Землетрясения План лекции 1 Основные понятия определения

Землетрясения

План лекции 1. Основные понятия, определения и примеры 2. Сейсмические волны 3. Причины землетрясений 3. 1. Тектонические 3. 2. Вулканические 3. 3. Экзогенные 3. 4. Антропогенные 4. Сейсмическое профилирование 5. Примеры катастрофических землетрясений 6. Цунами

Землетрясения – колебания земной коры и подземные толчки, вызванные естественными или искусственными причинами. 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. Землетрясения проявляются в виде подземных толчков, волнообразных колебаний почвы, заметных изменениях рельефа, образования трещин и разрушения зданий, коммуникаций, нередко многочисленных человеческих жертвах. В год на Земле регистрируется свыше 1 млн. подземных толчков, т. е. в среднем два землетрясения в минуту. Являются самыми яркими и катастрофичными проявлениями эндогенной энергии Земли

Шкала интенсивности магнитуд Шкала магнитуд различает землетрясения по величине магнитуды, которая является относительной энергетической характеристикой землетрясения. Существует несколько магнитуд и соответственно магнитудных шкал: локальная магнитуда (ML); магнитуда, определяемая по поверхностным волнам (Ms); магнитуда, определяемая по объемным волнам (mb); моментная магнитуда (Mw). Наиболее популярной шкалой для оценки энергии землетрясений является локальная шкала магнитуд Рихтера. По этой шкале возрастанию магнитуды на единицу соответствует 32 -кратное увеличение освобождённой сейсмической энергии. Интенсивность землетрясений оценивается по тем повреждениям, которые они причиняют в населённых районах.

Перу, 1970 г.

Гоби-Алтайское зелетрясение, 1957 г.

Горно-Алтайское землетрясение 2003 г.

Сарезское озеро на Памире. ← Усойский оползень

Образовалось 6 (18) февраля 1911, после землетрясения когда река Мургаб была запружена в результате оползня, похоронившего кишлак Усой, образовав при этом естественную плотину высотой 567 метров. Наполнившаяся котловина в том же году затопила кишлак Сарез.

р. Мургаб ниже плотины.

Катастрофические землетрясения последних 50 лет 1948 год – Ашхабад (Туркмения) – 110 000 погибших 1949 год – Эквадор – 10 000 1960 год – Агадир (Марокко) – 15 000 1960 год – Чили – 10 000 1970 год – Чимботе (Перу) – 70 000 1976 год – Гватемала – 23 000 1976 год – Таньшань (Китай) – 255 000 1985 год – Мехико (Мексика) – 75 000 1988 год – Спитак (Армения) – 25 000 1990 год – Иран – 40 000 – 50 0001 1995 год – Нефтегорск (Россия) – 1841 1999 год – Измир (Турция) – 17 118 2003 год – Бам (Иран) – 31 000 2004 год – Суматра (Индонезия) – 227 898 2005 год – Кашмир (Пакистан) – 86 000 2008 год – Сычуань (Китай) – 87 587 Землетрясения жизненно необходимо изучать!

Схема процесса землетрясения Форшоки – слабые толчки, предшествующие главному удару. Отмечают начало разрушения среды (образование трещин и подвижек по ним), подготавливающее формирование главного магистрального разрыва. Афтершоки – слабые толчки после главного удара. Отмечают подвижки, сбрасывающие напряжения, оставшееся в очаге после основного смещения по магистральному разрыву.

