Сейсмическая шкала
Землетрясе́ния - подземные толчки и колебания поверхности Земли, вызванные естественными причинами (главным образом тектоническими процессами) или искусственными процессами (взрывы, заполнение водохранилищ, обрушением подземных полостей горных выработок). Небольшие толчки могут вызывать также подъём лавы при вулканических извержениях.
Ежегодно на всей Земле происходит около миллиона землетрясений, но большинство из них так незначительны, что они остаются незамеченными. Действительно сильные землетрясения, способные вызвать обширные разрушения, случаются на планете примерно раз в две недели. К счастью, большая их часть приходится на дно океанов, и поэтому не сопровождается катастрофическими последствиями (если землетрясение под океаном обходится без цунами).
Землетрясения наиболее известны по тем опустошениям, которые они способны произвести. Разрушения зданий и сооружений вызываются колебаниями почвы или гигантскими приливными волнами (цунами), возникающими при сейсмических смещениях на морском дне.
Введение
Причиной землетрясения является быстрое смещение участка земной коры как целого в момент пластической (хрупкой) деформации упруго напряженных пород в очаге землетрясения. Большинство очагов землетрясений возникает близ поверхности Земли . Само смещение происходит под действием упругих сил в ходе процесса разрядки - уменьшения упругих деформаций в объеме всего участка плиты и смещения к положению равновесия. Землетрясение представляет собой быстрый (в геологических масштабах) переход потенциальной энергии , накопленной в упруго-деформированных (сжимаемых, сдвигаемых или растягиваемых) горных породах земных недр, в энергию колебаний этих пород (сейсмические волны), в энергию изменения структуры пород в очаге землетрясения. Этот переход происходит в момент превышения предела прочности пород в очаге землетрясения.
Предел прочности пород земной коры превышается в результате роста суммы сил, действующих на нее:
- Силы вязкого трения мантийных конвекционных потоков о земную кору;
- Архимедовой силы , действующей на легкую кору со стороны более тяжелой пластичной мантии ;
- Лунно -солнечных приливов;
- Изменяющегося атмосферного давления .
Эти же силы приводят и к возрастанию потенциальной энергии упругой деформации пород в результате смещения плит под их действием. Плотность потенциальной энергии упругих деформаций под действием перечисленных сил нарастает практически во всем объеме плиты (по-разному в разных точках). В момент землетрясения потенциальная энергия упругой деформации в очаге землетрясения быстро (почти мгновенно) снижается до минимальной остаточной (чуть ли не до нуля). Тогда как в окрестностях очага за счет сдвига во время землетрясения плиты как целого упругие деформации несколько увеличиваются. Поэтому и случаются часто в окрестностях главного повторные землетрясения - афтершоки. Точно так же малые «предварительные» землетрясения - форшоки - могут спровоцировать большое в окрестностях первоначального малого землетрясения. Большое землетрясение (с большим сдвигом плиты) может вызвать последующие индуцированные землетрясения даже на удаленных краях плиты.
Из перечисленных сил первые две намного больше 3-ей и 4-й, но скорость их изменения намного меньше, чем скорость изменения приливных и атмосферных сил. Поэтому точное время прихода землетрясения (год, день, минута) определяется изменением атмосферного давления и приливными силами. Тогда как гораздо большие, но медленно меняющиеся силы вязкого трения и Архимедовой силы задают время прихода землетрясения (с очагом в данной точке) с точностью до столетий и тысячелетий.
Глубокофокусные землетрясения, очаги которых располагаются на глубинах до 700 км от поверхности, происходят на конвергентных границах литосферных плит и связаны с субдукцией .
Сейсмические волны и их измерение
Типы сейсмических волн
Сейсмические волны делятся на волны сжатия и волны сдвига .
- Волны сжатия, или продольные сейсмические волны, вызывают колебания частиц пород, сквозь которые они проходят, вдоль направления распространения волны, обуславливая чередование участков сжатия и разрежения в породах. Скорость распространения волн сжатия в 1,7 раза больше скорости волн сдвига, поэтому их первыми регистрируют сейсмические станции. Волны сжатия также называют первичными (P-волны). Скорость P-волны равна скорости звука в соответствующей горной породе. При частотах P-волн, больших 15 Гц, эти волны могут быть восприняты на слух как подземный гул и грохот.
- Волны сдвига, или поперечные сейсмические волны, заставляют частицы пород колебаться перпендикулярно направлению распространения волны. Волны сдвига также называют вторичными (S-волны).
Существует ещё третий тип упругих волн - длинные или поверхностные волны (L-волны). Именно они вызывают самые сильные разрушения.
Измерение силы и воздействий землетрясений
Для оценки и сравнения землетрясений используются шкала магнитуд и шкала интенсивности.
Шкала магнитуд
Шкала магнитуд различает землетрясения по величине магнитуды, которая является относительной энергетической характеристикой землетрясения. Существует несколько магнитуд и соответственно магнитудных шкал: локальная магнитуда (ML); магнитуда, определяемая по поверхностным волнам (Ms); магнитуда, определяемая по объемным волнам (mb); моментная магнитуда (Mw).
Наиболее популярной шкалой для оценки энергии землетрясений является локальная шкала магнитуд Рихтера . По этой шкале возрастанию магнитуды на единицу соответствует 32-кратное увеличение освобождённой сейсмической энергии. Землетрясение с магнитудой 2 едва ощутимо, тогда как магнитуда 7 отвечает нижней границе разрушительных землетрясений, охватывающих большие территории. Интенсивность землетрясений (не может быть оценена магнитудой) оценивается по тем повреждениям, которые они причиняют в населённых районах.
