Сущность землятресения

Землетрясения

      Землетрясения – это колебания, сотрясения или смещения земной коры, вызванные глубинными тектоническими процессами.

      Землетрясение возникает при внезапном освобождении энергии, которая долгое время накапливалась  в результате тектонических процессов в относительно локализованных областях земной коры и верхней мантии.

      Область возникновения подземного толчка (очаг землетрясения) представляет собой  определённый объём пород в толще  Земли; в его пределах происходит высвобождение накопившейся энергии. В центре очага условно выделяется точка – гипоцентр, его проекция на поверхность Земли называется эпицентром.

      При землетрясениях в очаге возникают  упругие волны, которые распространяются с большой скоростью по всем направлениям. Достигая земной поверхности, они ощущаются людьми с различной степенью интенсивности. Под областью распространения понимается площадь, по которой распространяются колебания силой от 4 баллов и выше, т.е. такие, которые могут ощущаться непосредственно человеком. Б. Гуттенбергом и Ч Рихтером разработана шкала интенсивности землетрясений в связи с их энергией, так называемую абсолютную шкалу. Они предложили понятие интенсивности (магнитуде) землетрясений, которая изменяется в зависимости от максимальной амплитуды смещения частиц почвы, измеряемой с помощью сейсмографов на уловном расстоянии в 100 км от эпицентра. Самые слабые землетрясения в этой шкале имеют магнитуду 0, самые сильные – около 9. Эта шкала связана несложной зависимостью с энергией землетрясения, выделяющейся в очаге В течение длительного времени перед землетрясением в толще Земли накапливается энергия, растут упругие напряжения, и в некоторый момент эти напряжения превысят прочность горных пород, т. е. когда породы уже не могут сопротивляться внешним усилиям и разрушаются, происходит почти мгновенное смещение масс, разрыв, раздробление пород, подземный удар. При этом копившаяся длительное время потенциальная энергия освобождается, переходя в кинетическую, и количество освободившейся энергии можно измерить. Энергию землетрясений Е определяют в эргах. Считается, что очень слабое, только ощутимое землетрясение выделяет 10¹⁵ эргов, а катастрофическое – 10²⁵ эргов. Лиссабонское землетрясение оценивается в 7·10²⁷ эргов.

      Изучение  многочисленных землетрясений показало, что механизм возникновения толчка связан с внезапным и почти мгновенным перемещением масс вдоль какого-либо разлома: массы горных пород одного крыла смещаются в одном направлении, другого крыла – в другом, противоположном направлении. Такого рода смещения носят в механике наименование деформаций скалывания.  Толчок, возникший в очаге, в форме упругих волн распространяется, постепенно ослабляясь, во все стороны от очага и, достигнув земной поверхности, производит эффект землетрясения. Известны сейсмические волны нескольких типов. Важнейшие из них следующие.

      Продольные  волны, Р. Они представляют собой волны сжатия и разрежения среды, следующие попеременно одна за другой, со скоростью порядка нескольких километров в секунду (в зависимости от упругих свойств среды). Продольные волны возникают как реакция среды на изменение объёма (объёмная деформация). Они распространяются как в твёрдых, так и в жидких и газообразных средах. Частицы вещества при этом колеблются в направлении движения волны.

      Поперечные  волны, S. Они являются результатом реакции среды на изменение формы. Следовательно, они не могут распространяться в жидкой и газообразной средах, поскольку жидкие и газообразные вещества не сопротивляются изменению формы, которой они обладают (модуль сдвига μ=0). Частицы вещества при этом колеблются по преимуществу в направлении, перпендикулярном к направлению движения волн. Скорость распространения волн S меньше скорости волн Р в 1,7 раза.

      Поверхностные волны (волны Релея),L. Они возникают в особых условиях, именно на границе раздела двух сред, жидкой и газообразной или твёрдой и газообразной под воздействием колебаний приходящих от очага землетрясений к этой границе. Они отличаются наименьшей скоростью, по сравнению с волнами Р и S, скоростью распространения и быстро затухают как с глубиной, так и с удалением от эпицентра, но в эпицентре могут повести к большим повреждениям.

