Table of Contents

Оригинальное название: The Dynamic Earth

Земля под нашими ногами далеко не статична. Это беспокойная планета, сформированная огромными силами, действующими в течение миллионов лет. Среди самых мощных и последовательных из этих сил - тектоническая активность - медленное, но неустанное движение литосферных плит Земли. Эта активность является основным драйвером создания землетрясений и линий разломов. Понимание механизмов движения плит, типов границ, где плиты взаимодействуют, и возникающий в результате стресс, который строит в коре, имеет важное значение не только для геологов, но и для сообществ, живущих в сейсмически активных регионах. Точное знание этих процессов непосредственно информирует строительные коды, системы раннего предупреждения и планы готовности к стихийным бедствиям.

Что такое тектоническая активность?

Тектоническая активность относится к деформации земной коры, вызванной движением больших, жестких плит, составляющих литосферу. Эти плиты — которые могут быть океаническими или континентальными — плавают на частично расплавленном слое мантии, называемом астеносферой. Конвекционные течения в мантии, вызванные теплом от ядра Земли, обеспечивают энергию, которая перемещает пластины со скоростью несколько сантиметров в год — примерно скорость, с которой растут ногти. Это движение может показаться медленным, но с течением геологического времени оно перестроило континенты, построило горные хребты, открыло океаны и вызвало некоторые из самых разрушительных землетрясений в истории.

Теория тектоники плит, получившая широкое признание в 1960-х годах, произвела революцию в нашем понимании науки о Земле. Она объединила наблюдения за дрейфом континентов, распространением морского дна и сейсмической активностью в единую согласованную структуру. Сегодня сейсмологи используют эту структуру для объяснения того, почему землетрясения происходят там, где они происходят, и для оценки вероятности будущих событий. Для дальнейшего фона на тектонике плит Геологическая служба США (USGS) предоставляет всеобъемлющий обзор .

Типы тектонических границ плит

Землетрясения и линии разломов не распределены случайным образом по всему земному шару. Они сосредоточены вдоль границ плит, где плиты взаимодействуют тремя основными способами: раздвигаясь, сталкиваясь или проскальзывая друг мимо друга. Каждый тип границы создает различные геологические особенности и создает различные сейсмические опасности.

Расходящиеся границы

При расходящихся границах тектонические плиты удаляются друг от друга. По мере их отделения магма из мантии поднимается, чтобы заполнить пробел, охлаждаясь, образуя новую океаническую кору. Этот процесс, известный как распространение морского дна, происходит в первую очередь вдоль срединно-океанических хребтов, таких как Срединно-Атлантический хребет. На суше расходящиеся границы создают рифтные долины, такие как Восточно-Африканский рифт. Землетрясения на расходящихся границах обычно неглубокие и умеренной величины, потому что кора тонкая и протяженное напряжение относительно низкое. Однако они все еще могут быть разрушительными в населенных рифтовых зонах.

Сходящиеся границы

Сходящиеся границы — это то, где сталкиваются плиты. Когда океаническая плита встречается с континентальной плитой, более плотная океаническая плита вынуждена под континентальной плитой в процессе, называемом субдукцией. Это создает глубокие океанские траншеи, вулканические дуги и крупнейшие землетрясения на Земле. Землетрясение в Индийском океане 2004 года (магнитуда 9,1) и землетрясение в Тохоку 2011 года (магнитуда 9,0) произошли в зонах субдукции. Когда две континентальные плиты сталкиваются, ни одна из них не легко подводит; вместо этого кора сжимается и утолщается, образуя горные хребты, такие как Гималаи. Эти столкновения производят большие, мелкие землетрясения и сложные системы разломов.

Преобразование границ

При границах трансформации плиты скользят горизонтально друг мимо друга. Ни одна кора не создается и не разрушается. Вместо этого вдоль плоскости разлома нарастает огромный сдвиговый стресс. Когда этот стресс внезапно высвобождается, он порождает мощные землетрясения. Самый известный пример — разлом Сан-Андреас в Калифорнии, граница преобразования между Тихоокеанской плитой и Североамериканской плитой. Землетрясения вдоль разломов преобразования могут быть очень разрушительными, особенно если они происходят вблизи населенных пунктов. Землетрясение 1906 года в Сан-Франциско (магнитуда 7,9) было прямым результатом движения по разлому Сан-Андреас.

