Параметры землетрясения. Как определить уровень разрушения

Краткое описание землетрясений, их причины и последствия

В феврале 2023 года в Турции неподалеку от сирийской границы произошли два землетрясения магнитудой 7,8 и 7,5 — одни из сильнейших, когда-либо зарегистрированных в регионе. Катастрофа унесла жизни почти 60 тысяч человек и затронула жизни более 13 млн.

Подобные события всегда привлекают внимание к тому, насколько опасны и неотвратимы природные катаклизмы.

Землетрясениями называют внезапные толчки и колебания земной поверхности, вызванные движением пород глубоко под землей. Обычно они незаметны для человека: ежедневно в мире происходит несколько сотен землетрясений магнитудой 2 и менее.

Однако более сильные землетрясения могут стать причиной пожаров, цунами, обвалов, лавин и извержений вулканов, привести к разрушениям, травмам и даже гибели людей.

Основной параметр землетрясения — магнитуда, которая пропорциональна логарифму выделившейся энергии. Так, самое сильное из известных землетрясений, происшедшее в 1960 году в Чили, имело магнитуду 9,5, что эквивалентно энергии 180 млн атомных бомб, взорванных над Хиросимой. Для сравнения, энергия самого крупного ядерного взрыва, произведенного СССР на Новой Земле в 1961 году, была эквивалентна землетрясению с магнитудой 8,2. Энергия землетрясения магнитудой 1 эквивалентна взрыву 2 кг тротила.

Шкалу магнитуд часто путают со шкалой интенсивности, измеряющейся в баллах от 1 до 12 на основании внешних проявлений подземного толчка (воздействие на людей, предметы, строения, природные объекты). Например, сильное землетрясение, происшедшее вдали от мест обитания людей, не ощущается и не приводит ни к каким воздействиям на строения. Поэтому магнитуда такого землетрясения большая, а интенсивность — минимальная. И наоборот, относительно «слабое» землетрясение, происшедшее близко к земной поверхности и непосредственно под каким-нибудь населенным пунктом, может привести к умеренным повреждениям зданий. В этом случае магнитуда землетрясения будет относительно маленькой, а интенсивность в подвергшемся воздействию населенном пункте — относительно большой.

Самые слабые ощущаемые землетрясения начинаются с магнитуды 2 и только на расстояниях, не превышающих нескольких километров. Приповерхностные землетрясения с магнитудой 4,5 могут приводить к незначительным разрушениям. Начиная с магнитуды 6 землетрясения могут приводить к существенным разрушениям и человеческим жертвам. Землетрясения с магнитудами близкими к 7, происходящие в непосредственной близости от больших городов, могут приводить к катастрофическим последствиям (один из самых последних примеров — землетрясение на Гаити в 2010 году). Самые крупные, или «мегаземлетрясения», с магнитудой 9 и выше могут вызывать катастрофические цунами и разрушения в обширных районах. За период инструментальных наблюдений было зарегистрировано всего пять таких событий. Одно из них произошло в Курило-Камчатской зоне субдукции в 1952 году. Наиболее недавние примеры — мегаземлетрясения на Суматре в 2004 году и в Японии в 2011-м.

Как предсказать землетрясения?

В настоящее время невозможно с точностью предсказать, когда и где будет землетрясение. Однако сейсмологи могут оценить, где это может произойти, рассчитав вероятность и составив прогноз.

Что такое вероятность землетрясения и как она рассчитывается?

Вероятность землетрясения — шанс, что землетрясение определенной магнитуды произойдет в регионе в течение нескольких лет. Это можно рассчитать, основываясь на средней сейсмоактивности региона в прошлом. Техника особенно полезна в регионах, где землетрясения записывались сейсмографами, которые широко применяются с начала 1900-х годов.

Ученые часто могут собрать дополнительную, хотя и менее точную информацию, изучив геологические данные о землетрясениях, которые произошли в древней истории.

Вероятность можно получить и математическим путем. Например, чтобы узнать, сколько лет пройдет до землетрясения определенной магнитуды, нужно учесть два процесса:

Прогноз сообщает о вероятности землетрясения в течение короткого времени. Обычно он используется для описания повторных толчков, частота и магнитуда которых, как правило, утихает через некоторое время после землетрясения.