Механизмы землетрясения Существуют несколько наиболее распространенных моделей механизма очага землетрясений. 1. Механизм упругой отдачи, 1) Х. Рейд, 1911 год 1) Блоки пород, разделенные разломом разрыв 2) 3) 2) Блоки пород, испытывающие нагрузку, способны накапливать упругую деформацию, постепенно меняя свою форму, пока не будет достигнут предел их прочности. 3) При достижении предела прочности происходит резкий скол и высвобождается значительная часть накопленной упругой энергии в виде сейсмических волн

2. Модель лавинного трещинообразования, развиваемая в России В. И. Мячкиным (1978), заключается в быстром нарастании количества трещин, приводящем к возникновению главного, или магистрального разрыва, смещение по которому мгновенно сбрасывает накопившееся напряжение с образованием упругих волн. 3. Модель зацепов Н. В. Шебалина (1984) предполагает, что главную роль в возникновении землетрясений играют шероховатости или "зацепы" вдоль главного разрыва, по которому происходит смещение. "Зацепы" препятствуют свободному скольжению, и именно они ответственны за накопление напряжений в очаге. 4. Модель неустойчивого скольжения, американского геофизика К. Шольца (1990) заключающаяся в "залипании" контактов взаимно перемещающихся блоков пород при относительно гладком строении поверхности разлома. Залипание приводит к накоплению напряжений, разрядка которых трансформируется в землетрясение.

Очаг землетрясения - некоторый объем пород в толще земной коры или верхней мантии, в котором происходит разрушение пород, т. е. возникновение трещин и основного разрыва/ Предполагаемое место начала разрушения внутри очага называют фокусом, или гипоцентром. Проекция гипоцентра на земную поверхность – эпицентр землетрясения Иногда основные разрывы выходят на поверхность. Во время землетрясения в Сан-Франциско 18. 04. 1906 общая протяженность поверхностных разрывов в зоне разлома Сан-Андреас составила более 430 км, максимальное горизонтальное смещение – 6 м.

Землетрясения (сотрясения земной поверхности) - следствие превращения потенциальной упругой энергии очага в кинетическую энергию сейсмических волн, возникающих при разрушении и смещении блоков по магистральному разрыву. Возникающие в очаге сейсмические волны называются объемными, т. к. они проходят через объем Земли. Объемные волны непрерывно разбегаются от источника, образуя сферический волновой фронт.

Различают два типа объемных волн – продольные (Р-волны) и поперечные (S-волны). Волны Р представляют собой процесс колебания частиц вещества вдоль направления распространения волны. . Такие колебания приводят к сжатию и растяжению вещества под действием нормальных напряжений. Они отвечают за изменения объема вещества при деформациях. Поскольку изменению объема сопротивляются любые вещества, продольные волны проходят через любые среды. Скорости распространения Р-волн 5 -13 км/с.

Волны S – это процесс колебаний частиц вещества поперек направления распространения волны, т. е. вдоль фронта волны. Такие движения происходят под действием касательных напряжений, отвечающих за изменение формы вещества. Поскольку жидкости и газы изменению формы не сопротивляются, поперечные волны через такие среды не проходят. Скорость их распространения 3. 27. 3 км/с, т. е. они примерно в два раза медленнее продольных.

С помощью объёмных сейсмических изучают внутреннее строение Земли. Схема и график прохождения объёмных сейсмических волн через геосферы.

Поверхностные сейсмические волны Распространяются вдоль земной поверхности или параллельно ей и не проникают глубже 80 -160 км. Во многих случаях разрушительные движения почвы при землетрясениях вызываются именно этими волнами. Различают поверхностные волны Лява и волны Релея (названные по именам ученых, разработавших математическую теорию их распространения Колебания почвы Волны Лява (L-волны) заставляют колебаться частицы почвы из стороны в сторону параллельно земной поверхности под прямым углом к направлению своего распространения.

Волны Релея (R – волны). Направление движения волны При прохождении волн Рэлея частицы породы описывают эллипсы в вертикальной плоскости, ориентированной по направлению распространения волны Скорость распространения поверхностных волн составляет 3, 2 -4, 4 км/с. При глубокофокусных землетрясениях поверхностные волны очень слабые. Движения при землетрясениях – результат наложения волн разных типов

Методы изучения землетрясений (полевые и инструментальные) Полевые методы В основе – качественная оценка последствий землетрясения по его воздействию на людей, животных, рельеф, здания и другие объекты и сооружения. Для этого разработаны и приняты в различных районах мира шкалы интенсивности (внешнего эффекта) землетрясений (I), которая выражается в баллах. В США — Модифицированная шкала Меркалли (MM), в Европе — Европейская макросейсмическая шкала (EMS), в Японии — шкала Шиндо (Shindo). В России и странах СНГ - 12 -бальная шкала МSК - Медведева-Шпонхойера. Карника, которая была разработана ими в 1964 году.

