Землетрясения - это подземные толчки и колебания земной поверхности.
Большей части России разрушительные землетрясения не угрожают - они происходят, главным образом, в горных районах, где земная кора более подвижна и неустойчива, так как горные хребты являются молодыми формированиями, поэтому в таких районах придается важное значение антисейсмическому строительству.
Разрушения зданий и сооружений вызываются как колебаниями почвы, так
Возникающие колебания распространяются в Земле, и, через основания, передаются на сооружения. Разрушительны и гигантские приливные волны (цунами), возникающие при сейсмических смещениях на морском дне. Опасны также и последствия землетрясений – паника, пожары, нарушение транспортного сообщения.
Ежегодно на Земле происходит до ста тысяч землетрясений, фиксируемых приборами; из них люди ощущают около десяти тысяч, причем примерно сто землетрясений приводят к большим землетрясениям, и, в среднем, одно землетрясение в год носит катастрофический характер.
Примером их возможной разрушительной силы может являться землетрясение, произошедшее в Японии 1 сентября 1923 г. Землетрясение охватило площадь около 56 тыс. км². В течение нескольких секунд были практически полностью уничтожены Токио, Йокогама, Йокосука и ещё 8 менее крупных городов. В Токио только пожаром было уничтожено свыше 300 тысяч зданий (из миллиона), в Йокогаме подземными толчками было разрушено 11 тысяч зданий и ещё 59 тысяч сгорело. Ещё 11 городов пострадали менее серьёзно. Из 675 мостов 360 было уничтожено огнём. Токио лишился всех каменных зданий, устоял только отель «Империал», возведенный за год до этого знаменитым Фрэнком Ллойдом Райтом. Этот отель был первым в Японии сейсмоустойчивым каменным зданием. Официальное число погибших — 174 тысячи, ещё 542 тысячи числятся пропавшими без вести, свыше миллиона остались без крова. Общее число пострадавших составило около 4 миллионов. Материальный ущерб, понесённый Японией от землетрясения Канто, оценивается в 4,5 миллиарда долларов, что составляло на тот момент два годовых бюджета страны.
Согласно научной классификации, по глубине возникновения землетрясения делятся на 3 группы: «нормальные» — 33 — 70 км, «промежуточные» — до 300 км, «глубокофокусные» — свыше 300 км.
К последней группе относится землетрясение, которое произошло 24 мая 2013 года в Охотском море, тогда сейсмические волны достигли многих уголков России, в том числе и Москвы. Глубина этого землетрясения достигала 600 км.
ПРИЧИНЫ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
Одной из причин землетрясений является быстрое смещение участка литосферы (литосферных плит) как целого в момент релаксации (разрядки) упругой деформации напряжённых пород в очаге землетрясения.
Большинство очагов землетрясений возникает близ поверхности Земли.
При землетрясении в результате перемещения частиц горных пород возникают упругие волны, называемые сейсмическими. Они распространяются в поверхностных слоях Земли с огромной скоростью: продольные – от 5 до 8 км\сек, поперечные – от 3 до 5 км/сек.
Скольжению пород вдоль разлома вначале препятствует трение. Вследствие этого, энергия, вызывающая движение, накапливается в форме упругих напряжений пород. Когда напряжение достигает критической точки, превышающей силу трения, происходит резкий разрыв пород с их взаимным смещением; накопленная энергия, освобождаясь, вызывает волновые колебания поверхности земли — землетрясения.
Землетрясения могут возникать также при смятии пород в складки, когда величина упругого напряжения превосходит предел прочности пород, и они раскалываются, образуя разлом.
Сейсмические волны, порождаемые землетрясениями, распространяются во все стороны от очага подобно звуковым волнам. Точка, в которой начинается подвижка пород, называется фокусом, очагом или гипоцентром, а точка на земной поверхности над очагом — эпицентром землетрясения. Ударные волны распространяются во все стороны от очага, по мере удаления от него их интенсивность уменьшается.
Сейсмические волны делятся на волны сжатия и волны сдвига.
Волны сжатия, или продольные сейсмические волны, вызывают колебания частиц пород, сквозь которые они проходят, вдоль направления распространения волны, обуславливая чередование участков сжатия и разрежения в породах. Скорость распространения волн сжатия в 1,7 раза больше скорости волн сдвига, поэтому их первыми регистрируют сейсмические станции. Волны сжатия также называют первичными (P-волны). Скорость P-волны равна скорости звука в соответствующей горной породе. При частотах P-волн, больших 15 Гц, эти волны могут быть восприняты на слух как подземный гул и грохот.
