Землетрясения: причины возникновения, типы сейсмических волн и методы измерения

Землетрясения представляют собой одно из самых грозных природных явлений на Земле, возникающее, когда внезапный выброс накопленной энергии заставляет грунт сотрясаться и вибрировать при прохождении сейсмических волн от источника. Данные геологические явления могут быть чрезвычайно разрушительными: в прошлом в результате них погибали от десятков до сотен тысяч человек, а целые городские центры оказывались сровненными с землей за считанные секунды. Одно значительное землетрясение способно привести к выбросу энергии, эквивалентной сотням или тысячам ядерных взрывов, что оборачивается разрушением зданий на миллиарды долларов и глубокими человеческими страданиями. Помимо первичного сотрясения почвы, землетрясения порождают вторичные опасности, включая цунами, оползни, пожары, голод и вспышки болезней, которые многократно усиливают их разрушительное воздействие на население и экосистемы.

Места сильных землетрясений и границы плит. Мелкофокусные землетрясения (выделены розовым цветом) наблюдаются на всех типах границ плит; средне- и глубокофокусные землетрясения наблюдаются вдоль зон субдукции.

Границы тектонических плит и распределение землетрясений. Большинство землетрясений происходит вдоль границ плит, где литосфера — внешняя твердая оболочка Земли — разделена примерно на 12 основных тектонических плит, которые движутся относительно друг друга наряду с многочисленными более мелкими плитами. Сейсмическая активность преимущественно концентрируется там, где взаимодействуют две плиты, независимо от того, движутся ли они друг мимо друга вдоль трансформных границ (например, разлом Сан-Андреас в Южной Калифорнии) или сходятся в зонах субдукции (как это наблюдается на Аляске, Японии, Суматре и в Мексике). Всеобъемлющая глобальная карта границ плит показывает, что значительные землетрясения, произошедшие за последние пять десятилетий, концентрируются вдоль этих тектонических границ, причем наиболее крупные события происходят там, где плиты либо сталкиваются, либо скользят горизонтально друг мимо друга. Незначительная сейсмическая активность характеризует расходящиеся границы, такие как срединно-океанические хребты, где подъем магмы создает новую океаническую кору за счет спрединга морского дна.

Система разломов Сан-Андреас и теория упругого отскока. В Южной Калифорнии наблюдается самая высокая частота землетрясений в континентальной части Соединенных Штатов из-за того, что Тихоокеанская плита смещается на север относительно Североамериканской плиты вдоль системы разломов Сан-Андреас. Эта граница демонстрирует характерное «прилипание-проскальзывание» (stick-slip), при котором плиты остаются сцепленными друг с другом, накапливая напряжение в течение десятилетий или столетий, когда они медленно пытаются отодвинуться друг от друга. Когда накопленные напряжения в конечном итоге превышают прочность горных пород, происходит внезапный разрыв, в результате которого плиты резко сдвигаются — на 20–30 футов (5–7 метров) — в течение нескольких секунд, высвобождая энергию в виде землетрясения. Теория упругого отскока объясняет этот процесс, описывая, как упругие напряжения накапливаются в материалах до достижения критической точки разрушения, после чего при внезапном разрушении высвобождается накопленная энергия. Данное явление заметно проявляется в зонах активных разломов, где первоначально прямые объекты, такие как ряды фруктовых деревьев, заборы, дороги и железнодорожные линии, постепенно изгибаются перед землетрясениями, а затем выпрямляются, становясь постоянно смещенными после событий разрыва.

Внутриплитные землетрясения и исторические разрушения. Некоторые регионы, удаленные от активных границ плит, по-прежнему подвержены нечастым, но очень разрушительным землетрясениям, что свидетельствует о том, что сейсмическая опасность распространяется за пределы тектонических границ. Такие города, как Бостон (Массачусетс), Чарльстон (Южная Каролина) и Нью-Мадрид (Миссури), пережили исторически значимые внутриплитные землетрясения с широкомасштабными последствиями. В период с 1811 по 1812 год в районе Нового Мадрида произошли три крупных землетрясения магнитудой 7,3; 7,5 и 7,8, которые потрясли почти все Соединенные Штаты и вызвали разрушения, о которых сообщалось вплоть до Бостона и Канады (обрушивались дымовые трубы, трескалась штукатурка, звонили церковные колокола). Исторические землетрясения приводили к катастрофическим человеческим жертвам, включая землетрясение в Шэньси (Китай, 1556 г.), унесшее жизни от 800 000 до 900 000 человек; землетрясение в Таншане (1976 г.), в результате которого, по оценкам, погибло от 242 000 до 800 000 человек; цунами в Индийском океане (2004 г.), унесшее около 286 000 жизней. В 2008 году Вэньчуаньское землетрясение магнитудой 8,0 в Китае унесло жизни около 90 000 человек, хотя неофициальные оценки называют до миллиона погибших.