Интересные факты о землетрясениях

С каждым годом наблюдается все больше землетрясений, но, вероятно, это связано с тем, что у нас появляется все больше инструментов, которые могут зафиксировать эти явления.

Ежегодно в мире фиксируется 500 тысяч землетрясений, из них одно — с магнитудой выше 8 баллов.

Каждый год 50 человек погибают в результате землетрясения.

Большинство землетрясений длятся только 10-30 с.

90% землетрясений происходят внутри участка длиною в 40 тысяч км — Тихоокеанского вулканического огненного кольца.

Статистика показывает, что погода не влияет на землетрясения: они с одинаковой периодичностью происходят в холод, жару или дождливую погоду.

Кстати, землетрясения случаются не только на Земле, но и на Луне — реже и с меньшей магнитудой.

Параметры землетрясения

Магнитуда землетрясения (м) – условная величина, характеризующая количество энергии, выделившейся в очаге землетрясения. Численно она пропорциональна десятичному логарифму амплитуды смещения грунта, выраженной в микрометрах, зафиксированной сейсмографом на расстоянии 100 км от эпицентра землетрясения. На каждой сейсмической станции имеются сложные поправочные формулы, учитывающие расстояние до эпицентра и направление на него, глубину очага и местные геологические условия. Шкала магнитуды Рихтера – шкала эмпирическая и неточная (по выражению самого Рихтера, этот метод является грубым, на разных сейсмических станциях при одном и том же землетрясении магнитуда может различаться на несколько десятых долей единицы; например, она может быть на одной станции 6,3, на другой – 6,8, на третьей – 6,5).

Пример. На одной из сейсмических станций, расположенной в 300 км от эпицентра, записана сейсмограмма с максимальной амплитудой 20 мм (20000 мкм). С помощью номограммы, приведенной на рис. 1, определить значение магнитуды Рихтера.

Рис. 1. Номограмма для определения магнитуды Рихтера

Для того чтобы определить магнитуду Рихтера, вначале следует определитьэпицентральное расстояние этого землетрясения (например, 300 км). Далее необходимо действовать следующим образом:

1) измерить амплитуду на сейсмограмме (например, 20 мм);

2) провести прямую линию, соединяющую значения амплитуды и эпицен-трального расстояния;

3) значение магнитуды будет на средней шкале (в нашем случае – 5,3).

Примечание. Эта номограмма построена для определенной сейсмической станции;накаждой станции используется своя номограмма.

Поскольку шкала магнитуды логарифмическая, увеличение магнитуды на единицу означает десятикратное возрастание амплитуды смещения грунта. Нулевая магнитуда не означает, что землетрясения нет, т.к. нуль – это логарифм единицы. Это землетрясение, хотя и очень слабое, совершенно неощутимое для людей. Магнитуда может быть равной 1, т.е. амплитуда равна 0,1 мкм.

Для получения по магнитуде (м) величины энергии (Е), эрг, можно воспользоваться следующим соотношением:

lg Е = 9,9 +1,9 м – 0,024 м2;

1 Дж = 107эрг.

На земле еще не было зарегистрировано землетрясения с магнитудой 9, что соответствует энергии в 1018 джоулей.

Интенсивность проявления землетрясения на поверхности земли (сила землетрясения) – это мера величины состояния грунта, и определяется она степенью разрушения зданий, характером изменений поверхности по субъективным ощущениям людей. Интенсивность максимального расчетного землетрясения (МРЗ) оценивается по международной сейсмической шкале Медведева-Шпонхойера-Карника (МSК-64), имеющей 12 условных градаций – баллов.

Интенсивность землетрясения зависит от магнитуды и глубины гипоцентра: чем больше магнитуда, тем интенсивность больше; чем глубже гипоцентр – тем слабее.

Магнитуда землетрясения (м) – условная величина, характеризующая количество энергии, выделившейся в очаге землетрясения. Численно она пропорциональна десятичному логарифму амплитуды смещения грунта, выраженной в микрометрах, зафиксированной сейсмографом на расстоянии 100 км от эпицентра землетрясения. На каждой сейсмической станции имеются сложные поправочные формулы, учитывающие расстояние до эпицентра и направление на него, глубину очага и местные геологические условия. Шкала магнитуды Рихтера – шкала эмпирическая и неточная (по выражению самого Рихтера, этот метод является грубым, на разных сейсмических станциях при одном и том же землетрясении магнитуда может существенно различаться.

Пример. На одной из сейсмических станций, расположенной в 300 км от эпицентра, записана сейсмограмма с максимальной амплитудой 20 мм (20000 мкм). С помощью номограммы, приведенной на рис. 36, определить значение магнитуды Рихтера.

Рис. 36. Номограмма для определения магнитуды Рихтера

Поскольку шкала магнитуды логарифмическая, увеличение магнитуды на единицу означает десятикратное возрастание амплитуды смещения грунта. Нулевая магнитуда не означает, что землетрясения нет, т.к. нуль – это логарифм единицы. Это землетрясение, хотя и очень слабое, совершенно неощутимое для людей. Если магнитуда равна 1, это означает, что амплитуда равна 0,1 мкм.

lgЕ =9,9 +1,9м– 0,024м2;

Интенсивность проявления землетрясения на поверхности земли (сила землетрясения) – это мера величины состояния грунта, и определяется она степенью разрушения зданий, характером изменений поверхности по субъективным ощущениям людей. Интенсивность максимального расчетного землетрясения (МРЗ) оценивается по международной сейсмической шкале Медведева-Шпонхойера-Карника (МSК-64), имеющей 12 условных градаций – баллов.

Последствия землетрясений для человека и окружающей среды

Сами по себе подземные толчки не смертельны. Хотя в некоторых фильмах показывают, как в земле внезапно открываются разломы, в которые падают люди, но в реальной жизни это не происходит.

Последствия землетрясений намного опаснее. Расскажем о них подробнее.

Большая часть угроз связаны со структурами, построенными людьми, и тряской, которую они получают от землетрясений. Реальная опасность для людей — оказаться в падающем здании, утонуть в наводнении из-за разрушенной плотины или дамбы, быть погребенным под обвалом земли или сгореть во время пожара.

Наиболее сильные землетрясения в истории

Практика показывает, что масштаб катастроф зависит не только от географического положения страны. Особенности ландшафта и плотность населения могут повысить риски, что ярко демонстрируют следующие примеры.

22 мая 1960 года — Вальдивия, Чили

В результате этого землетрясения 1655 человек погибли, 3 тысячи были ранены и 2 млн лишились крова. Экономический ущерб для Чили составил $550 млн, а последующее цунами достигло берегов Гавайев, Японии и Филиппин. Протяженность зоны разрушения превысила 100 км.

Через два дня последовало извержение вулкана Пуеуэ, который выбросил в атмосферу пепел и пар на высоту в 6 км.

28 марта 1964 года — залив Принс-Уильям, Аляска

По сравнению с чилийским, это землетрясение было менее масштабным. Спровоцированное им цунами достигло Гавайев и унесло 128 жизней, а ущерб от него составил $311 млн.

Землетрясение сильнее всего ощущалось на Аляске. Наибольший ущерб понес город Анкоридж в 120 км к северо-западу от эпицентра. Толчки продолжались 3 мин.

26 декабря 2004 года — Суматра, Индонезия

Землетрясение спровоцировало цунами невероятного масштаба. В общей сложности 227 900 человек погибли или признаны погибшими, а еще 1,7 млн лишились домов в 14 странах Южной Азии и Восточной Африки. Эпицентр находился в 250 км к юго-востоку от города Банда-Ачех, на глубине в 30 км.

Несколько дней спустя, 28 декабря, на острове Баратанг в архипелаге Большой Андамар началось извержение грязевого вулкана, которое, как считается, было спровоцировано землетрясением.