      Большинство землетрясений происходит на глубинах до 70 км, такие землетрясения называются поверхностными. Землетрясения, которые происходят на глубинах от 70 до 300 км, называют промежуточными, а глубже 300 км – глубокими. До сих пор не было зарегистрировано ни одного землетрясения глубже 720 км.

      Различают сильные и слабые землетрясения: слабые землетрясения возникают  повсеместно, но их общая энергия  незначительна. Некоторые из них связаны с вулканической деятельностью. К сильным землетрясениям относят землетрясения с магнитудой более 5,5.

      Землетрясения подразделяются на тектонические, вулканические, обвальные. Ежегодно на планете происходят сотни тысяч землетрясений, из них одно катастрофическое и десять сильно разрушительных землетрясений. Последние отличаются чрезвычайно высокой энергией. Так, учёные подсчитали, что энергия землетрясений в высокогорной части Тибета 15.08 50 г была эквивалентна энергии взрыва 100 тыс. атомных бомб. Поэтому вполне естественно, что землетрясениям принадлежит первое место по причинённому экономическому ущербу и одно из первых мест по числу жертв. Наиболее известные катастрофические землетрясения XX века: Калифорнийское (1906 г., погибло 700 тыс.человек), Мессинское (1908 г., погибло 82 тыс.), Токийское (1923г., 140 тыс человек), Китайское (1976 г., около 150 тыс. человек), Мексиканское 91985 г., 10 тыс.), Армянское (1988 г., 25 тыс. человек), Турецкое (1999 г., 16 тыс. человек). В результате Армянского землетрясения оказались без крова 514 тыс. человек, сильно пострадали города Ленинакан, Кировокан, полностью разрушены г. Спитак и 58 сёл. Последствия землетрясения не устранены до сих пор.

      В России к наиболее опасным сейсмическим районам относятся Кавказ, Алтай, Забайкалье, Дальний Восток, Сахалин, Курильские острова, Камчатка. Постоянной угрозе разрушительных землетрясений подвержено 20 % территории страны.

      Одним из сильнейших землетрясений в истории  России стало Сахалинское – 27 мая 1995 года. Согласно официальным данным, общая площадь, которая подверглась катастрофическим сейсмическим толчкам, составила 215 тыс. км², был полностью разрушен г. Нефтегорск, погибло около 2 тыс. человек.

      Землетрясения являются важным экологическим фактором нарушения формирования среды, изменения структур и местообитаний биоценозов. Землетрясения вызывают в свою очередь и другие стихийные бедствия: цунами, лавины, сели, оползни, наводнения (из-за прорыва плотин), пожары (при разрушении нефтехранилищ и разрыве газопроводов), повреждение коммуникаций, линий электропередач, водоснабжения и канализации, аварии на химических предприятиях с истечением (разливом) сильнодействующих ядовитых веществ, а также на АЭС с утечкой (выбросом) радиоактивных веществ в атмосферу и др.

      При оценке количества энергии, выделяющейся при землетрясении, рекомендовано  применять единую 12-балльную шкалу MSK-64. В её основе лежит шкала магнитуд (М), с помощью которой измеряют изменяющуюся по определённому закону величину смещения почвы от эпицентра землетрясения к его краям под действием поверхностных упругих волн. Нулевой уровень магнитуды – это энергетический уровень такого землетрясения, энергия которого ниже энергии самого слабого, регистрируемого приборами землетрясения. За максимальный уровень магнитуды принята энергия возможного сильнейшего землетрясения, приблизительно равная 10¹⁸ Дж и соответствующая энергии разрыва самых прочных пород земной коры.

      В зависимости от интенсивности колебаний  грунта на поверхности землетрясения  подразделяются на: слабые (1-3 балла); умеренные (4 балла); сильные (6 баллов); очень сильные (7 баллов); разрушительные (8 баллов); катастрофические (11 баллов); сильно катастрофические (12 баллов).

