Сейсмические фазы и изучение и прогноз землетрясений

Как работает шкала Рихтера

Для оценки мощности землетрясений используется шкала Рихтера. Она была создана в 1935 году американским сейсмологом Чарльзом Рихтером и используется по сей день. Величина, которой характеризуют силу подземных толчков — это магнитуда.

Американский сейсмолог Чарльз Фрэнсис Рихтер

Шкала Рихтера состоит из условных единиц от 1 до 9,5. Это логарифмическая шкала, а значит каждая дополнительная единица означает увеличение силы землетрясения в 10 раз. Допустим, в новостях сказали, что в какой-то части Земли произошел толчок магнитудой 4. В феврале 2023 года в Турции произошло землетрясение магнитудой 7,7 — это значит, что оно было в 5000 раз мощнее по амплитуде и в 350 000 раз сильнее по выбросу энергии.

Землетрясение магнитудой 1 никто не заметит, но уже после 5 начинаются разрушения

Некоторые люди путают шкалу Рихтера со шкалой интенсивности землетрясения в баллах. Важно понимать, что Чарльз Рихтер создал шкалу для определения магнитуд, которые вычисляются по колебаниям, регистрируемым сейсмографом — наибольшее значение в этой шкале равно 9,5. Шкала интенсивности землетрясения в баллах же основана на тяжести последствий подземного толчка вроде наличия разрушенных зданий и состоит из 7 или 12 делений в зависимости от страны.

Шкала интенсивности землетрясения в России состоит из 12 баллов и называется шкалой Медведева — Шпонхойера — Карника

Исходя из этого, правильно говорить «Произошло землетрясение магнитудой 7,7». Вариант «произошло землетрясение магнитудой 7,7 баллов» неправильный.

Сейсмические волны.

Колебания, распространяющиеся из очага землетрясения, представляют собой упругие волны, характер и скорость распространения которых зависят от упругих свойств и плотности пород. К упругим свойствам относятся модуль объемной деформации, характеризующий сопротивление сжатию без изменения формы, и модуль сдвига, определяющий сопротивление усилиям сдвига. Скорость распространения упругих волн увеличивается прямо пропорционально квадратному корню значений параметров упругости и плотности среды.

Предсказать землетрясение невозможно

Несмотря на все старания сейсмологов, на сегодняшний день не существует способа предсказать землетрясение с точностью до дня и даже месяца. Однако, есть системы, которые способны предотвращать ложные тревоги.

Например, в США была разработана система предупреждения о землетрясениях ShakeAlert. Она работает с 2021 года и оценивает риск подземных толчков в штатах Калифорния, Орегон и Вашингтон — в будущем ее хотят начать использовать и в других сейсмически активных районах. Как и многие другие подобные системы, она фиксирует слабые толчки и предупреждает о том, что в ближайшее время могут возникнуть сильные. В это время люди имеют возможность выбежать в безопасные места, лечь прикрыв голову и так далее.

Система ShakeAlert предупреждает людей о землетрясениях

Предсказать землетрясение можно, наблюдая за животными. Специалисты уже давно заметили, что перед сильными подземными толчками муравьи покидают свои жилища, жабы покидают пруды, а птицы сбиваются в кучи или кидаются в воду. Подробности вы можете почитать тут.

Ужасное землетрясение в Турции было предсказано нидерландским сейсмологом Фрэнком Хугербитсом 3 февраля, за три дня до катастрофы. В своих соцсетях он опубликовал информацию о том, что одновременно в Турции, Сирии, Иордании и Ливане произойдет землетрясение магнитудой 7,5. Информацию о том, как он это сделал, найти не удалось.

Землетрясения вызывают цунами

Самая высокая волна цунами была зафиксирована в 1958 году на Аляске — она возвысилась на 500 метров, разогналась до 160 километров в час и унесла жизни пяти человек. Об этом у нас есть отдельная статья.

Залив Литуйя (Аляска) после землетрясения и цунами в 1958 году

Если говорить о самом смертоносном цунами, то оно возникло после землетрясения в Индийском океане в 2004 году. Высота волн превышала 15 метров — они достигли берегов Индонезии, Шри-Ланки, юга Индии, Таиланда и других стран. Оно унесло жизни около 300 тысяч людей.

В 2004 году цунами добралось до Таиланда

В Австралии меньше всего землетрясений

Одно из немногих мест, где почти не происходят землетрясения — это Австралия. Дело в том, что она располагается посередине Австралийской литосферной плиты, вдали от ее границ.

Австралия находится посередине собственной литосферной плиты

Однако, иногда подземные толчки регистрируются и там. В 2021 году землетрясение произошло в австралийском штате Виктория — оно было магнитудой 5,9 и привело к гибели одного человека. Причиной подземного толчка стало движение в Разломе Губернатора, который находится внутри тектонической плиты. Такие землетрясения очень редки и называются внутриплитными.

Последствия австралийского землетрясения в 2021 году

Глубокофокусные землетрясения.

Большинство землетрясений происходит в литосфере, т.е. на глубине до 200 км. Здесь земная кора растрескивается подобно фарфору. Напряжения накапливаются в ней до тех пор, пока не образуется разрыв и подвижка горных пород. Однако иногда очаги землетрясения находятся на глубинах вплоть до 700 км. По современным представлениям о внутреннем строении Земли на таких глубинах вещество мантии под действием тепла и давления переходит из хрупкого состояния, при котором оно способно разрушаться, в тягучее, пластическое. Везде, где глубокие землетрясения случаются достаточно часто, они «обрисовывают» некоторую наклонную плоскость, начинающуюся вблизи земной поверхности и уходящую в недра Земли до глубины 700 км. Эти плоскости стали называть зонами Вадати – Беньоффа по имени японского сейсмолога Вадати и американского – Беньоффа, которые впервые открыли это явление. Эти зоны привязаны к местам, где сталкиваются плиты. Одна плита изгибается и поддвигается под другую, погружаясь в мантию. Зона глубоких землетрясений как раз и связана с такой опускающейся плитой. Хотя для объяснения глубоких землетрясений выдвинуто множество интересных идей, но в течение 60 лет, прошедших после открытия глубоких землетрясений, они все еще остаются загадкой. До сих пор неясен механизм возникновения очага землетрясения в таких размягченных породах.

