Геофизические процессы, стоящие за землетрясениями и их воздействием

Каждый год Земля испытывает сотни тысяч землетрясений, начиная от незаметных подземных толчков и заканчивая катастрофическими разрывами, которые меняют ландшафты и уносят жизни. Эти сейсмические события являются результатом сложного взаимодействия геофизических процессов, действующих глубоко в литосфере планеты. Понимание механизмов, которые вызывают землетрясения, и полный спектр их человеческих, экономических и экологических последствий имеет важное значение для создания устойчивых сообществ и снижения риска. Эта статья обеспечивает всестороннее изучение фундаментальной науки о землетрясениях, их разнообразных проявлениях и далеко идущих последствиях, которые они накладывают во всем мире, включая текущие исследования и практические идеи.

Что такое землетрясение?

Землетрясение — это внезапное сотрясение поверхности Земли, вызванное быстрым высвобождением накопленной энергии в литосфере. Это высвобождение энергии производит сейсмические волны, которые излучаются наружу во всех направлениях и могут перемещаться на тысячи километров от их источника. Точная точка внутри Земли, где начинается разрыв, называется гипоцентром или фокусом , в то время как точка на поверхности Земли непосредственно над ней называется эпицентром .

Сейсмические волны, генерируемые землетрясениями, классифицируются по их характеристикам распространения:

  • P-волны (первичные или компрессионные волны): Это самые быстрые сейсмические волны, проходящие через твердые тела, жидкости и газы. Они прибывают сначала на сейсмические станции и вызывают чередующееся сжатие и расширение грунта.
  • S-волны (вторичные или сдвиговые волны): Медленнее, чем P-волны, S-волны проходят только через твердые тела и перемещают землю перпендикулярно направлению волны, вызывая более интенсивное встряхивание.
  • Поверхностные волны (волны любви и Рэлея): Эти волны проходят по поверхности Земли и обычно прибывают после волн P и S. Они имеют большие амплитуды и более длительные периоды, что делает их основной причиной структурных повреждений во время землетрясений.

Сочетание этих волн приводит к сложным паттернам встряхивания, ощущаемым во время сейсмических событий, с интенсивностями в зависимости от магнитуды землетрясения, глубины и местных геологических условий.

Тектонические причины землетрясений

Тектоника плит и разлом

Внешняя оболочка Земли, или литосфера, раздроблена на около десятка крупных тектонических плит, которые плавают на более пластичной астеносфере под ними. Эти плиты движутся относительно друг друга со скоростью, обычно измеряемой в сантиметрах в год, обусловленной конвекцией мантии, тягой плит и силами толчка хребта. Границы, где пластины взаимодействуют, являются динамическими зонами, где большинство землетрясений происходят из-за накопления и высвобождения тектонического напряжения.

Существует три основных типа границ плит, где происходят различные процессы землетрясений:

  • Разнонаправленные границы:] Здесь тектонические плиты отдаляются друг от друга, вызывая напряжение, которое разрывает кору. Магма поднимается, чтобы заполнить пробел, создавая новую океаническую кору, как видно на срединно-океанических хребтах, таких как Срединно-Атлантический хребет. Землетрясения в этих зонах имеют тенденцию быть мелкими и умеренными по размеру.
  • Сходящиеся границы: На этих границах плиты сталкиваются или одна пластина подводит под другую, создавая компрессионное напряжение, которое приводит к тяге и обратному разлому. Зоны субдукции производят самые мощные зарегистрированные землетрясения, такие как землетрясение Суматра-Андаман 2004 года (магнитуда 9.1), которое также вызвало разрушительные цунами.
  • Планеты горизонтально проскальзывают друг мимо друга по разломам скольжения, накапливая напряжение сдвига.Разлом Сан-Андреас в Калифорнии иллюстрирует этот тип границы и отвечает за частые и иногда большие землетрясения, такие как событие в Сан-Франциско 1906 года.

Сами по себе неисправности классифицируются по относительному движению блоков неисправностей:

  • Обычные неисправности: Возникают там, где кора растягивается, в результате чего висячая стенка движется вниз относительно подножной стенки.
  • Обратные (трусовые) неисправности: Развиваются под компрессионным напряжением с подвешивающей стенкой, движущейся вверх.
  • Неисправности скольжения удара: Характеризуются горизонтальным боковым смещением, вмещающим сдвиговое движение.

Понимание этих механик разломов имеет жизненно важное значение для оценки сейсмических опасностей и прогнозирования потенциального поведения разрыва.

