Сейсмические волны

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сейсмические волны

Введение

Эпицентры землетрясений (1963--1998)

Последствия катастрофического землетрясения в Сан-Франциско, США в 1906 году.

Люди осматривают руины после цунами, которое возникло в результате подводного землетрясения.

Последствия землетрясения в Японии - произошёл разлом дороги.

Землетрясения - подземные толчки и колебания поверхности Земли, вызванные естественными причинами (главным образом тектоническими процессами), или (иногда) искусственными процессами (взрывы, заполнение водохранилищ, обрушение подземных полостей горных выработок). Небольшие толчки могут вызываться также подъёмом 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. 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.

Международная сеть наблюдений за землетрясениями регистрирует даже самые удалённые и маломощные из них.

Причиной землетрясения является быстрое смещение участка земной коры как целого в момент пластической (хрупкой) деформации упруго напряжённых пород в очаге землетрясения. Большинство очагов землетрясений возникает близ поверхности Земли.

Сейсмические волны и их измерение

Сейсмичность Земли - подверженность Земли или отдельных её территорий землетрясениям. Характеризуется территориальным распределением очагов землетрясений различной энергии, оцениваемой магнитудой или по шкале энергетических классов, интенсивностью их проявления по поверхности в баллах, частотой сейсмических событий и другими характеристиками землетрясений.

Cейсмические волны-- колебания, распространяющиеся в Земле от природных (землетрясений, извержений вулканов, обвалов в карстовых полостях, горных ударов и др.) или искусственных (взрывов, вибраторов, пневматических, газодинамических, электроискровых, гидравлических) источников. Частотный диапазон сейсмических волн от 0,0001 Гц до 100 Гц. Вблизи очагов сильных землетрясений сейсмические волны обладают разрушительной силой, на значительных расстояниях от источников их интенсивность уменьшается вследствие затухания. Для регистрации сейсмических волн используются сейсмографы.

Сильные землетрясения происходят в основном в пределах протяжённых сейсмических поясов, а также в районах срединно-океанического хребтов и континентальных рифтовых зон. Существует также важная категория т.н. внутриплитовых землетрясений, происходящих в платформенных районах континентов (например, район Газли, Узбекской CCP). Наибольшей активностью характеризуется Тихоокеанский пояс, на который приходится свыше 75% всей сейсмической энергии Земли, и Альпийско-Гималайский пояс - около 20%. Большая часть сейсмической энергии выделяется при землетрясениях, очаги которых расположены на глубинах, не превышающих несколько десятков км.

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

Процессы в очаге землетрясения в основном недоступны для прямых измерений. Поэтому для определения местоположения сейсмических очагов и изучения их свойств используется регистрация излучаемых при землетрясении объёмных сейсмических волн (продольная R и поперечная S), а также возбуждённых ими в земной коре поверхностных волн (в том числе волны Лява LQ и Рэлея LR). По наблюдениям сейсмических станций определяют то место (точку), где началось вспарывание разрыва (а если вспарывание было прерывистым, то и места остановок вспарывания). Эта точка называется гипоцентром землетрясения, проекция гипоцентра на поверхность Земли - эпицентром землетрясения.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.

Измерение силы и воздействий землетрясений

Для оценки и сравнения землетрясений используются шкала магнитуд и шкала интенсивности. сейсмический тектонический землетрясение

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. Землетрясение с магнитудой 2 едва ощутимо, тогда как магнитуда 7 отвечает нижней границе разрушительных землетрясений, охватывающих большие территории. 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 землетрясений 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) - колебание почвы отмечаемые прибором

2. балла (очень слабое) - землетрясения ощущается в отдельных случаях людьми, находящимися в спокойном состоянии;

3. балла (слабое) - колебание отмечается немногими людьми;

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 здании; 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 продвижение трещин может достигать 2 км/с;

10. баллов (уничтожающее) - обвалы во многих зданиях; в других - серьезные повреждения. Трещины в грунте до 1 м шириной, обвалы, оползни. За счет завалов речных долин возникают озера;

11. баллов (катастрофа) - многочисленные трещины на поверхности Земли, больше обвалы в горах. Общее разрушение зданий;

12. баллов (сильная катастрофа) - изменение рельефа в больших размерах. Огромные обвалы и оползни. Общее разрушение зданий и сооружений.

Процессы, происходящие при сильных землетрясениях

Землетрясение начинается с разрыва и перемещения горных пород в каком-нибудь месте в глубине Земли. Это место называется очагом землетрясения или гипоцентром. Глубина его обычно бывает не больше 100 км, но иногда доходит и до 700 км. По глубине очага различают: нормальные - 70-80 км, промежуточные - 80-300 км, глубокие - > 300 км. Иногда очаг землетрясения может быть и у поверхности Земли. В таких случаях, если землетрясение сильное, мосты, дороги, дома и другие сооружения оказываются разорванными и разрушенными.