Вулканы.

Вулкан (от лат. vulcanus – огонь, пламя), геологическое образование, возникающее над каналами и трещинами в земной коре, по которым на земную поверхность извергаются лава, пепел, горячие газы, пары воды и обломки горных пород. Различают действующие, уснувшие и потухшие вулканы, а по форме – центральные, извергающиеся из центрального выводного отверстия, и трещинные, имеющие вид зияющих трещин или ряда небольших конусов. Основные части вулкана: магматический очаг (в земной коре или верхней мантии), жерло – выводной канал, по которому магма поднимается к поверхности; конус – возвышенность на поверхности Земли из продуктов выброса вулкана, кратер – углубление на поверхности конуса вулкана. Лавовый купол имеет округлую в плане форму и крутые склоны, прорезанные глубокими бороздами. В жерле вулкана может образоваться пробка застывшей лавы, которая препятствует выделению газов, что впоследствии приводит к взрыву и разрушению купола. Крутосклонный пирокластический конус сложен чередующимися прослоями пепла и шлаков. Щитовой вулкан с большим кратером (кальдерой), и тонким покровом застывшей лавы на поверхности. Излияния лавы могут происходить из кратера на вершине или через трещины на склонах. Внутри кальдеры, а также на склонах щитового вулкана встречаются воронки обрушения. Конус стратовулкана состоит из чередующихся слоев лавы, пепла, шлаков и более крупных обломков. Современные вулканы расположены вдоль крупных разломов и тектонических подвижных областей (главным образом на островах и берегах Тихого и Атлантического океанов). Активные действующие вулканы: Ключевская Сопка и Авачинская Сопка (Камчатка, Российская Федерация), Везувий (Италия), Исалько (Сальвадор), Мауна-Лоа (Гавайские о-ва) и др.

Географическое распространение землетрясений.

Большинство землетрясений сосредоточено в двух протяженных, узких зонах. Одна из них обрамляет Тихий океан, а вторая тянется от Азорских о-вов на восток до Юго-Восточной Азии.

Тихоокеанская сейсмическая зона проходит вдоль западного побережья Южной Америки. В Центральной Америке она разделяется на две ветви, одна из которых следует вдоль островной дуги Вест-Индии, а другая продолжается на север, расширяясь в пределах США, до западных хребтов Скалистых гор. Далее эта зона проходит через Алеутские о-ва до Камчатки и затем через Японские о-ва, Филиппины, Новую Гвинею и острова юго-западной части Тихого океана к Новой Зеландии и Антарктике.

Вторая зона от Азорских о-вов простирается на восток через Альпы и Турцию. На юге Азии она расширяется, а затем сужается и меняет направление на меридиональное, следует через территорию Мьянмы, острова Суматра и Ява и соединяется с циркумтихоокеанской зоной в районе Новой Гвинеи.

Выделяется также зона меньшего размера в центральной части Атлантического океана, следующая вдоль Срединно-Атлантического хребта.

Существует ряд районов, где землетрясения происходят довольно часто. К ним относятся Восточная Африка, Индийский океан и в Северной Америке долина р.Св. Лаврентия и северо-восток США.

По сравнению с мелкофокусными глубокофокусные землетрясения имеют более ограниченное распространение. Они не были зарегистрированы в пределах Тихоокеанской зоны от южной Мексики до Алеутских о-вов, а в Средиземноморской зоне к западу от Карпат. Глубокофокусные землетрясения характерны для западной окраины Тихого океана, Юго-Восточной Азии и западного побережья Южной Америки. Зона с глубокофокусными очагами обычно располагается вдоль зоны мелкофокусных землетрясений со стороны материка.

Действующие вулканы земли.

К действующим относятся вулканы, извергавшиеся в историческое время или проявлявшие другие признаки активности (выброс газов и пара). Всего известно примерно 2500 извержений 500 таких вулканов.

Многие вулканические островные дуги, по-видимому, связаны с системой глубинных разломов. Центры землетрясений располагаются примерно на глубине до 700 км от уровня земной поверхности, т.е. вулканический материал поступает из верхней мантии. На островных дугах он часто имеет андезитовый состав, андезиты по своему составу сходны с континентальной земной корой, в этих районах кора наращивается за счет поступления мантийного вещества. Вулканы, действующие вдоль океанических хребтов (например, Гавайского), извергают материал преимущественно базальтового состава. Эти вулканы, сопряжены с мелкофокусными землетрясениями, глубина которых не превышает 70 км. Поскольку базальтовые лавы встречаются как на материках, так и вдоль океанических хребтов, предполагают, что непосредственно под земной корой существует слой, из которого поступают базальтовые лавы.

Когда плитам тесно

Турция ― сейсмически активная область. Риск землетрясений здесь есть всегда. Но нынешняя катастрофа неординарна для этого региона, считает сейсмолог Рубен Татевосян, заместитель директора Института физики Земли имени Шмидта.

«Магнитуда 7,8 очень велика для зоны, где взаимодействуют между собой континентальные плиты, ― говорит ученый в беседе с N + 1. ― Сейсмические события в Тихоокеанском огненном кольце могут быть еще сильнее, значения их магнитуд могут превышать 8,0 и даже 9,0. Но там совершенно другие тектонические условия ― они связаны с процессом субдукции, то есть подползания океанической литосферной плиты под континентальную. А среди внутриконтинентальных землетрясений — нынешнее Газиантепское близко к максимально сильным из достоверно установленных сейсмических событий».

