Землетрясения - очаг, эпицентр, волны. Виды землетрясений

Введение

     Немногие  из грозных явлений природы могут  сравниваться по разрушительной силе и опасности с землетрясениями. Их летопись насчитывает миллионы жертв, сотни погибших городов. Каждый человек, живущий на Земле, привык считать  земную твердь чем-то прочным и надежным. Когда же она начинает сотрясаться, взрываться, оседать, ускользать из-под ног, человека охватывает ужас. Глагол "трястись" абсолютно точно описывает происходящее с земной поверхностью во время землетрясения: она вздымается, колеблется, вибрирует и даже раскалывается. Эти движения продолжаются несколько секунд, самое большое несколько минут, но тем не менее они могут повлечь за собой катастрофические последствия.

     Землетрясение - это всякое колебание земной поверхности, вызванное естественными причинами, среди которых основное значение принадлежит тектоническим процессам (перемещения масс внутри Земли). Это распространенное явление, наблюдаемое на многих участках материков и на дне океанов.

     За  год на Земле происходит несколько  сотен тысяч землетрясений, т.е. в среднем 1-2 в минуту. Сила их различна; большинство улавливается только высокочувствительными приборами - сейсмографами, другие ощущаются человеком.

     Землетрясения можно подразделить на эндогенные (связанные  с глубинными процессами) и экзогенные. Эндогенные бывают вулканические (вызванные процессом извержения) и тектонические (обусловленные перемещением вещества в недрах Земли). Экзогенные землетрясения случаются при подземных обвалах, взрывах газов, обвалах скал, ударах метеоритов, падения воды с большой высоты и др.

     В глубинах Земли постоянно накапливаются  упругие напряжения, и в тот  момент, когда они достигают предела  прочности горных пород, в последних  возникает разрыв, потенциальная  энергия переходит в кинетическую, напряжение снимается, а энергия в форме упругих волн распространяется во все стороны от разрыва (очага землетрясения), достигает поверхности Земли и там ощущается в форме подземного толчка или колебаний почвы. Таким образом, каждое землетрясение сопровождается освобождением упругой энергии.

     Наблюдения  за землетрясениями ведутся с  древнейших времен. Детальные исторические описания, надежно свидетельствующие  о землетрясениях с сер. 1 тыс. до н. э., даны японцами. Большое внимание сейсмичности уделяли и античные ученые — Аристотель и др. Систематические инструментальные наблюдения, начатые во 2-ой пол. 19 в., привели к выделению сейсмологии в самостоятельную науку (Б. Б. Голицын, Э. Вихерт, Б. Гутенберг, А. Мохоровичич, Ф. Омори и др.).

     Изучением землетрясений занимается сейсмология. Сейсмические волны, возникающие при землетрясениях, используются также для изучения внутреннего строения Земли, достижения в этой области послужили основой для развития методов сейсмической разведки. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1. Землетрясение – его очаг, эпицентр, волны.

     Ежегодно  сейсмологи регистрируют примерно 500 тысяч  землетрясений различной силы. Из них 100 тысяч ощущаются людьми и 1000 причиняют ущерб.

     Любое землетрясение - это мгновенное высвобождение  энергии за счет образования разрыва  горных пород, возникающего в некотором объеме, называемом очагом землетрясения, границы которого не могут быть определены достаточно строго и зависят от структуры и напряженно-деформированного состояния горных пород в данном конкретном месте.

     К числу наиболее часто употребляемых сейсмологический терминов, связанных с понятием “землетрясение”, можно отнести следующие: очаг, гипоцентр, эпицентр, магнитуда, балл.

     Глубинный центр, или очаг землетрясения, называется гипоцентром (в плане округлая или овальная площадь). Область, расположенная на поверхности Земли над гипоцентром, называется эпицентром. Она характеризуется максимальными разрушениями, причем многие предметы здесь смещаются вертикально (подпрыгивают) и трещины в домах располагаются вертикально. Область над очагом называется плейстосейстовой областью.

     Очаги землетрясений располагаются на глубинах до 700 км, но большая часть (3/4) сейсмической энергии выделяется в очагах, находящихся на глубине  до 70 км. Размер очага катастрофических землетрясений может достигать 100x1000 км.

