Землетрясения: пространственное распределение, проблемы предсказания

Курсовая работа ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ: ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ, ПРОБЛЕМЫ ПРЕДСКАЗАНИЯ

СОДЕРЖАНИЕ Введение

Глава 1. История изучения землетрясений

1.1 История изучения землетрясений

1.2 Обсерватории Глава 2. Объекты изучения, цели и задачи Глава 3. Современные знания о землетрясениях:

3.1 Что происходит при сильных землетрясениях

3.2 Типы землетрясений

3.3 Типы сейсмических волн, возникающих при землетрясениях

3.4 Проскальзывание по разломам; глинка трения

3.5 Медленное накопление энергии

3.6 Упругая отдача

3.7 Форшоки и афтершоки

3.8 Попытки предсказания землетрясений

3.9 Основные параметры землетрясений

3.10 Особенности пространственного распределения очагов землетрясений Глава 4. Современные методы и средства исследований Глава 5. Связи с другими научными дисциплинами Глава 6. Исследования, проводимые в институтах геологического профиля CO PAH

Заключение

Словарь терминов Список используемой литературы

Введение

Эту тему я выбрал из-за того, что она представляет для меня большой интерес. Главным образом из-за того, что изучение землетрясений относится к одной из самых важных проблем науки на сегодняшний день. Я пишу эту курсовую работу для того, чтобы приобрести начальные знания в этой области, и чтобы в дальнейшем мне было легче глубже её изучать. Мне также интересно узнать о современных проблемах и знаниях в этой области, методах исследования и исследованиях, проводимых в институтах геологического профиля Новосибирского центра СО РАН.

В результате написания этой курсовой реферативной работы я познакомился с историей исследования землетрясений, с современными методами исследований и с исследованиями, проводимых сотрудниками геологами по всему миру, получил более глубокие знания о землетрясениях, а также получил навыки реферирования научной литературы, освоение приёмов обобщения и краткого изложения научных знаний.

Глава 1. История изучения землетрясений

1.1 Землетрясения прошлого землетрясение сейсмический волна разлом Первые систематические и свободные от мистики представления о землетрясениях возникли в Греции. Жители ее часто были свидетелями извержения вулканов в Эгейском море и страдали от землетрясений, происходивших на берегах Средиземного моря и иногда сопровождавшихся волнами (цунами). Многие древнегреческие философы предлагали для этих природных явлений физические объяснения. Например, Страбон заметил, что землетрясения чаще происходят на побережье, чем вдали от моря. Он, как и Аристотель, считал, что землетрясения вызываются сильнейшими подземными ветрами, воспламеняющими горючие вещества.

С развитием письменности люди стали собирать описания сильных землетрясений. Старейшее из таких собраний — китайское, уходящее в прошлое на 3000 лет. Полагают, что в этот удивительный каталог вошли все умеренные и сильные землетрясения от 780 г. до н.э. и по настоящее время. В Японии каталог разрушительных землетрясений охватывает меньший период времени, но он практически не содержит пропусков, начиная примерно с 1600 г. н.э., а менее достоверные списки восходят к 416 г. н.э. Подобные исторические каталоги имеют важнейшее значение для понимания связи землетрясений с геологическими особенностями нашей планеты и для оценки сейсмической опасности на участках крупных инженерных сооружений, таких как плотины и атомные электростанции.

В сравнительно недавно освоенных частях земного шара, например в США и Канаде, существующие хроники исторических землетрясений, естественно, охватывают очень короткие периоды времени. Одно из первых таких описаний относится к землетрясению в штате Массачусетс в 1638 г., когда там упали на землю кирпичные дымовые трубы. Несколько подробнее описано сильное землетрясение, которое произошло 5 февраля 1663 г. в Канаде, в районе Труа-Ривьер (в нижнем течении реки Святого Лаврентия). [1]*

Первый, кто указал на связь землетрясений с глубинными тектоническими процессами, был М. В. Ломоносов (1757г.). Но еще длительное время в XVIII и в начале XIX вв. высказывались подчас самые фантастические гипотезы о возникновении этого природного явления. Причиной, тормозящей раскрытие природы, как самого явления, так и в особенности процесса передачи толчков на большие расстояния, было отсутствие в то время теории генерации и распространения упругих волн в твердых средах. Впервые возможность существования в твердом теле двух типов волн — продольных и поперечных — теоретически предсказана Пуассоном в 1828 г. Наличие поверхностных волн было открыто Рэлеем (1885г.) и Лявом (1909г.). Однако выводы теории ещё долгое время не были осмыслены сейсмологами и экспериментаторами. Это и трудно было сделать при отсутствии приборов, воссоздающих количественно колебания почвы.

Первые механические сейсмографы появились в начале 90-х годов прошлого столетия. В 1897 г. Английским сейсмологом Олдгеймом в соответствии с предсказаниями теории впервые были правильно расшифрованы вступления Pи S-волн на сейсмограммах. Со времени изобретения сейсмографов, способных регистрировать сильные землетрясения в любой точке земного шара, началось быстрое развитие сейсмологии в целом, в том числе той её части, которая связана с изучением очагов. К концу XIX в. Была усовершенствована также методика макросейсмических неинструментальных наблюдений. Ещё в середине этого столетия впервые была создана шкала балльности землетрясений. Быстрое развитие инструментальной сейсмологии в первые два десятилетия ХХ в., особенно после изобретения академиком Б. Б. Голицыным гальванометрического способа регистрации (1903 г.), привело к открытиям фундаментального значения, в том числе в очаговой сейсмологии.