Шкалы интенсивности
Шкала Медведева-Шпонхойера-Карника (MSK-64)
12-бальная шкала Медведева-Шпонхойера-Карника была разработана в 1964 году и получила широкое распространение в Европе и СССР. С 1996 года в странах Европейского союза применяется более современная Европейская макросейсмическая шкала (EMS). MSK-64 лежит в основе СниП-11-7-81 «Строительство в сейсмических районах» и продолжает использоваться в России и странах СНГ.
| Балл | Сила землетрясения | Краткая характеристика |
|---|---|---|
| 1 | Не ощущается. | Отмечается только сейсмическими приборами. |
| 2 | Очень слабые толчки | Отмечается сейсмическими приборами. Ощущается только отдельными людьми, находящимися в состоянии полного покоя в верхних этажах зданий, и очень чуткими домашними животными. |
| 3 | Слабое | Ощущается только внутри некоторых зданий, как сотрясение от грузовика. |
| 4 | Умеренное | Распознаётся по лёгкому дребезжанию и колебанию предметов, посуды и оконных стёкол, скрипу дверей и стен. Внутри здания сотрясение ощущает большинство людей. |
| 5 | Довольно сильное | Под открытым небом ощущается многими, внутри домов - всеми. Общее сотрясение здания, колебание мебели. Маятники часов останавливаются. Трещины в оконных стёклах и штукатурке. Пробуждение спящих. Ощущается людьми и вне зданий, качаются тонкие ветки деревьев. Хлопают двери. |
| 6 | Сильное | Ощущается всеми. Многие в испуге выбегают на улицу. Картины падают со стен. Отдельные куски штукатурки откалываются. |
| 7 | Очень сильное | Повреждения (трещины) в стенах каменных домов. Антисейсмические, а также деревянные и плетневые постройки остаются невредимыми. |
| 8 | Разрушительное | Трещины на крутых склонах и на сырой почве. Памятники сдвигаются с места или опрокидываются. Дома сильно повреждаются. |
| 9 | Опустошительное | Сильное повреждение и разрушение каменных домов. Старые деревянные дома кривятся. |
| 10 | Уничтожающее | Трещины в почве иногда до метра шириной. Оползни и обвалы со склонов. Разрушение каменных построек. Искривление железнодорожных рельсов. |
| 11 | Катастрофа | Широкие трещины в поверхностных слоях земли. Многочисленные оползни и обвалы. Каменные дома почти полностью разрушаются. Сильное искривление и выпучивание железнодорожных рельсов. |
| 12 | 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. |
Происходящее при сильных землетрясениях
Землетрясение начинается с разрыва и перемещения горных пород в каком-нибудь месте в глубине Земли. Это место называется очагом землетрясения или гипоцентром. Глубина его обычно бывает не больше 100 км, но иногда доходит и до 700 км . Иногда очаг землетрясения может быть и у поверхности Земли. В таких случаях, если землетрясение сильное, мосты , дороги , дома и другие сооружения оказываются разорванными и разрушенными.
Участок земли, в пределах которого на поверхности, над очагом, сила подземных толчков достигает наибольшей величины, называется эпицентром.
В одних случаях пласты земли, расположенные по сторонам разлома, надвигаются друг на друга. В других - земля по одну сторону разлома опускается, образуя сбросы. В местах, где они пересекают речные русла, появляются водопады . Своды подземных пещер растрескиваются и обрушиваются. Бывает, что после землетрясения большие участки земли опускаются и заливаются водой . Подземные толчки смещают со склонов верхние, рыхлые слои почвы, образуя обвалы и оползни . Во время землетрясения в Калифорнии в году образовалась глубокая трещина на поверхности. Она протянулась на 450 километров.
Понятно, что резкое перемещение больших масс земли в очаге должно сопровождаться ударом колоссальной силы. За год люди [кто? ] могут ощущать около 10 000 землетрясений. Из них примерно 100 бывают разрушительными.
Измерительные приборы
Для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн используются специальные приборы - сейсмографы . В большинстве случаев сейсмограф имеет груз с пружинным прикреплением, который при землетрясении остаётся неподвижным, тогда как остальная часть прибора (корпус, опора) приходит в движение и смещается относительно груза. Одни сейсмографы чувствительны к горизонтальным движениям, другие - к вертикальным. Волны регистрируются вибрирующим пером на движущейся бумажной ленте. Существуют и электронные сейсмографы (без бумажной ленты).
Другие виды землетрясений
Вулканические землетрясения
Вулканические землетрясения - разновидность землетрясений, при которых землетрясение возникает в результате высокого напряжения в недрах вулкана . Причина таких землетрясений - лава , вулканический газ. Землетрясения этого типа слабы, но продолжаются долго, многократно - недели и месяцы. Тем не менее, опасности для людей этого вида землетрясение не представляет.
Техногенные землетрясения
В последнее время появились сведения, что землетрясения могут вызываться деятельностью человека. Так, например, в районах затопления при строительстве крупных водохранилищ, усиливается тектоническая активность - увеличивается частота землетрясений и их магнитуда. Это связано с тем, что масса воды, накопленная в водохранилищах, своим весом увеличивает давление в горных породах , а просачивающаяся вода понижает предел прочности горных пород. Аналогичные явления происходят при выемке больших количеств породы из шахт, карьеров, при строительстве крупных городов из привозных материалов.
Обвальные землетрясения
Землетрясения также могут быть вызваны обвалами и большими оползнями . Такие землетрясения называются обвальными, они имеют локальный характер и имеют небольшую силу.
Землетрясения искусственного характера
Землетрясение может быть вызвано и искусственно: например, взрывом большого количества взрывчатых веществ или же при ядерном взрыве . Такие землетрясения зависят от количества взорванного вещества. К примеру, при испытании КНДР ядерной бомбы в году произошло землетрясение умеренной силы, которое было зафиксировано во многих странах.
