Геологические процессы, связанные с внутренней энергией земли. Сейсмические явления

Сейсмические (от греч. «сейсмос» - колебание) процессы возникают в результате разрядки внутренних напряжений Земли. Они относятся к категории наиболее опасных геологических процессов.

На поверхности земной коры сейсмические процессы проявляются в виде землетрясений и моретрясений.

Землетрясения – внезапные подземные толчки и быстрые упругие колебания земной поверхности.

Землетрясения опасны не только прямым воздействием, но и негативными последствиями в виде оползней, обвалов, снежных лавин, селей, цунами и других неблагоприятных процессов.

Из всех стихийных бедствий землетрясения занимают второе (после ураганов и тайфунов) место по величине материального ущерба приносимого человечеству. Ежегодно на земном шаре регистрируется около 100 тыс. землетрясений, 1% из которых бывает ощутимым.В среднем в мире ежегодно происходит 1 катастрофическое, 10 сильно разрушительных и 100 разрушительных землетрясений. Землетрясения вызывают массовые разрушения зданий и сооружений, что зачастую приводит к человеческим жертвам.

Территориально землетрясения приурочены к сейсмически активным областям, которыми являются зоны границ литосферных плит.

На земном шаре эти зоны простираются в виде двух поясов: первый (широтный) Альпийско-Индо-Гималайский охватывает Средиземноморье, Переднюю Азию и достигает Индонезии. В эту полосу попадают Карпаты, юг Крымского полуострова, Кавказ, Средняя Азия, горы Алтая, Саян, Прибайкалья.

Второй – Тихоокеанский кольцевой пояс огибает Северную и Южную Америку, Японию, Сахалин, Курильскую гряду. Здесь землетрясения приурочены к островным дугам и сопряженным с ними глубоководным желобам, а также срединно-океанским хребтам. В границах этого пояса находится юг Приморья, Сахалин, Курилы и Камчатка.

Указанные районы характеризовались активной тектонической деятельностью на протяжении последних этапов геологической истории Земли. Активны они и в настоящее время: здесь сосредоточено большинство действующих вулканов, наиболее контрастно выражены формы горного и подводного рельефа, интенсивно проявляется наличие тепловых и геофизических полей.

По происхождению различают землетрясения:

- денудационные, обвальные или провальные;

- вулканические, связанные с извержением вулканов;

- техногенные, возникающие в результате подземны взрывов и других видов деятельности человека;

- тектонические (95% всех землетрясений в мире), связанные с внутренней энергией Земли.

Провальные землетрясения возникают в связи с обрушением горных пород в крупные каверны и пещеры, появившиеся вследствие растворения пород водой. Такого рода землетрясения возникают в районах, где у поверхности земли и вблизи этой поверхности залегают породы, растворимые водой (ангидрид, гипс, известняк, мел и т.п.). Удар, возникающий при обрушении горных пород, вызывает появление упругих колебаний в породах, окружающих пещеру. Эти колебания обычно не отличаются значительной интенсивностью, и провальные землетрясения имеют лишь местное значение.

Невелико разрушительное влияние и вулканических землетрясений, связанных со сжатием газов в жерле вулканов при их временной закупорке.

Техногенные землетрясения возникают в результате взрывов, производимых в инженерных и строительных целях.

Наибольшее разрушительное влияние оказывают тектонические землетрясения. Это связано как с большой интенсивностью вызываемых упругих колебаний и остаточных смещений, так и со значительной площадью проявления их влияния.

Согласно современным представлениям землетрясения тектонического типа есть следствие блоковых и глыбовых движений гигантских литосферных плит. Неслучайно поэтому 96% эпицентров землетрясений сосредоточены вдоль литосферных плит.

Область возникновения подземного удара в толщи земной коры, в пределах которой зарождаются упругие колебания, носит название гипоцентра, очага или фокуса землетрясения.

Глубина гипоцентра от поверхности земли может изменяться в весьма широких пределах – от нескольких сотен метров до 300-700 км, а иногда и более. Чем глубже гипоцентр землетрясения, тем при прочих равных условиях больше площадь распространения его влияния.