В последние десятилетия наблюдался значительный прогресс в части конструирования аппаратуры для регистрации землетрясений. Были созданы приборы с различными частотными характеристиками, включая длинно-периодичные сейсмографы для изучения собственных колебаний Земли. Значительное внимание было уделено изучению афтершоков и наблюдениям колебательных процессов в эпицентральных зонах с использованием специальной аппаратуры. В 50−60-х годах интенсивно стали развиваться наблюдения в акваториях с применением донных сейсмографов. В тоже время стала широко использоваться аппаратура с магнитной записью, вначале аналоговой, а затем в цифровой форме. Резко возросло количество сейсмических, в том числе и телесейсмических, станций в сейсмоактивных районах и плотность их размещения.

В теоретической сейсмологии основные усилия были направлены на изучение механизма очагов землетрясений. На основе теоретических разработок была создана методика определения тензоров напряжения в очаге по экспериментальным данным.

Техногенная очаговая сейсмология начала развиваться с конца 40−50-х годов, прежде всего в связи с прогнозированием опасности выброса газов в угольных шахтах, а также обвалов в различных крупных горных выработках.

Важным этапом в развитии очаговой сейсмологии являлась установка сейсмографов на Луне (1969 г.), что позволило, в частности, лучше понять влияние сил межпланетного гравитационного взаимодействия на генерацию сейсмической энергии. [2]

1.2 Обсерватории В начале нашего века во многих местах земного шара были созданы сейсмические обсерватории. На них постоянно работают чувствительные сейсмографы, которые регистрируют слабые сейсмические волны, возникающие при удаленных землетрясениях. Например, Сан-Францисское землетрясение 1906 г. было отчетливо записано десятками станций в целом ряде стран за пределами США, в том числе в Японии, Италии и Германии.

Значение этой развернутой по всему миру сети сейсмографов состояло в том, что документация землетрясений уже больше не ограничивалась рассказами о субъективных ощущениях и визуально наблюдавшихся эффектах. Была разработана программа международного сотрудничества, которая предусматривала обмен записями землетрясений, что помогало бы точно определять местоположение очагов. Впервые возникла статистика времени возникновения землетрясений и их географического распределения даже в ненаселенных районах. Эти сведения принято называть сейсмичностью района.

К 1960 г. во многих странах действовало около 700 сейсмологических обсерваторий, производивших вороха сейсмограмм. В дальнейшем возможность определять с одинаковой точностью местоположение землетрясений умеренной силы в любом районе земной поверхности сильно возросла в результате создания, по инициативе США, измерительного комплекса, названного Мировой сетью стандартизованных сейсмических станций (WWSSN — Worldwide Standardized Seismograph Network). К 1969 г. около 120 таких станций было размещено в 60 странах. В этот же период значительный прогресс был достигнут, в частности в неприсоединившихся странах, в технике сейсмических наблюдений. [1]

Глава 2. Объекты изучения, цели и задачи Основным объектом изучения являются явления и процессы сопутствующие землетрясению. Например увеличение числа форшоков крупного землетрясения, уменьшение электрического сопротивления пород, колебания модуля полного вектора магнитного поля, а затем резкое повышение уровня грунтовых вод в скважинах и колодцах, изменение температуры воды, повышенное содержание радона, углекислого газа и паров ртути, ну и конечно же аномальное поведение животных.

Предметами исследования являются основные параметры этого явления — такие, как сила землетрясения, глубина очага и разновидности землетрясений, магнитуда.

Целью изучения землетрясений является разработка новых методик предсказания землетрясений и предотвращение катастрофических последствий землетрясений.

Главной задачей, как я думаю, является наблюдение, регистрация сейсмических данных, и анализирование землетрясений.

Глава 3. Современные знания о землетрясениях

3.1 Понятие, сущность, причины Землетрясение — заметные колебания земной коры, происходящие от действия внутренних сил. Различают медленные, слабо заметные колебания и быстрые разрушительные перемещения пластов земной коры. Последние известны под землёй в тесном смысле, причины землетрясения: смещение, оседание пластов земной коры, провалы вследствие размывов и вообще действия воды и вулканические явления. Последние сопровождаются выделением водяных паров, газов, шлака, грязи.

Землетрясения представляет собой процесс растрескивания, идущий с некоторой конечной скоростью, а не мгновенно. Он предполагает образование и обновление множества разномасштабных взрывов, со вспарыванием каждого из них не только с высвобождением, но и перераспределением энергии в некотором объёме. Когда мы говорим о том, что сила внешнего воздействия на горные породы превысила их прочность, то следует иметь в виду, что в геомеханике четко различают прочность горных пород как материала, которая относительно высока, и прочность горного массива, включающего помимо материала горных пород ещё и структурные ослабленные зоны. Благодаря последним прочность породного массива существенно ниже, чем прочность собственно горных пород.

Скорость распространения разрывов составляет несколько километров в секунду, и этот процесс разрушения охватывает некоторый объем горных пород, называемый очагом землетрясения. Гипоцентр — центр очага, условно точечный источник короткопериодных колебаний. Проекция гипоцентра на земную поверхность называется эпицентром землетрясения. Интенсивность землетрясения эпицентра изображается линиями равной интенсивности колебаний — изосейстами. Область максимальных баллов вокруг эпицентра называется плейстосейстовой.

По глубине гипоцентров (фокусов) землетрясения подразделяются на 3 группы:

1. мелкофокусные 0 — 60 км

2. среднефокусные 60 — 150 км

3. глубокофокусные 150 — 700 км.

Но чаще всего гипоцентры землетрясений сосредоточены в верхней части земной коры на глубинах 10 — 30 км, где кора характеризуется наибольшей жесткостью и хрупкостью.