13 самых смертоносных землетрясений в истории человечества

Причины и механизм разломов. Причины землетрясений включают в себя множество механизмов, не связанных с движением разломов, в том числе извержения вулканов, взрывы бомб, оползни и любые внезапные выбросы энергии внутри или на поверхности Земли. Не все разломы остаются сейсмически активными: большинство из них представляют собой неактивные структуры прошлых геологических периодов, а среди активных разломов только определенные сегменты обладают значительным сейсмическим потенциалом. Некоторые разломы демонстрируют асейсмическую ползучесть, когда соседние блоки плавно скользят друг мимо друга, не накапливая значительных напряжений и не вызывая сильных землетрясений. Напротив, замкнутые разломы испытывают деформацию и накопление напряжений до тех пор, пока не достигнут порога, при котором внезапное хрупкое разрушение высвобождает накопленную энергию. Материалы проявляют хрупкость, реагируя на тектоническое давление растрескиванием или трещиноватостью, и землетрясения отражают эту реакцию в верхних слоях земной коры. На больших глубинах, где условия температуры и давления повышаются, горные породы деформируются пластично, текут как вязкий материал, а не резко разрушаются.

Очаг, эпицентр и распространение сейсмических волн. Землетрясение возникает в очаге (или гипоцентре) — точке внутри Земли, где впервые высвобождается энергия и где горные породы на одной стороне разлома перемещаются относительно противоположной стороны. После первоначального смещения окружающий регион испытывает многочисленные повторные толчки (афтершоки), поскольку прилегающие породы приспосабливаются к деформации, вызванной первичным землетрясением. Эпицентром называется точка поверхности, расположенная вертикально над очагом; именно здесь обычно концентрируются наиболее сильные сейсмические эффекты. Во время сильных землетрясений поверхность Земли деформируется в виде волн, которые распространяются по ландшафту подобно океанским волнам, вызывая впечатляющие и часто разрушительные колебания грунта. Сейсмические волны распространяются во все стороны аналогично звуковым волнам или ряби на воде после брошенного камня, причем земля возвращается к своей первоначальной форме после прохождения волны, несмотря на значительный ущерб, нанесенный человеческим сооружениям.

Метод определения местоположения эпицентров путем вычисления расстояния до источника с трех разных сейсмических станций. Расстояние до эпицентра рассчитывается с использованием разницы во времени между первыми поступлениями P- и S-волн. Единственное место, где пересекаются три окружности расстояний, — это местоположение эпицентра.

Типы сейсмических волн. Землетрясения генерируют различные типы сейсмических волн: объемные волны, которые распространяются в недрах Земли от очага, и поверхностные волны, которые распространяются от эпицентра вдоль поверхности земли. Объемные волны распространяются быстрее поверхностных, тогда как именно поверхностные волны вызывают большую часть разрушений, временно изменяя геометрию поверхности земли во время своего прохождения. Первичные волны (P-волны) представляют собой объемные волны сжатия, которые деформируют материалы за счет изменения объема и плотности, распространяясь через твердые тела, жидкости и газы со скоростью приблизительно 3,5–4 мили в секунду (6 км/с). Эти волны совершают возвратно-поступательные движения и обычно первыми достигают сейсмографических станций (отсюда название «первичные»).

P-волны наносят существенный ущерб, временно изменяя объем грунта за счет расширения и сжатия, разрушая подземную инфраструктуру, такую как газопроводы, которые не могут приспособиться к таким изменениям формы, что часто вызывает пожары. Землетрясение в Сан-Франциско (1906 г.) наглядно проиллюстрировало это явление: пожары охватили большую часть города в течение нескольких дней после первоначального сотрясения, а землетрясение в Кобе магнитудой 7,3 (Япония, 1995 г.) аналогичным образом продемонстрировало разрушения, вызванные пожарами в результате разрыва газопроводов и систем отопления.

Вторичные волны (S-волны, или поперечные волны) изменяют форму материала без изменения объема и распространяются только через твердые тела со скоростями, приближающимися к 2 милям в секунду (3,5 км/с). Эти волны перемещают материал перпендикулярно направлению своего движения, создавая чередующиеся боковые движения, которые могут дестабилизировать фундамент здания — аналогично быстрому выдергиванию скатерти из-под полностью накрытого стола, когда конструкции могут остаться относительно неповрежденными, даже будучи отделенными от фундамента. Поверхностные волны распространяются медленнее объемных, но часто вызывают наибольшие разрушения из-за сложных изгибных и круговых движений. Временное разделение между приходами разных типов волн обеспечивает критический период безопасности: осознание того, что объемные волны уже прошли, может дать кратковременную возможность для эвакуации до прихода более разрушительных поверхностных волн.