11 марта 2011 года — Сендай, Япония

Мощное землетрясение, последующие толчки и ценами унесли жизни нескольких тысяч человек. По оценкам, экономический эффект невероятно велик, учитывая прекращение работы ядерных реакторов, энергия которых необходима многим отраслям промышленности.

4 ноября 1952 года — Камчатка, Россия

Землетрясение вызвало цунами, которое достигло Гавайских островов. Нанесенный ущерб оценивается примерно в $1 млн. Согласно некоторым источникам, в Каена Пойнт на острове Оаху были замечены волны выше 9 м. Один местный фермер сообщил, что лишился 6 коров, но о погибших не сообщалось.

Читайте по теме:

Плотина, печатный станок или кондиционер: какие технологии случайно убили больше всего людей

«Хранилище судного дня» на Шпицбергене запустило виртуальные туры — вот что скрывается внутри

27 февраля 2010 года — Био-Био, Чили

Это землетрясение и последующее цунами унесли жизни по меньшей мере 521 человека, 56 пропали без вести и 12 тысяч были ранены. Более 800 тысяч лишились домов, и в общей сложности катастрофа затронула 1,8 млн жителей Чили. Ущерб составил $30 млрд. Эпицентр находился в 335 км к юго-западу от Сантьяго на глубине 35 км. Последующая волна прошла через Тихий океан, разрушая лодки даже в Сан-Диего, Калифорния.

31 января 1906 года — прибрежные воды Эквадора

Землетрясение спровоцировало цунами, в котором погибли от 500 до 1500 человек в Эквадоре и Колумбии. Волна распространилась до Сан-Франциско, до западного берега США и запада Гавайев и Японии. Ей потребовалось около 12 часов, чтобы пересечь Тихий океан и достичь города Хило на Гавайях.

2 апреля 1965 года — Крысьи острова, Аляска

Самый серьезный ущерб, связанный с катастрофой, был вызван цунами. Сообщается, что высота волн на острове Шемья была около 10 м. Цунами вызвала наводнение на острове Амчитка, а общий ущерб собственности оценивается в $10 тысяч. О погибших или раненных не сообщалось.

28 марта 2005 года — Суматра, Индонезия

В землетрясении погибли 1313 человек и свыше 400 пострадали от цунами на Шри-Ланке. Эпицентр находился в 205 км к северо-западу от города Сиболга, Суматра, на глубине 30 км. Этот регион, где также случилось цунами 2004 года, отличает повышенная геоактивность, и 3 из 15 крупнейших известных нам землетрясений произошли здесь.

15 августа 1950 года — Ассам, Тибет

Это материковое землетрясение нанесло масштабный ущерб зданиям и вызвало крупные обвалы. В Восточном Тибете погибли 780 человек, последствия добрались до деревень и городов в Ассаме, Китае, Тибете и Индии. Колебания уровня озера происходили даже в Норвегии.

Итоговое число жертв наверняка должно быть выше, но точных оценок так и не было. Хотя сам инцидент получил название Ассамское землетрясение, считается, что эпицентр находится в Тибете.

Где обычно чаще всего случаются землетрясения?

Наиболее сейсмоактивные зоны планеты — Тихоокеанский пояс, тянущийся вдоль почти всего побережья Тихого океана (примерно 90% всех землетрясений Земли) и Альпийский пояс, тянущийся от Индонезии до Средиземного моря (5-6 % всех землетрясений).

Некоторые из стран чаще других испытывают землетрясения.

Страна расположена в Тихоокеанском огненном поясе и занимает первое место в списке наиболее сейсмоактивных стран мира. Здесь землетрясения происходят практически каждый день.

Почти ежегодно здесь происходят землетрясения магнитудой свыше 6,0. В 2018 году в Индонезии было 9 таких случаев, в результате которых погибли тысячи людей.

Китай

Это одна из стран, где наблюдаются наиболее разрушительные природные катаклизмы. Пример — землетрясение 2008 года магнитудой 7,9 в провинции Сычуань. В результате более 87 тысяч человек были убиты или пропали без вести.

Филиппины

Это одно из сейсмоопасных государств мира. Из-за горного ландшафта землетрясения также могут вызывать смертельные оползни. Частые природные катастрофы вынуждают жителей страны возводить особо прочные здания.