Наиболее разрушительные землетрясения
- 23 января - Ганьсу и Шеньси, Китай - 830 000 человек погибло
- - Ямайка - Превращен в руины г.Порт-Ройял
- - Калькутта , Индия - 300 000 человек погибло
- - Лиссабон - от 60 000 до 100 000 человек погибло, город полностью разрушен
- - Колабрия, Италия - от 30 000 до 60 000 человек погибло
- - Нью-Мадрид, Миссури , США - город превращен в руины, наводнение на территории в 500 кв.км
- - Санрику, Япония - эпицентр был под морем. Гигантская волна смыла в море 27 000 человек и 10 600 строений
- - Ассам , Индия - На площади в 23 000 кв.км.рельеф изменен до неузнаваемости, вероятно крупнейшее за всю историю человечества землетрясение
- - Сан-Франциско , США 1 500 человек погибло, уничтожено 10 кв.км. города
- - Сицилия , Италия 83 000 человек погибло, превращен в руины г.Мессина
- - Ганьсу , Китай 20 000 человек погибло
- - Великое землетрясение Канто - Токио и Йокогама , Япония (8,3 по Рихтеру) - 143 000 человек погибло, около миллиона осталось без крова в результате возникших пожаров
- - Внутренний Тавр, Турция 32 000 человек погибло
- - Ашхабад , Туркмения , Ашхабадское землетрясение , - 110 000 человек погибло
- - Эквадор 10 000 человек погибло
- - Гималаи разворочена в горах территория площадью 20 000 кв.км.
- - Агадир , Марокко 12 000 - 15 000 человек погибло
- - Чили , около 10 000 погибло, разрушены города Консепсьен, Вальдивия , Пуэрто-Мон
- - Скопье , Югославия около 2 000 погибло, большая часть города превращена в руины
- - Анкоридж , Аляска , США большая часть города превращена в руины, большие оползни, разрушено 300 км железной дороги
Землетрясение - это физическое колебание литосферы - твёрдой оболочки земной коры, которая находится в постоянном движении. Зачастую подобные явления происходят в горных районах. Именно там подземные породы продолжают формироваться, в результате чего кора Земли является особенно подвижной.
Причины бедствия
Причины землетрясений могут быть разными. Одна из них - это смещение и столкновение океанических или материковых плит. При таких явлениях поверхность Земли ощутимо вибрирует и нередко приводит к разрушениям строений. Такие землетрясения называются тектоническими. При них могут образовываться новые впадины или горы.
Вулканические землетрясения происходят по причине постоянного давления раскаленной лавы и всевозможных газов на земную кору. Такие землетрясения могут длиться неделями, зато массовых разрушений, как правило, не несут. Кроме того, подобное явление часто служит предпосылкой для извержения вулкана, последствия которого могут быть значительно опаснее для людей, чем само бедствие.
Есть ещё один вид землетрясений - обвальные, которые происходят по совсем иной причине. Грунтовые воды иногда образовывают подземные пустоты. Под натиском земной поверхности огромные участки Земли с грохотом обрушиваются вниз, вызывая небольшие колебания, ощутимые за многие километры от эпицентра.
Баллы землетрясений
Для определения силы землетрясения в основном прибегают либо к десяти-, либо к двенадцатибалльной шкале. 10-балльная шкала Рихтера определяет величину выбрасываемой энергии. 12-балльная система Медведева-Шпонхойера-Карника описывает воздействие колебаний на поверхность Земли.
Шкала Рихтера и 12-балльная шкала несопоставимы. Для примера: ученые два раза взрывают бомбу под землей. Одну на глубине 100 м, другую - на глубине 200 м. Затрачиваемая энергия одинакова, что приводит к одной и той же оценке по Рихтеру. Но последствие взрыва - смещение коры - имеет разную степень тяжести и по-разному воздействует на инфраструктуру.
Степень разрушений
Что такое землетрясение с точки зрения сейсмических приборов? Явление в один балл определяется лишь аппаратурой. 2 балла могут быть ощутимыми животными, а также, в редких случаях, особо чуткими людьми, находящимися на верхних этажах. 3 балла по ощущениям напоминают вибрацию здания от проезжающего мимо грузовика. 4-балльное землетрясение приводит к легкому дребезжанию стекол. При пяти баллах явление чувствуется всеми, причем неважно, где находится человек, на улице или в здании. Землетрясение в 6 баллов называют сильным. Оно многих приводит в ужас: люди выбегают на улицу, а на некоторых стенах домов образовываются тещины. 7-балльное приводит к трещинам почти всех домов. 8 баллов опрокидывают памятники архитектуры, фабричные трубы, вышки, а на почве появляются трещины. 9 баллов приводят к сильным повреждениям домов. Деревянные строения либо опрокидываются, либо сильно проседают. 10-балльные землетрясения приводят к трещинам в земле, толщиной до 1 метра. 11 баллов - это катастрофа. Рушатся каменные дома и мосты. Возникают оползни. 12 баллов не выдерживает ни одно строение. При такой катастрофе меняется рельеф Земли, происходит отклонение течения рек и возникновение водопадов.
Японское землетрясение
В Тихом океане в 373 км от столицы Японии, Токио, возник разрушительный подземный толчок. Произошло это 11 марта 2011 года в 14:46 по местному времени.
9-балльное землетрясение в Японии привело к массовым разрушениям. Цунами, обрушившееся на восточное побережье страны, затопило значительную часть береговой линии, уничтожая дома, яхты и автомобили. Высота волн достигала 30-40 м. Незамедлительная реакция людей, подготовленных к таким испытаниям, спасла им жизнь. Лишь те, кто вовремя покинул дома и оказался в безопасном месте, смогли избежать гибели.
Жертвы землетрясения в Японии
Без жертв, к сожалению, не обошлось. Великое землетрясение Восточной Японии - так официально стали называть это событие - унесло 16 000 жизней. 350 000 жителей Японии остались без крова, что привело к внутренней миграции. Многие населенные пункты были стерты с лица Земли, электричества не стало даже в крупных городах.
Землетрясение в Японии в корне изменило привычный уклад жизни населения и сильно подорвало экономику государства. Убытки, причиненные этим бедствием, власти определили в 300 млрд. долларов.
Что такое землетрясение с точки зрения жителя Японии? Это стихийное бедствие, которое удерживает страну в постоянном волнении. Нависшая угроза заставляет ученых изобретать более точные приборы для определения землетрясения и более прочные материалы для постройки зданий.