Волны сдвига, или поперечные сейсмические волны, заставляют частицы пород колебаться перпендикулярно направлению распространения волны. Волны сдвига также называют вторичными (S-волны).
Существует ещё третий тип упругих волн — длинные или поверхностные волны (L-волны). Именно они вызывают самые сильные разрушения.
Скорости сейсмических волн могут достигать 8 км/с.
Сила землетрясения, испытываемая сооружением, зависит от удаления и глубины очага, от геологии местности и гидрогеологии участка застройки.
ВОЗДЕЙСТВИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН НА СООРУЖЕНИЯ
Последствия землетрясений зависят от пространственной жесткости, размеров, формы и веса зданий, а также от количества и характера толчков. Наиболее опасны для зданий горизонтальные составляющие колебаний почвы, поскольку при землетрясении здания работают как вертикальный брус или пластина, консольно заделанные в грунт. Возникающие в районе эпицентра вертикальные сейсмические нагрузки более опасны для горизонтальных конструкций – перекрытий, карнизов и т.п.
Степень разрушения зданий и сооружений в одном сейсмическом районе может быть неодинаковой вследствие разных конструктивных типов сооружений, различного качества строительных материалов (к примеру, п ри одной и той же интенсивности землетрясения одни здания могут подвергнуться большим повреждениям, чем другие, если у них плохое сцепление камня с раствором) , специфики производства работ и характера оснований, (например, на слабых основаниях разрушения всегда больше, чем на прочных).
ОЦЕНКА И ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ И ВОЗДЕЙСТВИЙ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
Для оценки и сравнения землетрясений используются шкала магнитуд (например, шкала Рихтера) и различные шкалы интенсивности.
Шкала магнитуд различает землетрясения по величине магнитуды, которая является относительной энергетической характеристикой землетрясения. Существует несколько магнитуд и соответственно магнитудных шкал: локальная магнитуда (ML); магнитуда, определяемая по поверхностным волнам (Ms); магнитуда, определяемая по объемным волнам (mb); моментная магнитуда (Mw). Наиболее популярной шкалой для оценки энергии землетрясений является локальная шкала магнитуд Рихтера. По этой шкале возрастанию магнитуды на единицу соответствует 32-кратное увеличение освобождённой сейсмической энергии.
Интенсивность землетрясений (не может быть оценена магнитудой) оценивается по тем повреждениям, которые они причиняют в населённых районах.
Интенсивность является качественной характеристикой землетрясения и указывает на характер и масштаб воздействия землетрясения на поверхность земли, на людей, животных, а также на естественные и искусственные сооружения в районе землетрясения. В мире используется несколько шкал интенсивности: в Европе — европейская макросейсмическая шкала (EMS), в Японии — шкала Японского метеорологического агентства (Shindo), в США и России — модифицированная шкала Меркалли (MM):
1 балл (незаметное) — отмечается только специальными приборами
2 балла (очень слабое) — ощущается только очень чуткими домашними животными и некоторыми людьми в верхних этажах зданий
3 балла (слабое) — ощущается только внутри некоторых зданий, как сотрясение от грузовика
4 балла (умеренное) — землетрясение отмечается многими людьми; возможно колебание окон и дверей;
5 баллов (довольно сильное) — качание висячих предметов, скрип полов, дребезжание стекол, осыпание побелки;
6 баллов (сильное) — легкое повреждение зданий: тонкие трещины в штукатурке, трещины в печах и т. п.;
7 баллов (очень сильное) — значительное повреждение зданий; трещины в штукатурке и отламывание отдельных кусков, тонкие трещины в стенах, повреждение дымовых труб; трещины в сырых грунтах;
8 баллов (разрушительное) — разрушения в зданиях: большие трещины в стенах, падение карнизов, дымовых труб. Оползни и трещины шириной до нескольких сантиметров на склонах гор;
9 баллов (опустошительное) — обвалы в некоторых зданиях, обрушение стен, перегородок, кровли. Обвалы, осыпи и оползни в горах. Скорость продвижения трещин может достигать 2 см/с;
10 баллов (уничтожающее) — обвалы во многих зданиях; в остальных — серьёзные повреждения. Трещины в грунте до 1 м шириной, обвалы, оползни. За счет завалов речных долин возникают озёра;
11 баллов (катастрофа) — многочисленные трещины на поверхности Земли, большие обвалы в горах. Общее разрушение зданий;
12 баллов (сильная катастрофа) — изменение рельефа в больших размерах. Огромные обвалы и оползни. Общее разрушение зданий и сооружений.
