Table of Contents

Динамическая связь между тектоникой плит и землетрясениями

Земля — не статическая сфера, а динамичная, постоянно меняющаяся планета. Её поверхность непрерывно изменяется мощными геологическими силами, которые действуют миллиарды лет. Среди этих сил медленное, но неустанное движение тектонических плит является основным двигателем самых драматических и разрушительных природных явлений планеты: землетрясений. Понимание запутанной взаимосвязи между тектоникой плит и землетрясениями имеет основополагающее значение не только для геологии, но и для общественной безопасности, городского планирования и смягчения последствий стихийных бедствий. В этой статье исследуется механика движения плит, конкретные способы, которыми она генерирует сейсмические события, как ученые измеряют и изучают эти события, и стратегии, которые сообщества могут принять для снижения риска.

Основы тектоники плит

Тектоника плит является объединяющей теорией геологии, объясняющей крупномасштабные движения литосферы Земли. Литосфера, которая состоит из коры и верхней части мантии, разбита на семь основных и несколько второстепенных тектонических плит. Эти плиты не фиксированы; они движутся по астеносфере, более горячему, более пластичному слою мантии. Движущей силой движения пластины является конвекция мантии - тепло от ядра Земли создает конвекционные потоки в астеносфере, которые перетаскивают накладывающиеся плиты вдоль. Дополнительные силы включают тягу плиты (вес субдуктивной пластины, тянущей остальную часть пластины вдоль) и толчок гребня (гравитационное скольжение пластины от срединно-океанических хребтов).

Движение плиты по человеческим меркам крайне медленное — обычно несколько сантиметров в год — но в течение миллионов лет оно производит массивные геологические особенности, такие как горные хребты, океанские бассейны и вулканические дуги. Границы, где эти плиты взаимодействуют, являются основными зонами сейсмической активности. Существуют три основных типа границ плит, каждый из которых связан с различными характеристиками землетрясения.

Расходящиеся границы

При расходящихся границах две плиты раздвигаются друг от друга. Обычно это происходит на среднеокеанических хребтах, таких как Срединно-Атлантический хребет, где магма поднимается из мантии, образуя новую океаническую кору. Разрыв создает натяжные напряжения, которые вызывают мелкие, относительно маломагнитные землетрясения. Большая часть вулканической активности на Земле также происходит на этих границах. Примечательным примером является Восточно-Африканская рифтовая долина, континентальная дивергентная граница, которая может в конечном итоге разделить Африку на два континента.

Сходящиеся границы

Сходящиеся границы возникают, когда две пластины движутся навстречу друг другу. Тип сходимости зависит от вовлеченных пластин:

  • Океанско-континентальная конвергенция: Более плотная океаническая плита субдукция (ныряет под) континентальную плиту, создавая глубокую океанскую траншею и вулканический горный хребет на континенте (например, Анды). Зоны субдукции производят самые большие землетрясения на Земле, включая события магнитудой 9.
  • Океано-океаническая конвергенция:] Одна океаническая плита подводит под другую, образуя вулканические островные дуги, такие как Япония, Индонезия и Алеутские острова. Эти зоны также генерируют мощные землетрясения и цунами.
  • Континентально-континентальная конвергенция: Ни одна из плит не подводит, потому что обе относительно плавучие. Вместо этого плиты сталкиваются и смываются, создавая массивные горные хребты, такие как Гималаи. Землетрясения здесь неглубокие до промежуточной глубины, но могут быть очень сильными, как видно из землетрясения в Непале в 2015 году.

Преобразование границ

При границах трансформации плиты скользят горизонтально друг мимо друга. Эти границы отмечены разломами скольжения удара, где движение происходит вбок, а не в сторону или в сторону расширения. Самый известный пример — разлом Сан-Андреас в Калифорнии, где Тихоокеанская плита движется на северо-запад относительно Североамериканской плиты. Измельчение, движение скольжения замка по разломам преобразования вызывает мелкие землетрясения, которые могут быть очень разрушительными. В отличие от конвергентных границ, границы преобразования обычно не производят вулканической активности, потому что кора не создается и не разрушается.

Механика землетрясений

Землетрясение — это внезапное высвобождение накопленной упругой энергии в земной коре, генерирующее сейсмические волны, которые проходят через Землю. Подавляющее большинство землетрясений вызвано движением тектонических плит. По мере того, как плиты взаимодействуют на своих границах, они становятся запертыми из-за трения. Пластины продолжают пытаться двигаться, но запертый разлом предотвращает скольжение, вызывая напряжение, накапливающееся в окружающих породах. Когда накопленный стресс превышает силу запертого разлома, камни внезапно разрываются, высвобождая десятилетия или столетия накопленной энергии в секундах. Этот процесс описан теорией эластичного отскока, впервые предложенной Гарри Филдингом Ридом после землетрясения в Сан-Франциско в 1906 году.

