Table of Contents

Введение в динамическую кору Земли

Кора Земли — динамичная и постоянно развивающаяся внешняя оболочка, фиксирующая сложные тектонические процессы, формирующие нашу планету. Далеко не являясь жестким, неизменным слоем, она пронизана трещинами и разрывами, известными как разломы. Эти разломы служат первичными локусами сейсмической активности, где внезапные движения выделяют энергию в виде землетрясений. Понимание образования разломов и механизмов, лежащих в основе землетрясений, имеет решающее значение не только для геологов, но и для инженеров, градостроителей и сообществ, подверженных сейсмическим опасностям. В этой статье рассматриваются природа разломов, создаваемые ими тектонические силы, процесс генерации землетрясений, современные методы измерения и стратегии смягчения сейсмических рисков.

Что такое ошибки?

Разломы — это трещины или зоны трещин в земной коре, вдоль которых произошло смещение сторон относительно друг друга. Они чрезвычайно различаются по масштабам — от микроскопических трещин в образцах пород до систем разломов, простирающихся на сотни километров — и имеют основополагающее значение для деформации литосферы. Разломы образуются в ответ на тектонические напряжения, которые превышают прочность породы, вызывая хрупкий отказ. Движение по этим разломам может быть медленным и непрерывным, известным как ползучесть, или внезапным и сильным, что приводит к землетрясениям.

Ключевые характеристики ошибок

  • Самолет-неисправность: Планарная или мягко изогнутая поверхность, по которой происходит скольжение разлома. Она может быть выставлена на поверхность или похоронена глубоко под землей.
  • Висит стена и стенка: При погружении в неисправности висит стена — блок над плоскостью неисправности, а стенка — блок ниже.Эта терминология помогает описать относительные движения и типы неисправностей.
  • Удар и падение: Это измерения ориентации плоскости разлома. Удар — это направление компаса линии, образованной пересечением плоскости разлома с поверхностью Земли, а падение — угол, под которым плоскость разлома наклоняется относительно горизонтальной.
  • Слицензии: Гладкие, полированные поверхности на плоскости разлома, которые часто отображают линейные борозды или полосы.Эти особенности указывают направление и характер прошлых движений разломов.
  • Зона разлома: Более крупные разломы окружены зоной повреждения изломанной и измельченной породы, называемой разломом, который влияет на механическое поведение разлома во время проскальзывания.

Виды недостатков

Неисправности классифицируются в первую очередь на основе относительного направления движения блоков по обе стороны плоскости разлома и режима тектонического напряжения, ответственного за их образование. Три основные категории - это нормальные разломы, обратные (включая тягу) разломы и разломы скольжения, каждый из которых связан с различными тектоническими настройками и геологическими особенностями.

Нормальные ошибки

Нормальные разломы возникают в средах, где преобладает протяженная тектоника, где кора раздвигается. В этих разломах висячая стенка движется вниз относительно подножной стенки, приспосабливая удлинение коры. Они обычно встречаются на расходящихся границах плит, таких как среднеокеанические хребты и континентальные рифтовые зоны, такие как Восточноафриканская рифтовая долина.

Нормальные разломы часто приводят к образованию отличительных топографических особенностей. Например, грабены представляют собой сброшенные блоки, граничащие с нормальными разломами, а хорсты — поднятые блоки, окруженные разломами. Эти структуры создают бассейновые и дальнобойные ландшафты, характеризующиеся чередующимися долинами и горными хребтами, как это видно на западе США.

Обратные и торможные ошибки

Обратные разломы возникают там, где компрессионные силы сжимают кору, сжимая блоки. В этих разломах подвесная стенка движется вверх относительно подножной стенки. Когда плоскость разлома круто опускается, разлом называется обратным разломом, но если погружение нежное (обычно менее 30°), разлом классифицируется как разлом тяги.

