Землетрясения – это внезапные смещения и разрывы земной коры. Землетрясения относятся к самым разрушительным стихийным бедствиям. От его силы участки земной поверхности покрываются рябью или кренятся и заваливаются. Может показаться, что по поверхности земли идут волны. Свидетели землетрясения в 1906 году в городе Сан-Франциско рассказывали, что выдели на земной поверхности волны до одного метра высотой. После того как толчки прекратились, выяснилось, что разлом земной коры, вдоль которого случились толчки сместился на шесть метров.
Продолжительность землетрясения длиться несколько секунд, в некоторых случаях толки превышают минуту. Землетрясение в Сан-Франциско продолжалось 40 секунд, а подземные толчки в 1964 году на Аляске не утихали семь минут. Причем три из них были наиболее разрушительными.
В большинстве случаев сила каждого последующее толчка затухает. Геологи называют эти остаточные толчки - афтершоками.
Зарождение землетрясения происходит глубоко в недрах земли. Внешняя оболочка нашей планеты состоит из тектонических плит, находящихся постоянно в движении. Крупные землетрясения происходят на краях тектонических плит, которые резко меняют свое положение, проламывают горную породу и сдвигают участки земли. Освободившаяся энергия различной мощности проявляется в виде подземных толчков. Последствия землетрясения зависят многих факторов: силы и глубины подземных толчков, характера поверхности. Землетрясение способно вызвать в горной местности лавины и оползни. На Аляске в 1964 году наблюдалось такое явление, когда землетрясение преобразовало песчаники глиноземы в зыбучие породы.
Во время землетрясения в океане образуются гигантские воны – цунами. Скорость волн составляет 790 километров в час. Чем ближе к берегу скорость их замедляется, но они начинают подниматься вверх. На берег обрушиваются волны высотой до 20 метров. В 1755 году португальскую столицу Лиссабон накрыло семнадцатиметровой волной. Это был результат моретрясения. Последующие толчки вызвали обвалы и привели к пожарам. Три четверти зданий было разрушено, под завалами оказались 60 тысяч человек.
В океане в 430 километров от японской столицы Токио 9 марта 2011 года было зафиксировано землетрясение, магнитуда которого составила 7,2 баллов. После изучения данных, предполагалось, что высота волн не будет превышать одного метра. Тем не менее, через два дня произошло новое землетрясение, магнитуда толчков которого составила 8,9 баллов. Эпицентр находился в 130 километров к востоку от острова Хонсю. Так как фокус землетрясения располагался на глубине 10 метров, то стало очевидно, что толчки вызовут сильное цунами. Вскоре на побережье обрушились волны высотой до 10 метров. Землетрясение стало одним из пяти крупнейших землетрясений за последние 110 лет. Его последствия ощущались во всем тихоокеанском регионе. За первыми толками последовали десятки других, магнитуда которых составляла 6 баллов. Многие районы острова Хонсю остались без электричества, были разрушены дороги и мосты, обрывы электропроводов стали причиной крупных пожаров. Возгорания произошли на энергетических объектах: атомной электростанции и нефтеперерабатывающем заводе. Больше всего пострадало восточное побережье острова Хонсю. Оно практически было смыто цунами. Вода поглотила корабли, здания, автомобили. Эпицентр землетрясения находился в близости к префектуре Мияги. Хуже всего пришлось жителям города Сендай, потому что высота волн достигала максимального значения. Вода проникла вглубь берега и затопила аэропорт. Несколько человек стали жертвами оползней.
Земная поверхность постоянно движется. Хотя глобальные землетрясения случаются не часто, но ежегодно сейсмологи регистрируют примерно 500 тысяч толчков.
Причины землетрясения становятся понятны при исследовании динамичного характера Земли и замедленных движений, происходящих в ее коре – литосфере. Толщина земной коры крайне изменчива. Под континентами ее толщина составляет 30-35 километров. Однако под горами она значительно больше. Например, толщина земной коры в Тибете более 70 километров. Под океанами основание коры находится ниже уровня моря на 10 километров. Наглядно это может проиллюстрировать пример: если соотнести размер Земли с размером яйца, то твердая кора будет толщенной со скорлупу. Этот твердый слой разбит на несколько кусков, называемых плитами.
Силы, действующие под литосферой, приводят плиты в движение со скоростью несколько сантиметров в год. Причины этого процесса до сих пор не очень ясны. Перемещение может быть вызвано медленным течением горячего вещества в земных недрах. Такие течения способны возникнуть из-за тепловой конвекции в соединении с динамическими эффектами вращения планеты. Например в Срединно - Атлантическом хребте происходит смещение плит в сторону из-за поднятия нового вещества. В калифорнии вдоль разлома Сан-Андреас плиты проскальзывают вдоль друг друга. У побережья Японии и Аляски, а также вдоль западных берегов Южной и Центральной Америки есть зоны субдукции или иначе поддвига, где происходит заталкивание при встрече одной плиты на другую. Хаотичное движение плит приводит к растрескиванию каменной толщи и возникновению землетрясения.