Аналогия с сейсмическими P- и S-волнами с использованием пружины Slinky и веревки.

Технология сейсмографов и измерение землетрясений. Сейсмографы являются основными приборами для измерения интенсивности землетрясений. Они используют стилус, заполненный чернилами, для записи движений грунта на непрерывно вращающуюся миллиметровую бумагу, а современные цифровые версии позволяют получать данные непосредственно для компьютерного анализа. При сотрясении грунта стилус оставляет характерные зигзагообразные следы — сейсмограммы, которые четко отображают последовательное появление P-волн, S-волн и поверхностных волн. Эти приборы работают по инерционному принципу, используя тяжелый груз, подвешенный на шнуре или пружине, который остается неподвижным во время движения грунта благодаря инерции — сопротивлению больших масс внезапному перемещению.

Бумага для записи, прикрепленная к движущемуся грунту, отслеживает сейсмические колебания, в то время как стилус остается неподвижным, что позволяет проводить точные измерения. Сейсмографы устанавливаются последовательно в виде маятников и пружин, регистрируют движение грунта в нескольких направлениях и обладают чувствительностью, позволяющей обнаруживать перемещения размером всего в одну стомиллионную долю дюйма (что эквивалентно ощущению вибрации грунта от автомобиля, находящегося в нескольких кварталах).

Записи сейсмографов демонстрируют характерные признаки, позволяющие геологам различать типы землетрясений, включая землетрясения, вызванные разломами, вулканические землетрясения (связанные с движением магмы) и взрывы в результате строительных работ или ядерных испытаний. Эта интерпретирующая способность сделала сейсмологию необходимой для проверки соблюдения договора о запрещении ядерных испытаний, поскольку сейсмологи по всему миру используются для мониторинга сейсмической активности и верификации международных запретов.

Принципиальная схема инерционного сейсмографа, показывающая большую инерционную массу, подвешенную на пружине. Масса остается неподвижной, поскольку земля и бумага, обернутая вокруг вращающегося барабана, перемещаются взад и вперед во время землетрясения, создавая сейсмограмму.

Шкалы магнитуд землетрясений. Интенсивность землетрясений колеблется в огромном диапазоне: от незаметных микроземлетрясений, происходящих тысячи раз в день, до катастрофических событий, приводящих к массовым жертвам и полным разрушениям. Шкала Рихтера, разработанная Чарльзом Ф. Рихтером, обеспечивает наиболее распространенное измерение магнитуды, основанное на амплитудах сейсмических волн, измеренных на расстоянии 61 мили (100 км) от эпицентра. В этой логарифмической шкале каждое приращение на целое число соответствует десятикратному увеличению амплитуды волны, что является необходимым математическим преобразованием, учитывая, что энергия землетрясения изменяется в сотни миллионов раз. С увеличением магнитуды высвобождение энергии возрастает еще более значительно, поскольку более сильные землетрясения генерируют пропорционально большее количество волн высокой амплитуды, а энергия пропорциональна квадрату амплитуды. Следовательно, каждое увеличение на единицу по шкале Рихтера соответствует примерно 30-кратному увеличению высвобождаемой энергии. К крупнейшим зарегистрированным землетрясениям относятся землетрясение на Аляске (1964 г.) магнитудой 9,2, землетрясение в Чили (1960 г.) магнитудой 9,5 и землетрясение на Суматре (2004 г.) магнитудой 9,0, каждое из которых привело к выбросу энергии, превышающей мощность 10 000 ядерных бомб размером с Хиросиму.

До появления современных инерционных сейсмографов интенсивность землетрясений измерялась с использованием модифицированной шкалы интенсивности Меркалли (Modified Mercalli Intensity Scale), разработанной Джузеппе Меркалли в конце 1800-х годов. Эта шкала дает количественную оценку интенсивности сотрясений, основанную на ощущаемой человеком вибрации при небольших землетрясениях и на характере структурных повреждений при более крупных событиях. Основное ограничение шкалы Меркалли связано с ее зависимостью от расстояния: в местах, близких к эпицентру, может быть зафиксирована интенсивность IX или X баллов, тогда как в удаленных местах для того же землетрясения регистрируется только I или II балл. Несмотря на это ограничение, модифицированная шкала Меркалли остается ценной для оценки магнитуд исторических землетрясений, происходивших до появления современных приборов, позволяя сейсмологам оценивать сейсмическую опасность с использованием исторических записей.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.