Эти разломы преобладают на сходящихся границах плит, где тектонические плиты сталкиваются или одна плита подводит под другую. Интенсивное сжатие порождает горные хребты, такие как Гималаи, и крупномасштабные системы разломов тяги. Разломы тяги могут складывать слои породы, значительно утолщая кору и производя сложные пояса складки-и-труста. Они ответственны за некоторые из самых мощных зарегистрированных землетрясений, часто превышающих магнитуду 8.

Неисправности Strike-Slip

Разломы скольжения удара позволяют горизонтально перемещаться, когда блоки скользят боком друг от друга. Плоскость разлома обычно вертикальная или почти вертикальная, а движение преимущественно горизонтальное, а не вертикальное. Разломы скольжения удара классифицируются как правосторонние (декстральные) или левосторонние (синистральные) в зависимости от направления движения, наблюдаемого с одной стороны разлома.

Разлом Сан-Андреас в Калифорнии является примером правостороннего разлома ударного скольжения и является основной границей преобразования между Тихоокеанской и Североамериканской плитами.Такие разломы обычно происходят на границах трансформационных плит, где пластины скользят мимо друг друга, не создавая или не разрушая кору.

Как формируются ошибки

Образование разломов является результатом накопленного напряжения в литосфере Земли, превышающего прочность пород, вызывая хрупкий отказ. Эти напряжения возникают из-за крупномасштабных тектонических сил, но также могут быть подвержены влиянию местных процессов, таких как магматическое вторжение, загрузка осадков или ледниковый отскок. Механизмы, контролирующие инициирование разломов, распространение и поведение скольжения, имеют основополагающее значение для понимания сейсмических опасностей.

Накопление стресса и поведение рока

Скалы по-разному реагируют на напряжение в зависимости от их свойств и условий окружающей среды. При относительно низком напряжении камни деформируются эластично, то есть они могут вернуться к своей первоначальной форме после снятия напряжения. Эта эластичная деформация сохраняет энергию деформации, аналогичную сжатой пружине.

Когда приложенное напряжение превышает прочность выхода породы, происходит хрупкий отказ, образующий трещины, которые могут сливаться для образования неисправностей. Переход от упругой деформации к неисправности регулируется законами фрикционного скольжения, где коэффициент трения на поверхности неисправности и нормальное напряжение, действующее перпендикулярно неисправности, определяют критические условия для скольжения.

Жидкости, присутствующие в зонах разломов, могут снизить эффективное нормальное напряжение за счет повышения давления пор, тем самым снижая трение и облегчая проскальзывание разломов. Это явление объясняет, почему зоны разломов часто богаты жидкостью и почему впрыск или вывод жидкости (например, из геотермальных или нефтедобывающих операций) может вызывать землетрясения.

Размножение ошибок и связь

Вместо этого они инициируют как множество мелких трещин, которые растут и соединяются с течением времени. По мере того, как тектонические напряжения сохраняются, эти трещины сливаются в непрерывные плоскости разломов, способные приспосабливаться к значительному смещению.

По длине разлома смещение, как правило, неоднородно. Наибольшее скольжение происходит вблизи центра разлома, сужаясь к кончикам, где разлом заканчивается. Рост разлома может происходить постепенно через множественные сейсмические события или через медленный, асейсмический ползучесть. Образец распространения разлома влияет на сейсмическую опасность, определяя размер и частоту землетрясений.