Шкала интенсивности MSK-64

На основании качественной оценки бальности в том или ином районе строят карту интенсивности землетрясения. Изосейсты – линии одинаковой интенсивности землетрясения окружают эпицентр и ограничивают площади с одинаковым внешним сейсмическим эффектом. Плейстосейстовая область – область наибольших разрушений, прилегает к эпицентру. Карта изосейст землетрясения в Неваде 16 декабря 1954 г. Плейстосейстовая область отмечена красным. Цифры – баллы интенсивности.

Карта изосейст землетрясения в зоне Вранча (Румыния) 1977 г. г

Инструментальные методы изучения землетрясении Сейсмографы – приборы, регистрирующие колебания земной поверхности появились в конце 19 века. С этого времени начинается инструментальное научное изучение землетрясений. Первый прибор, способный улавливать колебания земной поверхности, был изобретен в 132 г. китайским астрономом Чжан Хэном. Прибор улавливал подземные толчки на расстоянии до 600 км.

Действие сейсмографа основывается на том принципе, что свободно подвешенные маятники при землетрясениях остаются почти неподвижными.

Сейсмограмма - непрерывная запись (с помощью сейсмографов) упругих колебаний Земли, вызванных землетрясением или взрывом. По сейсмограмме определяют моменты прихода упругих волн, координаты эпицентра, глубину очага, его динамические параметры, энергию землетрясения.

Определение эпицентра землетрясения. Радиусы окружностей вычисляются по сейсмограммам, полученным на трех станциях. Расстояние между источником сейсмических волн и станциями (эпицентральное расстояние) вычисляется по промежуткам времени прихода Р и S волн. На каждой станции есть графики или таблицы (годографы), выражающие зависимость между временем пробега сейсмических волн и эпицентральным расстоянием.

Определение глубины гипоцентра по Г. П. Горшкову. где h – глубина гипоцентра, t – время прихода продольных волн на станцию, Vp – средняя скорость продольных волн, Δ – эпицентральное расстояние. По глубине гипоцентра (фокуса) землетрясения делят на: 1) Мелкофокусные < 70 км, 2) Промежуточные 70 – 300 км, 3) Глубокофокусные > 300 км. Гипоцентры большинства землетрясений расположены на глубине 10 -30 км.

Магнитуда (М) и сейсмическая энергия (Е) В 1935 году Ч. Рихтер предложил способ измерения энергии землетрясения, который не зависит от субъективных оценок. Сейсмограмма – запись упругих колебаний почвы при землетрясениях в виде пиков разной амплитуды. Если принять за эталон (стандарт) какое-то очень слабое землетрясение с амплитудой смещения А 0, то все другие землетрясения с амплитудой А можно с ним сравнивать (отношение А/А 0) На практике удобнее пользоваться логарифмом этого отношения, который и называется магнитудой: Чарльз Френсис Рихтер (1900 -1985) Шкала магнитуд Рихтера различает землетрясения по величине магнитуды, которая является относительной энергетической характеристикой землетрясения. 0

Магнитуда землетрясения, по Ч. Ф. Рихтеру, определяется как десятичный логарифм отношения максимальных амплитуд волн данного землетрясения (А) к амплитуде таких же волн некоторого стандартного землетрясения (А 0). Магнитуда — безразмерная величина, она не измеряется в баллах. Чем больше размах волны, тем больше смещение почвы и больше пик на сейсмограмме. Магнитуда землетрясения - величина, характеризующая энергию, выделившуюся при землетрясении в виде сейсмических волн. Магнитуда не является прямым показателем интенсивности (I) землетрясения. Интенсивность землетрясения в эпицентре (I) на поверхности зависит не только от магнитуды (М), но и от глубины очага (h).

