Характеристика землетрясений

По существу все прямые данные о внутреннем строении Земли, имеющиеся в нашем распоряжении, получены из наблюдений за распространением упругих волн, возбуждаемых при землетрясениях. Землетрясения можно рассматривать как специфические колебательные движения земной коры, характеризующиеся небольшой длительностью периодов (от десятков минут для собственных колебаний Земли до долей секунд). Под сейсмичностью подразумевается географическое распределение землетрясений, их связь со строением земной поверхности и распределение по магнитудам (или энергиям).

Всякое землетрясение возникает вследствие внезапного высвобождения значительного количества энергии в некотором объёме внутри Земли. Как правило, при этом в некоторой области и в теле Земли происходят разрушение и другие необратимые деформации горных пород. Эта область называется очагом землетрясения, а её центр – гипоцентром землетрясения. Проекция гипоцентра на земную поверхность называется эпицентром, а проекция очага – эпицентральной областью.

Землетрясения классифицируют в соответствии с положением глубины очага. Выделяют поверхностные (0–70 км), промежуточные (70–300 км) и глубокие (300-700 км) очаги. На поверхностные (неглубокие) землетрясения приходится выделение примерно 85% энергии, на промежуточные – 12% и на глубокие – 3%.
Причины землетрясений:

1. Поверхностные землетрясения обусловлены медленными течениями вещества в астеносфере, приводящими к возникновению напряжений в литосфере, разрядка которых и ведёт к проявлению землетрясений. Обычно глубины этих землетрясений составляют 20–30 км. Их проявление сопровождается огромными разрушениями. Пусковым механизмом поверхностных напряжений в очагах этих землетрясений служат приливы, связанные с Луной и Солнцем.

2. Промежуточные землетрясения связаны с астеносферой и обусловливаются неустойчивой ползучестью вещества на глубине. За счёт этого явления происходит местная концентрация напряжений, ведущая к высвобождению энергии.

3. Глубокофокусные землетрясения могут происходить за счёт фазовых переходов, происходящих в мантии. В результате изменяется объём вещества, опускающийся в мантию, за счёт его дегидратации.

На Земле за год в среднем происходит около 800000 землетрясений. Из них примерно 1000 являются разрушительными. Сильнейшие землетрясения в среднем возникают 1 раз в 3 года, при которых выделяется энергия 10¹²–10¹⁴ МДж. Это соответствует ядерным взрывам 200 млн. – 2 млрд. т тротила. В год за счёт землетрясений выделяется ~ 10¹³ МДж энергии. 1 Дж=кг·м²/с².

В настоящее время для сравнения землетрясений по силе наибольшим распространением пользуется шкала магнитуд, предложенная Гутенбергом и Рихтером и уточнённая другими исследователями:

где А – амплитуда смещения почвы (в микронах) в волнах определённого типа (поверхностных) (Т ~ 20 с);

Т – преобладающий период (в сек.);

f( ∆ ,h) -калибровочная функция; приводит наблюдения к единому эпицентральному расстоянию ∆, для которого можно непосредственно сравнивать амплитуды волн (∆ - эпицентральное расстояние, измеряемое углом, который образуется радиусами, проведенными из центра Земли через очаг землетрясения и через сейсмическую станцию);

h – глубина очага землетрясения;

C–станционная поправка, учитывающая условия установки регистрирующей аппаратуры.

Магнитудой землетрясения называется его численная характеристика, определяемая по амплитудам сейсмических волн, возбуждаемых при этом землетрясении.

Другой важной характеристикой землетрясения является полная энергия землетрясения. Она вычисляется по формуле (Гутенберг, Рихтер):

ℓg E = 9.4 + 2.14 M – 0.054 М ² (эрг) (1 эрг = 10⁷ Дж)

