Землетрясения. Сейсмические волны и их измерение

Землетрясение - это внезапное высвобождение энергии, накопленной в упругодеформированных (сжатых или растянутых) горных породах; оно проявляется в подземных толчках и колебаниях земной поверхности и обусловлено резким разрывом и смещением напряженных пород по разлому, возникающему близ поверхности Земли. Небольшие толчки может вызывать также подъем лавы при вулканических извержениях.

Ежегодно на Земле происходит около миллиона землетрясений, но большинство из них столь незначительно, что они остаются незамеченными. Действительно сильные землетрясения, способные вызвать обширные разрушения, случаются примерно раз в две недели. К счастью, большая их часть приходится на дно океанов и потому не сопровождается катастрофическими последствиями. Причины глубокофокусных землетрясений, очаги которых располагаются на глубине до 700 км от поверхности, не известны.

Сейсмические волны и их измерение. Скольжению пород вдоль разлома вначале препятствует трение. Вследствие этого энергия, вызывающая движение, накапливается в форме упругих напряжений пород. Когда напряжение достигает критической точки, превышающей силу трения, происходит резкий разрыв сплошности пород с их взаимным смещением; накопленная энергия, освобождаясь, вызывает волновые колебания поверхности земли-землетрясения. Землетрясения могут возникать также при смятии пород в складки, когда величина упругого напряжения превосходит предел прочности пород и они раскалываются, образуя разлом. Сейсмические волны, порождаемые землетрясениями, распространяются во все стороны от очага подобно звуковым волнам (4).

Землетрясение возникает при внезапном взаимном смещении двух участков земной поверхности вдоль трещины, называемой разломом (1). Точка, в которой начинается эта подвижка, называется фокусом, очагом или гипоцентром (2), а точка на земной поверхности над очагом - эпицентром землетрясения (3). Ударные волны (4) распространяются во все стороны от очага; по мере удаления от него их интенсивность уменьшается. Эти упругие волны движутся быстрее через более плотное вещество на глубине, отчего направления их распространения (5) изменяются, как показано на рисунке.

На поверхности волновой узор подобен картине расположения изосейст-линий, соединяющих пункты, которые испытали толчки одинаковой силы

Траектории сейсмических волн меняются в зависимости от плотности горных пород, что приводит к искривлению путей распространения волн от их очага (1). P-волны способны проходить сквозь газообразные, жидкие и твердые среды. Они распространяются быстрее других волн; их скорость возрастает при прохождении через мантию (2), снижается во внешнем ядре (3) и вновь повышается во внутреннем (4) в соответствии с условиями, вызываемыми увеличением давления. S-волны движутся только в твердой среде и не проникают в расплавленное плотное ядро. Распространяясь вниз, волны встречают концентрические слои возрастающей плотности, которые изгибают или преломляют их таким образом, что они движутся к поверхности Земли по криволинейным траекториям.

Район, куда не поступает ни одна прямая волна, называется зоной сейсмической тени (5-6). Изучение распространения сейсмических волн дает бесценную информацию о внутреннем строении Земли

Они делятся на волны сжатия и волны сдвига (2). Волны сжатия, или продольные сейсмические волны, вызывают колебания частиц пород, сквозь которые они проходят, вдоль направления распространения волны, обусловливая чередование участков сжатия и разрежения в породах. Волны сдвига, или поперечные сейсмические волны, заставляют частицы пород колебаться перпендикулярно направлению распространения волны.

Волны сжатия, P-волны (А), заставляют частицы пород колебаться подобно спиральной пружине. Волны сдвига, S-волны (Б), вызывают колебания частиц под прямым углом к направлению распространения волны подобно вибрирующей гитарной струне.

Достигнув поверхности Земли, эти волны преобразуются в длинные L-волны (В), которые либо перемещаются вдоль поверхности, колеблясь в горизонтальной плоскости перпендикулярно направлению движения волны (так называемые волны Лява-поверхностные сейсмические волны сдвига), либо распространяются подобно морским волнам (волны Рэлея). Траектории всех этих сейсмических волн показаны на рисунке (Г)

Ни тот, ни другой тип упругих сейсмических волн не приводят к перемещению частиц породы, через которую они распространяются и переносят свою энергию. Скорость распространения волн сжатия в 1,7 раза больше скорости волн сдвига, и именно их первыми регистрируют сейсмические станции (3). Соответственно сейсмологи называют их первичными (P-волны), а поперечные-вторичными (S-волны).

Для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн используются специальные приборы-сейсмографы. В большинстве случаев сейсмограф имеет груз с пружинным прикреплением (М), который при землетрясении остается неподвижным, тогда как остальная часть прибора (корпус, опора) приходит в движение и смещается относительно груза.

Одни сейсмографы чувствительны к горизонтальным движениям (А), другие - к вертикальным (Б). Волны регистрируются вибрирующим пером на движущейся бумажной ленте (В). По временному интервалу между вступлениями Р- и S- волн графическим путем (рис. 5, Б) находят расстояние между сейсмической станцией и эпицентром землетрясения

Различают еще третий тип упругих волн - длинные, или поверхностные волны (L-волны). Именно они вызывают самые сильные разрушения. Для измерения силы землетрясений используется шкала магнитуд Рихтера. По этой шкале возрастанию магнитуды на единицу соответствует 30-кратное увеличение освобожденной сейсмической энергии. Землетрясение с магнитудой 2 едва ощутимо, тогда как магнитуда 7 отвечает нижней границе разрушительных землетрясений, охватывающих большие территории. Интенсивность землетрясений оценивается по тем повреждениям, которые они причиняют в населенных районах. В СССР принята 12-балльная сейсмическая шкала Медведева.