Природа землетрусів на землі

Осередки землетрусів можуть виникати на різних глибинах — від кількох до 600...700 км. Однак найбільша кількість їх — в інтервалі до 100...200 км. У Криму більше землетрусів відбувається на глибинах 15...ЗО км. У Карпатах осередки сильних землетрусів розташовані на глибині близько 150 км, а на Далекому Сході — вздовж пасма Ку-рильських островів — до 600 км і більше.

Багаторічними дослідженнями виявлено, що осередки землетрусів розташовуються переважно вздовж зон великих скидів. Внаслідок раптового зміщення мас вздовж тектонічних розривів, крила яких перемішуються у протилежних напрямках, виникають землетруси. Розриви, з якими пов'язані осередки землетрусів, відбуваються переважно на великих глибинах, але в окремих випадках вони виходять на поверхню, утворюючи уступи в рельєфі, які називають ескарпами.

Щороку на земній кулі відбувається понад мільйон землетрусів різного класу. Проте визначити будь-яку періодичність у прояві землетрусів складно. В цілому сейсмічний режим протягом сотень років змінюється слабко. Останнім часом помічено зростання кількості невеликих землетрусів, пов'язаних з антропогенними чинниками (обвалами, штучними вибухами тощо).

Для сильних землетрусів характерні повторні поштовхи — афтершоки. Вони свідчать про те, що головний землетрус не зняв усіх напружень, які нагромадилися в зоні осередка, і процес вивільнення енергії ще деякий час триватиме. У Росії й деяких сусідніх із нею країнах прийнято оцінювати інтенсивність коливань у балах MSK (12-бальної шкали Медведева — Шпонхойєра — Карни-ка), у Японії — у балах ЯМА (9-бальної шкали Японського метеорологічного агентства). Інтенсивність у балах (що виражаються цілими числами без дробів) визначається при обстеженні району, у якому відбувся землетрус, або опитуванні жителів про їхні відчуття при відсутності руйнувань, або ж розрахунками за емпірично отриманими й прийнятими для цього району формулами. Серед перших відомостей про землетрус, що відбувся, стає відомою саме його магніту-да, а не інтенсивність. Магнітуда визначається на сейсмограмах навіть на великих відстанях від епіцентру.

1.3.Виникнення землетрусів

У міфології різних народів спостерігається  цікава схожість в уявленнях про причини землетрусів. Це ніби то рух якоїсь реальної або міфічної тварини, гігантської, прихованої десь в глибинах Землі. У стародавніх індусів це слон, у даяков Суматри — величезний віл. Стародавні японці провину за землетруси покладали на сома, який стрясав землю. Якби він не був під наглядом доброго бога, Даймедзина, то земля стрясалася б постійно. Проте добрий дух час від часу втрачав пильність, і совість злого сома обтяжувалася наступним землетрусом. Античні природодослідники  і  філософи знали про землетруси, оскільки ні Древню Грецию, ні Рим ці катастрофи не щадили, і їх вирішення проблеми не було міфічним, хоча не можна сказати, щоб воно було вірним. Арістотель заявляв, що землетруси викликає гаряче повітря, яке запалює в надрах горючі речовини. Страбон хоча і вірно відзначив, що приморські території частіше піддаються струсам, чим внутрішнюконтинентальні області, проте залишився далекий від тлумачення цього факту. Фалес Мілетський вважав, що за землетруси відповідальна вода. За його уявленням так само як човен на морських хвилях, так і земна твердь коливається на підземних водах.)Даже відомий Пліній Старший не прийшов до пояснення причин землетрусів.

Научна геологія (її становлення відноситься до XVIII століття) зробила правильні висновки про те, чому стрясаються головним чином молоді ділянки земної кори. У другій половині XIX століття вже була вироблена загальна теорія, згідно якої земна кора була підрозділена на стародавні стабільні щити і молоді, рухомі гірські споруди. З'ясувалося, що молоді гірські системи — Альпи, Піренєї, Карпати, Гімалаї.