Землетрясения силой в 6 баллов и менее не вызывают опасных повреждений, а землетрясения силой в 10 баллов и более настолько разрушительны, что противодействовать им обычными способами повышения сейсмостойкости не представляется возможным, а потому в районах, где вероятны такие землетрясения, строительство обычно не ведется. Следовательно, здания могут быть защищены от землетрясений силой 7-9 баллов. В районах с сейсмичностью в 9 баллов возведение сооружений первой категории сопровождается дополнительными антисейсмическими мероприятиями.
Не без использования материалов книги М. Бойко "Диагностика повреждений и методы восстановления эксплуатационных качеств зданий" и wikipedia.org
Статья СЕЙСМОРАЗВЕДКА
В сейсмической разведке (сокращенно сейсморазведке) с помощью взрывов или невзрывных источников (ударов, вибраций и т. п.) возбуждают в земле упругие (сейсмические) волны. В процессе своего распространения они претерпевают отражение и преломление на границах геологических напластований с различными упругими свойствами. Отраженные и преломленные волны регистрируют с помощью специальной высокочувствительной сейсмической аппаратуры. В результате обработки интерпретации записей сейсмических колебаний получают информацию о глубине залегания и конфигурации границ геологических напластований, на которых произошло отражение и преломление сейсмических волн. Характеристики сейсмических волн (частотный состав, интенсивность и др.) зависят также от вещественного состава горных пород, в том числе от их нефтегазонасыщенности. Это позволяет при благоприятных условиях использовать данные сейсморазведки для прямого выявления в недрах Земли нефтегазовых залежей (прямые поиски).
ФИЗИЧЕСКИЕ И ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ
Образование продольных и поперечных сейсмических волн
Упругие деформации и напряжения. В сейсморазведке геологические среды рассматривают как непрерывную совокупность отдельных частичек, т. е. в виде «непрерывных» или «сплошных». Если к какому-либо объему среды приложена сила, то частички смещаются. После прекращения действия сил возможны два варианта состояния среды: а) смещения частичек оказались весьма большими и силы взаимодействия уже не могут их вернуть в прежнее положение, т. е. произошло разрушение или уплотнение структуры горной породы; б) смещения оказались достаточно малыми и под действием сил сцепления частички вернулись в прежнее положение, т. е. среда восстановиласвоюпервоначальную структуру.
Любое смещение частиц под действием приложенных сил, связанное с изменением объема или его формы, называется деформацией. Если произошли необратимые нарушения, то деформации называют не упругим и; в противном случае деформации называются упругими. Сейсмические волны переносят упругие деформации, и поэтому в дальнейшем будем рассматривать только их.
Упругие деформации разделяются на деформации растяжения или сжатия и деформации сдвига. В результате деформаций растяжения и сжатия изменяется первоначальный объем породы, и поэтому их также называют деформациями объема.
Деформации сдвига возникают, когда сила действует по касательной к внешней грани бруса. Как и в первом случае, частички будут перемещаться в направлении действия приложенной силы, но в результате сил сцепления между ними смещения будут передаваться соседним слоям перпендикулярно к направлению действия приложенной силы. Причем из-за внутреннего трения частичек смещения будут тем меньше, чем дальше от внешней грани, к которой приложена сила, находится слой. Таккаксдвиг сопровождается изменением формы тела, то деформации сдвига называют также деформациями формы.
Способность сред передавать деформации в виде упругих волн определяется связями между упругими деформациями ивызвавшими их напряжениями. Напряжением называется сила, действующая на единицу некоторой поверхности:
Где F s - равнодействующая сил, приложенных к поверхности S.
Экспериментально установлено, что между упругими деформациями и напряжениями существует линейная зависимость, т. е. деформации прямо пропорциональны напряжениям (закон Гука):
Коэффициент Е характеризует сопротивление горной породы расширению или сжатию и называется модулем Юнга. Отношение относительного утонения к относительному удлинению n, называется коэффициентом Пуассона. Модуль сдвига m, характеризует сопротивление горной породы изменению формы.
Модули Юнга Е,
сдвига m и коэффициента Пуассона n связаны соотношением 
Модуль Юнга Е для осадочных пород составляет (0,03-9)´10 11 дин/см 2 [в СИ (0,03-9)´10 10 Н/м 2 ], для кристаллических пород (3-16)´10 11 дин/см 2 [в СИ-(3-16)´10 10 Н/м 2 ]; коэффициент Пуассона n для осадочных пород равен 0,18-0,50, для кристаллических пород 0,19-0,38; модуль сдвига m, составляет примерно половину величины модуля Юнга.
