Землетрясение

ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ, необратимая деформация земных недр, связанная с высвобождением упругих напряжений в результате разрыва среды. Иногда область разрыва называют очагом землетрясения. Изучением землетрясений занимается сейсмология.

Причины и виды землетрясений. Верхняя жёсткая оболочка Земли представляет собой совокупность литосферных плит, находящихся в относительном движении со скоростями порядка нескольких сантиметров в год (смотри Тектоника плит). Наибольшее число землетрясений происходит в пограничных зонах между плитами; такие землетрясения называют межплитовыми. Карта землетрясений чётко отражает расположение литосферных плит на поверхности Земли. Непрерывное относительное движение плит приводит к накоплению энергии упругих деформаций в контактной зоне за счёт трения, препятствующего скольжению (крипу). Когда накопленное напряжение превосходит прочность препятствия, отдельные участки контактной зоны взламываются, что вызывает землетрясения. Наиболее крупные землетрясения происходят в тех районах, где океаническая часть одной плиты пододвигается под континентальную часть другой в процессе субдукции, например на окраинах Тихого океана (около 80% больших землетрясений мира), в том числе на Курильских  островах и полуострове Камчатка. Крупнейшие землетрясения обычно наблюдаются на тех участках контактных зон, где их не было в течение последних 150-200 лет.

Реклама

Землетрясение

Деформации происходят и внутри плит; соответствующие землетрясения называют внутриплитовыми. К этому типу землетрясений относятся, в частности, Гоби-Алтайское землетрясение 1957, землетрясения в районе посёлка Газли (пустыня Кызылкум, 1976 и 1984); на территории России большие землетрясения такого типа известны в основном на Алтае и в Сибири. Некоторые внутриплитовые землетрясения происходят в зонах коры, не подверженных большим современным деформациям, например в районе Балтийского щита.

Разрыв пород, вызывающий землетрясения, происходит, как правило, на глубине не более нескольких десятков км. Однако иногда эта глубина может достигать 700 км, что наблюдается в зонах субдукции. В большинстве районов мира температура и давление на глубинах, превышающих несколько десятков км, таковы, что вещество должно становиться пластичным. Это исключает хрупкое разрушение горных пород, соответственно их разрыв маловероятен. Но в зонах субдукции на глубине 100-150 км происходит выделение воды (дегидратация), делающее горные породы более хрупкими, что повышает вероятность землетрясения. Причиной землетрясений на больших глубинах (в несколько сотен км) считают фазовые переходы минералов в более плотные модификации.

Землетрясения  в земной коре обычно сопровождаются предваряющими и последующими толчками, называемыми соответственно форшоками и афтершоками. Землетрясение  может изменить напряжение в окружающей области и тем самым спровоцировать последующие землетрясения. Известны рои землетрясений, когда в небольшом районе на протяжении нескольких месяцев регистрируется большое количество слабых толчков. Наблюдаются также серии больших землетрясений, в которых точки разрывов медленно мигрируют вдоль активной зоны (например, в 20 веке на Анатолийском разломе в Турции).

Иногда регистрируются так называемые тихие землетрясения, при которых подвижка на разрыве происходит быстрее, чем при обычном крипе, но слишком медленно, чтобы вызвать осязаемое сотрясение земной поверхности. Землетрясения  этого типа регистрируются только сейсмографами, имеющими высокую чувствительность к длиннопериодным колебаниям. Тихие землетрясения могут приводить к разрядке тектонических напряжений без катастрофических последствий.

Небольшие землетрясения могут вызываться также движениями магмы в вулканических районах. Эти землетрясения позволяют предсказывать вулканические извержения.

Причиной землетрясений может быть и деятельность человека. Такие землетрясения, называемые наведёнными или техногенными, наблюдаются, например, при закачке воды в скважины для увеличения добычи нефти или при эксплуатации гидротермальных месторождений. Эти работы повышают поровое давление воды и в результате уменьшают прочность горных пород. Заполнение крупных водохранилищ также, как правило, сопровождается землетрясениями (в редких случаях большими). Связь больших естественных землетрясений и промышленных взрывов не доказана.

Оценка сейсмической опасности района базируется на данных о ранее происходивших в этом районе землетрясениях. Каталоги землетрясений, опирающиеся на инструментальные данные, ведутся с 20 века. Сведения о землетрясениях древности содержатся в исторических источниках. Следы палеоземлетрясений обнаруживают методами геологии. Древнейшие из них происходили около 100 тысяч лет назад.

Измерение характеристик землетрясений. Точка, в которой началось землетрясение, называется гипоцентром землетрясения, а точка на поверхности земли над гипоцентром - эпицентром землетрясения. Положение гипоцентра определяется в результате анализа времени регистрации сейсмических волн, дошедших до различных сейсмических станций. При больших землетрясениях сейсмические волны могут регистрироваться на всех станциях Земли. Разрыв, начавшийся в гипоцентре, может распространяться на сотни километров. Глубина гипоцентра позволяет отличать взрывы от землетрясений.

Лишь небольшая часть (порядка 1%) энергии, высвобождаемой при землетрясениях, расходуется на возбуждение упругих волн. Однако большая часть наших знаний о природе землетрясений получена именно в результате анализа этих волн. Интерпретация записи сейсмических волн позволяет, в частности, определить механизм землетрясения (т.е. ориентацию плоскости разрыва и направление смещения пород вдоль этой плоскости), что чрезвычайно важно для исследований современных деформаций литосферы.