Карта движения тектонических плит и распределения сейсмических очагов за период с 1900 по 2016 год в Восточном Средиземноморье и Западной Азии
USGS

В этом регионе сходятся и взаимодействуют сразу три литосферные плиты: Анатолийская, Аравийская и Африканская.

Землетрясение в Турции было сдвиговым: земля смещалась в основном по горизонтали, вдоль границ литосферных плит. «Но это ни в коем случае не означает, что сдвинулась вся плита целиком. Она остается зацепленной, смещение происходит только на ограниченном участке», ― добавляет ученый.

Карта сейсмичности Турции и близлежащих регионов за период с 1900 по 2022 год
Regional Earthquake-Tsunami Monitoring Center, Boğaziçi University

Анатолийская плита движется на юго-запад со скоростью 21 миллиметр в год, поворачиваясь против часовой стрелки относительно Евразии. В то же время ее соседи, Аравийская и Африканская плиты, ползут на север-северо-запад со скоростями 15 и 5 миллиметров в год соответственно. Но, как поясняет еще один собеседник N + 1 Владимир Саньков, заместитель директора Института земной коры СО РАН, эти цифры показывают, как меняется положение плиты в масштабах миллионов лет. Средняя скорость плит более или менее равномерна, и ее колебания на больших промежутках времени ничего не говорят о механике землетрясений.

Между тем движение плиты ― это сложный процесс, разбитый на локальные события. Плита деформируется неоднородно: где-то участок плиты чуть ползет, в другом месте застревает, накапливая механическое напряжение. А где-то это напряжение превосходит предел прочности и участок проскальзывает — происходит разрыв и смещение. И в этот момент скорость участка плиты изменяется очень заметно. Такие события характерны для разломов, зон контакта между плитами. Они как раз и являются зонами высокой сейсмичности.

Ученые полагают, что толчок магнитудой 7,8 стал следствием левостороннего сдвигового разрыва на одном из участков Восточно-Анатолийского разлома.

Сдвиг рассек железнодорожный путь

Сдвиг пересекает автодорогу

Восточно-Анатолийский разлом идет с юго-запада на северо-восток по границе Анатолийской и Аравийской плит, лишь на западе касаясь стыка Анатолийской с Африканской. В целом его можно характеризовать как трансформный: континентальные блоки смещаются относительно друг друга преимущественно горизонтально либо испытывают косое сжатие. Соответственно, среди сейсмических явлений здесь большую роль играют сдвиговые процессы.

Впрочем, сейсмологи пока не уверены в том, каким именно был механизм Газиантепского землетрясения ― из-за сложного строения разломной зоны.

Возможно, землетрясение вызвал правосторонний разрыв участка Анатолийской плиты по направлению с юго-востока на северо-запад в пределах разлома, тянущегося от Мертвого моря. Так ли это, покажут будущие исследования. По горячим следам сейсмологи оценили размеры области, затронутой сдвигом при толчке под Газиантепом, в 100 × 70 километров, определили величину сдвига ― около 3,4 метра. А 10 февраля британский Центр наблюдения и моделирования землетрясений, вулканов и тектоники (COMET) сообщил, что зоны разрывов, по данным спутника Sentinel-1, достигают длины 300 и 125 километров. Первый разрыв образовался после землетрясения магнитудой 7,8, второй ― после толчка магнитудой 7,5.

Разрядка напряжения в сейсмическом очаге не проходит бесследно. Напряжения перераспределяются в толще пород земной коры и нередко возникают на значительном удалении, становясь источником многочисленных афтершоков.

Они очень опасны во время спасательных работ после главного землетрясения, нередко приводят к обрушению уцелевших построек и могут угрожать жителям районов, не затронутых во время первого толчка. Газиантепское землетрясение наглядно продемонстрировало всю опасность афтершоков.

Афтершоки Газиантепского землетрясения
USGS

Тепловая карта афтершоков Газиантепского землетрясения

Удар снизу

Первый толчок с магнитудой 7,8 произошел 6 февраля в 04:17 по местному времени. Его эпицентр находился в 33 километрах от города Газиантеп и в 26 километрах от города Нурдаги. Гипоцентр, по оценке Геологической службы США (USGS), был на глубине 17,9 ± 3,7 километра. Через 11 минут последовал первый афтершок магнитудой 6,7.

Вертикальная составляющая сейсмического сигнала от первого землетрясения. Запись получена на одном из каналов широкополосного сейсмографа в Анкаре. Красная полоса отмечает вступление p-волн (продольных), желтая ― pp-волн (продольных отраженных), синяя ― s-волн (поперечных), голубая ― ss-волн (поперечных отраженных)
Seismological Facility for the Advancement of Geoscience (SAGE)

Через девять часов в 95 километрах к северу произошел третий мощный толчок ― рядом с городом Экинёзю. Очаг был ближе к поверхности, на глубине 10 ± 1,8 километра, а магнитуда толчка достигла 7,5.

К концу дня сейсмологи зарегистрировали уже 183 афтершока; из них более 30 ― магнитудой 4,5 и выше.

Распределение интенсивности землетрясения магнитудой 7,8 с эпицентром близ города Газиантеп

Распределение интенсивности землетрясения магнитудой 7,8 с эпицентром близ города Газиантеп
USGS

Распределение интенсивности землетрясения магнитудой 7,5 с эпицентром в Экинёзю

Поскольку гипоцентры обоих сейсмических событий располагались неглубоко, интенсивность землетрясений оказалась очень велика и достигла 9 баллов по 12-балльной шкале Меркалли.

Магнитуда по Рихтеру, интенсивность по Меркалли

Очаг землетрясения в самом обобщенном виде описывается таким параметром, как магнитуда (в переводе с латыни «величина»). Волна от очага распространяется во все стороны, вызывая сотрясения на поверхности Земли. Их интенсивность оценивается по 12-балльной шкале: американские сейсмологи используют шкалу Меркалли, российские — шкалу MSK-64, которую в Европе не так давно сменили на EMS-98. Все они, в принципе, близки.

