Землетрясения и типы сейсмических дислокаций

Влажная глинка трения на ощупь представляет собой мягкую легко деформируемую массу и ведет себя скорее как вязкое те» по, чем как хрупкое упругое вещество. Поэтому трудно предположить, что она может оказать большое сопротивление проскальзыванию. Глубина зоны, стоженной глинкой трения, меняется в значительных пределах, но на крупных разломах она может составлять несколько километров. Таким образом разломы не чуть не опаснее землетрясений и при постройке зданий нужно все же считаться с матушкой природой.

Разберёмся в главной сути землетрясений. Упругая отдача является непосредственной причиной землетрясений, и это объяснение с течением времени подтвердилось. Подобно часовой пружине, которую вкручивают 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, причинив 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 представляющие собой землетрясение. Столь же часто наблюдается деформация горных пород в вертикальном направлении. Упругая отдача, возникающая вдоль наклонных поверхностей разрыва, создает вертикальные смещения 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., когда погибло более 100 тысяч человек, произошли катастрофически огромные изменения, глубина изменилась на 250 метров, а на полуострове Босо появился ряд разрывов и поднятие до 2,5 метров.

Энергия, выделяющаяся при землетрясениях

Сегодня каждый задумывается об энергетических ресурсах, доступных человечеству. Нефть, уголь, ветер, солнечное тепло, а также ядерные реакции - все это используется как источники энергии. Чтобы говорить об энергии с количественной стороны, надо вспомнить, что энергия мера работы, которая может быть выполнена каким-либо механизмом; в метрической системе единицей энергии является эрг. Общее ежегодное потребление энергии в России составляет в настоящее время около 1028 эрг.

С точки зрения энергетических ресурсов Земли такая величина представляется очень небольшой. Количество тепла, выделяемого всей нашей планетой и уходящего через атмосферу в окружающее пространство, равняется около 1028 эрг/год. При землетрясениях также выделяется очень большая энергия. Что же из себя представляет эрг. Эрг - это еденица измерения работы и энергии: [1 эрг = г·см2/с2 = 6,24150965(16)·1011 эВ]. Из этого следует, что землетрясения несут колоссальный запас энергии, нужно только научиться ее использовать.

Глава 4. Современные методы исследования землетрясений

Методы исследования землетрясений

Как же можно изучать, то явление, зарождение которого ты не видишь? Но как бы это было не парадоксально, всё же существует огромное количество методов определения эпицентра и гипоцентра землетрясения. В первую очередь нужно определить какая же порода, является слагающей в данном гипоцентре, далее нужно знать модуль всестороннего сжатия и модуль упругости слагающей породы. В результате можно будет с точностью сказать с какой скоростью будут распространяться сейсмические волны в данной среде, и предсказать, пусть с меньшей точностью, магнитуду будущего землетрясения, ее определяют исходя из максимальной упругости пород, а соответственно и максимальной накопленной энергии. Главным средством для определения места расположения фокуса является сейсмограф, который может засечь даже землетрясения магнитудой около 2.

Сейсмограф и акселерограф

Что именно происходит с грунтом во время землетрясения? Чтобы получить ответ на этот вопрос, были разработаны сейсмографы, которые измеряют параметры колебаний грунта.

Поскольку в плейстосейстовой области крупного землетрясения колебания могут быть чрезвычайно сильными, необходимо создать регистрирующие приборы, способные выдерживать удары сейсмических волн и не зашкаливать. Первый описанный во всех подробностях регистратор землетрясений был своего рода произведением искусства; его изобрел около 132 г. нэ. китайский ученый Чжан Хэн. . Суть его работы была проста: прибор состоял из большого бронзового сосуда диаметром 2 м, на стенках которого располагались восемь голов дракона. Челюсти у драконов раскрывались, и у каждого в пасти был шар. Внутри сосуда находился маятник. В результате подземного толчка маятник приходил в движение, действовал на головы, и шар выпадал из пасти дракона в открытый рот одной из восьми жаб, восседавших у основания сосуда. Прибор улавливал подземные толчки на расстоянии 600 км(рис. 17).