Индуцированная сейсмичность: антропогенные землетрясения

Хотя большинство землетрясений происходят естественным образом, деятельность человека также может вызывать сейсмические события.Это явление, известное как индуцированная сейсмичность , становится все более значительным с расширением промышленных операций, которые изменяют режимы подземного напряжения.

  • Сейсмичность, вызванная водохранилищем: Накопление крупных водохранилищ за плотинами изменяет нагрузку и давление пор в подстилающих породах, иногда вызывая землетрясения. Землетрясение в Кояне 1967 года в Индии магнитудой 6,3 является классическим примером, связанным с заполнением водохранилищ.
  • Добыча полезных ископаемых и раскопки создают пустоты и перераспределение напряжения, которые могут вызвать взрывы пород и незначительные землетрясения.
  • Впрыск сточных вод и гидравлический разрыв: Впрыск жидкостей в глубокие скважины может увеличить давление пор, ослабить разломы и потенциально вызвать сейсмичность. В таких районах, как Оклахома и части Техаса, наблюдается заметное увеличение частоты землетрясений, связанное с этими видами деятельности.

Мониторинг сейсмичности имеет решающее значение для управления рисками, связанными с добычей энергии и инфраструктурными проектами.

Геофизические механизмы: эластичный отскок и за его пределами

Теория эластичного отскока

Фундаментальное объяснение генеза землетрясения приводится теорией эластичного отскока, впервые сформулированной после землетрясения в Сан-Франциско 1906 года. Эта теория описывает, как тектонические силы деформируют породы по обе стороны от разлома, вызывая накопление энергии эластичного напряжения с течением времени. Скалы ведут себя как растянутые эластичные полосы, сохраняя энергию до тех пор, пока напряжение не превысит сопротивление трения вдоль плоскости разлома.

  • Накопление стресса: Непрерывное движение плит медленно изгибает и напрягает камни коры вблизи разломов в течение многих лет до столетий.
  • Инициация разрыва: Когда напряжение превышает силу трения, внезапное скольжение происходит вдоль пятна разлома, высвобождая накопленную энергию.
  • Сейсмическое волновое излучение: Внезапный разрыв порождает упругие волны, которые распространяются по Земле, вызывая тряску на поверхности.

Этот процесс объясняет внезапность землетрясений и выброс энергии, которая производит сейсмические волны. Однако реальные системы разломов проявляют более сложное поведение, в том числе:

  • Поведение скольжения палочек: Неисправности могут оставаться заблокированными в течение длительного времени, накапливая напряжение (палка), а затем резко высвобождать его во время землетрясения (скальзывание).
  • Асейсмический ползучесть: Некоторые сегменты разлома медленно и непрерывно проскальзывают, не создавая значительных сейсмических волн, как это наблюдается на частях разлома Сан-Андреас.

Медленные землетрясения и тектоническое моро

Недавние достижения в сейсмическом мониторинге обнаружили континуум поведения скольжения за пределами классических землетрясений. События медленного скольжения (SSE) высвобождают энергию напряжения в течение нескольких дней или месяцев, практически не встряхивая. Эти события часто происходят на более глубоких интерфейсах разломов в зонах субдукции и могут вызывать или модулировать регулярные землетрясения.

Тектонический тремор — ещё одно недавно задокументированное явление, характеризующееся низкочастотными, длительными сейсмическими сигналами, связанными с SSE. Обнаруженный в зонах субдукции, таких как Каскадия и Япония, тремор даёт новое понимание механики разломов и условий напряжения на глубине.

Эти открытия бросают вызов традиционным сейсмоусловиям и обещают улучшить оценки сейсмической опасности и, возможно, прогнозирование будущего.

Измерение и характеристика землетрясений

Сейсмологи используют инструменты, называемые сейсмографами , для обнаружения и записи движений земли, вызванных сейсмическими волнами. Сети сейсмометров по всему миру предоставляют данные для определения местоположения, глубины, величины и фокусных механизмов землетрясения.