Границы тектонических плит и формирование разломов

Взаимодействия тектонических плит являются основными драйверами образования разломов и сейсмичности.Литосфера Земли разделена на несколько больших и малых плит, которые движутся относительно друг друга, взаимодействуя на трех основных типах границ:

  • Дивергентные границы:] На этих границах плиты раздвигаются, порождая напряжение. Нормальные разломы развиваются по мере растяжения и разрежения коры, приводя к образованию среднеокеанических хребтов и континентальных рифтовых долин. Новая океаническая кора создается подъёмом магмы.
  • Сходящиеся границы: Пластины сталкиваются или одна плита подводит под другую, вызывая компрессионное напряжение. Доминируют обратные и тяговые разломы, в результате чего образуются горные здания и глубокие океанские траншеи. В этих зонах часто происходят крупнейшие в мире землетрясения и вулканические дуги.
  • Границы трансформации: Пластины скользят горизонтально друг мимо друга, создавая напряжение сдвига. Здесь типичны разломы скольжения удара, вмещающие боковое смещение без создания коры или разрушения. Известные примеры включают систему разлома Сан-Андреас.

Для углубленного изучения тектоники плит и их роли в ошибках ресурс USGS Dynamic Earth предлагает всесторонние идеи.

Процесс землетрясения

Землетрясения происходят, когда накопленная энергия упругого напряжения в коре внезапно высвобождается из-за проскальзывания по разлому. Это быстрое смещение генерирует сейсмические волны, которые распространяются по Земле, встряхивая землю и часто нанося ущерб. Понимание цикла землетрясений имеет важное значение для оценки сейсмических опасностей и разработки стратегий смягчения последствий.

Теория эластичного отскока

Впервые предложенная Х. Ф. Ридом после землетрясения в Сан-Франциско в 1906 году, теория эластичного отскока объясняет механизм землетрясения как процесс, в котором тектонические силы постепенно деформируют кору эластично, пока накопленное напряжение не превысит сопротивление трения на разломе. Затем разлом резко скользит, высвобождая накопленное напряжение и ломая кору обратно к ее первоначальной, недеформированной форме.

Этапы землетрясения

  1. Интерсейсмический период: Это длительная фаза между землетрясениями, когда напряжение медленно накапливается в течение многих лет до столетий. Кора эластично деформируется вокруг заблокированных разломов.
  2. Презейсмическая фаза: Иногда могут возникать форшоковые породы, небольшая деформация грунта, изменения уровня грунтовых вод или выбросы газа. Однако эти прекурсоры не являются последовательно надежными для прогнозирования землетрясений.
  3. Косейсмический разрыв: Главное землетрясение, при котором разлом быстро скользит, часто в течение секунд — минут. Проскальзывание инициируется в гипоцентре (фокусе) и распространяется вдоль плоскости разлома.
  4. Сейсмическая волновая генерация:] Внезапное скольжение испускает сейсмические волны — первичные (P) волны, вторичные (S) волны и поверхностные волны (волны любви и Рэлея).
  5. Постсейсмическая корректировка: Послетравмы и расслабление земной коры происходят по мере того, как земная кора приспосабливается к новому распределению стресса. Эта фаза может длиться от нескольких недель до нескольких лет.

Процесс разрыва в деталях

Достижения в сейсмологии позволили разработать модели разрыва, которые описывают, как скольжение распространяется по разломам во время землетрясений.Разрыв обычно движется со скоростью около скорости сдвига волны окружающей породы, но иногда может превышать ее в явлении, называемом разрывом суперсдвига.

Области значительного скольжения, известные как асперсии, могут генерировать сильное встряхивание, в то время как другие секции, называемые барьерами, могут препятствовать распространению разрыва. Эти сложности влияют на величину землетрясения, продолжительность и шаблоны встряхивания земли, которые имеют решающее значение для оценки опасности и инженерного проектирования.

Сейсмические волны

Сейсмические волны — это эластичные волны, генерируемые скольжением разлома и проходящие через внутреннюю часть Земли и вдоль ее поверхности. Волны тела включают в себя P-волны, которые являются компрессионными и самыми быстрыми, и S-волны, которые сдвигаются и прибывают после P-волн. Поверхностные волны движутся вдоль внешней поверхности Земли и имеют тенденцию иметь большие амплитуды и более низкие частоты, вызывая наибольшие структурные повреждения во время землетрясений.