К настоящему времени такие инструменты стали более сложными, основной принцип их устройства остался неизменным. На раме, укрепленной на грунте, свободно подвешено массивное тело. Таким образом, положение этой массы практически не зависит от колебаний рамы. При сотрясениях рамы во время сейсмических толчков инерция массы заставляет ее отставать от колебаний рамы, и это относительное смещение записывается на бумаге, намотанной на вращающийся барабан, в современных приборах колебания регистрируются фотографическим путем или на магнитной ленте. Получаемая запись называется сейсмограммой. Принцип действия маятникового сейсмографа может использоваться, для записи как вертикальных, так и горизонтальных колебаний грунта. Для записи вертикальных движений масса прикрепляется к пружине, на которой она качается вверх-вниз, как груз на безмене (бытовых пружинных весах). Именно эти качания и записываются на сейсмограмме. Для измерения боковых колебаний грунта масса обычно прикрепляется к горизонтальному маятнику, который раскачивается на своих петлях.

Эти свободные колебания маятника ничего не могут рассказать о движениях грунта. Поэтому колебания маятника надо заглушить, демпфировать, с помощью какого-либо механического или электрического приспособления. Если это сделано, то смещение массы относительно рамы может служить мерой колебаний грунта. Но и тогда запись такого относительного движения в большинстве случаев не соответствует истинным колебаниям грунта; таким образом, большинство сейсмограмм не дает точной картины того, что происходит с грунтом во время землетрясения. При расчете истинного движения грунта необходимо учитывать физические закономерности колебаний маятника. В современных сейсмографах при колебаниях маятника относительно корпуса прибора создается электрический сигнал, который усиливается электронным путем в тысячи и даже сотни тысяч раз; этот усиленный сигнал приводит в действие перо самописца, в результате чего и получается сейсмограмма. Электрические сигналы с маятника сейсмографа могут также записываться на магнитную ленту. Для получения записи сильных колебаний грунта, с которой можно было бы непосредственно считывать ускорение, скорость и амплитуду смещения, разработаны специальные сейсмографы. Наиболее распространенные сейсмографы для регистрации сильных движений записывают непосредственно ускорения грунта и называются акселерографами. Большинство этих приборов не дают непрерывной записи а вводятся в действие первыми волнами начавшегося землетрясения. Дело в том, что даже в таких «странах землетрясений»», как Калифорния и Япония, месяцами или даже годами может не быть сильных сейсмических колебаний грунта, которые надо было бы записывать. Следовательно, непрерывная работа сотен таких приборов не нужна. Конструкция этих приборов предусматривает их включение под действием большого ускорения грунта.

Запись продолжается несколько минут или до того момента, когда колебания грунта снова затихают до неощутимого уровня. Приборы для сильный движений обычно способны записать ускорения грунта, превышающие ускорение силы тяжести.