Магнитуда (а именно эту шкалу придумал Чарльз Рихтер) применяется для оценки силы землетрясения в очаге ― по выделившейся в виде сейсмических волн энергии. Это безразмерная величина (поэтому говорить «баллы по шкале Рихтера» неверно) и вычисляется как логарифм от количественных показателей землетрясения.

При описании крупных землетрясений применяют моментную магнитуду. Она основана на сейсмическом моменте, который характеризует вызванные землетрясением деформации в зоне тектонического разрыва. Такая магнитуда тоже рассчитывается в логарифмической шкале. Приведенные для землетрясений в юго-восточной части Турции величины ― это именно моментные магнитуды.

По данным на 15 февраля, которые приводятся в официальных турецких источниках, подземные толчки и вызванные ими афтершоки унесли жизни свыше 35 тысяч человек, ранено более 105 тысяч. Стихийное бедствие ударило и по северо-западным районам Сирии, где число погибших уже превысило 5,8 тысячи человек. Особенно сильно пострадал Алеппо, расположенный в 200 километрах от эпицентра первого землетрясения.

Длительность землетрясений.

Продолжительность землетрясений различна, часто число подземных толчков образует рой землетрясений, включающих предшествующие (форшоки) и последующие (афтершоки) толчки. Распределение наиболее сильного толчка (главного землетрясения) внутри роя носит случайный характер. Магнитуда сильнейшего афтершока меньше на 1,2 чем у основного толчка, эти афтершоки сопровождаются своими вторичными сериями последующих толчков.

Техногенные землетрясения

могут быть вызваны подземными ядерными испытаниями, заполнением водохранилищ, добычей нефти и газа методом нагнетания жидкости в скважины, взрывными работами при добыче полезных ископаемых и пр. Менее сильные землетрясения происходят при обвале сводов пещер или горных выработок.

Сопутствующие явления.

Иногда подземные толчки сопровождаются хорошо различимым низким гулом, когда частота сейсмических колебаний лежит в диапазоне, воспринимаемом человеческим ухом, иногда такие звуки слышатся и при отсутствии толчков. В некоторых районах они представляют собой довольно обычное явление, хотя ощутимые землетрясения происходят очень редко. Имеются также многочисленные сообщения о возникновении свечения во время сильных землетрясений. Общепринятого объяснения таких явлений пока нет. Цунами (большие волны на море) возникают при быстрых вертикальных деформациях морского дна во время подводных землетрясений. Цунами распространяются в океанах в пределах глубоководных зон океанов со скоростью 400–800 км/ч и могут вызвать разрушения на берегах, удаленных на тысячи километров от эпицентра. У близлежащих к эпицентру берегов эти волны иногда достигают в высоту 30 м.

При многих сильных землетрясениях помимо основных толчков регистрируются форшоки (предшествующие землетрясения) и многочисленные афтершоки (землетрясения, следующие за основным толчком). Афтершоки обычно слабее, чем основной толчок, и могут повторяться в течение недель и даже лет, становясь все реже и реже.

Сейсмология — изучение и предсказание землетрясений

А также исследование колебаний, связанных (в том числе) с сейсмической активностью планеты

С точки зрения физики, 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.

В Российской Федерации
общая площадь сейсмоопасных районов составляет порядка 18,6 % территории.
Районы возможных 9-балльных землетрясений находятся в Прибайкалье, на Камчатке и Курильских островах,
8-балльные — в Южной Сибири и на Северном Кавказе.

Поскольку во время землетрясений, а также до и после них сейсмические очаги продолжают «шуметь»,
т.е. излучать электромагнитные и акустические колебания,
а линеаменты Земного шара передают сейсмические колебания между материками,
то на этой странице отражены сведения и об этих колебаниях, а также
об их воздействии на человеческий организм,
а через него — и на человеческое общество,
влияя даже на отдельные народы и их
взаимодействие между собою.

Пути сейсмических волн.

Продольные и поперечные волны распространяются в толще Земли, при этом непрерывно увеличивается объем среды, вовлекаемой в колебательный процесс. Поверхность, соответствующая максимальному продвижению волн определенного типа в данный момент, называется фронтом этих волн. Поскольку модуль упругости среды возрастает с глубиной быстрее, чем ее плотность (до глубины 2900 км), скорость распространения волн на глубине выше, чем вблизи поверхности, и фронт волны оказывается более продвинутым вглубь, чем в латеральном (боковом) направлении. Траекторией волны называется линия, соединяющая точку, находящуюся на фронте волны, с источником волны. Направления распространения волн Р и S представляют собой кривые, обращенные выпуклостью вниз (из-за того, что скорость движения волн больше на глубине). Траектории волн Р и S совпадают, хотя первые распространяются быстрее.

Сейсмические станции, находящиеся вдали от эпицентра землетрясения, регистрируют не только прямые волны Р и S, но также волны этих типов, уже отраженные один раз от поверхности Земли РР и SS (или РR1 и SR1), а иногда отраженные дважды РРР и SSS (или РR2 и SR2). Существуют также отраженные волны, которые проходят один отрезок пути как Р-волна, а второй, после отражения, как S-волна. Образующиеся обменные волны обозначаются как РS или SР. На сейсмограммах глубокофокусных землетрясений наблюдаются также и другие типы отраженных волн, например, волны, которые прежде, чем достичь регистрирующей станции, отразились от поверхности Земли. Их принято обозначать маленькой буквой, за которой следует заглавная (например, рR). Эти волны очень удобно использовать для определения глубины очага землетрясения.

Сейсмологические центры и порталы (мониторинг сейсмоактивности)

происходят вследствие резких перемещений магматического расплава в недрах Земли или в результате возникновения разрывов под влиянием этих перемещений.