Точка, где начинается разрыв, называется фокусом (или гипоцентром]], а точка непосредственно над ним на поверхности — эпицентром . Глубина очага имеет решающее значение: мелкофокусные землетрясения (менее 70 км глубины) имеют тенденцию быть гораздо более разрушительными, чем глубокофокусные, потому что сейсмическая энергия имеет меньше горных пород, чтобы пройти до достижения поверхности. Землетрясения с глубоким фокусом (70—700 км глубины) происходят только в зонах субдукции, где субдукционная плита остается достаточно хрупкой, чтобы разбиться на больших глубинах.

Типы землетрясений

В то время как тектонические землетрясения доминируют, существуют и другие типы:

  • Вулканические землетрясения: Вызваны движением магмы, часто предшествующим или сопровождающим извержения вулканов.Они, как правило, меньше и меньше, чем тектонические землетрясения.
  • Начавшиеся землетрясения: , вызванные деятельностью человека, такой как захват резервуара, добыча полезных ископаемых или закачка сточных вод в результате операций с нефтью и газом.
  • Коллапсовые землетрясения: Малые события от обрушений пещер или подземных шахт.

Однако, для масштабов и частоты землетрясений, которые угрожают жизни и инфраструктуре, тектонические события являются наиболее значительными.

Тематические исследования: границы плит в действии

Землетрясение в Сан-Франциско 1906 года (Переходная граница)

18 апреля 1906 года землетрясение магнитудой 7,9 произошло в Сан-Франциско вдоль разлома Сан-Андреас. Разрыв протянулся примерно на 477 километров (296 миль) и вызвал горизонтальные смещения до 6 метров в местах. Землетрясение и последующие пожары уничтожили большую часть города и убили около 3000 человек. Это событие сыграло ключевую роль в развитии теории эластичного отскока и продемонстрировало огромную опасность, связанную с трансформацией границ в густонаселенных районах. Разлом Сан-Андреас остается сегодня серьезной проблемой, сейсмологи ожидают потенциального «Большого» в Южной Калифорнии.

Землетрясение Тохоку 2011 (зона субдукции)

11 марта 2011 года у тихоокеанского побережья Японии произошло землетрясение магнитудой 9,0—9,1 мегатруса, на сходящейся границе, где под Охотской плитой протекают субдукты Тихоокеанской плиты. Это было одно из самых мощных землетрясений, когда-либо зарегистрированных. Область разрыва была массивной, длиной около 500 км и шириной 200 км. Внезапное вертикальное смещение морского дна породило разрушительное цунами, достигшее в некоторых прибрежных районах высот более 40 метров, вызвавшее катастрофические повреждения и более 18 000 смертей. Само землетрясение было разрушительным, но цунами было основным убийцей. Этот случай подчеркивает двойную опасность землетрясений зоны субдукции: сильное сотрясение и волны цунами.

Землетрясение в Индийском океане 2004 года (зона субдукции)

Другое мегатравматическое событие, землетрясение в Индийском океане 2004 года (магнитуда 9.1-9.3), произошло у побережья Суматры, Индонезия, где под Бирмой проходит подводная плита Индийской плиты. Землетрясение вызвало цунами, которое прокатилось по Индийскому океану, убив около 227 000 человек в 14 странах. Отсутствие системы раннего предупреждения в регионе было основным фактором, способствующим высокому числу погибших. Это событие привело к созданию системы предупреждения о цунами в Индийском океане и значительному углублению исследований по распространению цунами и смягчению последствий.

Измерение и мониторинг землетрясений

Современная сейсмология опирается на глобальную сеть сейсмографов для обнаружения и локализации землетрясений. Сейсмографы фиксируют движение земли как функцию времени, производя сейсмограммы, которые показывают приход различных типов сейсмических волн: первичных волн (P-волны, компрессионные), вторичных волн (S-волны, сдвиговые) и поверхностных волн (волны любви и Рэлея, которые наносят наибольший ущерб). Анализируя время прибытия на нескольких станциях, ученые могут точно определить эпицентр и фокус.

Масштабируемость

Сила землетрясения выражается с помощью шкал магнитуд. Оригинальная шкала Рихтера (локальная величина, ML) была разработана в 1935 году для землетрясений в Калифорнии и является логарифмической, то есть каждое увеличение целого числа представляет собой десятикратное увеличение амплитуды и примерно в 31,6 раза больше высвобождения энергии. Однако шкала Рихтера насыщает большие землетрясения (выше магнитуды 7). Шкала магнитуды в настоящее время является стандартом для умеренных и крупных событий, потому что она непосредственно измеряет сейсмический момент — продукт области разрыва, среднего скольжения и жесткости породы. Mw не насыщает и обеспечивает более точную меру для крупнейших землетрясений.

Шкалы интенсивности

Магнитуда — это объективное измерение энергии, выделяемой у источника. Интенсивность, с другой стороны, описывает встряхивание и повреждение, испытываемые в определенном месте. Модифицированная шкала интенсивности Меркалли (MMI) колеблется от I (не ощущается) до XII (полное разрушение). Карты интенсивности полезны для оценки моделей повреждений и для информирования строительных кодов, поскольку они отражают фактическое воздействие на людей и структуры.