Завись ускорения сильных движений грунта имеет на акселерограмме вид волн. Часто бывает невозможно различить отдельные типы сейсмических воли: продольные, поперечные и поверхностные, в особенности если наблюдатель находится близко к очагу землетрясения. Сейсмологи предпринимают сейчас большие усилия, чтобы как можно лучше расшифровать эти важные записи колебаний грунта. На сейсмограмме нет ни одного отрезка, где не было бы мелких извилин. Так происходит потому, что данный сейсмограф очень чувствителен и записывает непрерывный, хотя и неощутимый для человека, шумовой фон Земли. Эти мельчайшие колебания, называемые микросейсмами, возникают в результате множества местных возмущений, причиной которых может быть транспорт на улицах, ветер в кронах деревьев и другие виды движения в природе, например удары прибоя о морской берег. Сейсмические толчки вызывают качания маятника, а они в свою очередь записываются на сейсмограмме в виде волнистой линии. Мы видим на сейсмограммах чередование пиков и впадин, похожее на волны на поверхности океана или вибрации скрипичной струны. Высота каждой волны над ее нулевым положением называется амплитудой волны, а время, необходимое для прохождения полного цикла движения - от одного пика до другого, - называется периодом волны. Частота волны, измеряемая в герцах (Гц) - это число полных колебаний (циклов) в секунду; период представляет собой величину, обратную частоте. Человек может слышать звуки с частотой примерно от 15 до многих тысяч герц. При землетрясениях основные ощутимые колебания имеют частоту ниж20 Гц: до 1 Гц и даже ниже. Амплитуды волн на сейсмограмме не эквивалентны фактическим амплитудам записываемых колебаний грунта. Дело в том, что сейсмографы снабжены усиливающими приспособлениями, позволяющими записывать движения грунта с требуемым увеличением (обычно во много тысяч раз). Если учесть коэффициент усиления, то окажется, что амплитуда колебаний грунта, вызванных приходом S-волны и записанных на сейсмограмме, составляет всего лишь доли миллиметра.

Способы определения эпицентра землетрясения

Проходят века, а глубинные силы постоянно и неуклонно деформируют горные породы под ногами жителей сейсмичных стран.

Самое очевидное проявление - гигантские горные хребты, возникшие в результате вертикального воздымания 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 - 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.

Глава 5. Связь с другими научными дисциплинами

Первым и, наверное, главным прародителем геофизики и сейсмологии является физика и механика непосредственно. Именно из курса физики получают первые знания о волнах. Именно с помощью физических методов появляется возможность сколько-нибудь изучать землетрясения. В первую очередь это относится к сейсмографам, самые первые приборы были сделаны по принципу обыкновенного математического маятника. Далее сейсмографы развивались именно по основным физическим законам. Физика получает новые знания из исследования волн и волновых эффектов.

Еще одна наука, без которой изучение причин землетрясений так и осталось на уровне мифов и легенд: про слонов стоящих на черепахах, богов или движений гигантских подземных существ. Это конечно же география. География, как наука, стала основоположницей тектоники, а следовательно и тектонической теории. К тому же и расположение гипоцентра (фокуса) на мировой карте.

Так же основной теперь стала информатика и вычислительная техника. Именно благодаря современной технике сейсмологи могут за доли секунды определить фокус землетрясения. И большинство современных сейсмографов и акселерографов производятся с помощью технологий, которые еще вчера являлись технологиями будущего.

Ну и конечно же главной наукой, благодаря которой развивается изучение землетрясений, является сейсмология. Сейсмология - наука о распространении сейсмических волн в недрах Земли. Только с помощью сейсмологии удалось составить картину глубинного строения земного шара (кора, мантия, внешнее и внутреннее ядро). Также сейсмология занимается землетрясениями, движениями платформ, мониторингом разработок рудных месторождений. Сейсмология изучает породы, из которых сложен гипоцентр. Их максимальное напряжение и конечно же максимальную энергию пород.

А в совокупности все эти науки дают нам огромные знания и дополняют друг друга. Таким образом сейсмология и геофизика являются совокупностью многих элементарных наук, без которых она вряд ли существовала.