     Важным  понятием в сейсмологии является удельная сейсмическая мощность, то есть количество энергии, выделившейся в  единице объема, например в 1 м3, за единицу  времени 1 с. Сейсмические волны, образующиеся при мгновенной деформации в очагах землетрясений, производят основную разрушающую работу на поверхности Земли.

     При смещении блоков земной коры возникает несколько  типов волн.

     Продольные  волны (Р) - волны сжатия и разрежения среды, следующие попеременно одна за другой со скоростью (в твердых породах) порядка нескольких километров в секунду. Продольные волны - реакция среды на изменение объема; они распространяются с твердых, жидких и газообразных средах. Частицы вещества колеблются в направлении движения волн, т.е. во все стороны от источника колебаний.

     Поперечные  волны (S) - результат реакции среды на изменение формы, следовательно, они не могут распространяться в жидких и газообразных средах. Частицы вещества колеблются в направлении, поперечном к направлению движения волн.

     Поверхностные волны, или волны Релея (L) - возникают в особых условиях, именно на границе раздела двух сред, различных по своему агрегатному состоянию (жидкость-газ, твердое тело-газ и т.д.) под воздействием колебаний, приходящих от очага землетрясения к этой границе. Отличаются наименьшей по сравнению с Р и S скоростью распространения (VL=0,9 VS) и быстро затухают, но в эпицентре могут привести к большим повреждениям. В жидкости вызываются силами веса (под действием ветра и т.п.), в твердой среде - упругими силами.

     Землетрясение обычно происходит не в результате единовременного акта на глубине, а вследствие какого-то длительно развивающегося процесса движения материи во внутренних частях земного шара. Обычно перед начальным крупным толчком регистрируются форшоки (предшествующие землетрясения), затем следует цепь более мелких толчков (афтершоков). Время их проявления составляет период землетрясения. Все толчки одного периода исходят из общего гипоцентра, который иногда в процессе развития может смещаться, а вместе с ним и эпицентр.

     Основное  различие между сильным и слабым землетрясением заключается не в  величине напряжения (она постоянна  и равна примерно 103 эрг/см3), а в объеме очага.

     Эпицентры землетрясений расположены по поверхности  земного шара закономерно. Основная масса землетрясений (около 90%) располагаются в двух узких сейсмических поясах, окаймляющих земной шар.

     Тихоокеанский пояс протягивается вдоль восточного побережья Азии, к северу и востоку  от Австралии, вдоль западного побережья  Америки (68% всех землетрясений, особенно в Японии и на Филиппинах). Средиземноморский пояс охватывает острова Зеленого Мыса - Португалию - Средиземное и Черное моря - Малую Азию - Гималаи - Индонезию с боковой ветвью в сторону Центрального Китая. С этим поясом связан 21% землетрясений. В России основными сейсмическими районами являются Кавказ, район Байкала, Камчатка, Курильские острова.

     За  пределами указанных двух поясов за последние 100 лет совершилось  не более 11% всех землетрясений. Очаги  землетрясений есть и в средней  части Атлантического океана - от Шпицбергена через Исландию до о-ва Буве в южной части Атлантического океана. Небольшие пояса - от р. Нил через область Великих озер Африки; вдоль Урала и др.

     Как правило, землетрясения происходят в областях наиболее резкого колебания  высот рельефа, т.е. там, где горы чередуются со впадинами. Области же больших равнин (Восточно-Европейской, Западно-Сибирской и др.) являются асейсмичными. Это объясняется тектонически. Участки с расчлененным рельефом связаны со значительными проявлениями тектонических напряжений, а равнины относятся к платформам, т.е. устойчивым областям. Области проявления землетрясений в основном совпадают с областями вулканизма. Замечено, что в одних случаях землетрясения как бы оживляли вулканическую деятельность, а в других - извержения вулканов прекращались после землетрясения. Например, после Лиссабонского землетрясения перестал действовать Везувий. Все это свидетельствует об их связи, общности процессов движения вещества в подкоровом слое.

     На  Земле в год происходит примерно одно катастрофическое землетрясение, около 100 разрушительных и около 1 млн. ощутимых в населенной местности (по Б.Гутенбергу и Ч.Рихтеру).