В одних случаях пласты земли по сторонам разлома надвигаются друг на друга. В других — земля по одну сторону разлома опускается, а по другую — поднимается, образуя сбросы. В местах, где сбросы пересекают речные русла, появляются водопады. Своды подземных пещер растрескиваются и обрушиваются. Бывает, что после землетрясения большие участки земли опускаются и заливаются водой. Подземные толчки вызывают на горных склонах обвалы и оползни. В 1906 г. в Калифорнии во время землетрясения на поверхности образовалась глубокая трещина. Она протянулась на 450 км. Вдоль нее произошли горизонтальные смещения. Около трещины дороги сместились на расстояние до 7 м. Во время Гобийского землетрясения (Монголия) 4 декабря 1957 г. возникли трещины общей протяженностью 250 км. Вдоль них возникли уступы до 12 м высотой.

Понятно, что резкое перемещение больших масс земли в очаге землетрясения должно сопровождаться ударом колоссальной силы. Удар вызывает сотрясение слоев горных пород вокруг очага, распространяющееся в виде волн так же, как расходятся волны от брошенного в воду камня. От очень сильных сотрясений поверхность земли может изгибаться, растрескиваться, вспучиваться. Большие разрушения от землетрясений обычно происходят в рыхлых и неустойчивых горных породах, на крутых склонах.

Постройки при сильных подземных толчках разрушаются за несколько секунд. Катастрофические землетрясения бывают в виде двух-трех коротких сильных толчков. Только слабые, уже неопасные повторные толчки еще долго тревожат перепуганных жителей. Конечно, чем дальше от эпицентра, тем слабее сотрясение почвы. На, больших расстояниях они вообще незаметны.

За год люди ощущают около 10 тыс. землетрясений. Из них примерно 100 бывают разрушительными. Современные точные приборы фиксируют ежегодно более 100 тыс. землетрясений на нашей планете.

Нередко очаг землетрясения скрывается под морским дном, и на море возникают огромные волны — цунами. Так, во время Лиссабонского землетрясения в 1755 г. на берег Португалии обрушилась волна высотой в 12 м, а сильное волнение наблюдалось даже у берегов Южной Америки, по другую сторону Атлантического океана.

В ночь с 4 на 5 ноября 1952 г. у берегов Камчатки от сильного землетрясения также образовались большие морские волны высотой 7−8 м. От Чилийского землетрясения 22 мая 1960 г. тоже возникли огромные морские волны.

На протяжении более суток они распространились через Тихий океан и достигли противоположных его берегов. В Японии высота волн достигала 10 м. Прибрежная полоса была затоплена. Большинство же подземных толчков очень слабы, и о них знают лишь сейсмологи — ученые, специально изучающие сотрясения Земли. Катастрофы вроде Мессинской, Калифорнийской или Чилийской случаются довольно редко. Летом 1964 г. произошло сильное землетрясение в Японии. [1, 3]

Силу землетрясений определяют баллами. Ученые составили специальную таблицу для определения силы землетрясений в баллах.

Таблица 1. Шкала Медведева-Шпонхойера-Карника (MSK-64)

Рис. 1 Схема землетрясения (http://www.yandex.ru)

3.2 Типы землетрясений Полезно ввести классификацию землетрясений по способу их образования. Больше всех распространены тектонические землетрясения. Они возникают, когда в горных породах под действием тех или иных геологических сил происходит разрыв. Тектонические землетрясения имеют важное научное значение для познания недр Земли и громадное практическое значение для человеческого общества, поскольку они представляют собой самое опасное природное явление.

Подземные толчки другого типа сопровождают вулканические извержения. И в наше время многие люди все еще считают, что землетрясения связаны главным образом с вулканической деятельностью. Эта идея восходит к древнегреческим философам, которые обратили внимание на широкое распространение землетрясений и вулканов во многих районах Средиземноморья. Также выделяются вулканические землетрясения это те землетрясения, которые происходят в сочетании с вулканической деятельностью, но считается, что как извержения вулканов, так и землетрясения являются результатом действия тектонических сил на горные породы, и они не обязательно возникают вместе. Сам механизм образования сейсмических волн при вулканических землетрясениях, вероятно, тот же, что и при тектонических.

Третью категорию образуют обвальные землетрясения. Это небольшие землетрясения, возникающие в районах, где есть подземные пустоты и горные выработки. Непосредственная причина колебаний грунта заключается при этом в обрушении кровли шахты или пещеры.

Большой интерес вызывает разновидность обвальных землетрясений, возникающих иногда при развитии крупных оползней.

Последний тип землетрясений это искусственные, производимые человеком взрывные землетрясения, возникающие при обычных или ядерных взрывах. Подземные ядерные взрывы производившиеся в течении последних десятилетий на ряде испытательных полигонов в разных местах земного шара, вызывали довольно значительные землетрясения. Когда в скважине глубоко под землей взрывается ядерное устройство, высвобождается огромное количество ядерной энергии. За миллионные доли секунды давление там подскакивает до величин, в тысячи раз превышающих атмосферное давление, а температура увеличивается в этом месте на миллионы градусов. Окружающие породы испаряются, образуя сферическую полость диаметром во много метров. Полость разрастается, пока кипящая порода испаряется с её поверхности, а породы вокруг полости под действием ударной волны пронизываются мельчайшими трещинами.

