Механизм землетрясений и их классификация

Горообразовательные, вулканические и сейсмические процессы географически тяготеют друг к другу. Однако во времени они происходят, как правило, неодновременно и всегда с разной продолжительностью. Кроме того, есть районы с резко выраженной только сейсмической активностью. Например, многие Средней Азии отличаются высокой сейсмичностью, но не имеют вулканов. На Камчатке и в Чили вулканы и землетрясения проявляются на одной и той же территории, но редко одновременно.

Многие из сейсмологов, говоря о механизме землетрясений, придерживаются теории упругого высвобождения или упругой отдачи. Они связывают возникновение землетрясений с внезапным высвобождением энергии упругой деформации. В результате длительных движений в районе разлома и накопления в связи с этим напряжений, достигающих предельных для прочности пород величины, происходит разрыв или срез этих пород с внезапным быстрым смещением – упругой отдачей, вследствие чего и возникают сейсмические волны. Таким образом, очень медленные и длительные тектонические движения при землетрясении переходят в сейсмические движения, отличающиеся большой скоростью, что происходит в результате быстрой “ разрядки”, накопленной упругой энергии. Это разрядка происходит всего за 10-15 секунд (редко за 40-60 секунд).

При зарождении землетрясения происходит разрушение породы на ограниченном участке, расположенном на определенной глубине от поверхности Земли. В связи с возникшем ослаблением происходит развитие дислокации на очаг или гипоцентральную часть область землетрясения. Разрушение произойдет там, где порода наименее прочна,а это может быть в разломах между блоками. В силу каких-то глубинных процессов отдельные участки коры поднимаются или опускаются. При медленном смещении в земной коре происходят пластические деформации. При более быстрых движениях и при большем их градиенте напряжения, возникающие в коре, не успевая рассасываться, достигают величин, при которых в данных условиях происходит нарушение сплошности – либо по готовому, отчасти уже залечившемуся разрыву, либо с образованием нового. С увеличением глубины возрастают всесторонние сжимающие напряжения, и поэтому возникают большие силы трения, препятствующие быстрому разрушению. Возможно по этой причине глубокофокусные землетрясения отличаются большой энергией и продолжительностью.

В настоящее время наиболее распространены две модели распространения сил, вызывающих разрыв в очаге. Первая основана на предположении действия в очаге пары сил, вызывающих касательные усилия вдоль линии разрыва и момент; согласно второй модели в зоне очага существуют две взаимно перпендикулярных пары сил.

Кроме землетрясений, вызванных тектоническими движениями в земной коре и в верхних слоях мантии, существуют два других типа землетрясений, происходящих вследствие извержения вулканов и карстовых явлений, которые очень локальны, редки и обладают малой силой. Землетрясения могут быть вызваны искусственным путем, например при подземном взрыве. Колебания поверхности могут земли могут быть вызваны и работой промышленного оборудования, движением транспорта и т. д. При использовании чувствительной аппаратуры можно убедиться, что поверхность земли постоянно колеблется; эти колебания очень малы и по этой причине называются микросейсмическими. Наличие микросейсм позволяет извлечь очень полезную информацию как для сейсмологов, так и для инженеров- строителей.

Таким образом, в широком смысле по термином землетрясение можно понимать любые сотрясения поверхности Земли. В более узком смысле под землетрясением понимается кратковременное сотрясение поверхности Земли, вызванное сейсмическими волнами, возникшими при местном нарушении сплошности с внезапным выделением в недрах коры или верхней мантии (на глубину примерно до 700 км) упругой энергии.

В какой-то момент землетрясения возникает препятствие взаимному смещению блоков вдоль образовавшихся швов – частично восстанавливаются связи разорванного шва, которыми могут служить силы трения (их появление возможно на сжатых участках), зацепления на поверхностях. Не освободившаяся часть энергии вызывает в новых связях напряжения, которые через некоторое время преодолеют их сопротивление, возникает новый разрыв и новый толчок, однако меньшей силы, чем в момент основного землетрясения. Этих повторных толчков – афтершоков – после сильного землетрясения бывает обычно до нескольких сотен и происходят они в течение нескольких месяцев, постепенно ослабевая. Процесс ослабления толчков во времени не равномерен. Отдельные афтершоки по силе могут приближаться к силе основного землетрясения. Иногда землетрясениям предшествуют слабые толчки – форшоки.

В тех случаях когда землетрясения или вулканы происходят под дном океанов, они возбуждают морские волны, которые, достигая берегов суши и встречая их сопротивление поднимаются на высоту до нескольких десятков метров. Такие волны – цунами (по японски “цу” – порт, “нами” – волна) – временами приносят прибрежным районам большие беды.