     Причины землетрясений окончательно не ясны. Землетрясения зарождаются в  различных частях земной коры и в  подкоровом слое, в условиях твердой среды. Большинство ученых считает, что причины землетрясений - смещения на глубине в веществе Земли, связанные или с моментальным сдвигом, со скольжением, или с кручением вещества. Это доказывается тем, что гипоцентры землетрясений расположены вдоль плоскостей ранее существовавших разрывов земной коры (разлом Сан-Андреас, зона на юге Крыма и др.). Вдоль берегов Охотского моря также имеется такая зона. Плоскости этих разломов обычно наклонены в сторону суши. Области суши по ним движутся в сторону моря. Эти движения вызывают напряжения, с которыми связываются повторные разрывы, которые и вызывают землетрясения.

     Гипотеза  разрывного происхождения землетрясений  доказывается тем, что в целом  ряде землетрясений поперечные волны, образующиеся при сдвигах, оказываются более интенсивными, чем волны продольные. В случае простого сжатия и растяжения вещества без разрыва продольные волны были бы более сильными.

     Выяснению причин землетрясений способствует анализ сейсмограмм. Разрабатываемая  аппаратура позволяет раздельно изучать продольные и поперечные волны, что очень важно.

1. Виды  землетрясений.

     Тектонические землетрясения

     Большая часть всех известных землетрясений  относится к этому типу. Они  связаны с процессами горообразования  и движениями в разломах литосферных плит. Верхнюю часть земной коры составляют около десятка огромных блоков - тектонических плит, перемещающихся под воздействием конвекционных течений в верхней мантии. Одни плиты двигаются навстречу друг другу (например, в районе Красного моря). Другие плиты расходятся в стороны, третьи скользят друг относительно друга в противоположных направлениях.

     Горные  породы обладают определенной эластичностью, а в местах тектонических разломов - границ плит, где действуют силы сжатия или растяжения, постепенно могут накапливать тектонические напряжения. Напряжения растут до тех пор, пока не превысят предела прочности самих пород. Тогда пласты горных пород разрушаются и резко смещаются, излучая сейсмические волны. Такое резкое смещение пород называется подвижкой.

     Вертикальные  подвижки приводят к резкому опусканию  или поднятию пород. Обычно смещение составляет лишь несколько сантиметров, но энергия выделяемая при движениях  горных масс весом в миллиарды  тонн, даже на малое расстояние, огромна. На дневной поверхности образуются тектонические трещины. По их бортам происходят смещения относительно друг друга обширных участков земной поверхности, перенося вместе с собой и находящиеся на их поля, сооружения и многое другое. Эти перемещения можно увидеть невооруженным глазом, и тогда связь землетрясения с тектоническим разрывом в недрах земли очевидна.

     Значительная  часть землетрясений происходит под морским дном, практически  также как и на суше. Некоторые  из них сопровождаются цунами, а  сейсмические волны, достигая берегов, вызывают сильные разрушения.

     Глубокофокусные землетрясения

     Большинство землетрясений происходит на глубине  до 70 километров от поверхности Земли, меньше до 200 километров. Иногда очаги  землетрясения регистрируются и  на большой глубине - более 700 километров. Максимальная глубина гипоцентров - 720 километров зарегистрирована на территории Индонезии в 1933, 1934 и 1943 годах.

     По  современным представлениям о внутреннем строении Земли на таких глубинах вещество мантии под действием тепла  и давления переходит из хрупкого состояния, при котором оно способно разрушаться, в тягучее, пластическое. Везде, где глубокие землетрясения случаются достаточно часто, они "вырисовывают" условную наклонную плоскость, названную по именам японского и американского сейсмологов зоной Вадати - Беньеффа. Она начинается вблизи земной поверхности и уходит в земные недра, до глубин порядка 700 километров. Зоны Вадати - Беньеффа приурочены к местам, где сталкиваются тектонические плиты - одна плита подвигается под другую и погружается в мантию. Зона глубоких землетрясений как раз и связана с такой опускающейся плитой. Изучение глубокофокусных землетрясений, неопасных для человека, представляет большой научный интерес - оно позволяет "заглянуть" в машину геологических процессов, понять природу постоянно происходящей в недрах Земли трансформации материи и вулканических явлений. Так, после анализа сейсмических волн от глубокофокусного землетрясения в Индонезии 1996 года сейсмологами Северо-западного Университета США и французской Комиссии по ядерной энергии было доказано, что ядро Земли является твердым шаром из железа и никеля с диаметром в 2400 километров.

