Под знакомой нам землей, по которой мы ходим, постоянно работает динамичный и мощный двигатель. Энергия, которая питает этот двигатель, проявляется во многих отношениях, от медленного дрейфа континентов на протяжении миллионов лет до внезапного, сильного землетрясения. Землетрясения являются одними из самых мощных природных явлений на планете, способных изменить ландшафты и свергнуть города за считанные секунды. Понимание физики, стоящей за этими событиями, требует глубокого погружения в недра Земли, силы, которые управляют тектоникой плит, и механика того, как энергия распространяется через твердую скалу. Это исследование не только удовлетворяет научное любопытство, но также необходимо для создания устойчивой инфраструктуры и разработки эффективных систем раннего предупреждения.

Слоеная архитектура Земли

Чтобы понять, почему происходят землетрясения, мы должны сначала понять структуру самой планеты. Земля не является однородным, твердым шаром из камня. Вместо этого, это высокодифференцированное тело, состоящее из нескольких различных слоев, каждый из которых обладает уникальными физическими и химическими свойствами. Эта слоистая структура является прямым результатом формирования планеты миллиарды лет назад, когда более тяжелые элементы, такие как железо и никель, опустились к центру, в то время как более легкие элементы, такие как кремний и кислород, поднялись, чтобы сформировать кору.

Кора и литосфера

Наиболее внешним слоем является кора , относительно тонкая, жесткая оболочка, которая составляет менее 1% объема Земли. Есть два различных типа: континентальная кора, которая толстая (в среднем 35 км) и состоит из более легких, гранитных пород; и океаническая кора, которая тоньше (в среднем 7-10 км) и состоит из более плотных, богатых базальтом пород. Кора, в сочетании с самой верхней, жесткой частью нижней мантии, образует холодный, хрупкий слой, называемый литосфера . Эта литосфера не является единой, непрерывной оболочкой, но разбита на ряд массивных, взаимосвязанных частей, известных как тектонические плиты. Именно движение и взаимодействие этих плит вызывают подавляющее большинство землетрясений.

Мантийные и конвекционные течения

Ниже литосферы лежит мантия , слой горячей, плотной силикатной породы толщиной примерно 2900 км. Хотя мантия твердая, она ведет себя пластично в течение геологических временных рамок — как очень жесткая, медленно движущаяся жидкость. Это связано с интенсивным теплом и давлением глубоко внутри Земли. Тепло, приводящее в движение это движение, исходит из двух основных источников: первичное тепло, оставшееся от формирования планеты и радиоактивного распада элементов, таких как уран, торий и калий. Это тепло создает массивные конвекционные токи внутри мантии. Горячий, менее плотный материал поднимается из глубокой мантии, в то время как более холодный, плотный материал тонет. Эти конвекционные клетки действуют как двигатель, который управляет движением тектонических плит выше. Область верхней мантии, которая является наиболее податливой, называется астеносфера , и она действует как смазочный слой, на котором скользят жесткие литос

Оригинальное название: Outer and Inner

Под мантией находится ядро , сфера интенсивного тепла и давления, состоящая в основном из железа и никеля. Внешнее ядро представляет собой жидкий слой, толщиной около 2200 км. Движение этого проводящего жидкого металла генерирует магнитное поле Земли через эффект динамо. Внутреннее ядро, напротив, представляет собой твердый шар из железа и никеля — более чем поверхность Солнца (приблизительно 5 400 ° C / 9 800 ° F) — но поддерживается твердым огромным давлением в центре планеты (более 3,6 миллиона атмосфер). В то время как само ядро не вызывает непосредственно землетрясений, его состав и поведение оказывают значительное влияние на то, как сейсмические волны проходят через Землю, как мы будем исследовать позже.

Тектоника плит: двигатель разрушения и создания

Теория тектоники плит является объединяющей основой для понимания землетрясений, вулканов и горного строительства. Она описывает, как литосферные плиты движутся и взаимодействуют на своих границах. Землетрясения в подавляющем большинстве сосредоточены вдоль этих границ плит. Силы, движущие этими плитами, сложны, но основными драйверами являются тяга плиты (вес плотной, субдуктивной тектонической плиты, тянущей остальную часть плиты за ней) и тяга гребня (гравитационное скольжение плиты от высокого, возвышенного срединно-океанского хребта).

