Основные понятия науки о землетрясениях
ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ
Разрыв, образовавшийся при Гоби-Алтайском землетрясении (Монголия) 4 декабря 1957.
Разрушения на о. Сицилия при землетрясении 15 января 1968 (9 баллов).
Явление землетрясений изучается наукой сейсмологией. В сейсмологии получили развитие физические и математические методы, с помощью которых причины землетрясений, основные явления, сопровождающие их, Сейсмология изучает также внутреннее строение Земли, ведет поиски месторождений полезных ископаемых. Наблюдения над землетрясениями осуществляются специальной сейсмической службой.
СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ
Сейсмические волны, колебания, распространяющиеся в Земле от очагов землетрясений, взрывов и других источников. Вблизи очагов сильных землетрясений С. в. обладают разрушительной силой при доминирующем периоде в десятые доли сек. На значительных расстояниях от эпицентров С. в. являются упругими волнами.
Продольные С. в. (Р) переносят изменения объёма в среде — сжатия и растяжения. Колебания в них совершаются в направлении распространения (рис. 1, а). Поперечные С. в. (S) не образуют в среде объёмных изменений и представляют собой колебания частиц, происходящие перпендикулярно направлениям распространения волны (рис. 1, б). В каждый момент и в каждой точке среды сейсмические колебания удовлетворяют (для Р и S волн) волновым уравнениям.
Рис. 1. Блок-диаграмма колебаний в продольной (а) и поперечной (б) сейсмических волнах.
Особенность распространения С. в. (упругих волн в твёрдой среде) состоит в том, что при косом падении на поверхность раздела сред с различными параметрами (скоростями и плотностями) волны одного типа, например продольной, возникают, кроме отражённой и преломленной продольных волн (рис. 2), волны отраженные и преломленные поперечные. Вблизи поверхностей
Рис. 2. Отражение и преломление продольных волн (Р) на границе раздела.
раздела в Земле возникают поверхностные С. в. При распространении неоднородной волны SH вдоль горизонтального слоя возникает волна Лява. В случае падения на граничную плоскость волны Р в слое могут возникать отражённые волны Р и SV. При этом, если а2 > в2 > а1 > в1, где a1 и в1 — скорости в слое, a a2 и в2 — в неприлежащей среде, то как отражённая Р, так и отражённая SV при малом e1 обладают свойством полного внутреннего отражения. В результате в слое формируются волны Рэлея. Они, как и волны Лява, обладают дисперсией скоростей. Волны Рэлея возникают в полупространстве без слоистости. Тогда они не диспергируют и их скорость с » 0,9 в.
Волны Р и S распространяются из источника по объёму Земли. Они называются объёмными. Их амплитуда для однородной и изотропной среды убывает обратно пропорционально расстоянию. Поверхностные волны, распространяясь вдоль поверхности, обладают амплитудой, убывающей обратно пропорционально корню квадратному из расстояния. По этой причине в колебаниях от удалённых землетрясений по амплитуде доминируют поверхностные волны.
Благодаря изменениям свойств Земли с глубиной изменяются и скорости распространения объёмных С. в. Это приводит к их рефракции в недрах Земли.
Наблюдения на поверхности Земли над распространением С. в. позволяют исследовать строение Земли. Зависимость скорости распространения волн Р и S от глубины (рис. 3) позволила выявить ряд оболочек «твёрдой» Земли. Подробности строения Земли см. в ст. Земля.
Рис. 3. Зависимость скорости продольных (Р) и поперечных (S) волн от глубины Земли.
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ НАУКИ О ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ
Землетрясения, подземные удары и колебания поверхности Земли, вызванные естественными причинами (главным образом тектоническими процессами). В некоторых местах Земли З. происходят часто и иногда достигают большой силы, нарушая целостность грунта, разрушая здания и вызывая человеческие жертвы. Количество З., ежегодно регистрируемых на земном шаре, исчисляется сотнями тысяч. Однако подавляющее их число относится к слабым, и лишь малая доля достигает степени катастрофы. До 20 в. известны, например, такие катастрофические З., как Лисабонское в 1755, Верненское в 1887, разрушившее г. Верный (ныне Алма-Ата), З. в Греции в 1870—73 и др. Сильнейшие З. 20 в. показаны в табл. 3. По своей интенсивности, т. е. По проявлению на поверхности Земли, З. разделяются, согласно международной сейсмической шкале MSK-64, на 12 градаций — баллов (см. табл. 1).