За пределами этой трещиноватой зоны, размеры которой измеряются иногда сотнями метров, сжатие в горных породах приводит к возникновению сейсмических волн, распространяющихся во всех направлениях. Когда первая сейсмическая волна сжатия достигает поверхности, грунт выгибается вверх и если энергия волны достаточно велика, может произойти выброс поверхностных и коренных пород в воздух с образованием воронки. Если скважина глубокая, то поверхность только слегка растрескается и порода на мгновение поднимется, чтобы затем снова рухнуть на подстилающие слои. [1]

3.3 Типы сейсмических волн, возникающих при землетрясениях Горные породы Земли обладают упругими свойствами, и это заставляет их деформироваться под действием приложенных к ним сил сжатия и растяжения. Сейсмические колебания, ощущаемые людьми и вызывающие растяжения, создают только три главных типа упругих волн. Из них только два типа распространяются внутри объёма горных пород. Более быстрые из этих объемных волн называются первичными (Р) или продольными волнами. Их движение имеет тот же характер, что и у звуковых волн, т. е. при своем распространении они попеременно давят на горные породы (сжимают их) или создают в них разрежение, растягивают их. Эти Р-волны, подобно звуковым волнам, способны проходить и через твердые породы, например гранитные горные массивы, и через жидкости, такие как вулканическая магма или вода океанов. Из-за сходства этих волн со звуковыми часть Р-волн, выходя из глубин Земли к ее поверхности, может передаваться в атмосферу в виде звуковых волн, воспринимаемых животными и людьми, если частота их окажется в интервале слышимости.

Более медленные волны, проходящие через горные породы, называются вторичными (S) или поперечными волнами. При своем распространении они сдвигают частицы вещества в стороны, под прямым углом к направлению своего пути. Простое наблюдение ясно показывает, что если какой-то объем жидкости сдвинуть в сторону или повернуть, то он не вернется затем на прежнее место. Из этого следует, что поперечные волны не могут проходить через те участки Земли, которые состоят из жидкости, например через океаны.

Фактическая скорость продольных и поперечных сейсмических волн зависит от плотности и упругих свойств горных пород и грунтов, через которые эти волны проходят. В большинстве случаев при землетрясениях продольные волны ощущаются первыми. Их действие похоже на удар воздушной волны, которая создает грохот и треск стекол в окнах. Спустя несколько секунд приходят поперечные волны, которые раскачивают все на своем пути вверх-вниз и из стороны в сторону и смещают поверхность грунта, как по вертикали, так и по горизонтали. Именно эти колебания и приводят к наибольшему повреждению построек.

Сейсмические волны третьего типа называются поверхностными волнами, поскольку их распространение ограничено зоной, близкой к поверхности грунта. Такие волны подобны ряби, расходящейся по поверхности озера. Наибольшие колебания происходят на самой поверхности, а с глубиной амплитуда волн становится меньше и меньше.

Поверхностные волны, создаваемые землетрясениями, делятся на два вида. Первый называется волнами Лява. Эти волны в сущности то же самое, что поперечные волны без вертикальных смещений; они заставляют частицы грунта колебаться из стороны в сторону в горизонтальной плоскости, параллельной поверхности Земли, но под прямым углом к направлению своего распространения. Воздействие волн Лява состоит в горизонтальных колебаниях, которые передаются основаниям построек и, следовательно, могут вызвать разрушения. Второй вид поверхностных волн известен под названием волн Рэлея. Как и в обычных морских волнах, частицы материала, захваченного волнами Рэлея, движутся по вертикали и по горизонтали в вертикальной плоскости, ориентированной по направлению распространения волн. Каждая частица породы при прохождении волны движется по эллипсу.

Поверхностные волны распространяются медленнее, чем объемные, и из двух видов поверхностных волн обычно волны Лява приходят быстрее, чем Рэлея. Таким образом, когда из очага землетрясения волны расходятся в разные стороны в земной коре, то можно предсказать, каким именно образом отделятся друг от друга разные типы волн. Поскольку волны Рэлея содержат вертикальную составляющую, они могут воздействовать на воду, например в озерах, тогда как волны Лява (которые не проходят через воду) действуют только на прибрежные части озер и океанских заливов, заставляя воду смещаться взад-вперед и перемешиваться, как у стенок вибрирующего бака.

Объемные волны (продольные и поперечные) обладают и другим свойством, влияющим на производимые ими сотрясения: при распространении через пласты горных пород земной коры они отражаются от границ между породами разного типа или преломляются на этих границах. Кроме того, какая бы волна ни испытывала отражения или преломления, часть энергии волн одного типа идет на образование волн другого типа. Возьмем простой пример: продольная волна подходит снизу к подошве слоя; при этом часть энергии будет передаваться вверх в виде продольной волны (Р), а часть превратится в поперечные колебания (S) (еще одна часть энергии отразится обратно вниз в виде Ри S-волн).

Когда Pи Sволны достигают поверхности грунта, большая часть их энергии отражается обратно в земную кору, так что на поверхность одновременно воздействуют волны, движущиеся и вверх, и вниз. Поэтому вблизи поверхности, как правило, происходит значительное усиление колебаний. Это приповерхностное увеличение амплитуды усиливает разрушения, производимые на поверхности Земли. [2]

Скорость Pи S-волн:, , где µ - модуль сдвига; - плотность среды, в которой распространяется волна; К — модуль всестороннего сжатия Рис. 2 Типы сейсмических волн (http://www.yandex.ru)

3.4 Проскальзывание по разломам; глинка трения Проскальзывание по разломам это горизонтальное скольжение двух плит вдоль линии разлома относительно друг друга. Обычно такое проскальзывание по разломам асейсмичное, т. е. оно не приводит к землетрясениям. Но если на подобных разломах землетрясения все-таки возникают, то после землетрясения скорость проскальзывания может, на короткое время, возрасти.

Зона разлома сложена раздробленными и сильно деформированными породами, которые образуют в этой зоне полосу, ширина которой местами измеряется многими метрами. В течение миллионов лет прерывистые, однако, частые дифференцированные движения по разлому дробили и перетирали породы, доводя их до состояния тонкозернистого порошка или пыли. Просачивающаяся вода в свою очередь изменяла их, в результате чего образовывались глины и песчанистые илы-алевриты. В конце концов, в зоне разлома появлялась скользкая илистая масса, называемая глинкой трения. Когда поперек какого-либо отрезка разлома проходят туннель или траншею, то обнаруживается, что зона глинки часто представляет собой барьер, почти непроницаемый для воды; зеркало грунтовых вод по разные стороны от этой зоны иногда оказывается на разных уровнях — вот почему вдоль разломов встречаются заболоченные места и родники.