Расходящиеся границы: плиты, раздвигающиеся

При расходящихся границах тектонические плиты отдаляются друг от друга. Это происходит прежде всего на срединно-океанических хребтах, где отлив магмы от мантии создает новую океаническую кору. По мере отделения плит литосфера растягивается и тонет, приводя к неглубоким, частым землетрясениям. Классическим примером является Срединно-Атлантический хребет. Эти землетрясения в целом менее мощные, чем на других границах, но они стойкие и играют ключевую роль в непрерывной утилизации дна океана.

Сходящиеся границы: плиты падают

Конвергентные границы — это то место, где сталкиваются плиты. Это самый сейсмически активный тип границы и ответственен за самые большие и самые разрушительные землетрясения на Земле. Когда одна плита океаническая (плотная), а другая континентальная (плавучая), океаническая плита вынуждена спускаться в мантию в процессе, называемом субдукция . Трение и напряжение вдоль зоны субдукции огромны, накапливаются на протяжении веков и высвобождаются в массивных землетрясениях мегатруста. Зона субдукции Каскадия (Тихоокеанский Северо-Запад) и Японская впадина являются яркими примерами. Когда две континентальные плиты сталкиваются, ни одна из них не сжимается, ни субдукция легко. Вместо этого они смываются и утолщаются, создавая массивные горные хребты, такие как Гималаи. Это столкновение порождает мощные, но обычно более мелкие землетрясения.

Преобразование границ: плиты шлифовальные боковые

При границах преобразования пластины скользят горизонтально друг мимо друга. Трение препятствует плавному движению пластин, скрепляя их вместе. По мере того, как окружающие пластины продолжают двигаться, напряжение накапливается в закрытой зоне, пока не будет выпущено внезапное скольжение — землетрясение. Наиболее известным примером является разлом Сан-Андреас в Калифорнии, который образует границу между Тихоокеанской плитой и Североамериканской плитой. Землетрясения на разломах преобразования могут быть очень разрушительными, хотя они обычно более мелкие и имеют меньшую величину, чем самые большие события в зоне субдукции.

Механика ошибок и теория эластичного отскока

Конкретное место, где происходит разрыв землетрясения в хрупкой коре, называется разломом . Разлом — это разлом или зона разломов между двумя блоками породы.Эластичная теория отскока, предложенная Гарри Филдингом Ридом после землетрясения 1906 года в Сан-Франциско, элегантно объясняет, как энергия хранится и высвобождается вдоль разлома.

Сейсмический цикл

Теория Рида описывает цикл. В первой фазе тектонические силы медленно толкают два блока породы в противоположных направлениях. (интерсейсмический период). Трение на поверхности разлома удерживает блоки вместе, предотвращая их скольжение. По мере того, как блоки пытаются двигаться, они упруго деформируются, сохраняя энергию, очень похожую на растянутую пружину. (Презейсмическое/стрессовое наращивание). В конце концов, напряжение превышает силу трения разлома. Блоки внезапно скольжения, высвобождая накопленную упругую энергию в виде сейсмических волн. (Косейсмический период). После разрыва, камни возвращаются к своей ненапряженной форме, но в новом, смещенном положении. Цикл затем начинается заново, поскольку тектонические силы продолжают толкать.

Типы ошибок и режимы стресса

Тип разлома, который образуется, зависит от направления сил (напряжения), действующих на скалу.

  • Обычные дефекты: Они возникают в зонах напряженного напряжения, где кора раздвигается (расширительный режим). Висячая стена (блок над разломом) движется вниз относительно стенки (блок ниже). Они распространены на расходящихся границах и в рифтовых долинах.
  • Обратные разломы (и разломы тяги): Они возникают в зонах компрессионного напряжения, где кора сдвинута вместе. Висячая стенка движется вверх относительно подножной стенки. Разлом тяги — обратный разлом с низким углом падения. Они характерны для сходящихся границ и ответственны за самые крупные землетрясения.
  • Разломы скольжения удара:] Они возникают в областях сдвига, где блоки горных пород скользят горизонтально друг мимо друга. Плоскость разлома почти вертикальная. Разлом Сан-Андреаса является классическим примером. Относительное движение можно описать как левостороннее или правостороннее.

