Ранние объяснения причин землетрясений

Зона землетрясений  окружающая Тихий океан, называется Тихоокеаническим поясом: здесь происходит около 90% всех землетрясений земного шара. Другой район высокой сейсмичности, включающий 5-6% всех землетрясений, - это Альпийский пояс, протягивающийся от Средиземноморья на восток через Турцию, Иран и Северную Индию. Остальные 4-5% землетрясений происходят вдоль срединно-океанических хребтов или внутри плит.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Механизм  землетрясений и их классификация

 

Горообразовательные, вулканические и сейсмические процессы географически тяготеют друг к другу. Однако во времени они происходят, как правило, не одновременно и всегда с разной продолжительностью. Кроме того, есть районы с резко выраженной только сейсмической активностью. Например, многие Средней Азии отличаются высокой сейсмичностью, но не имеют вулканов. На Камчатке и в Чили вулканы и землетрясения проявляются на одной и той же территории, но редко одновременно.

Многие из сейсмологов, говоря о механизме землетрясений, придерживаются теории упругого высвобождения  или упругой отдачи. Они связывают возникновение землетрясений с внезапным высвобождением энергии упругой деформации. В результате длительных движений в районе разлома и накопления в связи с этим напряжений, достигающих предельных для прочности пород величины, происходит разрыв или срез этих пород с внезапным быстрым смещением – упругой отдачей, вследствие чего и возникают сейсмические волны. Таким образом, очень медленные и длительные тектонические движения при землетрясении переходят в сейсмические движения, отличающиеся большой скоростью, что происходит в результате быстрой “ разрядки”, накопленной упругой энергии. Это разрядка происходит всего за 10-15 секунд (редко за 40-60 секунд).

При зарождении землетрясения происходит разрушение породы на ограниченном участке, расположенном на определенной глубине от поверхности Земли. В связи с возникшем ослаблением происходит развитие дислокации на очаг или гипоцентральную часть область землетрясения. Разрушение произойдет там, где порода наименее прочна,а это может быть в разломах между блоками. В силу каких-то глубинных процессов отдельные участки коры поднимаются или опускаются. При медленном смещении в земной коре происходят пластические деформации. При более быстрых движениях и при большем их градиенте напряжения, возникающие в коре, не успевая рассасываться, достигают величин, при которых в данных условиях происходит нарушение сплошности – либо по готовому, отчасти уже залечившемуся разрыву, либо с образованием нового. С увеличением глубины возрастают всесторонние сжимающие напряжения, и поэтому возникают большие силы трения, препятствующие быстрому разрушению. Возможно по этой причине глубокофокусные землетрясения отличаются большой энергией и продолжительностью.

В настоящее  время наиболее распространены две  модели распространения сил, вызывающих разрыв в очаге. Первая основана на предположении действия в очаге пары сил, вызывающих касательные усилия вдоль линии разрыва и момент; согласно второй модели в зоне очага существуют две взаимно перпендикулярных пары сил.

Кроме землетрясений, вызванных тектоническими движениями в земной коре и в верхних слоях  мантии, существуют два других типа землетрясений, происходящих вследствие извержения вулканов и карстовых  явлений, которые очень локальны, редки и обладают малой силой. Землетрясения могут быть вызваны искусственным путем, например при подземном взрыве. Колебания поверхности могут земли могут быть вызваны и работой промышленного оборудования, движением транспорта и т. д. При использовании чувствительной аппаратуры можно убедиться, что поверхность земли постоянно колеблется; эти колебания очень малы и по этой причине называются микросейсмическими. Наличие микросейсм позволяет извлечь очень полезную информацию как для сейсмологов, так и для инженеров- строителей.

Таким образом, в широком смысле под термином землетрясение можно понимать любые сотрясения поверхности Земли. В более узком смысле под землетрясением понимается кратковременное сотрясение поверхности Земли, вызванное сейсмическими волнами, возникшими при местном нарушении сплошности с внезапным выделением в недрах коры или верхней мантии (на глубину примерно до 700 км) упругой энергии.