     Вулканические землетрясения

     Одно  из самых интересных и загадочных образований на планете - вулканы  известны как места возникновения слабых и сильных землетрясений. Раскаленные газы и лава, бурлящие в недрах вулканических гор толкают и давят на верхние слои Земли, как пары кипящей воды на крышку чайника. Эти движения вещества приводят к сериям мелких землетрясений - вулканическому тремеру (вулканическое дрожание). Подготовка и извержению вулкана и его длительность может происходить в течение лет и столетий. Вулканическая деятельность сопровождается целым рядом природных явлений, в том числе взрывами огромных количеств пара и газов, что сопровождается сейсмическими и акустическими колебаниями. Движение высокотемпературной магмы в недрах вулкана, сопровождается растрескиванием горных пород, что в свою очередь также вызывает сейсмическое и акустическое излучение.

     Вулканы делятся на действующие, уснувшие и потухшие. К потухшим относятся вулканы, которые сохранили свою форму, но сведений об извержениях которых просто нет. Однако и под ними происходят локальные землетрясения, свидетельствуя что в любой момент, и они могут проснуться.

     Проявления  вулканических землетрясений почти  ничем не отличается от явлений, наблюдаемых  при тектонических землетрясений, однако их масштаб и "дальнобойность" значительно меньше.

Техногенные - антропогенные землетрясения

     Эти землетрясения связаны с воздействием человека на природу. Проводя подземные ядерные взрывы, закачивая в недра или извлекая оттуда большое количество воды, нефти или газа, создавая крупные водохранилища, которые своим весом давят на земные недра, человек, сам того не желая, может вызвать подземные удары.

     Слабые  и даже более сильные "наведенные" землетрясения могут вызывать крупные  водохранилища. Накопление огромной массы  воды приводит к изменению гидростатического  давления в породах, снижению сил  трения на контактах земных блоков. Вероятность проявления наведенной сейсмичности возрастает с увеличением высоты плотины.

     При неблагоприятном сочетании техногенных  факторов, и особенностей природного деформационного процесса возрастает вероятность возникновения техногенных  землетрясений, а также значительных смещений земной поверхности, способных привести к аварийным катастрофическим ситуациям. Таким как разрывы продуктопроводов, выход из строя эксплуатационных скважин, разрушения жилых и производственных строений, коммуникаций. Колоссальный экологический ущерб от подобных аварий отодвигает на второй план ущерб экономический.

     Обвальные землетрясения (из книги "Вот  пришло землетрясение")

     На  юго-западе территории Германии и других местностях, богатых известковыми породами, люди иногда ощущают слабые колебания почвы. Они происходят из-за того, что под землей существуют пещеры. Из-за вымывания известковых пород подземными водами образуются карсты, более тяжелые породы давят на образующиеся пустоты и они иногда обрушаются, вызывая землетрясения. В некоторых случаях, за первым ударом следует другой или несколько ударов с промежутком в несколько дней. Это объясняется тем, что первое сотрясение провоцирует обвал горной породы в других ослабленных местах. Подобные землетрясения называют еще - денудационными.

     Сейсмические  колебания могут возникать при  обвалах на склонах гор, провалах и просадках грунтов. Хотя они  носят локальный характер, но могут  привести и к большим неприятностям. Сами по себе обвалы, сходы лавин, обрушение  кровли пустот в недрах могут подготавливаться и возникать под воздействием различных, достаточно естественных факторов.

     Обычно  это следствие недостаточного отвода воды, вызывающее размывание оснований  различных построек, или проведение земляных работ с использованием вибраций, взрывов, в результате которых образуются пустоты, изменяется плотность окружающих пород и другое. Сотрясения земли могут быть вызваны обвалами и большими оползнями несвязанными с тектоническими землетрясениями. Обрушение в силу потери устойчивости горных склонов громадных масс породы, сход снежных лавин также сопровождаются сейсмическими колебаниями, которые обычно далеко не распространяются.