Продольная и поперечная сейсмические волны. Механизм образования упругих сейсмических волн схематически можно представить в следующем виде. Непосредственно вблизи источника возбуждения происходит разрушение горных пород; эта область называется областью разрушения. Следующая область среды, в которой напряжения оказываются еще достаточно большими, а вызванные ими смещения частиц приводят к нарушению структуры среды (уплотнение среды), называется областью остаточных деформаций. При некотором удалении от источника напряжения и деформации в среде становятся настолько малыми, что можно говорить об области упругих деформаций. В ней, охватывая во времени все новые и новые участки среды, в общем случае распространяются сейсмические волны двух типов - продольные и поперечные. Продольная сейсмическая волна распространяется в виде деформаций расширения и сжатия, а поперечная волна-в виде деформаций сдвига. Продольные волны обозначаются буквой Р, поперечные-буквой S. Эти обозначения были даны в сейсмологии, поскольку на сейсмограммах землетрясений продольные волны регистрировались первыми (латинское слово «prima»), а поперечные волны-за ними (вторые-«secunda»).
Смещения в продольной волне происходят в направлении ее распространения, а в поперечной волне-в плоскостях, перпендикулярных к направлению распространения волны. Поверхность, разделяющая область возмущения (где смещения не равны нулю) от области покоя (в которой смещения равны нулю), называется фронтом волны.
Вектор смещений поперечной волны имеет определенную ориентировку. Это явление называется поляризацией поперечной волны. Если вектор смещений в процессе распространения поперечной волны не меняет своей ориентировки, то волна называется плоско- или линейнополяризованной. Примером плоскополяризованных волн являются поперечные отраженные волны. Вектор смещений в плоскополяризованной волне можно разложить на горизонтальные компоненты Х и У.
Деформации сдвига, а следовательно, поперечные волны не возникают в газах и невязких жидкостях; в таких средах распространяются только продольные сейсмические волны.
Скорости v р и v s распространения продольной и поперечной волн выражаются через упругие параметры среды-модуль Юнга Е, коэффициент Пуассона n и плотность среды s следующими формулами:
Отношение скоростей поперечной и продольной волн v s /v p в зависимости от литологического состава горных пород, глубины их залегания и некоторых других факторов изменяется от 0,10 до 0,67.
Сейсмические волны делятся на волны сжатия и волны сдвига.
- 1. Волны сжатия, или продольные сейсмические волны, вызывают колебания частиц пород, сквозь которые они проходят, вдоль направления распространения волны, обуславливая чередование участков сжатия и разрежения в породах. Скорость распространения волн сжатия в 1,7 раза больше скорости волн сдвига, поэтому их первыми регистрируют сейсмические станции. Волны сжатия также называют первичными (P-волны). Скорость P-волны равна скорости звука в соответствующей горной породе. При частотах P-волн, больших 15 Гц, эти волны могут быть восприняты на слух как подземный гул и грохот.
- 2. Волны сдвига, или поперечные сейсмические волны, заставляют частицы пород колебаться перпендикулярно направлению распространения волны. Волны сдвига также называют вторичными (S-волны).
Существует ещё третий тип упругих волн - длинные или поверхностные волны (L-волны). Именно они вызывают самые сильные разрушения.
Сейсмические волны подразделяются на гипоцентральные (продольные и поперечные) и поверхностные (волны Релея и Лява).
- 1.
- 2. Гипоцентральные поперечные волны (S -волны)
- 3. Волны Релея и Лява (R -волны и L -волны) - сейсмические волны, распространяющиеся от эпицентра землетрясения в толще верхнего слоя земной коры. Смещение частиц грунта в R -волне происходит в вертикальной плоскости, а в L -волне - в горизонтальной плоскости перпендикулярно направлению распространения этих волн.
Общее воздействие приведенных поражающих факторов землетрясения на земную поверхность характеризуется интенсивностью землетрясения, которая выражается в баллах. В зависимости от интенсивности колебаний поверхности земли установлена следующая классификация землетрясений
- 4. Гипоцентральные продольные волны (Р-волны) - сейсмические волны, распространяющиеся от очага землетрясения во всех направлениях с поочередным образованием зон сжатия и растяжения. Смещение частиц грунта при этом происходит вдоль направления распространения волн.
- 5. Гипоцентральные поперечные волны (S-волны) - сейсмические волны, распространяющиеся от очага землетрясения во всех направлениях с образованием зон сдвига. Смещение частиц происходит перпендикулярно направлению распространения волн.