Пострадавший Непал
25 апреля 2015 года в 12:35 в средней части Непала произошло почти 8-балльное землетрясение, длившееся 20 секунд. Следующее произошло в 13:00. Повторные толчки длились вплоть до 12 мая. Причиной послужил геологический разлом на той линии, где Индостанская плита встречается с Евразийской. В результате этих толчков столица Непала Катманду сдвинулась к югу на три метра.
В скором времени вся земля узнала о разрушениях, которое принесло землетрясение в Непале. Камеры, установленные прямо на улице, зафиксировали момент толчков и их последствия.
26 районов страны, а также Бангладеш и Индия ощутили на себе, что такое землетрясение. Сообщения о пропавших людях и рухнувших зданиях поступают властям до сих пор. 8,5 тысячи непальцев потеряли жизнь, 17,5 тысячи получили ранения, а около 500 тысяч остались без места жительства.
Землетрясение в Непале вызвало настоящую панику среди населения. И неудивительно, ведь люди теряли своих родственников и видели, как быстро рушится то, что было дорого их сердцу. Но проблемы, как известно, объединяют, что было доказано жителями Непала, которые трудились бок о бок, восстанавливая прежний облик городских улиц.
Недавнее землетрясение
8 июня 2015 года на территории Кыргызстана произошло землетрясение магнитудой 5,2 балла. Это последнее землетрясение, которое превысило 5 баллов.
Говоря о страшном стихийном бедствии, нельзя не упомянуть землетрясение на острове Гаити, которое произошло 12 января 2010 года. Серия толчков от 5 до 7 баллов унесла 300 000 жизней. Мир еще долго будет помнить об этой и других похожих трагедиях.
В марте берега Панамы узнали силу землетрясения в 5,6 балла. В марте 2014 года Румыния и юго-запад Украины на своем опыте узнали, что такое землетрясение. К счастью, жертв не было, но волнение перед стихией испытали многие. За последнее время баллы землетрясений не переступали за грань катастрофы.
Частота землетрясений
Итак, движение земной коры имеет различные природные причины. Землетрясений, по оценкам сейсмологов, происходит до 500 000 ежегодно в разных частях Земли. Из них приблизительно 100 000 ощущается людьми, а 1000 причиняет серьезный ущерб: разрушает постройки, шоссейные и железные дороги, обрывает линии электропередач, иногда уносит под землю целые города.
Существуют две величины, характеризующие силу землетрясения, — магнитуда и интенсивность. Интенсивность землетрясения — это величина внешних проявлений подземных толчков, которая измеряется баллами и показывает ущерб, нанесённый данной местности. В разных странах используются различные «шкалы интенсивности», в России это 12-балльная шкала Медведева - Шпонхойера - Карника , в США — шкала Меркалли . В странах Европейского союза с 1996 года применяется более современная Европейская макросейсмическая шкала (EMS).
Сейсмическая шкала в России
1 балл — колебания ощущаются исключительно приборами. Человек колебаний не ощущает.
2 балла — колебания могут почувствовать только люди, что находятся в спокойном, неподвижном состоянии.
3 балла — колебания ощущаются только внутри некоторых зданий.
4 балла — колебания чувствует большинство людей. В зданиях могут дребезжать стёкла, посуда.
5 баллов — колебания могут разбудить спящего человека. В помещениях нетрудно заметить раскачивание висячих предметов (например, ламп или люстр), колебания мебели. Появляются трещины в штукатурке. На улице качаются тонкие ветки деревьев.
6 баллов — ощущаются колебания всеми людьми, со стен падают картины, отдельные куски штукатурки отваливаются.
7 баллов — неизбежны трещины в штукатурке и в стенах кирпичных зданий. В некоторых зданиях возникает угроза частичных обрушений.
8 баллов — существенные конструктивные повреждения зданий: крупные трещины в стенах, обрушение балконов, карнизов и дымовых труб. Появляются трещины на крутых склонах и на почве.
9 баллов — в некоторых зданиях возникают обвалы, обрушение перекрытий и стен.
10 баллов — большинство зданий находятся под угрозой обрушения. На поверхности земли возникают трещины шириной до 1 метра.
11 баллов — полномасштабное обрушение всех построек и конструкций, крупные обвалы в горах, большое количество крупных трещин на поверхности земли. Наблюдается разрушение мостов.
12 баллов — изменение рельефа местности вплоть до неузнаваемости. Катастрофические последствия землетрясений — обвалы, оползни, изменение рельефа.
Сейсмическая шкала в Европе
1 балл — колебания не отмечаются, ощущаются исключительно приборами.
2 балла — колебания могут почувствовать только люди и животные на верхних этажах зданий в состоянии покоя.
3 балла — колебания в виде раскачиваний и лёгкого дрожания чувствуют некоторые люди, находящиеся дома.
4 балла — лёгкое дребезжание посуды и стёкол внутри зданий.
5 баллов — лёгкие колебания по всей поверхности внутри зданий. Подвешенные предметы качаются от сильных вибраций. Объекты с высоко расположенным центром тяжести падают. Двери и окна раскрываются и закрываются.
6 баллов — падают небольшие предметы, тонкие трещины в штукатурке.
7 баллов — большинство предметов падает с полок, многие здания умеренно повреждены, неизбежны трещины в штукатурке, часть дымовых труб обрушивается.
8 баллов — перевёрнутая мебель, большинству зданий нанесён значительный ущерб. Большие трещины в стенах. Некоторые здания могут быть полностью разрушены.
9 баллов — памятники и колонны падают. Некоторые здания обрушены полностью.
10 баллов — большинство зданий полностью разрушены.
11 баллов — практически все здания полностью разрушены.
12 баллов — практически все здания наземные и подземные сильно повреждены или разрушены.
Сейсмическая шкала в США
1 балл — колебания не ощущаются людьми.
2 балла — колебания ощущают люди в спокойной обстановке на верхних этажах зданий.
3 балла — колебания чувствуют некоторые люди, находящиеся дома, в помещениях качаются висящие предметы.