  • Шкала Рихтера: Эта логарифмическая шкала, разработанная в 1935 году Чарльзом Рихтером, измеряет амплитуду крупнейших сейсмических волн, записанных на стандартном сейсмографе на определенном расстоянии. Она надежна при небольших и умеренных землетрясениях, но насыщена при очень больших событиях (выше 7 баллов).
  • Масштаб моментов (Mw):] Современный стандарт, Mw вычисляет сейсмический момент, который является продуктом области разрыва разлома, среднего проскальзывания и жесткости пород. Он обеспечивает более физически значимый и последовательный показатель во всех размерах землетрясений, включая мегаземлетрясения, такие как землетрясение Тохоку 2011 года (Mw 9,0).
  • Модифицированная шкала интенсивности Меркалли: Качественная шкала, варьирующаяся от I (не ощущается) до XII (полное разрушение), описывает эффекты землетрясения и повреждения в конкретных местах на основе наблюдений и отчетов, а не инструментальных данных.

Глобальные и региональные сейсмические сети, такие как те, которые поддерживаются Программой геологической службы США (USGS) по опасности землетрясений, обеспечивают обнаружение землетрясений, местоположение и оценку магнитуды в режиме реального времени, поддерживая реагирование на чрезвычайные ситуации и научные исследования.

Сейсмические карты опасности объединяют исторические данные о землетрясениях, геометрию разломов и геодезические измерения (например, деформация коры GPS) для оценки вероятности и ожидаемой интенсивности встряхивания в течение конкретных временных рамок. Эти карты являются важными инструментами для городского планирования, проектирования инфраструктуры и оценки страхового риска.

Последствия землетрясений

Человеческий взнос

Землетрясения относятся к числу наиболее опасных природных явлений в мире в силу их внезапного возникновения и возможности широкомасштабного разрушения. В результате крупномасштабных событий в густонаселенных и плохо подготовленных районах погибают люди, погибающие в результате катастрофических последствий. Например:

  • Землетрясение и цунами в Индийском океане в 2004 году стали причиной более 227 000 смертей во многих странах.
  • Землетрясение на Гаити в 2010 году (Mw 7,0) привело к гибели 100-160 тысяч человек.
  • Землетрясение в Таншане в 1976 году в Китае привело к гибели более 240 000 человек.

Жертвы возникают из-за разрушающихся зданий, падающего мусора, пожаров, вызванных разрывом газовых линий, оползней и цунами. Уязвимые группы населения, в том числе в неформальных поселениях и регионах со слабыми строительными нормами, страдают непропорционально. Землетрясения также приводят к массовому перемещению населения; например, землетрясение в Горкха в Непале в 2015 году оставило сотни тысяч бездомных и перемещенных лиц.

Экономический кризис

Прямые потери включают ущерб жилым, коммерческим и промышленным зданиям, транспортным сетям, коммунальным услугам и коммуникационной инфраструктуре. Косвенные затраты связаны с перерывами в бизнесе, сбоями в цепочке поставок, потерей производительности и сокращением туризма.

  • Землетрясение в Нортридже в 1994 году (Mw 6.7) привело к страховым потерям в размере около 20 миллиардов долларов США.
  • Землетрясение и цунами в Тохоку в Японии в 2011 году привели к предполагаемому ущербу в 235 миллиардов долларов, что делает его самым дорогостоящим стихийным бедствием в истории.
  • Усилия по восстановлению и восстановлению зачастую охватывают десятилетия, создавая огромную нагрузку на национальную и местную экономику, особенно в развивающихся странах.

Инвестиции в сейсмически устойчивую инфраструктуру и готовность к стихийным бедствиям могут значительно снизить эти экономические последствия с течением времени.

Экологические последствия

Землетрясения вызывают ряд вторичных экологических опасностей, которые могут усугубить ущерб и осложнить усилия по реагированию:

  • Оползни: Интенсивное встряхивание дестабилизирует склоны, особенно в горной местности, вызывая массивные оползни. Землетрясение в Вэньчуане 2008 года (Mw 7.9) в Китае вызвало более 15 000 оползней, многие из которых затопили реки и создали вторичные опасности.
  • Насыщенные, рыхлые песчаные почвы могут потерять сцепление во время тряски и вести себя как жидкость, подрывая фундаменты и вызывая наклон или затопление зданий. Землетрясение в Ниигата в 1964 году в Японии заметно продемонстрировало широко распространенные эффекты сжижения.
  • Цунами: Подводные землетрясения, связанные с вертикальным смещением морского дна, порождают мощные океанские волны, которые движутся со скоростью реактивного самолета. цунами в Индийском океане 2004 года является самым смертоносным примером, но многие зоны субдукции во всем мире представляют аналогичные риски.
  • Изменения в гидрологии: Землетрясения могут изменять уровень грунтовых вод, перенаправлять потоки ручьев и вызывать внезапное появление или исчезновение источников и скважин.Такие изменения могут также вызвать вулканические волнения в близлежащих вулканических регионах из-за смещения режимов подземного давления.