- 6. Волны Релея и Лява (R -волны и L -волны) - сейсмические волны, распространяющиеся от эпицентра землетрясения в толще верхнего слоя земной коры. Смещение частиц грунта в R -волне происходит в вертикальной плоскости, а в L -волне - в горизонтальной плоскости перпендикулярно направлению распространения этих волн.
Основными параметрами сейсмических волн являются: скорость распространения, максимальная амплитуда колебаний, период колебаний и время действия волн.
Скорость распространения гипоцентральных продольных волн около 8 км/с, гипоцентральных поперечных волн около 5 км/с, а поверхностных волн - 0,5 - 2 км/с.
Максимальная амплитуда колебаний, период колебаний и время действия волн зависят от грунтовых условий, расположения очага и мощности землетрясения.
Общее воздействие приведенных поражающих факторов землетрясения на земную поверхность характеризуется интенсивностью землетрясения, которая выражается в баллах. В зависимости от интенсивности колебаний поверхности земли установлена следующая классификация землетрясений (табл. 1).
Таблица 1
|
Сила землетрясения |
Краткая характеристика |
|
|
Не ощущается |
Отмечается только сейсмическими приборами. |
|
|
Очень слабые толчки |
Отмечается сейсмическими приборами. Ощущается только отдельными людьми, находящимися в состоянии полного покоя в верхних этажах зданий, и очень чуткими домашними животными. |
|
|
Ощущается только внутри некоторых зданий, как сотрясение от грузовика. |
||
|
Умеренное |
Распознаётся по лёгкому дребезжанию и колебанию предметов, посуды и оконных стёкол, скрипу дверей и стен. Внутри здания сотрясение ощущает большинство людей. |
|
|
Довольно сильное |
Под открытым небом ощущается многими, внутри домов - всеми. Общее сотрясение здания, колебание мебели. Маятники часов останавливаются. Трещины в оконных стёклах и штукатурке. Пробуждение спящих. Ощущается людьми и вне зданий, качаются тонкие ветки деревьев. Хлопают двери. |
|
|
Ощущается всеми. Многие в испуге выбегают на улицу. Картины падают со стен. Отдельные куски штукатурки откалываются. |
||
|
Очень сильное |
Повреждения (трещины) в стенах каменных домов. Антисейсмические, а также деревянные и плетневые постройки остаются невредимыми. |
|
|
Разрушительное |
Трещины на крутых склонах и на сырой почве. Памятники сдвигаются с места или опрокидываются. Дома сильно повреждаются. |
|
|
Опустошительное |
Сильное повреждение и разрушение каменных домов. Старые деревянные дома кривятся. |
|
|
Уничтожающее |
Трещины в почве иногда до метра шириной. Оползни и обвалы со склонов. Разрушение каменных построек. Искривление железнодорожных рельсов. |
|
|
Катастрофа |
Широкие трещины в поверхностных слоях земли. Многочисленные оползни и обвалы. Каменные дома почти полностью разрушаются. Сильное искривление и выпучивание железнодорожных рельсов. |
|
|
Сильная катастрофа |
Изменения в почве достигают огромных размеров. Многочисленные трещины, обвалы, оползни. Возникновение водопадов, подпруд на озёрах, отклонение течения рек. Ни одно сооружение не выдерживает. |
Сложность спасения людей в условиях землетрясения обусловлена внезапностью его возникновения, трудностями ввода сил и развертывания поисково-спасательных работ в зоне массовых разрушений; наличием большого количества пострадавших, требующих экстренной помощи; ограниченным временем выживания людей в завалах; тяжелыми условиями труда спасателей. Очаг поражения землетрясением в общем случае характеризуется: разрушением и опрокидыванием зданий и сооружений, под обломками которых гибнут люди; возникновением взрывов и массовых пожаров, происходящих в результате производственных аварий, замыканий в энергетических сетях и разгерметизации емкостей для хранения воспламеняющихся жидкостей; образованием возможных очагов заражения химическими отравляющими веществами; разрушением и завалом населенных пунктов в результате образования многочисленных трещин, обвалов и оползней; затоплением населенных пунктов и целых районов в результате образования водопадов, подпруд на озерах и отклонения русел рек.
Министерство образования и науки
Российской Федерации
Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского
Таврическая академия
Географический факультет
Кафедра Землеведения и геоморфологии
А.А. ПАСЫНКОВ
СЕЙСМИЧЕСКАЯ ГЕОМОРФОЛОГИИЯ
(Учебное пособие)
Симферополь – 2015
Пасынков Анатолий Андреевич
(Учебное пособие)
Симферополь: Крымский федеральный университет
Имени В.И.Вернадского, Таврическая академия. 2015. – 100 с.