Сейсмические волны: как трясутся путешествия

Энергия, выделяющаяся при землетрясении, излучается наружу от фокуса (точка, где начинается разрыв) во всех направлениях. Эти энергетические импульсы называются сейсмическими волнами. Они проходят через внутреннюю часть Земли и вдоль ее поверхности, заставляя землю трястись. Сейсмологи классифицируют эти волны на два основных типа: волны тела и поверхностные волны.

Волны тела: P-волны и S-волны

Волны тела проходят через внутреннюю часть Земли. Они являются первыми волнами, которые прибывают на сейсмическую станцию и имеют решающее значение для определения местоположения и величины землетрясения.

  • P-волны (первичные или сжатые волны): Это самые быстрые сейсмические волны, движущиеся со скоростью 5-8 км/с в коре. Это продольные волны, то есть частицы земли движутся туда и обратно в том же направлении, что и волна, подобно звуковым волнам. Поскольку они толкают и тянут породу, они могут перемещаться через твердые тела, жидкости и газы. На поверхности они чувствуют себя резким толчком или ударом.
  • S-волны (вторичные или сдвига волны):] Они движутся со скоростью около 60% от скорости P-волн. Они представляют собой поперечные волны, то есть частицы земли движутся перпендикулярно направлению движения волны, как веревка, встряхнутая вверх и вниз. Поскольку они требуют жесткой среды для сдвига, S-волны не могут перемещаться через жидкости. Это свойство является фундаментальным для понимания структуры ядра Земли. S-волны более разрушительны, чем P-волны из-за их большей амплитуды и сдвига движения, что легко повреждает фундаменты зданий.

Поверхностные волны: волны любви и Рэлея

Когда волны тела достигают поверхности Земли, они могут генерировать волны, которые движутся вдоль поверхности, подобно ряби на пруду. Они называются поверхностными волнами. Они медленнее, чем волны тела, но имеют гораздо большие амплитуды и являются основной причиной сильного встряхивания и структурных повреждений, связанных с крупными землетрясениями.

  • Любовные волны: Это самые быстрые поверхностные волны. Они создают горизонтальное, боковое сдвигающее движение, перпендикулярное направлению движения. Они особенно вредны для фундаментов зданий.
  • Волны Рэйли:] Эти волны производят сложное, вращающееся движение, которое представляет собой комбинацию вертикального и горизонтального движения, аналогичного океанским волнам. Они заставляют землю двигаться по эллиптической, ретроградной схеме. Волны Рэйли отвечают за «катывающиеся» ощущения, которые испытывают люди во время землетрясения, и могут нанести огромный ущерб крупным структурам и ландшафтам.

Согласно Консорциум ИРИС, точная картина и сила этих поверхностных волн сильно зависят от местной геологии.Мягкие отложения могут усиливать встряхивание много раз, явление, известное как сжижение или усиление участка, что объясняет, почему повреждение может так сильно варьироваться на коротких расстояниях при землетрясении.

Сейсмическая теневая зона

Сейсмические волны не проходят по прямой линии через Землю. Они преломляются (изгибаются), когда сталкиваются с изменениями плотности и состава. Это преломление создает различные теневые зоны на поверхности Земли, где определенные волны не обнаруживаются. Например, P-волновая теневая зона существует между 103° и 142° от эпицентра. Поскольку S-волны не могут проходить через жидкое внешнее ядро, существует гораздо большая S-волновая теневая зона, начинающаяся примерно на 103°. Точное отображение этих теневых зон, используя данные Британская геологическая служба и других глобальных сетей, предоставило первое прямое доказательство размера и жидкой природы внешнего ядра Земли.