Магнитуда сильнейших землетрясений 20 века Шкала Рихтера 8, 9 8, 75 Страна Колумбия Япония Португалия (Лиссабон) Дата 1906 1923 1755 8, 7 8, 5 8, 3 – 8, 6 8, 3 8, 0 – 8, 3 8, 0 8, 2 7, 8 7, 7 -8, 25 Индия (Ассам) США (Аляска) Боливия США (Миссури) Китай (Тянь-Шань) Мексика (Мехико) Турция США (Сан-Франциско) 1897 1964 1899 1994 1811 1976 1985 1999 1906

Энергия и класс землетрясений Анализ сейсмограмм позволяет оценить и величину упругой энергии землетрясения. Энергия исчисляется в эргах и джоулях (1 эрг = 1 дина/см; 1 дж = 10 эрг). 7 (по Б. Б. Голицыну) где ρ – плотность верхних слоев Земли, V – скорость распространения сейсмических волн, а – амплитуда смещений почвы, Т – период колебаний. Для Аляскинского землетрясения 1964 г. с магнитудой 8, 5 энергия равнялась 1018 Дж т. е. была эквивалентна силе взрыва 100 ядерных бомб по 100 мегатонн. lg E = К Величина К называется энергетическим классом землетрясения и, будучи выражена в джоулях, меняется от 0 до 18.

Соотношение между энергетическим классом землетрясения (К), его энергией (Е) и магнитудой (М) К 11 12 13 14 15 16 17 18 Е в 1011 1012 1013 1014 1015 1016 1017 1018 дж М 4, 0 4, 7 5, 4 6, 1 6, 8 7, 5 8, 2 Энергия атомной бомбы в 100 кт. 8, 9

Географическое распределение и режимы землетрясений Схема размещения эпицентров 358 214 землетрясений на поверхности Земли (1963 -1998 гг). 1) Тихоокеанское кольцо (75%), 2) Средиземноморско-Индонезийский пояс (15%). 3) Срединно-океанские хребты (5%), 4) Сейсмогенные разрывы (трансформные разломы срединно-океанских хребтов, крупные сдвиги на континентах, рифтовые зоны континентов, 4) Вулканические области (5%).

Эпицентры 95% землетрясений расположены на границах литосферных плит. Внутри плит – 5%.

Геологическая позиция Крупнейшие сейсмические события, зарегистрированные на Земле за последние 100 лет

Конвергентные границы плит Субдуцирующая плита испытывает сопротивление => подвергается воздействию напряжений => разрядка напряжений => землетрясения Гипоцентры землетрясений сливаются в единую наклонную зону, уходящую порой до глубины 700 км (!) – сейсмофокальная зона или зона Беньофа-Заварицкого

Так же землетрясения фиксируются в: v Коллизионные пояса (Альпийский складчатый пояс) v СОХ (мелкофокусные) v Континентальные рифты (Восточно. Африканская рифтовая система, Рейнский грабен, Байкал)

Несколько фактов: ØЧасто спусковым механизмом для землетрясений является деятельность человека Ø Ежегодно в мире фиксируется около 500 000 землетрясений, 100 000 из них ощутимы, и только 100 могут привести к разрушениям ØВ антарктике фиксируют ледотрясения, на луне лунотрясения, но все эти сейсмические события имеют небольшую амплитуду

Причины землетрясений 1) Образование тектонических разрывов 2) Вулканизм 3) Экзогенные причины 4) Искусственное антропогенное возбуждение 5) Суммарное воздействие различных факторов

I. Тектонические землетрясения. Составляют около 95% всех землетрясений. Связаны с мгновенными разгрузками механических напряжений, возникающих при тектонических движениях и деформациях отдельных блоков литосферы. Сила трения до некоторого времени препятствует перемещению блоков и способствует росту напряжений в отдельных местах, которые называются концентраторами напряжений. Рост напряжений ограничен пределом прочности породного массива. При его разрушении образуется магистральный разрыв, смещение по которому сбрасывает напряжение и высвобождает упругую энергию, скопившуюся в концентраторе.