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

Сила в баллах	Характеристика землетрясения
	Не ощущается. Отмечается только специальными приборами
	Очень слабое. Ощущается только очень чуткими домашними животными и некоторыми людьми в верхних этажах зданий
	Слабое. Ощущается только внутри некоторых зданий, как сотрясение от грузовика
	Умеренное. Слышен скрип половиц, балок, звон посуды, дрожание мебели. Внутри здания сотрясение ощущается большинством людей
	Довольно сильное. В комнатах чувствуются толчки, как от падения тяжелых вещей. Хлопают двери. Лопаются оконные стекла, качаются люстры и мебель, останавливаются стенные часы, качаются тонкие ветки деревьев. Ощущается многими людьми и вне зданий
	Сильное. Качается тяжелая мебель, бьется посуда, падают с полки книги, иногда трескается штукатурка. Разрушаются только очень ветхие здания. Ощущается всеми людьми
	Очень сильное. Разрушаются плохо построенные и ветхие дома. В крепких зданиях появляются небольшие трещины, осыпается штукатурка. Изменяется уровень воды в колодцах. В реках и озерах мутнеет вода. Иногда наблюдаются оползни и осыпи
	Разрушительное. Деревья сильно раскачиваются, иногда ломаются. Разваливаются прочные каменные ограды, падают фабричные трубы. Разрушаются многие крепкие здания. На почве появляются трещины
	Опустошительное. Дома разрушаются. Появляются значительные трещины в почве
	Уничтожающее. Разрушаются хорошо построенные деревянные дома и мосты, крепкие здания и даже фундаменты. Разрываются водопроводные и канализационные трубы. Повреждаются насыпи, плотины и дамбы. Возникают оползни и обвалы, трещины и изгибы в почве. Из рек и озер выплескивается вода
	Катастрофа. Почти все каменные постройки разваливаются. Разрушаются дороги, плотины, насыпи, мосты. Образуются широкие трещины со сдвигами
	Сильная катастрофа. Разрушаются все сооружения. Отдельные предметы подбрасываются при толчках. Преображается вся местность. Изменяются русла рек. Образуются водопады. На поверхности грунта видны земляные волны

Сейсмические волны и их траектории в теле планеты.

Годографы

Вне очага землетрясения деформации носят преимущественно характер упругих и распространяются от него по законам распространения упругих волн. В данном случае эти волны носят название сейсмических. К ним применяются обычные понятия фронта и луча. Сейсмические волны – это, по существу, низкочастотные звуковые волны в твёрдой упругой Земле. Они делятся на объёмные и поверхностные (рис. 8.1). Объёмные волны бывают двух типов – продольные Р и поперечные S. Продольные (primary) волны представляют упругие волны сжатия, а поперечные (secondary) волны – упругие волны сдвига.

Рис. 8.1

Продольные и поперечные сейсмические волны, в отличие от поверхностных волн, распространяющихся вдоль земной поверхности, пронизывают весь объём (всё тело) нашей планеты. Поэтому они названы объёмными волнами. Они в буквальном смысле просвечивают планету и, подобно рентгеновскому анализу, позволяют выявить внутреннее строение Земли без непосредственного проникновения в её недра*. Объёмные волны имеют периоды ~ 0.1...10 с.

* Помимо сейсмических волн в теле планеты распространяются и электромагнитные волны, но их свойства не позволяют зондировать недра Земли на большую глубину. Для обеспечения глубины зондирования, например, до 1000 км необходимо использовать электромагнитные колебания с периодом 2-6 месяцев. Но при таких периодах процесс зондирования может обеспечить только интегральную информацию о свойствах вещества Земли для слоя в интервале глубин от 0 до 1000 км.

Интегральная информация имеет определенное значение для выяснения строения и физики Земли, однако, ее ценность часто ниже "дифференциальной" информации, получаемой при волновом сейсмическом зондировании. Вообще, интегральную информацию о строении Земли можно также получить из наблюдений за другими геофизическими полями: гравитационным полем, тепловым потоком, магнитным полем и др.

Таким образом, сейсмология дает наиболее полную и подробную информацию о строении Земли. Именно поэтому построение различных моделей Земли (распределение упругих модулей, плотности, электропроводности, теплопроводности и др.) опирается на сейсмическую модель - скоростной разрез Земли.

