Table of Contents

Земные землетрясения: силы, которые меняют нашу планету

Землетрясения являются одними из самых мощных и динамичных природных явлений на Земле, способных изменять ландшафты в течение нескольких секунд и влиять на геологическую эволюцию в течение миллионов лет. Они происходят из-за внезапного высвобождения энергии, накопленной в земной коре, проявляясь как сейсмические волны, которые излучаются во всех направлениях. Помимо непосредственного разрушения, которое они могут вызвать, такие как дрожание земли, разрыв поверхности и структурный ущерб, основные процессы включают сложные взаимодействия между тектоническими силами, механикой горных пород и внутренней структурой Земли. Эта статья углубляется в научные принципы, лежащие в основе землетрясений, исследуя их причины, типы, распространение, измерение, воздействия и стратегии для прогнозирования и смягчения, иллюстрируя, как эти события непрерывно создают поверхность планеты.

Что вызывает землетрясения?

В основе большинства землетрясений лежит движение и взаимодействие тектонических плит, массивных жестких плит, которые составляют внешнюю оболочку Земли или литосферу. Литосфера разбивается на несколько больших и многочисленных меньших плит, которые плавают на более горячей, более пластичной астеносфере под. Движимые потоками конвекции мантии, эти плиты движутся со скоростью, обычно измеряемой в сантиметрах в год. Стресс накапливается вдоль границ плит или внутри самих пластин, когда они взаимодействуют - либо сталкиваясь, расходясь, или скользя мимо друг друга.

Когда накопленное напряжение преодолевает сопротивление трения вдоль трещин, известных как разломы, камни внезапно проскальзывают, высвобождая накопленную энергию упругого напряжения. Это высвобождение генерирует сейсмические волны, которые проходят через внутреннюю часть Земли и по ее поверхности. Этот фундаментальный процесс описывается теорией эластичного отскока, впервые предложенной после землетрясения 1906 года в Сан-Франциско, которая объясняет, как камни деформируются упругим образом, пока они не разорвутся и не вернутся в ненапряженное состояние.

Границы тектонической плиты

Активность землетрясений сосредоточена вдоль границ тектонических плит, которые в целом подразделяются на три типа, каждый из которых связан с различными сейсмическими характеристиками:

  • Сходящиеся границы: В этих зонах плиты движутся навстречу друг другу, часто приводя к тому, что одна плита тяготеет под другую в процессе, называемом субдукцией. Эти границы порождают одни из самых больших и глубоких землетрясений, часто связанных с мощными цунами. Землетрясение Тохоку в Японии в 2011 году магнитудой 9,0 иллюстрирует разрушительное землетрясение в зоне субдукции.
  • Разнонаправленные границы:] Здесь плиты раздвигаются, как правило, на срединно-океанических хребтах, где магма поднимается, чтобы создать новую океаническую кору. Землетрясения на расходящихся границах имеют тенденцию быть неглубокими и менее интенсивными, но непрерывными. Эти землетрясения помогают нам понять распространение морского дна и образование плит.
  • Преобразовать границы:Платы горизонтально проскальзывают друг мимо друга по разломам скольжения удара. Такие границы порождают частые землетрясения различной величины.Разлом Сан-Андреас в Калифорнии — самый известный разлом преобразования, известный своей сейсмической активностью, представляющей значительный риск для населенных пунктов.

Вулканические землетрясения

Помимо взаимодействия тектонических плит, землетрясения также могут быть вызваны вулканической активностью. Поскольку магма пробивается через кору, она оказывает давление на окружающие породы, вызывая разрыв и небольшие толчки, часто называемые вулканическими землетрясениями. Эти землетрясения обычно происходят в роях и служат критическими предшественниками извержений вулканов, позволяя вулканологам отслеживать и прогнозировать извержения вулканов. Примечательным примером является извержение вулкана Сент-Хеленс в штате Вашингтон в 1980 году, которому предшествовали тысячи небольших землетрясений, которые предупредили ученых о предстоящем извержении.

Индуцированные землетрясения

В последние десятилетия деятельность человека была признана в качестве причины индуцированной сейсмичности - землетрясения, вызванные или под влиянием антропогенных факторов.