Физической величиной, характеризующей землетрясения, является скалярный сейсмический момент М0, определяемый соотношением Μ0 = μΑu, где μ - модуль сдвига горных пород, А - площадь разрыва, u - среднее смещение вдоль разрыва. Оценки величины М0 служат основой для вычисления величины Mw - магнитуды землетрясения. Увеличение Mw на две единицы соответствует увеличению энергии упругих волн в 1000 раз. Средства массовой информации обычно характеризуют магнитуду землетрясения в баллах по шкале Рихтера (смотри Сейсмическая шкала) - в этом случае речь идёт о другой магнитуде, обозначаемой М, которая пропорциональна десятичному логарифму амплитуды волн с поправкой на расстояние от гипоцентра землетрясения. Возрастание М на единицу означает увеличение амплитуды колебаний в 10 раз. Самые слабые землетрясения, регистрируемые наиболее чувствительными сейсмографами, имеют М около -3, а сильнейшие из когда-либо происходивших - около 9. Энергия волн Е (в эргах), выделившаяся при землетрясении, выражается через М как lgE = 9,9 + 1,9М - 0,024М2. В год на Земле происходит свыше 1 миллиона землетрясений различной магнитуды, но подавляющее большинство из них - слабые. В частности, среднее годовое число землетрясений с М = 4 составляет около 6000, с М в диапазоне от 6,0 до 6,9 - около 120 и только одно землетрясение имеет М ≥ 8. Энергия волн землетрясений с М = 4 примерно соответствует взрыву 1 килотонны тротила. Сейсмическая энергия, выделяющаяся при землетрясении с М = 8, примерно соответствует энергии трёх миллионов землетрясений с М = 4. Поэтому большое число слабых землетрясений не приводит к разрядке напряжений, способных вызвать большое землетрясение. Величайшие землетрясения 2-й половины 20 - начала 21 века имели следующие магнитуды: Чили 1960 - Mw = 9,5; Аляска 1964 - Mw = 9,2; Суматра - Андаманские  острова 2004 - Mw = 9,3.

Землетрясение

Степень ущерба от землетрясений в определённом месте называется интенсивностью землетрясения и измеряется в баллах. Интенсивность зависит от магнитуды землетрясения, его механизма, расстояния до гипоцентра и грунтовых условий. Одна из широко применяемых шкал интенсивности землетрясений - шкала Меркалли. В соответствии с этой шкалой землетрясение начинает ощущаться большинством людей при интенсивности 4-5 баллов, значительные повреждения зданий начинаются при 7-8 баллах, при 11-12 баллах происходит всеобщее разрушение.

ЗемлетрясениеПоследствия землетрясений и возможности их смягчения. При землетрясениях наблюдаются трещины (рис.), оползни, лавины, сели, разжижение и проседание грунта, цунами. Происходит разрушение зданий, мостов, плотин, возникают пожары. Некоторые землетрясения сопровождаются массовыми человеческими жертвами. Так, при Лиссабонском землетрясении 1755 года погибло около 100 тысяч человек, при землетрясении 1556 в Шэньси (Китай) - около 830 тысяч человек. Среди землетрясений 20 - начала 21 века (табл.) наибольшими жертвами сопровождались землетрясения на равнине Канто 1923 (Япония, более 140 тысяч погибших в Токио и окрестностях), несколько землетрясений в Китае, в том числе Таншаньское 1976 (свыше 240 тысяч погибших по официальной статистике, по некоторым оценкам - намного больше), Суматра-Андаманское 2004 (Индонезия, более 229 тысяч жертв). При сравнимой интенсивности землетрясения в развивающихся странах обычно сопровождаются большим числом жертв, чем в развитых странах. Это объясняется в основном низким качеством строительства в развивающихся странах. Сейсмостойкое строительство, опирающееся на результаты сейсмического районирования, является хотя и дорогим, но самым эффективным способом защиты людей от землетрясений. Большой эффект дают профилактические мероприятия и подготовка населения к правильному поведению при землетрясениях.

Прогнозирование землетрясений. Предсказания землетрясений на срок порядка нескольких лет (с точностью того же порядка) основываются главным образом на пространственно-временных изменениях численности небольших землетрясений. Возможные координаты эпицентров прогнозируемых землетрясений оцениваются в лучшем случае с точностью порядка сотен км. Подобные предсказания могут стимулировать профилактические мероприятия: укрепление ветхих строений, тренировку спасательных команд и т. п. Однако практически полезный прогноз, позволяющий эвакуировать население или предупредить его о надвигающейся опасности, должен быть краткосрочным и с большой вероятностью указывать точную магнитуду, время и место землетрясения.

Краткосрочное прогнозирование землетрясений основывается на наблюдениях, так называемых предвестников землетрясения, к которым относятся изменения уровня воды в глубоких скважинах, аномальные наклоны земной поверхности, изменения содержания радона в подземных водах, аномальные электромагнитные явления и т. п. (около сотни явлений). Несмотря на обилие предвестников, за последние десятилетия известен лишь один случай успешного краткосрочного прогноза большого землетрясения (г. Хайчэн, Китай, 1975). В этом случае наблюдались необычно сильные и частые форшоки, позволившие эвакуировать около 1 миллиона жителей за день до землетрясения. Афтершоки прогнозируются несколько лучше. Низкая эффективность краткосрочных прогнозов объясняется слабым пониманием физики процессов в очагах больших землетрясений. Ряд исследователей считает краткосрочное прогнозирование землетрясений в принципе невозможным. Анализ сейсмических, геологических и геофизических данных позволяет лишь наметить те области, где землетрясения наиболее вероятны, и оценить их максимальную интенсивность.

Лит.: Аки К., Ричардс П. Количественная сейсмология: Теория и методы. М., 198З. Т. 1- 2; Гир Дж., Шах Х. Зыбкая твердь: Что такое землетрясение и как к нему подготовиться. М., 1988.

Л. П. Винник.

Связанные статьи