Область возникновения подземного удара — очаг З. — представляет собой некоторый объём в толще Земли, в пределах которого происходит процесс высвобождения накапливающейся длительное время энергии. В геологическом смысле очаг — это разрыв или группа разрывов, по которым происходит почти мгновенное перемещение масс. В центре очага условно выделяется точка, именуемая гипоцентром. Проекция гипоцентра на поверхность Земли называется эпицентром. Вокруг него располагается область наибольших разрушений — плейстосейстовая область. Линии, соединяющие пункты с одинаковой интенсивностью колебаний (в баллах), называются изосейстами.
Зависимость между количеством подземных толчков N и их интенсивностью в эпицентре I0 приближённо выражается формулой: lgN=a+bI0, где a и b — некоторые постоянные величины. От очага З. во все стороны распространяются упругие сейсмические волны, среди которых различают продольные Р и поперечные S. По поверхности Земли во все стороны от эпицентра расходятся поверхностные сейсмические волны Рэлея и Лява. Очаги З. возникают на различных глубинах (h). Большая часть их залегает в земной коре (на глубине порядка 20—30 км). В некоторых районах отмечается большое число толчков, исходящих из глубин в сотни км (верхняя мантия Земли).
З. — мощное проявление внутренних сил Земли. При каждом З. в очаге выделяется огромное количество кинетической энергии Е. Так, в Ашхабаде в 1948 Е ~1015 дж, в Сан-Франциско в 1906 E~1016 дж, на Аляске в 1964 E~1018 дж. На всей Земле за год освобождается упругая энергия (в форме З.) порядка 0,5·1019 дж, что составляет, однако, менее 0,5% всей энергии эндогенных (внутренних) процессов Земли.
Интенсивность З., измеряемая в баллах, характеризует степень сотрясения на поверхности Земли, что зависит от глубины залегания очага З. Мерой общей энергии волн служит магнитуда З. (М) — некоторое условное число, пропорциональное логарифму максимальной амплитуды смещения частиц почвы, эта величина определяется из наблюдений на сейсмических станциях и выражается в относительных единицах. Самое сильное З. имеет магнитуду не более 9.
Табл. 1. — Сейсмическая шкала (схематизировано)
| Балл | Название землетрясения | Краткая характеристика |
| Незаметное | Отмечается только сейсмическими приборами | |
| Очень слабое | Ощущается отдельными людьми, находящимися в состоянии полного покоя | |
| Слабое | Ощущается лишь небольшой частью населения | |
| Умеренное | Распознаётся по лёгкому дребезжанию и колебанию предметов, посуды и оконных стёкол, скрипу дверей и стен | |
| Довольно сильное | Общее сотрясение зданий, колебание мебели. Трещины в оконных стёклах и штукатурке. Пробуждение спящих | |
| Сильное | Ощущается всеми. Картины падают со стен. Откалываются куски штукатурки, лёгкое повреждение зданий. | |
| Очень сильное | Трещины в стенах каменных домов. Антисейсмические, а также деревянные постройки остаются невредимыми. | |
| Разрушительное | Трещины на крутых склонах и на сырой почве. Памятники сдвигаются с места или опрокидываются. Дома сильно повреждаются. | |
| Опустошительное | Сильное повреждение и разрушение каменных домов. | |
| Уничтожающее | Крупные трещины в почве. Оползни и обвалы. Разрушение каменных построек. Искривление ж.-д. рельсов. | |
| Катастрофа | Широкие трещины в земле. Многочисленные оползни и обвалы. Каменные дома совершенно разрушаются | |
| Сильная катастрофа | Изменения в почве достигают огромных размеров. Многочисленные трещины, обвалы, оползни. Возникновение водопадов, подпруд на озёрах, отклонение течения рек. Ни одно сооружение не выдерживает |
Табл. 2. — Примерное соотношение магнитуды и балльности в зависимости от глубины очага
| h, км | Магнитуда | |||
| 8 — 9 | 11 — 12 ü I0 | |||
| 7 — 8 | 10 — 11 ý Баллы | |||
| 6 — 7 | 9 — 10 þ |
Табл. 3. Сильнейшие землетрясения 20 в.