Настоящее учебное пособие
Курс лекций рассчитан на подготовку академических магистров по направлению « », студентов-геоморфологов географических факультетов, преподавателей, специалистов.
© Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского, Таврическая академия, 2015
СОДЕРЖАНИЕ| № темы | раздел | стр. |
| 4 | ||
Сейсмология (от др.-греч. σεισμός - (земле)трясение и λόγος - слово, речь) - наука о распространении сейсмических волн в недрах Земли. Только с помощью сейсмологии удалось составить картину глубинного строения земного шара (кора, мантия, внешнее и внутреннее ядро). Также сейсмология занимается землетрясениями, движениями платформ, мониторингом разработок рудных месторождений и пр.
Сейсмология – это наука, занимающаяся измерениями и анализом всех движений, которые регистрируются сейсмографами на поверхности твёрдой Земли. Это раздел геофизики, изучающий землетрясения, их причины, последствия и меры защиты искусственных сооружений.
Основной носитель информации - сейсмические волны, интерпретация записи которых позволяет изучать наряду с землетрясениями строение Земли, а также выявлять месторождения полезных ископаемых и фиксировать взрывы (например, ядерные).
Основная задача сейсмологии состоит в изучении внутреннего строения Земли. Поэтому очень важно знать, как отклонения от однородности влияют на распространение сейсмических волн. По существу все прямые данные о внутреннем строении Земли получены из наблюдений за распространением упругих волн, возбуждаемых при землетрясениях.
Под сейсмичностью подразумевается географическое распределение землетрясений, их связь со строением земной поверхности и распределение по магнитудам (или энергиям).
Землетрясе́ния - подземные толчки и колебания поверхности Земли, вызванные естественными причинами (главным образом тектоническими процессами) или искусственными процессами (взрывы, заполнение водохранилищ, обрушением подземных полостей горных выработок). Небольшие толчки могут вызывать также подъём лавы при вулканических извержениях.
Ежегодно на всей Земле происходит около миллиона землетрясений, но большинство из них так незначительны, что они остаются незамеченными. Действительно сильные землетрясения, способные вызвать обширные разрушения, случаются на планете примерно раз в две недели. К счастью, большая их часть приходится на дно океанов, и поэтому не сопровождается катастрофическими последствиями (если землетрясение под океаном обходится без цунами).
Землетрясения наиболее известны по тем опустошениям, которые они способны произвести. Разрушения зданий и сооружений вызываются колебаниями почвы или гигантскими приливными волнами (цунами), возникающими при сейсмических смещениях на морском дне.
Причины землетрясений.
Причиной землетрясения является быстрое смещение участка земной коры как целого в момент пластической (хрупкой) деформации упруго напряженных пород в очаге землетрясения. Большинство очагов землетрясений возникает близ поверхности Земли (рис.1). Само смещение происходит под действием упругих сил в ходе процесса разрядки - уменьшения упругих деформаций в объёме всего участка плиты и смещения к положению равновесия. Землетрясение представляет собой быстрый (в геологических масштабах) переход потенциальной энергии, накопленной в упруго-деформированных (сжимаемых, сдвигаемых или растягиваемых) горных породах земных недр, в энергию колебаний этих пород (сейсмические волны), в энергию изменения структуры пород в очаге землетрясения. Этот переход происходит в момент превышения предела прочности пород в очаге землетрясения.
Рис. 1 Современные эпицентры землетрясений и вулканов на Земле.
Предел прочности пород земной коры превышается в результате роста суммы сил, действующих на неё:
Силы вязкого трения мантийных конвекционных потоков о земную кору;
Архимедовой силы, действующей на легкую кору со стороны более тяжелой пластичной мантии;
Лунно-солнечных приливов;
Изменяющегося атмосферного давления.
В момент землетрясения потенциальная энергия упругой деформации в очаге землетрясения быстро (почти мгновенно) снижается до минимальной остаточной (чуть ли не до нуля). А в окрестностях очага за счёт сдвига во время землетрясения плиты как целого упругие деформации несколько увеличиваются. Поэтому и случаются часто в окрестностях главного повторные землетрясения - афтершоки. Точно так же малые «предварительные» землетрясения - форшоки - могут спровоцировать большое в окрестностях первоначального малого землетрясения. Большое землетрясение (с большим сдвигом плиты) может вызвать последующие индуцированные землетрясения даже на удаленных краях плиты.
Глубокофокусные землетрясения, очаги которых располагаются на глубинах до 700 км от поверхности, происходят на конвергентных границах литосферных плит и связаны с субдукцией.