  • Сейсмичность, вызванная водохранилищем: Захват крупных водохранилищ за плотинами может усилить нагрузку на основные разломы из-за добавленного веса и проникновения воды. Землетрясение в Коинэ в 1967 году в Индии, которое привело к почти 200 смертельным случаям, связано с заполнением водохранилища Койна.
  • Впрыск сточных вод и гидравлический разрыв пласта: Глубокий впрыск сточных вод из нефтегазодобывающих предприятий может смазать разломы и вызвать землетрясения.В 2010-х годах в Оклахоме наблюдался заметный рост сейсмичности, что привело к принятию нормативных мер по снижению риска.
  • Землетрясения, вызванные горной промышленностью: Как наземная, так и подземная добыча полезных ископаемых могут вызвать обвалы грунта и перераспределение напряжения, которые вызывают землетрясения, особенно в регионах с обширными пустотами, такими как угольные шахты или карстовые местности.

Типы землетрясений

Землетрясения классифицируются по механике неисправностей, глубине и происхождению. К основным типам относятся:

  • Тектонические землетрясения: Они происходят от внезапных проскальзываний по разломам из-за тектонических сил и представляют большинство сейсмических событий во всем мире. Они сильно различаются по размеру от незаметных микроземлетрясений до разрушительных мегаземлетрясений.
  • Вулканические землетрясения: Связанные с движением магмы в вулканических системах, они, как правило, неглубокие и меньшие, но могут происходить в больших роях, предшествующих извержениям.
  • Коллапсные землетрясения: , вызванные внезапным обрушением подземных полостей, таких как шахты или естественные пещеры, обычно имеют низкую магнитуду, но могут вызвать локальный ущерб.
  • Землетрясения при взрыве: В результате подземных ядерных испытаний или промышленных взрывов их сейсмические сигнатуры отличаются от естественных землетрясений и используются при мониторинге соблюдения договоров о запрещении испытаний.

Сейсмические волны: как распространяются землетрясения

Когда землетрясение разрывает разлом, высвобождаемая энергия проходит через Землю в виде сейсмических волн. Понимание этих волн имеет решающее значение для определения местонахождения землетрясений и оценки их потенциального ущерба. Сейсмические волны широко делятся на волны тела, которые движутся внутри Земли, и поверхностные волны, которые движутся вдоль внешней поверхности Земли.

Волны тела

P-волны (Первичные волны): Это сжатые волны, которые являются самыми быстрыми сейсмическими волнами, способными проходить через твердые тела, жидкости и газы. Р-волны заставляют частицы колебаться взад и вперед в направлении распространения волн, подобно звуковым волнам. Они первыми прибывают на сейсмические станции, предоставляя важные ранние данные для обнаружения землетрясений и первоначального предупреждения.

S-волны (вторичные волны): Эти сдвиговые волны перемещают частицы, перпендикулярные направлению распространения, и могут перемещаться только через твердые тела. Они прибывают после P-волн и несут ответственность за большую часть разрушительного сотрясения, испытываемого во время землетрясений из-за их большей амплитуды и меньшей скорости.

Поверхностные волны

Поверхностные волны проходят вдоль поверхности Земли и обычно вызывают самые сильные землетрясения и повреждения почвы.

  • Любовные волны: Эти волны вызывают горизонтальный сдвиг грунта, движущийся бок о бок, что может серьезно повлиять на целостность зданий и инфраструктуры.
  • Волны Рэйли: Производя качающее движение, подобное океанским волнам, волны Рэйли вызывают как вертикальное, так и горизонтальное движение грунта, способствуя сложности встряхивающих узоров.

Детальное знание сейсмического волнового поведения позволяет сейсмологам точно определять эпицентры землетрясений, определять ориентацию разломов и выводить подземные структуры. Для всестороннего введения в сейсмические волны, Сейсмический информационный бюллетень IRIS является отличным ресурсом.

Измерение землетрясений: магнитуда и интенсивность

Землетрясения количественно оцениваются по двум связанным, но различным показателям: величина, которая измеряет высвобождаемую энергию, и интенсивность, которая описывает эффекты в определенных местах.

величина

Магнитуда землетрясения количественно определяет общую энергию, выделяемую при разрыве разлома. Оригинальная шкала Рихтера, разработанная в 1935 году, использует логарифмическую шкалу, где каждое увеличение единицы соответствует десятикратному увеличению амплитуды сейсмических волн и примерно в 32 раза большему высвобождению энергии. Однако шкала Рихтера ограничена локальными землетрясениями умеренного размера.