| Дата по новому стилю (согласно времени по Гринвичу) | Местоположение эпицентра (страна, район, горная система) | Маг-нитуда | Сила, баллы | Примечание |
| ЕВРОПА | ||||
| 1908, 28 декабря | Остров Сицилия (Италия) | 7,5 | — | Разрушен г. Мессина и ряд др. населённых пунктов на Ю. Италии. Волны цунами достигали 14 м высоты; погибло 100-160 тыс. чел. |
| 1927, 11 сентября | Южный берег Крыма, к Ю. от Ялты (СССР) | 6,5 | До 8 | Повреждены многие постройки (от Севастополя до Феодосии) |
| 1953, 12 августа | Ионические острова (Греция) | 7,5 | — | Разрушены населённые пункты острова Кефалиния; часть острова погрузилась под уровень моря |
| 1963, 26 июля | Город Скопле (Скопье, Югославия) | 9 — 10 | Почти 80% зданий города разрушено или повреждено; погибло свыше 2 тыс. чел. | |
| 1969, 8 февраля | У юго-западных берегов Португалии | — | Пострадали города Лисабон, Касабланка и др. поверхность земли покрылась трещинами | |
| 1969, 27 октября | Юго-западная часть Югославии | 6,4 | Катастрофическое. Город Баня-Лука превращён в развалины | |
| АЗИЯ | ||||
| 1902, 16 декабря | Ферганская долина, г. Андижан (СССР) | — | Погибло более 4,5 тыс. чел. | |
| 1905, 4 апреля | Гималаи | — | ||
| 1905, 23 июля | Хребет Болнай (МНР) | 8,2 | — | В районе озера Сангийн-Далай-Нур— хребта Хан-Хухэй образовалась трещина длиной в 400 км |
| 1907, 21 октября | Южный склон Гиссарского хребта (СССР) | — | Разрушен Каратаг и около 150 др. населённых пунктов; погибло 1,5 тыс. чел. | |
| 1911, 3 января | Долина р. Кебин, южный склон хребта Заилийский Алатау (СССР) | Разрушен г. Верный (ныне Алма-Ата); обвалы, запруды на горных реках | ||
| 1911, 15 июня | Острова Рюкю (Япония) | 8,2 | — | Огромные оползни и обвалы; погибло 100 тыс. чел. |
| 1923, 1 сентября | Остров Хонсю (Япония) | 8,2 | — | Катастрофическое. Опустошены Токио, Йокохама; погибло около 150 тыс. чел. В бухте Сагами волны цунами достигали 10 м высоты |
| 1927, 7 марта | Остров Хонсю (Япония) | 7,8 | — | Катастрофическое. Город Минеяма превращён в руины; погибло около 1 тыс. чел. |
| 1938, 1 февраля | Море Банда (Индонезия) | 8,2 | — | |
| 1939, 26 декабря | Горы Внутренний Тавр (Турция) | 8,0 | — | Катастрофическое; погибло около 30-40 тыс. чел. На побережье Чёрного моря вода отступила на 50 м, а затем залила его на 20 м дальше обычного |
| 1941, 20 апреля | Долина р. Сурхоб, посёлок Гарм (СССР) | 6,5 | 8 — 9 | Разрушено более 60 населённых пунктов |
| 1946, 2 ноября | Северная часть Чаткальского хребта (СССР) | 7,5 | Повреждены сотни зданий в Ташкенте и др. городах; деформация земной коры | |
| 1948, 5 октября | Ашхабад (СССР) | Катастрофическое. В течение 20 сек разрушена значительная часть города | ||
| 1949, 10 июля | Гиссаро-Алайская горная система, Хаит (СССР) | 7,5 | Св. 9 | Пострадало более 150 населённых пунктов |
| 1952, 4 ноября | Курильские острова к Ю.-В. от полуострова Шипунский (СССР) | 8,2 | — | Катастрофическое. Цунами высотой до 18 м причинили крупные повреждения на берегах Камчатки и северной части Курильских островов |