      По  изменению характерных свойств  земли, а также необычному поведению живых организмов перед землетрясениями (они носят название предвестников) специалисты способны составлять приблизительные прогнозы. Такими предвестниками землетрясений являются:

  - деформации земной коры, определяемые  путём наблюдений из Космоса, или съёмки на поверхности Земли с помощью лазерных источников света. Внедрение в геологические и географические науки высокотехнологичных приборов GPS (Global Position System – Cистема Глобального Позиционирования) позволила решить многие вопросы в науках о Земле на более высоком уровне. Система Глобального Позиционирования внедрена во всём мире и используется геологами, географами, океанологами, сейсмологами, геофизиками, климатологами, биологами, почвоведами, работниками сельского хозяйства (для межевания почв и земель) и т.д. Полученные данные позволяют создать кинематическую модель горизонтальных движений и приступить к моделированию процессов современного деформирования с использованием этих данных для выявления эпицентров возможных землетрясений.

-Изменение отношений скоростей распространения продольных и поперечных волн накануне землетрясений.

-Изменение  электросопротивления горных пород,  колебание уровня грунтовых вод  в скважинах.

-Быстрый  рост частоты слабых толчков.

-Повышение  концентрации радона в воде и др.

      Во  многих регионах России и за рубежом  ведутся работы по предсказанию землетрясений  с использованием самых различных  показателей. На Северном Кавказе существует густая сеть скважин, где постоянно  ведутся режимные гидрогеологические наблюдения и замеры изменений химического состава воды, содержаний радона и других элементов. В компьютерном варианте разработана программа предвестников землетрясений. По их данным были предсказаны несколько землетрясений на Кавказе и  в Турции. На Камчатке по измерениям концентраций подпочвенного радона было предсказано 5 успешных прогнозов при одном пропуске сильного землетрясения 8 марта 1999 года. Там же на Камчатке по измерениям параметров высокочастотных сейсмических шумов из 14 землетрясений не было предсказано только 1. Это очень высокий процент прогноза. Имеются предсказания землетрясений по измерениям содержаний аргона в воде и почве.

      Моретрясения  и цунами.

      Очаги многих землетрясений лежат по океанами. В этих случаях колебания, возникшие  в очаге, проходят через толщу литосферу и вступают в водную среду, по которой распространяются со скоростью около 1,5 км/сек. Дойдя до поверхности воды, они создают эффект моретрясения. Для оценки силы моретрясения используется 6-балльная шкала.

      В этом случае, если при подводном землетрясении происходит внезапное перемещение участков дна океана, тогда изменяется объём водного бассейна, в движение приходят большие массы воды и на поверхности океана образуются волны особого рода, которые получили название цунами. Землетрясения, которые не сопровождаются изменением топографии дна океана, не влекут за собой образование цунами. Извержения подводных вулканов влекут за собой образование цунами, так как происходит резкое изменение объёма воды.

      Цунами  распространяются по поверхности океана с большой скоростью – от 400 до 800 км в час, и проходят огромное расстояние, иногда пересекая, например, весь Тихий океан. Во время движения по открытому океану волны цунами обладают очень большой длиной (расстояние от гребня до гребня – 200-300 км), но высота их невелика и они практически незаметны. Но по мере приближения к берегу высота цунами растёт; в некоторых случаях отмечались волны высотой до 20 м. Обрушиваясь на берег, эти волны проходят далеко вглубь суши и причиняют много разрушений.

      Так, 4-5 ноября 1952 года сильное землетрясение с эпицентром в северной оконечности Курильской впадины вызвало образование цунами, которые через 30-40 минут достигли берегов Камчатки и Курильских островов и причинили здесь в ряде пунктов огромные разрушения. Были смыты в море суда. Погибло много людей.

      Аналогичные катастрофические цунами отмечались и  в прошлом. На берегах и островах Тихого океана на протяжении последних 2,5 тыс. лет отмечено более 300 сильных цунами, в Атлантическом океане – около 30. В Японии известно более 20 случаев цунами, сопровождавшиеся разрушением береговых сооружений и жертвами. На Камчатке и Курилах разрушительные цунами отмечены в 1737, 1792, 1918, 1923 годах. Сильные цунами обрушились на г. Лиссабон, при катастрофическом землетрясении 1755 года.