Влажная глинка трения на ощупь представляет собой мягкую легко деформируемую массу и ведет себя скорее как вязкое тесто, чем как хрупкое упругое вещество. Поэтому трудно предположить, что она может оказать большое сопротивление проскальзыванию. Глубина зоны, сложенной глинкой трения, меняется в значительных пределах, но на крупных разломах она может составлять несколько километров. Древние разломы, вскрываемые в глубоких шахтах, иногда содержат глиноподобный материал, который раньше находился, очевидно, на глубине нескольких километров от земной поверхности.

Поскольку на активных разломах все-таки определенно происходят резкие подвижки, производящие землетрясения, это означает, что ниже податливого поверхностного материала должны находиться более прочные и более упругие породы, крепко связывающие оба крыла разлома по его плоскости. Только в этом случае может происходить медленная деформация пород и накопление упругой энергии, достаточной для возникновения землетрясения. Поэтому логично будет предположить, что зоны крупных разломов сложены комплексом различных пород: у поверхности залегает податливая, пластичная глинка трения, она распространяется вниз на несколько километров, но постепенно выклинивается, уступая место более прочным кристаллическим породам, спаянным с плоскостью разлома вплоть до глубины 15 — 20 км. Ниже этого уровня высокая температура земных недр, по-видимому, снова размягчает породы, так что упругие деформации становятся, механически неосуществимы. [1]

3.5 Медленное накопление энергии Проходят века, а глубинные силы постоянно и неуклонно деформируют горные породы под ногами жителей сейсмичных стран. Как выражается на поверхности это коробление земной коры? В чем проявляются тектонические силы?

Самое очевидное проявление это гигантские горные хребты, возникшие в результате вертикального вздымания крупных блоков земной поверхности над уровнем моря, — процесса, длившегося миллионы лет. Но и те движения коры, которые происходят за гораздо более короткое время, легко можно выявить путем тщательных полевых наблюдений. В большинстве стран мира геодезические съемки производятся, по меньшей мере, с прошлого столетия.

Существует три главных типа геодезических съемок. Два из них позволяют определить величину горизонтальных движений. В первом случае с помощью небольших телескопов измеряются углы между установленными на местности реперами. Этот вид съемки называется триангуляцией. Во втором случае по протяженным профилям измеряют длину линий между реперами это трилатерация, измерение сторон прилегающих друг к другу треугольников. Современная технология таких измерений использует отражение света (иногда луча лазера) от зеркала, укрепленного на вершине отдаленной горы; при этом измеряется время, за которое свет проходит данное расстояние в оба конца. Из-за того, что скорость света зависит от атмосферных условий, при высокоточных съемках используются небольшие самолеты или вертолеты, которые летают вдоль пути луча и измеряют температуру и давление. По этим наблюдениям вычисляются необходимые поправки. Точность таких съемок составляет около 1,0 см на базе 20 км.

Третий тип съемок это нивелирование, т. е. определение величины вертикальных движений путем многократных измерений разности высот различных пунктов местности. При этом измеряется только разность в высотном положении вертикальных деревянных реек, устанавливаемых у закрепленных реперов. Повторяя наблюдения, обнаруживают изменения, возникающие в период между съемками. Везде, где это удается, линии государственного нивелирования выводят к краям материков, с тем чтобы в качестве точки отсчета можно было использовать уровень моря.

Все три геодезических метода наблюдения за движениями земной коры показывают, что в тектонически-активных районах, таких как Калифорния и Япония, горизонтальные и вертикальные перемещения имеют вполне измеримые величины. Результаты съемок позволяют также сделать вывод, что в стабильных областях материков, например на древних массивах Канадского и Австралийского щитов, произошли лишь небольшие изменения, по крайней мере, за последнее столетие.

Полезной иллюстрацией того, как деформируется кора в сейсмически активном районе, могут служить сведения по Калифорнии, где геодезические измерения начали проводить еще в 1850 г. Вдоль разлома Сан-Андреас специальные наблюдения были организованы в 1959 г. Ведомством водных ресурсов Калифорнии как часть комплекса работ по изучению смещений коры, способных повредить большие калифорнийские акведуки. Для измерения расстояний между реперами, установленными на вершинах гор по разные стороны от разлома Сан-Андреас, используются оптические и лазерные инструменты, называемые геодиметрами.

Именно геодезические данные, полученные после Сан-францисского землетрясения 1906 г., способствовали формированию главных наших представлений о происхождении землетрясений. Американский сейсмолог Г. Ф. Рид сравнил результаты трех циклов триангуляционных измерений, выполненных по профилям, которые пересекали отрезок разлома Сан-Андреас на участке вспарывания 1906 г.: измерения, проведенные в 1851—1865 гг., в 1874—1892 гг. и сразу же после землетрясения. Эти материалы показали, что значительные горизонтальные перемещения, параллельные треснувшему отрезку разлома Сан-Андреас, происходили как до, так и после землетрясения. Рид отметил, что удаленные друг от друга точки на разных сторонах разлома за 50 лет сместились на 3,2 метра. [1]

3.6 Упругая отдача По предположению Рида упругая отдача является непосредственной причиной землетрясений, и это объяснение с течением времени подтвердилось. Подобно часовой пружине, которую закручивают все туже и туже, глубинные породы земной коры могут упруго деформироваться, и чем больше эта деформация, тем большая энергия накапливается в породах. Когда пружина лопается, происходит высвобождение упругой деформации, причем очень резкое. Когда вспарывается разлом, упругая энергия, накопленная в породах, также высвобождается: частично в виде тепла, а частично в виде упругих волн. Эти волны и представляют собой землетрясение.

Столь же часто наблюдается деформация горных пород в вертикальном направлении. Упругая отдача, возникающая вдоль наклонных поверхностей разрыва, создает вертикальные смешения на поверхности; иногда образуются крупные сбросовые уступы. Вертикальные движения грунта, обусловленные землетрясениями или другими явлениями, могут достигать на больших площадях величин порядка десятков сантиметров.

Вертикальные смещения, возникшие при двух японских землетрясениях, достигли поразительных размеров. При катастрофическом землетрясении Канто 1 сентября 1923 г., произошли исключительно большие изменения глубины залива Сагами к югу от Токио. Местами глубина изменилась на 250 м. На полуострове Босо появился ряд разрывов, и возникло поднятие высотой до 1,9 м.

Далее, при землетрясении в Ниигате 16 июня 1964 г. также произошли значительные вертикальные подвижки, однако они были не результатом крупного сейсмического толчка, а его предвестником. Реперы, установленные вдоль западного побережья острова Хонсю, были использованы для измерений высоты местности относительно уровня моря в 1898, 1930, 1955, 1958, 1961 гг. и непосредственно перед землетрясением 1964 г. С 1898 по 1958 г. эти измерения показывали, что берега Хонсю напротив острова Ава неуклонно поднимаются со скоростью около 2 мм в год. К 1961 г. подъем ускорился, после чего вплоть до 1964 г. высота менялась мало, а во время землетрясения в районе острова Ава произошло резкое опускание берега на 15—20 см. [1, 2, 3]

3.7 Форшоки и афтершоки Землетрясения могут сопровождаться предшествующими и последующими толчками, получившими соответственно название форшоков и афтершоков. Форшоки можно было бы рассматривать в качестве предвестников землетрясений. Однако в среднем они отмечаются для очень небольшого количества сильных землетрясений. Так, например, по районам Японии только пятая часть крупных землетрясений предваряется наличием форшоков. При этом они чаще всего начинаются за несколько суток до основного события, а количество их и интенсивность возрастают по мере приближения к главному толчку. В некоторых работах приводятся данные о том, что перед сильным землетрясением отмечается дефицит сейсмической активности. В целом сведения о форшоках тектонических землетрясений весьма противоречивы, так как в большинстве случаев даже постфактум очень трудно решить относится ли данное событие к форшоку или оно представляет собой флуктуацию фоновых землетрясений. Отметим, что форшоки, как правило, сопровождают относительно сильное техногенное землетрясение, проявляющееся в процессе заполнения искусственных водохранилищ.

Приведенный пример техногенных форшоков дает некоторую возможность высказать по аналогии предположение, что форшоки тектонических землетрясений могут появиться при определенных структурных особенностях среды в том случае, когда существует режим регулярного увеличения напряжений в некоторой области, совпадающей с гипоцентральной зоной главного толчка, либо в зоне прилегающей к ней.

К значительно более устойчивым явлениям следует отнести афтершоки.

Детальные инструментальные наблюдения показывают, что афтершоковый процесс имеет место практически при всех достаточно сильных землетрясениях. К настоящему времени специалисты приходят к выводу, что в случае большой глубины афтершоки появляются значительно реже, чем при нормальных землетрясениях.

Обычно предполагается, что афтершоковый процесс может быть при любой величине землетрясения, хотя доказать это с полной определенностью трудно, в том числе из-за ограниченной чувствительности аппаратуры. Попутно отметим, что достаточно сильные афтершоки порождают афтершоки второго порядка. Как и при обычном (фоновом) процессе, афтершоки могут быть различной силы, т. е. распределяться в соответствии с законом повторяемости. Чаще всего афтершоки большой интенсивности появляются, через относительно короткие интервалы после главного толчка. Вместе с тем даже наиболее сильные афтершоки всегда меньше по энергии, чем порождающее их землетрясение.

Важным вопросом в проблеме афтершоков является связь место положения гипоцентров афтершоков с фокальной областью главного толчка. Многие авторы, анализируя имеющиеся экспериментальные данные, приходят к выводу, что большая часть очагов афтершоков располагается либо в пределах зоны главного толчка, либо в непосредственной близости от нее. Если очаг основного землетрясения сильно вытянут вдоль разлома, то нередко гипоцентры афтершоков концентрируются на концах тектонического шва. Вместе с тем нельзя не согласиться с некоторыми авторами, что гипоцентры афтершоков могут располагаться на значительном удалении от очаговой зоны. Это вытекает из того, что афтершоки относятся к категории возбужденных землетрясений и сфера влияния сильного события в сейсмоактивной области может быть достаточно большой, если поле напряжений в среде было близко к критическому. [2]

3.8 Попытки предсказания землетрясений Можно ли предсказать землетрясение? За прошедшие века было предложено много способов предсказания — от учета погодных условий, типичных для землетрясений, до наблюдений за положением небесных тел и за странностями в поведении животных. Большинство попыток предсказать землетрясение было безуспешным.

С начала 1960;х годов научные исследования по прогнозу землетрясений приняли невиданный размах, особенно в Японии, СССР, КНР и США. Их цель — добиться в предсказании землетрясений, по крайней мере, такой же надежности, как в прогнозе погоды. Наибольшей известностью пользуется предсказание времени и места возникновения разрушительного землетрясения, особенно краткосрочный прогноз. Однако существует и другой вид прогноза землетрясений: оценка интенсивности сейсмических сотрясений, ожидаемых в каждом отдельном районе. Этот фактор играет главную роль при выборе участков для строительства таких важных сооружений, как плотины, больницы, ядерные реакторы, и, в конечном счете, наиболее важен для уменьшения сейсмической опасности.

