Землетрясения

    1. Землетрясения.

    Быстрые, часто внезапные сотрясения земной коры, вызванные различного рода естественными причинами, называются землетрясениями. Основная причина землетрясений — разрядка внутренних напряжений Земли, Проявляются землетрясения главным образом в зонах активных движений земной коры. Эти зоны называются сейсмическими (греч. сейсмос — колебание). В различных направлениях они опоясывают земной шар и совпадают с молодыми складчатыми областями вулканическими поясами, срединными океаническими хребтами. Почти ежедневно в этих районах приборы регистрируют десятки и сотни подземных толчков различной интенсивности. Чаще всего они бывают слабыми, почти не ощутимыми для человека, реже сильными, разрушительными, При землетрясениях разрушаются здании, под обломками которых гибнут люди. За последние 100 лет от землетрясений погибло свыше 1 млн. человек. Отзвуки сильных землетрясений нередко распространяются на значительные площади, захватывают неактивные в сейсмическом отношении территории. Надолго в памяти людей осталось одно из самых известных в истории Лиссабонское землетрясение. Оно произошло в праздничный лень — первого ноября 1755 г., когда толпы нарядно одетых людей направлялись в церковь. Неожиданно почва в городе заколебалась, стали ощущаться подземные толчки, послышались громовые раскаты. Город на глазах людей стал разрушаться, здания падали одно за другим. От топившихся в домах печей начался пожар, город заволокло дымом. Часть людей погибла под обломками домов, оставшиеся в живых, охваченные ужасом, искали спасения. Многие бросились к берегу моря, надеясь найти спасение на каменном причале. Через 20 минут толчок повторился и причал вместе с обезумевшими от страха людьми рухнул в море. На побережье со страшной силой обрушилась стремительная двацатишестиметровая волна, уничтожившая и повредившая в гавани свыше 300судов. Она углубилась на сушу до 15 км. В течение нескольких минут Лиссабон прекратил свое существование. После землетрясения было обнаружено, что недалеко от города произошло поднятие суши, в гавани из-под воды поднялась скала, изменилось очертание побережья. Лиссабонское землетрясение охватило пол-Европы. Оно отмечалось на площади 2.5 млн. км².

    2. Причины и классификация землетрясений.

    Подавляющее большинство землетрясений имеет тектоническую природу и связано с разрядкой напряжений, периодически накапливающихся в земной коре и верхней мантии. Меньшая часть землетрясений обусловлена вулканической деятельностью и наземными и подземными обвалами. По причинам, вызывающим землетрясения, они делятся на тектонические, вулканические и денудационные или обвальные.

    2.1. Денудационные землетрясения.

    Происходят в районах интенсивного выветривания горных пород и образования карста. В местах распространения легко растворимых гипсовых, солевых и карбонатных пород возникают значительных размеров карстовые полости и пещеры. Иногда нависающая над ними кровля не выдерживает нагрузки вышележащих пород и обрушивается. Такой подземный обвал отдается на поверхности сейсмическим толчком. Одно из наиболее сильных денудационных землетрясений наблюдалось в Харьковской области в 1915 г. Оно вызвало в Харькове сотрясение почвы и зданий. На долю денудационных землетрясений приходится около 1% всех известных землетрясений.

    2.2. Вулканические землетрясения.

    Предшествуют  или сопровождают извержения вулканов. Подземные толчки связаны с преодолением сопротивления закупоривающих жерло вулкана застывших лав и образованием оперяющих канал трещин. Вулканические землетрясения бывают довольно значительными, но имеют локальное распространение: ограничиваются областью, прилегающей к действующему вулкану. Они нередко служат предупреждением о приближающемся извержении вулкана. В 1964 г., например, было предсказано извержение вулкана Шевелуч.

    2.3. Тектонические землетрясения.

    Грозные и разрушительные явления природы. На них приходится 95% всех землетрясений. Они происходят повседневно то в одном, то в другом районе земного шара, отличаются друг от друга глубиной очага, интенсивностью, количеством выделяемой энергии. Согласно современным представлениям тектонические землетрясения – следствие блоковых и глыбовых движений, затрагивающих различные глубины земной коры и верхнюю мантию. Движения связаны с вертикальными и горизонтальными перемещениями крупных литосферных блоков или небольших участков земной коры. Грандиозное разрывное нарушение глыбового характера произошло в 1923 г. у берегов Японии: в заливе Сагми на участке площадью в 150 км² одна часть дна поднялась на высоту 200—250 м, а другая погрузилась на глубину 150—200 м. Быстрое и резкое перемещение пород вызвало катастрофическое землетрясение, вошедшее в историю под названием Токийского. Землетрясение сопровождалось большими разрушениями и человеческими жертвами. Под обломками зданий погибло свыше 140 тыс. человек.