Время прибытия волн P- и S-волн на сейсмических станциях используется для триангуляции эпицентра и глубины землетрясения. Анимация IRIS на сейсмических волнах предлагает отличное визуальное представление этих типов волн и их распространения.

Измерение землетрясений

Количественная оценка землетрясений предполагает измерение их размеров, выделения энергии и воздействия на поверхность. Сейсмологи используют различные весы и инструменты для точной характеристики сейсмических событий.

Масштабируемость

Шкала Рихтера (локальная величина, ML) была первым стандартизированным методом измерения размера землетрясения на основе амплитуды сейсмических волн, зафиксированных сейсмографами. Она логарифмическая; таким образом, каждое целое увеличение числа представляет собой десятикратное увеличение амплитуды волны и примерно в 32 раза больше высвобождения энергии. Однако шкала Рихтера насыщает для землетрясений больше 7 баллов и менее надежна для отдаленных событий.

Шкала Моментная магнитуда в настоящее время является предпочтительным измерением величины. Она рассчитывается с сейсмического момента, который является физическим измерением источника землетрясения, сочетающего площадь разлома, среднее скольжение и жесткость породы. Mw обеспечивает согласованную шкалу по всем размерам и расстояниям землетрясения, что делает его стандартом для научной отчетности и оценки опасности.

Шкалы интенсивности

В то время как величина измеряет высвобожденную энергию, интенсивность описывает последствия землетрясения в конкретных местах. Модифицированная интенсивность Меркалли (MMI) шкала оценки тяжести сотрясения от I (не ощущается) до XII (полное разрушение) на основе наблюдаемых воздействий на людей, структуры и природную среду. Карты интенсивности имеют решающее значение для реагирования на чрезвычайные ситуации и инженерного проектирования, выявляя пространственные изменения в тряске.

Современные методы измерения

В дополнение к традиционным сейсмографам, современные геофизические инструменты произвели революцию в мониторинге землетрясений. Глобальная система позиционирования (GPS) сети обнаруживают тонкие движения коры до, во время и после землетрясений, обеспечивая понимание накопления и высвобождения деформации.

Интерферометрический радар с синтезированной апертурой (InSAR) использует спутниковый радар для создания карт перемещения земли в широких областях высокого разрешения. Данные InSAR сыграли важную роль в картировании распределения проскальзывания разломов, выявлении ранее неизвестных разломов и мониторинге постсейсмической деформации. Вместе эти геодезические методы улучшают наше понимание сейсмического цикла и улучшают прогнозирование опасности.

Последствия землетрясений

Землетрясения могут иметь разрушительные последствия для человеческого общества и окружающей среды.Степень воздействия зависит от таких факторов, как магнитуда землетрясения, глубина, расстояние от населенных пунктов, местная геология и устойчивость инфраструктуры.

Человеческое и социальное воздействие

Наиболее трагические последствия землетрясений — травмы и гибель людей. Землетрясение на Гаити в 2010 году (Mw 7.0) привело к гибели 316 000 человек, что усугубляется плохим строительством зданий и отсутствием готовности к чрезвычайным ситуациям. Помимо непосредственных жертв землетрясения вызывают долгосрочные социальные потрясения, включая перемещение, экономические потери и психологические травмы. Уязвимые группы населения, особенно в развивающихся странах с ограниченной инфраструктурой, страдают непропорционально.

Ущерб инфраструктуры

Землетрясения могут серьезно повредить здания, мосты, дороги, плотины, трубопроводы и электрические сети. Одной из значительных опасностей является сжижение почвы, где насыщенные, неконсолидированные отложения временно теряют силу при встряхивании, в результате чего структуры наклоняются, тонут или разрушаются. Землетрясение в Кобе в Японии в 1995 году проиллюстрировало, как даже современная инфраструктура может выйти из строя, подчеркнув важность сейсмически устойчивой конструкции.

