Физика землетрясений

Эпицентры землетрясений (1963—1998)

Колебания от землетрясений передаются в виде сейсмических волн. Землетрясения и связанные с ними явления изучает сейсмология, которая ведёт исследования по следующим основным направлениям:

Землетрясения также могут быть вызваны обвалами и большими оползнями. Такие землетрясения называются обвальными, они имеют локальный характер и небольшую силу.

Вулканические землетрясения — разновидность землетрясений, при которых толчки возникают в результате высокого напряжения в недрах вулкана. Причина таких землетрясений — лава, вулканические газы. Землетрясения этого типа слабы, но продолжаются долго, многократно — недели и месяцы. Тем не менее, опасности для людей землетрясение этого вида не представляет. Кстати, землетрясение иногда является самым опасным стихийным бедствием наряду с извержением вулкана.

Причиной землетрясения является быстрое смещение участка литосферы (литосферных плит) как целого в момент релаксации (разрядки) упругой деформации напряжённых пород в очаге землетрясения.

Согласно научной классификации, по глубине возникновения землетрясения делятся на 3 группы:

К последней группе относится землетрясение, которое произошло 24 мая 2013 года в Охотском море, тогда сейсмические волны достигли многих уголков России, в том числе и Москвы. Глубина этого землетрясения достигала 600 км.

Сейсмические волны и их измерение

Скольжению пород вдоль разлома в начале препятствует трение. Вследствие этого, энергия, вызывающая движение, накапливается в форме упругих напряжений пород. Когда напряжение достигает критической точки, превышающей силу трения, происходит резкий разрыв пород с их взаимным смещением; накопленная энергия, освобождаясь, вызывает волновые колебания поверхности земли — землетрясения. Землетрясения могут возникать также при смятии пород в складки, когда величина упругого напряжения превосходит предел прочности пород, и они раскалываются, образуя разлом.

Сейсмические волны, порождаемые землетрясениями, распространяются во все стороны от очага подобно звуковым волнам. Точка, в которой начинается подвижка пород, называется фокусом, очагом или гипоцентром, а точка на земной поверхности над очагом — эпицентром землетрясения. Ударные волны распространяются во все стороны от очага, по мере удаления от него их интенсивность уменьшается.

Скорости сейсмических волн могут достигать 10 км/с.

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).

Типы сейсмических волн

Сейсмические волны делятся на 3 типа:

Процессы, происходящие при сильных землетрясениях

Распространение волн цунами на Тихом океане, Землетрясение в Японии (2011)

Подводные землетрясения (моретрясения) являются причиной цунами — длинных волн, порождаемых мощным воздействием на всю толщу воды в океане, во время которых происходит резкое смещение (поднятие или опускание) участка морского дна. Цунами образуются при землетрясении любой силы, но большой силы достигают те, которые возникают из-за сильных землетрясений (с магнитудой более 7).

Резкое перемещение больших масс земли в очаге должно сопровождаться ударом колоссальной силы.

Измерение силы и воздействий землетрясений

Для оценки и сравнения землетрясений используются шкала магнитуд (например, шкала Рихтера) и различные шкалы интенсивности.

Шкала магнитуд. Шкала Рихтера

Шкала магнитуд различает землетрясения по величине магнитуды, которая является относительной энергетической характеристикой землетрясения. Существует несколько магнитуд и соответственно магнитудных шкал:

Интенсивность землетрясений (не может быть оценена магнитудой) оценивается по тем повреждениям, которые они причиняют в населённых районах.

Интенсивность является качественной характеристикой землетрясения и указывает на характер и масштаб воздействия землетрясения на поверхность земли, на людей, животных, а также на естественные и искусственные сооружения в районе землетрясения. В мире используется несколько шкал интенсивности:

Шкала Медведева-Шпонхойера-Карника (MSK-64)

12-балльная 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). M SK-64 лежит в основе СНиП II-7-81 «Строительство в сейсмических районах» и продолжает использоваться в России и некоторых странах. В Казахстане в настоящее время используется СНиП РК 2.03-30-2006 «Строительство в сейсмических районах».

Другие виды землетрясений

Вулканические землетрясения — разновидность землетрясений, при которых толчки возникают в результате высокого напряжения в недрах вулкана. Причина таких землетрясений — лава, вулканический газ которые давят снизу на поверхность Земли. Землетрясения этого типа слабы, но продолжаются долго, многократно — недели и месяцы. Тем не менее, опасности для людей землетрясение этого вида не представляет. Кроме того, вулканические землетрясения обычно являются предвестниками извержения вулкана, которое грозит более серьёзными последствиями.

Тектонические и техногенные

Тектонические землетрясения возникают при смещении горных плит или в результате столкновений океанической и материковой платформ. При таких столкновениях образуются горы или впадины и происходят колебания поверхности.