Сейсмические волны и их измерение
Скольжению пород вдоль разлома вначале препятствует трение. Вследствие этого, энергия, вызывающая движение, накапливается в форме упругих напряжений пород. Когда напряжение достигает критической точки, превышающей силу трения, происходит резкий разрыв пород с их взаимным смещением; накопленная энергия, освобождаясь, вызывает волновые колебания поверхности земли - землетрясения. Землетрясения могут возникать также при смятии пород в складки, когда величина упругого напряжения превосходит предел прочности пород и они раскалываются, образуя разлом.
Сейсмические волны, порождаемые землетрясениями, распространяются во все стороны от очага подобно звуковым волнам. Точка, в которой начинается подвижка пород называется фокусом, очагом или гипоцентром, а точка на земной поверхности над очагом - эпицентром землетрясения . Ударные волны распространяются во все стороны от очага, по мере удаления от него их интенсивность уменьшается. Скорости сейсмических волн могут достигать 8 км/с.
Типы сейсмических волн.
Сейсмические волны делятся на волны сжатия и волны сдвига.
Волны сжатия, или продольные сейсмические волны , вызывают колебания частиц пород, сквозь которые они проходят, вдоль направления распространения волны, обуславливая чередование участков сжатия и разрежения в породах. Скорость распространения волн сжатия в 1,7 раза больше скорости волн сдвига, поэтому их первыми регистрируют сейсмические станции. Волны сжатия также называют первичными (P-волны). Скорость P-волны равна скорости звука в соответствующей горной породе. При частотах P-волн, больших 15 Гц, эти волны могут быть восприняты на слух как подземный гул и грохот.
Волны сдвига, или поперечные сейсмические волны, заставляют частицы пород колебаться перпендикулярно направлению распространения волны. Волны сдвига также называют вторичными (S-волны).
Существует ещё третий тип упругих волн - длинные или поверхностные волны(L-волны). Именно они вызывают самые сильные разрушения.
Сейсмограф
Впервые инструментальные наблюдения появились в Китае, где в 132 Чан Хен изобрел сейсмоскоп, представлявший собой искусно сделанный сосуд. На внешней стороне сосуда, с размещенным внутри маятником, по кругу были выгравированы головы драконов, держащих в пасти шарики. При качании маятника от землетрясения один или несколько шариков выпадали в открытые рты лягушек, размещенных у основания сосудов таким образом, чтобы лягушки могли их проглотить (рис.2).
Рис. 2 . Сейсмоскоп Чан Хена.
Современный сейсмограф представляет собой комплект приборов, регистрирующих колебания грунта при землетрясении и преобразующих их в электрический сигнал, записываемый на сейсмограммах в аналоговой и цифровой форме. Однако, по-прежнему, основным чувствительным элементом служит маятник с грузом (рис.3).
Рис. 3 Сейсмограф.
Сейсмическая служба
Постоянные наблюдения за землетрясениями осуществляются сейсмической службой. Современная мировая сеть насчитывает св. 2000 стационарных сейсмических станций, данные которых систематически публикуются в сейсмологических бюллетенях и каталогах. Кроме стационарных станций используются экспедиционные сейсмографы, в т. ч. устанавливаемые на дне океанов. Экспедиционные сейсмографы засылались также на Луну (где 5 сейсмографов ежегодно регистрируют до 3000 лунотрясений), а также на Марс и Венеру.
Виды землетрясений
Тектонические
Тектонические землетрясения возникают вследствие внезапного снятия напряжения, например, при подвижках по разлому в земной коре (исследования последних лет показывают, что причиной глубоких землетрясений могут быть и фазовые переходы в мантии Земли, происходящие при определенных температурах и давлениях). горизонтальное смещение – 6 м. Максимальная зарегистрированная величина сейсмогенных смещений по разлому 15 м.
Рис. 4. Механизм тектонического землетрясения
Рис.5 Последствия тектонических землетрясения
Иногда глубинные разломы выходят на поверхность. Во время катастрофического землетрясения в Сан-Франциско 18 апреля 1906 общая протяженность поверхностных разрывов в зоне разлома Сан-Андреас составила более 430 км.
Рис.6 Разлом Сан-Андреас
Вулканические
Вулканические землетрясения - разновидность землетрясений, при которых землетрясение возникает в результате высокого напряжения в недрах вулкана. Причина таких землетрясений - лава, вулканический газ. Землетрясения этого типа слабы, но продолжаются долго, многократно - недели и месяцы. Тем не менее, опасности для людей этого вида землетрясение не представляет.