       В 1974 году со склона хребта  Викунаек в Перуанских Андах  в долину реки Мантаро с  высоты почти два километра  обрушилось вниз почти полтора миллиарда кубометров горных пород, похоронив под собою 400 человек. Оползень с невероятной силой ударил по дну и противоположному склону долины, сейсмические волны от этого удара были зарегистрированы на удалении почти в три тысячи километров. Сейсмическая энергия удара составила эквивалент землетрясения с магнитудой более пяти по шкале Рихтера. На территории России подобные землетрясения неоднократно происходили в Архангельске, Вельске, Шенкурске и других местах.

     Горные  удары

     Внезапные выбросы угля и газа, горные удары сопровождают работы по подземной добыче полезных ископаемых. Вообще добывание природных богатств из недр - самое древнее занятие человека. Однако оно было всегда сопряжено с опасностями. Внезапный обвал шахты, выбросы породы были неожиданны и губительны. Шахтеры давно заметили, что перед ними слышаться посторонние звуки - треск, хлопки и резкие удары. Они возникают от возникающей в горной породе под давлением пород трещины.

     При проникновении шахты в недра, разработке залежей ископаемых возникают пустоты. Это ведет к изменению поля напряжений в пласте горных пород, соответственно к новому распределению нагрузки, которая частично компенсируется специальным крепежом в шахтах. Однако не всегда можно добиться полной безопасности проходки и перераспределения нагрузки. Тогда и происходят внезапные выбросы породы и обвалы шахт, сопровождаемые микроземлетрясениями. Эти своеобразные горные землетрясения, также сопровождаются сейсмическими и акустическими колебаниями, но как правило, в пределах небольшого объема горных пород.

     Не  проходит и года, что бы информационные агентства не сообщали о внезапных  авариях в шахтах, при которых  погибли люди. В 60-х годах прошлого столетия только в Донбассе почти  на каждом втором угольном пласте происходило по одному - два внезапных выброса. Одни происходят на шахтах в Германии, Великобритании, Польше, России, Японии и других стран.

     Мегалоземлетрясения

     Эти, достаточно редкие, почти планетарного масштаба события - фавориты в череде тектонических землетрясений. По шкале Рихтера их магнитуда более 8.5. Сегодня, для их классификации используется специальная энергетическая шкала японского ученого Канамори. Их энергии оказывается достаточной, что бы так "раскачать" земной шар, что чувствительной сейсмометрической аппаратурой и наклономерами начинают регистрироваться собственные колебания Земли, длящиеся десятки дней. Этих землетрясений происходит немного, но ими на масштабе сотен лет контролируется сейсмическая машина планеты.

     В прошлом столетии сильнейшие Чилийское 1960 года и Аляскинское 1964 года и другие землетрясения сотрясли нашу планету. Их эпицентры находились на морском дне, где сила - интенсивность их воздействия достигала XII баллов. Зачастую, так происходило в глубокой древности и на суше - многие известные горные озера и русла рек образовались "благодаря" подобным землетрясениям.

     В Азербайджане озеро Гек-Голь - жемчужина  всех озер, по красоте не имеющее  себе равных появилось после сильного землетрясения на Кавказе много  лет назад. А во время описанного выше крупнейшего на Земле оползня-обвала образовалось озеро Сеймерре в Иране. В обширном регионе, при Чилийском землетрясении, многочисленные обвалы и оползни привели в движение массу горной породы объемом в сотни миллионов кубических метров. Только в районе озера Риниту пять миллионов кубометров горной породы переместилось почти на километр по долине реки Сан-Педро.

     При землетрясении 1958 года - дно заливов Криллон и Джильберт на Аляске резко сдвинулось по тектоническому разлому на 6.4 метра и приподнялось более чем на шесть метров. Несколько часов спустя вниз обрушилось более 36 миллионов кубометров горных пород. При землетрясении 1964 года возник грандиозный оползень Шерман, во время которого обрушилось вниз на одноименный ледник 30 миллионов кубометров горной породы.

     Разрушительные-катастрофические.

