Землетрясения являются одними из самых мощных и непредсказуемых природных явлений на Земле, способных за считанные секунды перестраивать ландшафты. Эти события происходят, когда запасенная в земной коре энергия внезапно высвобождается, генерируя сейсмические волны, которые рябит по планете. Понимание геологических процессов, которые приводят к землетрясениям, имеет важное значение не только для прогнозирования их возникновения, но и для смягчения их разрушительного воздействия на человеческие сообщества и природную среду. В этой статье исследуется основная механика землетрясений, различные типы сейсмической активности и то, как эти силы преобразуют ландшафты через разрывы разломов, оползни, сжижение и цунами.

Что вызывает землетрясения?

Основной движущей силой большинства землетрясений является движение тектонических плит. Литосфера Земли, включающая в себя кору и верхнюю мантию, раздроблена на мозаику плит, скользящих по полужидкой астеносфере. Конвекционные токи в мантии создают силы, которые толкают, тянут и скользят плиты друг против друга. Со временем напряжение накапливается вдоль границ плит и внутри пластин. Когда напряжение превышает силу трения пород, кора разрывается вдоль линии разлома, высвобождая энергию в виде сейсмических волн. Эта концепция, известная как теория упругого отскока, была впервые предложена Гарри Филдингом Ридом после землетрясения в Сан-Франциско в 1906 году.

Границы тектонической плиты

Землетрясения наиболее часты и тяжелы на границах плит, где взаимодействия постоянны. Существует три основных типа границ:

  • Дивергентные границы:] Здесь плиты раздвигаются, создавая разрыв, который заполняет магма, поднимающаяся из мантии. Этот процесс порождает частые, как правило, низкомагнитные землетрясения и вулканическую активность. Среднеатлантический хребет является классическим примером расходящейся границы, где формируется новая океаническая кора.
  • Сходящиеся границы: Пластины сталкиваются, причём более плотные плиты субдукции под другими. Зоны субдукции производят самые крупные и глубокие землетрясения, а также вулканические дуги. Землетрясение Суматры-Андаманской (магнитуда 9,1) 2004 года произошло на сходящейся границе между Индо-Австралийской и Евразийской плитами.
  • Переформируйте границы:Платы горизонтально скользят друг мимо друга. Трение нарастает вдоль разлома, а при его высвобождении вызывает мощные землетрясения.Разлом Сан-Андреас в Калифорнии — хорошо известная граница преобразования, способная производить разрушительные землетрясения.

Механика поломок

Разломы — это трещины в земной коре, где произошло движение. Тип разлома влияет на природу землетрясения и, как следствие, на ландшафтные изменения. Существует три основных типа разломов:

  • Обычные дефекты: Возникают в районах напряженного напряжения, где висячая стена движется вниз относительно стенки. Эти дефекты распространены на расходящихся границах и в рифтовых зонах, таких как Восточно-Африканский разлом.
  • Обратные разломы: Форма под давлением с подвешиванием стенки движется вверх. Разломы толчка, тип обратного разлома с низким углом падения, ответственны за многие крупные землетрясения зоны субдукции.
  • Разломы скольжения удара:] Вертикальные плоскости разлома, где блоки движутся горизонтально друг мимо друга. Сан-Андреас является правосторонним разломом скольжения удара; разлом Северной Анатолии в Турции является еще одним активным примером.

Зоны разломов часто содержат сложную сеть трещин, и высвобождение сейсмической энергии может распределяться по нескольким сегментам.Понимание геометрии разломов помогает сейсмологам оценить максимальные потенциальные величины землетрясений и закономерности встряхивания грунта.

Типы землетрясений

Помимо классических тектонических землетрясений, сейсмические события могут быть вызваны другими геологическими и антропогенными процессами.

  • Естественные землетрясения:] Включая тектонические, вулканические и коллапсовые землетрясения (от подземных оползней или воронок).Вулканические землетрясения связаны с движением магмы и могут предшествовать извержениям.
  • Навязанные землетрясения: Деятельность человека, такая как закачка сточных вод из нефтяных и газовых операций, заполнение водохранилищ за крупными плотинами и добыча полезных ископаемых, может вызвать сейсмичность. Землетрясение магнитудой 5,7 в 2011 году недалеко от Праги, штат Оклахома, вероятно, было вызвано закачкой жидкости.
  • Землетрясения с низкой фокусировкой:] Происходят на глубинах менее 70 км. Они наиболее разрушительны, поскольку выделяют энергию ближе к поверхности. Землетрясение в Кобе в 1995 году (M6.9) было неглубоким событием.
  • Землетрясения с глубоким фокусом:] Происходят на глубинах от 70 до 700 км, как правило, вдоль субдукционных плит. Они вызывают меньше повреждений поверхности из-за рассеивания энергии, но все еще могут ощущаться на широких участках.
  • Внутрипланетные землетрясения:] Происходят в пределах тектонических плит вдали от границ. Они менее распространены, но могут быть разрушительными из-за незнакомства и отсутствия готовности. Землетрясения в Новом Мадриде в 1811-1812 годах в центральной части Соединенных Штатов являются заметными примерами.