Обсуждение Fault Lines: Fractures in the Crust

Разлом — это перелом или зона переломов в земной коре, где камни с обеих сторон двигались относительно друг друга. Разломы могут варьироваться в размерах от микроскопических трещин до структур длиной в сотни километров. Они образуются, когда напряжение, приложенное к горной массе, превышает ее внутреннюю прочность. Развивающийся тип разлома зависит от направления и характера напряжения — будь то растягивание (напряжение), сжатие (сжатие) или сдвига вбок (напряжение сдвига).

Нормальные ошибки

Нормальные разломы возникают в регионах, подвергающихся расширению, где растягивается кора. В этой обстановке один блок породы (подвесная стена) скользит вниз относительно другого блока (стенка). Нормальные разломы обычно встречаются вдоль расходящихся границ и в рифтовых зонах. Они производят крутые откосы и могут создавать топографию бассейна и диапазона, как видно в Большом бассейне западных Соединенных Штатов. Землетрясения на нормальных разломах обычно умеренные по величине, но все еще могут нанести значительный ущерб в развитых районах.

Обратные ошибки

Обратные разломы, также называемые разломами тяги, когда угол падения низкий, образуются при сжатии. В обратном разломе подвесная стена выталкивается вверх относительно подстенки. Эти разломы характерны для сходящихся границ и зон субдукции. Разломы тяги могут генерировать некоторые из самых крупных и разрушительных землетрясений, поскольку они часто включают большие площади плоскости разлома и могут накапливать высокие уровни напряжения. Землетрясение Нортриджа 1994 года в Калифорнии (магнитуда 6,7) произошло на слепом разломе тяги, который не имел поверхностной экспрессии, застигнув многих врасплох.

Неисправности Strike-Slip

Разломы скольжения удара включают преимущественно горизонтальное движение. Плоскость разлома почти вертикальная, а блоки скользят друг мимо друга боком. Эти разломы типичны для границ трансформации. Разлом Сан-Андреас является правосторонним разломом скольжения удара, а это означает, что если вы стоите на одной стороне, противоположная сторона движется вправо. Разломы скольжения удара могут вызывать очень большие, мелкие землетрясения. Землетрясение 2010 года на Гаити (магнитуда 7,0) произошло вдоль зоны разлома Энрикильо-Плантен-Гарден, система скольжения удара и вызвала катастрофические потери жизни из-за плохой практики строительства и высокой плотности населения.

Процесс землетрясения: от нарастания стресса до разрыва

Землетрясения — это внезапное высвобождение энергии упругого напряжения, хранящейся в породах. В течение многих лет, десятилетий или столетий тектонические силы медленно деформируют породы по разлому. Трение запирает разлом на месте, поэтому породы продолжают изгибаться эластично. Когда накопленное напряжение превышает силу трения разлома, породы резко проскальзывают. Это скольжение излучает энергию в виде сейсмических волн, которые проходят через Землю, вызывая сотрясение земли.

Точка внутри Земли, где начинается разрыв, называется фокусом (или гипоцентром]. Точка непосредственно над фокусом на поверхности является эпицентром . Глубина фокуса является критическим фактором: мелкофокусные землетрясения (менее 70 км) имеют тенденцию вызывать больший ущерб, чем глубокие (300-700 км), потому что сейсмическая энергия меньше рассеивается к тому времени, когда она достигает поверхности. Зоны субдукции производят землетрясения на широком диапазоне глубин, в то время как трансформация и расходящиеся границы обычно производят мелкие события.

