Землетрясения: причины, последствия, прогноз

Таблица 1 Шкала интенсивности силы землетрясений

 

3.4 Магнитуда землетрясений. Шкала магнитуд по Рихтеру

Магнитуда землетрясений (высвобождённая энергия) – количественная оценка меры полной энергии сейсмических волн, высвободившейся при землетрясении. Представляет собой величину, пропорциональную логарифму отношения максимальной амплитуды конкретного типа волн в данном землетрясении и любого стандартного землетрясения:

,

где А и Т – амплитуда и период колебаний в волне; - расстояние от пункта наблюдения до эпицентра; В и - константы, зависящие от условий расположения пункта наблюдения.

Обычно магнитуда определяется по шкале по данным сейсмографов. Данная шкала получила название шкалы магнитуд или Рихтера (американский сейсмолог). Шкала была предложена им в 1935 году. Есть различия по способам определения магнитуд мелко-фокусных и глубокофокусных землетрясений. Магнитуды разных типов волн разные по величине.

Существует также множество модификаций шкал. Они помогают оценивать энергию всех землетрясений Земли, включая ядерные подземные и промышленные взрывы. Такая магнитуда оцениваются сейсмическим моментом:

Где - сдвиговая прочность пород в зоне разлома; S – площадь поверхности разлома; - среднее смещение по разлому, позволяющее оценить величину землетрясения.

 

Выделившаяся энергия определяется по формуле:

,

где - плотность верхних слоёв Земли; - скорость сейсмических волн; А – амплитуда смещения; Е – период колебаний.

 Связь между энергией и  магнитудой Рихтера, предложенное Б. Гутенбергом:

,

Формула характеризует огромное увеличение энергии при увеличении магнитуды( увеличение на 1ед вызывает увеличение энергии в 32 раза, а А увеличивается всего в 10 раз). Это соотношению иллюстрирует диаграмма 1[Н. В. Короновский, В. И. Старостин; «Геология для горного дела”; Москва, издательство центр “Академия” 2007]:

Диаграмма 1 Соотношение магнитуды землетрясений и выделившейся энергии

 

3.4.1 Сейсмическое районирование

Сейсмическое  районирование - это составление карты сейсмической опасности, т.е. деление местности на районы разной сейсмической активности по силе возможных землетрясений. Для этого необходим тщательный анализ частот прошлых землетрясений, знание особенностей геологического строения определённых сейсмических участков, положения эпицентров и гипоцентров.

Сейсмическое районирование  актуального и, начиная с середины прошлого века, используемо в большинстве  стран мира. Оно также является важной народнохозяйственной задачей, так как позволяет учитывать сейсмические особенности  районов при планировании и строительстве городов, железных дорог, гидроэлектростанций и т.д.

В природе всегда существуют условия неопределенности, которые делают неправомочным безоговорочный подход к сейсмическому районированию. Оно может быть принято лишь на вероятностной основе. Иными словами, риск всегда имеет место, но его необходимо свести к минимуму. Это и закладывается в новых картах, дающих оценку степени сейсмической опасности для объектов разных сроков службы и категорий, и отражают расчетную интенсивность сейсмических сотрясений, ожидаемых в данной географической местности с заданной вероятностью в течение определенного интервала времени.

 Компьютерные технологии  позволили создавать модели и  карты источников возникновения  землетрясений, планирование активности на любой интервал времени и изучать эффекты виртуальных очагов на земную поверхность.

 

^{3.4.2. Определение возможного начала будущих землетрясений}

Существует 3 направления  исследования:

1. Наклономеры – специальные приборы, регистрирующие малейшие изгибы и подвижки пластов (эти данные могут установить критический порог деформаций, за которым следует землетрясение). В более общей форме механические землетрясения оценивают по геодинамическим критериям, которые синхронно измеряют вертикальную и горизонтальную составляющую тектонических движений.
2. геохимический критерий – основывается на изучении сейсмических районов подземных вод, состав ( к примеру радон), температура которых резко меняется в течении нескольких дней перед катастрофой. Включает в себя определение ионного состава, состава растворённых газов, измерения изотопных соотношений
3. геофизический критерий – направление, изучающее комплекс физических параметров различных слоёв земной коры и флюидов. Наблюдаются изменения соотношения скоростей продольных и поперечных волн.

 

 

^{4 Характеристика сейсмической активности}

^{Тихого  океана}

Наиболее важным поясом повышенной сейсмической активности является Тихоокеанский пояс - самая активная вулканическая зона планеты. Ложе Тихого океана окаймляют около 300 действующих вулканов, или 75% действующих во всём мире, поэтому сам район часто именуют “Тихоокеанским огненным кольцом”. Оно представляет собой цепь вулканов, протяжённостью в 40 тысяч км, образующих кольцо диаметром в 10 тысяч км по краям океана. Кольцо включает в себя большое количество густонаселённых прибрежных районов в области Тихого oкeaнa, такие как Новая Зеландия, Новая Гвинея, Япония, Алеутские ocтpoвa, Aляcкa и зaпaднoe пoбepeжьe Ceвepнoй и Южной Aмepики. Цепь вулканов проходит через Камчатку, Курильские, Японские, Филлипинские острова, Восточную Индонезию и Новую Зеландию, далее через Антарктиду по Южной и Северной Америке и замыкается на Аляске и Алеутских островах.

