключительно велика – тысячи человеческих жизней могут быть спасены, если предсказания окажутся точными. Целые города могут эвакуированы зря, если оно окажется ложным. Из-за многих неопределенностей, связанных с землетрясениями удачное их предсказание бывает весьма редким. Тем не менее возможность точного предсказания настолько заманчива, что сегодня сотни ученых, в основном в США, Японии, Китае и России, заняты исследованиями по прогнозу землетрясений.

          В качестве возможной основы прогноза принят целый ряд признаков. Наиболее важны и надежны из них следующие:

1. статистические методы,
2. выделение сейсмически активных зон, которые долго не испытывали землетрясения,
3. изучение быстрых смещений земной коры,
4. исследование изменений соотношений скорости продольных и поперечных волн,
5. изменения магнитного поля и электропроводности горных пород,
6. изменения в составе газов, поступающих из глубин,
7. регистрация предваряющих толчков «форшоков»,
8. исследование распределения очагов во времени и пространстве.

         Статистические методы просты. Они основаны на анализе сейсмологической истории района: данных о числе, размерах и частоте повторения землетрясений. Предполагая, что сейсмичность района не меняется с течением времени, можно по этим данным оценить вероятность будущих землетрясений. Чем длиннее период времени, за который имеем сведения о землетрясениях, тем точнее будет прогноз.

В Калифорнии сведения о землетрясениях собраны  примерно за 200 лет, а в Китае имеются  данные более чем за 2000 лет.

         Статистическое изучение сейсмического режима позволило ввести понятия сейсмического цикла и так называемых зон затишья – зон в сейсмически активных районах, где в течение длительного времени наблюдается слабая сейсмическая активность. Средняя длительность сейсмического цикла равна примерно 140 годам – время между сильнейшими сейсмическими событиями в одном месте. Зоны  затишья – места накопления максимальной упругой энергии, где возможно ожидать сильное землетрясение. Это явилось основой долгосрочного сейсмического прогноза..

         Если известна частота, с которой землетрясения происходили в прошлом, можно сделать обобщенный статистический вывод о вероятности землетрясения в будущем.

         Статистические прогнозы не помогают  предсказать конкретное место  и конкретное время землетрясения.  Таким образом, они не очень  полезны с точки зрения предварительных мероприятий по безопасности. С другой стороны они имеют огромное значение для инженеров, которые должны проектировать сооружения со сроком существования 50-100 лет.

         Принцип другого метода – выделение сейсмически активных зон без землетрясений – логичен. В его основе определение в сейсмически активных зонах участков, где долго не было толчков и где, следовательно, долго не происходило разрядки энергии. Именно там можно ожидать катастрофическое землетрясение. Этот метод правилен и проверен, однако для точного прогноза не представляет. Он не позволяет назвать ни день, ни неделю, ни месяц,  когда произойдет событие. Но это не означает, что такого рода исследования не имеют значения: это обеспечит в угрожаемых местах своевременную подготовку и должно учитываться во всех нормативах при возведении зданий и промышленных объектов.

         О готовящемся землетрясении может свидетельствовать и увеличение скорости движения земной коры. Этот метод исследований используется в России, Японии, Соединенных Штатах Америки. Перед некоторыми землетрясениями земная поверхность быстро поднималась (быстро в геологическом смысле, со скоростью несколько миллиметров в год), затем движения прекращались, и происходило разрушительное землетрясение.

        Много внимания уделяют методу исследования соотношения скорости продольных и поперечных волн. Скорость сейсмических волн зависит от напряженного состояния горных пород, через которые волны распространяются, а также от содержания воды и других физических характеристик пород. В той степени, в какой изменения этих физических характеристик являются предвестниками землетрясений, можно рассматривать в качестве предвестников и скорости сейсмических волн. Скорости волн измеряются с помощью небольших взрывов в скважинах; при этом возбуждаются сейсмические волны, которые записываются близлежащими станциями. Продольные волны распространяются со скоростью приблизительно в 1,75 раза больше, чем поперечные. Перед землетрясением скорость продольных волн уменьшается, и это соотношение выражается цифрой 1,5. Подобное явление отмечается за несколько месяцев до сейсмического события. Непосредственно перед  землетрясением указанное соотношение возвращается к «правильной цифре». Этот метод проверен экспериментально.

         Перед отдельными землетрясениями повышается напряженность магнитного поля и электропроводимость пород.  Земное магнитное поле может испытывать локальные изменения из-за деформации горных пород и движений земной коры. С целью изменения малых вариаций магнитного поля были разработаны  специальные магнитометры. Такие изменения наблюдались перед землетрясениями в большинстве районов, где были установлены магнитометры. Измерения  электропроводимости пород проводятся с помощью электродов, помещаемых в почву на расстоянии нескольких километров друг от друга. При этом измеряется электрическое сопротивление толщи земли между ними. Электропроводность обеспечивается главным образом присутствием воды. Следовательно, сопротивление меняется, когда изменяется содержание воды.