Даже если бы точность измерений и несуществующая пока физико-математическая модель сейсмического процесса дали возможность с достаточной точностью определить место и время начала разрушения участка земной коры, магнитуда будущего землетрясения остаётся неизвестной. Дело в том, что все модели сейсмичности, воспроизводящие график повторяемости землетрясений, содержат тот или иной стохастический генератор, создающий в этих моделях динамический хаос, описываемый лишь в вероятностных терминах. Более явно источник стохастичности качественно можно описать следующим образом. Пусть распространяющийся во время землетрясения фронт разрушения подходит к участку повышенной прочности. От того, будет разрушен этот участок или нет, зависит магнитуда землетрясения. Например, если фронт разрушения пройдёт дальше, землетрясение станет катастрофическим, а если нет, останется небольшим. Исход зависит от прочности участка: если она ниже некоторого порога, разрушение пойдет по первому сценарию, а если выше, по второму. Возникает «эффект бабочки»: ничтожно малое различие в прочности или напряжениях приводит к макроскопическим последствиям, которые нельзя предсказать детерминистически, поскольку это различие меньше любой точности измерений. А предсказание места и времени землетрясения с неизвестной и, возможно, вполне безопасной магнитудой не имеет практического смысла, в отличие от расчёта вероятности того, что сильное землетрясение произойдёт.

Распространение и история

Землетрясения захватывают большие территории и характеризуются: разрушением зданий и сооружений, под обломки которых попадают люди; возникновением массовых пожаров и производственных аварий; затоплением населенных пунктов и целых районов; отравлением газами при вулканических извержениях; поражением людей и разрушением зданий обломками вулканических горных пород; поражением людей и возникновением ячеек пожаров в населенных пунктах от вулканической лавы; провалом населенных пунктов при обвальных землетрясениях; разрушением и смывом населенных пунктов волнами цунами; отрицательным психологическим воздействием.

Наиболее разрушительные землетрясения

Последствия катастрофического землетрясения в Сан-Франциско, США, в 1906 году

Люди осматривают руины после цунами, которое возникло в результате подводного землетрясения

Последствия землетрясения в Японии — произошёл разлом дороги

Великое китайское землетрясение

Великое лиссабонское землетрясение с магнитудой в 8,7 произошло 1 ноября 1755 года, в 9.20 утра. Оно превратило в руины Лиссабон — столицу Португалии, и стало одним из самых разрушительных и смертоносных землетрясений в истории, унеся жизни около 90 тысяч человек за 6 минут. За подземными толчками последовали пожар и цунами, причинившее особенно много бед в силу прибрежного расположения Лиссабона. Землетрясение обострило политические противоречия в Португалии и, фактически, положило начало заката Португалии как колониальной империи. Событие широко обсуждалось европейскими философами эпохи Просвещения и способствовало дальнейшему развитию концепций теодицеи.

Ассамское землетрясение (1897)

Великое землетрясение Канто́ (яп. Канто: дайсинсай) — сильное землетрясение (магнитуда 8,3), 1 сентября 1923 года произошедшее в Японии. Название получило по региону Канто, которому был нанесён наибольший ущерб. На Западе его именуют также Токийским или Йокогамским, поскольку оно практически полностью разрушило Токио и Йокогаму. Землетрясение стало причиной гибели нескольких сотен тысяч человек и причинило значительный материальный ущерб. Землетрясение началось 1 сентября 1923 года, после полудня. Эпицентр его располагался в 90 км к юго-западу от Токио, на морском дне, возле острова Осима в заливе Сагами. Всего за двое суток произошло 356 подземных толчков, из которых первые были наиболее сильными. В заливе Сагами из-за изменения положения морского дна поднялись 12-метровые волны цунами, которые опустошили прибрежные поселения. По масштабу разрушений и количеству пострадавших это землетрясение является самым разрушительным за всю историю Японии (но не самым сильным, так, землетрясение 2011 года более мощное, но вызвало менее масштабные последствия).

Крымское землетрясение 1927 года

Крымское землетрясение 1927 года — землетрясение на Крымском полуострове, произошедшее 26 июня 1927 года. Несмотря на то, что землетрясения происходили в Крыму ещё с древнейших времен, самые известные и самые разрушительные землетрясения случились в 1927 году. Первое из них произошло днем 26 июня. Сила землетрясения 26 июня составила на Южном берегу 6 баллов. Оно не вызвало сколько-нибудь серьёзных разрушений и жертв, однако в результате возникшей в некоторых местах паники не обошлось без пострадавших. Очаговая область землетрясения располагалась под дном моря, к югу от поселков Форос и Мшатка и, вероятно, вытягивалась поперек берега. Уже во время самого землетрясения рыбаки, находившиеся 26 июня 1927 г. в 13:21 в море, отметили необычное волнение: при совершенно тихой и ясной погоде на воде образовалась мелкая зыбь и море как бы кипело. До землетрясения оно оставалось совершенно тихим и спокойным, а во время толчков послышался сильный шум.