Тектонические обстановки

Режимы землетрясений 1. Режимы сжатия Землетрясения Тихоокеанского кольца и Средиземноморско-Гималайского пояса (90%). Поддвиг Тихоокеанской литосферной плиты под окраины континентов.

Распределение по глубине гипоцентров землетрясений Курильских и Японских островов. Наиболее многочисленные землетрясения глубиной очага до 70 км, более редки промежуточные и глубокие землетрясения (более 300 км). Положение сейсмофокальной зоны Беньофа под Японскими островами

Средиземноморский пояс – место столкновения Евразийской и Африканской плит.

2. Режимы растяжения (5%) А. Срединно-океанские хребты Все землетрясения мелкофокусные (в пределах коры) и небольшой магнитуды.

Б. Рифтовые системы континентов Восточно-Африканская Байкальская

3. Режимы горизонтальных сколов А. Трансформные разломы в океанах Трансформные разломы идут перпендикулярно срединноокеаническим хребтам (СОХ) и разбивают их на сегменты шириной в среднем 400 км. Между сегментами хребта находится активная часть трансформного разлома, где постоянно происходят землетрясения.

Б. Крупные сдвиги континентов Северо-Анатолийский сдвиг Сан-Андреас

Прогноз землетрясений Заблаговременное предсказание: 1) места, 2) интенсивности, 3) времени сейсмического события. Ответ на первые два вопроса дает сейсмическое районирование.

Сейсмическое районирование позволяет прогнозировать, какой максимальной интенсивности могут достичь землетрясения в том или ином районе в будущем. Карта современных землетрясений Для создания карт сейсмического районирования используют не только инструментальные данные по современным землетрясениям.

Собираются исторические и геологические сведения по всем землетрясениям, когда-либо происходившим в данном районе. Карта сейсмического районирования России (ОСР). 15% территории находится в зоне разрушительных землетрясений силой 8 -10 баллов.

II. Вулканические землетрясения происходят вследствие резких перемещений магматического расплава в недрах Земли или в результате возникновения разрывов под влиянием этих перемещений Извержение Изменение частоты землетрясений на Гавайях с 1943 по 1949 гг. ( по Макдональду и Орру, 1950).

Изменение глубины гипоцентров землетрясений под Ключевским вулканом перед извержением 1987 года. Мониторинг сейсмической активности вулкана позволяет предсказать его извержение.

Взрыв вулкана Санторин о. Тира о. Неа-Камени о. Тирасия о. Палеа-Камени о. Аспрониси Кальдера Санторин о. Санторин Сейчас вулканический архипелаг в Эгейском море, в 120 -130 км к северу от Крита. Кальдера площадью 83 кв. км, глубиной 300 -400 м. Мощнейшее взрывное извержение в 14001500 году до н. э. Гибель Крито. Минойской цивилизации.

Кракатау 26 -27 августа 1883 года. о. Сертунг о. Раката-Кечил Анак-Кракатау о. Раката

Зона распространения звука взрыва до 5000 км. Ударная волна 3 раза обошла вокруг Земли, отмечалась сейсмостанциями Европы. Несколько цунами (до 40 м) уничтожили всё на побережьях Явы, Суматры и других островов. Погибло более 36 000 чел.

III. Экзогенные землетрясения связаны с гравитационными процессами, обвалами, провалами, карстовыми обрушениям и др. явлениями Карстовый провал. г. Березники

Карстовый провал. Гватемала.

Обвал в горах Обрушение свода пещеры Экзогенные землетрясения характеризуются небольшой силой и небольшой площадью воздействия

Обвал на Южной Демерджи, Крым

IV. Наведенная сейсмичность Газли, посёлок в пустыне Кызылкум, в 106 км к СЗ от Бухары. 7, 8 тыс. жителей (1970). В районе Газли разведано крупное месторождение природного газа, запасы газа около 500 млрд. м 3 8 апреля и 17 мая 1976 г. в Бухарской области Западного Узбекистана, в пустыне Центральный Кызылкум, считавшейся до того слабо активной в сейсмическом отношении, произошли сильнейшие Газлийские землетрясения (магнитуда М=7. 0 и М=7. 3).

