Ехото на земетресенията

Миналата седмица бе белязана от трагичното земетресение в Непал. Според последните сведения, броят на жертвите достигна до 6620 души и ранени - повече от 14 000. Цялото човечество реагира много болезнено на този трагичен инцидент. Той ни напомня за необходимостта да се изучават и предвиждат тези най-разрушителни движения на планетата ни.

Земетресенията, най-общо казано, се предизвикват от внезапни изменения в състоянието на земните недра. Тези колебания представляват еластични вълни, разпространяващи се с висока скорост в скалите.

Най-силните земетресения понякога се усещат на разстояние над 1500 км от източника и могат да бъдат записани от сеизмографи - специални високочувствителни сензори, които да уловят ехото им дори на обратната страна на земното кълбо.

Районът, от където се зараждат вибрациите, се нарича огнище или хипоцентър на земетресението, а проекцията му на земната повърхност - епицентър на земетресението. Огнищата обикновено са на дълбочина не повече от 16 км, но има и такива на дълбочина от 700 км. Всеки ден има хиляди земетресения, но малко от тях се усещат от човека.

Видове земетресения

Земетресенията се изучават отдавна, но въпреки многобройните изследвания, не може да се каже, че причините им са напълно изяснени. Според процесите, предизвикали земетресенията , ги делят на няколко типа:

• Тектонските земетресения възникват в резултат на тектоничната активност на Земята, т.е. заради внезапно освобождаване на напрежение при взаимното триене на земната кора и мантията, в районите на съществуващите пукнатини в земната кора, наречени разломи. Последните проучвания показват, че причината за дълбоките земетресения може да бъдат и фазови преходи в мантията, настъпващи при определени температури и налягания. Понякога дълбокият разлом може да излезе на повърхността. По време на катастрофалното земетресение в Сан Франциско, 18 април, 1906 г. общата дължина на разкъсванията на повърхността в района на разлома на Сан Андреас е повече от 430 км и максимално хоризонтално преместване - 6 м. Максималната регистрираната стойност на преместване е при японското земетресение от 11 март 2011г,  с цели 50м заедно с площ от разлона приблизително 500 км дълга и 200 км широка на изток от японския остров Хоншу. Да ви припомним, че преместването при скорошното разрушително земетресение в Непал е 3м.
• Вулканичните земетресения настъпват вследствие на внезапни движения на лава и вулканичен газ в недрата на земята или възникналите разриви под влиянието на тези движения.
• Техногенните или изкуствени земетресения са причинени от подземни ядрени опити, добив чрез фракинг на нефт и природен газ, взривни работи в минното дело и т. н.
• леки земетресения може да се получат при срутване на сводовете на пещери или мини.

Тектонските причини

Ако разгледаме картата долу, ще видим, че повече от 90 % от земетресенията са групирани в дълги хиляди километри и сравнително тесни сеизмични пояси. Те определено са свързани със разположението на литосферните плочи.

Литосферните плочи се плъзват върху пластичния слой на горната мантия, наречена астеносферата, която е силно вискознa, механично слабa област. Тя се намира под литосферата, на дълбочина между ≈80 и ≈200 км под повърхността.

Земната кора има различна дебелина от 0 до 100км - тя е по-тънка, но по-плътна под океана. Тънката и крехка литосфера се движи като се плъзга хоризонтално върху пластичната астеносфера

Плочите се сблъскват или подпъхват, раздалечават или плъзгат една спрямо друга.

Голяма част от земетресенията стават около т.н. средноокеански хребети, на границата между раздалечаващи се тектонски плочи, избутвани настрани от издигащият се материал от астеносферата, който формира нова океанска кора. Такъв е Атлантическия сеизмичен пояс, с умерена сеизмична активност, придружена от вулканизъм. Типичен представител е остров Исландия.

Субдукцията

Най-голям брой земетръсни огнища има областите на дълбоководните бразди, по които става сблъскване на литосферните плочи.

Схема: wikimedia

Субдукцията е процес, при който океанската кора се подпъхва под континенталната кора, защото океанската кора е по-плътна от континенталната. Триенето между движещите се плочи предизвиква земетресение. Температурата се покачва поради триенето, океанската кора се стопява и заради намалената й плътност новосформираната магма да се покачва. Магмата се издига нагоре през пукнатини и отслабени области в континенталната кора и в крайна сметка, изригва в един или повече вулкани. Сеизмичните пояси съвпадат със зоните на вулканска активност и това не е случайно, защото двата процеса са свързани.