Сейсмические опасности и последствия

Землетрясения создают многочисленные опасности, которые могут повлиять на сообщества, расположенные далеко от эпицентра.

земля трясется

Непосредственная опасность — тряска самой земли. Тяжесть тряски зависит от магнитуды землетрясения, глубины, расстояния от эпицентра и местной геологии. Мягкие отложения могут усиливать тряску по сравнению с твёрдой породой, явление, известное как усиление участка. Именно поэтому города, построенные на осадочных бассейнах (например, Мехико), могут испытывать серьёзные повреждения даже от отдаленных землетрясений.

Цунами

Подводные землетрясения с вертикальным смещением морского дна могут генерировать цунами — серии океанских волн с очень длинными волнами. В глубокой воде цунами движутся со скоростью до 800 км/ч, но имеют низкие высоты волн; по мере приближения к берегу они замедляются и резко увеличиваются в высоту. События 2004 и 2011 годов являются трагическими примерами опустошения цунами.

Поверхностный разрыв и оползни

Разломы, которые ломают поверхность, могут непосредственно повредить здания, дороги, трубопроводы и другую инфраструктуру. В горных районах сильное встряхивание может вызвать оползни и скальные осадки, которые разрушают дороги и сообщества. Землетрясение в Вэньчуани в 2008 году в Китае вызвало более 15 000 оползней.

Сжижение и пожары

Ликвефация происходит, когда насыщенные водой песчаные почвы ведут себя как жидкость во время тряски, в результате чего здания наклоняются или опускаются.Разрывы газовой линии часто начинают пожары, которые становятся более разрушительными, чем само тряска, как это было в 1906 году в Сан-Франциско и 1995 году в Кобе.

Готовность, смягчение и устойчивость

Хотя мы не можем предотвратить землетрясения, мы можем значительно уменьшить их воздействие путем тщательного планирования и проектирования.

Строительные коды и реконструкция

Регионы с высокой сейсмической опасностью, такие как Япония, Калифорния и Чили, имеют строгие строительные нормы, которые требуют конструкций, чтобы выдержать сильное встряхивание. Современные методы проектирования включают изоляцию основания, гибкие стальные рамы и сдвиг стен. Обновление старых, уязвимых зданий также имеет решающее значение; многие неукрепленные каменные здания были усилены в последние десятилетия.

Системы раннего предупреждения

Системы раннего предупреждения о землетрясениях (EEW) используют сеть датчиков для обнаружения P-волн (которые движутся быстрее, но наносят меньший ущерб) и выдают предупреждения за секунды до десятков секунд до прибытия S-волн и поверхностных волн. Хотя это может показаться не таким уж большим временем, этого достаточно, чтобы автоматически остановить поезда, открыть двери лифта, закрыть газовые линии и позволить людям укрыться. Японская система EEW, управляемая Японским метеорологическим агентством, является одной из самых передовых. Геологическая служба США расширяет ShakeAlert в западных Соединенных Штатах.

Государственное образование и буровые

Доказано, что обучение общественности тому, что делать во время землетрясения - "Бросать, покрывать и держаться" - уменьшает травмы. Регулярные общественные учения, такие как Great ShakeOut, помогают поддерживать готовность. Планирование землепользования, которое позволяет избежать наращивания активных следов разломов или в районах, подверженных сжижению и оползням, также снижает риск.

Глобальное сотрудничество и исследования

Международные организации, такие как Геологическая служба США Программа по изучению опасности землетрясений ] и Глобальная сейсмографическая сеть IRIS , отслеживают сейсмическую активность во всем мире и обмениваются данными в режиме реального времени. Понимание процессов границ плит с помощью геодезии GPS, палеосейсмологии и лабораторных экспериментов продолжает улучшать модели опасности.

Для тех, кто живет в сейсмически активных регионах, целесообразно проконсультироваться с местными геологическими исследованиями и разработать план чрезвычайных ситуаций для семьи. Страница землетрясения Ready.gov предлагает прямое руководство по подготовке Ready.gov / Землетрясения .

Заключение

Землетрясения являются прямым следствием тектоники плит — медленного, неустанного движения литосферных фрагментов Земли. На расходящихся границах кора разъединяется или сжимается; на сходящихся границах она измельчается и сползает. Каждый пограничный тип производит характерную сейсмическую активность, от мелководных роев в срединно-океанических хребтах до разрушительных событий мегатруста в зонах субдукции. Изучая механику разломов, отслеживая сейсмические волны и понимая исторические закономерности, ученые добились огромных успехов в оценке риска землетрясений. Тем не менее землетрясения остаются непредсказуемыми в краткосрочной перспективе, делая готовность самым мощным инструментом, который у нас есть. Сообщества, которые инвестируют в устойчивую инфраструктуру, системы раннего предупреждения и общественное образование, выдержат следующее крупное землетрясение намного лучше, чем те, которые игнорируют тектонические силы, которые формируют нашу планету.