Ашхабадское землетрясение — разрушительное землетрясение, произошедшее 6 октября 1948 года в 02:17 по местному времени вблизи города Ашхабада магнитудой 7,3 по шкале Рихтера. Его очаг располагался на глубине в 18 км, практически прямо под городом. В эпицентре интенсивность сотрясений доходила до IX—X баллов по шкале MSK-64. Ашхабад был полностью разрушен, погибло около 35 тысяч человек. Помимо Ашхабада пострадало большое количество населенных пунктов в близлежащих районах, в Ашхабадском — 89 и Гекдепинском — 55, а также соседнем Иране. С 1995 года дата 6 октября узаконена в Туркменистане как День поминовения.

Великое Чилийское землетрясение

Великое Чилийское Землетрясение (иногда — Вальдивское Землетрясение, исп. Terremoto de Valdivia) — сильнейшее землетрясение в истории наблюдения, моментная магнитуда — по разным оценкам от 9,3 до 9,5, произошло 22 мая 1960 года в 19:11 UTC в Чили. Эпицентр располагался возле города Вальдивия () в 435 километрах южнее от Сантьяго. Волны возникшего цунами достигали высоты 10 метров и нанесли значительный ущерб городу Хило на Гавайях примерно в 10 тыс. километрах от эпицентра, остатки цунами достигли даже берегов Японии. Количество жертв составило около 6 тыс. человек, причём основная часть людей погибла от цунами.

Великое Аляскинское землетрясение

Великое Аляскинское землетрясение — сильнейшее землетрясение в истории США и второе, после Вальдивского, в истории наблюдений, его моментная магнитуда составила 9,1-9,2. Землетрясение произошло 27 марта 1964 года в 17:36 по местному времени (UTC-9). Событие пришлось на Страстную пятницу и в США известно как Good Friday Earthquake. Гипоцентр находился в Колледж-фьорде, северной части Аляскинского залива на глубине более 20 км на стыке Тихоокеанской и Северо-Американской плит. Великое Аляскинское землетрясение повлекло разрушения в населённых пунктах Аляски, из крупных городов наиболее пострадал Анкоридж, находившийся в 120 км западнее эпицентра.

Ташкентское землетрясение — катастрофическое землетрясение (магнитуда 5,2), произошедшее 26 апреля 1966 года в 5 часов 23 минуты в Ташкенте. При относительно небольшой магнитуде (М=5,2), благодаря небольшой глубине (от 3 до 8 км) залегания очага, оно вызвало 8—9-балльные (по 12-балльной шкале MSK-64) сотрясения земной поверхности и существенные повреждения строительных объектов в центре города. Зона максимальных разрушений составляла около десяти квадратных километров. На окраинах же столицы сейсмический эффект едва достигал 6 баллов. Сильные колебания почвы с частотой 2—3 Гц продолжались 10—12 секунд. Относительно небольшое число пострадавших (8 погибших и несколько сот травмированных) в городе с миллионным населением обязано преобладанию вертикальных (а не горизонтальных) сейсмических колебаний, что предотвратило полный обвал даже ветхих глинобитных домов. Анализ причин травм показал, что в 10 % случаев они были получены от обрушений стен и крыш, 35 % — от падающих конструктивных частей зданий и сооружений (штукатурка, гипсовая лепка, кирпичи и т. п.) и предметов домашнего обихода. В 55 % причинами травм было неосознанное поведение самих пострадавших, обусловленное паническим состоянием и страхом (выпрыгивание из верхних этажей, ушибы о различные предметы и тому подобное). Однако впоследствии количество смертельных случаев умножилось в результате сердечных приступов в период возникновения даже незначительных повторных толчков. Ташкент — является столицей страны, находящиеся в Центральной Азии — Узбекистан.

Землетрясение в Таншане (кит. ) — природная катастрофа, произошедшая в китайском городе Таншане (провинция Хэбэй) 28 июля 1976 года. Землетрясение магнитудой 7,8 считается крупнейшей природной катастрофой XX века. По официальным данным властей КНР, количество погибших составляло 242 419 человек. В 3:42 по местному времени город был разрушен сильным землетрясением, гипоцентр которого находился на глубине 22 км. Разрушения имели место также и в Тяньцзине и в Пекине, расположенном всего в 140 км к западу. Вследствие землетрясения около 5,3 миллионов домов оказались разрушенными или повреждёнными настолько, что в них невозможно было жить. Несколько повторных толчков, сильнейший из которых имел магнитуду 7,1, привели к ещё бо́льшим жертвам.