| 1957, 27 июня | Забайкалье, Муйский хребет (СССР) | 7,5 | 9 — 10 | Разрушения в Чите, Бодайбо и др. населённых пунктах |
| 1958, 6 ноября | Курильские острова к Ю.-В. от острова Итуруп (СССР) | 8,7 | Цунами | |
| 1960, 24 апреля | Лар (Иран) | — | Город сильно разрушен; погибло 3 тыс. чел. | |
| 1962, 1 сентября | Среднеиранские горы (Иран) | 7,8 | — | Разрушительное. Полное разрушение населённого пункта Рудак; погибло 12 тыс. чел. |
| 1966, 25 апреля | Ташкент | 5,3 | Разрушения в центральной части города. Толчки повторялись в мае-июле 1966 | |
| 1970, 28 марта | Западная Турция | — | Катастрофическое. Ряд населённых пунктов превращён в развалины; погибло более 1 тыс. чел. | |
| 1970, 14 мая | Дагестан | 6,5 | Большой ущерб нанесён населённым пунктам Буйнакского, Гумбетовского, Казбековского, Кизилъюртовского и др. районов | |
| 1971, 22 мая | Восточная Турция | 6,8 | — | Разрушены города Бингёль и Генч; погибло более 1 тыс. чел. |
| 1971, 5 октября | Японское море | 7,3 | — | Одно из самых сильных землетрясений в истории острова Сахалин |
| Австралия и Океания | ||||
| 1906, 14 октября | Впадина Бугенвиль | 8,1 | — | |
| 1931, 2 февраля | Новая Зеландия (Северный остров) | 7,8 | Катастрофическое. Разрушения и пожары | |
| 1966, 31 декабря | Острова Санта-Крус (британские) | — | ||
| АФРИКА | ||||
| 1960, 29 февраля | Город Агадир (Марокко) | Полностью разрушен г. Агадир; погибло 12-15 тыс. чел. | ||
| СЕВЕРНАЯ АМЕРИКА | ||||
| 1906, 18 апреля | Береговые хребты Кордильер (Калифорния, США) | 8,2 | — | Разрушена значительная часть г. Сан-Франциско |
| 1964, 28 марта | Залив Принс-Уильям (США) | 8,6 | 10—11 | Цунами высотой до 9 м достигли побережья Канады, США, Гавайских островов и Японии |
| 1971, 9 февраля | Калифорния (США) | 6,7 | — | Сильнейшее за последние 40 лет землетрясение в Лос-Анджелесе |
| ЮЖНАЯ АМЕРИКА | ||||
| 1906, 17 августа | Береговая Кордильера (Чили) | 8,4 | — | В г. Вальпараисо сопровождалось поднятием береговой линии; цунами пересекли океан, достигли Японии и Гавайских островов |
| 1960, 22 мая | Район г. Консепсьон (Чили) | 8,8 | — | Разрушительное. Цунами достигли США, Гавайских и Курильских островов, Австралии и Японии; погибло около 10 тыс. чел. |
| 1961, 19 августа | Бразилия | — | ||
| 1970, 10 декабря | Побережье Перу | 7,3 | — | Разрушено около 5 тыс. домов. Свыше 20 тыс. чел. осталось без крова |
Между числом З. (N) и их магнитудой (М) существует зависимость, которая приближённо выражается формулой: lgN = a — bM, где а и b — постоянные. Энергия З. (Е) связана с магнитудой соотношением вида: lgE = a1 + b1M. Для коэффициентов a1 и b1 даются различные значения, но наиболее подходящими следует считать a1 близкое к 4, а b1 — к 1,6. Величина K = lg Е иногда называется энергетическим классом З. При З., для которого М = 5,из очага выделяется энергия ~1012дж, К = 12; при М = 8, О Е ~ 1017 дж, К = 17.Магнитуда (М), интенсивность (Io) и глубина очага (h) связаны между собой. Для приближённого определения одной из этих величин по двум другим можно пользоваться табл. 2.