Сейсмические последствия в гидросфере

Археологи Института национального наследия Туниса обнаружили подводные руины древнего римского города Неаполиса,
разрушенного цунами 21 июля 365 года нашей эры.
Историки считают, что часть города исчезла во время землетрясения,
которое состояло из двух толчков максимальной магнитудой восемь баллов.
В результате катастрофы некоторые части острова Крит сдвинулись на 10 метров.

Индоокеанское цунами 26 декабря 2004 года

Существует множество типов вулканических пород, различающихся по химическому составу. Чаще всего встречаются четыре типа, принадлежность к которым устанавливается по содержанию в породе диоксида кремния: базальт – 48–53%, андезит – 54–62%, дацит – 63–70%, риолит – 70–76%. Породы, в которых количество диоксида кремния меньше, в большом количестве содержат магний и железо. При остывании лавы значительная часть расплава образует вулканическое стекло, в массе которого встречаются отдельные микроскопические кристаллы. Исключение составляют т.н. фенокристаллы. Цвет вулканического стекла зависит от количества присутствующего в нем железа: чем больше железа, тем оно темнее.

При землетрясении в очаге частицы горных пород перемещаются и передают колебания в виде акустической волны. Акустические волны, которые возникают при землетрясении, называются сейсмическими. Сейсмические волны возбуждаются землетрясением или крупным взрывом. Различают несколько типов сейсмических волн: волны сжатия, волны сдвига и поверхностные волны.

Волны сжатия, Р-волны, или продольные волны, заставляют частицы пород колебаться подобно спиральной пружине. Р-волны вызывают колебания частиц вдоль направления распространения волны путем чередования участков сжатия и разрежения в породах. P-волны могут проникать в любое место земного шара.

Волны сдвига, S-волны, или поперечные сейсмические волны заставляют частицы пород колебаться перпендикулярно направлению распространения волны подобно вибрирующей гитарной струне. S-волны распространяются только в материале, обладающем упругостью, и поэтому не в состоянии проходить через жидкое ядро Земли. Благодаря этому явлению в 1906 английский сейсмолог Олдгем, наблюдая за распространением S-волн, сделал вывод о существовании земного ядра. Скорость волн зависит от типа породы, в которой они распространяются, скорость Р-волн примерно в 2 раза больше скорости S-волн. Именно продольные волны первыми регистрируются сейсмографами, поэтому сейсмологи называют их первичными (Primary) P-волнами, а поперечные – вторичными (Secondary) – S-волнами. Третий тип сейсмических волн – поверхностные или длинные (Long) – L-волны. Они распространяются по земной поверхности подобно морским волнам. Поверхностные волны движутся примерно в 2 раза медленнее, чем S-волны, но отличаются наибольшей амплитудой. Поверхностные волны и вызывают самые сильные разрушения, сотрясая земную поверхность.

Последствия землетрясений.

Сильные землетрясения оставляют множество следов, особенно в районе эпицентра: наибольшее распространение имеют оползни и осыпи рыхлого грунта и трещины на земной поверхности. Характер таких нарушений в значительной степени определяется геологическим строением местности. В рыхлом и водонасыщенном грунте на крутых склонах часто происходят оползни и обвалы, а мощная толща водонасыщенного аллювия в долинах деформируется легче, чем твердые породы. На поверхности аллювия образуются просадочные котловины, заполняющиеся водой. И даже не очень сильные землетрясения получают отражение в рельефе местности.

Смещения по разломам или возникновение поверхностных разрывов могут изменить плановое и высотное положение отдельных точек земной поверхности вдоль линии разлома, как это произошло во время землетрясения 1906 в Сан-Франциско. При землетрясении в октябре 1915 в долине Плезант в Неваде на разломе образовался уступ длиной 35 км и высотой до 4,5 м. При землетрясении в мае 1940 в долине Импириал в Калифорнии подвижки произошли на 55-километровом участке разлома, причем наблюдались горизонтальные смещения до 4,5 м. В результате Ассамского землетрясения (Индия) в июне 1897 в эпицентральной области высота местности изменилась не менее, чем на 3 м.

Значительные поверхностные деформации прослеживаются не только вблизи разломов и приводят к изменению направления речного стока, подпруживанию или разрывам водотоков, нарушению режима источников воды, причем некоторые из них временно или навсегда перестают функционировать, но в то же время могут появиться новые. Колодцы и скважины заплывают грязью, а уровень воды в них ощутимо меняется. При сильных землетрясениях вода, жидкая грязь или песок могут фонтанами выбрасываться из грунта.

При смещении по разломам происходят повреждения автомобильных и железных дорог, зданий, мостов и прочих инженерных сооружений. Однако качественно построенные здания редко разрушаются полностью. Обычно степень разрушений находится в прямой зависимости от типа сооружения и геологического строения местности. При землетрясениях умеренной силы могут происходить частичные повреждения зданий, а если они неудачно спроектированы или некачественно построены, то возможно и их полное разрушение.

При очень сильных толчках могут обрушиться и сильно пострадать сооружения, построенные без учета сейсмической опасности. Обычно не обрушиваются одно- и двухэтажные постройки, если у них не очень тяжелые крыши. Однако бывает, что они смещаются с фундаментов и часто у них растрескивается и отваливается штукатурка.

Дифференцированные движения могут приводить к тому, что мосты сдвигаются со своих опор, а инженерные коммуникации и водопроводные трубы разрываются. При интенсивных колебаниях уложенные в грунт трубы могут «складываться», всовываясь одна в другую, или выгибаться, выходя на поверхность, а железнодорожные рельсы деформироваться. В сейсмоопасных районах сооружения должны проектироваться и строиться с соблюдением строительных норм, принятых для данного района в соответствии с картой сейсмического районирования.