Землетрясение в Кобе (яп. ) — одно из крупнейших землетрясений в истории Японии. Землетрясение произошло утром во вторник 17 января 1995 года в 05:46 местного времени. Магнитуда составила 7,3 по шкале Рихтера. По подсчётам, во время землетрясения погибло 6 434 человек. Последствия стихии: разрушение 200000 зданий, 1 км скоростного шоссе Хансин, уничтожение 120 из 150 причалов в порту Кобе, нарушения электроснабжения города. Жители боялись вернуться домой из-за подземных толчков, которые продолжались несколько дней. Ущерб составил примерно десять триллионов иен или 102,5 млрд долларов США, или 2,5 % от ВВП Японии в то время.

Подводное землетрясение в Индийском океане

Подводное землетрясение в Индийском океане, произошедшее 26 декабря 2004 года в 00:58:53 UTC (07:58:53 по местному времени), вызвало цунами, которое было признано самым смертоносным стихийным бедствием в современной истории. Магнитуда землетрясения составила, по разным оценкам, от 9,1 до 9,3. Это третье по силе землетрясение за всю историю наблюдения.

Эпицентр землетрясения находился в Индийском океане, к северу от острова Симёлуэ, расположенного возле северо-западного берега острова Суматры (Индонезия). Цунами достигло берегов Индонезии, Шри-Ланки, юга Индии, Таиланда и других стран. Высота волн превышала 15 метров. Цунами привело к огромным разрушениям и огромному количеству погибших людей, даже в Порт-Элизабет, в ЮАР, в 6900 км от эпицентра.

В Японии (2011)

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 31 января 2021 года; проверки требуют 13 правок.

Сейсмические волны — волны, переносящие энергию упругих (механических) колебаний в горных породах. Источником сейсмической волны может быть землетрясение, взрыв, вибрация, удар, как и любое воздействие на горные породы, вызывающие в них появление упругих колебаний. Сейсмические волны изучаются в сейсмологии и разведочной геофизике. Для записи колебаний, вызываемых сейсмическими волнами, применяются автономные сейсморегистраторы или приёмники, подключённые к сейсмостанциям. Скорость распространения волн зависит от плотности и упругих модулей среды, в которой распространяется волна. Скорость сейсмических волн обычно убывает с уменьшением глубины; на уровне мантии — 13 км/с, в верхних слоях земной коры она составляет 1—8 км/с,. Частота сейсмических волн изменяется в диапазоне от долей до первых сотен герц (т.е. от инфразвука до ≈первой октавы).

Объемные волны и поверхностные волны

P- и S-волны на показаниях сейсмографа

Типы сейсмических волн

Распространение P- и S-волн

Сейсмические волны подразделяются на объёмные и поверхностные.

Объёмные волны без ограничений распространяются в всем объёме геологической среды. Они делятся на продольные и поперечные.

Поверхностные волны несколько похожи на волны воды, но в отличие от них они путешествуют по земной поверхности. Их обычная скорость значительно ниже скорости волн тела. Из-за своей низкой частоты, времени действия и большой амплитуды они являются самыми разрушительными изо всех типов сейсмических волн.

P- и S-волны в мантии и ядре

Когда происходит землетрясение, сейсмографы вблизи эпицентра записывают S- и P-волны. Но на больших расстояниях обнаружить высокие частоты первой S-волны невозможно. Поскольку поперечные волны не могут проходить через жидкости, на основании этого явления Ричард Диксон Олдхэм выдвинул предположение, что Земля имеет жидкое внешнее ядро. По этому виду исследования в дальнейшем было выдвинуто предположение, что у Луны твёрдое ядро, но недавние геофизические исследования показывают, что оно ещё расплавлено.

Использование P- и S- волн для локации землетрясения

В случае локальных или близлежащих землетрясений разница прибытия P- и S- волн может использоваться для обнаружения дистанции от события. В случае глобальных землетрясений четыре или более наблюдательных станций, синхронизированных по времени, записывают время прибытия P-волн. На основе этих данных можно вычислить эпицентр в любой точке планеты. Для определения гипоцентра используется больший объём данных (десятки или сотни записей прибытия P-волн с сейсмических станций).

Амплитудой сейсмической упругой волны является максимальное значение смещения колеблющейся частицы горной породы относительно равновесного состояния. В зависимости от типа приёмника сейсмических колебаний амплитуда может быть равна максимальной скорости или ускорению колеблющихся частиц. После преобразования в приёмниках сейсмический сигнал становится электрическим, поэтому амплитуда выражается уже в мВ или в единицах АЦП. Эталона сейсмической волны в настоящее время не существует, поэтому вопрос об единице измерения амплитуды остаётся открытым и она полагается безразмерной.

В зависимости от полярности сейсмического импульса амплитуда волны может иметь положительное или отрицательное значение. Импульс с положительной амплитудой имеет полярность (порядок следования фаз) такой же как и у волны, создаваемой непосредственно источником, а импульс с отрицательной амплитудой — противоположный.

• Бармасов А. В. Курс общей физики для природопользователей. Колебания и волны. — БХВ-Петербург, 2009.
• Гурвич И. И., Боганик Г. Н. Сейсмическая разведка. — М.: Недра, 1980.