4 балла — звенят оконные стёкла, посуда, скрипят двери.
5 баллов — колебания ощущаются на улице, выплёскивается жидкость из посуды.
6 баллов — трескается штукатурка и кирпичная кладка, сдвигается и переворачивается мебель, лопаются оконные стёкла.
7 баллов — трудно стоять на ногах, осыпается штукатурка, падают кирпичи, керамическая плитка, на поверхности водоёмов появляются волны.
8 баллов — падает штукатурка, рушатся некоторые кирпичные стены, дымовые трубы, башни, памятники, обламываются ветки деревьев, в грунте образовываются трещины.
9 баллов — лопаются каркасы строений и подземные трубы, образуются серьёзные трещины в грунте и песчаные воронки.
10 баллов — рушится кирпичная кладка и мосты, возникают мощные оползни.
11 баллов — деформация железнодорожных путей, выходят из строя подземные трубопроводы.
12 баллов — полное разрушение зданий, нарушение линии горизонта, взлетают в воздух отдельные предметы.
Как измеряется магнитуда землетрясений?
Магнитуда — условная величина, характеризующая общую энергию колебаний, вызванных землетрясением. Она определяется по шкале, основанной на записях сейсмографов. Эта шкала известна под названием шкалы Рихтера (по имени американского сейсмолога Ч. Ф. Рихтера, предложившего её в 1935 году). С увеличением магнитуды на единицу энергия возрастает в 100 раз, т. е. при толчке с магнитудой 6 высвобождается в 100 раз больше энергии, чем при магнитуде 5, и в 10 000 больше, чем при магнитуде 4.
Шкала Рихтера содержит условные единицы (от 1 до 9,5):
|
Магнитуда |
Характеристики |
|
Наиболее слабое землетрясение, которое может быть зарегистрировано с помощью приборов. |
|
|
Колебания ощущаются людьми в районе эпицентра. |
|
|
Вблизи эпицентра могут наблюдаться небольшие повреждения. |
|
|
Наблюдаются умеренные разрушения. |
|
|
Сильные разрушения, разлом в сотни километров. На Земле не происходило землетрясений с магнитудой выше 9. |
Крупнейшими известными землетрясениями, согласно методу оценки Рихтера, были колумбийское землетрясение 1906 г. и ассамское землетрясение 1950 г. с магнитудой 8,6.
В разных странах принято по-разному оценивать интенсивность землетрясения.
· В России и некоторых других странах принята 12-балльная шкала Медведева - Шпонхойера - Карника .
· В Европе - 12-балльная Европейская макросейсмическая шкала .
· В США - 12-балльная модифицированная шкала Меркалли .
· В Японии - 7-балльная шкала Японского метеорологического агентства .
- 12-балльная шкала интенсивности землетрясений Медведева - Шпонхойера - Карника (MSK-64) была разработана в 1964 году и получила широкое распространение в Европе и СССР. С 1996 года в странах Европейского союза применяется более современная Европейская макросейсмическая шкала (EMS). MSK-64 лежит в основе СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах» и продолжает использоваться в России и странах СНГ. В Казахстане в настоящее время используется СНиП РК 2.03-30-2006 «Строительство в сейсмических районах».
| Балл. Сила землетрясения | Краткая характеристика |
| I. Не ощущается | Не ощущается. Отмечается только сейсмическими приборами. |
| II. Очень слабые толчки | Отмечается сейсмическими приборами. Ощущается только отдельными людьми, находящимися в состоянии полного покоя в верхних этажах зданий, и очень чуткими домашними животными |
| III. Слабое | Ощущается только внутри некоторых зданий, как сотрясение от грузовика. |
| IV. Интенсивное | Распознаётся по лёгкому дребезжанию и колебанию предметов, посуды и оконных стёкол, скрипу дверей и стен. Внутри здания сотрясение ощущает большинство людей. |
| V. Довольно сильное | Под открытым небом ощущается многими, внутри домов - всеми. Общее сотрясение здания, колебание мебели. Маятники часов останавливаются. Трещины в оконных стёклах и штукатурке. Пробуждение спящих. Ощущается людьми и вне зданий, качаются тонкие ветки деревьев. Хлопают двери. |
| VI. Сильное | Ощущается всеми. Многие в испуге выбегают на улицу. Картины падают со стен. Отдельные куски штукатурки откалываются. |
| VII. Очень сильное | Повреждения (трещины) в стенах каменных домов. Антисейсмические, а также деревянные и плетневые постройки остаются невредимыми. |
| VIII. Разрушительное | Трещины на крутых склонах и на сырой почве. Памятники сдвигаются с места или опрокидываются. Дома сильно повреждаются. Падают фабричные трубы. |
| IX. Опустошительное | Сильное повреждение и разрушение каменных домов. Старые деревянные дома кривятся. |
| X. Уничтожающее | Трещины в почве иногда до метра шириной. Оползни и обвалы со склонов. Разрушение каменных построек. Искривление железнодорожных рельсов. |
| XI. Катастрофа | Широкие трещины в поверхностных слоях земли. Многочисленные оползни и обвалы. Каменные дома почти полностью разрушаются. Сильное искривление и выпучивание железнодорожных рельсов, разрушаются мосты. |
| XII. Сильная катастрофа | Изменения в почве достигают огромных размеров. Многочисленные трещины, обвалы, оползни. Возникновение водопадов, подпруд на озёрах, отклонение течения рек. Изменяется рельеф. Ни одно сооружение не выдерживает. |
- МЕХАНИЗМ ОЧАГА.
Выяснение причин землетрясений и объяснение их механизма - одна из важнейших задач сейсмологии. Общая картина происходящего представляется следующей.
В очаге происходят разрывы и интенсивные неупругие деформации среды, приводящие к землетрясению. Деформации в самом очаге носят необратимый характер, а в области, внешней к очагу, являются сплошными, упругими и преимущественно обратимыми. Именно в этой области распространяются сейсмические волны. Очаг может либо выходить на поверхность, как при некоторых сильных землетрясениях, либо находиться под ней, как во всех случаях слабых землетрясений.