В какой-то момент землетрясения возникает препятствие  взаимному смещению блоков вдоль  образовавшихся швов – частично восстанавливаются связи разорванного шва, которыми могут служить силы трения (их появление возможно на сжатых участках), зацепления на поверхностях. Не освободившаяся часть энергии вызывает в новых связях напряжения, которые через некоторое время преодолеют их сопротивление, возникает новый разрыв и новый толчок, однако меньшей силы, чем в момент основного землетрясения. Этих повторных толчков – афтершоков – после сильного землетрясения бывает обычно до нескольких сотен и происходят они в течение нескольких месяцев, постепенно ослабевая. Процесс ослабления толчков во времени не равномерен. Отдельные афтершоки по силе могут приближаться к силе основного землетрясения. Иногда землетрясениям предшествуют слабые толчки – форшоки.

В тех случаях  когда землетрясения или вулканы  происходят под дном океанов, они возбуждают морские волны, которые, достигая берегов суши и встречая их сопротивление поднимаются на высоту до нескольких десятков метров. Такие волны – цунами (по японски “цу” – порт, “нами” – волна) – временами приносят прибрежным районам большие беды.

Различают две  группы сейсмических волн – объемные и поверхностные. Слагающие Землю  горные породы упруги и поэтому могут  деформироваться и испытывать колебания  при резком приложении давления (нагрузок). Внутри объема горных пород распространяются объемные волны. Они делятся на два типа: продольные и поперечные. Продольные волны в теле Земли, как и привычные нам звуковые в воздухе, попеременно сжимают и растягивают вещество горных пород в направлении своего движения. Волны другого типа колеблют среду, через которую они проходят, поперек пути своего движения. Именно они-то, выходя на поверхность, раскачивают из стороны в сторону и вверз-вниз все на земле находящееся, приводя к наибольшим разрушениям. Именно потому, что поверхность твердой Земли – это граница с гораздо менее плотной средой, воздушной (ее называют свободной поверхностью), на земной поверхности объемные сейсмические волны могут свободнее “разгуляться”, что обычно и происходит. Этому способствует и свойства приповерхностных грунтов.

Очень важны  свойства разных групп и типов  сейсмических волн, особенно скорость их прохождения через горные породы. Обычно она измеряется несколькими  километрами в секунду и следовательно, на разных расстояниях от очага( гипоцентра и эпицентра) приход волн и ощущается и регистрируется неодновременно. На этом свойстве основано определение координат эпицентра по записям прихода волн на удаленные сейсмические станции. Не менее важны различие в скоростях отдельных групп и типов волн. Так поверхностные волны распространяются медленнее объемных и, следовательно, приходят в пункты наблюдения позднее. В группе объемных поперечные волны распространяются в среднем в 1,75 раза медленнее продольных. Отсюда понятно, почему оказавшиеся в эпицентральной области сильного землетрясения люди часто попадают во власть волн: их толкает, качает, трясет в разных направлениях с разными ускорениями.

Очевидцы нередко  “слышат” землетрясения в буквальном смысле слова. Продольные волны сходны со звуковыми. При определенной частоте колебаний (в диапазоне слышимых волн, то есть более 15 герц) они при выходе на поверхность и становятся звуковыми волнами. Если вспомнить, что продольные волны распространяются быстрее, а поперечные нередко несут главные разрушения, легко понять, почему гул может слышаться перед землетрясением. Тут много зависит и от спектров излучения.

Землетрясения классифицируются в зависимости  от глубины расположения их очага. Они  делятся на следующие три типа1)нормальные- с глубиной очага 0-70 км;2) промежуточные – 70-300 км;3) глубокофокусные – более 300 км.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Прогноз землетрясений

 

Заинтересованность  правительственных учреждений в  прогнозе землетрясений исключительно  велика – тысячи человеческих жизней могут быть спасены, если предсказания окажутся точными. Целые города могут эвакуированы зря, если оно окажется ложным. Из-за многих неопределенностей, связанных с землетрясениями удачное их предсказание бывает весьма редким. Тем не менее возможность точного предсказания настолько заманчива, что сегодня сотни ученых, в основном в США, Японии, Китае и России, заняты исследованиями по прогнозу землетрясений.