Некоторые внешние ссылки в этой статье ведут на сайты, занесённые в спам-лист

Эти сайты могут нарушать авторские права, быть признаны неавторитетными источниками или по другим причинам быть запрещены в Википедии. Редакторам следует заменить такие ссылки ссылками на соответствующие правилам сайты или библиографическими ссылками на печатные источники либо удалить их (возможно, вместе с подтверждаемым ими содержимым).

Список проблемных ссылок

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

В результате неравномерного радиоактивного разогрева вещества мантии происходит его перераспределение из областей с высокой температурой в более холодные (из областей срединно – океанических хребтов в сторону от их осей).

Блоки литосферы, лежащие на веществе мантии, перемещаются относительно друг друга по поверхности размягченных пород (астеносферы).

Рис. 1. Землетрясение

В результате перемещения блоков океаническая плита начинает подвигаться («подныривать») под континентальную плиту. При этом океаническая плита начинает изгибаться. Когда деформация достигает критической величины, на границе между континентальной корой островов и океанической происходит проскальзывание, в результате чего океаническая кора рывком возвращается в прежнее положение, т.е. поднимается.

При средней скорости продвигания 5 см в год и периодами между землетрясениями в 100 лет, получается, что величина проскальзывания будет равна 5 метров.

Вся жесткая тихоокеанская плита подвигается под континентальную.

Область, в которой происходит мгновенная разрядка тектонических напряжений называется гипоцентром. Проекция гипоцентра на земную поверхность называется эпицентром землетрясения.

Землетрясения принято подразделять на три группы:

Гипоцентры глубокофокусных землетрясений располагаются на некоторой, уходящей вниз, плоскости, наклоненной в сторону континента. Эти плоскости названы зонами Беньофа.

Глубины очагов увеличивается в направлении к континенту. Наибольшая их глубина (около 500км) зафиксирована вблизи тихоокеанского побережья Азии.

Для возникновения упругих волн необходимо, чтобы разрыв произошел достаточно мгновенно (резко), а значит, материал должен быть хрупким.

На больших же глубинах вещество мантии находится в размягченном состоянии под влиянием высоких температуры и давления, т.е. хрупкости у вещества мантии нет. Чтобы хрупкость сохранялась нужно, чтобы породы быстро не нагревались.

Эта зона может оставаться достаточно холодной, если она постоянно снабжается новым холодным материалом, виде опускающейся литосферной плиты.

Для классификации землетрясений по их интенсивности в очаге Ч. Рихтер предложил в 1935 году шкалу Магнитуд (М).

Магнитуда землетрясения – условная величина, характеризующая общую энергию упругих колебаний (Е), вызванных землетрясением или взрывом, пропорциональна lg энергии землетрясения.

Она определяется как десятичный lg амплитуды наибольшего колебания и может быть вычислена по формуле Бота:

М= lg(A/T) + f(Δh)+C,

где А – амплитуда смещения почвы в микрометрах (1*10‐6 м) – для

Т – преобладающий период, в сек.

T = 2R/ υ sin(Δ/2)

f(Δh) – эмпирическая калибровочная функция, дающая ход изменения А/Т в зависимости от Δ ‐ эпицентрального расстояния (измеряемое углом, который образуется радиусами, проведенными из центра Земли через очаг землетрясения (G) – гипоцентр и через сейсмостанцию(СП));

h – глубина очага, км;

c – станционная поправка (учитывает условие установки регистрирующей

Между энергией землетрясения (Е) и его магнитудой (М) существует ряд зависимостей, лучшей из которых считается формула, полученная Гутенбергом и Рихтером

lg E = 9.4+2.14M ‐0.054 M 2.

При М=8,7 по шкале Рихтера (самое сильное землетрясение за последнее время Ассамское, 1952г), получил Е = 5*1024 эрг. (1 эрг = 10 Дж; Дж = Н*м = Вт*с =(кг*м2)/с. 4,1868Дж = 1 калории(кал)).

Шкала Рихтера (рис 2.)

Рис. 2. Шкала Рихтера

Рихтер предложил для оценки силы землетрясения (в его эпицентре) десятичный логарифм перемещения (в микрометрах) иглы стандартного сейсмографа Вуда-Андерсона, расположенного на расстоянии не более 600 км от эпицентра: ML=lgA+f, где f — корректирующая функция, вычисляемая по таблице в зависимости от расстояния до эпицентра. Энергия землетрясения примерно пропорциональна А3/2 то есть увеличение магнитуды на 1,0 соответствует увеличению амплитуды колебаний в 10 раз и увеличению энергии примерно в 32 раза.

Эта шкала имела несколько существенных недостатков:

Рихтер использовал для градуировки своей шкалы малые и средние землетрясения южной Калифорнии, характеризующиеся малой глубиной очага.

Из-за ограничений используемой аппаратуры шкала Рихтера была ограничена значением около 6,8.