От този вид е Тихоокеанския сеизмичен пояс, който опасва Тихия океан. Това е най-активната земетръсна зона, в нея се освобождава около 80 % от цялата сеизмична енергия на Земята.

Непалското земетресение се намира на третия основен сеизмичен пояс - Средиземноморско-Трансазиатския, който започва от Гибралтар, през Средиземно море,  Мала Азия, Средноазиатските планини, Хималаите и достига Индокитай. Той е резултат от серия сблъсъци между континетални плочи като Индия с Азия е първата от последвалата серия колизии, при които огромният Тетиски океан се затваря през неогена. Тук са групирани около 20 % от световните земетръсни огнища. 

Сеизмичните вълни

Колебанията, които се разпространяват от огнището на земетресение, са еластични вълни, чиито характер и скорост на разпространение зависят от еластичните свойства и плътността на скалите, през които преминават. Тези еластични свойства са деформационния модул, характеризиращ съпротивлението на свиване без да се променя формата и модулът на срязване, който определя съпротивлението на силите на срязване. Скоростта на разпространение на еластичните вълни се увеличава правопропорционално на корен квадратен стойностите на еластичността и плътността на средата.

Надлъжни и напречни вълни

Първи се появяват надлъжните вълни, при които всяка частица от средата е подложена първо на натиск (сгъстяване), а след това разширяване, като по този начин изпитват възвратно-постъпателно движение в надлъжна посока, т.е. в посока на разпространение на вълната). Това са първичните вълни (P-вълни). Скоростта им е в зависимост от модула на еластичност и твърдост на скалата. Близо до повърхността скоростта им е 6 км/сек., а при много голяма дълбочина - около 13 км/сек.

След това идват напречните сеизмични вълни, наречени още вторични вълни (S вълни). При тях всяка частица се колебае, перпендикулярно на посоката на разпространение на вълната.

Повърхностни вълни

Повърхностните сеизмични вълни, се разпространяват в зона близо до повърхността на земята. Те са като вълнички на повърхността на езерото. Те са вълни на Лъв (L-вълни), наречени в чест на британския математик Лъв (Augustus Edward Hough Love), при които почвените частици се люлеят напред-назад в хоризонтална равнина, успоредна на земната повърхност под прав ъгъл на посоката на разпространение. 

Вълните на Рейли (R-вълни), на името на нобеловия лауреат лорд Рейли (Rayleigh), се срещат на границата между две среди, което ги кара да се движат, описвайки елипси във вертикална равнина, ориентирана в посока на разпространение на вълната. Скоростта им е 3.2-4.4 км/сек. 

Отражение и пречупване

Срещайки по пътя си скални слоеве с различни свойства, сеизмичните вълни се отразяват или пречупват, точно както лъч светлина се отразява от огледална повърхност или пречупва, преминавайки от въздуха във водата. Всякакви промени в еластичните характеристики и плътността на материала по пътя на разпространение на сеизмичните вълни ги карат да се пречупват, а при резки промени във свойствата на средата, енергията на вълните се отразява.

Пътят на сеизмичните вълни

Надлъжните и напречните вълни се разпространяват в Земята, като непрекъснато нараства обемът на средата, въвлечен в процеса на колебание. 

С нарастване на дълбочината модулът на еластичност на средата се увеличава по-бързо от нейната плътност (до 2900 км), скоростта на разпространение на вълните в дълбочина е по-голяма, отколкото близо до повърхността, а фронтът на вълната повече напредва в дълбочина, отколкото в странична посока. Направлението на разпространение на P и S вълните са криви с обърната изпъкналост надолу към ядрото, поради факта, че скоростта на движение на вълната е по-голяма в дълбочина. Траекториите на Р и S вълни са едни и същи, въпреки че първата се разпространява по-бързо.

Регистрация

Сеизмичните вълни се разпространяват от огнището на земетресението във всички посоки, а като достигнат земната повърхност, могат да бъдат открити чрез специални устройства - сеизмографи, които записват и най-незабележимите земни потрепвания от земетресения, настъпили дори на противоположната страна на земното кълбо.

Първите сеизмографи са се появили преди около 100 години, а записите на сеизмичните вълни - сеизмограмите позволяват да се определи големината (магнитуда) и местоположението на земетресението.

Определяйки времето на пристигане на различните вълни и знаейки скоростта на разпространението им може да се намери разстоянието до източника на земетресение -  хипоцентъра. Съществува световна мрежа от сеизмични станции с много стотици сеизмографи, която може веднага да регистрира земетресение, в която и да е точка на света. 