Почти 95% землетрясений происходит по краям плит. Землетрясения, возникающие из-за движения плит, называют тектоническими. Бывают землетрясения вулканического происхождения, например, на Гавайских островах и очень редко вызванные деятельностью человека.
Существую районы с высокой сейсмичностью. В тихоокеанском поясе происходит 90 % всех землетрясений. В Альпийском поясе, который простирающийся от Средиземноморья на восток через Иран, Турцию, и Северную Индию, происходит 5-6% всех землетрясений. Остальные зоны расположены вдоль срединно-океанических хребтов или внутри плит.
Многие сейсмологи, рассматривая механизм возникновения землетрясения, связывают его с высвобождением энергии упругой деформации. В районе разлома в результате длительных движений и накопления напряжения, происходит разрыв этих пород с быстрым смещением, вследствие чего и образуются сейсмические волны. Получается, что длительные и медленные тектонические движения при землетрясении преобразуются в сейсмические движения с большой скоростью. Это результат быстрого разряжения накопленной упругой энергии.
В стадии зарождения землетрясения, на ограниченном участке происходит разрушение породы. Возникшее ослабление развивает дислокацию на очаг землетрясения. Разрушение случится там, где порода не слишком прочна. Отдельные участки земной коры начинают опускаться или подниматься. При медленных смещениях происходит пластическая деформация, а при более быстрых, с накопленным напряжением происходит нарушение сплошности. Чем больше глубина, тем больше сжимающее напряжение, которое приводит к возникновению силы трения и препятствует быстрому разрушению. Не исключено, что по этой причине глубокофокусные землетрясения отличаются продолжительностью и большой энергией.
Существует две группы сейсмических волн – поверхностные и объемные. Горные породы упруги и легко деформируемые, поэтому испытывают колебания при нагрузках. Объемные волны располагаются внутри горных пород и делятся на два типа: продольные и поперечные. Продольные волны способны растягивать и попеременно сжимать в направлении своего пути вещество горных пород, наподобие звуковых волн в воздухе. Второй тип волн колеблет среду, проходя через нее поперек пути своего движения. Вот как раз они, выходя на поверхность, раскачиваются из стороны в сторону и вверх – вниз, приводят к наибольшим разрушениям.
Сейсмологам очень важно знать скорость прохождения сейсмических волн. Они измеряются километрами в секунду, поэтому на разных расстояниях от эпицентра приход волн регистрируется неодновременно. По данным прихода сейсмических волн основано определение координат эпицентра. Весьма значимы различия в скоростях отдельных групп и типов волн. Распространение поверхностных волн медленнее, чем объемных, поэтому в наблюдательные пункты они приходят позднее. Поперечные волны, принадлежащие к группе объемных, распространяются в 1,75 раза медленнее продольных волн. Поэтому становиться понятно, почему попав в эпицентральную область сильного землетрясения человека, начинает толкать, качать, трясет в разных направлениях с разным ускорением.
Свидетели землетрясений утверждают, что слышали землетрясение в прямом смысле слова. Это потому, что продольные волны подобны звуковым. Определенная частота колебаний, свыше 15 герц, позволяет при выходе на поверхность становиться им звуковыми волнами. Так как продольные волны распространяются быстрее, чем поперечные, поэтому гул можно услышать перед самым землетрясением.
Прогноз землетрясений чрезвычайно важен, так как это тысячи спасенных жизней. Необходимо вести статистических анализ сейсмологических зон. Например, в Калифорнии собраны сведения о землетрясениях за 200 лет, а Китай имеет данные более чем за 2000 лет.
Хотя статистические прогнозы не очень эффективны для предсказания землетрясения, но они имею огромное значение для инженеров, проектирующих сооружения.
Второй метод заключается в том, чтобы выделять сейсмические зоны, в которых долго не было землетрясения. Этот метод дает возможность предположить, что там, где долго не было разрядки энергии, можно ожидать катастрофу. Этот метод не позволяет точно предсказать, когда произойдет землетрясение.
Следующий метод прогнозирования землетрясения используется в США, России, Японии. Специалисты изучают скорость движения земной коры. По данным исследований, было замечено, что перед землетрясением земная поверхность поднималась, далее движения приостанавливались, затем происходило землетрясение.
Большое внимание уделяется исследованию соотношению скорости поперечных и продольных волн. От напряженного состояния горных пород и от других физических характеристик зависит скорость сейсмических волн. Перед землетрясением происходит уменьшение скорости продольных волн.
Перед отдельными землетрясениями было замечено повышение напряженности магнитного поля и электропроводимости пород. Из-за деформации горных пород и движения земной коры магнитное поле испытывает локальные изменения. Перед землетрясением были замечены такие изменения в районе, где был установлен магнитометр.
Наиболее успешным является метод исследования состава газа в горных породах. Перед землетрясением газы сильно обогащены радоном. Но недавно было установлено, что газ может сильно выделяется, когда нет никакой сейсмической активности. В настоящее время объектом изучения стало изменение содержания других элементов.