Затухание объемных сейсмических волн, обусловленное неупругостью вещества Земли (вязкостью), увеличивается с увеличением частоты. Это обстоятельство ограничивает сверху частотный диапазон волн, пригодных для исследования Земли. Для решения глобальной задачи исследования всех областей недр необходимо использовать волны, проходящие через всю Землю. Современные сейсмические инструменты (сейсмические сети) уверенно фиксируют волны с периодами T~1с (проходящие через всю Землю). Средняя скорость объемных волн в Земле: V _p ~10 км/с, V _s ~6 км/с. Следовательно, разрешение метода, т.е. способность выделить на соответствующей глубине пласт толщиной L_p, составляет:

L_p ~ λ /4= V_p ·T /4 ~ 3 км,

тогда как ошибка в определении глубины до сейсмической границы под источником колебаний, например, при регистрации отраженных волн, определяется по приближенной формуле:

,

где - ошибка в определении времени пробега волны; n _ср – скорость в покрывающей толще.

Скорость продольных волн V_p в 1.7 раза больше, чем скорость поперечных волн V_s. Скорости объёмных волн выражаются через модули упругости (К – модуль сжатия, μ – модуль сдвига) и плотность ρ среды в данной точке простыми формулами:

- продольные волны;

- поперечные волны.

Скорость P - иS – волн с глубиной в недрах Земли возрастает, что приводит к искривлению их пути. Таким образом, Земля выступает в роли преломляющей линзы для P и S – волн.

Все три типа неоднородностей, наблюдаемых в земле (упомянутых ранее), приводят к преломлению сейсмических волн, а на резких границах, кроме того, возникают отраженные и обменные волны, т.е. происходит переход волн P в S и S в P. Законы преломления и отражения волн определяются геометрической сейсмикой, аналогичной геометрической оптике.

Движение в Р – волнах происходит в продольном направлении и поэтому они не могут быть поляризованы. Поперечные волны могут быть поляризованными. При падении S – волны на резкую границу возникают S - волны разной поляризации SH и SV. Поперечные волны со смещениями, перпендикулярными плоскости падения, т.е. волны SH, испытывают обычное преломление и отражение без образования продольных волн. (рис. 8.2).

Рис. 8.2

Кроме объёмных волн P и S существуют два типа поверхностных волн, распространяющихся вблизи земной поверхности: волны Релея и Лява.

Волна Релея – движение частиц происходит в вертикальной плоскости, лежащей в направлении распространения волны (рис. 8.3, а).

а) б)

Волна Релея Волна Лява

Рис. 8.3

Волна Лява – движение частиц в горизонтальной плоскости в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны (рис. 8.3, б). Амплитуды этих волн убывают с глубиной по экспоненциальному закону, тогда как их убывание в направлении распространения происходит по закону , а не 1/r, как в объёмных сферических волнах. В силу этого поверхностные волны на некотором расстоянии от эпицентра становятся интенсивнее P и S и составляют главную фазу землетрясения. Периоды поверхностных волн, чувствительные к структуре верхней мантии, заключены в пределах 30 - 600 с. Если скорости объёмных волн практически не зависят от частоты ω = 2π/T (Т – период), то скорости поверхностных волн, которые распространяются вдоль земной поверхности, обнаруживают заметную дисперсию. Это свойство поверхностных волн и используют для изучения наружных слоёв Земли.

P.S. Дисперсия волн – зависимость фазовой скорости гармонических волн в среде от частоты их колебаний. Наличие дисперсии волн приводит к искажению формы сигнала при распространении в среде.

До 50-х годов прошлого века наибольшее число открытий в сейсмологии было сделано в результате измерений времён пробега объёмных волн землетрясений. Так например, в 1909 г. была установлена резкая сейсмическая граница между земной корой и мантией, называемая границей Мохоровичича. На этой границе скачкообразно возрастают скорости V_P, V_S и плотность ρ (рис. 8.4).