В густонаселенных районах едва ли не больший ущерб, чем сами землетрясения, наносят пожары, возникающие в результате разрыва газопроводов и линий электропередач, опрокидывания печей, плит и разных нагревательных приборов. Борьба с пожарами затрудняется из-за того, что водопровод оказывается поврежденным, а улицы непроезжими вследствие образовавшихся завалов.

Магнитуда землетрясений

обычно определяется по шкале, основанной на записях сейсмографов. Эта шкала известна под названием шкалы магнитуд, или шкалы Рихтера (по имени американского сейсмолога Ч.Ф.Рихтера, предложившего ее в 1935). Магнитуда землетрясения безразмерная величина, пропорциональная логарифму отношения максимальных амплитуд определенного типа волн данного землетрясения и некоторого стандартного землетрясения. Существуют различия в методах определения магнитуд близких, удаленных, мелкофокусных (неглубоких) и глубоких землетрясений. Магнитуды, определенные по разным типам волн, отличаются по величине. Землетрясения разной магнитуды (по шкале Рихтера) проявляются следующим образом:

2 самые слабые ощущаемые толчки;

41/2 самые слабые толчки, приводящие к небольшим разрушениям;

6 умеренные разрушения;

81/2 самые сильные из известных землетрясений.

Статистика урона от землетрясений

Из всех типов природных катаклизмов за период с 1947 по 1997 годы
землетрясения занимают второе место (К.Я. Кондратьева и др., 2005 г.) —
после всяких тайфунов и штормов.

Экономический урон от сейсмологических явлений

Изучением землетрясений занимается сейсмология. Сейсмические волны, возникающие при землетрясениях, используются также для изучения внутреннего строения Земли, достижения в этой области послужили основой для развития методов сейсмической разведки. Наблюдения за землетрясениями ведутся с древнейших времен. Детальные исторические описания, надежно свидетельствующие о землетрясениях с сер. 1 тыс. до н.э., даны японцами. Большое внимание сейсмичности уделяли и античные ученые – Аристотель и др. Систематические инструментальные наблюдения, начатые во 2-ой пол. 19 в., привели к выделению сейсмологии в самостоятельную науку (Б.Б.Голицын, Э.Вихерт, Б.Гутенберг, А.Мохоровичич, Ф.Омори и др.).

Так уже было

Подобной катастрофы в Турции не случалось с 27 декабря 1939 года, когда на северо-востоке страны, вблизи города Эрзинджан, произошло сейсмическое событие магнитудой 7,8 и максимальной интенсивности — 12 баллов по шкале Меркалли. Землетрясение тогда убило почти 33 тысячи человек, а 100 тысяч было ранено. Такое число жертв было вызвано, в частности, тем, что землетрясение, как и нынешнее, случилось зимой: многие люди просто замерзли в 30-градусные морозы. Это землетрясение, впрочем, не было связано с геологической структурой, в которой произошло нынешнее, хотя Северо-Анатолийский (землетрясение 1939-го) и Восточно-Анатолийский разломы (землетрясение 2023-го) часто рассматриваются, как сопряженные системы.

Последнее крупное землетрясение в области, за сейсмичность которой отвечает Восточно-Анатолийский разлом, произошло 3 апреля 1872 года на территории вокруг города Антакья. Его магнитуда составила 7,2, пострадало несколько городов, 38 деревень были уничтожены.

Последний раз землетрясение в непосредственной близости от Газиантепа было больше 200 лет назад, всего в 50 километрах от города. Магнитуда этого события оценивается в 7,0.

Участки, выделяемые учеными на Восточно-Анатолийском разломе, с указанием дат и эпицентров крупнейших землетрясений до события 6 февраля 2023 года
Güvercin S. et al. / Geophysical Journal International, 2022

Новости по теме

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

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

Внутреннее строение Земли

Перед тем, как говорить о причинах землетрясений, нужно разобраться в строении Земли. Наша планета состоит из трех основных слоев: коры, мантии и ядра. Кора является самым верхним слоем и состоит из относительно целостных блоков — литосферных плит. На данный момент ученым известно о существовании восьми крупных, десятках средних и огромном количестве маленьких плит.

Самые крупные литосферные плиты это Американская, Африканская, Антарктическая, Индо-Австралийская, Евразийская, Тихоокеанская и Амурская. Россия располагается на четырех плитах: большая часть страны лежит на Евразийской плите, территория Чукотки расположена на Северо-Американской плите, Побережье Магаданской области и Камчатки находятся на Охотоморской плите, а южные территории Сибири располагаются на Амурской литосферной плите.

Самые большие литосферные плиты и их движение

Литосферные плиты находятся в постоянном движении, потому что буквально плавают в пластичном слое верхней мантии — астеносфере. Это происходит очень медленно, потому что астеносфера хоть и способна течь как жидкость, но обладает крайне низкой вязкостью, а литосферные плиты тяжелые. По расчетам ученых, тектонические плиты движутся относительно друг друга со скоростью до 10 метров в год.

Изображение движения литосферных плит

Твердая оболочка Земли, на которой находятся упомянутые выше плиты, называется литосферой. Научное представление о строении и движении литосферы называется тектоникой плит. Поэтому иногда литосферные плиты называются тектоническими — это одно и то же.

Возникновение очага землетрясения.

Напряжение внутри земной коры растет до тех пор, пока не превысит прочности самих пород. Пласты горных пород разрушаются и резко смещаются, такое резкое смещение пород называется подвижкой. Вертикальные подвижки приводят к резкому опусканию или поднятию пород. Обычно смещение составляет лишь несколько сантиметров, но энергия, выделяемая при перемещении миллиардов тонн породы даже на малое расстояние, огромна. Накопленное напряжение в месте подвижки снимается.