Изучение характера сейсмичности на Земле за исторический период времени позволило предсказывать те места, где в будущем могут возникать разрушительные землетрясения. Однако хроника прошлых землетрясений не дает возможности прогнозировать точное время следующей катастрофы. Даже в Китае, где за последние 2700 лет произошло от 500 до 1000 опустошительных землетрясений, статистический анализ не выявил четкой периодичности сильнейших землетрясений, но показал, что крупные катастрофы могут разделяться длительными периодами сейсмического молчания.

В Японии, где также существует длительная статистика землетрясений, начиная с 1962 г. проводятся интенсивные исследования по прогнозу землетрясений, но пока они не принесли определенного успеха. Японская программа, объединяющая усилия сотен сейсмологов, геофизиков и геодезистов, привела к получению огромного количества разнообразных сведений и позволила выделить много признаков готовящегося землетрясения. Один из самых примечательных предвестников землетрясений среди изученных до сих пор это явления, отмеченные на западном побережье японского острова Хонсю. Проводившиеся там геодезические измерения показали что в окрестностях города Ниигата в течение примерно 60 лет происходило непрерывное поднятие и опускание береговой линии. В конце 1950;х годов скорость этого процесса уменьшилась; затем во время землетрясения. Ниигата 16 июня 1964 г. в северной части этого района (вблизи эпицентра) было отмечено резкое опускание величиной более 20 см. Характер распределения вертикальных движений, показанный на графиках, был выяснен только после землетрясения. Но в случае повторения таких крупных изменений высоты рельефа это, несомненно, послужит некоторым предостережением. Позднее в Японии было проведено специальное изучение исторических циклов землетрясений в окрестностях Токио, а также были выполнены локальные измерения современной деформации коры и частоты землетрясений. Полученные результаты позволили некоторым японским сейсмологам предположить, что повторения сильнейшего землетрясения Канто (1923 г.) в настоящее время не ожидается, но что в соседних районах землетрясения не исключены.

С начала нашего столетия, если не раньше, стали выдвигать предположения о разных типах «спусковых механизмов», способных вызвать начальную подвижку очаге землетрясения. Среди наиболее серьезных предположений это роль суровых погодных условий, вулканических извержений, гравитационное притяжение Луны, Солнца и планет. Чтобы найти такие эффекты были проанализированы многочисленные каталоги землетрясений, в том числе весьма полные списки для Калифорнии, но определенных результатов получено не было. Например, выдвинуто предположение о том, что, поскольку каждые 179 лет планеты оказываются приблизительно на одной линии, возникающее при этом дополнительное притяжение вызывает резкое усиление сейсмичности. Разлом Сан-Андреас в южной Калифорнии не производил разрушительных сейсмических толчков после землетрясения Форт-Техон в 1857 г., так что воздействие этого «планетного» спускового механизма на указанный разлом в 1982 г. можно было бы считать особенно вероятным. К счастью для Калифорнии, этот аргумент имеет серьезные изъяны. Во-первых, мировые каталоги землетрясений показывают, что в прошлые эпизоды такого расположения планет: в 1803, 1624 и 1445 г. усиления сейсмической активности не наблюдалось. Во-вторых, дополнительное притяжение относительно небольших или отдаленных планет незначительно по сравнению с взаимодействием между Землей и Солнцем. Значит, помимо 179-летней надо рассматривать и возможность множества других периодичностей, связанных с совместным действием наиболее крупных небесных тел.

Чтобы обеспечить надежный прогноз, такой как предсказание фаз Луны или результата химической реакции, необходима, как правило, прочная теоретическая основа. К сожалению, в настоящее время точно сформулированной теории происхождения землетрясений все еще нет. Тем не менее на основе наших нынешних, пусть ограниченных, знаний о том, где и когда происходят сейсмические толчки, мы может делать грубые предсказания того, когда на том или ином известном разломе можно ожидать следующее сильнейшее землетрясение. Действительно, после землетрясения 1906 г. Г. Ф. Рид, используя теорию упругой отдачи, заявил, что следующее сильнейшее землетрясение в районе Сан-Франциско должно произойти примерно через сто лет.

В настоящее время производится много экспериментальных работ. Исследуются различные явления, которые могут оказаться предвестниками, «симптомами» готовящегося землетрясения. Хотя попытки всеобъемлющего решения проблемы выглядят довольно внушительно они дают мало оснований для оптимизма: едва ли система прогноза будет практически реализована в большинстве районов мира в ближайшем будущем. К тому же методы, которые кажутся сейчас наиболее перспективными, требуют весьма сложного оборудования и больших усилий работников науки. Создание сетей прогностических станций во всех зонах высокого сейсмического риска было бы чрезвычайно дорогостоящим Мероприятием.

Кроме того, с прогнозом землетрясений неразрывно связана одна важнейшая дилемма. Предположим, данные сейсмологических измерений указывают на то, что на определенной плошали в определенный период времени произойдут землетрясение определенной магнитуды. Надо полагать, что данная площадь и раньше считалась сейсмичной, иначе на ней не проводились бы подобные исследования. Отсюда следует, что если в указанный период землетрясение действительно произойдет, это может оказаться простым совпадением и не будет веским доказательством того, что использованные для прогноза методы верны и не приведут к ошибкам в будущем. И конечно, если будет, сделав конкретный прогноз, а ничего не произойдет, это будет воспринято как доказательство того, что метод ненадежен.

В последнее время в Калифорнии сильно активизировалась деятельность, связанная с прогнозом землетрясении; в результате чего в 1975 г. был образован научный совет, задачей которого является оценка надежности прогнозов для ведомства штата по мерам в случае чрезвычайного положения.

Было решено, что каждый подлежащий рассмотрению прогноз должен включать четыре основных элемента: 1) время, в течение которого произойдет данное событие, 2) место, в котором оно произойдет" 3) пределы магнитуды, 4) оценку вероятности случайного совпадения, т. е. того, что землетрясение произойдет вне связи с явлениями, подвергавшимися специальному изучению.