    Высокая активность движений, сопровождающаяся горизонтальными перемещениями крупных блоков пород, длительное время наблюдается вдоль гигантского разлома Сан-Андреас в США. Протяженность разлома в несколько тысяч километров. Он состоит из системы глубоких трещин, образующих зону шириной от 3 до 100 км и более. Движения по разлому происходят постоянно. Об этом свидетельствуют повторяющиеся ежегодно многочисленные слабые подземные толчки. По данным геодезических измерений, западная часть разлома ежегодно смещается на 5 см. Периодически вдоль разлома происходят катастрофические землетрясения, связанные с быстрыми перемещениями отдельных участков земной коры протяженностью в сотни километров. Амплитуда перемещений достигает нескольких метров. Так, во время катастрофического землетрясения в г. Сан-Франциско в 1906 г сместился на 4 – 7 м огромный блок земной коры. Движения отмечались на расстоянии 450км. Сан-Франциско, оказавшийся в зоне разлома, был разрушен. На разломе в разное время было зарегистрировано около шести сильных землетрясений (рис. 1).

        

     Стремительные перемещения  участков земной коры или литосферы исследователи объясняют кратковременными разгрузками механических напряжений, накапливающихся на стыках блоков. Накопление напряжений, очевидно, связано с силами трения, сдерживающими смещение пород относительно друг друга. Когда нагрузка, направленная на сжатие или растяжение горных пород, превышает предел прочности, происходит быстрое скачкообразное перемещение блоков. Вдоль основного разлома, по которому произошли перемещения, появляются системы трещин скалывания и образуются сейсмические волны. Разрыв и смещение горных пород сказываются на поверхности земли подземными толчками. Чем больше накопленной энергии, тем сильнее землетрясение. Разгрузка напряжений может происходить после основного подземного толчка еще длительное время. Она отзывается на поверхности Земли слабыми толчками, называемыми афтершоками (последующими толчками). Так, после Ташкентского землетрясения 1966 г. на протяжении последующих двух лет произошло еще более тысячи слабых подземных толчков.

    3. Строение сейсмического очага тектонического землетрясения.

    Область внутри Земли, где внезапно выделяется потенциальная энергия (рис. 2), называется сейсмическим очагом.

    

        

      
 

    Центр области называют гипоцентром Н, а его проекцию на поверхность Земли — эпицентром Е. Расстояние между гипоцентром и эпицентром – глубина сейсмического очага. По глубине сейсмического очага землетрясения делят на поверхностные — расстояние от эпицентра до гипоцентра до 10 км, нормальные – 10 – 75, промежуточные – 75 – 300, глубокофокусные – 300 – 700 км. Нормальные и поверхностные землетрясения имеют место во всех сейсмически активных районах и чаще проявляются на глубинах до 200 км. Промежуточные зарегистрированы на Памире, Гиндукуше, Гималаях, островах Малайского Архипелага. Широко распространены и глубокофокусные землетрясения. Они присущи окраинам Тихого океана и некоторым другим районам. На территории бывшего СССР около 82% всех землетрясений составляли землетрясения нормальные и поверхностные, 18% — промежуточные.

    Гипоцентр землетрясения может смещаться. Так, при Ташкентском землетрясении 1966 г. он вначале располагался на глубине 8 км, затем переместился вверх до глубины 3 км.

    Возникающие в момент разрядки напряжений сейсмические волны, постепенно затухая, расходятся от эпицентра на расстояния до нескольких тысяч километров. Скорость их бывает настолько велика, что наиболее быстрые продольные волны за 20 мин достигают противоположной стороны Земли. Дальность распространения во многом определяется геологическим строением района. В складчатых областях сейсмические волны затухают значительно быстрее, чем на равнинах. При Ашхабадском землетрясении 1948 г. ударные волны распространились в сторону Западно-Сибирской низменности на расстояние до 2500 км. В европейской части бывшего СССР неоднократно сказывались землетрясения с эпицентром в Карпатах. Так, отзвуки карпатского землетрясения 1940 г. прокатились по Молдавии, Украине и достигли центра России. Более ощутимым было Карпатское землетрясение 1977 г. Его сейсмическая волна докатилась до ряда городов Центральной России (Воронеж, Курск, Белгород, Москва). В этих городах ощущались толчки силой около 3 баллов.

    Сейсмические  волны по мере удаления от сейсмического  очага теряют интенсивность. Уменьшается  и сейсмическая энергия. Эти изменения  на специальных сейсмических картах показывают изолиниями, или изосейстами. Каждая изосейста соединяет точки с равной плотностью потока сейсмической энергии (i₁, i₂, i₃ на рис. 2). На большом удалении от сейсмического очага они близки к окружности, а в непосредственной близости от эпицентра имеют более неправильную форму. Ближайшая к эпицентру изосейста оконтуривает площадь с максимальной плотностью сейсмической энергии — плейстосейстовую, или эпицентральную, область. Форма ее близка к окружности или эллипсу, площадь области десятки, а то и тысячи квадратных километров.

