Очаг, сейсмические волны, магнитуда и энергия землетрясений

Любое землетрясение-это тектонические деформации земной коры или верхней мантии, происходящие вследствие того, что накопившиеся напряжения в какой-то момент превысили прочность горных пород в данном месте. Разрядка этих напряжений и вызывает сейсмические колебания в виде волн, которые, достигнув земной поверхности, производят разрушения. "Спусковой крючок", вызывающий разрядку напряжений, может быть, на первый взгляд, самым незначительным, например заполнение водохранилища, быстрое изменение атмосферного давления, океанские приливы и т.д. Описывая землетрясения, пользуются некоторыми терминами, которые необходимо знать.

Рис. 15.1. Очаг и изосейсты землетрясения

Гипоцентр, или очаг,-определенный объем горных пород, внутри которого осуществляются неупругие деформации и происходят разрушения пород (рис. 15.1). Понятие очага, или гипоцентра не является строгим, но важно подчеркнуть, что это не точка, а некоторое пространство, объем, формы и размеры которого могут быть самыми различными.

Эпицентр-проекция гипоцентра на земную поверхность, поэтому следует иметь в виду, что нередко карты распределения эпицентров создают не совсем правильную картину связи землетрясений с поверхностной геологической структурой, особенно в случае наклонных разрывов типа надвигов с гипоцентром на большой глубине. Это обстоятельство подчеркивается для соблюдения осторожности при интерпретации землетрясений от особенностей геологического строения региона.

Интенсивность-это внешний эффект землетрясения на поверхности Земли, который выражается в определенном смещении почвы, частиц горных пород, степени разрушения зданий, появлении трещин на поверхности и т.д. В настоящее время в СССР используется шкала интенсивности землетрясений "MSK-64", названная так по заглавным буквам фамилий авторов: С.В. Медведев (СССР), В. Шпонхойер (ГДР), В. Карник (ЧССР).

Шкала удобна, ею легко пользоваться, а интенсивность землетрясений измеряется в баллах от 1 до 12. По этой шкале Кеминское землетрясение в 1911 г. на Тянь-Шане оценивалось в 11-12 баллов, Ашхабадское 1948 г.-в 10, Спитакское 1988 г.-в 7-10, Ташкентское 1966 г.-8 баллов и т.д. Изосейсты-линии, соединяющие точки (пункты на местности), в которых землетрясение проявилось с одинаковой интенсивностью. Плейстосейстовая область-место на поверхности Земли, располагающееся непосредственно над гипоцентром, или очагом землетрясения, т.е. это как бы проекция очага на поверхность. Естественно, что интенсивность землетрясения уменьшается в сторону от плейстосейстовой области, однако это уменьшение зависит от многих факторов: формы и глубины очага, геологической структуры, состава и степени метаморфизма горных пород, уровня залегания грунтовых вод и т.д. Поэтому изосейсты на поверхности могут иметь самые причудливые очертания, а отнюдь не правильные круги.

Магнитуда (М)-логарифм отношения максимального смещения частиц грунта (в микрометрах) А₁ при данном конкретном землетрясении к некоторому эталонному очень слабому смещению грунта A₂:

Магнитуда-это безразмерная величина, и она была предложена в 1935 г. американским геофизиком Ч. Рихтером. Шкала, созданная им, широко используется в сейсмологии и изменяется от 0 до 8,8 при самых сильных катастрофических землетрясениях. Магнитуда отличается от интенсивности. Так, например, Ташкентское землетрясение 1966 г. было силой в 8 баллов, М-5,3; Ашхабадское 1948 г.-10 баллов, М-7,3.

Энергия (Е) землетрясений-это та величина потенциальной энергии, которая освобождается в виде кинетической после разрядки напряжения в очаге и, достигая поверхности Земли, вызывает ее колебания. Распространяется энергия в виде упругих сейсмических волн. Энергия землетрясения вычисляется в джоулях. Формула Б.Б. Голицына, известного русского сейсмолога, для вычисления энергии землетрясений выглядит следующим образом:

,

где V - скорость распространения сейсмических волн, - плотность горных пород, а - амплитуда смещения, Т- период колебаний. Выделяющаяся при землетрясениях энергия изменяется в очень широких пределах. Так, для Аляскинского землетрясения 1964 г. с магнитудой 8,5 энергия равнялась 10¹⁸ Дж (1 Дж = 10⁷ эрг), т.е. была эквивалентна, по Н.И. Николаеву, силе взрыва 100 ядерных бомб по 100 мегатонн каждая. Это колоссальное количество энергии, выделившееся практически мгновенно. Таким образом, образующаяся при крупных землетрясениях энергия в миллион раз превышает энергию "самой маленькой" атомной бомбы, сброшенной на Хиросиму 6 августа 1945 г.