(Рейда теория)
Ответ: а) Разрыв сплошной горных пород наступает в результате накопления упругих деформаций выше предела, которой может выдержать горная порода. Деформации возникающие при перемещении соседних блоков земной коры.
Б) перемещение блоков не происходит внезапно, они нарастают.
В) движение в момент землетрясения состоит из упругой отдачи-резкого смещения сторон разрыва в положение, в котором отсутствуют упругие деформации.
Г) Сейсмические волны возникают на поверхности разрыва.
Д) Энергия освобожденная во время землетрясений, до землетрясений была энергией упругой деформации горных пород.
- ЧАСТОТА И ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ.
- ХАРАКТЕРИСТИКА ОСНОВНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ЗОН.
- УПРУГИЕ ДЕФОРМАЦИИ и напряжения
Упругая деформация - деформация, исчезающая после прекращения действий на тело внешних сил. При этом тело принимает первоначальные размеры и форму.
Область физики, изучающая упругие деформации, называется теорией упругости.
При упругой деформации её величина не зависит от предыстории и полностью определяется механическими напряжениями, то есть является однозначной функцией от напряжений. Для большинства веществ эту зависимость можно с хорошей точностью считать прямой пропорциональностью. При этом упругая деформация описывается законом Гука. Наибольшее напряжение, при котором закон Гука справедлив, называется пределом пропорциональности.
Некоторые вещества (металлы, каучуки) могут претерпевать значительную упругую деформацию, в то время как у других (керамики, прессованные материалы) даже ничтожная деформация перестаёт быть упругой.
Максимальное механическое напряжение, при котором деформация ещё остаётся упругой, называется пределом текучести. Выше этого предела деформация становится пластической.
Упругие деформации могут изменяться периодически со временем (упругие колебания). Процесс распространения упругих колебаний в среде называют упругими волнами.
Преде́л пропорциона́льности () - 1) Максимальная величина напряжения, при котором ещё выполняется закон Гука, то есть деформация тела прямо пропорциональна приложенной нагрузке (силе). Следует заметить, что во многих материалах нагружение до предела упругости вызывает обратимые (то есть упругие в общем-то) деформации, но непропорциональные напряжениям. Кроме того, эти деформации могут «запаздывать» за ростом нагрузки как при нагружении, так и при разгружении.
2) Напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованный касательной к кривой "нагрузка-удлинение" в точке Pпц и осью нагрузки, увеличивается на 50% от своего первоначального значения на упругом участке.
Зако́н Гу́ка - утверждение, согласно которому деформация, возникающая в упругом теле (пружине, стержне, консоли, балке и т. п.), пропорциональна приложенной к этому телу силе. Открыт в 1660 году английским учёным Робертом Гуком .
Следует иметь в виду, что закон Гука выполняется только при малых деформациях. При превышении предела пропорциональностисвязь между напряжениями и деформациями становится нелинейной. Для многих сред закон Гука неприменим даже при малых деформациях.
Землетрясение – это резкие импульсные сотрясения участков земной поверхности. Эти сотрясения могут быть вызваны разными причинами, что позволяет по происхождению землетрясения разделять на следующие главные группы:
- тектонические, обусловленные высвобождением энергии, возникающей вследствие деформаций толщ горных пород;
- вулканические, связанные с движением магмы, взрывом и обрушением вулканических аппаратов;
- денудационные, связанные с поверхностными процессами (крупными обвалами, обрушением сводов карстовых полостей);
- техногенные, связанные с деятельностью человека (добыча нефти и газа, ядерные взрывы и пр.).
Наиболее частыми и мощными являются землетрясения тектонического происхождения. Напряжения, вызванные тектоническими силами, накапливаются в течение некоторого времени. Затем, когда превышается предел прочности, происходит разрыв горных пород, сопровождающийся выделением энергии и деформацией в виде упругих колебаний (сейсмических волн). Область внутри Земли, где происходит образование разломов и возникновение сейсмических волн, называют очагом землетрясения ; очаг является областью зарождения землетрясения. Как правило, главному сейсмическому удару предшествуют предварительные более слабые точки – форшоки (англ. «fore» - впереди + «shock» - удар, толчок ), связанные с началом образовании разломов. Затем происходит главный сейсмический удар и следующие за ним афтершоки. Афтершоки – это подземные толчки, следующие за главным толчком из одной с ним очаговой области. Число афтершоков и продолжительность их возникновения возрастает с ростом энергии землетрясения, уменьшением глубины его очага и может достигать нескольких тысяч. Их образование связано с возникновением новых разломов в очаге. Таким образом, землетрясение обычно проявляется в виде группы сейсмических толчков, состоящей из форшоков, главного толчок (сильнейшего землетрясение в группе) и афтерошоков. Сила землетрясения определяется объёмом его очага: чем больше объём очага, тем сильнее землетрясение.
Условный центр очага землетрясения называют гипоцентром , или фокусом землетрясения. Его объём можно очертить по расположению гипоцентров афтершоков. Проекция гипоцентра на поверхность называется эпицентром землетрясения. Вблизи эпицентра колебания земной поверхности и связанные с ними разрушения проявляются с наибольшей силой. Территория, где землетрясение проявилось с максимальной силой, называется плейстосейстовой областью . По мере удаления от эпицентра интенсивность землетрясения и степень связанных с ним разрушений уменьшается. Условные линии, соединяющие территории с одинаковой интенсивностью землетрясения называются изосейстами . От очага землетрясения изосейсты вследствие разной плотности и типа грунтов расходятся в виде эллипсов или изогнутых линий.
По глубине гипоцентров землетрясения делятся на мелкофокусные (0-70 км от поверхности), среднефокуные (70-300 км) и глубокофокусные (300-700 км). Основанная часть землетрясений зарождается в очагах на глубине 10-30 км, т.е. относится к мелкофокусным.