Место разрушения пород называют гипоцентром или очагом землетрясения (фокус). Проекция гипоцентра на земную поверхность называется эпицентром, а расстояние от эпицентра до некоторой точки земной поверхности - эпицентральным расстоянием.

Максимально известная длина разломов, вспарывавшихся при землетрясении, находится в диапазоне 500-1000 км (Камчатское землетрясение, 1952; Чилийское, 1960, и др.), крылья разлома смещались при этом до 10 м. Пространственная ориентация разлома и направление смещения его крыльев получили название механизма очага землетрясения.

Рисунок 1 Распространение волн цунами

Подводные землетрясения являются причиной цунами, длинных волн, порождаемых мощным воздействием на всю толщу воды в океане, во время которых происходит резкое смещение (поднятие или опускание) участка морского дна. Цунами образуются при землетрясении любой силы, но большой силы достигают те, которые возникают из-за сильных землетрясений (более 7 баллов).

Участок земли, в пределах которого на поверхности, над очагом, сила подземных толчков достигает наибольшей величины, называется эпицентром.

В одних случаях пласты земли, расположенные по сторонам разлома, надвигаются друг на друга. В других - земля по одну сторону разлома опускается, образуя сбросы. В местах, где они пересекают речные русла, появляются водопады. Своды подземных пещер растрескиваются и обрушиваются. Бывает, что после землетрясения большие участки земли опускаются и заливаются водой. Подземные толчки смещают со склонов верхние, рыхлые слои почвы, образуя обвалы и оползни. Во время землетрясения в Калифорнии в 1906 году образовалась глубокая трещина на поверхности. Она протянулась на 450 километров[источник не указан 781 день].

Понятно, что резкое перемещение больших масс земли в очаге должно сопровождаться ударом колоссальной силы. За год жители Земли могут ощущать около 10 000 землетрясений. Из них примерно 100 бывают разрушительными.

Измерительные приборы

Сейсмограф

Для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн используются специальные приборы - сейсмографы. В большинстве случаев сейсмограф имеет груз с пружинным прикреплением, который при землетрясении остаётся неподвижным, тогда как остальная часть прибора (корпус, опора) приходит в движение и смещается относительно груза. Одни сейсмографы чувствительны к горизонтальным движениям, другие - к вертикальным. Волны регистрируются вибрирующим пером на движущейся бумажной ленте. Существуют и электронные сейсмографы (без бумажной ленты).

Станция прогнозирования землетрясений ATROPATENA

Станция Atropatena Кристалл (Kh10) - Технологический бренд (Азербайджан)

Станция прогнозирования ATROPATENA, автоматически и автономно регистрирующая трехмерные колебания и передающая эту информацию в Центральную Базу Данных, размещенную в США (La Habra). Одним из принципиальных отличий новой технологии прогнозирования землетрясений является то, что во время прогноза указывается не только место, сила и время, но и число прогнозируемых сильных землетрясений. На основе анализа и интерпретации записей "гравитограмм" по специальной методике НИИ прогнозирования и изучения землетрясений выдает краткосрочный прогноз сильных землетрясений (за 3-7 дней до толчка)

Другие виды землетрясений

Вулканические землетрясения

Вулкан - это место выхода магмы или грязи на поверхность из жерла. Помимо этого, возможно излияние магмы по трещинам и выход газов после извержения вне вулкана. Вулканом также называют форму рельефа, возникшего при накоплении вулканического материала.

Вулканизм - совокупность процессов, связанных с появлением магмы на поверхности Земли. Если магма появляется на поверхности, то это эффузивное извержение, а если она остается на глубине - это интрузивный процесс.

Если магматические расплавы вырывались на поверхность, то происходили извержения вулканов, носившие в основном спокойный характер. Такой тип магматизма называют эффузивным.

Нередко извержения вулканов носят взрывной характер, при котором магма не изливается, а взрывается, и на земную поверхность выпадает остывшие продукты расплава, включая застывшие капельки вулканического стекла. Подобные извержения называют эксплозивными.

Магма - это расплав силикатов, находящихся в глубинных зонах сферы или мантии. Она образуется при определенных значениях давления и температуры и с химической точки зрения представляет собой расплав, который содержит в своем составе кремнезем (Si), кислород (O2) и летучие вещества, присутствующие в виде газа (пузырьков) либо растворе и расплаве.

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.