Для сравнения силы сотрясений на поверхности Земли было предложено несколько шкал, по которым интенсивность сотрясений оценивается полуколичественным способом в баллах. В нашей стране применяется международная шкала MSK‐64(по начальным буквам фамилий ее создателей С. В. Медведева, В. Шпонхойера, В. Карника и ее году принятия) – ГОСТ 6249‐52.

По шкале MSK‐64 землетрясения по интенсивности их проявления на поверхности подразделяются на 12 баллов(I‐XII).

I –IV бала – слабые: при III балльном земные колебания отмечаются немногими людьми и только в помещении.

V‐VII бал – сильные: при V баллах – качаются висячие предметы. Ощущается всеми людьми толчки в помещениях. При VI появляются повреждения в зданиях.

VIII‐XII бал – сильнейшие: при VIII бал серьезные повреждения в зданиях с обрушениями. Люди впадают в состояние испуга и паники. При X бал. ‐ всеобщее разрушение зданий, нарушение поверхности почвы. Интенсивность землетрясения оценивается:

J = 6 lg a +0.5,

где а – ускорение движения почвы, в см/с2.

Шкала магнитуд М и шкала интенсивностей J в баллах независимы. Они описывают разные стороны проявления землетрясений.

Шкала J дает оценки качественного характера – силу разрушений на поверхности Земли, а шкала М – количественную характеристику землетрясения – его общую энергию.

При одной и той же (М) но при разных глубинах (h) очага будут разные интенсивности землетрясения (J) в баллах.

Для неглубоких землетрясений существует корреляционная зависимость между М и J.

М = 0.67 * Jmax + 1.7 lg h ‐1.4.

О физике землетрясений

Гликман А. Г.
НТФ «Геофизпрогноз»
1 марта 2009, Санкт-Петербург

ССП-разрез при профилировании вдоль газопровода

К вопросу о физике землетрясений

(доклад сделал в Армении, в Гюмри, в Институте Геофизики Армянской Акадении Наук на научном семинаре «Проблемы усовершенствования шкалы сейсмической интенсивности»)

Гликман А. Г.
НТФ «ГЕОФИЗПРОГНОЗ»
26 октября 2016, Санкт-Петербург

При первом моем спуске в угольную шахту (в 1977-м году) я должен был исследовать звукопроводность кровли угольного пласта с тем, чтобы найти подход к прогнозированию обрушения пород кровли. Этот подход был найден в результате сделанного тогда очень серьезного открытия. Был обнаружен новый, неизвестный раньше тип колебательной системы. При определении частотной характеристики породного слоя выяснилось, что по своим акустическим свойствам он является колебательной системой.

Колебательная система – это объект, который на ударное воздействие реагирует затухающим гармоническим (синусоидальным) процессом. Частота f0 этой синусоиды оказалась связанной с толщиной (мощностью) h породного слоя следующим соотношением:

f0 = 2500 / h или, иначе говоря, h = 2500 / f0     

2500 – коэффициент с размерностью скорости, для всех горных пород отличающийся от этого значения не более, чем на ±10%. Что это за скорость, которая для всех горных пород имеет одинаковое значение – до сих пор не вполне понятно. Но поскольку соотношение

позволяет определять размеры залегающих в толще Земли геологических объектов с погрешностью, не превышающей ±10%, то с этим фактом, полученным эмпирическим путем, приходится считаться.

Если в соотношение

подставить значение диаметра Земли, равного 12742км, то период собственных колебаний нашей планеты окажется равным 85мин, что соответствует значению, известному всем сейсмологам. Этот факт позволяет утверждать, что по своим акустическим свойствам планета Земля, в целом, является колебательной системой и совокупностью отдельных колебательных систем. Диапазон частот синусоидальных сигналов, возникающих при ударном воздействии на поверхность Земли, определяется диапазоном мощностей геологических объектов, залегающих в зоне удара.

Принцип традиционной, т.н. лучевой сейсморазведки, предполагающей получение эхо-сигналов, требует применение аппаратуры осциллографического типа. В случае спектральной сейсморазведки, рассчитанной на то, что сейсмосигнал образуется суммой спектральных составляющих, аппаратура должна быть типа спектроанализатора.

При прохождении ССП-профиля через ЗТН в момент, когда имеет место планетарная пульсация, амплитуда возникающего сигнала такова, что при минимальной чувствительности аппаратуры и в отсутствии ударного воздействия сигнал, возникающий на мониторе, резко ограничен размерами монитора. Первоначально при возникновении такой картины она воспринималась как свидетельство неисправности аппаратуры. Однако при повторе измерений через сутки в том же месте этого сигнала уже не было, и можно было продолжать измерения.

При воздействии вибрирующим механизмом на колебательную систему, при приближении частоты вибрации к собственной частоте колебательной системы начинается плавное увеличение амплитуды колебаний. Амплитуда эта может увеличиться во столько раз, чему равна добротность Q колебательной системы. Добротность же упругих колебательных систем может иметь значение от 1 до тысяч.