Иран

Иран расположен у границ нескольких тектонических плит и разломов. Одно из самых сильных землетрясений в стране произошло в 1990 году в провинции Гилян и унесло жизни более 40 тысяч человек.

Турция

Страна часто испытывает сейсмическую активность, поскольку находится неподалеку от нескольких линий разломов. Ее окружают Евразийская, Африканская и Арабская литосферные плиты, постоянно провоцирующие подземные толчки разной силы.

Фото в тексте: Unsplash

Перу

Это государство расположено в центре огненного пояса и регулярно испытывает небольшие толчки, умеренные и даже сильные землетрясения. Чтобы предотвратить смерти от природных катастроф, по всей стране проводят учения.

США

Хотя Соединенные Штаты не находятся в сейсмически активном регионе, уникальный геологический ландшафт делает их очень уязвимыми к природным катастрофам. Многочисленное население также повышает риски. В результате даже от сравнительно небольшого землетрясения может пострадать множество людей.

Италия

Страна находится на нескольких линиях разлома и подвержена сейсмоактивности. Влияет и сам ландшафт, который отличается крутыми горными цепями, спящими вулканами и прибрежными равнинами. Одно из самых разрушительных землетрясений Италии произошло в 1908 году в Мессине. Число погибших составило более 75 тысяч человек.

Мексика

Как и многие страны в Тихоокеанском огненном поясе, Мексика подвержена регулярной сейсмической активности. Из-за этого здесь действуют строгие строительные нормы и протоколы действий в экстренных ситуациях.

Классификация землетрясений

До 1970-х была распространена шкала Рихтера, которая оценивала магнитуду — количество энергии, которое выделяется во время землетрясения в виде сейсмических волн.

Шкала состояла из 9 единиц и рассчитывалась по математической формуле на основе сейсмограммы. Однако она имела ряд недостатков: была предназначена для условий Южной Калифорнии, определенного типа волн и подходила лишь для землетрясений, которые находились в зоне охвата сейсмографа.

Для оценки интенсивности землетрясения примерняется шкала Меркалли из 12 делений, которая не требует дополнительных приборов.

Современная версия шкалы Меркалли.

Сейсмическая активность и ее проявления

Верхний слой Земли — литосфера — состоит из земной коры (континентальной или океанической) и верхней части мантии. Она разделена примерно на 15 частей, которые называются тектоническими плитами.

Под плитами находится более пластичный слой — астеносфера, по которому они перемещаются. Подобные процесс в слоях Земли называются сейсмическими явлениями.

Обычно скорость движения литосферных плит довольно небольшая — всего несколько см в год — но оно создает давление, деформируя плиты. Горные породы сжимаются и расширяются, земная поверхность начинает колебаться, и происходит толчок — землетрясение.

Из начальной точки — эпицентра — колебания передаются на большие расстояния в виде сейсмических волн.

Спустя несколько часов или дней после землетрясения происходят последующие толчки. Как правило, чем сильнее первый толчок, тем сильнее и афтершоки. Например, в 1976 году в Китае через несколько часов после землетрясения с магнитудой 7,5 зафиксирован толчок в 7,1.

Характеристика землетрясений

Основными критериями землетрясения являются: 1) глуби­на очага (гипоцентра), располагающегося в пределах до 30 км (иногда до 750 км) под землей; 2) продолжительность колеба­ний грунта в интервале от 20 до 90 с; 3) сейсмическая энергия; 4) интенсивность землетрясения.

Под сейсмической энергией понимается энергия, излучаемая из гипоцентра землетрясения в форме сейсмических волн. Она измеряется с помощью шкалы Рихтера, в которой за единицу измерения принимается магнитуда — величина, соответствую­щая десятичному логарифму максимальной амплитуды коле­баний маятника сейсмографа (в микронах) в 100 км от эпи­центра землетрясения. Максимальная энергия землетрясения за все время наблюдений составила 8,9 магнитуды — следовательно, результаты измерений по шкале Рихтера могут нахо­диться в пределах от 1 до 8,9 магнитуд.