Рис. 5. Вулканизм
Техногенные
В последнее время появились сведения, что землетрясения могут вызываться деятельностью человека. Так, например, в районах затопления при строительстве крупных водохранилищ, усиливается тектоническая активность - увеличивается частота землетрясений и их магнитуда. Это связано с тем, что масса воды, накопленная в водохранилищах, своим весом увеличивает давление в горных породах, а просачивающаяся вода понижает предел прочности горных пород. Аналогичные явления происходят при выемке больших количеств породы из шахт, карьеров, при строительстве крупных городов из привозных материалов.
Рис. Последствия техногенного воздействия (Техногенные землетрясения)
Обвальные
Землетрясения также могут быть вызваны обвалами и большими оползнями. Такие землетрясения называются обвальными, они имеют локальный характер и имеют небольшую силу.
Рис. Последствия Обвального землетрясения
Сейсмическая волна
Объемные волны и поверхностные волны
Сейсмические волны - волны энергии, которые путешествуют по земле или другим упругим телам в результате процесса, производящего низкочастотную акустическую энергию (землетрясение, взрыв и т. д.). Сейсмические волны изучаются сейсмологами и геофизиками. Их изучают при помощи сейсмографа , геофона, гидрофона или акселерометра .
Скорость распространения волн зависит от плотности и упругости среды. Скорость имеет тенденцию к росту по мере углубления, в земной коре она составляет 2-8 км/с, а при углублении до мантии - 13 км/с.
Землетрясения создают разные типы сейсмических волн с разной скоростью. Волна фиксируется на ряде сейсмологических станций, и по разнице во времени учёные вычисляют эпицентр. В геофизике преломление или отражение сейсмических волн используется для изучения глубин Земли, искусственные волны используются для исследования подземных структур.
Типы сейсмических волн
Есть два главных типа: объёмные волны и поверхностные волны. Кроме описанных ниже есть и другие, менее значимые типы волн, которые вряд ли можно встретить на Земле, но они имеют важное значение в астросейсмологии.
Объёмные волны
Они проходят через недра Земли. Путь волн преломляется различной плотностью и жёсткостью подземных пород.
P-волны
P-волны (первичные волны) - продольные, или компрессионные волны. Обычно их скорость в два раза быстрее S-волн, проходить они могут через любые материалы. В воздухе они принимают форму звуковых волн, и, соответственно, их скорость становится равной скорости звука. Стандартная скорость P-волн - 330 м/с в воздухе, 1 450 м/с в воде и 5 000 м/с в граните.
S-волны
S-волны (вторичные волны) - поперечные волны. Они показывают, что земля смещается перпендикулярно к направлению распространения. В случае горизонтально поляризованных S-волн земля движется то в одну сторону, то в другую попеременно. Волны этого типа могут действовать только в твёрдых телах.
Поверхностные волны
Поверхностные волны несколько похожи на волны воды, но в отличие от них они путешествуют по земной поверхности. Их обычная скорость значительно ниже скорости волн тела. Из-за своей низкой частоты, времени действия и большой амплитуды они являются самыми разрушительными изо всех типов сейсмических волн. Они бывают двух типов: волны Рэлея и волны Лява .
P- и S-волны в мантии и ядре
Когда происходит землетрясение, сейсмографы вблизи эпицентра записывают S- и P-волны. Но на больших расстояниях обнаружить высокие частоты первой S-волны невозможно. Поскольку поперечные волны не могут проходить через жидкости, на основании этого явления Ричард Диксон Олдхэм выдвинул предположение, что Земля имеет жидкое внешнее ядро. По этому виду исследования в дальнейшем было выдвинуто предположение, что у Луны твёрдое ядро, но недавние геодезические исследования показывают, что оно ещё расплавлено.
Использование P- и S- волн для локации землетрясения
В случае локальных или близлежащих землетрясений разница прибытия P- и S- волн может использоваться для обнаружения дистанции от события. В случае глобальных землетрясений четыре или более наблюдательных станций, синхронизированных по времени, записывают время прибытия P-волн. На основе этих данных можно вычислить эпицентр в любой точке планеты. Для определения гипоцентра используется больший объем данных (десятки или сотни записей прибытия P-волн с сейсмических станций).
Самый простой способ узнать место землетрясения в радиусе 200 км - это высчитать разницу в прибытии P- и S- волн в секундах и умножить ее на 8. Но на телесейсмических дистанциях этот способ не подходит потому, что высока вероятность того, что сейсмические волны углубились до мантии Земли и преломились, изменив свою скорость .
Ссылки
| Это заготовка статьи по |
