Что такое магнитуда землетрясения?

Магнитуда землетрясения является фундаментальной мерой, используемой сейсмологами для количественной оценки размера или высвобождения энергии землетрясения в его источнике. В отличие от интенсивности, которая описывает эффекты встряхивания в конкретных местах и варьируется в зависимости от расстояния и местных условий, магнитуда является внутренним свойством самого землетрясения. Она определяется путем анализа сейсмических волн, генерируемых разрывом вдоль разлома и регистрируемых инструментами по всему миру.

Масштабные масштабы логарифмические, то есть каждое целое число приращения соответствует примерно десятикратному увеличению амплитуды сейсмической волны и примерно в 32 раза больше энергии высвобождается. Например, землетрясение магнитудой 6,0 высвобождает примерно в 32 раза энергию события магнитудой 5,0. Эта логарифмическая природа позволяет ученым представлять широкий диапазон размеров землетрясений - от незаметных микроземлетрясений до массивных, изменяющих ландшафт событий мегатруста - в управляемом масштабе.

Понимание магнитуды землетрясения имеет важное значение для нескольких применений, включая системы раннего предупреждения о землетрясениях, оценку сейсмической опасности, разработку строительных норм, моделирование страховых рисков и планирование общественной безопасности. Постоянные улучшения в методах измерения помогают улучшить наше понимание процессов землетрясения и повысить точность и согласованность оценок величин.

Как измеряется величина?

Процесс измерения магнитуды землетрясения начинается с сейсмометров , высокочувствительных устройств, которые обнаруживают и регистрируют движения земли, вызванные сейсмическими волнами. Современные сейсмометры обычно используют подвешенную массу или электромагнитные принципы для преобразования встряхивания земли в электрические сигналы. Сети этих инструментов, такие как Передовая национальная сейсмическая система геологической службы США (ANSS) , обеспечивают глобальное покрытие для мониторинга землетрясений.

Когда происходит землетрясение, оно генерирует различные типы сейсмических волн:

  • P-волны (Первичные волны): Самые быстрые сейсмические волны, проходящие через внутреннюю часть Земли с помощью сжатия.
  • S-волны (Вторичные волны): Более медленные волны сдвига, которые также распространяются через внутреннюю часть Земли.
  • Поверхностные волны (волны любви и Рэлея): Путешествуйте по поверхности Земли и обычно вызывают сильнейшее встряхивание и повреждение.

Сейсмометры записывают эти волны как сейсмограмму, график временного ряда, отображающий амплитуду движения земли по сравнению со временем. Для определения величины сейсмологи измеряют амплитуду конкретных типов сейсмических волн на сейсмограмме и применяют поправки для расстояния между источником землетрясения и каждой станцией, чтобы объяснить затухание - как амплитуда волны уменьшается по мере распространения волн через материалы Земли.

Дополнительно анализируется частотность сейсмических волн. Более крупные землетрясения обычно производят относительно больше низкочастотной энергии и меньше высокочастотной энергии по сравнению с более мелкими событиями. Эти спектральные характеристики помогают различать разные масштабы и повышать точность оценок величин.

Типы масштаба магнитуды

Поскольку ни одна шкала магнитуд не захватывает все размеры землетрясений, расстояния и тектонические среды, сейсмологи используют различные дополнительные шкалы, адаптированные к различным типам волн, частотным диапазонам и характеристикам землетрясений.

Шкала Рихтера (локальная величина, ML)

локальная шкала величины (ML), более известная как шкала Рихтера, была разработана в 1935 году Чарльзом Рихтером и Бено Гутенбергом в Калифорнийском технологическом институте. Это была первая широко принятая шкала величин и остается культурно культовой. Рихтер определил ML на основе логарифма максимальной амплитуды S-волн, записанного конкретным типом сейсмометра — сейсмометром торсиона Вуда-Андерсона — на стандартном расстоянии 100 километров от эпицентра землетрясения.