Это мы дали описание явления, которое называется резонансом.

В настоящее время понятие резонанса используется очень часто не по назначению. Здесь надо понимать, что если вы произнесли слово «резонанс», то вы должны быть готовы ответить на вопрос, что именно исполняет роль колебательной системы.

Резонансные разрушения (техногенные землетрясения) происходят на объектах, оказывающих на свою опору (в простейшем случае – на грунт) динамическое (вибрационное) воздействие. Это электростанции всех типов (за исключением солнечных батарей), насосные станции, кузнечно-прессовые цеха, угольные комбайны, железнодорожные пути. И при этом колебательные системы – геологические структуры, залегающие в данном месте в земной толще.

В случае достаточно высокой добротности колебательной системы (в данном случае, роль ее выполняют геологические структуры, над которыми находятся перечисленные объекты) амплитуда вибрации может возрасти настолько, что вибрирующий объект либо проваливается в грунт (чаще всего это происходит с насосными станциями и железнодорожными насыпями), либо срывается со стопоров и разносит машинный зал (как это произошло с Саяно-Шушенской ГЭС).

С техногенными землетрясениями я познакомился в угольных шахтах. Там при работе комбайна может возникать весьма сильный грохот, и если механизмы не остановить, то возможно взрывоподобное разрушение подземной выработки. На участках, где это происходит, шахтеры стараются не выходить на работу.

Общим у природных и техногенных землетрясений является то, что как тем, так и другим предшествует возникновение колебаний грунта и рост их амплитуды.

На конференциях, где обсуждаются проблемы прогнозирования природных землетрясений, я неоднократно слышал, что непосредственно сейсмособытиям предшествуют увеличивающиеся по амплитуде сверхнизкочастотные колебания почвы. При определенных условиях амплитуда этих колебаний увеличивается настолько, что земная толща рвется, и при этом разрушаются находящиеся в этом месте инженерные сооружения. Самопроизвольное увеличение амплитуды колебаний – это признак резонансного явления.

ЗТН обладают целым рядом интереснейших свойств. Мы выявили этот объект с помощью аппаратуры ССП. Самое первое свойство ЗТН, которое мы обнаружили, заключается в том, что если инженерное сооружение оказалось в этой зоне, то оно неизбежно будет разрушаться. Много лет мы искали механизм этого разрушения, но после знакомства с планетарной пульсацией этот механизм стал понятен.

Если представить себе, что часть фундамента инженерного сооружения опирается на неподвижный грунт, а часть – на ЗТН, где грунт пульсирует, то на границе ЗТН возникают знакопеременные изгибные напряжения. Допустим, что фундамент – железобетонный. Этот материал держит колоссальные нагрузки, но совершенно не выдерживает изгибные напряжения.

При этом возникает парадоксальная ситуация. Чем более прочные материалы используются при строительстве сооружения, тем более сокрушительным будет воздействие на него со стороны ЗТН. А точнее, со стороны планетарной пульсации.

Таким образом, механизмом разрушения инженерных сооружений при землетрясениях является увеличение амплитуды планетарной пульсации. И наоборот, если дом находится вне ЗТН, то при любом землетрясении он не разрушится.

Замечено, что при землетрясениях любой силы, и даже в эпицентре, остаются неразрушенными какое-то количество инженерных сооружений. Это происходит в зонах, в которых нет зон тектонических нарушений (ЗТН). Измерения с помощью аппаратуры спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП)2 по периметру храма Ваграмабед (в Гюмри) это подтвердили.

При неизбежности строительства в ЗТН фундамент, наоборот, должен быть податливым и не сопротивляться планетарной пульсации. Особенно это актуально для сейсмоопасных регионов. Как я понимаю, японцы так и поступают. Некоторые элементы фундаментов японских инженерных сооружений содержат резиновые вкладки. И именно этим объясняется низкая аварийность в Японии при землетрясениях.

В 1997-м году выяснилось, что если заглубиться в землю в центре ЗТН, то можно получать воду. Занимаясь с тех пор поиском воды, я понял, что возникновение воды на Земле не соответствует утверждениям гидрогеологов, которые утверждают, что вода на землю поступает исключительно в качестве атмосферных осадков. Особую роль в этом противоречии сыграло очень большое количество фонтанирующих скважин и родников. Выход воды в этих источниках носит явно напорный характер, чего в случае поступления воды из осадков быть не может.

Если в ядре Земли постоянно идут процессы ядерного распада и синтеза, то кора – пассивная часть планеты, единственная роль которой – это термоизоляция ядра от поверхности планеты. Положение коры можно сравнить с одеждой, которую купили ребенку и больше не меняют. Ребенок растет, и одежда становится тесной. Со временем, она начнет разрываться.