Различают две группы сейсмических волн – объемные и поверхностные. Слагающие Землю горные породы упруги и поэтому могут деформироваться и испытывать колебания при резком приложении давления (нагрузок). Внутри объема горных пород распространяются объемные волны. Они делятся на два типа: продольные и поперечные. Продольные волны в теле Земли, как и привычные нам звуковые в воздухе, попеременно сжимают и растягивают вещество горных пород в направлении своего движения. Волны другого типа колеблют среду, через которую они проходят, поперек пути своего движения. Именно они-то, выходя на поверхность, раскачивают из стороны в сторону и вверз-вниз все на земле находящееся, приводя к наибольшим разрушениям. Именно потому, что поверхность твердой Земли – это граница с гораздо менее плотной средой, воздушной (ее называют свободной поверхностью), на земной поверхности объемные сейсмические волны могут свободнее “разгуляться”, что обычно и происходит. Этому способствует и свойства приповерхностных грунтов.

Очень важны свойства разных групп и типов сейсмических волн, особенно скорость их прохождения через горные породы. Обычно она измеряется несколькими километрами в секунду и следовательно, на разных расстояниях от очага(гипоцентра и эпицентра) приход волн и ощущается и регистрируется неодновременно. На этом свойстве основано определение координат эпицентра по записям прихода волн на удаленные сейсмические станции. Не менее важны различие в скоростях отдельных групп и типов волн. Так поверхностные волны распространяются медленнее объемных и, следовательно, приходят в пункты наблюдения позднее. В группе объемных поперечные волны распространяются в среднем в 1,75 раза медленнее продольных. Отсюда понятно, почему оказавшиеся в эпицентральной области сильного землетрясения люди часто попадают во власть волн: их толкает, качает, трясет в разных направлениях с разными ускорениями.

Очевидцы нередко “слышат” землетрясения в буквальном смысле слова. Продольные волны сходны со звуковыми. При определенной частоте колебаний (в диапазоне слышимых волн, то есть более 15 герц) они при выходе на поверхность и становятся звуковыми волнами. Если вспомнить, что продольные волны распространяются быстрее, а поперечные нередко несут главные разрушения, легко понять, почему гул может слышаться перед землетрясением. Тут много зависит и от спектров излучения.

Землетрясения классифицируются в зависимости от глубины расположения их очага. Они делятся на следующие три типа1)нормальные- с глубиной очага 0-70 км;2) промежуточные – 70-300 км;3) глубокофокусные – более 300 км.

Перспективы предсказаний

Заинтересованность правительственных учреждений в прогнозе землетрясений исключительно велика – тысячи человеческих жизней могут быть спасены, если предсказания окажутся точными. Целые города могут эвакуированы зря, если оно окажется ложным. Из-за многих неопределенностей, связанных с землетрясениями удачное их предсказание бывает весьма редким. Тем не менее возможность точного предсказания настолько заманчива, что сегодня сотни ученых, в основном в США, Японии, Китае и России, заняты исследованиями по прогнозу землетрясений.

В качестве возможной основы прогноза принят целый ряд признаков. Наиболее важны и надежны из них следующие:

1. статистические методы,

2. выделение сейсмически активных зон, которые долго не испытывали землетрясения,

3. изучение быстрых смещений земной коры,

4. исследование изменений соотношений скорости продольных и поперечных волн,

5. изменения магнитного поля и электропроводности горных пород,

6. изменения в составе газов, поступающих из глубин,

7. регистрация предваряющих толчков “форшоков”,

8. исследование распределения очагов во времени и пространстве.

Статистические методы просты. Они основаны на анализе сейсмологической истории района: данных о числе, размерах и частоте повторения землетрясений. Предполагая, что сейсмичность района не меняется с течением времени, можно по этим данным оценить вероятность будущих землетрясений. Чем длиннее период времени, за который имеем сведения о землетрясениях, тем точнее будет прогноз.

В Калифорнии сведения о землетрясениях собраны примерно за 200 лет, а в Китае имеются данные более чем за 2000 лет.

Статистическое изучение сейсмического режима позволило ввести понятия сейсмического цикла и так называемых зон затишья – зон в сейсмически активных районах, где в течение длительного времени наблюдается слабая сейсмическая активность. Средняя длительность сейсмического цикла равна примерно 140 годам – время между сильнейшими сейсмическими событиями в одном месте. Зоны затишья – места накопления максимальной упругой энергии, где возможно ожидать сильное землетрясение. Это явилось основой долгосрочного сейсмического прогноза..

Если известна частота, с которой землетрясения происходили в прошлом, можно сделать обобщенный статистический вывод о вероятности землетрясения в будущем.

Статистические прогнозы не помогают предсказать конкретное место и конкретное время землетрясения. Таким образом, они не очень полезны с точки зрения предварительных мероприятий по безопасности. С другой стороны они имеют огромное значение для инженеров, которые должны проектировать сооружения со сроком существования 50-100 лет.