      В связи с тем, что от момента  землетрясения, которое отмечается сейсмическими станциями, до момента  появления цунами у берегов проходит некоторый промежуток времени, можно  организовать службу предупреждения населения о грозящей опасности. Такие попытки уже предпринимались, и с успехом. Необходимо лишь иметь достаточное время, чтобы уйти с низкой части берега в глубь суши или подняться на холмы, куда не проникают даже высокие цунами.

      Сейсмичность  Алтая

  В настоящее время происходят активные процессы на Солнце и в солнечной системе, недавний парад планет и  аномальные перемещения магнитных полюсов Земли – северного со скоростью до 15 км в год, южного – 8-9 км в год, в то время как нормальное перемещение при динамически стабильном периоде – смещение магнитных полюсов происходит со скоростью 3-4 см в год. Объяснение этого феномена кроется в крупных перемещениях вещества в нижней мантии и ядре Земли.   Резко активизировались эндогенные процессы по всему земному шару – многочисленные землетрясения, вулканические извержения (в том числе и в области Охотско-Средиземноморского пояса, куда попадает и территория Горного Алтая).

  Есть  сведения об активизации процессов  под Эльбрусом на Северном Кавказе. В конце 2004 года серия катастрофических землетрясений в Японии и Юго-Восточной Азии подтвердили аномальность развития Земли в последнее время. В результате землетрясения и моретрясения в Юго-Восточной Азии произошло смещение крупных литосферных плит на 30 метров, что зафиксировано с помощью спутников и сети GPS- геодезии. Такое аномальное моретрясение сказалось на положении Земной оси и продолжительности суток.

  Это не могло не сказаться на ключевых  параметрах природной среды и  Алтайского региона. После длительного  относительно спокойного сейсмического режима, конец 2003 года (Алтайское землетрясение 27 сентября 2003 года) отмечен серией толчков на юго-востоке Горного Алтая с магнитудой, превышавшей 7 баллов (рис.3).

  Сейсмические  толчки продолжаются и в настоящее  время. Динамика землетрясений имеет определённую направленность с трендом смещения эпицентров в северном направлении. Эпицентры первых наиболее сильных толчков локализовались в районе пос. Бельтир (Ортолык) Кош-Агачского района и были приурочены к трансрегиональному Чарышско-Теректинскому глубинному разлому, уходящему в мантию. Вдоль Чарышско-Теректинского разлома некоторые геофизики трассируют по впадинам (Курайской, Кош-Агачской, Уймонской) зону внутриконтинентально рифта. По нашим данным это система мелких грабенов типа пул-апарт, развивавшихся по механизму сдвиго-раздвига. Затем эпицентры землетрясений сместились в район пос. Акташ (5 баллов) (сработал Курайский разлом). Следующие эпицентры нескольких толчков локализовались в районе Телецкого озера (3-4 балла) (сработали Прителецкие зоны разлома, контролирующие рифт Телецкого озера и являющиеся продолжением Кузнецко-Алатауссской трансрегиональной зоны). В марте – апреле 2005 года произошло несколько толчков вблизи Горно-Алтайска (магнитуда от 2 до 3,5 баллов). 20 сентября 2005 года землетрясение с магнитудой 4,5 баллов произошло вновь в районе Бельтира. 

      Рис. 3. Сейсмичность Алтая.

  1- эпицентры землетрясений в прошлом  и их магнитуды; 2- эпицентры Алтайского  землетрясения 2003 года; 3- сейсмически  активные разломы.

  Надо  заметиь, что землетрясения на Алтае совпадают с закономерностью, выявленной в результате обработки двух глобальных каталогов землетрясений: зависимости сейсмичности от положения Луны. По данным Гарвардского каталога достаточно надёжно подтверждается влияние фазы Луны, в том числе, понижение сейсмичности в сизигиях и повышение вблизи полнолуния. Ожидаемое усиление сейсмичности в периоды новолуний и полнолуний при нахождении Луны  в перигее не отмечено. Следовательно, срабатывает триггерный механизм накопления механической энергии в разрядке напряжений перед полнолунием. Катастрофическое моретрясение 26 декабря 2004 года  в Юго-Восточной Азии произошло также накануне полнолуния. В целом чрезвычайная ситуация, возникшая в результате Алтайского землетрясения 2003 года, может быть отнесена к федеральному уровню по масштабности.