Сейсмические волны: P-волны, S-волны и поверхностные волны

Сейсмические волны подразделяются на два основных типа: волны тела и поверхностные волны. Волны тела проходят через внутреннюю часть Земли. Р-волны (первичные или компрессионные волны) являются самыми быстрыми, перемещаясь через твердые тела, жидкости и газы. S-волны (вторичные или сдвиговые волны) медленнее и не могут перемещаться через жидкости. Они перемещают частицы, перпендикулярные направлению движения волны. Когда P- и S-волны достигают поверхности, они генерируют поверхностные волны (волны любви и волны Рэлея), которые движутся вдоль земной коры. Поверхностные волны медленнее, но часто наносят наибольший ущерб, потому что они производят большие перемещения земли.

Измерение землетрясений: магнитуда и интенсивность

Сейсмологи используют сейсмометры для обнаружения и записи движения земли. Полученная сейсмограмма предоставляет информацию о времени прибытия и амплитудах различных типов волн. Магнитуда землетрясения количественно определяет энергию, выделяемую в источнике. Шкала Рихтера, разработанная в 1935 году, была первой широко используемой шкалой магнитуд, но она в значительной степени была заменена шкалой магнитуды , которая более точна для крупных землетрясений. Магнитуда момента рассчитывается из области разрыва разлома, среднего расстояния проскальзывания и жесткости пород.

Интенсивность измеряет последствия землетрясения в конкретных местах. В шкале модифицированной интенсивности Меркалли (MMI) используются римские цифры от I (не ощущается) до XII (полное разрушение). Интенсивность зависит от расстояния от эпицентра, местной геологии, строительства зданий и глубины землетрясения. Для сейсмических данных в реальном времени и образовательных ресурсов, Инкорпорированные исследовательские институты сейсмологии (IRIS) предоставляют отличные инструменты и учебные пособия.

Основные зоны землетрясений и тематические исследования

Около 90 % всех землетрясений происходит вдоль Тихоокеанского огненного кольца, подковообразной зоны вокруг Тихого океана, где обитают многочисленные зоны субдукции, вулканические дуги и разломы трансформаций.Остальные 10 % происходят вдоль альпийско-гималайского пояса (от Индонезии до Средиземного моря) и в пределах интраплатежных областей.

Землетрясение в Индийском океане 2004

26 декабря 2004 года у берегов Суматры, Индонезия, в зоне субдукции Сунда-Транш произошло землетрясение магнитудой 9,1, длина разрыва превысила 1200 км, а поднятие морского дна вытеснило огромный объём воды, вызвав разрушительное цунами, в результате которого погибло более 230 000 человек в 14 странах, что подчеркнуло важность международных систем предупреждения о цунами и привело к созданию системы предупреждения о цунами в Индийском океане.

Землетрясение Тохоку 2011

11 марта 2011 года у северо-восточного побережья Японии произошло землетрясение магнитудой 9,0, где под Североамериканской плитой пролегает субдукция Тихоокеанской плиты. Землетрясение вызвало мощное цунами, затопившее прибрежные города и вызвавшее ядерную катастрофу на Фукусиме Дайичи. Более 15 тысяч человек погибли, а экономические потери превысили 200 млрд долларов. Жизни многих спасли строгие строительные нормы и системы раннего предупреждения Японии, но цунами переполнило береговую оборону. Это событие подстегнуло глобальные исследования в области механики зон субдукции и готовности к цунами.

Землетрясение в Сан-Франциско 1906 года

18 апреля 1906 года землетрясение магнитудой 7,9 разорвало 477 км разлома Сан-Андреас. Землетрясение и последующие пожары уничтожили большую часть Сан-Франциско и убили около 3000 человек. Это бедствие оживило современную сейсмологию в Соединенных Штатах и привело к основанию Сейсмологического общества Америки. Оно также продемонстрировало огромную опасность, создаваемую разломами скольжения, проходящими через городские центры. USGS ведет подробный отчет о землетрясении 1906 года.

Вторичные опасности: цунами, оползни и пожары

Землетрясения редко наносят ущерб только в результате тряски земли. Вторичные эффекты часто усиливают разрушение.