Землетрясения часто описывают как мгновенные события, что вполне справедливо в масштабе Земли, подвижка продолжается в течение некоторого интервала времени. Точка, в которой начинается подвижка, называется очагом, фокусом или гипоцентром землетрясения. Точка на земной поверхности, расположенная непосредственно над очагом, называется эпицентром. Здесь сила подземных толчков достигает наибольшей величины. Фокус землетрясения может находиться на разной глубине, поэтому землетрясения разделяются на глубокофокусные (очаг землетрясения на глубине 300–700 км), промежуточные (глубина очага 55–300 км) и мелкофокусные (очаг от поверхности менее 55–60 км.

Будет еще, но это неточно

Для точных прогнозов нужны модели земных недр с высоким пространственно-временным разрешением. Но при их построении геофизикам приходится решать обратную задачу.

В прямой задаче есть начальные условия (входной сигнал), есть законы природы, выраженные в формулах (по которым сигнал преобразуется), требуется рассчитать результат (выходной сигнал). А в обратной задаче неизвестны ни законы — это черный ящик, — ни начальные условия. Есть только результат в виде, например, записи сейсмографа. Но для того чтобы спрогнозировать будущие выходные сигналы, устройство черного ящика нужно знать максимально подробно.

Решение у обратной задачи всегда не одно, в общем случае их вообще бесконечно много. Кроме того, абсолютной точности эта модель не добьется никогда. Все модели строятся по усредненным величинам, и потому в ней всегда есть область неопределенности. Ее можно только сужать: увеличивать количество наблюдений и их качество с помощью все более продвинутых технологий, таких как вейвлет-преобразование и инверсия сейсмического сигнала (о том, что такое вейвлеты и как с ними работают, можно почитать в нашем материале «Всплеск, который быстро затухает»). А для введения ограничений ученые привлекают дополнительные данные из смежных областей.

Примером построения сейсмотектонических моделей может служить работа турецких исследователей, посвященная моделированию сейсмоопасных зон Восточно-Анатолийского разлома. Отчет о ней был опубликован летом 2022 года. Ученые использовали каталог из 26 тысяч землетрясений за период с 2007 по 2019 год, статистику исторических землетрясений и данные о тектоническом строении и динамике на разных сегментах разлома. На этой основе они построили глубинный разрез сейсмичности и модель распределения напряжений внутри разлома.

(а) Картографический вид и (б) глубинный разрез сейсмичности вдоль Восточно-Анатолийского разлома за период 2007–2019 гг. Землетрясения магнитудой более 2,5 показаны цветными кружками соответственно сегментам. Учитывалась сейсмичность в пределах 15 в обе стороны от оси разлома. Цифрами обозначены события с магнитудой более 5,0. KMTJ ― узел Кахраманмараш; LH ― озеро Хазар; BZFTB ― пояс Битлис-Загрос; SF ― разлом Сюргю; AF ― разлом Аманос; YsF ― разлом Есемек; YF ― Юмурталыкский разлом; TF ― разлом Топраккале; NFZ ― разлом Нарлы
Güvercin S. et al. / Geophysical Journal International, 2022

(а) Скорость и направление деформаций пород вдоль разлома (показаны тонкими линиями: черными ― деформации сжатия, пурпурными ― растяжения). Ориентация максимального и минимального горизонтального напряжения показана большими ​​черными и пурпурными стрелками соответственно. Белые стрелки указывают чистое растягивающее напряжение. (b) Дилатационные (растягивающие) компоненты скорости деформации по разлому и вблизи него: оранжевые точки ― нормальные деформации со сдвиговой составляющей; синие ― взбросовые со сдвиговой составляющей; серые ― сдвиговые деформации

Итогом исследования стало выделение пяти зон повышенной сейсмичности на разных сегментах разлома. Примечательно, что в их число вошла близкая к эпицентру Газиантепского землетрясения область Пазарджика, последнее крупное событие в которой случилось 228 лет назад, в 1795 году. Сейсмическое поведение каждого из этих районов неодинаково, и для них были вычислены приблизительные периоды повторяемости.

Для Пазарджика такой временной интервал оказался определен очень расплывчато: подземные толчки магнитудой выше 7,0 должны повторяться здесь с периодом от 237 до 772 лет. И, хотя нижняя временная граница довольно близка к реальному 228-летнему интервалу между 1795 и 2023, ясно, что модель, которая делает прогноз с разбросом в полтысячелетия, нуждается в серьезной доработке.

И еще одна причина, которая мешает ученым строить адекватные модели, ― сложная, не до конца понятная физика процесса подготовки землетрясения. Исследователи имеют дело с околокритическими состояниями среды, когда небольшие изменения внешних условий могут привести к внезапной подвижке по разлому.

Широко распространено утверждение, что наука больше знает о процессах внутри Солнца, чем о том, что происходит в недрах нашей планеты. И это действительно так, потому что, в отличие от твердой Земли, Солнце описывается законами гидродинамики. И земную атмосферу мы знаем гораздо лучше, чем литосферу, ― ведь она прозрачна и во всем диапазоне доступна для прямых наблюдений и измерений. А вся информация о литосфере поступает к ученым только из косвенных измерений: нельзя засунуть глубоко в земные недра градусник, а если в редких случаях это и получается, нет возможности откалибровать данные, чтобы потом получать информацию дистанционно.

Геофизики не могут прямо наблюдать внутренние движения в земной коре, измерить скорости и давления. Причем трудности есть и при прогнозе таких атмосферных явлений, как торнадо. Легко представить себе, насколько они были бы больше, если бы ученым пришлось на основе косвенных данных, не зная в точности состава атмосферы, предсказывать зарождение и поведение торнадо.

Косвенные данные, которые могли бы помочь ответить, будет землетрясение или нет, ученые вытаскивают из разных источников: анализ фоновой сейсмичности (для него нужна плотная сеть станций), смещения поверхности земли (для этого требуются GPS и сеть деформометров), эманация газов, например, радона (нужна сеть датчиков), магнитные измерения, поведение грунтовых вод. На основе этих наборов данных получаются временные ряды, и любой из них может содержать сигнал о предстоящем событии ― а может и не содержать. Он спрятан в шумах, а его нужно выделить из фона, не зная в точности, как готовится землетрясение.