Магнитуда связана с полной энергией землетрясения, но эта зависимость не прямая, а логарифмическая: 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. Часто в средствах массовой информации, оповещающих о сейсмических катастрофах, отождествляются шкала магнитуд (шкала Рихтера) и шкала интенсивности землетрясения, изме­ряемая в сейсмических баллах.

Интенсивность тем больше, чем ближе к поверхности рас­положен очаг: так, например, если очаг землетрясения с маг­нитудой, равной 8, находится на глубине 10 км, то на поверх­ности интенсивность его составит 11—12 баллов; при той же магнитуде, но на глубине 40—50 км воздействие на поверхнос­ти уменьшается до 9—10 баллов.

Так как магнитуда характеризует выход сейсмической энер­гии только в эпицентре землетрясения, для оценки силы ко­лебаний земной поверхности в местностях, удаленных от эпи­центра, используется понятие «интенсивность землетрясения», определяющее степень ущерба, нанесенного подземной сти­хией в конкретном месте. Интенсивность зависит не только от сейсмической энергии, но и от расстояния до эпицентра, свойств грунта, качества строительства и других факторов. Поэтому для измерения интенсивности сложно использовать инструментальные методы и они не отличаются такой же сте­пенью точности, как измерение энергии.

Интенсивность землетрясения определяется с помощью 12-балльной шкалы Меркалли (табл. 2). В России и странах СНГ используется ее модификация — шкала MSK-64.

Краткая характеристика возможной интенсивности землетрясений по 12-балльной шкале Меркалли (MSK-64)

Сейсмограф. Впервые инструментальные наблюдения за землетрясениями появились в Китае, где в 132 г. Чан Хен изобрел сейсмоскоп, представлявший собой искусно сделан­ный сосуд с маятником внутри. На внешней стороне сосуда по кругу были выгравированы головы драконов, держащих в пасти шарики. При качании маятника от землетрясения один или несколько шариков выпадали в открытые рты фигур ля­гушек, размещенных у основания сосуда.

Современный сейсмограф представляет собой комплект при­боров, регистрирующих колебания грунта при землетрясении и преобразующих их в электрические сигналы, записываемые на сейсмограммах в аналоговой и цифровой форме. Однако по-прежнему основным чувствительным элементом служит ма­ятник с грузом.

Человек не может обойтись без приборов, но в живой природе есть свои особые «сейсмографы».

За несколько часов до землетрясения, которое произошло 6 мая 1976 г. на северо-востоке Италии, в деревнях, расположенных побли­зости от его эпицентра, животные и птицы словно сошли с ума: заливались жалобным лаем собаки, истошно мяукали кошки, мычали и били копытом коровы, в небе с криком носились стаи птиц, на улице пищали покинувшие свои норы крысы и мыши.

Столь необычное поведение животных и птиц удивило жителей, но только в девять часов вечера, когда земля заходила у них под ногами, стало ясно, что было причиной этого явления.

Постоянные наблюдения за землетрясениями осуществля­ются сейсмической службой. Сегодня мировая сеть насчиты­вает свыше 2000 стационарных сейсмических станций, данные которых систематически публикуются в сейсмологических бюл­летенях и каталогах. Кроме стационарных станций, использу­ются экспедиционные сейсмографы, в том числе устанавли­ваемые на дне океанов.

Движение почвы во время землетрясения редко само по себе бывает причиной гибели людей.

Главными причинами человеческих жертв являются:

Рекомендации по предотвращению и защите от землетрясений

Эти советы помогут снизить риски для себя и окружающих.

Что делать до землетрясения

Человек по-прежнему бессилен перед силой стихий, а природные катаклизмы трудно спрогнозировать. Однако в наших силах к ним подготовиться.

Современные технологии позволяют создавать более устойчивые конструкции, предотвращая сильные разрушения зданий и коммуникаций, а знание техники безопасности позволит сократить риски и даже сохранит кому-то жизнь.

National Geographic, Parade, USGS, Michigan Tech, British Geological Survey, SMS Tsunami Warning, Real Thing

Фото на обложке: cigdem / Shutterstock