     Такими  землетрясениями независимо от их природы  издавна называют те, при которых  рушатся города и погибают люди. Колебания от них могут ощущаться за тысячи километров от их эпицентров. Разрушительные землетрясения происходят не часто, однако по степени ущерба от них они более заметны в сообщениях средств массовой информации, показах телевидения, Интернет новостях и других источниках информации. О них еще пойдет речь ниже, однако, по статистике землетрясения начиная с магнитуды 6 по шкале Рихтера, при глубине положения очага в 5 - 15 километров может оказаться катастрофическим по последствиям, если оно возникло вблизи от города или ответственного сооружения.

     В целом прослеживается общая закономерность - чем сильнее землетрясение, тем  больше человеческие жертвы и ущерб. Однако это далеко не всегда так, здесь  вступает в силу уже случайные  факторы - плотность населения и степень освоения территории и даже сезон года, погодные условия в зоне максимальных сотрясений. К вторичным, а иногда основным поражающим факторам относятся лавины, обвалы, цунами, сели. Возможны большие человеческие жертвы, когда оползень ударяет в чашу водохранилища - вода перехлестывает через плотину в долину реки, где как правило, много поселков. Ярким тому примером является разрушение города Лонгарон и гибель трех тысяч его жителей, проживавших ниже створа арочной плотины Вайонт в Италии.

     Если  систематизировать факторы в  той или иной мере определивших воздействие  землетрясения как катастрофу, то можно прийти к выводу, что случайное, а может быть и закономерное стечение обстоятельств, приводит к очень  тяжелым последствиям. С одной стороны, цунами возникают при землетрясениях и очень редко при вулканических извержениях и оползнях, происходящих на дне океанов. Соответственно они регулируются факторами, связанными с характером последних - местом положения очага, энергией и особенностями, которые являются главными в формировании разрушительной морской волны. Но и последствия цунами, для человека, определяются целым набором сложившихся обстоятельств - населенностью прибрежных районов, временем суток и многим другим.

     От  цунами особенно страдают Японские и Гавайские острова. Для России цунами представляют большую угрозу на восточном побережье Камчатки и севере Курильских островов. В 1952 году сильное цунами привело к полному уничтожению города Северо-Курильска (прежнее название с 1905 по 1946 годы - город Тоехара) на реке Сусуя.

     Поражающее  воздействие землетрясений на города и строения нельзя рассматривать  без возникающих из-за них обвалов, оползней, селей и схода лавин. Сильное землетрясение и даже относительно слабое в горной местности во время затяжных дождей или сильного снегопада могут вызвать дополнительные жертвы, а то и определить масштабы всего ущерба от землетрясения.

     Катастрофы  с большими человеческими жертвами может и не быть, даже и при  очень сильном землетрясении, если оно произошло в ненаселенных районах нашей планеты, и тогда оно не становится катастрофичным. Так, сильнейшее Гоби-Алтайское землетрясение 1957 года с интенсивностью в эпицентре порядка до десяти баллов, ощущалось на площади в пять миллионов квадратных километров, включая почти всю территорию Монголии и Российские регионы в Бурятии, Иркутской и Читинской областей, Северный Китай было с очень небольшим количеством жертв и экономическим ущербом для этих стран.

     Слабые  землетрясения

     Почти ежедневно, где-то в мире происходят слабые землетрясения, при которых здания дают трещины, но не разрушаются, звенит и разбивается посуда и другое. Они вызывают местный интерес, не занимают главного места в сводках мировых новостей и быстро забываются. Их энергии не достаточно для возбуждения опасных сейсмических колебаний на дневной поверхности, хотя они способны вызвать обвалы, оползни и сели. Особенную опасность слабые толчки представляют в горах, где могут оказаться неустойчивые горные склоны. Тогда, даже при незначительном сейсмическом колебании, произойдет их обрушение. Могут возникнуть каменные и ледовые лавины и начаться оползень. Если на их пути окажется населенный пункт или сооружение, то последствия могут оказаться непредсказуемыми.

     Урбанизация территорий, расширение площади крупных городов приближает людей к зонам, ранее принимавшихся неблагоприятными для застройки. Чаще всего по этим территориям не сохраняется никаких сведений о слабых землетрясениях. Есть поводы для беспокойства и для объектов ядерной энергетики. Построенные в периоды, когда представления о сейсмической активности территорий были еще только на ранней стадии, сегодня их сооружения могут оказаться в зонах подверженных "скрытым" слабым землетрясениям.