Непосредственно над гипоцентром на поверхности земли находится эпицентр. В области эпицентра преобладают вертикальные смещения.

От гипоцентра распространяются упругие колебания (сейсмические волны) в виде глубинных продольных и поперечных волн.

Волны продольные вызывают переменное (упругое) сжатие и расширение вещества в направлении их распространения. Скорость распространения волн зависит от плотности пород. В граните и аналогичных ему породах скорость 5000 – 7000 м/сек, в известняках – 2000 – 5000 м/сек, в глинах 1400 – 2000 м/сек, в песках 500 – 1100 м/сек. В воде продольные волны распространяются со скоростью около 1500 м/сек, в воздухе 330 м/сек, эти цифры характеризуют скорость распространения звука в этих средах. С действием продольных волн связаны наибольшие разрушения.

Поперечные волны вызывают периодические сдвиги вещества или изменения его формы в направлении, перпендикулярном направлению распространения волн. Скорость поперечных волн в 1,7 раза меньше чем продольных. Поперечные волны распространяются только в твердых телах.

Поверхностные волны распространяются от эпицентра у поверхности земли.

Встречая на своем пути слои пород с отличающимися свойствами, сейсмические волны отражаются или преломляются подобно тому, как луч света отражается от зеркальной поверхности или преломляется, переходя из воздуха в воду. Любые изменения упругих характеристик или плотности материала на пути распространения сейсмических волн заставляют их преломляться, а при резких изменениях свойств среды часть энергии волн отражается (см. рис.).

СХЕМА РАСПРОСТРАНЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН ПРИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИИ

Прибор, записывающий сейсмические колебания, называется сейсмографом, а сама запись - сейсмограммой. Сейсмограф состоит из маятника, подвешенного внутри корпуса на пружине, и записывающего устройства.

Одно из первых записывающих устройств представляло собой вращающийся барабан с бумажной лентой. При вращении барабан постепенно смещается в одну сторону, так что нулевая линия записи на бумаге имеет вид спирали. Каждую минуту на график наносятся вертикальные линии - отметки времени; для этого используются очень точные часы, которые периодически сверяют с эталоном точного времени. Для изучения близких землетрясений необходима точность маркировки - до секунды или меньше.

В современных сейсмографах регистрация колебаний ведется в цифровом виде с использованием компьютеров.

Интенсивность землетрясений оценивается в баллах при обследовании района по величине вызванных ими разрушений наземных сооружений или деформаций земной поверхности. Для ретроспективной оценки балльности исторических или более древних землетрясений используют некоторые эмпирически полученные соотношения. В России и некоторых соседних с ней странах принято оценивать интенсивность колебаний в баллах МSК (12-балльной шкалы Медведева - Шпонхойера - Карника), в Японии - в баллах ЯМА (9-балльной шкалы Японского метеорологического агентства). В США оценка интенсивности обычно проводится по модифицированной 12-балльной шкале Меркалли.

Интенсивность в баллах (выражающихся целыми числами без дробей) определяется при обследовании района, в котором произошло землетрясение, или опросе жителей об их ощущениях при отсутствии разрушений, или же расчетами по эмпирически полученным и принятым для данного района формулам.

1 балл. Незаметное. Отмечается только сейсмическими приборами.

2 балла. Очень слабое. Ощущается немногими особо чувствительными людьми в особенно благоприятных для этого обстоятельствах.

3 балла. Слабое. Ощущается людьми как вибрация от проезжающего грузовика.

4 балла. Умеренное. Дребезжат посуда и оконные стекла, скрипят двери и стены.

5 баллов. Довольно сильное. Ощущается почти всеми, многие спящие просыпаются. Незакрепленные предметы падают.

6 баллов. Сильное. Ощущается всеми. Небольшие повреждения.

7 баллов. Очень сильное. Трещины в стенах каменных домов.

8 баллов. Разрушительное. Падают дымовые трубы, памятники, рушатся стены. Меняется уровень воды в колодцах.

9 баллов. Опустошительное. Сильно повреждаются и разрушаются капитальные здания.