Сейсмические волны и их влияние

Когда землетрясение разрывается, оно излучает энергию в виде сейсмических волн. Эти волны проходят через Землю и через ее поверхность, заставляя землю трястись. Характер волн определяет, как реагируют структуры и ландшафты.

Волны тела

Волны тела проходят через внутреннюю часть Земли. Есть два типа:

  • P-волны (первичные волны): Компрессионные волны, которые толкают и тянут материал в направлении движения. Они являются самыми быстрыми сейсмическими волнами и могут перемещаться через твердые тела, жидкости и газы. P-волны первыми прибывают на станции сейсмографа.
  • S-волны (вторичные волны): Сдвигающие волны, которые перемещают частицы перпендикулярно направлению движения. Они медленнее, чем Р-волны, и могут перемещаться только через твердые тела. S-волны вызывают более сильное сотрясение, особенно в структурах.

Поверхностные волны

Поверхностные волны движутся вдоль поверхности Земли и, как правило, несут ответственность за большинство повреждений от землетрясений. Они медленнее, чем волны тела, но имеют большие амплитуды.

  • Волны любви: Горизонтальные сдвиговые волны, которые перемещают землю из стороны в сторону. Они особенно вредны для строительства фундаментов, потому что они вызывают боковое встряхивание.
  • Волны Рэйли: Повернуть вдоль земли, как океанские волны, производя как вертикальное, так и горизонтальное движение. Они могут вызвать волнообразность грунта, приводя к структурному коллапсу и разрушению грунта.

Взаимодействие сейсмических волн с местной геологией, известное как эффекты места, может усиливать тряску.Мягкие отложения, например, могут значительно усиливать поверхностные волны, как видно из землетрясения в Мехико в 1985 году, когда почвы озера города увеличили ущерб вдали от эпицентра.

Измерение землетрясений

Сейсмологи используют несколько шкал для количественной оценки размера и интенсивности землетрясений. Шкала широты Рихтера, разработанная в 1935 году Чарльзом Рихтером, измеряет амплитуду сейсмических волн. Однако она ограничена для крупных землетрясений. Шкала магнитуды Момента (Mw) в настоящее время предпочтительна, поскольку она учитывает площадь разлома, количество скольжения и жесткость породы, обеспечивая более последовательную меру для всех размеров землетрясений. Модифицированная шкала интенсивности Меркалли (MMI) описывает наблюдаемые эффекты в конкретных местах, от едва заметного (I) до полного разрушения (XII). Например, землетрясение Тохоку в Японии в 2011 году имело магнитуду момента 9,0, но его интенсивность Меркалли варьировалась от VII до IX в разных регионах.

Влияние на ландшафты

Землетрясения могут изменить ландшафты за считанные минуты, создавая новые геоморфические особенности и изменяя существующую топографию.Величина, глубина, близость к населенным районам и местная геология влияют на степень изменений.

Поверхностный разрыв

Когда разлом ломает поверхность, он создает видимый зазор или трещину. Это может смещать дороги, заборы и речные каналы. Землетрясение в Сан-Франциско 1906 года вызвало разрыв поверхности вдоль разлома Сан-Андреас, сдвигая землю на 6 метров горизонтально. Разрывы поверхности также могут создавать новые озера, если дренаж заблокирован, или изменять речные курсы. В 2010 году землетрясение на Гаити (M7.0) разорвало разлом Энрикильо-Плантен-Гарден, создав поверхностный зазор, который повредил инфраструктуру.

Оползни и провал грунта

Встряхивание вызывает оползни, обвалы и спады, особенно на крутой местности. Землетрясение в Вэньчуани в 2008 году в Китае (M7.9) вызвало более 15 000 оползней, похоронив деревни и образовав оползневые плотины, которые позже прорвались. Землетрясение в Лома-Приете в Калифорнии в 1989 году вызвало массивные оползни в горах Санта-Крус. Потоки мусора могут быстро мобилизоваться, создавая чрезвычайные опасности для общин в долинах.

сжижение

В насыщенных водой рыхлых почвах интенсивное встряхивание может вызвать сжижение, где земля ведет себя как жидкость. Здания могут тонуть, наклоняться или разрушаться; погребенные трубопроводы могут плавать; и песчаные фурункулы могут извергаться на поверхности. Землетрясение в Крайстчерче в Новой Зеландии (M6.2) 2011 года вызвало широкое сжижение в восточных пригородах города, что привело к отказу от многих домов. Сжижение также увеличивает риск наводнений, повреждая дамбы и дренажные системы.