В последние десятилетия широкое развитие получили детально разработанные методы статистического анализа З. С их помощью составляются карты сейсмической активности и карты сотрясаемости (средней частоты З. того или иного энергетического класса в данном пункте), а также графики повторяемости (зависимость частоты З. от их магнитуды). З. распространены по земной поверхности весьма неравномерно (см. карту*). Они связаны с участками земной коры, в которых проявляются новейшие дифференцированные тектонические движения. Известно 2 главных сейсмических пояса мира — Средиземноморский, простирающийся через юг Евразии от берегов Португалии на З. до Малайского архипелага на В., и Тихоокеанский, кольцом охватывающий берега Тихого океана. Эти пояса включают молодые складчатые горные сооружения, т. е. эпигеосинклинальные орогены (Альпы, Апеннины, Карпаты, Кавказ, Гималаи, Кордильеры, Анды и др.), а также подвижные зоны подводных окраин материков, которые многими исследователями интерпретируются как современные геосинклинальные области или складчатые системы в начальной стадии развития (западная периферия Тихого океана с островными дугами Алеутской, Курильской, Японской, Малайской, Новозеландской и др.; Карибское, Средиземное и др. моря). За границами указанных поясов в пределах материков эпицентры З. приурочены к областям новейшей тектонической активизации (эпиплатформенные орогены типа Тянь-Шаня), а также к рифтовым зонам, сопровождающимся образованием систем разломов (рифты Восточной Африки, Красного моря, Байкальская система рифтов и др.). В пределах океанов значительной сейсмической активностью отличаются срединноокеанические хребты. На платформах и на большей части дна океанов З. Происходят редко и большой силы не достигают.
Тщательный анализ механизма возникновения подземного удара показывает, что З. представляют реакцию вещества земной коры или мантии Земли на тектонические напряжения, постоянно накапливающиеся в недрах Земли. При этом преобладают напряжения сжатия, хотя местами наблюдаются напряжения растяжения.
Анализ сейсмических, геологических и геофизических данных позволяет заранее наметить те области, где следует ожидать в будущем З., и оценить их максимальную интенсивность. В этом состоит сущность сейсмического районирования. В СССР карта сейсмического районирования — официальный документ, который обязаны принимать в расчёт проектирующие организации в сейсмических районах. Строгое соблюдение норм сейсмостойкого строительства позволяет значительно снизить разрушительное воздействие З. на здания и др. инженерные сооружения. В будущем, вероятно, удастся разрешить и проблему прогноза З. Основной путь к решению этой проблемы — тщательная регистрация «предвестников» З. — слабых предварительных толчков (форшоков), деформации земной поверхности, изменений параметров геофизических полей и др. изменений состояния и свойств вещества в зоне будущего очага З.
З. начали описываться с древнейших времён. В 19 в. были составлены каталоги З. для всего мира (Дж. Мили, Р. Малле), для Российской империи (И. В. Мушкетов, А. П. Орлов) и др., опубликованы монографии, посвященные наиболее сильным и хорошо изученным З. (особенно в Италии). В начале 20 в. Основное внимание уделялось геологической стороне З. (работы К. И. Богдановича, В. Н. Вебера, Д. И. Мушкетова и многие др. в России; Ф. Монтессю де Баллора, А. Зиберга и многие др. за рубежом), разработке сейсмометрической аппаратуры и созданию сейсмических станций (Б. Б. Голицын, П. М. Никифоров, А. В. Вихерт, Д. А. Харин, Д. П. Кирнос и др.). З. стали объектом изучения специальной отрасли знания — сейсмологии.