Техногенные землетрясения

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 добыче нефти и газа (произошла серия землетрясений с магнитудой до 5 на Ромашкинском месторождении нефти в Татарстане) и выемке больших количеств породы из шахт, карьеров, при строительстве крупных городов из привозных материалов.

Обвальные землетрясения Землетрясения также могут быть вызваны обвалами и большими оползнями. Такие землетрясения называются обвальными, они имеют локальный характер и небольшую силу.

Землетрясения искусственного характера Землетрясение может быть вызвано и искусственно: например, взрывом большого количества взрывчатых веществ или же при подземном ядерном взрыве (тектоническое оружие). Такие землетрясения зависят от количества взорванного вещества. К примеру, при испытании КНДР ядерной бомбы в 2006 году произошло землетрясение умеренной силы, которое было зафиксировано во многих странах.

О прогнозе землетрясений

Многочисленные свидетельства из разных частей света говорят, что многие животные (собаки, куры, свиньи, крысы и т. п.) проявляют признаки беспокойства за несколько часов до землетрясения, местные жители в сейсмоопасных районах доверяют этим признакам.

В конце прошлого века группа известных западных сейсмологов провела сетевые дебаты, главным вопросом которых был "Является ли достоверный прогноз индивидуальных землетрясений реалистичной научной целью?". Все участники дискуссии, несмотря на значительные расхождения в частных вопросах, согласились с тем, что:

1. детерминистические предсказания отдельных землетрясений с точностью, достаточной для того, чтобы можно было планировать программы эвакуации, нереальны;

2. по крайней мере некоторые формы вероятностного прогноза текущей сейсмической опасности, основанные на физике процесса и материалах наблюдений, могут быть оправданы.

Даже если бы точность измерений и несуществующая пока физико-математическая модель сейсмического процесса дали возможность с достаточной точностью определить место и время начала разрушения участка земной коры, магнитуда будущего землетрясения остаётся неизвестной. Дело в том, что все модели сейсмичности, воспроизводящие график повторяемости землетрясений, содержат тот или иной стохастический генератор, создающий в этих моделях динамический хаос, описываемый лишь в вероятностных терминах. Более явно источник стохастичности качественно можно описать следующим образом. Пусть распространяющийся во время землетрясения фронт разрушения подходит к участку повышенной прочности. От того, будет разрушен этот участок или нет, зависит магнитуда землетрясения. Например, если фронт разрушения пройдёт дальше, землетрясение станет катастрофическим, а если нет, останется небольшим. Исход зависит от прочности участка: если она ниже некоторого порога, разрушение пойдет по первому сценарию, а если выше, по второму. Возникает "эффект бабочки": ничтожно малое различие в прочности или напряжениях приводит к макроскопическим последствиям, которые нельзя предсказать детерминистически, поскольку это различие меньше любой точности измерений. А предсказание места и времени землетрясения с неизвестной и, возможно, вполне безопасной магнитудой не имеет практического смысла, в отличие от расчёта вероятности того, что сильное землетрясение произойдет.

Тем не менее, китайские учёные, казалось бы, достигли огромных успехов в предсказании землетрясений - они в течение нескольких лет осуществляли мониторинг наклона поверхности, уровня грунтовых вод, а также содержание радона (газа) в горных породах. По предположению исследователей, все эти параметры, кроме сезонных изменений, а также многолетних тенденций, должны резко меняться за несколько недель или месяцев перед крупным землетрясением. Учёные предсказали землетрясение 4 февраля 1975 года в густонаселённом Ляонине, жертвами которого могли бы стать миллионы человек. Однако вскоре, как по иронии судьбы, случилось таншаньское землетрясение (8,2 по Рихтеру) 27 июля 1976 года, которое предсказано не было, и количество жертв (более 650 тысяч) было одним из самых больших в истории наблюдений.

Примечания

1. Google карта мира и недавние землетрясения - www.map-me.de/sample_earthquake.php

2. Геологический словарь, "Недра", М., 1973

Литература

1. Завьялов А.Д. Среднесрочный прогноз землетрясений: основы, методика, реализация. // М.: Наука, 2006, 254 с.

2. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993. 312 с.

3. Болт Б.А. Землетрясения. М.: Мир, 1981. 256 с.

4. Юнга С.Л. Методы и результаты изучения сейсмотектонических деформаций. М.: Наука, 1990. 191 с.

5. Мячкин В.И. Процессы подготовки землетрясения. М.: Наука, 1978. 232 с.

6. Моги К. Предсказание землетрясений. М.: Мир, 1988. 382 с.

7. Зубков С.И. Предвестники землетрясений. // М.: ОИФЗ РАН. 2002, 140 с.

8. Рихтер Г.Ф. Элементарная сейсмология. М., 1963

Размещено на Allbest.ru