Регистрация и измерение интенсивности землетрясений
Ежегодно на Земле регистрируется несколько сотен тысяч землетрясений, часть из них оказываются разрушительными, часть вообще не ощущается людьми. Интенсивность землетрясений может быть оценена с двух позиций: 1) внешнего эффекта землетрясения и 2) измерения физического параметра землетрясения – магнитуды.
Определение внешнего эффекта землетрясения основано на определении его интенсивности , представляющей собой меру величины сотрясения грунта. Она определяется степенью разрушения построек, характером изменения земной поверхности и ощущениями, которые испытывают люди во время землетрясений. Интенсивность землетрясений измеряется в баллах.
Разработано несколько шкал для определения интенсивности землетрясений. Первая из них была предложена в 1883-1884 гг. М. Росси и Ф. Форелем, интенсивность в соответствии с этой шкалой измерялась в интервале от 1 до 10 баллов. Позднее, в 1902 г. в США была разработана более совершенная 12-балльная шкала, получившая название шкалы Меркалли (по имени итальянского вулканолога). Этой шкалой, несколько видоизменённой, и в настоящее время широко пользуются сейсмологи США и ряда других стран. В нашей стране и некоторых европейских странах используется 12-балльная международная шкала интенсивности землетрясений (MSK-64), получившая название по первым буквам её авторов (Медведев –Шионхойер - Карник).
| Баллы | Критерии |
| ОДИН БАЛЛ | Людьми такое землетрясение не ощущается, за исключением единичных наблюдателей, находящихся в особо чувствительных местах и занимающих определенные положения. Толчки регистрируются только специальными сейсмографами. |
| ДВА БАЛЛА | Землетрясение очень слабое. Колебание почвы ощущается немногими людьми, находящимися в покое, главным образом в самых верхних этажах зданий, расположенных в непосредственной близости от эпицентра. |
| ТРИ БАЛЛА | Землетрясение слабое. Колебания ощущаются в помещениях, главным образом в верхних этажах высотных зданий. Во время этого землетрясения раскачиваются подвешенные предметы, особенно люстры, скрипят и приходят в движение раскрытые двери. Стоящие автомобили начинают слегка раскачиваться на рессорах. Некоторые люди способны оценить длительность сотрясения. |
| ЧЕТЫРЕ БАЛЛА | Умеренное землетрясение. Оно ощущается многими людьми и особенно теми, кто находится в помещении. Лишь немногие люди могут почувствовать такое землетрясение на открытом воздухе, и только те, кто в данное время находится в покое. Некоторые люди ночью от такого землетрясения пробуждаются. В момент землетрясения раскачиваются подвешенные предметы, дребезжат стекла, хлопают двери, звенит посуда, трещат деревянные стены, карнизы и перекрытия. Заметно покачиваются на рессорах стоящие автомашины. |
| ПЯТЬ БАЛЛОВ | Ощутимое землетрясение. Оно чувствуется всеми людьми, где бы они ни находились. Просыпаются все спящие. Двери раскачиваются на петлях и открываются самопроизвольно, стучат ставни, захлопываются и открываются окна. Жидкость в сосудах раскачивается и иногда переливается через край. Бьется часть посуды, трескаются оконные стекла, местами в штукатурке появляются трещины, опрокидывается мебель. Маятниковые часы останавливаются. Иногда раскачиваются телеграфные столбы, опорные мачты, деревья и все высокие предметы. |
| ШЕСТЬ БАЛЛОВ | Сильное землетрясение. Ощущается всеми людьми. Многие люди в испуге покидают помещение. В момент колебания почвы и после них походка становится неустойчивой. Бьются окна и стеклянная посуда. Отдельные предметы падают со стола. Падают картины. Приходит в движение и опрокидывается мебель. Появляются трещины на стенах в кирпичной кладке. Заметно сотрясаются деревья и кусты. |
| СЕМЬ БАЛЛОВ | Очень сильное землетрясение. Люди с трудом удерживаются на ногах. В испуге инстинктивно выбегают из помещений. Дрожат подвешенные предметы. Ломается мебель. Многие здания получают сильные повреждения. Печные трубы обламываются на уровне крыш. Обваливается штукатурка, плохо уложенные кирпичи, камни, черепица, карнизы и неукрепленные специально парапеты. Появляются значительные трещины в грунте. Происходят оползни и обвалы на каменистых и глинистых склонах. Самопроизвольно звонят колокола. В реках и открытых водоемах мутнеет вода. Из бассейнов вода выплескивается. Повреждаются бетонные оросительные каналы. |
| ВОСЕМЬ БАЛЛОВ | Разрушительное землетрясение. Типовые здания получают значительные повреждения. Иногда частично разрушаются. Ветхие постройки разрушаются. Происходит отрыв панелей от каркасов. Покачиваются и падают печные и фабричные трубы, памятники, башни, колонны, водонапорные башни. Ломаются сваи. Обламываются ветви на деревьях, возникают трещины во влажном грунте и на крутых склонах. |
| ДЕВЯТЬ БАЛЛОВ | Опустошительное землетрясение. От действия такого землетрясения возникает паника. Дома разрушаются. Серьезно повреждаются плотины и борта водохранилищ. Рвутся подземные трубопроводы. На земной поверхности появляются значительные трещины. |
| ДЕСЯТЬ БАЛЛОВ | Уничтожающее землетрясение. Большая часть построек разрушается до основания. Обрушиваются некоторые хорошо построенные деревянные здания и мосты. Серьезные повреждения получают дамбы, насыпи и плотины. На земной поверхности появляются многочисленные трещины, некоторые из них имеют ширину около 1 м. Возникают большие провалы и крупные оползни. Вода выплескивается из каналов, русел рек и из озер. Приходят в движение песчаные и глинистые грунты на пляжах и низменных участках. Слегка изгибаются рельсы на железных дорогах. Ломаются крупные ветви и стволы деревьев. |
| ОДИННАДЦАТЬ БАЛЛОВ | Катастрофическое землетрясение. Сохраняются только немногие, особо прочные каменные здания. Разрушаются плотины, насыпи, мосты. На поверхности земли появляются широкие трещины, уходящие глубоко в недра. Подземные трубопроводы полностью выходят из строя. Сильно вспучиваются рельсы на железных дорогах. На склонах возникают крупные оползни. |
| ДВЕНАДЦАТЬ БАЛЛОВ | Сильное катастрофическое землетрясение. Полное разрушение зданий и сооружений. До неузнаваемости изменяется ландшафт, смещаются скальные массивы, оползают склоны, возникают крупные провалы. Поверхность земли становится волнообразной. Образуются водопады, возникают новые озера, изменяются русла рек. Растительность и животные погибают под обвалами и осыпями. Обломки камней и предметов взметаются высоко в воздух. |
В соответствии с этой шкалой землетрясения подразделяются на слабые - от 1 до 4 баллов, сильные - от 5 до 7 баллов и сильнейшие - более 8 баллов.