Скали, балове и магнитуд

Интензитетът и сеизмичният ефект на земетресението се изразява в балове и магнитуд. В Русия, а и доскоро в България , се използва скала от 12 бала на интензивност на Медведев-Шпонхойер-Карник (MSK-64). Тази скала има следната градация:

• I-III - слаби,
• IV-V - усещани,
• VI-VII - силни (разрушават се паянтови сгради),
• VIII - разрушителни (частично се разрушават масивни сгради, падат заводски комини),
• IX - опустошителни (разрушени са повечето от сградите),
• X - унищожи (разрушават се мостове, свлачища и лавини се появят)
• XI - бедствени (унищожени са всички сгради, промени на ландшафта),
• XII - опустошителни катастрофални (предизвикват промени в релефа на обширни територии).

Условността на подобни скали (аналогична е и скалата на Меркали) е очевидна: силата на земетресението се получава в зависимост от качеството на строителството, гъстотата на населението и други фактори.

По-универсална и физически обоснована характеристика на земетресението е магнитудът. Тя се характеризира с максималната амплитуда на записа, получен чрез стандартен тип сеизмограф на фиксирано разстояние от епицентъра на труса. Изобретена е през 1935 г. от американския професор Чарлз Франсис Рихтер (1900-1985) и носи неговото име.

Магнитудът на земетресението по Рихтер се определя като десетичен логаритъм на отношението на максималната амплитуда на сеизмичните вълни на дадено земетресение (А) към амплитудата на вълните на стандартно земетресение (Ах). По-голям обхвата на вълната, толкова по-голямо е разместването на почвата, съответно:

M = log A/Ax

Магнитуд 0 има земетресение с максималната амплитуда от 1 микрон (милионна част от метъра) на разстояние от епицентъра от 100 км. Когато магнитудът е 5, рядко се разрушават сгради. Опустошителен е магнитуд 7, а най-силните регистрирани земетресения са с магнитуд  8,5-8,9 по Рихтер.

Земетресенията може да бъдат полезни

Разпространението на енергията, излъчвана по време на типичнo земетресение. Схема: wikimedia

Вълните, които се излъчват по време на силни земетресения са основен източник на информация в изследването на най-дълбоките области на нашата планета. 

Най-полезни за проучванията са P и S вълните. Разпространението им във вътрешността на Земята дава на геофизиците безценни данни за физико-химичните свойства и дълбочинния сроеж на Земята.

Например, когато се случи земетресение, сеизмометрите близо до епицентъра, до около 90 км, записват състоянието на P и S вълните, но по-далечните сеизмографи не засичат високочестотните S вълни. Напречните вълни не се пренасят през течност и това явление се е използвало като доказателство на добре известния факт сега, че външното ядро на Земята е течност.

Така че, благодарение на изследванията на сеизмичните вълни, геофизиците са успели да научат къде са границите на земната кора, мантията и ядрото, както и какви са техните физически свойства.

Енергията на земетресенията

Най-силните трусове с магнитуд от около 9 излъчват енергия от порядъка 10²⁵ ерга. Тя ще бъде достатъчна да захрани малък град за повече от 500 години. Енергията, освободена от земетресение с умерена сила е сравнима с енергията на ядрените взривове (мегатонна бомба отделя около 5 * 10²² ерга), но само малка част от ядрената енергия отива в този случай в сеизмична: само 50-мегатонен взрив ще освободи толкова сеизмична енергия, колкото земетресение с магнитуд от 7,3 по скалата на Рихтер. В същото време сеизмичната енергия, разсеяна от еластичните вълни, е малка част (1-10%)  от общата енергия, освободена при земетресението. Огромната енергия се излъчва под формата на топлина, за което говорят разтопените скали в зоните на разломите.

Източници:

The great East Japan (Tohoku) 2011 earthquake: Important lessons from old dirt

Същност на земетресенията, проф. дгмн Цанко Цанков

Earthquake

Землетрясения

ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ И ДИНАМИКА ГРУНТОВ Е. А. Вознесенский. МГУ

ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ: ПРИЧИНЫ, ПОСЛЕДСТВИЯ, ПРОГНОЗ, Н. В. Короновский, В. А. Абрамов. МГУ

Още по темата

04/05/2015

Земята

Сеизмолози: Очаквайте по-разрушително земетресение в Непал

28/04/2015

Земята

Катманду с 3 метра на юг след земетресението

27/04/2015

Земята

Френски геолози: В Непал ще има още земетресения

17/03/2015

Земята

Кога вълната става цунами