10 баллов. Уничтожающее. Разрушаются кирпичные постройки и каркасные сооружения. Деформируются рельсы, возникают оползни.

11 баллов. Катастрофа. Широкие трещины в земле. Обвалы и осыпи. Разрушаются мосты, плотины, насыпи.

12 баллов. Сильная катастрофа. Полное разрушение. На земной поверхности видны волны. Изменяются русла рек. Большие изменения в рельефе.

28 июля 1976 год – землетрясение в Таншань, Северо-восточный Китай, Таншаньское землетрясение, 8,2 балла по шкале Рихтера. Погибли больше 655 тыс. человек.

• В Японии землетрясение в 8,8 баллов и 10-метровое цунами.

Иногда подземные толчки сопровождаются хорошо различимым низким гулом, когда частота сейсмических колебаний лежит в диапазоне, воспринимаемом человеческим ухом, иногда такие звуки слышатся и при отсутствии толчков. В некоторых районах они представляют собой довольно обычное явление, хотя ощутимые землетрясения происходят очень редко. Имеются также многочисленные сообщения о возникновении свечения во время сильных землетрясений. Общепринятого объяснения таких явлений пока нет.

26 декабря 2004 года в акватории Индийского океана близ северной части острова Суматра (Индонезия) Национальным центром сейсмологической информации США был зафиксирован подземный толчок силой 8,9 балла по шкале Рихтера.

Цунами (большие волны на море) возникают при быстрых вертикальных деформациях морского дна во время подводных землетрясений. Цунами распространяются в океанах в пределах глубоководных зон океанов со скоростью 400–800 км/ч и могут вызвать разрушения на берегах, удаленных на тысячи километров от эпицентра. У близлежащих к эпицентру берегов эти волны иногда достигают в высоту 30 м.

Весьма неблагоприятными для строительства в сейсмических районах являются участки с сильно расчлененным рельефом, берега рек, склоны оврагов и ущелий, оползневые участки.

Землетрясения до 5 баллов существенного значения для строительства не имеют. В соответствии с картой сейсмического районирования России в Новосибирске возможны землетрясении до 6 баллов.

При сейсмичности, начиная с 6 баллов и выше, должно уделяться серьезное внимание качеству строительных работ и применяемых материалов. Применяются специальные условия при проектировании и строительстве.

Уменьшения влияния упругих колебаний на устойчивости зданий и сооружений можно достигнуть увеличением глубины заложения их фундаментов. С этой же целью в пределах участков с сейсмичностью в 8-9 баллов рекомендуется увеличивать глубину укладки водоводов.

Особые требования в сейсмических районах предъявляются к планировке городов, высоте и форме зданий. Город должен иметь несколько больших площадей, где при землетрясениях могли бы собираться люди, укрываясь от возможных обрушений в зданиях. Необходимо предусматривать водоемы для тушения пожаров и снабжения жителей водой на случай выхода из строя водопроводной сети.

Здание полиции в Веллингтоне, построенное по современным технологиям сейсмоустойчивости.

Для повышения точности прогноза землетрясений необходимо лучше представлять механизмы накопления напряжений в земной коре, деформаций на разломах, выявить зависимости между тепловым потоком из недр Земли и пространственным распределением землетрясений, а также установить закономерности повторяемости землетрясений в зависимости от их магнитуды.

Во многих районах земного шара, где существует вероятность возникновения сильных землетрясений, ведутся геодинамические наблюдения с целью обнаружения предвестников землетрясений, среди которых заслуживают особого внимания изменения сейсмической активности, деформации земной коры, аномалии геомагнитных полей и теплового потока, резкие изменения свойств горных пород (электрических, сейсмических и т.п.), геохимические аномалии, нарушения водного режима, атмосферные явления, а также аномальное поведение насекомых и других животных (биологические предвестники). Такого рода исследования проводятся на специальных геодинамических полигонах. С 1960 работает множество сейсмических станций, оборудованных высокочувствительной регистрирующей аппаратурой и мощными компьютерами, позволяющими быстро обрабатывать данные и определять положение очагов землетрясений.