      Территория Алтая (за исключением юга, юго-востока, северо-запада – район Камня-на –Оби) отнесён к 6 –балльной зоне. Однако, надо иметь в виду, что в 1832г в Бийске было 6-балльное землетрясение, но тогда Бийск был деревянным и одноэтажным.

      К 7-балльной зоне отнесён район Камня-на–Оби, где произошли 3 сильных землетрясения: 1829г- 7 баллов, 1964г- 6 баллов и 1965г – 7 баллов. В конце марта 2003 года в районе Кулунды произошло землетрясение силой в 3 балла.

      Районы  Катанды, Усть-Семы, Кош-Агача официально отнесены  к 8-9 балльной зоне. Надо отметить, что в районе Усть-Семы имеются  палеодислокации, указывающие на землетрясения  силой в 10 баллов.

      Ближайшее окружение нашего района показывает довольно высокую сейсмичность. В Казахстане район Риддера ознаменовался землетрясением силой 7 баллов в 1894 и 1901 гг. Район Новокузнецка – 7 баллов в 1898 и 1903 г.

      Северная  Монголия – катастрофические землетрясения  силой 8-9 баллов в 1905 г. Тувинское землетрясение в районе Сангилена в 1972 году силой 8-9 баллов.

      Сильные и катастрофические землетрясения  оставляют свои следы на поверхности  Земли в виде палеосейсмодислокаций. И определённый интерес представляет для нас территория Горного Алтая.

      Палеосейсмогеологические исследования все более широко применяются во многих странах для выявления реального уровня сейсмической опасности районов, не обеспеченных в достаточной мере сейсмостатистическими данными. Одним из таких районов на территории Российской Федерации является Горный Алтай. В его юго-восточной части были проведены исследования, направленные на определение уровня современной геологической и доисторической сейсмической активности района Курайской и западной части Чуйской впадин, Курайского и Северо-Чуйского хребтов.

      По  данным, полученным ранее с помощью  внерегионального сейсмотектонического метода оценки сейсмического потенциала, исследуемая территория характеризуется максимальной возможной магнитудой (Ммакс) ожидаемых землетрясений равной 7.5 ± 0.2 [ Рейснер, Иогансон, 1993; Рогожин, Богачкин и др., 1995]. Эти данные согласуются с высоким уровнем сейсмичности расположенного южнее Монгольского Алтая, где известны многочисленные очень сильные землетрясения [Землетрясения и основы…, 1985], в частности, и в XX веке. Причем тектонические структуры Горного Алтая являются прямым северо-западным продолжением структур Монгольского Алтая [Рогожин, Богачкин и др…, 1995].

      Полученные  палеосейсмологические материалы и радиоуглеродные датировки свидетельствуют о том, что сильные сейсмические события, вызвавшие формирование рассмотренных выше сейсморазрывов и гравитационных структур, произошли около 230, 1000, 2500,4600 и 8000 лет назад. Период повторяемости составил, таким образом, 1000-3000 лет. При этом отмечается удивительно хорошая корреляция датировок палеоземлетрясений по разным типам сейсмодислокаций (рис. 4).