Ми даємо пояснення тих понять,які  далі в тексті будуть використані в тексті,землетруси — це те місце в земних  надрах, де землетрус зароджується. Епіцентр — місце на поверхні Землі, яке є найбільш близьким до вогнища. Землетруси  не  розподіляються  по  земній поверхні рівномірно, навпаки, вонизосереджені в окремих вузьких зонах. Деякі епіцентри приурочені до материків, інші - до їх околиць, а треті — до дна океанов.Нові дані про еволюцію земної кори підтвердили, що згадані зони є межами плит літосфери. Літосфера—це тверда частина земної оболонки, що тягнеться до глибини 100—150 км. Вона включає земну кору (потужність якої досягає 15—60 км.) і частина верхньої мантії, яка кору підстилає. Літосфера немонолітна, вона розділена на плити. Одні з них великі (наприклад, Тихоокеанська, Північноамериканська і Євразійська) інші мають менші розміри (Аравійська Індійська плити). Плити переміщаються по пластичному підстилаючому прошарку, іменованою астеносферою. Існують три варіанти взаємодії плит літосфери: вони або розсуються, або стикаються, одна підсовується під іншу або одна рухається уздовж іншої. Рух плит не постійно, а переривисто, тобто відбувається епізодично, із-за їх взаємного тертя або тертя об підстилаючу поверхню. Кожне раптове переміщення, кожен ривок плит може ознаменуватися землетрусом.

Коли плити розсуються, формуються рифтові зони, які на континентах стають зародками майбутніх океанів. Такого роду процес в даний час відбувається, наприклад, в Червоному морі, уздовж якого проходить межа Африканською і Аравійською плит. Рифтові зони неспокійні, до них приурочено багато землетрусів і вулканічні виверження.

Інші процеси відбуваються, коли плити стикаються. Одна плита при  цьому підсовується під іншу, зриваючи в глибину частину поверхні, і  утворюється пояс підводних жолобів. Тут зсуви відбуваються епізодично, тому підводні жолоби з острівними дугами є джерелом найбільш частих і самих руйнівних землетрусів. Вся західна частина Тихого океану і прилеглі острови (Філіппіни, Японські, Алеутські острови та ін.) страждають від цих землетрусів. В результаті зіткнення плит утворилися найбільші  гірські системи Землі — Гімалаї, Альпи, Карпати і Анди. Складкоутворення і підняття колосальних об'ємів гірських порід, розташованих між плитами, також  не протікають гладко при цьому відбуваються накопичення напруги, і їх розрядка супроводжується землетрусами.

У третьому випадку взаємодії плит вони рухаються одна уздовж іншої. Механізм виникнення землетрусу той же, що і  в розглянутих вище два інших  випадках. Переміщення плит проходить не плавно, наявність зачеплень обумовлює уривчастість руху. Спочатку йде накопичення енергії, її вивільнення викликає переміщення і сейсмічний поштовх.

У зв'язку з тим, що ударний  фронт, або сейсмічні промені, в епіцентрі виходять на поверхню Землі під прямим кутом, сила удару в епіцентрі є найбільшою. З віддаленням від нього вона зменшується. Лінію, що сполучає точки прояву землетрусу з однаковою силою, називають ізо-сейстовою лінією (рис.1 ).

Площу, в межах якої землетрус досяг найбільшої інтенсивності, називають плейстосейстовою зоною, а площу, яка взагалі зазнає коливань під час землетрусу, — зоною землетрусу.

1.4.Сейсмічні хвилі

Коливання, що поширюються з вогнища землетрусу, являють собою пружні хвилі, характер і швидкість поширення яких залежать від пружних властивостей і щільності  порід. До пружних властивостей належать модуль об'ємної деформації, що характеризує опір стисканню без зміни форми, і модуль зрушення, що визначає опір силі зрушення Швидкість поширення  пружних хвиль збільшується прямо  пропорційно до квадратного кореня значень параметрів пружності й  щільності середовища.

Подовжні й поперечні хвилі На сейсмограмах ці хвилі з'являються першими Спочатку реєструються подовжні хвилі, при проходженні яких кожна частка середовища зазнає спершу стискання, а потім знову розширюється, здійснюючи при цьому зворотно-поступальний рух у подовжньому напрямку (тобто в напрямку поширення хвилі). Ці хвилі називаються також Р-хви-пями, або первинними хвилями. їхня швидкість залежить від модуля пружності й твердості породи. Поблизу земної поверхні швидкість Р-хвиль складає 6 км/с, а на дуже великій глибині — близько 13 км/с. Наступними реєструються поперечні сейсмічні хвилі, названі також S-хвилями. або вторинними хвилями. При їхньому проходженні кожна частка породи коливається пер- • пендикулярно до напрямку поширення хвилі. їхня швидкість залежить від опору породи зрушенню і складає приблизно 7/12 від швидкості поширення Р-хвиль.

