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.