Хотя шкала Рихтера эффективна для умеренных землетрясений в Южной Калифорнии, она имеет заметные ограничения. Она имеет тенденцию к насыщению для более крупных событий (выше 6,5 до 7,0]), где амплитуды волн больше не увеличиваются пропорционально размеру землетрясения. Кроме того, поскольку первоначальная калибровка была специфичной для региона, значения ML не являются глобально согласованными без корректировки. В результате шкала Рихтера в значительной степени была вытеснена более физически обоснованными шкалами величин в научных исследованиях, но остается широко признанной общественностью и средствами массовой информации.

Масштабная шкала момента (Mw)

Введенная в конце 1970-х годов шкала магнитуды момента (Mw) учитывает насыщенность и региональные ограничения более ранних масштабов, напрямую связывая величину с параметрами физического источника землетрясения. Она рассчитывается из сейсмического момента (M0), который количественно определяет общую энергию, выделяемую землетрясением, как:

M0 = μ × A × D

  • μ (Модуль сдвига): Жесткость пород, участвующих в скольжении разлома.
  • А: Площадь поверхности разлома, которая проскользнула.
  • D: Среднее смещение или проскальзывание по разлому.

Сейсмический момент выводится путем моделирования длительных сейсмических волн (периодов от 10 секунд до нескольких сотен секунд), зарегистрированных на нескольких станциях по всему миру.

Mw = (2/3) log10[M0 — 10.7 (с использованием единиц SI для M0)

В отличие от шкалы Рихтера, Mw не насыщает даже самые большие землетрясения. Например, землетрясение 1960 года в Валдивии в Чили, самое большое из когда-либо зарегистрированных с Mw 9.5, и землетрясение 2004 года Суматра-Андаман (Mw 9.1) точно измеряются с использованием Mw. Поскольку величина момента напрямую коррелирует с физическим размером и проскальзыванием разлома, это предпочтительная шкала для всех значительных землетрясений такими организациями, как USGS и Глобальная сейсмографическая сеть.

Магнитуда волны тела (mb)

Шкала body-wave magnitude (mb) основана на амплитуде самых быстрых сейсмических волн, Р-волн, измеренных на сейсмометрах короткого периода (около 1 Гц).Поскольку Р-волны проходят через внутреннюю часть Земли и прибывают первыми на сейсмические станции, МБ можно быстро рассчитать по данным на телесейсмических расстояниях (на расстоянии), что делает его ценным для быстрого обнаружения глобального землетрясения и мониторинга ядерных испытаний.

Однако МБ имеет тенденцию к насыщению при умеренных величинах (выше 6,0-6,5), ограничивая его полезность для очень крупных землетрясений. Несмотря на это, МБ остается важным для характеристики небольших землетрясений во всем мире и для первоначальных оценок магнитуд.

Поверхностно-волновая магнитуда (Ms)

Значение поверхностной волны (Ms) использует амплитуду поверхностных волн, в первую очередь волн Рэлея, с периодами около 20 секунд. Поверхностные волны движутся медленнее, чем волны тела, но часто имеют большие амплитуды на малых глубинах, что делает Ms особенно эффективным для измерения мелких землетрясений между величинами ~5,5 и 8,5.

Однако, подобно МБ и МЛ, Мисс насыщается очень большими землетрясениями (выше примерно 8,5), поскольку увеличение амплитуды поверхностных волн отклоняется. Многие исторические каталоги землетрясений сообщают о значениях Мис, особенно для событий, которые произошли до развития величины момента.

Другие специализированные масштабы магнитуд

  • Магнитуда продолжительности (Md): Оценка величины основана на общей продолжительности сейсмического сигнала, а не амплитуды. Полезно для очень небольших землетрясений или вулканического тремора, где измерения амплитуды ненадежны.
  • Магнитуда энергии (Me): Получается из общей излучаемой сейсмической энергии, а не из сейсмического момента. Она может отличаться от Mw для землетрясений, которые выделяют необычно высокую или низкую энергию относительно своего момента.
  • Mwp и Mwb: Быстрые оценки магнитуды в реальном времени на основе данных Р-волн, предназначенных для систем раннего предупреждения о землетрясениях. Они обеспечивают быстрые первоначальные оценки магнитуд для облегчения реагирования на чрезвычайные ситуации.

Сейсмологи обычно сообщают о нескольких типах магнитуд для одного и того же землетрясения, таких как «М 6,2 Мб, М 6,8 Мс, Мв 7,1», а затем выбирают наиболее надежное значение для официальной отчетности.

Магнитуда vs. интенсивность: понимание разницы

Важно различать магнитуду землетрясения и , которые связаны, но принципиально разные понятия.В то время как магнитуда количественно определяет энергию землетрясения в источнике, интенсивность описывает тяжесть встряхивания и повреждения, испытываемые в определенном месте.

Интенсивность измеряется с помощью таких шкал, как шкала модифицированной интенсивности Меркалли (MMI) , которая колеблется от I (не ощущается) до XII (полное разрушение). Значения интенсивности широко варьируются в зависимости от расстояния от эпицентра, местных геологических условий (таких как тип почвы), конструкции здания и других факторов.

Например, землетрясение в Нортридже в Калифорнии в 1994 году имело магнитуду 6,7 МВт, но нанесло серьёзные повреждения в некоторых районах из-за мягких почв, которые усиливали тряску, и более старых зданий, которые были уязвимы для обрушения.

Знание распределения интенсивности от землетрясения жизненно важно для управления чрезвычайными ситуациями, руководства поисково-спасательными операциями и совершенствования строительных норм для смягчения будущего ущерба. Однако для научных сопоставлений размера землетрясения и высвобождения энергии величина остается стандартной метрической.

Как измеряется величина на практике?

При землетрясении сейсмические сети автоматически обнаруживают время прибытия P- и S-волн на нескольких станциях, что позволяет быстро определить гипоцентр землетрясения (точка разрыва внутри Земли) и эпицентр (проекция поверхности).

Затем оценка магнитуды продолжается путем измерения амплитуды конкретных типов сейсмических волн на сейсмограмме каждой станции. Эти измерения амплитуды должны быть скорректированы для расстояния между станцией и землетрясением, используя предварительно установленные кривые затухания , которые описывают, как амплитуды сейсмических волн уменьшаются из-за геометрического распространения и поглощения энергии в материалах Земли.

Для расчетов магнитуды момента процесс более завязан. Сейсмологи анализируют долгопериодические сейсмические формы волн от нескольких станций и сравнивают их с синтетическими сейсмограммами, генерируемыми компьютерными моделями, имитирующими различные параметры источника землетрясения, включая ориентацию на разлом и величину скольжения. Этот инверсионный процесс находит сейсмический момент (M0), который наилучшим образом соответствует наблюдаемым данным.

Инверсия может занять от минут до часов в зависимости от размера землетрясения и доступности данных. Современные сейсмические сети, такие как Incorporated Research Institutions for Seismology (IRIS), обеспечивают потоки данных в реальном времени, которые облегчают быструю оценку величины и характеристику событий во всем мире.

Для крупных землетрясений, несколько оценок величины из разных масштабов и методов объединяются, чтобы произвести консенсус величины с границами неопределенности, обеспечивая точность и надежность в отчетности.

Ограничения и проблемы в измерении величины

Несмотря на достигнутые успехи, масштабы не имеют ограничений. К числу ключевых проблем относятся:

  • Насыщенность: Многие традиционные шкалы (Richter ML, body-wave mb, surface-wave Ms) испытывают насыщение, когда амплитуды волн больше не увеличиваются пропорционально размеру землетрясения, ограничивая их точность для крупных событий.
  • Глубинная зависимость:] Поверхностные волны ослабевают с глубиной, поэтому Ms эффективна в первую очередь для неглубоких землетрясений (менее ~50 км глубины). Шкалы волн тела менее чувствительны к глубине, но имеют свои ограничения.
  • Региональные колебания: Затухание волн землетрясения варьируется в зависимости от региона из-за различий в составе и структуре коры. В результате землетрясения одинаковой величины могут вызывать различную интенсивность встряхивания в разных регионах, хотя их высвобождение энергии схоже.
  • Быстрая против конечной величины: Ранние оценки величины часто полагаются на ограниченные данные и могут быть пересмотрены по мере появления дополнительных сейсмических записей и данных более длительного периода. Например, первоначальная величина землетрясения Тохоку 2011 года была зарегистрирована как Mw 8.1, позже пересмотрена до Mw 9.0 после детального анализа.
  • Общение и репортажи: Неправильное общение или упущение шкалы величины, используемой в публичных репортажах, может вызвать путаницу. Землетрясение на Гаити в 2010 году было правильно зарегистрировано как Mw 7.0, но иногда масштабы опускались или искажались в освещении в СМИ.