      Первое  в данном списке сейсмическое событие  вызвало образование близширотного сейсморазрыва на южном склоне Центрально-Курайской антиклинальной гряды, ряд крупных обвалов в долине р. Чуй на участке от устья р. Дейлюгем до пос. Чибит и на северном борту долины Чуй между Чуйской и Курайской впадинами, а также, по-видимому, способствовало спуску длительно существовавшего обвально-подпрудного озера в районе устья р. Куэхтанар. Протяженность очага по этим поверхностным проявлениям может быть оценена примерно в 100 км. Это сильное землетрясение в науке известно и даже имеет собственное название - Монгольское 9.12.1761 г. По [Новый каталог сильных землетрясений…, 1977]. Его магнитуда оценивается в 7.7 ± 1.0, время возникновения - 17 час. 20 мин. ± 6 час., интенсивность -9-10 ± 2 балла, координаты: 50.0° ± 2.0° с.ш. и 90.0° + 2.0° в.д., а по [Землетрясения и основы.., 1985] - М = 8,3, /₀ = 11, координаты эпицентра: 47,5° с.ш. и 91,8° в.д. Следовательно, при достаточно ясном представлении о силе сейсмического события его местоположение точно не определено. Собранные материалы позволяют "привязать" очаг этой грандиозной сейсмической катастрофы прошлого к Чуйско-Курайской зоне Горного Алтая и составить представление о характере её сейсмодислокаций. Землетрясение, возникшее 2500 лет назад, сопровождалось выходом очага на поверхность в виде уступа в зоне Чибитского активного разлома северо-западного простирания с карманом аномально мощной древней почвы в сухом, брошенном русле р. Чуи к юго-востоку от пос. Акташ, парой встречных сейсмообвалов в зоне Чайбеккольского активного разлома, перегородивших р. Чибитку и послуживших причиной возникновения оз. Чайбекколь, изменением динамики аллювиального осадконакопления р. Курайки [Бутвиловский, 1993] и грандиозным Сукорским обвалом в районе устья р. Куэхтанар, который способствовал образованию подпруженного естественного водохранилища в верхней части Чаган-Узунской теснины Чуй. Протяженность очага на основании этих его проявлений составляет порядка 80 км.

      Сейсмическое  событие, происшедшее 4600 лет назад, вызвало сейсмогенный обвал с  погребением коллювиальными массами горизонта палеопочвы на южном склоне Центрально-Курайской антиклинальной гряды. Это вызвало изменение характера аллювиального сноса р. Курайки, когда галечники резко сменили вверх по разрезу тонкообломочный материал с богатым содержанием органики, который накапливался до этого на протяжении долгого времени [Бутвиловский, 1993]. Размеры очага по этим данным оценить невозможно. Однако, похоже, что это сейсмическое событие произошло в том же очаге, что и Монгольское. Вероятно, и по магнитуде оно было похоже на землетрясение 1761 г.

      Двухметровый  сейсмогенный уступ, изученный в траншее на северном склоне Центрально-Курайской гряды, создан землетрясениями, случившимися около 1000 и 8000 лет тому назад. Их сила, по-видимому, соответствовала магнитуде 7.2-7.6.

      Одновременное в каждом из рассмотренных случаев проявление сейсмодислокаций разного генезиса и "в разных местах той территории, которую в целом можно очертить как Чуйско-Курайскую очаговую область, доказывает достоверность реконструированных палеоземлетрясений. А время их возникновения достаточно надежно устанавливается по радиоуглеродным датировкам Важно также то, что очаги одних палеоземлетрясений реализовались в зоне активного разлома близширотной ориентировки, а других - в зоне диагональных Чибитского и Чайбеккольского дизъюнктивов.

      Приведенные в предыдущем разделе данные В В Бутвиловского [1993] о возраста отложений обвально-подпрудных озер в долине р Чуй дают возможность предполагать реальность еще двух более древних сейсмических событии, произошедших примерно 6400 и 8800 лет тому назад (рис 4). 

            Рис.4. Траншея № 1  через южный палеосеисмический эскарп Центрально-Кураиской антиклинали 1 - современная почва, 2 - серо-бурые супеси с редкими включениями щебня, 3 - торф, 4 - древесный уголь 5 - темно-серые пылеватые пески, 6 - серо-зеленые суглинки, 7 - погребенная почва, 8 - желтые гравийные пески, 9 - горизонт бурого гравия 10 — зеленовато-серые глинистые пески с включениями гравия 11 - серо-зеленый гравииник 12 - серые крупнозернистые пески, 13 - щепки, 14 - разрывные нарушения, 75 - поверхность болота 16 - места взятия и номера проб на радиоуглеродный анализ

      Непосредственно к югу от изученного района на территории Северно-Западного Китая в очаговой зоне Монголо-Алтайского (Фуюньского) землетрясения 1931г с М = 8,3 китайские сейсмогеологи [12] провели палеосейсмологические исследования и определили, что за голоцен в этом же сейсмическом очаге произошло три землетрясения примерно той же магнитуды, что и Монголо-Алтайское с периодом повторяемости около 3 тыс лет, что соизмеримо с полученными для Чуйско-Курайской зоны данными.