Цунами

Подводные землетрясения, особенно связанные с вертикальным смещением морского дна, могут генерировать цунами. Эти длинноволновые волны проходят через океаны со скоростью до 800 км/ч. При приближении к мелководным прибрежным водам они замедляются и увеличиваются в высоту, иногда превышающую 30 метров. Цунами могут затопить береговые линии в течение нескольких минут после землетрясения, оставляя мало времени для эвакуации.

оползни

Столкновение от землетрясений может дестабилизировать склоны, вызывая оползни и обвалы скал. Глубинная местность, насыщенные почвы и предыдущие оползни увеличивают риск. Землетрясение в Вэньчуане в Китае в 2008 году (магнитуда 7,9) вызвало десятки тысяч оползней, похоронив целые деревни и блокируя реки.

Сжижение и пожары

Ликвефация происходит, когда насыщенная водой рыхлая почва теряет силу во время тряски, вея себя как жидкость. Здания могут тонуть или наклоняться, а зарытые трубопроводы могут разрываться. Пожары являются общей опасностью после землетрясения, так как сломанные газовые линии и поврежденные электрические провода воспламеняют мусор. Пожар в Сан-Франциско 1906 года поглотил большую часть города после землетрясения.

Готовность и смягчение последствий: повышение устойчивости

Хотя мы не можем предотвратить землетрясения, мы можем уменьшить их воздействие путем тщательного планирования и проектирования. Наиболее эффективные стратегии сочетают науку, политику и государственное образование.

Сейсмические строительные коды

Современные строительные нормы в сейсмически активных регионах требуют, чтобы структуры выдерживали ожидаемые движения грунта. Это включает в себя использование гибких материалов, систем изоляции оснований и усиленных фундаментов. Реконструкция старых зданий, особенно не армированной кладки, является критическим шагом. Япония, Чили и Новая Зеландия являются примерами стран, которые вложили значительные средства в стандарты сейсмического проектирования.

Системы раннего предупреждения

Системы раннего предупреждения о землетрясениях (EEW) используют сети сейсмометров для обнаружения начальной P-волны, которая движется быстрее, чем повреждающая S-волна. Оповещения могут быть отправлены в автоматизированные системы (например, тормоза поезда, заводские отключения) и общественности через мобильные приложения или сирены, обеспечивая секунды до десятков секунд предупреждения. Система ShakeAlert на западном побережье США и система JMA в Японии являются примерами работы. Для получения дополнительной информации о технологии раннего предупреждения веб-сайт ShakeAlert предоставляет подробную информацию.

Готовность сообщества

Готовность отдельных лиц и общин спасает жизни. К числу ключевых мер относятся:

  • Бросьте, покройте и удерживайте — рекомендуемое защитное действие во время тряски.
  • Экстренные комплекты с водой, едой, первой помощью, фонариками и батареями.
  • Семейные планы связи и назначенные места встреч.
  • Публичные учения , такие как Great ShakeOut, проводятся ежегодно по всему миру.

Местные органы власти должны также проводить оценку сейсмической опасности и обновлять планирование землепользования, чтобы избежать строительства в зонах высокого риска, таких как активные следы разломов или склоны, подверженные оползням.

Вывод: Жизнь на тектонической планете

Тектоническая активность является фундаментальным, неизбежным аспектом нашей динамичной Земли. Те же силы, которые строят горы и открытые океаны, также создают землетрясения и линии разломов. Изучая границы плит, механику разломов и распространение сейсмических волн, ученые могут идентифицировать области самого высокого риска и оценить вероятность будущих событий. В то время как точное прогнозирование землетрясений остается за пределами текущих возможностей, вероятностное прогнозирование и надежные меры готовности могут резко сократить потери жизни и имущества. По мере роста популяций в сейсмически активных регионах важность интеграции геонауки в городское планирование, строительные стандарты и общественную безопасность становится все более актуальной. Понимание роли тектонической деятельности - это не просто академическое упражнение - это жизненно важный шаг к созданию устойчивых сообществ на беспокойной планете.