Оценка интенсивности землетрясений, хотя и опирается на качественную оценку эффекта землетрясения (воздействие землетрясения на поверхность), но не позволяет проводить математически точное определение параметров землетрясения.
В 1935 г. американским сейсмологом Ч. Рихтером была предложена более объективная шкала, основанная на измерении магнитуды (эта шкала впоследствии стала широко известна как шкала Рихтера). Магнитуда (от лат. «magnitudo» – величина ), согласно определению Ч. Рихтера и Б. Гуттенберга, это величина, представляющая собой десятичный логарифм максимальной амплитуды сейсмической волны (в тысячных долях миллиметра), записанной стандартным сейсмографом на расстоянии 100 км от эпицентра землетрясения .
Хотя в этом определении не уточняется, какие из существующих волн надо принимать в расчет, стало общепринятым измерять максимальную амплитуду продольных волн (для землетрясений, очаг которых располагается вблизи поверхности, обычно измеряется амплитуда поверхностных волн). В целом, магнитуда характеризует степень смещения частиц грунта при землетрясениях: чем больше амплитуда, тем значительнее смещение частиц.
Шкала Рихтера теоретически не имеет верхнего предела. Чувствительные приборы регистрируют толчки с магнитудой 1,2, в то время как люди начинают ощущать толчки только с магнитудой 3 или 4. Наиболее сильные землетрясения, происшедшие в историческое время, достигали магнитуды 8,9 (печально знаменитое землетрясение в Лиссабоне в 1755 г.).
Между интенсивностью землетрясения в эпицентре (I 0), которая выражается в баллах, и величиной магнитуды (М) существует зависимость, описываемая формулами
I 0 = 1,7М-2,2 и М = 0,6I 0 +1,2 .
Соотношение между балльностью и магнитудой зависит от расстояния между очагом и точкой регистрации на поверхности земли. Чем меньше глубина очага, тем больше интенсивность сотрясения на поверхности при одной и той же магнитуде.
Следовательно, землетрясения с одинаковой магнитудой могут вызывать разные разрушения на поверхности в зависимости от глубины очага.
Регистрация землетрясений проводится на сейсмических станциях с помощью специальных приборов – сейсмографов, записывающих даже малейшие колебания грунта. Запись колебаний называют сейсмограммой. Сейсмограммы должны регистрировать колебания грунта в двух взаимоперпендикулярных направлениях в горизонтальной плоскости и колебания в вертикальной плоскости, для чего в состав сейсмографов включены три записывающих устройства (сейсмометра). На основании определения разницы во времени регистрации разных типов сейсмических волн, и зная скорость их распространения, можно определить положение гипоцентра землетрясения. Точность таких определений достаточно высока, особенно с учётом того, что к сегодняшнему дню действует развитая международная сеть сейсмических станций.
Для характеристики землетрясений важное значение имеют также их энергия и ускорение при сотрясении грунта.
Энергия, выделяемая при землетрясении, может быть рассчитана исходя из значения магнитуды по формуле
log Е = 11,5 M , где Е – энергия, М – магнитуда.
Величина ускорения показывает, с какой скоростью происходит сотрясение грунта. Ускорения, получаемые грунтом, передаются сооружениям, которые начинают раскачиваться и разрушаться. Для измерения ускорения пользуются показаниями специальных приборов - акселерографов, которыми оснащены современные сейсмографы. Ускорения в горизонтальном направлении всегда больше, чем в вертикальном. Так, максимально высокие из зарегистрированных горизонтальных ускорений составляют 1,15g, а максимально высокие вертикальные - до 0,7g. Именно поэтому наиболее опасными считаются горизонтальные толчки.
Размещение сейсмически активных зон
Подавляющее большинство землетрясений приурочены к тектонически активным зонам земной коры, связанным с границами литосферных плит. Так высокосейсмичным районом является обрамление Тихого океана, где океаническая литосферная плита поддвигается под континентальные или более древние океанические плиты (процесс поддвига океанической плиты называют субдукцией). Зоны поддвига плиты и её погружения в мантию трассируется положением очагов землетрясений, фиксируемых до поверхности нижней мантии (граница 670 км, связанная с возрастанием плотности вещества) и иногда глубже. Эти зоны получили название сейсмофокальных зон Беньофа. Ещё одна область активной сейсмичности связана с Альпийско-Гималайским поясом, протягивающимся от Гибралтара до Бирмы. Этот грандиозный складчатый пояс образован в результате столкновения континентальных литосферных плит. В пределах этого пояса очаги землетрясений приурочены главным образом к земной коре (глубинам до 40-50 км) и не образуют выраженных сейсофокальных зон. Их образование связано с процессами скучивания и раскалывания на надвигающиеся друг на друга пластины толщ континентальной литосферы. Очаги землетрясений приурочены и к зонам раздвижения и раскалывания плит. Процесс раздвижения литосферных, сопровождающийся формированием новой океанической коры за счёт мантийных расплавов, активно протекает в зонах срединно-океанических хребтов. Растяжение континентальных литосферных плит (происходящее, например, в Восточной Африке или в районе озера Байкал).