Измерение неизмеримого: величина и интенсивность

Для точного описания и сравнения землетрясений ученые используют два принципиально разных типа измерений: Магнитуда и Интенсивность. Магнитуда — это единственное объективное число, описывающее общее количество энергии, выделяемой у источника. Интенсивность — субъективная мера встряхивания и повреждения, ощущаемого в конкретном месте.

Шкала Момента Магнитуды

Шкала Рихтера, хотя и исторически известная, была в значительной степени заменена более точной шкалой магнитуды (Mw) для сообщения о современных землетрясениях. Шкала Рихтера стала неточной для очень крупных событий (выше M 7.0). Масштабность момента рассчитывается на основе всей площади разлома, который проскальзывал, среднего количества проскальзывания (смещения) и жесткости вовлеченных пород. Она обеспечивает единую и надежную оценку землетрясений всех размеров. Шкала логарифмическая, что означает, что землетрясение магнитудой 6,0 высвобождает примерно в 31,6 раза больше энергии, чем магнитуда 5,0, а магнитуда 7,0 высвобождает примерно в 1000 раз больше энергии, чем магнитуда 5,0. Событие магнитудой 9,0, как землетрясение Тохоку-Оки 2011 года, высвобождает почти непостижимое количество энергии - достаточно для питания всей Соединенных Штатов в течение нескольких недель.

Измененная шкала интенсивности Меркалли

В то время как магнитуда говорит нам о *размере * землетрясения, она не говорит нам о *локализованных эффектах *. Модифицированная шкала интенсивности Меркалли (MMI) использует римскую цифровую оценку от I (не ощущается) до XII (полное разрушение) для описания интенсивности встряхивания в определенной точке. Факторы, влияющие на MMI, включают расстояние от эпицентра, местную геологию (тип почвы, глубина породы) и качество строительства. Глубокое землетрясение в отдаленном районе может иметь большую величину, но низкую максимальную интенсивность. И наоборот, мелкое, умеренное землетрясение непосредственно под густонаселенным городом с мягкой почвой может привести к очень высокой интенсивности и катастрофическому ущербу. Картирование MMI жизненно важно для городского планирования, разработки строительного кодекса и реагирования на стихийные бедствия.

Глобальные модели и будущее прогнозирования

Землетрясения не распределены случайным образом по всему земному шару. Они сосредоточены вдоль границ тектонических плит Земли. Самым известным и активным регионом является Огненное кольцо , подковообразная зона вокруг Тихого океана, в которой происходит около 90% землетрясений в мире. Именно здесь Тихоокеанская плита субдукционируется под окружающие плиты, создавая массивную сеть зон субдукции от Японии и Индонезии до Аляски и Южной Америки.

Несмотря на значительные достижения в физическом понимании и технологии мониторинга, надежное прогнозирование точного времени, местоположения и величины землетрясения остается глубокой научной проблемой. Ученые могут идентифицировать «сейсмические промежутки» - области вдоль разлома, которые не разрывались в течение длительного времени и, вероятно, произведут будущее землетрясение. Они могут контролировать форшокы, изменения деформации коры с GPS и другие геофизические сигналы, такие как тонкие изменения уровней грунтовых вод. Основной фокус современной сейсмологии развивается и расширяется Системы раннего предупреждения о землетрясении (EEW) . Эти системы, такие как в западных Соединенных Штатах, не предсказывают землетрясения. Вместо этого они обнаруживают начальные, более быстрые П-волны и немедленно выдают автоматическое предупреждение. Это может обеспечить секунды до десятков секунд предупреждения, прежде чем прибудут более медленные, повреждающие S-волны и поверхностные волны. Даже несколько секунд предупреждения достаточно времени

Физика землетрясений показывает планету в постоянном движении. От медленных конвекционных течений в глубокой мантии до внезапного катастрофического скольжения по линии разлома, Земля - динамическая система. Каждое землетрясение предоставляет новый набор данных, новый фрагмент головоломки, который помогает усовершенствовать наши модели. Непрекращающаяся задача - превратить это глубокое понимание физики в практическую устойчивость, защищая сообщества от неизбежных и мощных сил, которые формируют наш мир. Чем больше мы узнаем о внутренней работе Земли, тем лучше мы готовы сосуществовать с ее грозной энергией.