Рис. 8.4

Сейсмическая граница на глубине 2898 км между мантией и ядром Земли была открыта в 1914 г. немецким сейсмологом Гутенбергом. Граница мантия-ядро является наиболее резкой границей раздела в недрах Земли. Она сильно отражает объёмные P и S волны и сильно преломляет Р-волны. На этой границе скорость Р-волн (V_P) скачком падает от значения 13.6 км/сек в мантии до значения 8.1 км/сек в ядре, скорости поперечных волн соответственно уменьшаются от 7.3 км/сек до нуля; плотность, наоборот, возрастает от 5.5 до 10 г/см³ (рис. 8.5). Следовательно, если V_S=0, то и μ=0, а это значит, что земное ядро является жидким. Этот фундаментальный вывод сейсмологии подтверждается и всеми остальными геофизическими явлениями, имеющими отношение к земному ядру. С тех пор и до настоящего времени за счёт постоянного повышения точности сейсмических наблюдений выполняется уточнение известных границ и изучается более тонкая структура земной коры, мантии и ядра Земли. Так например, к настоящему времени установлено существование внутреннего ядра Земли, оно находится в твёрдом состоянии. В мантии выявлены две границы: одна в интервале глубин 400-450 км, другая на глубинах 600-700 км, где замечаются разрывы в распределении скоростей P и S – волн.

Рис. 8.5. Скоростной разрез по модели (а) -Схема глубинного строения Земли (б)

На рис. 8.6 приведены некоторые траектории волн Р, проходящих через Землю. Здесь показана зона тени волн Р и S**.

В сейсмологии для определения конкретных значений скоростей на определённых глубинах ℓ: V_P(ℓ) и V_S(ℓ) экспериментально определяют годограф – время пробега сейсмических волн t как функцию эпицентрального расстояния ∆ (расстояние в градусах или км по дуге большого круга между эпицентром и приёмником волн; для Земли 1º соответствует ~ 111 км). Ясно, что функция t=t(∆) должна быть связана с распределением скоростей V(ℓ) с глубиной ℓ.

Рис. 8.6

На рис. 8.7 приведены времена пробега как функции эпицентрального расстояния (годографы) для расположенного на поверхности очага землетрясения. Пусть сейсмограф расположен на эпицентральном расстоянии ∆ = 60º. Первой зарегистрирует прямую Р-волну, затем волну Р_сР (Р-волна, отраженная от земного ядра), далее на сейсмографе появится волна РР (продольная волна, один раз отразившаяся от поверхности Земли), за волной РР будет записана первая поперечная волна Р_сS (обменная волна, возникающая при отражении прямой Р-волны от ядра Земли), наконец, приходит прямая S-волна.

Рис. 8.7

Так как скорости Р- и S-волн связаны с соотношением V_p = 1.7V_s, то время пробега S-волн T_s = 1.7T_p. Затем последовательно вступают поперечные волны S_cS и SS, отраженные от ядра и поверхности Земли. На эпицентральных расстояниях ∆ > 80º прямые и отраженные волны Р и Р_сР (S и S_cS) становятся близкими и постепенно накладываются одна на другую. На эпицентральных расстояниях ∆ ≥ 103º пропадают прямые S и P- волны. Это зона «тени» от земного ядра. Зона тени для прямых Р-волн протягивается до ∆=142º, когда впервые появляются волны РКР₂, прошедшие через внешнее жидкое ядро. Наконец, последний годограф – это фаза РКIКР₂ – продольная волна, появляющаяся в зоне тени Р-волн на эпицентральном расстоянии ∆ ≈ 110º. Эта фаза обязана своим существованием твёрдому внутреннему ядру, сильные преломляющие свойства которого и «завернули» луч РКIКР₂ в зону тени. Обнаружение этой «неожиданной» фазы на сейсмографах в зоне тени привело в 1936 г. датского сейсмолога мисс Леман к открытию внутреннего ядра Земли.

** Классификация записей объемных волн: отраженных и преломленных на различных границах раздела Земли (см. рис. 8.8):

1) волны, отразившиеся от поверхности Земли, обозначают как РР, PS, SS, SP, PPP и т.д. Число повторений букв указывает на число отражений, смена обозначения букв указывает на изменение типа волны при отражении. Такие волны, как выше было сказано, называются обменными.

2) волны, отразившиеся от подошвы земной коры, обозначают малой буквой p или s.

3) волны, отразившиеся от земного ядра, обозначают буквой с: РсР, ScS и т.д.

4) волны, прошедшие через ядро, обозначают буквой K: PKP, PKS и т.д.

Рис. 8.8. Пример сейсмограммы, регистрируемой сейсмографами на поверхности Земли во время землетрясения.