Рисунок 2 Тихоокеанское огненное кольцо ([http://geolvg.blogspot.ru/2009/11/blog-post_25.html])

 

^{4.1 Образование Огненного пояса}

Корни вулканов Тихоокеанского кольца берут свое начало гораздо глубже, чем это предполагали ранее, а места зарождения и размещения вулканов строго соответствуют геологической обстановке.

Окраины материков, места стыков и разломов литосферных плит – это активные участки литосферы, в которых действуют большинство современных вулканов и где часто наблюдаются землетрясения. Эти участки образуют сейсмические пояса Земли, протянувшиеся на тысячи километров.

Огненное кольцо проходит по границе соприкосновения тихоокеанской океанической и континентальных плит.

По дну Тихого океана проходит Срединно-океанический хребет. Из его трещин проступает магма, застывает и образует новые участки коры (рис.3)[http://www.rgo.ru/expedition/ognennyj-poyas-zemli/ognennyj-poyas-zemli/]:

Рисунок 3 Образование сейсмического пояса ([http://www.rgo.ru/expedition/ognennyj-poyas-zemli/ognennyj-poyas-zemli/])

На границах схождения литосферных плит происходит субдукция. В результате субдукции океаническая литосферная плита попадает в область высоких температур и давлений, где из нее начинают выделяются перегретые минеральные флюиды. От наклонной зоны субдукции эти флюиды и тепловой поток движутся вверх, происходит плавление горных пород и образование магмы. Жидкая магма прорывается на земную поверхность, порождая вулканические извержения. Так над зоной субдукции образуются порождаемые ею вулканы.

Субдукция – погружение тектонической плиты в верхнюю мантию. Явление наблюдается в районах, где сходятся океаническая и континентальная плиты, образуя глубоководный желоб. Различают японскую, марианскую и другие типы субдукций в зависимости от характера схождения плит.

Спрединг – раздвигание океанического дна. Блоки океанической коры расходятся, магма заполняет образовавшиеся трещины и, застывая, образует новую кору. Процесс наблюдается вблизи Срединно-океанических хребтов.

В Тихом океане наблюдается несколько зон спрединга океанических литосферных плит, главная из которых Восточно-Тихоокеанская.

Связь между вулканами и уходящей под них зоной субдукции хорошо видна на примере Камчатки, геологическое строение которой подробно изучено, а вулканы, действующие здесь (их около 30), находятся под постоянным наблюдением ученых. Эта часть вулканического кольца расположена в зоне взаимодействия двух крупных литосферных плит: Тихоокеанской и континентальной. Здесь Тихоокеанская плита движется со скоростью 8-9 см/год на северо-запад, и пододвигается под почти неподвижный континентальный край. Хотя есть мнение, что континентальная плита тоже сдвигается на северо-запад, но гораздо медленнее – примерно со скоростью менее 1 см/год. Следовательно, скорость относительной конвергенции (схождения) литосферных плит составляет около 8 см/год, чем и определяется скорость субдукции. На морском дне линия взаимодействия двух литосферных плит выражена Камчатским желобом, узким и глубоководным (до 8км). В этой зоне субдукции Тихоокеанская плита пододвигается под Камчатскую континентальную, а затем перегибается и уходит в глубину под углом около . Это старая, меловая, остывшая и упругая океаническая литосфера мощностью около 70 км, которая хорошо просматривается ниже, где погружается в разогретую и размягченную астеносферу. С помощью методов сейсмической томографии ученым удалось изучить субдуцирующую плиту достаточно глубоко. В отличие от других зон субдукции, здесь Тихоокеанская плита пересекает границу верхней и нижней мантии Земли (в 670 км от поверхности) и достигает глубины более 1000 км. При этом, Тихоокеанский слэб погружается наклонно и проходит под Камчаткой, а далее - под Охотское море.

Зона субдукции под Камчатку сопровождается возникновением очагов землетрясений. Они проявляются уже на первом перегибе литосферы возле глубоководного желоба (очаги растяжения на своде и сжатия внутри изгибающейся плиты).