Понимание этих экологических последствий имеет жизненно важное значение для комплексного управления стихийными бедствиями и восстановления экосистем.

Готовность, смягчение и раннее предупреждение

Строительные коды и реконструкция

Смягчение ущерба от землетрясения начинается с устойчивой инфраструктуры. Современные строительные коды в сейсмически активных регионах предписывают методы проектирования и строительства, которые повышают способность структуры выдерживать тряску. Ключевые особенности включают:

  • Использование пластичных материалов и железобетона для поглощения энергии без катастрофического отказа.
  • Внедрение систем изоляции оснований, которые отделяют здания от движения земли.
  • Включение устройств, рассеивающих энергию, таких как амортизаторы, для уменьшения колебаний.

Например, Калифорния с 1990-х годов проводит обширные программы модернизации школ, больниц и мостов, значительно повышая безопасность.

Планирование землепользования и государственное образование

Эффективное планирование землепользования включает в себя предотвращение развития на активных следах разломов, нестабильных склонах и районах, подверженных сжижению почвы или наводнениям. Правила зонирования и картирование опасностей обеспечивают более безопасное расширение городов и размещение инфраструктуры.

В равной степени жизненно важны кампании по общественному образованию. Обучение населения выполнению упражнений «сбрасывание, прикрытие и удержание» во время землетрясений может спасти жизни. Национальные учения по подготовке к стихийным бедствиям в Японии и высокая осведомленность общественности служат моделью, в то время как такие организации, как Американский Красный Крест, предоставляют ресурсы для подготовки аварийного комплекта и планирования семейных чрезвычайных ситуаций.

Сейсмические системы раннего предупреждения

Последние технологические достижения позволили разработать системы раннего предупреждения о землетрясении (EEW) . Эти системы обнаруживают начальные, менее разрушительные Р-волны и быстро вычисляют местоположение и магнитуду землетрясения, выдавая предупреждения за секунды до десятков секунд до прибытия разрушительных S-волн и поверхностных волн.

Японская национальная система EEW, работающая с 2007 года, автоматически замедляет поезда, останавливает лифты и предупреждает граждан с помощью мобильных устройств. В Соединенных Штатах система ShakeAlert была внедрена в Калифорнии, Орегоне и Вашингтоне с 2019 года. Хотя время предупреждения короткое, даже секунды предварительного уведомления могут позволить людям принимать защитные меры и позволить критической инфраструктуре входить в безопасные режимы, тем самым уменьшая потери и ущерб.

Снижение рисков и глобальное сотрудничество

Управление Организации Объединенных Наций по уменьшению опасности бедствий (UNDRR) возглавляет Сендайскую рамку по снижению риска бедствий (2015–2030 гг.), поощряя страны к укреплению устойчивости и готовности.

Научное сотрудничество посредством таких инициатив, как Глобальная модель землетрясений (FLT:0) GEM Foundation (FLT:2) предоставляет инструменты и данные с открытым исходным кодом для оценки сейсмической опасности и риска во всем мире, помогая особенно уязвимым развивающимся странам улучшить стратегии мониторинга и смягчения последствий.

Обмен сейсмическими данными через границы, инвестиции в сети мониторинга и интеграция передовых подходов к моделированию имеют важное значение для повышения готовности к землетрясениям и возможностей реагирования на них.

Заключение

Землетрясения являются проявлениями фундаментальных геофизических процессов - движения тектонических плит, накопления стресса и внезапного разрыва вдоль разломов - которые сформировали поверхность Земли и продолжают представлять значительные опасности. Их воздействие выходит за рамки сотрясения земли, вызывая вторичные бедствия, такие как цунами, оползни и широко распространенные экономические разрушения. Хотя точное прогнозирование остается недостижимым, достижения в сейсмическом мониторинге, моделировании, проектировании и раннем предупреждении значительно улучшают нашу способность смягчать риск землетрясений.

Продолжение инвестиций в устойчивую инфраструктуру, государственное образование и международное сотрудничество является наиболее эффективным путем к снижению человеческих и экономических потерь будущих землетрясений. Для тех, кто заинтересован в углублении своего понимания или подготовке к сейсмическим событиям, Программа по опасности землетрясений USGS и Инкорпорированные исследовательские институты сейсмологии IRIS предоставляют всеобъемлющие, авторитетные ресурсы по науке о землетрясениях, опасностях и стратегиям готовности.