Часть выделившейся энергии, помимо формирования сейсмических волн, расходуется на преодоление сил трения в очаге, на пластические деформации, наконец, на выделение тепла, которое может быть весьма значительным. Ввиду большой изменчивости энергии нередко используют ее логарифм К = lgE на расстоянии 10 км от гипоцентра. Величина К называется энергетическим классом землетрясения и, будучи выражена в джоулях, меняется от 0 до 18. Существует определенная зависимость между энергетическим классом и магнитудой землетрясений:

К
М	3,1	3,7	4,4	5,0	5,6	6,2	7,0	7,5

Глубиной очага землетрясений (h) называется расстояние от поверхности Земли по нормали до гипоцентра, или очага. Существуют разнообразные методы определения глубины залегания очагов. Один из таких методов был предложен С. В. Медведевым:

;

где - площадь, ограниченная п-ой изосейстой, - площадь, ограниченная следующей изосейстой по радиусу от эпицентра.
Глубины, определенные этим способом, дают, конечно, лишь приблизительную величину и должны уточняться другими методами.

Глубины очагов землетрясений могут быть очень разными-от первых километров до 600-700 км в сейсмофокальных зонах Беньофа. Однако подавляющее количество землетрясений (около 90 %) приурочено к интервалу до 100-200 км. Гипоцентры Крымских землетрясений располагаются между 15 и 30 км, хотя есть и более глубокие; на Кавказе-в пределах верхней части земной коры, но в отдельных случаях превышает 100 км; в районе Курильской островной дуги, начиная от приостровного склона глубоководного желоба к западу прослеживается наклонная сейсмофокальиая зона, относительно пологая до глубины 300км, а далее более крутая. Основная масса гипоцентров сосредоточивается в интервале до 100 км, а далее вглубь их зарегистрировано гораздо меньше, причем отдельные очаговые группы разделены асейсмическими участками. Наиболее глубокие очаги зафиксированы на глубинах 600-650 км, где энергетический класс землетрясений заметно слабеет.

Рис. 15.2. Изменение физических параметров по модели лавинно-неустойчивого трещинообразо-вания (по В.И. Мячкину и др.)

Механизм возникновения землетрясений, т.е. механизм возникновения очага, весьма сложен и трактуется неоднозначно. В настоящее время считается установленным, что основные параметры землетрясения, его магнитуда и энергия зависят от размеров очага, а не от накопившихся напряжений и деформаций. Была выдвинута идея "вспарывания" тектонического (сейсмического) разрыва. В каком-то месте этого разрыва происходит накапливание напряжений. Когда они превышают предел прочности горных пород в данном месте, разрыв "взрезается", "вспарывается" и распространяется на определенную длину с большой скоростью, достигающей 3 - 4 км/с. Именно с такими скоростями происходит разрушение пород в очаге землетрясений.

Существует несколько моделей очага землетрясений. Н.В. Шебалиным предложена модель очага, заключающаяся в установлении решающей роли осложнений вдоль главного сейсмогенного разрыва в образовании сейсмических волн. Вдоль плоскости основного сейсмогенного разрыва имеются "гладкие" участки и участки с "зацепами", которые препятствуют смещению. Срыв "зацепа"- процесс мгновенный, необратимый и именно он приводит к возникновению короткопериодических сильных колебаний. Молодые сейсмогенные разломы обладают большим количеством "зацепов" и потому представляют собой более значительную сейсмическую опасность, чем древние разломы, в которых "зацепы" срезаны и преобладают гладкие участки.

Модель лавинно-неустойчивого трещинообразования разработана В.И. Мячкиным и другими сейсмологами (рис. 15.2). Смысл ее в том, что нарастающие напряжения приводят к образованию также нарастающего числа и размеров трещин в каком-то объеме горной породы. В дальнейшем интервалы между трещинами сокращаются и их число начинает расти, как лавина, со все большим ускорением. Поле напряжений в очаговой области приобретает неоднородность, возрастает скорость деформаций, а процесс трещинообразования концентрируется в узкой зоне, где они объединяются в один главный разрыв, по которому и происходит разрядка накопившихся напряжений, т.е. возникают сейсмические колебания и происходит землетрясение.

Весь этот процесс "подготовки" до заключительной стадии слияния трещин может продолжаться тысячи лет, а перед землетрясением он резко ускоряется. Не останавливаясь на других моделях очаговой зоны, следует отметить, что землетрясение - это весьма сложный геологический процесс и сводить его к какой-то одной простой модели хотя и удобно, но вряд ли правильно.