Глава 6. Исследования землетрясений в институте СО РАН

Тема исследования землетрясений и их причин глубоко затронута нашей кафедрой геофизики. Тема землетрясений рассматривалась нашей кафедрой практически со времени ее основания. Кафедра геофизики Новосибирского государственного университета создана в 1961 г. и до 1964 г. она входила в состав факультета естественных наук. Основателем кафедры был Э.Э. Фотиади. Долгое время он успешно руководил кафедрой, определяя пути ее развития. У истоков работы кафедры стояли профессора Д.С. Даев, А А. Кауфман, Е.М. Филиппов, Л.Л. Ваньян, Г.И. Каратаев, Ю.А. Воронин, С.В. Крылов, Н.Н. Пузырев, доценты А.В. Тригубов, В.Г. Колмогоров, Б.Д. Миков и др. Г.М. Цибульчик прошел путь от ассистента до профессора кафедры. В разные годы на кафедре работали доктора наук И.С. Чичинин, Л.А. Табаровский, К.Д. Клем-Мусатов, Е.М. Аверко, В.Н. Гайский. В преподавании на кафедре много лет участвовали профессора кафедры математической геофизики механико-математического факультета НГУ академики А.С. Алексеев и М.М. Лаврентьев.

На данный момент тему землетрясений читает доцент кафедры геофизики С. Б. Горшкалев. В его лекции входят такие темы, как:

1. Метод сейсморазведки и его задачи

2. Сейсмические волны в однородных средах

3. Упругие свойства горных пород

4. Основные законы геометрической сейсмики

5. Сейсмические волны в среде с одной границей

6. Волны в средах с несколькими границами

Эти и другие темы сыграли огромною роль в написании данной работы.

Заключение

В результате написания этой работы я изучил многие аспекты и причины землетрясений. Все землетрясения делятся на несколько типов по месту расположения, т.е. тектонические землетрясения, вулканические извержения и обвальные землетрясения и искусственные землетрясения. Так же я понял каким способом изучают землетрясения и конечно же главные причины землетрясений, а так же главное методы предсказания землетрясений. Что, собственно, и являлось доминирующим фактором выбора мной этой работы. Так же выбор этой работы являлся основополагающим для изучения дальнейшего курса общей геологии, т.к в процессе работы мной были глубоко изучены тектонические дисциплины. Это послужит дальнейшей простоте изучения предмета.

Словарь основных терминов

АФТЕРШОК (after - после, shock - толчок) - толчок после основного землетрясения в его очаговой области. Афтершоки возникают практически сразу же после произошедшего землетрясения в результате продолжающихся подвижек пород, снимающих оставшиеся упругие напряжения в раздробленном сейсмическом очаге.

ВОЛНА ЛЯВА - заставляет частицы грунта колебаться из стороны в сторону в горизонтальной плоскости, параллельной земной поверхности, под прямым углом к направлению своего распространения.

ВОЛНА РЭЛЕЯ - возникает на границе раздела двух сред и, воздействуя на частицы среды, заставляет их двигаться по вертикали и горизонтали в вертикальной плоскости, ориентированной по направлению распространения волн.

ГИПОЦЕНТР (греч. ?рп- -- под, лат. centrum -- центр круга) -- центральная точка очага землетрясения. В случае протяжённого очага под гипоцентром понимают точку начала вспарывания разрыва.

ГЛИНКА ТРЕНИЯ -- глинистая масса, образующаяся вдоль плоскости разрыва при движении его крыльев. И является результатом интенсивного дробления, скалывания и перетирания исходных пород.

ДИЛАТАНСИЯ (от лат. dilate - расширяю) - изменение объема материала при сдвиговой деформации.

ДИФФУЗИЯ (от лат. diffusio -- распространение, растекание) - взаимное проникновение соприкасающихся веществ друг в друга вследствие теплового движения частиц вещества.

ЗЕРКАЛО СКОЛЬЖЕНИЯ - гладкая поверхность горных пород, возникающая обычно при тектонических перемещениях и образовании надвигов, сбросов и др. разрывных дислокаций.

ЗОНЫ БЕНЬОФА -сейсмофокальные зоны земной коры, наклонно уходящие на глубину при субдукции.

ЗОНЫ СЕЙСМИЧЕСКОГО МОЛЧАНИЯ - зоны, в пределах которых долгое время не было землетрясений или других сейсмически активных действий.

ЗОНА СУБДУКЦИИ - конвергентная граница, на которой океаническая плита пододвигается под континентальную.