    Эпицентральная  область Ашхабадского землетрясения 1948 г. имела форму эллипса, вытянутого вдоль трещины, образовавшейся в  земной коре. Протяженность области 100 км, ширина 10 км. У Карпатского землетрясения 1940 г. плейстосейстовая область имела форму круга. По величине плейстосейстовых площадей определяют глубину сейсмического очага. Для этого используется формула: 

    где Н – глубина очага, S² -площадь (км²), ограниченная второй от эпицентра изосейстой (i₂), S³ — площадь, ограниченная третьей изосейстой i₃. Таким методом была определена глубина сейсмического очага Ашхабадского (1948) и Карпатского (1940) землетрясений (у первого она равна 15 – 20 км, у второго – 100 км). Многие землетрясения повторяются приблизительно в одних и тех же местах через неравные промежутки времени. В районе г. Шемаха на Кавказе они повторялись в 1669, 1679, 1828, 1856, 1902, 1968 г., в Ташкенте – в 1868, 1886, 1924, 1966 гг.

    Институтом  физики Земли АН СССР была составлена карта-схема сейсмического районирования СССР, на которой к сейсмически опасным районам были отнесены Карпаты, Крым, Кавказ и другие районы (рис. 3). В каждом из них землетрясения связаны с процессами горообразования, сопровождающимися перемещениями блоков земной коры вдоль существовавших или вновь образующихся разломов.

      
 

    4. Методы изучения землетрясений.

    Изучением землетрясений занимается наука сейсмология. В ее задачи входит всестороннее исследование землетрясений, включая причины, прогноз землетрясений. Исследованиями занимаются специальные научно-исследовательские институты. Огромную  работу проводят сейсмические станции, разбросанные по всем континентам мира. Только на территории бывшего СССР их свыше 100. Сейсмические станции регистрируют близкие и далекие землетрясения. В их задачи входит определение эпицентральных расстояний (от сейсмической станции до эпицентра), координат очага землетрясения, его энергии. Станции размещаются вдали от производственных предприятии, железных дорог, автомагистралей, т. е. всех тех объектов, которые могут вызвать помехи при регистрации сейсмических волн. Ни одно землетрясение не остается без внимания ученых.

    Колебания почвы, вызываемые прохождением поверхностных  волн, фиксируются с помощью очень чувствительных приборов сейсмографов (рис, 4). Почвы прослушиваются круглосуточно, и если не записывается землетрясение, то регистрируется сейсмический шум. Сейсмографы устанавливают в подвальных помещениях станций, непосредственно на грунт. При поступлении сейсмических волн прибор вместе с почвой начинает колебаться.

    

      

     Основной частью прибора является маятник 3, прикрепленный упругой подвеской 2 к штативу 1. С помощью самописца 4 маятник передает колебания на вращающийся барабан 5. Барабан приводится в движение часовым механизмом. Часы, регистрирующие колебания, обладают большой точностью и ежедневно проверяются по радиосигналам. Самописец, снабженный пером, вычерчивает на бумаге кривую, или сейсмограмму, 6, отражающую колебание почвы (рис. 5).

    

      

    Принцип передачи колебаний состоит в  следующем. Воспринятые прибором от грунта колебания приводят в движение все части механизма, за исключением  маятника, который в силу инерции  остается неподвижным. Стремясь сохранить  первоначальное положение, маятник  отклоняется от пришедших в движение штатива и подвески. Эти отклонения  и регистрирует самописец. Сейсмограф, регистрирующий вертикальные колебания (А), снабжен вертикальной подвеской, горизонтальные (В) — горизонтальной. Разные системы приборов позволяют вести оптическую и магнитную записи колебаний. В настоящее время на сейсмических станциях работают приборы, созданные советскими учеными Б. Б. Голициным, В.Ф. Бончковским, Д. П. Кирносом, Д. А. Хариным.

    Сейсмограммы  — основной документ, характеризующий  землетрясение. На них отражены амплитуды поочередно поступающих на станцию продольных, поперечных и поверхностных волн, с большой точностью зарегистрированы время и продолжительность поступления сейсмических волн. Первым сигналом землетрясений являются небольшие колебания, свидетельствующие о подходе самых быстрых продольных сейсмических волн. Эти волны на сейсмограммах обозначаются буквой Р (лат. prima — первые). Через несколько секунд амплитуда колебаний резко возрастает. Это говорит о подходе более медленных поперечных сейсмических волн S (лат. secunda — вторая). Затем колебания затухают. Спустя некоторое время на сейсмограмме появляется размашистая кривая. Так фиксируются поверхностные волны L (лат. longa — длинные), причиняющие большие разрушения. На разные станции сейсмические волны приходят в разное время. Поэтому сейсмограммы одного и того же землетрясения, записанные на разных станциях отличаются амплитудами и периодом колебаний.