Table of Contents
Кольцо Огня прослеживает 40 000-километровый (25 000-миль) подковообразный путь вокруг бассейна Тихого океана. Это передовая зона геологического насилия Земли, ответственная примерно за 90% землетрясений в мире и 75% ее активных вулканов. Этот регион является прямым выражением внутренней динамики планеты. Понимание конкретных механизмов, которые производят эти землетрясения - от медленного ползания тектонических плит до внезапного разрыва морского дна - имеет важное значение для миллионов людей, живущих в его тени. Наука, стоящая за этой деятельностью, уходит корнями в теорию тектоники плит, структуру, которая объясняет движение внешней оболочки Земли.
Основы сейсмической активности: тектоника плит
Литосфера Земли, жесткий внешний слой, включающий кору и верхнюю мантию, разбита на мозаику тектонических плит. Эти плиты находятся в постоянном движении, приводимом в движение конвекционными токами в лежащей в основе астеносфере. Их взаимодействие на границах плит является основной причиной землетрясений. Огненное кольцо почти полностью определяется этими пограничными взаимодействиями, в частности, когда плиты сходятся, расходятся или скользят мимо друг друга.
Конвергентные границы: доминирующая сила
Конвергентные границы — это двигатели Огненного кольца. Здесь сталкиваются плиты. Когда океаническая плита сталкивается с континентальной плитой, более плотная океаническая плита вынуждена спускаться вниз в мантию в процессе, называемом субдукцией. Этот процесс отвечает за самые глубокие океанские траншеи на Земле, такие как Марианская впадина, и порождает самые большие землетрясения. Трение и напряжение, накопленные вдоль этих сходящихся интерфейсов, являются основным источником сейсмической энергии региона.
Дивергентные и трансформирующие границы
В то время как субдукция доминирует, другие взаимодействия пластин способствуют активности Огненного кольца. Разнонаправленные границы происходят там, где плиты движутся друг от друга, позволяя магме подниматься и образовывать новую кору. Восход в Восточно-Тихоокеанском регионе является главной расходящейся границей, расположенной в пределах Огненного кольца, производя мелкие, меньшие по величине землетрясения. Трансформировать границы происходят там, где пластины скользят горизонтально мимо друг друга. Разлом Сан-Андреас в Калифорнии является классическим примером границы преобразования, генерируя частые и иногда большие землетрясения, поскольку тихоокеанские и североамериканские плиты шли мимо друг друга.
Оригинальное название: The Engine of the Ring of Fire
Зоны субдукции — наиболее динамичные геологические особенности планеты. Это конкретные места, где одна тектоническая плита изгибается и опускается под другую. Физические и химические процессы, происходящие в этих зонах, объясняют концентрацию как землетрясений, так и вулканов в Кольце Огня.
Землетрясения мега-травмы: самые большие на Земле
По мере того, как субдукционная пластина опускается, она часто прилипает к перекрывающей пластине. Этот механизм блокировки создает огромное напряжение в течение десятилетий или столетий. Когда накопленное напряжение превышает силу трения разлома, пластины проносятся мимо друг друга, высвобождая энергию при мегатрустном землетрясении. Это самые мощные землетрясения, когда-либо зарегистрированные, с магнитудами, превышающими 9,0. Землетрясение в Индийском океане в 2004 году (магнитная сила 9,1) и землетрясение в Тохоку в Японии в 2011 году (магнитная сила 9,0) являются разрушительными примерами разрывов мегатруста.
Зона Вадати-Бениоффа
Подводящие плиты не просто вызывают землетрясения на границе поверхности. По мере того, как холодная, плотная плита погружается в мантию, она создает плоскость сейсмической активности, отслеживающую ее спуск. Это известно как зона Вадати-Бениоффа. Эти землетрясения могут происходить на промежуточных глубинах (70-300 км) и глубоких глубинах (300-700 км). Существование глубоких землетрясений является четким показателем того, что плита остается хрупкой и способна к разрыву, поскольку она спускается в горячую мантию, обеспечивая прямое доказательство процесса субдукции.
Плавление потока и вулканические дуги
Связь между землетрясениями и вулканами в Кольце Огня прямая. По мере опускания субдукционной плиты вода и другие летучие вещества (например, углекислый газ) из гидратированных минералов в океанической коре. Эти жидкости поднимаются в надводный мантийный клин, понижая температуру плавления породы. Этот процесс, известный как плавление потока, генерирует магму. Магма менее плотная, чем окружающая порода, и поднимается через кору, образуя цепи вулканов, известные как вулканические дуги. Анды, Каскады и острова Японии - все вулканические дуги, образованные этим процессом.