Сейсмический эффект в эпицентре достиг 9 -10 баллов по 12 балльной шкале сейсмической интенсивности. Очаговая область этих землетрясений располагалась на глубине 20 -25 км. Следующий сильный подземный толчок с магнитудой М=7. 2 возник 20 марта 1984 г. в том же очаге, сместившись немного к западу. Интенсивная откачка газа из земных недр на Газлийском месторождении явилась "спусковым крючком" для сброса накопившихся к этому времени гигантских тектонических напряжений в земной коре этого района.

Природно-техногенные землетрясения могут быть вызваны заполнением водохранилищ в сейсмически активных районах. Чиркейская ГЭС на р. Сулак, Дагестан.

Арочная бетонная плотина Чиркейской ГЭС. Высота 232, 5 м, длина по гребню 338 м, толщина от 6 до 30 м. 2 Образует Чиркейское водохранилище площадью 42, 4 км , полной емкостью 2, 78 км 3.

Примеры катастрофических землетрясений За последние 4000 лет землетрясения и возникшие в их результате пожары, оползни, наводнения и иные последствия унесли жизни более 13 млн. человек. В 20 веке ежегодно регистрировалось до 20 толчков силой от шести баллов и выше. Землетрясения ежегодно уносят в среднем 10 тыс. жизней.

Поражающие факторы землетрясения Землетрясения характеризуются наличием первичных и вторичных поражающих факторов. К первичным относятся: - обрушения строений - нарушение целости земной поверхности. К вторичным - пожары - нарушения систем жизнеобеспечения - наводнения - аварии на предприятиях - лавины - сели - обвалы - оползни

Улица в Вальдивии после Лиссабонского землетрясения 22 мая 1960 года.

Китай (Тянь Шань), 1976 г. Тянь-Шань, 1976

Спитакское землетрясение, 1988 г.

Нефтегорск, 1995 г.

Турция, 1999 г.

Тайвань, 1999 г.

Аляска, ноябрь, 2002 г.

Иран, 2003 г.

Индия, 2004 г.

Землетрясение в Кашмире, 2005 г.

Кашмир, Пакистан, 2005 г.

Индонезия, 2006 г.

Мексика, 2010

Турция, 2011

Землетрясения в Японии 11 марта 2011 г. • Землетрясение в о. Хонсю в Японии Землетрясение у восточного побережья магнитудой от 8, 9 до 9, 1 произошло 11 марта 2011 г. Эпицентр 2011 землетрясения - в 130 км восточнее города Сендай и в 373 км на с-в от Токио. Гипоцентр наиболее разрушительного подземного толчка находился на глубине 24 км в Тихом океане. • Это сильнейшее землетрясение в истории Японии и пятое в мире по силе за всю историю сейсмических наблюдений. • Наиболее сильный толчок был зарегистрирован 11 марта в 14: 46 по местному времени (в 8: 46 по московскому времени), ему предшествовала серия крупных землетрясений-форшоков, начавшаяся 9 марта с толчка магнитудой 7, 2 примерно в 40 км от основного толчка и продолжившаяся тремя другими толчками в тот же день с магнитудой 6. • После основного толчка последовала серия афтершоков: с магнитудой 7, 0 в 15: 06, магнитудой 7, 4 в 15: 15 и магнитудой 7, 2 в 15: 26 местного времени. Всего после основного толчка зарегистрировано более четырёхсот афтершоков с магнитудой 4, 5 и более.

Причины землетрясения Землетрясение произошло в Японском жёлобе — глубоководной океанической впадине, где сталкиваются Тихоокеанская и Охотская литосферные плиты. Здесь более легкая океаническая Тихоокеанская плита погружается под материковую Охотскую плиту.

Последствие землетрясения

Сопутствующие опасные явления Разжижение грунта Пожары Оползни Цунами