Поверхневі хвилі поширюються уздовж земної поверхні або паралельно до неї і не проникають глибше 80—160 км. У цій групі виділяються хвилі Релея й хвилі Лява (названі за іменами учених, що розробили математичну теорію поширення таких хвиль). При проходженні хвиль Релея частки породи описують вертикальні еліпси, що лежать у комірковій площині. У хвилях Лява частки породи коливаються перпендикулярно до напрямку поширення хвиль. Поверхневі хвилі часто позначаються скорочено як L-хвилі. Швидкість їхнього поширення складає 3,2—4,4 км/с. При глибокофокусних землетрусах поверхневі хвилі дуже слабкі.

Амплітуда й період характеризують коливальні рухи сейсмічних хвиль. Амплітудою називається величина, на яку змінюється положення частки ґрунту при проходженні хвилі в порівнянні з попереднім станом спокою. Період коливань — проміжок часу, за який відбувається одне повне коливання частки Поблизу вогнища землетрусу спостерігаються коливання з різними періодами — від часток секунди до декількох секунд. Однак на великих відстанях від центру (сотні кілометрів) короткоперіодні коливання виражені слабше: для Я-хвиль характерні періоди від 1 до 10 с, а для 5-хвиль — трохи більше. Періоди поверхневих хвиль складають від декількох секунд до декількох сотень секунд. Амплітуди коливань можуть бути значними поблизу вогнища, однак на відстанях 1500 км і більше вони дуже малі — менше декількох мікронів для хвиль Pi Si менше 1 см — для поверхневих хвиль.

Відображення й переломлення Зустрічаючи на своєму шляху шари порід із відмінними властивостями, сейсмічні хвилі відбиваються або переломлюються подібно до того, як промінь світла відбивається від дзеркальної поверхні або переломлюється, переходячи з повітря у воду. Будь-які зміни пружних характеристик або щільності матеріалу на шляху поширення сейсмічних хвиль змушують їх переломлюватися, а при різких змінах властивостей середовища частина енергії хвиль відбивається.

Шляхи сейсмічних хвиль. Подовжні й поперечні хвилі поширюються в товщі Землі, при цьому безупинно збільшується обсяг середовища, що втягується в коливальний процес. Поверхня, що відповідає максимальному просуванню хвиль певного типу в цей момент, називається фронтом цих хвиль Оскільки модуль пружності середовища зростає з глибиною швидше, ніж його щільність (до глибини 2900 км), швидкість поширення хвиль на глибині вища, ніж поблизу поверхні, і фронт хвилі виявляється більш просунутим усередину, ніж у латеральному (бічному) напрямку.

Траєкторією хвилі називається лінія, що з'єднує точку, яка знаходиться на фронті хвилі, із джерелом хвилі. Напрямки поширення хвиль Р і S являють собою криві, звернені опуклістю вниз (через те що швидкість руху хвиль більша на глибині). Траєкторії хвиль Р і S збігаються, хоча перші поширюються швидше. Сейсмічні станції, що знаходяться далеко від епіцентру землетрусу, реєструють не тільки прямі хвилі Р і S. але також хвилі цих типів, уже відбиті один раз від поверхні Землі — РР і SS (або PR, і SR,), а іноді — відбиті двічі — РРР і SSS (або PR₂ і SR₂).