В качестве возможной  основы прогноза принят целый ряд  признаков. Наиболее важны и надежны  из них следующие:

1. статистические методы,
2. выделение сейсмически активных зон, которые долго не испытывали землетрясения,
3. изучение быстрых смещений земной коры,
4. исследование изменений соотношений скорости продольных и поперечных волн,
5. изменения магнитного поля и электропроводности горных пород,
6. изменения в составе газов, поступающих из глубин,
7. регистрация предваряющих толчков “форшоков”,
8. исследование распределения очагов во времени и пространстве.

Статистические  методы просты. Они основаны на анализе  сейсмологической истории района: данных о числе, размерах и частоте повторения землетрясений. Предполагая, что сейсмичность района не меняется с течением времени, можно по этим данным оценить вероятность будущих землетрясений. Чем длиннее период времени, за который имеем сведения о землетрясениях, тем точнее будет прогноз.

В Калифорнии сведения о землетрясениях собраны примерно за 200 лет, а в Китае имеются  данные более чем за 2000 лет.

Статистическое  изучение сейсмического режима позволило  ввести понятия сейсмического цикла  и так называемых зон затишья  – зон в сейсмически активных районах, где в течение длительного времени наблюдается слабая сейсмическая активность. Средняя длительность сейсмического цикла равна примерно 140 годам – время между сильнейшими сейсмическими событиями в одном месте. Зоны затишья – места накопления максимальной упругой энергии, где возможно ожидать сильное землетрясение. Это явилось основой долгосрочного сейсмического прогноза..

Если известна частота, с которой землетрясения  происходили в прошлом, можно  сделать обобщенный статистический вывод о вероятности землетрясения в будущем.

Статистические  прогнозы не помогают предсказать конкретное место и конкретное время землетрясения. Таким образом, они не очень полезны  с точки зрения предварительных  мероприятий по безопасности. С другой стороны они имеют огромное значение для инженеров, которые должны проектировать сооружения со сроком существования 50-100 лет.

Принцип другого  метода – выделение сейсмически  активных зон без землетрясений  – логичен. В его основе определение  в сейсмически активных зонах участков, где долго не было толчков и где, следовательно, долго не происходило разрядки энергии. Именно там можно ожидать катастрофическое землетрясение. Этот метод правилен и проверен, однако для точного прогноза не представляет. Он не позволяет назвать ни день, ни неделю, ни месяц, когда произойдет событие. Но это не означает, что такого рода исследования не имеют значения: это обеспечит в угрожаемых местах своевременную подготовку и должно учитываться во всех нормативах при возведении зданий и промышленных объектов.

О готовящемся  землетрясении может свидетельствовать  и увеличение скорости движения земной коры. Этот метод исследований используется в России, Японии, Соединенных Штатах Америки. Перед некоторыми землетрясениями  земная поверхность быстро поднималась (быстро в геологическом смысле, со скоростью несколько миллиметров в год), затем движения прекращались, и происходило разрушительное землетрясение.

Много внимания уделяют методу исследования соотношения  скорости продольных и поперечных волн. Скорость сейсмических волн зависит от напряженного состояния горных пород, через которые волны распространяются, а также от содержания воды и других физических характеристик пород. В той степени, в какой изменения этих физических характеристик являются предвестниками землетрясений, можно рассматривать в качестве предвестников и скорости сейсмических волн. Скорости волн измеряются с помощью небольших взрывов в скважинах; при этом возбуждаются сейсмические волны, которые записываются близлежащими станциями. Продольные волны распространяются со скоростью приблизительно в 1,75 раза больше, чем поперечные. Перед землетрясением скорость продольных волн уменьшается, и это соотношение выражается цифрой 1,5. Подобное явление отмечается за несколько месяцев до сейсмического события. Непосредственно перед землетрясением указанное соотношение возвращается к “правильной цифре”. Этот метод проверен экспериментально.