Затем наблюдаются многочисленные сильные очаги разрядки напряжений в местах контакта двух сходящихся литосферных плит - там, где одна из них уходит вниз и начинает пододвигаться под другую. И далее, еще ниже, очаги начинают зарождаться уже внутри нее, где океаническая литосферная плита пересекает вязкую астеносферу. Процесс происходит до тех пор, пока плита не разогреется и не потеряет способность к хрупким деформациям. Эти очаги растяжения и сжатия, порождаются температурными и иными изменениями объема пород. Как показано на разрезе, такие очаги землетрясений, до некоторой глубины, размещаются в два ряда, что обусловлено большой толщиной субдуцирующей литосферы. В целом наблюдаем характерную наклонную сейсмическую зону, которая берет начало от Камчатского желоба и доходит до глубины в 500-550 км. Характерные наклонные системы очагов наблюдаются во всех современных зонах субдукции по зоне Беньофа, в некоторых местах уходящих в глубину до 700км.

Расположение активных вулканов соответствует зоне Беньофа и почти все извержения происходят там, где субдуцирующая литосфера достигает глубины 100-200 км. Но именно на этих глубинах, под поясом вулканов, очагов землетрясений мало: в зоне Беньофа вырисовывается слабосейсмичный пробел, который обусловлен снижением упругих свойств субдуцирующей литосферы.

Наиболее вероятной  причиной этого считается массовое выделение флюидов, так как температура и давление литосферы, при перемещении на глубину, достигает критических значений. Движение вверх горячих флюидов формирует очаги расплавленной магмы и образование вулканического пояса.

По всему Тихоокеанскому полукольцу корни действующих вулканов прослеживаются до субдукционного слэба. От места к месту условия субдукции меняются: различны возраст (толщина и температурные условия) пододвигающейся литосферы и скорость субдукции. Под Марианской и Идзу-Бонинской вулканическими дугами, над слэбом в фундаменте вулкана, земная кора очень тонкая, сложена из железисто-магнезиальных пород. Под Андами - кора толстая, богата кремнием и алюминием. Все это оказывает влияние на характер вулканических извержений и состав извергающихся лав. Но геологические причины вулканического процесса по всему Тихоокеанскому кольцу похожи, и определяются субдукцией, которая направлена от океана под его обрамление.

В различных местах меняется угол наклона зоны субдукции, но остается постоянной глубина, по достижении которой, уходящая вниз литосфера дает начало магматическим процессам (около100-200 км), поэтому при больших углах наклона вулканический пояс приближается к глубоководному желобу, а при малых углах - удаляется.

Данные простые геометрические соотношения наблюдаются по всему Тихоокеанскому кольцу, потому что в наши дни Тихий океан, с его естественным обрамлением, представляет собой единую геологическую систему планетарного масштаба, в которой кольцо действующих вулканов занимает свое вполне определенное место. Потоки астеносферного вещества, поднимающиеся в зонах спрединга, а затем расходящиеся, способствуют разрастанию океанической литосферы и перемещению ее к зонам субдукции на периферии океана. А уже здесь новообразованная литосфера пододвигается под континентальное обрамление и поглощается на глубине. При этом от субдуцирующей литосферы отделяются и движутся вверх флюиды, которые вместе с тепловым потоком формируют магматические очаги и вулканы. Пока действует вся эта система, развивается и вулканическое ожерелье Тихого океана.

 

Рисунок 4 Возраст земной коры. На схеме разными цветами показан возраст земной коры. Красным обозначены новые участки (заимствовано из [http://www.rgo.ru/expedition/ognennyj-poyas-zemli/ognennyj-poyas-zemli/])

 

Различают два  типа активных окраин:

– островодужный (Западно-тихоокеанский тип);

– приконтинентальный (Восточно-тихоокеанский тип).

Западная окраина океанической плиты погружается под почти неподвижный край Евразийской плиты, образуя в местах соприкосновения литосферных плит глубоководные желоба (рис.5). Вдоль них сформировались цепочки вулканических островов – островные дуги, отделяющие окраинные моря, или задуговые бассейны от глубоководных желобов.

Рисунок 5 Западно-тихоокеанский тип океанической коры (заимствовано из [http://www.rgo.ru/expedition/ognennyj-poyas-zemli/ognennyj-poyas-zemli/])

Восточная окраина значительно отличается от западной. Островные дуги отсутствуют, а вулканы расположены по краю материков.

Океаническая  плита погружается под континентальную плиту, трескается и раскалывается, отзываясь землетрясениями на поверхности (рис.6) Горные породы, из которых сложена плита, под действием высоких температур и давления плавятся и выделяют флюиды, которые по трещинам вместе с магмой прорываются наружу во время извержения. Уходя в глубину, плита разогревается настолько, что становится пластичной и непроницаемой для флюидов [http://www.rgo.ru/expedition/ognennyj-poyas-zemli/ognennyj-poyas-zemli/]

 

Рисунок 6 Восточно-тихоокеанский тип океанической коры (заимствовано из [http://www.rgo.ru/expedition/ognennyj-poyas-zemli/ognennyj-poyas-zemli/])

 

^{4.2 История вулканического кольца}