Анатомия землетрясения в огненном кольце
Когда напряжение на разломе превышает силу породы, разрыв начинается в точке, называемой фокусом (или гипоцентром). Точка непосредственно над фокусом на поверхности Земли является эпицентром . Выделяемая энергия излучается наружу в виде сейсмических волн, которые классифицируются на волны тела и поверхностные волны.
Волны тела: P-волны и S-волны
Волны тела проходят через внутреннюю часть Земли. Первичные волны (P-волны) являются компрессионными волнами, которые движутся быстрее всего, толкая и тянут частицы породы в направлении распространения волн. Вторые волны (S-волны) являются сдвиговыми волнами, которые движутся медленнее, чем P-волны, и перемещают частицы породы, перпендикулярные направлению движения волны. S-волны не могут перемещаться через жидкости, свойство, которое помогает ученым понять структуру ядра Земли.
Поверхностные волны и повреждения
Поверхностные волны движутся вдоль земной коры и, как правило, несут ответственность за самые серьезные структурные повреждения во время землетрясения. Они прибывают после P-волн и S-волн. Любовные волны вызывают движение по наземной поверхности из стороны в сторону, в то время как Волны Рэйли производят вращающееся движение, подобное волнам океана. Амплитуда и продолжительность этих поверхностных волн определяют интенсивность тряски, испытываемой в данном месте. Геология региона может усиливать эти волны; например, мягкие отложения в бассейне будут трясти сильнее, чем твердая основа.
Измерение величины и интенсивности
Размер землетрясения измеряется с помощью шкалы Моментная магнитуда (Mw) , которая заменила старую шкалу Рихтера. Магнитуда момента является более точной мерой общей энергии, выделяемой землетрясением, рассчитанной на основе площади разрыва разлома, величины проскальзывания и жесткости пород. Например, землетрясение магнитудой 9,0 высвобождает более чем в 1000 раз больше энергии, чем землетрясение магнитудой 7,0. Интенсивность , напротив, является мерой встряхивания и повреждения, вызванного землетрясением в определенном месте, измеренной с использованием шкалы интенсивности модифицированного Меркалли.
Ключевые тектонические плиты среди огненного кольца
В то время как десятки плит взаимодействуют вокруг Тихого океана, некоторые из них доминируют в сейсмической активности.
Тихоокеанская плита
Тихоокеанская плита — самая большая океаническая плита на Земле. Она почти полностью окружена зонами субдукции, что делает её основным драйвером Огненного кольца. На её западном краю она субдукционирует под Евразийскими и Филиппинскими морскими плитами, создавая глубокие траншеи и интенсивную вулканическую активность Японии, Курильских островов и Марианских островов. На востоке она скользит мимо Североамериканской плиты вдоль разлома Сан-Андреас и взаимодействует с плитами Хуан-де-Фука и Кокос.
Североамериканская плита
Западная граница Североамериканской плиты — зона сложного взаимодействия. На северо-западе Тихого океана она перекрывает плиту Хуан-де-Фука в зоне субдукции Каскадия, способного источника землетрясений и цунами магнитудой 9,0. В Калифорнии граница с Тихоокеанской плитой смещается в ударно-скользящую систему разлома Сан-Андреас, которая производит частые мелководные землетрясения.
Филиппинское море и евразийские плиты
Этот регион является одним из самых сейсмически сложных на Земле. Филиппинская морская плита вклинивается между тихоокеанскими и евразийскими плитами. Тройное соединение, где эти плиты встречаются, приводит к высокой плотности зон субдукции, вызывая чрезвычайно частые землетрясения и мощные извержения вулканов, такие как извержение вулкана Пинатубо в 1991 году. Плотная сеть разломов в Японии и на Филиппинах является прямым результатом этого многоплитного столкновения.
Наска и южноамериканские плиты
Субдукция плиты Наска под Южноамериканской плитой создает Перу-Чилийскую впадину и подняла горы Анд. Эта зона субдукции производит одни из самых мощных землетрясений в истории, включая землетрясение 1960 года в Вальдивии, самое сильное из когда-либо зарегистрированных на магнитуде 9,5. Крутой угол субдукции в этом регионе также порождает землетрясения глубокой направленности под континентом.
Влияние кольца пожарных землетрясений
Энергия, выделяемая землетрясениями в Кольце Огня, не останавливается при сотрясении земли.Вторичные опасности, в частности цунами, представляют значительные риски по всему бассейну Тихого океана.