Алексей Иванов, заместитель директора Института земной коры СО РАН

Модели, разумеется, строят и по только что случившимся событиям: они необходимы для лучшего понимания структуры и поведения сейсмоопасных зон.

Моделирование разрыва по данным о 45 продольных, 27 поперечных и 72 длиннопериодных поверхностных волнах от Газиантепского землетрясения. Амплитуда скольжения показана цветом, гипоцентр обозначен звездочкой
USGS

Амплитуда и период

характеризуют колебательные движения сейсмических волн. Амплитудой называется величина, на которую изменяется положение частицы грунта при прохождении волны по сравнению с предшествовавшим состоянием покоя. Период колебаний промежуток времени, за который совершается одно полное колебание частицы. Вблизи очага землетрясения наблюдаются колебания с различными периодами – от долей секунды до нескольких секунд. Однако на больших расстояниях от центра (сотни километров) короткопериодные колебания выражены слабее: для Р-волн характерны периоды от 1 до 10 с, а для S-волн – немного больше. Периоды поверхностных волн составляют от нескольких секунд до нескольких сотен секунд. Амплитуды колебаний могут быть значительными вблизи очага, однако на расстояниях 1500 км и более они очень малы менее нескольких микрон для волн Р и S и менее 1 см – для поверхностных волн.

Одной из нерешенных проблем проявления вулканической активности является определение источника тепла, необходимого для локального плавления базальтового слоя или мантии. Такое плавление должно быть узколокализованным, поскольку прохождение сейсмических волн показывает, что кора и верхняя мантия обычно находятся в твердом состоянии. Более того, тепловой энергии должно быть достаточно для плавления огромных объемов твердого материала. Например, в США в бассейне р.Колумбия (штаты Вашингтон и Орегон) объем базальтов более 820 тыс. км3, такие же крупные толщи базальтов встречаются в Аргентине (Патагония), Индии (плато Декан) и ЮАР (возвышенность Большое Кару). Сейчас есть три гипотезы. Одни геологи считают, что плавление обусловлено локальными высокими концентрациями радиоактивных элементов, но такие концентрации в природе кажутся маловероятными, другие предполагают, что тектонические нарушения в форме сдвигов и разломов сопровождаются выделением тепловой энергии. Есть еще одна точка зрения, согласно которой верхняя мантия в условиях высоких давлений находится в твердом состоянии, а когда вследствие трещинообразования давление падает, она плавится и по трещинам происходит излияние жидкой лавы.

Землетрясения происходят до извержения вулканов

Если землетрясение произошло поблизости какого-либо вулкана, то он скоро может начать извергаться. Дело в том, что подземные толчки возникают не только во время столкновения тектонических плит — иногда они вызваны процессами, протекающими внутри вулканов. Отличить вулканическое землетрясение от тектонического можно по глубине очага — в первому случае толчок фиксируется на небольшой глубине около 2,4 километров, а во втором гораздо глубже. Фиксирование подземных толчков является одним из способов прогнозирования извержений вулканов, о которых мы рассказывали в этом материале.

Извержение вулкана Ньирагонго (Конго)

Вам будет интересно: Странные землетрясения в США могут быть предвестниками извержения вулкана

Интенсивность землетрясений

оценивается в баллах при обследовании района по величине вызванных ими разрушений наземных сооружений или деформаций земной поверхности. Для ретроспективной оценки балльности исторических или более древних землетрясений используют некоторые эмпирически полученные соотношения. В США оценка интенсивности обычно проводится по модифицированной 12-балльной шкале Меркалли.

1 балл. Ощущается немногими особо чувствительными людьми в особенно благоприятных для этого обстоятельствах.

3 балла. Ощущается людьми как вибрация от проезжающего грузовика.

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

5 баллов. Ощущается почти всеми; многие спящие просыпаются. Незакрепленные предметы падают.

6 баллов. Ощущается всеми. Небольшие повреждения.

8 баллов. Падают дымовые трубы, памятники, рушатся стены. Меняется уровень воды в колодцах. Сильно повреждаются капитальные здания.

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

12 баллов. Полное разрушение. На земной поверхности видны волны.

В России и некоторых соседних с ней странах принято оценивать интенсивность колебаний в баллах МSК (12-балльной шкалы Медведева Шпонхойера Карника), в Японии в баллах ЯМА (9-балльной шкалы Японского метеорологического агентства).

Интенсивность в баллах (выражающихся целыми числами без дробей) определяется при обследовании района, в котором произошло землетрясение, или опросе жителей об их ощущениях при отсутствии разрушений, или же расчетами по эмпирически полученным и принятым для данного района формулам. Среди первых сведений о произошедшем землетрясении становится известной именно его магнитуда, а не интенсивность. Магнитуда определяется по сейсмограммам даже на больших расстояниях от эпицентра.

Тектонические землетрясения

возникают вследствие внезапного снятия напряжения, например, при подвижках по разлому в земной коре (исследования последних лет показывают, что причиной глубоких землетрясений могут быть и фазовые переходы в мантии Земли, происходящие при определенных температурах и давлениях). Иногда глубинные разломы выходят на поверхность. Во время катастрофического землетрясения в Сан-Франциско 18 апреля 1906 общая протяженность поверхностных разрывов в зоне разлома Сан-Андреас составила более 430 км, максимальное горизонтальное смещение – 6 м. Максимальная зарегистрированная величина сейсмогенных смещений по разлому 15 м.

– подземные толчки и колебания земной поверхности, возникающие в результате внезапных смещений и разрывов в земной коре или верхней части мантии и передающиеся на большие расстояния в виде упругих колебаний. См. также ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ.