Очаги параметры и механизм возникновения сейсмических явлений. Механизм возникновения землетрясения. Что делать при землетрясениях
На поверхности Земли и в прилегающих к ней слоях атмосферы идет развитие множества сложнейших физических, физико-химических, биохимических процессов, сопровождающихся обменом и взаимной трансформацией различных видов энергии. Источником энергии являются процессы реорганизации вещества, происходящее внутри Земли, физические и химические взаимодействия ее внешних оболочек и физических полей, а также гелиофизические воздействия. Эти процессы лежат в основе эволюции Земли и её природной обстановки, являясь источником постоянных преобразований облика нашей планеты – её геодинамики.
Геодинамические и гелиофизические преобразования являются источником различных геологических и атмосферных процессов и явлений, широко развитых на земле и в прилегающих к её поверхности слоях атмосферы, создающих природную опасность для человека и окружающей среды. Наибольшее распространение имеют различные тектонические или геофизические явления: землетрясения, извержения вулканов и горные удары
Самыми опасными, труднопредсказуемыми, неуправляемыми стихийными бедствиями являются землетрясения.
Под землетрясением понимают подземные толчки и колебания земной поверхности в результате разрывов и смещений в земной коре или в верхней части мантии и передающиеся на большие расстояния в виде упругих волновых колебаний.
Землетрясение относится к внезапно возникающему и быстро распространяющемуся стихийному бедствию. За это время невозможно провести подготовительные и эвакуационные мероприятия, поэтому последствия землетрясений связаны с огромными экономическими потерями и многочисленными человеческими жертвами. Число пострадавших зависит от силы и места землетрясения, плотности населения, высотности и сейсмостойкости строений, времени суток, возможности возникновения вторичных поражающих факторов, уровня подготовки населения и специальных поисково-спасательных формирований (ПСФ).
Под действием глубинных тектонических сил возникают напряжения, слои земных пород деформируются, сжимаются в складки и с наступлением критических перегрузок смещаются и рвутся, образуя разломы земной коры. Разрыв совершается мгновенным толчком или серией толчков, имеющих характер удара. При землетрясении происходит разрядка энергии, накопившейся в недрах. Энергия, выделившаяся на глубине, передается посредством упругих волн в толще земной коры и достигает поверхности Земли, где и происходят разрушения.
В мифологии разных народов наблюдается интересное сходство в причинах землетрясений. Это будто бы движение некоего реального или мифического животного, гигантского, скрытого где- то в глубинах земли. У древних индусов это слон, у народов Суматры - огромный вол, древние японцы вину за землетрясения возлагали на гигантского сома.
Научная геология (а ее становление относится к 18 веку) пришла к выводу о том, что сотрясаются главным образом молодые участки земной коры. Во второй половине 19 века появилась общая теория, согласно которой земная кора была подразделена на древние, стабильные, щиты и молодые, подвижные горные системы. И действительно, молодые горные системы Альпы, Пиренеи, Карпаты, Гималаи, Анды подвержены сильным землетрясениям, в то же время на Урале (старые горы) землетрясения отсутствуют.
Очаг или гипоцентр землетрясения - это место в земных недрах, где землетрясение зарождается. Эпицентр - место на поверхности земли, которое расположено наиболее близко к очагу. Землетрясения на земле распределяются неравномерно. Они сосредоточены в отдельных узких зонах. Некоторые эпицентры приурочены к материкам, другие к их окраинам, третьи к дну океанов. Новые данные об эволюции земной коры подтвердили, что упомянутые сейсмические зоны являются границами литосферных плит.
Литосфера - это твердая часть земной оболочки, простирающаяся до глубины 100-150 км. Она включает земную кору (мощность которой достигает 15-60 км) и часть верхней мантии, которая кору подстилает. Она разделена на плиты. Одни из них - велики (например, Тихоокеанская, Североамериканская и Евразийская), другие - меньше (Аравийская, Индийская плиты). Плиты перемещаются по пластичной подстилающей прослойке, именуемой астеносферой.
Немецкий геофизик Альфред Вегенер на пороге 20 века сделал выдающееся открытие:
восточные берега Южной Америки и Западные берега Африки можно совместить так же точно, как соответствующие части детской разрезанной картинки-головоломки. Отчего это? - задался вопросом Вегенер, - И отчего берега обоих континентов, разделенных тысячами километров, имеют сходное геологическое строение и похожие формы жизни? Ответом явилась теория "перемещения континентов", изложенная в книге "Возникновение океанов и континентов", изданной в 1912 г. Вегенер утверждал, что гранитные материки и базальтовое дно океанов не образуют сплошного покрова, а как бы плавают, подобно плотам, на вязкой расплавленной породе, приводимые в движение силой, связанной с вращением Земли. Это противоречило тогдашним официальным воззрениям.
Поверхность Земли, как тогда считалось, может быть только твердью, неизменной оболочкой над жидкой земной магмой. Когда эта оболочка остыла, она сморщилась, как засохшее яблоко, при этом возникли горы и долины. С тех пор земная кора больше не подвергалась изменениям.
Теория Вегенера, явившая поначалу сенсацией, вскоре вызвала ожесточенную критику, а потом сочувствующую и даже ироничную улыбку. На 40 лет теория Вегенера предалась забвению.
Сегодня мы знаем, что Вегенер был прав. Геологические исследования с помощью современных приборов доказали, что земная кора состоит примерно из 19 (7 малых и 12 больших) плит или платформ, постоянно изменяющих свое местонахождение на планете. Это странствующие тектонические плиты земной коры имеют толщину от 60 до 100 км и как льдины, то опускаясь, то поднимаясь, плавают на поверхности вязкой магмы. Те места, где они соприкасаются между собой (разломы, швы), и являются главными причинами землетрясений: тут земная твердь почти никогда не сохраняет спокойствие.
Однако края тектонических плит не гладко отшлифованы. На них достаточно шероховатостей и царапин, есть острые грани и трещины, ребра и исполинские выступы, которые цепляются друг другом, как зубцы застежки - молнии. Когда плиты сдвигаются, то края их остаются на месте, потому что не могут изменить свое положение.
Со временем это приводит к огромным напряжениям в земной коре. В какой-то момент края не могут противостоять растущему напору: выступающие, намертво сцепившиеся участки обламываются и как бы догоняют свою плиту.
Существуют 3 вида взаимодействия литосферных плит: они либо раздвигаются, либо сталкиваются, одна надвигается на другую или одна двигается вдоль другой. Движение это не постоянно, а прерывисто, то есть происходит эпизодически из-за их взаимного трения. Каждая внезапная подвижка, каждый рывок может ознаменоваться землетрясением.
Это природное явление, не всегда поддающееся предсказаниям, наносит огромный ущерб. В мире ежегодно регистрируется 15000 землетрясений, из которых 300 обладают разрушительной силой.
Ежегодно наша планета сотрясает более миллиона раз. 99,5% этих землетрясений - легкие, их сила не превышает по шкале Рихтера 2.5 балла.
Итак, землетрясения - это сильные колебания земной коры, вызываемые тектоническими и вулканическими причинами и приводящие к разрушению зданий, сооружений, пожарам и человеческим жертвам.
История знает массу землетрясений с гибелью большого количества людей:
1920 год - в Китае погибло 180 тысяч человек.
1923 год - в Японии (Токио) погибло более 100 тысяч человек.
1960 год - в Марокко погибло более 12 тысяч человек.
1978 год в Ашхабаде - разрушено более половины города, пострадало более 500 тысяч человек.
1968 год - в восточном Иране погибло 12 тысяч человек.
1970 год - в Перу пострадало более 66 тысяч человек.
1976 год - в Китае - 665 тысяч человек.
1978 год - в Ираке погибло 15 тысяч человек.
1985 год - в Мексике - около 5 тысяч человек.
1988 год в Армении пострадало более 25 тысяч, разрушено 1,5 тыс. деревень, значительно пострадали 12 городов, 2 из которых полностью разрушены (Спитак, Ленинакан).
В 1990 году на севере Ирана в результате землетрясения погибло свыше 50 тысяч человек и около 1 млн. человек ранены и остались без крова.
Известны два главных сейсмических пояса: Среднеземноморско-Азиатский, охватывающий Португалию, Италию, Грецию, Турцию, Иран, Сев. Индию и далее до Малайского архипелага и Тихоокеанский, включающий Японию, Китай, Дальний Восток, Камчатку, Сахалин, Курильскую гряду. На территории России примерно 28% районов сейсмоопасны. Районы возможных 9-балльных землетрясений находятся в Прибайкалье, на Камчатке и Курильских островах, 8-балльных - в Южной Сибири и на Северном Кавказе.
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)
КУРСОВАЯ РАБОТА
ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ. ПРОГНОЗ
Работу выполнила
Филатова
Факультет геологический курс 1
Направление подготовки 020700.62 Геология
Научный руководитель
Нормоконтролер
доцент, к.г.п. О.Л. Донцова
Краснодар 2013
Курсовая работа состоит из введения, двух глав и заключения.
В работе рассмотрены современные проблемы сейсмологии. Изложены общие сведения о землетрясениях, а также их классификация по типу. На основе анализа географического распределения сейсмических зон сделаны выводы о пространственном размещении сейсмофокальных зон. Приводятся сведения о методах их прогноза и антисейсмических мероприятиях.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА. Сейсмические зоны; плейстосейстовая область; гипоцентр землетрясения; сейсмические волны; тектонические, вулканические и техногенные землетрясения; прогноз; антисейсмические мероприятия.
Составила В.В.Филатова
ВВЕДЕНИЕ
Прогноз землетрясений в настоящее время является одной из актуальнейших проблем наук о Земле, в значительной степени одной из главных задач физики Земли. Землетрясения - весьма быстрые упругие колебания мантии и литосферы и вызванные ими сотрясения земной поверхности, происходящие при взрывообразном высвобождении механической энергии в очагах на глубинах от 3 до 750 км. Очаг землетрясения - это некоторый объём пород, в котором происходит их динамический разрыв под воздействием напряжений, накопившихся в процессе тектонических деформаций.
Под прогнозом понимается предсказание места и времени возникновения будущих землетрясений с указанием их возможной силы и характера проявления на поверхности Земли. Попытки постановки задачи предсказания в момент сильных толчков предпринимались во многих странах, в особенности в связи с разрушительными землетрясениями.
К настоящему времени возможность предсказания времени возникновения сильных землетрясений значительно усилилась благодаря обнаружению большого числа явлений - предвестников приближающихся землетрясений, когда вероятность предсказания может быть подтверждена многочисленными инструментальными наблюдениями. Тем не менее, в сообществе исследователей в области прогноза землетрясений сформировался скептический взгляд на наличие физически обоснованных, надёжно инструментально регистрируемых предвестников катастрофических землетрясений, на основе которых возможно осуществление прогноза времени, места и силы будущих событий.
1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ
1.1. Причины землетрясений
Ценою усилий нескольких поколений исследователей специалисты теперь неплохо представляют, что происходит при землетрясении и как оно проявляется на поверхности Земли. Но ведь поверхностные явления-это результат того, что происходит в недрах. И основное внимание специалистов теперь сосредоточено на познании глубинных процессов в недрах Земли, процессов, приводящих к землетрясению, его сопровождающих и за ним следующих.
Большинство землетрясений вызывают огромные силы, возникающие, когда две плиты сталкиваются друг с другом: либо в зонах субдукции, где одна плита поддвигается под другую, либо вдоль трансформ, по которым две плиты проходят мимо друг друга. Во время притирания порода на любой из сторон может немного изгибаться и растягиваться, но рано или поздно напряжение возрастет до такого уровня, что они внезапно раскалываются. Стремительный отрыв порождает ударные (сейсмические) волны, расходящиеся по земле во всех направлениях от очага, или гипноцентра, - точки, где оторвалась порода.
Разрыв распространяется вдоль границы плиты, как трещина в стекле. Чем длиннее трещина, тем сильнее землетрясения. Например, во время землетрясения в 2004 году в Южной Азии разрыв вдоль границы Индо-Австралийской плиты прошел на 1000 километров. Крупное землетрясение в 1964 году на Аляске подняло горы вверх на 12 метров.
Большинство землетрясений сдвигают грунт всего на несколько сантиметров. Однако совокупное воздействие на ландшафт последовательных землетрясений оказывается весьма значительным. Если породы на каждой стороне разрыва смещаются лишь на 10 сантиметров в столетие, то через миллион лет они могут подняться или опуститься на целый километр.
1.2. Механизм возникновения
Любое землетрясение - это мгновенное высвобождение энергии за счет образования разрыва горных пород, возникающего в некотором объеме, называемом очагом землетрясения, границы которого не могут быть определены достаточно строго и зависят от структуры и напряженно-деформированного состояния горных пород в данном конкретном месте. Деформация, происходящая скачкообразно, излучает упругие волны. Объем деформируемых пород играет важную роль, определяя силу сейсмического толчка и выделившуюся энергию.
Большие пространства земной коры или верхней мантии Земли, в которых происходят разрывы и возникают неупругие тектонические деформации, порождают сильные землетрясения: чем меньше объем очага, тем слабее сейсмические толчки. Гипоцентром, или фокусом, землетрясения называют условный центр очага на глубине. Глубина его обычно бывает не больше 100 км, но иногда доходит и до 700 километров. А эпицентром - проекцию гипоцентра на поверхность Земли. Зона сильных колебаний и значительных разрушений на поверхности при землетрясении называется плейстосейстовой областью(рис. 1.2.1.)
Рис. 1.2.1.Плейстосейстовая область
По глубине расположения гипоцентров землетрясения делятся на три типа:
1) мелкофокусные (0-70 км),
2) среднефокусные (70-300 км),
3) глубокофокусные (300-700 км).
Чаще всего очаги землетрясений сосредоточены в земной коре на глубине 10-30 километров. Как правило, главному подземному сейсмическому удару предшествуют локальные толчки - форшоки. Сейсмические толчки, возникающие после главного удара, называются афтершоками.Происходящие в течение значительного времени,афтершоки способствуют разрядке напряжений в очаге и возникновению новых разрывов в толще горных пород, окружающих очаг.
Рис. 1.2.2 Типы сейсмических волн: а - продольные P; б - поперечные S; в - поверхностные ЛяваL; г - поверхностные Рэлея R. Красной стрелкой показано направление распространения волны
Сейсмические волны землетрясения, возникающие из-за толчков, распространяются во все стороны от очага со скоростью до 8 километров в секунду.
Различают четыре вида сейсмических волн: P (продольные) и S (поперечные) проходят под землей, волны Лява (L) и Рэлея (R) - по поверхности (рис.1.2.2.)Все виды сейсмических волн распространяютсяочень быстро. Волны P, сотрясающие землю вверх и вниз, самые стремительные, они движутся со скоростью 5 километров в секунду. Волны S, колебания из стороны в сторону, лишь незначительно уступают в скорости продольным. Поверхностные волны медленнее, однако, именно они вызывают разрушения, когда удар приходится на город. В твердой породе эти волны распространяются так быстро, что их нельзя увидеть глазом. Однако рыхлые отложения(в уязвимых районах, например, в местах подсыпки грунта) волны Лява и Рэлея в состоянии превратить в текучие, так что можно видеть проходящие по ним, как по морю, волны. Поверхностные волны могут опрокидывать дома. И во время землетрясения 1995 года в Кобе (Япония), и в 1989 году в Сан- Франциско серьезней всего пострадали здания, построенные на насыпных грунтах.
Очаг землетрясения характеризуется интенсивностью сейсмического эффекта, выражаемого в баллах и магнитуде. В России используется 12-балльная шкала интенсивности Медведева-Шпонхойера-Карника. Согласно этой шкале, принята следующая градация интенсивности землетрясений (1.2.1.)
Таблица 1.2.1. 12-балльная шкала интенсивности
|
Интенсивность баллы |
Общая характеристика |
Основные признаки |
|
|
Незаметное |
Отмечается только приборами. |
||
|
Очень слабое |
Ощущается отдельными людьми, находящимися в здании в полном покое. |
||
|
Ощущается немногими людьми в здании. |
|||
|
Умеренное |
Ощущается многими. Заметны колебания висящих предметов. |
||
|
Общий испуг, в зданиях легкие повреждения. |
|||
|
Паника, все выбегают из зданий. На улице некоторые люди теряют равновесие; падает штукатурка, в стенах появляются тонкие трещины, повреждаются Кирпичные дымовые трубы. |
|||
|
Разрушительное |
Сквозные трещины в стенах, отмечается падение карнизов, дымовых труб Много раненых, отдельные жертвы. |
||
|
Опустошительное |
Разрушение стен, перекрытий, кровли во многих зданиях, Отдельные здания разрушаются до основания, много раненых и убитых. |
||
|
Уничтожающее |
Обрушение многих зданий, в грунтах образуются трещины до метра шириной. Много убитых и раненых. |
||
|
Катастрофическое |
Сплошные разрушения всех сооружений. Образуются трещины в грунтах со смещением по горизонтали и вертикали, оползни, обвалы, Изменение рельефа в больших размерах. |
Иногда очаг землетрясения может быть и у поверхности Земли. В таких случаях, если землетрясение сильное, мосты, дороги, дома и другие сооружения оказываются разорванными и разрушенными .
1.3. Типы землетрясений
По характеру процессов в их очагах выделяют несколько типов землетрясений, основными из которых являются тектонические, вулканические и техногенные.
Тектонические землетрясения. Возникают вследствие внезапного снятия напряжения, например, при подвижках по разлому в земной коре (исследования последних лет показывают, что причиной глубоких землетрясений могут быть и фазовые переходы в мантии Земли, происходящие при определенных температурах и давлениях). Иногда глубинные разломы выходят на поверхность. Во время катастрофического землетрясения в Сан-Франциско 18 апреля 1906 общая протяженность поверхностных разрывов в зоне разлома Сан-Андреас составила более 430 км, максимальное горизонтальное смещение - 6 м. Максимальная зарегистрированная величина сейсмогенных смещений по разлому 15 м.
Вулканические землетрясения. Происходят вследствие резких перемещений магматического расплава в недрах Земли или в результате возникновения разрывов под влиянием этих перемещений.
Техногенные землетрясения . Могут быть вызваны подземными ядерными испытаниями, заполнением водохранилищ, добычей нефти и газа методом нагнетания жидкости в скважины, взрывными работами при добыче полезных ископаемых и пр. Менее сильные землетрясения происходят при обвале сводов пещер или горных выработок.
1.4. Географическое распространение землетрясений
Размещение землетрясений на земном шаре носит вполне закономерный характер и в целом хорошо объясняется теорией тектоники литосферных плит. Наибольшее количество землетрясений связано с конвергентными и дивергентными границами плит, то есть с такими зонами, где плиты либо сталкиваются друг с другом, либо расходятся и наращиваются за счет образования новой океанической коры (рис. 1.4.1.). Высокосейсмичный район - активные окраины Тихого океана, где океанические плиты субдуцируют, то есть погружаются под континентальные и напряжения, возникающие в холодной и тяжелой плите, разряжаются в виде многочисленных землетрясений, гипоцентры которых образуют наклонную сейсмофокальную зону, уходящую в верхнюю мантию до глубин в 600-700 километров.
Такие наклонные сверхглубинные сейсмофокальные зоны были установлены и описаны голландским геофизиком С.В. Виссером в 1936 году, японским геофизиком К. Вадатив 1938 году и русским ученым А.Н. Заварицкимв 1946 году. Однако благодаря более поздним исследованиям американского сейсмолога Х. Беньофа в 1949 году они получили название сейсмофокальных зон Беньофа.
Землетрясения сопровождают и образование рифтов в срединно-океанических хребтах и на континентах, но там они в отличие от обстановок сжатия в зонах субдукции происходят в геодинамических условиях растяжения или сдвига.
Рис. 1.4.1 Строение сейсмофокальной зоны под Японскими островами
Еще один регион сильных и частых землетрясений - это Альпийский горно-складчатый пояс, простирающийся от Гибралтара через Альпы, Балканы, Анатолию, Кавказ, Иран, Гималаи в Бирму и возникший всего 15-10 миллионов лет тому назад в результате коллизии грандиозных литосферных плит: Африкано-Аравийской и Индостанской, с одной стороны, и Евразийской - с другой. Процесс сжатия продолжается и в настоящее время, поэтому постоянно накапливающиеся напряжения непрерывно разряжаются в виде землетрясений. Наибольшее количество гипоцентров землетрясений в этом поясе приурочено к земной коре, то есть к глубинам до 50 километров, хотя есть и глубокие (до 300 километров), однако наклонные сеймофокальные зоны выражены плохо и встречаются редко. Интересно, что распространение эпицентров в плане очерчивает, например, в Иране и Афганистане почти асейсмичные крупные блоки, которые оказались "спаянными" вместе в процессе коллизии, зоны их сочленения все еще активны. В пределах СНГ к наиболее сейсмически активным регионам относятся Восточные Карпаты, Горный Крым, Кавказ, Копетдаг, Тянь-Шань и Памир, Алтай, район оз. Байкал и Дальний Восток, особенно Камчатка, Курильские острова и о-в Сахалин, где 28 мая 1995 года произошло разрушительное Нефтегорское землетрясение с магнитудой 7,5, а число погибших составило 2 тысяч человек.
Все перечисленные регионы обладают горным, часто высокогорным рельефом, свидетельствующим о том, что они в настоящее время испытывают активные тектонические движения, а вертикальная скорость подъема поверхности земли превышает скорость эрозии. Во многих регионах, например в Закарпатье, на Кавказе, на Байкале, последние извержения вулканов происходили геологически недавно, а на Камчатке и Курильских островах происходят и в наши дни. Именно такие районы и характеризуются высокой сейсмической активностью, прямо коррелирующейсяс тектонической. Следует отметить, что и на стабильных участках земной коры, на платформах, в том числе и на древних, также случаются землетрясения. Правда, эти землетрясения достаточно редкие и в целом относительно слабые. Однако бывают и сильные, как, например, на эпипалеозойской молодой Туранской плите в Кызылкумах в районе Газли в 1976 и 1984 годах, причем поселок Газли был дважды полностью разрушен.
Подавляющая часть землетрясений (более 85%) происходит в условиях обстановки сжатия, и только 15% - в обстановке растяжения, что согласуется с современной геодинамикой геологических структур и характером перемещений литосферных плит.
2. ПРОГНОЗ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
2.1. Прогноз
Заинтересованность правительственных учреждений в прогнозе землетрясений исключительно велика - тысячи человеческих жизней могут быть спасены, если предсказания окажутся точными. Целые города могут, эвакуированы зря, если оно окажется ложным. Из-за многих неопределенностей, связанных с землетрясениями удачное их предсказание бывает весьма редким. Тем не менее, возможность точного предсказания настолько заманчива, что сегодня сотни ученых, в основном в США, Японии, Китае и России, заняты исследованиями по прогнозу землетрясений.
В качестве возможной основы прогноза принят целый ряд признаков. Наиболее важны и надежны из них следующие:
· статистические методы,
· выделение сейсмически активных зон, которые долго не испытывали землетрясения,
· изучение быстрых смещений земной коры,
· исследование изменений соотношений скорости продольных и поперечных волн,
· изменения магнитного поля и электропроводности горных пород,
· регистрация предваряющих толчков “форшоков”,
· исследование распределения очагов во времени и пространстве.
Статистические методы просты. Они основаны на анализе сейсмологической истории района: данных о числе, размерах и частоте повторения землетрясений. Предполагая, что сейсмичность района не меняется с течением времени, можно по этим данным оценить вероятность будущих землетрясений. Чем длиннее период времени, за который имеем сведения о землетрясениях, тем точнее будет прогноз.В Калифорнии сведения о землетрясениях собраны примерно за 200 лет, а в Китае имеются данные более чем за 2000 лет.
Статистическое изучение сейсмического режима позволило ввести понятия сейсмического цикла и так называемых зон затишья - зон в сейсмически активных районах, где в течение длительного времени наблюдается слабая сейсмическая активность. Средняя длительность сейсмического цикла равна примерно 140 годам - время между сильнейшими сейсмическими событиями в одном месте. Зоны затишья - места накопления максимальной упругой энергии, где возможно ожидать сильное землетрясение. Это явилось основой долгосрочного сейсмического прогноза.
Если известна частота, с которой землетрясения происходили в прошлом, можно сделать обобщенный статистический вывод о вероятности землетрясения в будущем.
Статистические прогнозы не помогают предсказать конкретное место и конкретное время землетрясения. Таким образом, они не очень полезны с точки зрения предварительных мероприятий по безопасности. С другой стороны они имеют огромное значение для инженеров, которые должны проектировать сооружения со сроком существования 50-100 лет.
Принцип другого метода - выделение сейсмически активных зон без землетрясений - логичен. В его основе определение в сейсмически активных зонах участков, где долго не было толчков и где, следовательно, долго не происходило разрядки энергии. Именно там можно ожидать катастрофическое землетрясение. Этот метод правилен и проверен, однако для точного прогноза не представляет. Он не позволяет назвать ни день, ни неделю, ни месяц, когда произойдет событие. Но это не означает, что такого рода исследования не имеют значения: это обеспечит в угрожаемых местах своевременную подготовку и должно учитываться во всех нормативах при возведении зданий и промышленных объектов.
О готовящемся землетрясении может свидетельствовать и увеличение скорости движения земной коры. Этот метод исследований используется в России, Японии, Соединенных Штатах Америки. Перед некоторыми землетрясениями земная поверхность быстро поднималась (быстро в геологическом смысле, со скоростью несколько миллиметров в год), затем движения прекращались, и происходило разрушительное землетрясение.
Много внимания уделяют методу исследования соотношения скорости продольных и поперечных волн. Скорость сейсмических волн зависит от напряженного состояния горных пород, через которые волны распространяются, а также от содержания воды и других физических характеристик пород. Скорости волн измеряются с помощью небольших взрывов в скважинах; при этом возбуждаются сейсмические волны, которые записываются близлежащими станциями.
Перед отдельными землетрясениями повышается напряженность магнитного поля и электропроводимость пород. Земное магнитное поле может испытывать локальные изменения из-за деформации горных пород и движений земной коры. С целью изменения магнитного поля были разработаны специальные магнитометры. Измерения электропроводимости пород проводятся с помощью электродов, помещаемых в почву на расстоянии нескольких километров друг от друга. При этом измеряется электрическое сопротивление толщи земли между ними.
Некоторым сильным землетрясениям предшествуют более слабые толчки, так называемые форштоки. Установлена последовательность событий, предшествовавших нескольким сильным землетрясениям в Новой Зеландии и Калифорнии. Во-первых, это тесно сгруппированная серия толчков примерно равной магнитуды, которая называется “предваряющим роем”. За ним следует период, названный “предваряющим перерывом”, в течение которого нигде в окрестностях сейсмических толчков не наблюдается. Затем следует “главное землетрясение”, сила которого зависит от величины роя землетрясений и продолжительности перерыва. Предполагается, что рой вызывается раскрытием трещин. В Японии исследования этого явления признаны заслуживающими доверия, но надежным на 100% этот метод не станет никогда, ибо многие катастрофические землетрясения происходили без каких-либо предварительных толчков.
Известно, что очаги землетрясений не остаются на одном и том же месте, а перемещаются в пределах сейсмической зоны. Зная направления этого перемещения и его скорость, можно было бы предположить будущее землетрясение. К сожалению, такого рода перемещение очагов не происходит равномерно. В Японии скорость миграции очагов определена величиной 100 км в год. В районе Мацуширо в Японии регистрировалось множество слабых толчков - до 8000 в день. Через несколько лет оказалось, что очаги приближаются к поверхности и смещаются в южном направлении. Было вычислено вероятное место -положение очага следующего землетрясения и непосредственно к нему была пробурена скважина. Толчки прекратились.
2.2. Антисейсмические мероприятия
Антисейсмические мероприятия следует предусматривать при проектировании канализации, а также проводить их при строительстве и эксплуатации. Так в определенных районах по возможности следует проектировать децентрализованные системы канализации. При трассировке сети следует проектировать посередине проездов, а по трассам коллекторов и каналов, идущих вблизи водоемов, балок и оврагов, устраиваются аварийные выпуски.
В зданиях, возведенных с антисейсмическими мероприятиями, при оценке степени повреждения учитываются только повреждения несущих элементов конструкций.
Опыт эксплуатации сооружений показывает достаточную эффективность антисейсмических мероприятий, которые направлены на конструктивное упрочнение сооружений. Для их разработки необходимы данные о возможных динамических и остаточных деформациях грунтов в основании сооружений, возникающих при сейсмических воздействиях.
Существенно осложняет грунтовые условия при землетрясениях неоднородность геологического разреза, его обводненность и степень увлажненности пород.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проблема «что делать с прогнозом» остается. Связь с землетрясением какого-либо геофизического параметра до сих пор не установлена и применение математических способов едва ли уменьшит эту неопределенность. Проблема прогноза не вышла за рамки научного поиска, остаются нерешенными все основные ее составляющие.
При всем обилии проведенным и проанализированных наблюдений, место, время и магнитуда будущих разрушительных землетрясений даже в хорошо изученных регионах по-прежнему оказывается неожиданным. Тем не менее, необходимо собирать все новые, дополнительные данные, но какие? Комплекс возможных параметров в том или ином факторе можно варьировать и расширять беспредельно, однако рамки реальных возможностей всегда заставляет как-то его ограничивать. Перспективен ли вообще такой путь?
А пока нет ответа на этот и многие другие вопросы, у человечества есть только один способ обезопасить себя - развивать и совершенствовать сейсмостойкое строительство на территориях, которые подвержены влиянию сильных землетрясений.
Каждое землетрясение - это и урок, и экзамен. И не только для сейсмологов, специализирующихся и, может быть, наиболее способных учеников по классу землетрясений в Школе Природы, но и для проектировщиков, землеустроителей и экономистов. Более того, для всех жителей поражаемых подземными бурями областей.
землетрясение пояс сейсмичность земной
Список используемой литературы
1. Фарндон Д. Драгоценные и поделочные камни, полезные ископаемые и минералы. Энциклопедия коллекционера. - Издательство «Эксмо», 2005.
2. Короновский Н.В. Общая геология. Учебник, 3-е издание. - Издательство «КДУ», 2012.
4. Исмаилова С. Большая школьная энциклопедия. - Издательство «Олма-Пресс», 2005.
5. Короновский Н.В., Абрамов В.А. Науки о земле. - Московский государственный университет, 1998.
Подобные документы
Исторические сведения и результаты мониторинга сейсмических событий на земном шаре на протяжении второй половины ХХ в. Основные понятия и характеристики землетрясений. Методы оценки силы (интенсивности) землетрясений. Типы геологических разломов.
реферат , добавлен 05.06.2011
Исследование понятий очага и эпицентра землетрясения. Классификация землетрясений по причинам их возникновения. Изучение шкалы оценки магнитуд. Описания крупнейших катастрофических землетрясений ХХ века. Последствия землетрясений для городов и человека.
презентация , добавлен 22.05.2013
Теория землетрясений как геофизического процесса, ранние и современные объяснения их причин. Механизм землетрясений, их классификация, основные понятия: очаг, гипоцентр, эпицентр, магнитуда, балл. Перспективы предсказаний, трудности и проблемы прогноза.
реферат , добавлен 07.03.2011
Современные знания о землетрясениях. Классификация землетрясений по способу их образования. Типы сейсмических волн, возникающих при землетрясениях. Распространение упругих волн. Магнитуда поверхностных волн. Роль воды в возникновении землетрясений.
курсовая работа , добавлен 02.07.2012
Причины и классификация, примеры и прогноз землетрясений. Денудационные, вулканические, тектонические землетрясения. Моретрясения, образования грозных морских волн - цунами. Создание в сейсмически опасных районах пунктов наблюдения за предвестниками.
реферат , добавлен 13.09.2010
Что происходит при сильных землетрясениях. Типы сейсмических волн, возникающих при землетрясениях. Проскальзывание по разломам; глинка трения. Попытки предсказания землетрясений. Особенности пространственного распределения очагов землетрясений.
курсовая работа , добавлен 14.03.2012
Фон сейсмической активности. Изучение сейсмической активности. Вулканы и вулканическая активность. Распространение вулканической активности. Вулканическая опасность. Землетрясения, их механизмы и последствия, распространение сейсмических волн.
курсовая работа , добавлен 28.01.2004
Строение и происхождение солнечной системы. Строение Земли, вещественный состав. Эндогенные геологические процессы. Основные закономерности развития земной коры. Распределение воды на земном шаре. Классификация подземных вод и условия их залегания.
учебное пособие , добавлен 23.02.2011
Общая характеристика вулканических извержений: условия, причины и механизм их возникновения. Географические особенности распространения и классификация вулканов по химическому составу лавы. Мероприятия по защите и уменьшению последствий извержений.
курсовая работа , добавлен 27.08.2012
Изучение основных причин и сущности землетрясений - быстрых смещений, колебаний земной поверхности в результате подземных толчков. Особенности глубокофокусных землетрясений. Характеристика приемов и приборов для обнаружения, регистрации сейсмических волн.
Землетрясение тектонического типа, т. е. связанное с внутренними эндогенными силами Земли, представляет собой процесс растрескивания, идущий с некоторой конечной скоростью, а не мгновенно. Он предполагает образование и обновление множества разномасштабных разрывов со вспарываением каждого из них не только с высвобождением, но и с перераспределением энергии в некотором объеме. Когда мы говорим о том, что сила внешнего воздействия на горные породы превысила их прочность, то следует иметь в виду, что в геомеханике четко различают прочность горных пород как материала, которая относительно высока, и прочность породного массива, включающего, помимо материала горных пород, еще и структурные ослабленные зоны. Благодаря последним прочность породного массива существенно ниже, чем прочность собственно пород.
Скорость распространения разрывов составляет несколько километров в секунду, и этот процесс разрушения охватывает некоторый объем пород, носящий название очага землетрясения. Гипоцентром называется центр очага, условно точечный источник коротко периодных колебаний (рис. 18.1).
В большинстве случаев, хотя и не всегда, разрывы имеют сдвиговую природу и очаг землетрясения охватывает определенный объем вокруг него. Сейсмология изучает упругие волны, распространяющиеся динамически в частотном диапазоне 10" 3 - 10 2 Гц со скоростью в 2-5 км/с. Проекция гипоцентра на земную поверхность называется эпицентром землетрясения. Интенсивность землетрясения эпицентра изображается линиями равной интенсивности землетрясений - изо- сейстами. Область максимальных баллов вокруг эпицентра носит название плейстосейстовой области.
Основному подземному сейсмическому удару - землетрясению - обычно предшествуют землетрясения, или форшоки, свидетельствующие о критическом нарастании напряжений в горных породах. После главного сейсмического удара обычно происходят еще сейсмические толчки, но более слабые, чем главный удар. Они называются афтершо- ками и свидетельствуют о процессе разрядки напряжений при образовании новых разрывов в толще пород.
По глубине гипоцентров (фокусов) землетрясения подразделяются на три группы: 1) мелкофокусные - 0-60 км; 2) среднефокусные - 60-150 км; 3) глубокофокусные - 150-700 км. Но чаще всего гипоцентры землетрясений сосредоточены в верхней части земной коры на глубине 10-30 км, где кора характеризуется наибольшей жесткостью и хрупкостью.
Быстрые, хотя и неравномерные, смещения масс горных пород вдоль плоскости разрыва вызывают деформационные волны - упругие колебания в толще пород, которые, распространяясь во все стороны и достигая поверхности Земли, производят на ней основную разрушающую работу. В гл. 2 уже говорилось о главных типах объемных и поверхностных сейсмических волн. К первым относятся продольные - Р (более скоростные) и поперечные - S (менее скоростные) волны (см. рис. 2.2). Ко вторым - волны Лява - L и Рэлея - R. Волны Р представляют собой чередование сжатия и растяжения и способны проходить через твердые, жидкие и газообразные вещества, в то время как волны S при своем распространении сдвигают частицы вещества под прямым углом к направлению своего пути.
Скорость продольных волн:
где р - модуль сдвига; р - плотность среды, в которой распространяется волна; X - коэффициент, связанный с модулем всестороннего сжатия К соотношением
Скорость поперечных волн:
Так как модуль сдвига р в жидкости и газе равен 0, то поперечные волны не проходят через жидкости и газы.
Поверхностные волны подобны водной ряби на озере. Волны Лява заставляют колебаться частицы пород в горизонтальной плоскости параллельно земной поверхности, под прямым углом к направлению своего распространения. А волны Рэлея, скорость которых меньше, чем волн Лява, возникают на границе раздела двух сред и, воздействуя на частицы, заставляют их двигаться по вертикали и горизонтали в вертикальной плоскости, ориентированной в направлении распространения волн.
Поверхностные волны распространяются медленнее, чем объемные, и довольно быстро затухают как на поверхности, так и на глубине. Волны Р, достигая поверхности Земли, могут передаваться в атмосферу в виде звуковых волн на частотах более 15 Гц. Этим объясняется «страшный гул», иногда слышимый людьми во время землетрясений.
Сейсмические волны, вызываемые землетрясениями, можно зарегистрировать, используя так называемые сейсмографы - приборы, в основе которых лежат маятники, сохраняющие свое положение при колебаниях подставки, на которой они расположены. Первые сейсмографы появились 100 лет назад. На рис. 18.2 изображены принципиальные схемы вертикальных и горизонтальных сейсмографов, а также пример сейсмограммы - записи сейсмических колебаний, на которых хорошо наблюдаются первые вступления волн V и S. Отмечая время первого вступления волн, т. е. появления волны на сейсмограмме, и зная скорости их распространения, определяют расстояние до эпицентра землетрясения (рис. 18.3, 18.4). В наши дни на земном шаре установлены многие сотни сейсмографов, которые немедленно регистрируют любое, далее очень слабое землетрясение и его координаты. Начиная с первых сейсмических станций, оснащенных высокочувствительными сейсмографами, созданными академиком Б. Б. Голицыным в начале XX в., сеть таких станций в России непрерывно расширялась, хотя станции располагались неравномерно, учитывая различную сейсмичность регионов. Сейчас этих станций в России более 140, что в 25 раз ниже, чем в Германии, причем только 15 % этих станций оснащено современными цифровыми сейсмографами. Существуют также девять центров сбора и обработки данных, работающих в режимах текущей и срочной обработки. Сведения о текущей сейсмической обстановке регулярно публикуются в сейсмологических бюллетенях и каталогах. Сейчас происходят развитие и переоснащение сейсмических сетей России современной аппаратурой. Определение глубины очага землетрясения представляет собой более сложную задачу, а существующие методы не отличаются точностью.
Интенсивность землетрясений. Интенсивность, или сила, землетрясений характеризуется как в баллах (мера разрушений), так и понятием магнитуда (высвобожденная энергия). В России используется
Рис. 18.2. Схема горизонтального сейсмографа с механической записью сейсмограммы острием на закопченном барабане регистратора (А): 1 - станина прибора; 2, 3 - точки крепления стальных нитей к станине; 4, 5 - точки крепления нитей к стержню груза сейсмографа; 6 - груз сейсмографа; 7 - закопченный барабан. Действие вертикального сейсмографа (Б). На горизонтальные толчки прибор реагирует очень слабо
Сейсмограмма
Рис. 18.3. Время пробега сейсмических волн от эпицентра землетрясения, используемое для определения расстояния от эпицентра до точки регистрации землетрясения
-------- \f\jjfj
Гипоцентр
Эпицентр
Гипоцентр
Рис. 18.4. В зависимости от удаления регистрирующей сейсмосганции от эпицентра землетрясения увеличиваются время прихода волн Р, S и L и интервал между ними
12-балльная шкала интенсивности землетрясений MSK-64, составленная С. В. Медведевым, В. Шпонхойером и В. Карником (см. аббревиатуру). Согласно этой шкале, принята следующая градация интенсивности или силы землетрясений (рис. 18.5):
1-3 балла - слабое;
4-5 баллов - ощутимое;
6-7 баллов - сильное (разрушаются ветхие постройки);
8 - разрушительное (частично разрушаются прочные здания, заводские трубы);
9 - опустошительное (разрушаются большинство зданий);
10 - уничтожающее (разрушаются почти все здания, мосты, возникают обвалы и оползни);
11 - катастрофическое (разрушаются все постройки, происходит изменение ландшафта);
12 - губительные катастрофы (полное разрушение, изменение рельефа местности на обширной площади).
Степень сотрясения на поверхности Земли, как и площадь, охваченная им, зависит от многих причин, в том числе от характера очага,
Сильнейшее когйй-лиБо зарегистрированное
землетрясение ^ ВиЭороЗная Бомба ~~
Аляскинское землетрясение I96U.J Сан-Францисск.ое землетрясение 1906 г.f
Суточное потребление / электроэнергии Б США "
Гватемальское землетрясение 1976z.jpl
Итальянское / землетрясение 1980 t.ji
Землетрясение в Сан-ФерканЗо 1971 Землетрясение е Коалинге 1983 Землетрясение в Санта- Барбаре 1978 г./ Магнитуба по Рихтеру Рис. 18.5. Соотношение магнитуды землетрясений и выделившейся энергии глубины его залегания, типов горных пород, рыхлых отложений или скальных выступов, обводненности и др. В целях количественной оценки меры полной энергии сейсмических волн, выделившихся при землетрясении, широко используется шкала магнитуд (М) по Ч. Ф. Рихтеру, профессору Калифорнийского технологического института. М = lg(A/T) + MgA + б, где А и Т - амплитуда и период колебаний в волне, А - расстояние от станции наблюдения до эпицентра землетрясения, В и 8 - константы, зависящие от условий расположения станции наблюдения. Это магнитуда, вычисленная по поверхностным волнам, хотя используются магнитуды по продольным и поперечным волнам. Магнитуда 0 означает землетрясение с максимальной амплитудой смещения в 1 мкм на эпицентральном расстоянии 100 км. При магнитуде 5 отмечаются небольшие разрушения зданий, а магнитуда 7 знаменует собой опустошительное землетрясение. Самые сильные из зарегистрированных землетрясений имели магнитуду 8,9-9. Магнитуда 8,6 зафиксирована при землетрясениях в Ганьсу (Китай) в 1920 г., в Ассаме (Индия) в 1950 г. и в Монгольском Алтае (Монголия) в 1957 г. Следует подчеркнуть, что глубокофокусные землетрясения обычно не порождают поверхностных сейсмических волн, поэтому существуют и другие магнитудные шкалы, например телесейсмическая для удаленных (более 2 тыс. км от эпицентра) землетрясений или унифицированная магнитуда Б. Гутенберга, определяемая по амплитуде продольных объемных волн. Существует много модификаций шкал, позволяющих оценивать энергию всех землетрясений, происходящих на земном шаре, и в том числе всех ядерных подземных и промышленных взрывов. В частности, оценка сейсмического момента - М о = ^S л d ф, где ц - сдвиговая прочность пород в зоне разлома, S - площадь поверхности разлома, d - среднее смещение по разлому, позволяет довольно объективно оценить величину землетрясения. Магнитуда, вычисленная по сейсмическому моменту: M w = -lgMo - 10,7. Наибольший из известных сейсмический момент был установлен для землетрясения в Чили в 1960 г. - М. ; = 9,6; М о = 2,5 10" 10 дин см. Существует определенная зависимость между магнитудой (М) и силой землетрясения, выраженной в баллах (J 0). J 0 = 1,7М - 2,2; М = 0,6 J 0 + 1,2. Связь между магнитудой (М), интенсивностью землетрясений в баллах (J 0) и глубиной очага (Н) выражается формулой: J 0 =aM-blgH + С, где а, b и С - коэффициенты, определяемые эмпирически для каждого конкретного района, где произошло землетрясение. Энергия, выделяемая при землетрясениях, достигает огромных величин и выражается формулой: Е = л" pV (А/Т), где р - плотность верхних слоев Земли, V - скорость сейсмических волн, А - амплитуда смещения, Т - период колебаний. Рассчитывать энергию позволяют данные, считываемые с сейсмограмм. Известный геофизик Б. Гутенберг, работавший, как и Ч. Ф. Рихтер, в Калифорнийском технологическом институте, предложил уравнение связи между энергией землетрясения и его магнитудой по шкале Рихтера: LgE = 9,9 + 1,9М - 0,024М 2 . Эта формула демонстрирует колоссальное возрастание энергии при увеличении магнитуды землетрясения. Так, увеличение магнитуды землетрясения на одну единицу вызывает возрастание энергии в 32 раза, в то время как амплитуда колебания земной поверхности увеличивается лишь в 10 раз. Если взрыв стандартной атомной бомбы в 100 кт выделяет около 1000 10 18 эрг, то у всех сильных землетрясений выделение энергии было намного большим, а сильнейшее из когда-либо зарегистрированных землетрясений выделило энергию, сравнимую с энергией взрыва водородной бомбы (см. рис. 18.5). Увеличение М на две единицы соответствует увеличению энергии в 1000 раз. LgE (3pr) = аМ * Ь, где а - 1,5, Ь - 11,8. Количество энергии, выделившееся в единице объема горной породы, например в 1 м 3 на 1 с, называется удельной сейсмической мощностью. В российской сейсмологии используется также энергетический класс К для того, чтобы оценить величину землетрясения. К равняется десятичному логарифму сейсмической энергии, выраженной в джоулях. Так, при К = 15 Е = 10 15 Дж, или 10 22 эрг. Между величинами М и К сушествует связь К = 1,8 М + 4,6, установленная для южных районов России, или для Дальнего Востока К = 1,5М + 4,6. Интенсивность землетрясения в эпицентре землетрясения и в плейсто- сейстовой области тем выше, чем ближе к поверхности находится очаг. Однако с расстоянием от эпицентра в этом случае колебания быстро затухают. При землетрясениях на больших глубинах, например около 100 км в зоне Вранча в Румынских Карпатах в декабре 1978 г., несмотря на М = 5, колебания ощущались даже в Москве. При очень сильных землетрясениях с М = 8 сейсмоколебания охватывают огромную площадь радиусом около 1000 км. Площадь, охваченная разрушением, растет в зависимости от магнитуды. Так, при М = 5 и глубине очага 40 км площадь разрушений составит около 100 км 2 , а при М = 8 - около 20 тыс. км 2 . Очаги землетрясений. Уже говорилось о том, что подавляющая часть землетрясений возникает в верхней, относительно более хрупкой части земной коры на глубине 7-30 км. Механизм этих землетрясений показывает, что все они образовались в результате смещения по разломам с почти обязательной сдвиговой компонентой. Так как очаг землетрясения расположен на глубине в земной коре, то в нем невозможно проводить прямые наблюдения и следить, например, за его активизацией. Поэтому любое описание очага землетрясения базируется на дистанционных наблюдениях, на использовании законов механики разрушения, моделирования и т. д. Теоретическими расчетами определяют возможные плоскости разрыва в очаге, его динамические параметры. Последние в первом приближении дают возможность понять, каков был механизм разрушения. Было ли это растяжение или сжатие, каковы были сдвиговая компонента и ее ориентировка (рис. 18.6). Размеры очагов землетрясений в целом увеличиваются с возрастанием магнитуды. Если очаг располагается неглубоко, то сейсмогенный разрыв может выйти на поверхность, как это случилось, например, во время спитакского землетрясения. Очаг представляет собой не плоскость, а некоторый объемный блок литосферы, в пределах которого осуществляются подвижки по целому ряду отдельных разломов, сливающихся в один крупный сейсмогенный разрыв. 27 мая 1995 г. на севере о. Сахалин произошло мощное землетрясение с М = 7,7. В эпицентр землетрясения попал поселок Нефтегорск, полностью разрушенный. При этом погибло более 2 тыс. жителей. По шкале MSK интенсивность землетрясения составила 9 баллов. Очаг землетрясения располагался вблизи поверхности и вышел на нее в виде системы разрывов общей протяженностью 40 км. Главный разрыв представляет собой правый взбро- сосдвиг с горизонтальным смещением до 8 м и вертикальным - до 2 м. Генеральный разрыв оперяется целым рядом более мелких, образуя сложную динамическую систему, прослеживающуюся до глубины 15 км. Этот главный сейсмический разрыв оказался унаследованным от геологически хорошо известного Верхнепильтунского правостороннего взбрососдвига, круто падающего к северо-западу. Когда детально изучили приповерхностное строение этого разрыва, выявились горизонты палеопочв, нарушенные, по данным Е. А. Рогожина, сейсмогенными разрывами 1800, 1400 и 1000 лет тому назад, во время еще более сильных землетрясений, чем нефтегорское. Очаги землетрясений в Курило-Камчатской активной зоне с М = 7,9-8,3 тлеют размеры уже несколько сотен километров, сейсмогенные подвижки в них превышают 10 м, и в целом очаги охватывают большой объем литосферы в пределах верхней части погружающейся океанской плиты. Палеосейсмодислокации. Следы землетрясений, происходивших в недавнем геологическом прошлом - в голоценовое время, т. е. за последние 10 тыс. лет, можно обнаружить в рельефе благодаря специальным методам, разработанным у нас в России. Сильные землетрясения всегда оставляют следы, «раны» на поверхности Земли. Когда детально изучили районы последних крупных землетрясений, произошедших в 1988 г. в Спитаке и в 1995 г. в Нефтегорске, то выявили следы прошлых, таких же сильных землетрясений в виде тектонических уступов; смещений горизонтов палеопочв, трещин, пересекающих различные современные элементы рельефа - долины, овраги, склоны гор и холмов, водоразделы. Такие сейсмогенные нарушения обычно накладываются на рельеф, совершенно не согласуясь с его элементами. В результате землетрясений возникают крупные оползни, осовы, оплывины, обвалы, прекрасно дешифрируемые на аэрофотоснимках, а крупные разломы и трещины - на космических снимках. Например, на горных склонах центральной части Большого Кавказа прекрасно видны неглубокие рвы, уступы, секущие эти склоны, невзирая на особенности геологического строения местности. Их относительная свежесть свидетельствует, по-видимому, о недавних сильных землетрясениях. Поэтому изучение палеосейсмодислокаций имеет большой практический смысл, т. к. их наличие однозначно свидетельствует об активной сейсмичности района в недалеком геологическом прошлом, и, следовательно, район может вновь подвергнуться сильному землетрясению. Дуничев В.М. Причина тектонических землетрясений в гравитационном поле Земли и ее сферической форме. Механизм землетрясений в проваливании конуса горных пород в пустоту, возникающую при уменьшении объема каменной оболочки с сохранением ее массы, что увеличивает плотность глубинного вещества, занимающего меньший объем от прежнего менее плотного. Вершина опушенного конуса фиксируется гипоцентром, овальное основание конуса – эпицентральной областью. Основания просевших конусов проявляются овальными очертаниями котловин морей, заливов их береговой зоны, равнин суши, озер на них. С позиции ноотики – методологии индуктивного и системного познания природы рассмотрим причину и механизм тектонических землетрясений. Для этого найдем их признаки, по ним выведем понятия, сравнение которых позволит сделать выводы (вывести законы), сформулировать модель этого природного процесса. I. Основные признаки землетрясений 1. Место на глубине, где происходит землетрясение, называют гипоцентром
. По глубине гипоцентров землетрясения выделяют три группы: при глубине до 70 км – мелкофокусные, от 70 до 300 км – среднефокусные, более 300 км – глубокофокусные. 2. Проекция гипоцентра на поверхность литосферы именуют эпицентром
. Вблизи его наибольшие разрушения. Эта эпицентральная область овальной формы
. Размеры ее для мелкофокусных землетрясений зависят от магнитуды. При магнитуде 5 по шкале Рихтера длина овала порядка 11 км, а ширина – 6 км. При магнитуде 8 цифры увеличиваются до 200 и 50 км. 3. Разрушенные или пострадавшие от землетрясений города: Ташкент, Бухарест, Каир и другие расположены на равнинах. Следовательно, землетрясения сотрясают равнины, гипоцентры их под равнинами, даже под дном морей и океанов. Отсюда, равнины тектонически подвижные участки поверхности литосферы.
4. В горах альпинистам, штурмующим заснеженные вершины, запрещается кричать, чтобы колебания воздуха (эхо) не вызвали схода снежных лавин. Не известно ни одного случая, чтобы экспедиция альпинистов или горнолыжный курорт пострадали от землетрясения. Под горами землетрясений нет. Если бы они происходили, жить в горах было бы невозможно. Отсюда, горы тектонически неподвижные участки поверхности литосферы.
II. По приведенным признакам выведем понятия 1. Выясним, объемное тело какой формы испытывает сотрясение при землетрясении? Для этого достаточно соединить границы эпицентральной области с гипоцентром. Получим конус с вершиной (гипоцентром) на глубине и эпицентральной овальной областью (основание конуса) на поверхности литосферы.
При тектоническом землетрясении сотрясается конус из вещества каменной оболочки с фиксацией на глубине гипоцентра и эпицентральной области овальной формы на поверхности. 2. Тектонически подвижные равнины расположены ниже тектонически неподвижных гор. Следовательно, равнины опускаются, а горы – то, что не опустилось. Равнины – подвижные прогибающиеся участки поверхности литосферы.
3. Куда может провалиться конус из вещества литосферы? В пустоту! Но пустот на глубинах десятков километров нет, там все сильно сжато массой вышележащих горных пород. Значит, пустоты образуются и мгновенно заполняются вершинами провалившихся в них конусов. На глубине десятков километров возникают пустоты, сразу заполняющиеся проваливающимися конусами вещества литосферы.
III. Путем сравнения понятий выведем законы, объясняющие причины и механизм землетрясений 1. Почему на глубине десятков километров возникают пустоты? Гравитационное поле (учет закона всемирного тяготения) обязывает все тела на поверхности литосферы занять как можно более близкое положение к центру планеты. Объем каменной оболочки Земли уменьшается. Закон: гравитационное поле уменьшает объем каменной оболочки Земли.
2. Масса ее остается неизменной. Следовательно, плотность глубинного вещества увеличивается. Закон: уменьшение объема каменной оболочки земного шара при сохранении ее массы увеличивает плотность глубинного вещества.
3. Более плотное вещество занимает меньший объем от объема прежнего вещества, менее плотного. Возникает пустота. Закон: увеличение плотности глубинного вещества литосферы вызывает возникновение на глубине пустот.
4. В пустоту мгновенно провалится объемное тело из лежащих выше горных пород. При сферической форме Земли (учет реальной формы ее) это будет конус. Закон: в появившуюся пустоту мгновенно провалится конус вышележащего вещества литосферы.
5. Произойдет землетрясение с фиксацией гипоцентра и эпицентральной области. 6. Дальнейшее более полное заполнение пустоты вызовет серию афтершоков с постепенным уменьшением магнитуды. IV. Модель тектонических землетрясений 7. Причина тектонических землетрясений в наличии гравитационного поля Земли и ее сферической формы.
8. Механизм землетрясений в проседании конуса горных пород в пустоту, возникшую при увеличении плотности глубинного вещества от уменьшения объема каменной оболочки при сохранении ее массы
. Вершина конуса фиксируется гипоцентром, основание – эпицентральной областью. Проверка реальности модели фактическими данными строения поверхности каменной оболочки Земли 9. Поверхность литосферы осложнена опустившимися структурами, отражающими погрузившиеся конуса, их системы. Это котловины океанов и морей, заливы и бухты их береговой зоны, равнины (от низменностей до плато и нагорий) суши, озера на них. Все они имеют овальные очертания. Горные же системы имеют вид сопряжений выпуклых и вогнутых линий, оставшихся не прогнутыми при опусканиях равнин или морских котловин. Индуктивную часть ноотического объяснения: от признаков объектов к законам, модели причины и механизма тектонических землетрясений выполнили. Перейдем к системной составляющей. Землетрясения происходят в литосфере, т. е. относятся к геологическим процессам. Чтобы создать целостную модель сейсмичности (реальную картину, объясняющую выясненные причину и механизм землетрясений), необходимо познакомиться с составом и функционированием каменной оболочки, рассмотреть систему геологических процессов и найти место в ней тектоническим землетрясениям. Наблюдаемое залегание горных пород литосферы Поверхность литосферы слагают рыхлые глины, песок, другие обломочные образования. На поверхности литосферы при остывании излившейся лавы образуются и находятся аморфные базальты, липариты и другие горные породы, сложенные вулканическим стеклом. С глубиной пластичная глина становится непластичным аргиллитом – глинистой сцементированной мельчайшими кристаллами породой. Из песка формируется песчаник, из створок раковин – известняк. Аргиллиты, песчаники, известняки залегают слоями, образуя слоистую оболочку. Большая часть ее (80%) приходится на глину (аргиллит). Ниже аргиллита находится кристаллический сланец, под ним – гнейс, который через гранито-гнейс сменяется гранитом. Размер кристаллом в сланцах мелкий, а гнейсах – средний, а граниты – крупнокристаллические породы. Среди кристаллических сланцев встречаются тела перидотита и других ультраосновных пород. Если в песчанике было много обломков кварца, на глубине образуется кварцит. Известняк с глубиной через кристаллический и мраморизованный известняк делается мрамором. Упорядоченное наблюдаемое залегание горных пород позволяет сформулировать законы изменения с глубиной их структуры, энергонасыщенности (содержания потенциальной энергии), плотности, энтропии и химического состава. Закон изменения структуры: по мере погружения в недра литосферы аморфная, тонкодисперсная и обломочная структура горных пород изменяется до все более крупнокристаллической
. Происходит перекристаллизация вещества с увеличением размера кристаллов. Следствия из закона. 1. Ниже крупнокристаллического гранита не могут находиться горные породы из более мелких кристаллов, чем у гранита, тем более аморфные. 2. Под гранитом базальт залегать не может. Базальт образуется и находится на поверхности литосферы. При погружении он начнет кристаллизоваться и перестанет быть аморфным веществом, а, стало быть, и базальтом. Далее законы будем выводить из учета следующего строения литосферы. На поверхности при остывании лавы возникает и лежит аморфный базальт. Саму поверхность слагает тонкодисперсная глина. На глубине образуется и находится крупнокристаллический гранит. В аморфных веществах атомы удалены друг от друга на большие расстояния, чем в кристаллических образованиях. На раздвижение атомов затрачена энергия, которая аккумулирована веществом. Поэтому, энергонасыщенность аморфных горных пород, чем энергонасыщенности кристаллических образований. Закон изменения энергонасыщенности: по мере погружения в недра литосферы и перекристаллизации с увеличением размера кристаллов энергонасыщенность вещества уменьшается.
Следствия из закона. 1. Ниже гранита не может находиться вещество, энергонасыщенность которого больше, чем у гранита. 2. Ниже гранита образоваться и находиться магма не может. 3. Из-под гранита глубинная (эндогенная) тепловая энергия не поступает. В противном случае, на глубине были бы аморфные вещества, а на поверхности – кристаллические. В природе все наоборот. Кажется очевидным, что плотность горных пород с глубиной должна увеличиваться. Ведь на них давит масса лежащих выше слоев. Кроме того, плотность кристаллических образований больше плотности аморфных тел. Для выяснения реальной картины поведения плотностей горных пород приведем количественные значения плотностей их (в г/см 3). Базальт – 3,10 Глина – 2,90 Гранит – 2,65 Закон изменения плотности: по мере погружения плотность горных пород в наблюдаемой части литосферы уменьшается.
Следствия из закона: 1. Значение плотности глины среднее от значений плотностей гранита и базальта: (2,65 + 3,10)/2 = 2,85. 2. При перекристаллизации глины в гранит удаляется часть вещества большей плотности, чем у глины настолько, насколько плотность гранита меньше плотности глины. Закон изменения энтропии (степени беспорядка, хаоса): по мере погружения и перекристаллизации энтропия вещества литосферы уменьшается
. Перекристаллизация с увеличением размера кристаллов – негэнтропийный процесс. Чтобы вывести закон изменения химического состава горных пород с погружением их в недра литосферы, познакомимся с химическим составом основных типов их. Закон: по мере погружения и перекристаллизации химический состав горных пород изменяется: увеличивается содержание кремнезема до 100% в кварците и уменьшается содержание оксидов металлов
. Следствия из закона: 1. Ниже гранита не могут залегать породы с большим, чем у него содержанием оксидов железа, магния и других катионов. 2. Удалением оксидов металлов свидетельствует о круговороте энергии и вещества в наблюдаемой части литосферы
, как и в атмосфере, гидросфере и биосфере, взаимосвязанных между собой. Вызывается круговорот поступлением солнечной энергии и наличием гравитационного поля Земля. Начальное звено круговорота
. Гранит, базальт, песчаник и все другие горные породы, поглощая на поверхности литосферы солнечную радиацию, разрушаются до обломков, глины – процесс гипергенеза. Продукты гипергенеза накапливают солнечную радиацию в виде потенциальной (свободной поверхностной, внутренней) энергии. Под действием гравитационного поля обломки и глина сносятся, перемешиваясь и усредняя химический состав, в пониженные участки – на дно морей, где накапливаются слоями глин, песков - седиментогенез. Химический состав слоистой оболочки, 80% ее приходится на глинистые породы, равен (гранит+базальт)/2. Промежуточное звено круговорота
. Накопившийся слой глины перекрывается новыми слоями. Масса накопившихся слоев сдавливает глинистые частицы, уменьшает расстояния между атомами в них, что реализуется формированием мельчайших кристаллов, переводящих пластичную глину в аргиллит - сцементированную глинистую породы. При этом из глины отжимается вода с солями и газами. Ниже аргиллита формируется кристаллический сланец из мелких кристаллов слюды, полевого шпата. Под сланцем залегает гнейс (среднекристаллическая порода), через гранито-гнейс сменяющаяся гранитом. Перекристаллизация глины в гранит сопровождается переходом потенциальной энергии в кинетическую тепловую, которая поглощается часть вещества, не вошедшего в гранита. Химический состав этого вещества будет базальтовым. Возникает нагретый водно-силикатный раствор базальтового состава. Заключительное звено круговорота
. Нагретый базальтовый раствор, как разуплотненный и легкий, всплывает вверх против действия силы тяжести. По пути он получает из перекристаллизующихся окружающих пород тепла и летучих веществ больше, чем получил на месте своего нахождения. Такие инъекции тепла и летучих веществ с боку не позволяют раствору остыть и дают возможность подъема к поверхности, где люди называют его лавой. Вулканизм – заключительное звено круговорота энергии и вещества в литосфере, суть которого в удалении нагретого базальтового раствора, образовавшегося при перекристаллизации глины в гранит
. Породообразующие минералы в основном силикаты. Основой им служит оксид кремния – анион кремниевых кислот. Многократная перекристаллизация с увеличением размера кристаллов сопровождается удалением из силикатов катионов в виде оксидов металлов. Атомные массы металлов больше атомной массы кремния, поэтому плотность аморфного базальта больше плотности оставшегося на глубине гранита. Плотность вещества в наблюдаемой части литосферы, несмотря на громадное давление вышележащих толщ, уменьшается потому, что вверх удаляются оксиды железа, магния, кальция и других катионов, а также самородные платина (21,45 г/см 3), золото (19,60 г/см 3) и др. Когда же все катионы удалятся, и останется один SiO 2 в виде кварца (порода кварцит), кремнезем на глубине 20-30 км под мощным давлением массы лежащих выше слоев начнет переходить в более плотные модификации. Кроме кварца состава SiO 2 плотностью 2,65 г/см 3 известны также коусит – 2,91, стишовит – 4,35 того же химического состава. Переход кварца в минералы с более плотными упаковками атомов вызовет возникновение на глубине пустоты, в которую провалится конус лежащих выше горных пород. Произойдет тектоническое землетрясение. Переход кварца в коусит сопровождается поглощением веществом энергии 1,2 ккал/моль. Поэтому в начале землетрясения энергия не выделяется, а поглощается веществом, увеличившим свою плотность. Как же быть с разрушениями в эпицентральной зоне: на них же тратится энергия! Конечно, расходуется, но другая энергия. Сотрясения вызывают продольные (деформации сжатия и растяжения) и поперечные (деформации типа сдвига) сейсмические волны, генерируемые при движении опускающегося конуса. Продольные колебания на поверхности дна моря в виде высокочастотных вихрей в воде вызывают формирование цунами. Таким образом, в функционировании каменной оболочки земного шара выделяются две области: верхняя и нижняя. В верхней происходит круговорот энергии и вещества, вызванный поступлением солнечной радиации и гравитационным полем планеты. При многократной перекристаллизации вещество очищается от оксидов и самородных металлов, оставляя внизу чистый оксид кремния в виде минерала кварца или породы кварцита. Удаление металлов приводит к уменьшению плотности вещества в наблюдаемой части литосферы с глубиной. В нижней области с глубин 20-30 км удаляться из кварцита уже нечему. Громадное литостатическое давление вызывает переход кварца плотностью 2,65 г/см 3 в более плотную модификацию – коусит плотностью 2,91 г/см 3 . Возникает пустота, в которую мгновенно проваливается конус вышележащего вещества. Происходит тектоническое землетрясение с фиксацией гипоцентра – вершина опустившегося конуса и овальной эпицентральной зоны – основание конуса. При движении конуса генерируются продольные и поперечные сейсмические волны, вызывающие разрушения на поверхности литосферы в эпицентральной зоне. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ: 1. Дуничев, В.М. Ноотика – инновационная система добычи знаний о природе / В.М. Дуничев. – М.: Компания Спутник+, 2007. – 208 с. Выяснение причин землетрясений и объяснение их механизма - одна из важнейших задач сейсмологии. Общая картина происходящего представляется следующей. В очаге происходят разрывы и интенсивные неупругие деформации среды, приводящие к землетрясению. Деформации в самом очаге носят необратимый характер, а в области, внешней к очагу, являются сплошными, упругими и преимущественно обратимыми. Именно в этой области распространяются сейсмические волны. Очаг может либо выходить на поверхность, как при некоторых сильных землетрясениях, либо находиться под ней, как во всех случаях слабых землетрясений. Путем непосредственных измерений были получены до сих пор довольно немногочисленные данные о величине подвижек и видимых на поверхности разрывов при катастрофических землетрясениях. Для слабых землетрясений непосредственные измерения невозможны. Наиболее полные измерения разрыва и подвижек на поверхности были проведены для землетрясения 1906г. в Сан-Франциско. На основании этих измерений Дж.Рейд в 1910г. выдвинул гипотезу упругой отдачи. Она явилась отправной точкой для разработки различных теорий механизма землетрясений. Основные положения теории Рейда следующие: В результате тектонических движений в очаге возникают касательные напряжения, система которых, в свою очередь, определяет действующие в очаге скалывающие напряжения. Положение этой системы в пространстве зависит от так называемых нодальных поверхностей в поле смещений(y=0,z=0). В настоящее время для изучения механизма землетрясений используют записи сейсмических станций, размещенных в разных точках земной поверхности, определяя по ним направление первых движений среды при появлении продольных (P) и поперечных (S) волн. Поле смещений в волнах P на больших расстояниях от источника выражается формулой U P =-F yz yzr/(a 2 L 22 -y 2) где F yz - сила действующая на площадке радиусом r; - плотность горных пород; a - скорость P - волны; L расстояние до пункта наблюдения. В одной из нодальных плоскостей расположена площадка скольжения. Оси сжимающих и растягивающих напряжений перпендикулярны линии их пересечения и составляют с этими плоскостями углы в 45 о. Так что, если на основе наблюдений найдено положение в пространстве двух нодальных плоскостей продольных волн, то этим самым будут установлены положение осей главных напряжений, действующих в очаге, и два возможных положения поверхности разрыва. Границу разрыва называют дислокацией скольжения. Здесь главную роль играют дефекты кристаллической структуры в процессе разрушения твердых тел. С лавинным нарастанием плотности дислокации связаны не только механические эффекты, но и электрические и магнитные явления, которые могут служить предвестниками землетрясений. Поэтому главный подход к решению проблемы предсказания землетрясений исследователи видят в изучении и выявлении предвестников различной природы. В настоящее время общепринятыми являются две качественные модели подготовки землетрясений, которые объясняют возникновение предвестниковых явлений. В одной из них развитие очага землетрясения объясняется дилатансией, в основе которой лежит зависимость объемных деформаций от касательных усилий. В водонасыщенной пористой породе, как показали опыты, это явление наблюдается при напряжениях выше предела упругости. Возрастание дилатансии приводит к падению скоростей сейсмических волн и подъему земной поверхности в окрестности эпицентра. Затем в результате диффузии воды в очаговую зону происходит увеличение скоростей волн. Согласно модели лавиноустойчивого трещинообразования явления предвестников могут быть объяснены без предположения о диффузии воды в очаговую зону. Изменение скоростей сейсмических волн можно объяснить развитием ориентированной системы трещин, которые взаимодействуют между собой и по мере роста нагрузок начинают сливаться. Процесс приобретает лавинный характер. На этой стадии материал неустойчив, происходит локализация растущих трещин в узких зонах, вне которых трещины закрываются. Эффективная жесткость среды возрастает, что приводит к увеличению скоростей сейсмических волн. Изучение явления показало, что отношение скоростей продольных и поперечных волн перед землетрясением сначала уменьшается, а затем возрастает, и эта зависимость может являться одним из предвестников землетрясений.
Библиографическая ссылка
Дуничев В.М. ПРИЧИНЫ И МЕХАНИЗМ ТЕКТОНИЧЕСКИХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ // Современные проблемы науки и образования. – 2008. – № 4.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=801 (дата обращения: 05.01.2020).
Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