Чтобы лучше представлять крупные землетрясения, сейсмологи теперь используют шкалу магнитуды момента (Mw) [FLT: 1], которая вычисляет величину на основе физических параметров разрыва разлома — его площадь, среднее скольжение и жесткость вовлеченных пород. Шкала магнитуды момента обеспечивает более точную и последовательную меру во всех размерах землетрясений и является глобальным стандартом сегодня.

Интенсивность

Интенсивность измеряет эффекты землетрясения в конкретных местах, включая наблюдаемые структурные повреждения, деформацию почвы и восприятие человека. Модифицированная шкала интенсивности Меркалли (MMI) использует римские цифры I-XII, с I, указывающим на незаметное встряхивание, и XII, представляющий полное разрушение.

Карты интенсивности необходимы для аварийно-спасательных служб для оценки того, какие районы пострадали больше всего. Например, во время землетрясения в Нортридже в 1994 году (Mw 6.7) эпицентральная область испытывала интенсивность до IX, что соответствует сильному встряхиванию и серьезному повреждению. Подробнее об измерении землетрясений можно найти на странице USGS Measuring Earthquakes .

Влияние землетрясений на поверхность Земли

Землетрясения резко меняют поверхность Земли, как мгновенно, так и в геологических временных масштабах.В их последствиях встряхивание земли, разрыв поверхности, вторичные опасности и долгосрочные топографические изменения.

Встряхивание земли и разрыв поверхности

Сотрясение грунта — основная опасность от землетрясений, способных обрушивать здания, мосты и критическую инфраструктуру.Степень тяжести зависит от магнитуды землетрясения, глубины, расстояния от эпицентра и местных геологических условий.

Разрыв поверхности происходит, когда разлом прорывается к поверхности Земли, создавая видимые перемещения, такие как шрамы, трещины и смещения. Землетрясение в Сан-Франциско 1906 года вызвало разрыв поверхности длиной более 300 километров вдоль разлома Сан-Андреас, с горизонтальными смещениями до 6 метров, навсегда изменяя ландшафты и городские районы.

Оползни и сжижение почвы

В горных или холмистых районах сейсмическое сотрясение может дестабилизировать склоны, вызывая оползни, которые хоронят общины, реки плотины и изменяют структуру дренажа. Землетрясение Вэньчуань 2008 года в Китае вызвало, по оценкам, 15 000 оползней, существенно изменив топографию региона и усложнив спасательные работы.

Сжижение почвы — ещё одна опасность, когда насыщенные, рыхлые почвы теряют силу при встряхивании, ведут себя как жидкость. Это явление вызывает затопление, наклон или обрушение зданий. Примечательно, что во время землетрясения в Ниигата в Японии в 1964 году несколько жилых комплексов свернули вбок из-за сжижения, подчеркнув риски в определенных условиях почвы.

Цунами

Подводные землетрясения, особенно в зонах субдукции, могут быстро вытеснить большие объемы морской воды, создавая цунами — огромные океанские волны, способные преодолевать тысячи километров. Землетрясение в Индийском океане 2004 года (Mw 9,1) вызвало цунами, которое вызвало более 230 000 смертельных случаев в 14 странах, одно из самых смертоносных стихийных бедствий в истории.

Аналогичным образом, землетрясение в Тохоку в Японии в 2011 году вызвало цунами высотой более 40 метров, опустошив прибрежные общины и вызвав ядерную аварию на Фукусиме. Эти события подчеркивают критическую важность систем обнаружения цунами и предупреждения о них для минимизации потерь людей.

Топографические изменения

Крупные землетрясения могут навсегда изменить рельеф суши. Тектонический подъем может поднять горные хребты или поднять долины, в то время как оседание может создать бассейны или впадины. Землетрясение Горкха в Непале в 2015 году подняло части долины Катманду примерно на 1 метр, что повлияло на местную гидрологию и инфраструктуру.

На протяжении миллионов лет повторяющаяся сейсмическая активность вдоль разломов способствует постепенному формированию видных геологических особенностей, таких как горные пояса, рифтовые долины и трещины, иллюстрируя фундаментальную роль землетрясений в формировании ландшафта Земли.

Исторические землетрясения и извлеченные уроки

Прошлые землетрясения дают бесценное представление о сейсмических опасностях, влияя на научное понимание, инженерные практики и готовность к стихийным бедствиям.

Лиссабонское землетрясение 1755 года

1 ноября 1755 года в Лиссабоне, Португалия, произошло мощное землетрясение мощностью 8,5 МВт, вызвавшее смертоносное цунами и широкомасштабные пожары, которые снесли город. Эта катастрофа глубоко затронула европейскую науку и философию, вызвав первые систематические исследования сейсмических явлений и разработку ранних сейсмических строительных норм. Событие стало поворотным моментом в признании необходимости строительства, устойчивого к землетрясениям, и планирования чрезвычайных ситуаций.

Землетрясение в Сан-Франциско 1906 года

Поразительное 18 апреля 1906 года землетрясение магнитудой 7,9 мв вдоль разлома Сан-Андреас вызвало более 3000 смертей и обширных разрушений городов.Это привело к формулировке теории эластичного отскока Гарри Филдингом Ридом, основополагающей концепции, объясняющей, как стресс накапливается и внезапно высвобождается по разломам. Катастрофа также стимулировала достижения в области городского планирования, строительных норм и сейсмических приборов в Соединенных Штатах.

Землетрясение 1960 года в Вальдивии

Землетрясение 1960 года в Вальдивии в Чили остаётся крупнейшим зарегистрированным землетрясением, с магнитудой момента 9,5. Событие вызвало цунами по всему Тихому океану, которое нанесло ущерб на таких удаленных территориях, как Гавайи, Япония и Филиппины. Это землетрясение усилило понимание зон субдукции мегатруста и привело к созданию Тихоокеанской системы предупреждения о цунами, улучшив глобальную готовность к цунами.

Предсказание и раннее предупреждение

Несмотря на достижения в сейсмологии, точное предсказание землетрясений — определение точного времени, места и величины события — остается за пределами текущих научных возможностей. Однако вероятностные прогнозы, основанные на поведении разломов и исторической сейсмичности, дают ценные оценки риска. Например, USGS оценивает 72% вероятность землетрясения магнитудой 6,7 или больше в районе залива Сан-Франциско до 2043 года, направляя усилия по обеспечению готовности.

Однако системы раннего предупреждения могут обнаруживать начальные Р-волны от землетрясения и отправлять оповещения за несколько секунд до прибытия более разрушительных S-волн. Такие страны, как Япония, Мексика и Соединенные Штаты (с ShakeAlert), внедрили такие системы, позволяющие автоматически реагировать, как замедление поездов, закрытие газовых клапанов и остановка лифтов, сокращение жертв и ущерба.

Готовность и смягчение

Хотя землетрясения не могут быть предотвращены, их последствия могут быть существенно смягчены с помощью инженерных разработок, планирования и образования.

Строительные коды и реконструкция

Современные сейсмические строительные нормы предписывают, чтобы новые структуры выдерживали ожидаемые уровни тряски земли. Инновации включают системы изоляции базы, которые отделяют здания от движения земли, устройства рассеивания энергии, которые поглощают сейсмические силы, и гибкие материалы, которые предотвращают хрупкий отказ.

Реконструкция старых зданий, особенно тех, которые построены с неукрепленной кладки или устаревших методов, имеет жизненно важное значение для снижения уязвимости. После землетрясения в Нортридже 1994 года, Лос-Анджелес реализовал агрессивные программы модернизации для многоквартирных домов, значительно повышая устойчивость.

Планирование землепользования

Эффективная политика землепользования может ограничить развитие в опасных зонах, таких как линии разломов, подверженные сжижению почвы и нестабильные склоны.В Калифорнии Закон о зонировании землетрясений Alquist-Priolo ограничивает строительство вблизи активных разломов, помогая предотвратить катастрофические сбои в строительстве.

Готовность и образование сообщества

Пропагандистские кампании и учения по землетрясениям готовят общины к эффективному реагированию во время сейсмических событий. Экстренные наборы, планы эвакуации и знание безопасных мест во время тряски могут спасти жизни. Школы и рабочие места регулярно проводят учения «Бросать, покрывать и держаться», чтобы привить защитные привычки.

Инвестиции в устойчивую инфраструктуру, надежные системы раннего предупреждения и комплексное картирование опасностей в совокупности снижают человеческие и экономические потери от землетрясений, позволяя обществам жить более безопасно на нашей динамичной планете.