Первоначально, в начале остывания Земли зоны тектонических нарушений не существовали, и возрастающее в результате ядерного синтеза в ядре Земли давление и температура достигли таких значений, что начали происходить разрывы коры. В эти разрывы устремился материал ядра Земли, и образовались горы. Кроме того, в эти разрывы устремилась синтезированная в околоядерном пространстве вода и образовались моря и океаны. Это способствовало раздвижению отдельных участков суши, которое продолжается и по сей день. Как доказали геологи, материки постоянно «разбегаются», удаляются друг от друга.

Два процесса сосуществуют на Земле – разбегание материков и поступление синтезированной воды. В зависимости от соотношения интенсивностей этих двух процессов, уровень мирового океана то повышается, то понижается. Когда повышается, ученые обещают затопление Великобритании, когда понижается, те же ученые обещают дефицит воды на Земле.

Кстати, о дефиците воды на Земле. За те почти уже 20 лет, что мы занимаемся поиском воды, мы поняли, что на Земле нет безводных мест. На Земле нет мест, где бы не было ЗТН, а почти все эти зоны могли бы служить точками водопритока.

Родники возникают в тех случаях, когда в ЗТН отсутствуют слои глины (водоупоры).

Так, на Кипре, который считается совершенно безводным, на самом высоком его месте бьет родник. То же и в Казахстане, высоко в горах, намного выше Медео, с невероятной силой бьет родник.

Если набрать на поисковике «подземные озера в пустынях», мы увидим массу случаев, когда в результате бурения в безводных пустынях в поисках нефти были найдены колоссальные запасы воды. Не понимая того, что это они случайно попали в ЗТН, ученые утверждают, что найдено подземное озеро.

А тем временем, ядро Земли постоянно стремится к расширению, давление внутри него увеличивается, и это способствует продолжениям разрывов коры. Разрывы коры способствуют увеличению количества ЗТН и увеличению размеров уже существующих ЗТН. Каждый случай разрыва коры воспринимается нами как очередное возникновение планетарной пульсации в той ЗТН, в которой произошел разрыв коры. Существование планетарной пульсации длится примерно сутки, после чего она прекращается, до следующего разрыва коры.

Бывают периоды, когда разрывы коры происходят чаще, бывает, когда реже. Изменение этого ритма, как оказалось, происходит примерно в одно и то же время на всей Земле. Известно такое явление, как обрушение крыш домов и этажных перекрытий. Если набрать это явление на поисковике, то вы увидите, что оно происходит на Земле в разных регионах более или менее одновременно. В 2006-м году, например, в течение двух-трех месяцев падали крыши практически на всей Земле. Падают крыши, а также проваливаются этажи в домах из-за их длительной раскачки. Если акты планетарной пульсации становятся более длительными, то увеличивается амплитуда раскачки инженерного сооружения, балки выходят из зацепления, и происходит обрушение крыши или перекрытия. Это зависит от конструкции дома.

Чаще всего акт планетарной пульсации происходит как один всплеск. Но бывает так, что в результате увеличивающегося давления разрывается не одна ЗТН, а несколько соседних. Тогда длительность пульсации увеличивается, и если частота пульсации оказывается близкой к собственной частоте колебательной системы, залегающей в земной толще в данной конкретной зоне, то может возникнуть резонансное явление, которое воспринимается как землетрясение.

В принципе, все эти явления и процессы – они несложные. Их вполне можно изучать, но для этого необходима метрологическая база. Нужны сейсмоприемники, способные регистрировать сверхнизкие частоты планетарной пульсации, нужны измерительные пункты, находящиеся в пределах различных ЗТН. Думаю, что при разработке методики прогнозирования природных землетрясений в первую очередь следовало бы создавать карты местонахождения наиболее значительных ЗТН. Это всё реальная работа, которая может иметь метрологическое обоснование. Эта работа обязательно позволит обнаруживать новые, ранее неизвестные эффекты.

Меня удивляет, что люди, занимающиеся физикой и регистрацией природных землетрясений, оперируют явлениями и эффектами, которые если и существуют, то только в их воображении. Так, считается, что развитие землетрясений заключается в подвижках тектонических плит. Но почему-то никого не беспокоит, что эти самые плиты и их движение не могут быть обнаружены ничем. Считается, что информацию об этом может дать сейсморазведка. Но, увы, как стало известно, сейсморазведка не может дать в принципе никакой информации, и это уже давно не секрет.

Человеческое общество так устроено, что рано или поздно оно научится прогнозировать природные землетрясения. Но для этого придется изучать свойства нашей планеты. И поскольку уж так получилось, что по акустическим характеристикам она является совокупностью колебательных систем, то именно под таким углом зрения ее и придется изучать.

• Гликман А. Г. Физика техногенных и природных землетрясений. 2013
• Гликман А. Г. О происхождении зон тектонических нарушений и планетарной пульсации 2015