Поколение цунами
Мегатрустные землетрясения, происходящие в зонах субдукции, являются основной причиной цунами. Когда морское дно резко деформируется вдоль линии разлома, оно вертикально смещает массивный столб воды над ним. Это смещение порождает серию волн, которые выходят наружу со скоростью, превышающей 800 километров в час (500 миль в час) в глубоком океане. В то время как высота волны в открытом океане может быть только метром, огромная скорость и энергия вызывают резкий рост волны, когда она входит в мелководные прибрежные воды, затопляя береговые линии в тысячах километров от эпицентра землетрясения.
Неисправность грунта и сжижение
Интенсивное встряхивание может вызвать оползни в горных районах, которые распространены в крутой местности Кольца Огня. В районах с рыхлой, насыщенной водой почвой, встряхивание может вызвать сжижение , где земля ведет себя как жидкость. Это может привести к затоплению зданий, разрыву трубопроводов и поплавку подземных сооружений на поверхность. Эти вторичные опасности часто наносят такой же ущерб, как и само встряхивание.
Строительство для устойчивости
Высокая частота землетрясений в Кольце Огня привела к инновациям в сейсморазведке и строительных нормах. Такие страны, как Япония, Чили и Новая Зеландия, внедрили одни из самых строгих строительных норм в мире, требующие от конструкций выдерживать сильное встряхивание. Системы изоляции баз, гибкие стальные рамы и передовые механизмы демпфирования в настоящее время являются стандартными в современном строительстве в этих регионах. В то время как краткосрочное прогнозирование землетрясений остается чрезвычайно сложным, долгосрочное картирование опасности и государственное образование являются высокоэффективными инструментами для спасения жизней.
Мониторинг и прогнозирование огненного кольца
Ученые следят за Огненным кольцом, используя плотную сеть инструментов для понимания процессов землетрясений и раннего предупреждения.
Сейсмограф и GPS сети
Глобальные и региональные сети сейсмографа позволяют ученым определять местонахождение землетрясений и измерять их величину в течение нескольких минут. Кроме того, сеть постоянно работающих станций GPS измеряет медленную деформацию земной коры. Это позволяет исследователям определять, где штамм накапливается вдоль заблокированных разломов, обеспечивая карту долгосрочной сейсмической опасности. Программа USGS по угрозам землетрясений предоставляет данные в реальном времени и оценки опасности для Соединенных Штатов и во всем мире.
Системы предупреждения цунами
Тихоокеанский центр предупреждения о цунами, управляемый NOAA, является прямым результатом землетрясения и цунами на Алеутских островах 1946 года. Он использует сейсмические данные и сеть датчиков глубоководного давления (буев DART) для обнаружения цунами в открытом океане. Когда землетрясение достаточной величины происходит в зоне субдукции, центр выдает предупреждение, давая прибрежным популяциям время для эвакуации на более высокую землю.
Раннее предупреждение землетрясений (EEW)
Вместо этого они обнаруживают начальные, более быстрые P-волны от землетрясения и автоматически выдают предупреждение до прибытия более медленных, повреждающих S-волн и поверхностных волн. Японская система J-Alert и система ShakeAlert на западе Соединенных Штатов используют эту технологию для обеспечения секунд до десятков секунд предупреждения, чтобы остановить поезда, открыть двери пожарной части и вызвать автоматические отключения на промышленных объектах.
Наука долгосрочного прогнозирования
Краткосрочное предсказание землетрясений (объявить точное время, дату и величину будущего землетрясения) в настоящее время невозможно. Однако долгосрочное прогнозирование весьма успешно. Объединив исторические записи, палеосейсмологию (изучение доисторических данных о землетрясениях в окопах) и данные GPS, ученые могут оценить вероятность крупного землетрясения на данном сегменте разлома за период десятилетий. Такой тип прогнозирования является тем, что движет строительными нормами и государственной политикой, позволяя обществу подготовиться к неизбежному сотрясению, которое продолжит определять жизнь в Кольце Огня.
Огненное кольцо — это не случайная совокупность опасных зон; это неизбежное следствие геологически активной планеты. Субдукция океанических плит обеспечивает конечную движущую силу для самых мощных землетрясений и самых взрывоопасных извержений вулканов на Земле. Продолжая совершенствовать наше научное понимание этих процессов с помощью сейсмологии, геодезии и геологии, мы строим более безопасные сообщества. Готовность, основанная на строгой науке, является наиболее эффективным ответом на огромные, но управляемые силы, которые формируют этот динамичный регион.