Значение деятельности такого совета не только в том, что он выполняет задание властей, ответственных за обеспечение минимальных потерь при землетрясении, но и в том, что проявляемая этим советом осмотрительность полезна для ученых, составляющих прогнозы, так как обеспечивает независимую проверку. В более широком социальном плане такое научное жюри помогает отсеивать необоснованные предсказания всякого рода ясновидцев, а иногда и недобросовестных людей, ищущих известности.

Социальные и экономические следствия прогноза землетрясений вызывают противоречивые толкования. По мере развития сейсмологических исследований в различных странах, вероятно, будут делаться многочисленные предсказания землетрясений, которые должны возникнуть в вероятных очаговых зонах.

В западных странах проведено изучение отрицательных, равно как и положительных следствий прогноза. Если бы, например, в каком-нибудь месте можно было уверенно предсказать время крупного разрушительного землетрясения примерно за год до ожидаемого срока и затем непрерывно уточнять его, то число жертв и даже величина материального ущерба от этого землетрясения значительно сократились бы, но общественные связи в области были бы нарушены, а местная экономика пришла бы в упадок. [1, 6]

Единственным примером удачно предсказанного на сегодняшний день землетрясения является Хайченское землетрясение 1975 г. В провинции Ляонин в Китае. В те годы задолго до подземного толчка в Китае была организована сеть геолого-геофизических и других наблюдений за изменениями физического состояния земных недр, наклонов поверхности, сейсмической активности, уровня подземных вод и содержания в них различных газов. На основании всех полученных данных было принято решение об эвакуации населения города. Спустя несколько часов он оказался под руинами, но жертв почти не было.

Возвращаясь к задаче сверхвысокой степени сложности — предсказанию землетрясений, отметим, что ученые многих стран продолжают поиск предвестников землетрясений. Сегодня их выделяют в несколько групп.

Прежде всего, это сейсмологические предвестники — увеличение числа форшоков крупного землетрясения.

К геофизическим признакам можно отнести уменьшение электрического сопротивления пород, колебания модуля полного вектора магнитного поля и т. п.

Из гидрогеологических предвестников землетрясения называют понижение, а за тем резкое повышение уровня грунтовых вод в скважинах и колодцах, изменение температуры воды, повышенное содержание радона, углекислого газа и паров ртути.

Ну и, конечно же, аномальное поведение животных

3.9 Основные параметры землетрясений Для оценки и сравнения землетрясений используются шкала магнитуд и шкала интенсивности.

Шкала магнитуд различает землетрясения по величине магнитуды, которая является относительной энергетической характеристикой землетрясения. Существует несколько магнитуд и соответственно магнитудных шкал: локальная магнитуда (ML); магнитуда, определяемая по поверхностным волнам (Ms); магнитуда, определяемая по объемным волнам (mb); моментная магнитуда (Mw).

Наиболее популярной шкалой для оценки энергии землетрясений является локальная шкала магнитуд Рихтера. По этой шкале возрастанию магнитуды на единицу соответствует 32-кратное увеличение освобождённой сейсмической энергии. Землетрясение с магнитудой 2 едва ощутимо, тогда, как магнитуда 7 отвечает нижней границе разрушительных землетрясений, охватывающих большие территории. Интенсивность землетрясений (не может быть оценена магнитудой) оценивается по тем повреждениям, которые они причиняют в населённых районах.

Интенсивность является качественной характеристикой землетрясения и указывает на характер и масштаб воздействия землетрясений на поверхность земли, на людей, животных, а также на естественные и искусственные сооружения в районе землетрясения. В мире используется несколько шкал интенсивности: в США — Модифицированная шкала Меркалли (MM), в Европе — Европейская макросейсмическая шкала (EMS), в Японии — шкала Шиндо (Shindo).

12-бальная шкала Медведева-Шпонхойера-Карника была разработана в 1964 году и получила широкое распространение в Европе и СССР. С 1996 года в странах Европейского союза применяется современная Европейская макросейсмическая шкала (EMS). В России на данный момент в нашей стране используется шкала MSN-64

3.10 Пространственное распределение очагов землетрясений

3.10.1 Особенности пространственного распределения очагов землетрясений Почти вековой опыт инструментальных наблюдений и многочисленные летописные источники свидетельствуют о том, что землетрясения заданной величины распределены на поверхности Земли неравномерно. Если иметь в виду сильные разрушительные землетрясения с магнитудой больше 5 — 6, то их очаги располагаются в относительно небольших по площади зонах, составляющих всего лишь несколько процентов от площади земной поверхности. Около 15% площади бывшего СССР занимают зоны сейсмичности с магнитудой больше 4. На остальной территории сейсмичность слабая, и относительно редко толчки воспринимаются по макросейсмическим признакам. При этом в некоторых районах местные толчки очень слабые и меньше уровня наведенной иррадиированной сейсмичности, т. с. колебаний Земли, вызванных удаленными сильными землетрясениями с большой глубиной очага. Так, например, в Москве отмечаются колебания силой 3 — 4 балла от землетрясений в Карпатах, отстоящих от нашей столицы на расстоянии ~ 1500 км.

Зоны распределения сейсмичности расположены в основном вдоль западной, южной и восточной границ. В некоторых областях показаны землетрясения вблизи внешней стороны границы.

В подавляющем большинстве сейсмоактивных районов преобладают коровые землетрясения с глубинами очагов до 40 км. Глубокофокусные землетрясения отмечаются в отдельных районах с ограниченной площадью, причем основные из них располагаются вблизи внешней стороны государственной границы (горы Вранча, Гиндукуш, акватория к востоку от Камчатки).