Землетрясение: типы, очаг, характеристики

     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.