Модернизация старых зданий с помощью сейсмически устойчивых технологий, таких как системы изоляции оснований, пластичная обрамление и сдвиг стен, может значительно уменьшить ущерб и спасти жизни. Городское планирование, которое позволяет избежать строительства на неустойчивых почвах или вблизи активных разломов, также имеет решающее значение.

Вторичные опасности, вызванные землетрясениями

Землетрясения часто вызывают дополнительные опасности, которые могут усугубить ущерб и потери:

  • Цунами: Подводные землетрясения, вызывающие вертикальное смещение морского дна, могут генерировать массивные океанские волны. Цунами Индийского океана 2004 года унесло жизни более 230 000 человек в 14 странах, что подчеркивает разрушительный потенциал таких событий.
  • Оползни:] Встряхивание может дестабилизировать склоны, что приводит к оползням, которые могут похоронить общины и инфраструктуру. Например, землетрясение Анкаш в 1970 году в Перу вызвало массивный оползень, который похоронил город Юнгай, убив около 20 000 человек.
  • Огонь: Разрывы газовых линий и электрической инфраструктуры, вызванные землетрясением, часто воспламеняют пожары, усугубляя разрушения. Пожары землетрясения в Сан-Франциско 1906 года нанесли больше ущерба, чем само тряска.

Стратегии готовности и смягчения

Хотя землетрясения не могут быть предотвращены, их риски могут быть значительно уменьшены благодаря готовности, системам раннего предупреждения, устойчивой инфраструктуре и государственному образованию.

Системы раннего предупреждения землетрясений (EEW)

Системы раннего предупреждения о землетрясениях обнаруживают более быстрые, но менее разрушительные Р-волны и быстро оценивают местоположение и магнитуду землетрясения до прибытия более разрушительных S-волн и поверхностных волн.Это предварительное уведомление, обычно в пределах от нескольких секунд до десятков секунд, может позволить людям принимать защитные меры, останавливать поезда, отключать промышленные процессы и уменьшать потери.

Японское метеорологическое агентство (JMA) предупреждает , а система США ShakeAlert является ведущим примером реализации EEW. ShakeAlert расширяет охват по всей западной части Соединенных Штатов, обеспечивая критические секунды предупреждения для миллионов.

Строительные кодексы и структурная модернизация

Современные сейсмические строительные нормы включают инженерные методы, разработанные для того, чтобы выдерживать землетрясения.

  • Изоляция основания: Устройства, установленные между фундаментом здания и надстройкой, поглощают сейсмическую энергию, уменьшая передачу движения.
  • Дюктильные рамки: Структурные элементы, предназначенные для деформации без разрыва, рассеивания энергии и предотвращения коллапса.
  • Стены сдвига: Усиленные стены, которые сопротивляются боковым силам и обеспечивают жесткость.

Модернизация существующих уязвимых зданий и инфраструктуры является критически важным компонентом снижения риска землетрясений, особенно в старых городах и развивающихся регионах.

Государственное образование и планирование чрезвычайных ситуаций

Эффективная готовность к землетрясениям также зависит от информированности общественности и обучения. Такие буровые установки, как «Бросать, покрывать и держаться», учат людей, как защитить себя во время тряски. Планы чрезвычайных ситуаций в общинах, маршруты эвакуации и сети связи повышают устойчивость и возможности реагирования.

Заключение

Разломы и землетрясения присущи динамичной природе земной коры, обусловленной неустанным движением тектонических плит. Достижения в области геологии, сейсмологии и геодезии значительно улучшили наше понимание механики разломов и процессов землетрясений. Несмотря на присущую непредсказуемость землетрясений, текущие исследования в сочетании с технологическими инновациями в области раннего предупреждения и инженерного проектирования дают надежду на снижение их разрушительных последствий. Благодаря информированным научным знаниям, надежной инфраструктуре и подготовленным сообществам общества могут лучше сосуществовать с сейсмическими силами, формирующими нашу планету.