Цунами

Подводные землетрясения, особенно в зонах субдукции, могут вытеснить большие объемы воды, порождая цунами. Цунами Индийского океана 2004 года, спровоцированное землетрясением M9.1 у Суматры, унесло жизни более 230 000 человек в 14 странах. Землетрясение Тохоку 2011 года вызвало цунами, которое в некоторых районах достигло высоты 40 метров, вызвав ядерную катастрофу на Фукусиме. Цунами не ограничиваются океанами; крупные землетрясения на озерах или внутренних морях также могут генерировать опасные волны.

Вторичные эффекты и изменения окружающей среды

Помимо непосредственного встряхивания и разрыва, землетрясения вызывают долгосрочные изменения окружающей среды. Системы подземных вод могут быть изменены, с высыханием колодцев или мутными. Афтершок, который является меньшими землетрясениями в том же регионе, может продлить разрушение на месяцы и вызвать дополнительные оползни. В Калифорнии землетрясение 1992 года Ландерс вызвало сейсмику на расстоянии более 1000 км, явление, известное как спровоцированные землетрясения. Землетрясения также могут выпускать газы, такие как радон из коры, и в редких случаях, вызвать извержения вулканов, если изменения напряжения влияют на магматические камеры.

Нагрузки осадков в реках часто резко возрастают после землетрясений из-за повышенной эрозии от оползней, влияющих на водные среды обитания и качество воды. Прибрежные экосистемы могут быть изменены подъемом или оседанием. Например, землетрясение на Аляске 1964 года (M9.2) вызвало подъем земли до 11 метров в некоторых районах, поднимая морские террасы, в то время как другие районы утихали, топив леса.

Смягчение последствий землетрясений

Хотя мы не можем предотвратить землетрясения, мы можем уменьшить их воздействие за счет сочетания науки, техники и готовности сообщества.

Строительные кодексы и правила

Современные строительные нормы в сейсмически активных регионах требуют, чтобы структуры сопротивлялись боковым силам. Системы изоляции оснований, гибкие материалы и железобетон являются распространенными методами. Жесткие строительные нормы Японии, усовершенствованные после землетрясения в Кобе в 1995 году, спасли бесчисленное количество жизней. Реконструкция старых зданий, например, путем добавления стальных рам или сдвига стен, также имеет решающее значение. Во многих развивающихся странах, однако, правоприменение зданий остается слабым, что приводит к повсеместному коллапсу во время умеренного встряхивания.

Системы раннего предупреждения

Системы раннего предупреждения о землетрясениях (EEW) используют сеть сейсмометров для обнаружения более быстрых P-волн и выдают оповещения за секунды до минут до прибытия разрушительных S-волн. Японская национальная система EEW работает с 2007 года и успешно замедляет поезда, закрывает промышленные процессы и предупреждает общественность во время таких событий, как землетрясение в Тохоку в 2011 году. Соединенные Штаты разработали ShakeAlert для Западного побережья, и аналогичные системы внедряются в Мексике, Китае и других странах.

Планирование землепользования и картирование опасностей

Выявление районов с высоким риском посредством картирования сейсмической опасности, включая зоны разломов, подверженные сжижению почвы и оползневые склоны, позволяет общинам избегать строительства в опасных местах. Законы о зонировании могут ограничивать развитие вблизи активных разломов или требовать детальных геотехнических исследований. В Новой Зеландии Управление по восстановлению после землетрясения 2010-2011 годов использовало карты опасности сжижения для руководства восстановлением после землетрясений.

Общественная осведомленность и готовность

Во многих подверженных землетрясениям регионах школы и рабочие места проводят регулярные учения. Готовность включает в себя наличие аварийных комплектов с водой, едой, первой помощью и фонариками; создание планов семейной связи; и обеспечение безопасности тяжелой мебели. Программы на базе сообщества, такие как кампания Американского Красного Креста «Готовы» и глобальные учения «ShakeOut», помогают миллионам людей знать, чтобы «Бросать, покрывать и держаться». Социальные сети также могут использоваться для распространения быстрых предупреждений и информации после стихийных бедствий.

Для получения более авторитетной информации читатели могут изучить Программа геологической службы США по опасности землетрясений , Инкорпорированные исследовательские институты сейсмологии (IRIS) для образовательных ресурсов и Федеральное агентство по чрезвычайным ситуациям (FEMA) Страница управления рисками землетрясений .

Заключение

Землетрясения являются естественным следствием динамичной Земли. Они обусловлены тектоническими силами, которые создают стресс в больших масштабах, и их последствия - от тряски и разрыва до оползней и цунами - могут изменить ландшафты и угрожать жизни. Углубляя наше понимание геологических процессов, стоящих за землетрясениями, мы можем лучше предсказать их поведение, спроектировать более устойчивые сообщества и реализовать эффективные стратегии смягчения последствий. Продолжение исследований в сочетании с общественным образованием и политической волей предлагает лучший путь к снижению потерь этих неизбежных событий. Задача состоит не в том, чтобы остановить землетрясения, а адаптироваться к планете, которая всегда находится в движении.