Текущие исследования направлены на улучшение определения величины путем интеграции плотных сейсмических массивов, методов спутниковой геодезии, таких как GPS и InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar), а также алгоритмов машинного обучения, которые улучшают обнаружение сигналов и разделение шума.

Примечательные землетрясения и их магнитуда

Изучение некоторых из самых значительных землетрясений в истории помогает проиллюстрировать применение и важность шкал магнитуд:

  • 1960 Вальдивия, Чили (Mw 9.5): Самое большое землетрясение, когда-либо зарегистрированное в мире. Оно вызвало разрушительное цунами в Тихоокеанском регионе. Первоначально оценивалось примерно в 8,5 балла по шкале Рихтера до того момента, когда существовала шкала магнитуд, позже повторно проанализированная до Mw 9,5. Это событие остается эталоном для понимания землетрясений мегатруста.
  • 2011 Тохоку, Япония (Mw 9.1): Это массивное землетрясение вызвало катастрофическое цунами и ядерную катастрофу на Фукусиме. Его Mw был точно определен с помощью длительных сейсмических волн и GPS-измерений смещения морского дна, демонстрирующих интеграцию сейсмологии и геодезии в оценку величины.
  • 1906 Сан-Франциско, Калифорния (оценка Mw 7.8): Произошло до того, как современные сейсмографы получили широкое распространение. Его величина выводится из данных о длине разрыва, интенсивности и геологических исследований, при этом современные повторные анализы предполагают примерно Mw 7.8. Это событие подчеркнуло важность готовности к сейсмической опасности в городских районах.
  • 2015 Горха, Непал (Mw 7.8): Землетрясение среднего размера, которое вызвало серьезные разрушения из-за местной геологии и плохих строительных стандартов. Широкополосные сейсмические данные позволили точно рассчитать Mw, подчеркнув, что одна только величина не диктует ущерб.
  • 1989 Лома Приета, Калифорния (Mw 6.9): Нанес значительный ущерб во время Мировой серии, демонстрируя, как величина, местоположение и условия на месте взаимодействуют, чтобы повлиять на воздействие землетрясения.

Эти примеры подчеркивают диапазон размеров землетрясений и критическую роль шкал магнитуд в количественной оценке их высвобождения энергии и направляющих реакций.

Будущие направления измерения магнитуды землетрясений

Некоторые перспективные разработки включают:

  • Плотные сейсмические массивы: Увеличение количества и охвата сейсмических станций, особенно в сейсмически активных регионах, позволяет более точно и быстро определять величины.
  • Спутниковая геодезия:] Такие методы, как GPS и InSAR, обеспечивают прямые измерения смещения грунта во время землетрясений, дополняя сейсмические данные и улучшая расчеты величины момента.
  • Машинное обучение: Алгоритмы искусственного интеллекта применяются для обнаружения сейсмических сигналов среди шума, классификации типов землетрясений и оценки магнитуд более быстро и надежно.
  • Интегрированные системы раннего предупреждения: Сочетание быстрых оценок величины из нескольких шкал и источников данных позволяет более эффективно предупреждать о землетрясениях и смягчать опасность.
  • Глобальная стандартизация: Усилия по гармонизации отчетности о масштабах во всем мире с целью уменьшения путаницы и улучшения связи между учеными, руководителями чрезвычайных ситуаций и общественностью.

Благодаря этим достижениям наша способность понимать, количественно оценивать и реагировать на землетрясения будет продолжать улучшаться, в конечном итоге снижая риски и спасая жизни.