Існують також відбиті хвилі, що проходять  один відрізок шляху як Р-хвиля, а другий, після відбивання, — як 5-хвиля. Утворені обмінні хвилі позначаються як PS або SP. На сейсмограмах глибокофокусних землетрусів спостерігаються також інші типи відбитих хвиль, наприклад хвилі, які, перш ніж досягти реєструвальної станції, відбилися від поверхні Землі. їх прийнято позначати маленькою літерою, за якою йде велика (наприклад pR), Ці хвилі дуже зручно використовувати для визначення глибини вогнища землетрусу. На глибині 2900 км швидкість Р-хвиль різко знижується від >13 км/с до -8 км/с; а 5-хвилі не поширюються нижче цього рівня, що відповідає границі земного ядра й мантії. Обидва типи хвиль частково відбиваються від цієї поверхні, і певна кількість їхньої енергії повертається до поверхні у вигляді хвиль, що позначаються як РР і S.5. Р-хвилі проходять крізь ядро, але їхня траєкторія при цьому різко відхиляється, і на поверхні Землі виникає тіньова зона, у межах якої реєструються тільки дуже слабкі /"-хвилі. Ця зона починається на відстані близько 11 тис. км від сейсмічного джерела, а вже на відстані 16 тис км Я-хвилі знову з'являються, причому їхня амплітуда значно зростає через фокусуючий вплив ядра, де швидкості хвиль низькі. Р-хвилі, що пройшли крізь земне ядро, позначаються РКР або Ру. На сейсмограмах добре виділяються також хвилі, які шляхом від джерела до ядра йдуть як хвилі S. потім проходять крізь ядро як хвилі Р, а при виході хвилі знову перетворяться на тип 5. У самому центрі Землі, на глибині більше 5100 км, існує внутрішнє ядро, що знаходиться ймовірно у твердому стані, але природа його поки не цілком зрозуміла. Хвилі, що проникають крізь це внутрішнє ядро, позначаються як РК1КР або SKIKS.

Розділ ІІ. Реєстрація та вивчення землетрусів

Прилад, що записує сейсмічні коливання, називається сейсмографом, а сам запис — сейсмограмою. Сейсмограф складається з маятника, підвішеного усередині корпуса на пружині, і записуючого пристрою Один з перших записуючих пристроїв являв собою обертовий барабан із паперовою стрічкою При обертанні барабан поступово зміщається в один бік, так що нульова лінія запису на папері має вигляд спіралі. Щохвилини на графік наносяться вертикальні лінії — оцінки часу; для цього використовується дуже точний годинник, який періодично звіряють з еталоном точного часу. Для вивчення близьких землетрусів необхідна точність маркування — до секунди або менше У багатьох сейсмографах для перетворення механічного сигналу в електричний використовуються індукційні пристрої, у яких при переміщенні інертної маси маятника щодо корпуса змінюється величина магнітного потоку, що проходить крізь витки індукційної котушки. Слабкий електричний струм, що виникає при цьому, пускає в хід гальванометр, з'єднаний із дзеркальцем, який відкидає промінь світла на світлочутливий папір записуючого пристрою У сучасних сейсмографах реєстрація коливань ведеться в цифровому вигляді з використанням комп'ютерів.

Уперше  інструментальні спостереження  з'явилися в Китаї, де в 132 р Чан  Хен винайшов сейсмоскоп, що становив собою майстерно зроблену посудину. На зовнішньому боці посудини, із розміщеним усередині маятником, по колу були вигравірувані голови драконів, що тримають у пащі кульки При хитанні маятника від землетрусу одна або кілька кульок випадали у відкриті роти жаб, розміщених біля основи посудини у такий спосіб, щоб жаби могли їх проковтнути.

Спостереження за землетрусами ведуться з найдавніших  часів Детальні історичні описи, що надійно свідчать про землетруси із середини І тис. до н е., створені японцями. Велику увагу сейсмічності приділяли й античні вчені — Арістотель та ін. Систематичні інструментальні спостереження, розпочаті в другій половині XIX ст., призвели до виділення сейсмології у самостійну науку (Б. Б. Голіцин, Е. Віхерт, Б. Гутенберг, А. Мохоровичич, Ф Оморі й ін.).

Постійні  спостереження за землетрусами здійснюються сейсмічною службою. Сучасна світова  мережа нараховує понад 2000 стаціонарних сейсмічних станцій, дані яких систематично публікуються в сейсмологічних бюлетенях  і каталогах Крім стаціонарних станцій, використовуються експедиційні сейсмографи, у тому числі встановлювані на дні океанів. Експедиційні сейсмографи )асилалися також на Місяць (де 5 сейсмографів щорічно реєструють до 3000 місяцетрусів), а також на Марс і Венеру. Вивченням землетрусів займається сейсмологія Сейсмічні хвилі, що виникають при землетрусах, використовуються також для вивчення внутрішньої будови Землі, досягнення в цій області стали основою для розвитку методів сейсмічної розвідки