Принцип другого метода – выделение сейсмически активных зон без землетрясений – логичен. В его основе определение в сейсмически активных зонах участков, где долго не было толчков и где, следовательно, долго не происходило разрядки энергии. Именно там можно ожидать катастрофическое землетрясение. Этот метод правилен и проверен, однако для точного прогноза не представляет. Он не позволяет назвать ни день, ни неделю, ни месяц, когда произойдет событие. Но это не означает, что такого рода исследования не имеют значения: это обеспечит в угрожаемых местах своевременную подготовку и должно учитываться во всех нормативах при возведении зданий и промышленных объектов.

О готовящемся землетрясении может свидетельствовать и увеличение скорости движения земной коры. Этот метод исследований используется в России, Японии, Соединенных Штатах Америки. Перед некоторыми землетрясениями земная поверхность быстро поднималась (быстро в геологическом смысле, со скоростью несколько миллиметров в год), затем движения прекращались, и происходило разрушительное землетрясение.

Много внимания уделяют методу исследования соотношения скорости продольных и поперечных волн. Скорость сейсмических волн зависит от напряженного состояния горных пород, через которые волны распространяются, а также от содержания воды и других физических характеристик пород. В той степени, в какой изменения этих физических характеристик являются предвестниками землетрясений, можно рассматривать в качестве предвестников и скорости сейсмических волн. Скорости волн измеряются с помощью небольших взрывов в скважинах; при этом возбуждаются сейсмические волны, которые записываются близлежащими станциями. Продольные волны распространяются со скоростью приблизительно в 1,75 раза больше, чем поперечные. Перед землетрясением скорость продольных волн уменьшается, и это соотношение выражается цифрой 1,5. Подобное явление отмечается за несколько месяцев до сейсмического события. Непосредственно перед землетрясением указанное соотношение возвращается к “правильной цифре”. Этот метод проверен экспериментально.

Перед отдельными землетрясениями повышается напряженность магнитного поля и электропроводимость пород. Земное магнитное поле может испытывать локальные изменения из-за деформации горных пород и движений земной коры. С целью изменения малых вариаций магнитного поля были разработаны специальные магнитометры. Такие изменения наблюдались перед землетрясениями в большинстве районов, где были установлены магнитометры. Измерения электропроводимости пород проводятся с помощью электродов, помещаемых в почву на расстоянии нескольких километров друг от друга. При этом измеряется электрическое сопротивление толщи земли между ними. Электропроводность обеспечивается главным образом присутствием воды. Следовательно, сопротивление меняется, когда изменяется содержание воды.

Многообещающим является метод изучения состава газа в подземных водах. Этот метод был разработан главным образом учеными, ведущими исследования на Камчатке и Средней Азии. Газы, перед землетрясением, оказываются сильно обогащены радоном. Но недавно группа калифорнийских ученых установила, что это газ выделяется в больших количествах и когда нет никакой сейсмической активности. Последние годы этот метод был распространен и на хлор, содержание которого возрастает в 6 раз(максимальная концентрация радона перед землетрясениями превышает нормальную в 2,7 раза). Высказано предположение, что содержание хлора резко возрастает за 3-5 дней до землетрясения. В настоящее время объектом исследования стало и изменения содержания гелия, ртути, серебра и других элементов.

Некоторым сильным землетрясениям предшествуют более слабые толчки, так называемые форштоки. Установлена последовательность событий, предшествовавших нескольким сильным землетрясениям в Новой Зеландии и Калифорнии. Во-первых, это тесно сгруппированная серия толчков примерно равной магнитуды, которая называется “предваряющим роем”. За ним следует период, названный “предваряющим перерывом”, в течение которого нигде в окрестностях сейсмических толчков не наблюдается. Затем следует “главное землетрясение”, сила которого зависит от величины роя землетрясений и продолжительности перерыва. Предполагается, что рой вызывается раскрытием трещин. Возможность прогнозирования землетрясений на основе этих представлений очевидна, однако имеются определенные трудности в выделении предваряющих роев из других сходных по характеру групповых землетрясений, и каких – либо бесспорных успехов в этой области не достигнуто. Положение и число землетрясений различной магнитуды может служить важным индикатором приближающегося сильного землетрясения. В Японии исследования этого явления признаны заслуживающими доверия, но надежным на 100% этот метод не станет никогда, ибо многие катастрофические землетрясения происходили без каких-либо предварительных толчков.

Известно, что очаги землетрясений не остаются на одном и том же месте, а перемещаются в пределах сейсмической зоны. Зная направления этого перемещения и его скорость, можно было бы предположить будущее землетрясение. К сожалению, такого рода перемещение очагов не происходит равномерно. В Японии скорость миграции очагов определена величиной 100 км в год. В районе Мацуширо в Японии регистрировалось множество слабых толчков – до 8000 в день. Через несколько лет оказалось, что очаги приближаются к поверхности и смещаются в южном направлении. Было вычислено вероятное место –положение очага следующего землетрясения и непосредственно к нему была пробурена скважина. Толчки прекратились.