ИНТЕНСИВНОСТЬ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ (I - intensity) - сейсмический эффект, оцениваемый в баллах по описательной шкале интенсивности сотрясений земной поверхности, основанной на реакции людей, строительных объектов и на изменениях природных объектов. Сейсмический эффект определяется в основном тремя параметрами: уровнем амплитуд, преобладающим периодом и продолжительностью колебаний.

МАГНИТУДА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ (М, от латинского magnitudo - величина) - условная логарифмическая величина, определенная по инструментальным наблюдениям сейсмическими станциями и характеризующая общую энергию упругих колебаний, вызванных землетрясениями или взрывами. Магнитуда позволяет сравнивать источники колебаний по их энергии. Максимальное значение - около 9.

ОЧАГ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ - объем геологической среды, где происходят разрывы пород и высвобождение упругих напряжений. Размер области очага и величина сбрасываемых упругих напряжений обусловливает энергию сейсмических волн и магнитуду землетрясения.

ПРОДОЛЬНЫЕ ВОЛНЫ (волны сжатия, P-волны) -- волна распространяется параллельно колебаниям частиц среды (звук);

ПОПЕРЕЧНЫЕ ВОЛНЫ (волны сдвига, S-волны) -- частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны (электромагнитные волны, волны на поверхностях разделения сред);

РАЗЛОМ - нарушение сплошных горных пород, без смещения (трещина) или со смещением пород по поверхности разрыва.

СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ - упругие колебания, распространяющиеся в Земле от очагов землетрясений, взрывов и других сейсмических источников. Вблизи очагов сильных землетрясений сейсмические волны обладают разрушительной силой, а на значительных расстояниях от эпицентров регистрируются лишь сейсмографами. Основными типами волн являются продольные, поперечные и поверхностные. Продольные волны (Р) переносят изменения объёма в среде (сжатия и растяжения). Колебания в них совершаются в направлении распространения. Поперечные волны (S) не образуют в среде объёмных изменений и представляют собой колебания частиц, происходящие перпендикулярно направлениям распространения волны.

СЕЙСМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ - сейсмическая активность (частота) возникновения во времени очагов землетрясений разных магнитуд, обусловленная особенностями пространственно-временного и энергетического развития глубинных сейсмогеодинамических процессов и структурой сейсмоактивных регионов.

СЕЙСМОЛОГИЯ (от греч. seismуs - колебание, землетрясение и lуgos - слово, учение) - раздел геофизики, изучающий землетрясения, их причины, природу и последствия. Основными носителями сейсмологической информации являются сейсмические волны, интерпретация сейсмограмм которых наряду с изучением проявлений сейсмичности позволяет исследовать глубинное строение, физические свойства и динамику недр Земли и других планет.

ТРАНСФОРМНЫЙ РАЗЛОМ -- тип разлома, который располагается вдоль границы литосферной плиты. Относительное движение плит является преимущественно горизонтальным в одинаковом или противоположном направлениях.

ЭПИЦЕНТР ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ (греч. ?рй- -- на, лат. centrum -- центр круга) -- проекция гипоцентра (фокуса) землетрясения на поверхность планеты.

Список использованной литературы

1. Болт Б. Землетрясения. Общедоступный очерк. М.: Мир, 1981. 256 с.

2. Уолтхэм Т. Катастрофы: неистовая Земля. Л.: Недра, 1982. 220 с.

3. Барсуков В. Вестники беды. М.: Наука, 1989. 135с.

4. Геодинамика и прогноз землетрясений // Вычислительная сейсмология. 1994. № 26.

5. Короновский Н.В. Напряженное состояние земной коры // Соросовский образовательный журнал. 1997. № 1. С. 50-56.

6. Кропоткин П.Н. Тектонические напряжения в земной коре // Геотектоника. 1996. № 2. С. 3-5.

Размещено на Allbest.ru