Физика процесса землетрясений и их интенсивность

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФИЗИКА ПРОЦЕССА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ И ИХ ИНТЕНСИВНОСТЬ

THE PHYSICS OF EARTHQUAKES AND THEIR INTENSITY

Панченко П.А., Андреева Н.В.

Белгородский государственный технологический

университет им. В.Г. Шухова, Россия

Внешняя оболочка Земли (литосфера) состоит из нескольких крупных тектонических блоков - пластин, которые называются плитами. Границам плит являются области срединно - океанических хребтов, окраины островных дуг и глубоководных желобов.

Каждая плита «уходит» на глубину > 80км.

В результате неравномерного радиоактивного разогрева вещества мантии происходит его перераспределение из областей с высокой температурой в более холодные (из областей срединно - океанических хребтов в сторону от их осей).

Блоки литосферы, лежащие на веществе мантии, перемещаются относительно друг друга по поверхности размягченных пород (астеносферы).

В краевых частях каждой плиты, в месте их соприкосновения с другими плитами, горные породы оказываются под действием больших деформирующих (тектонических) сил, которые приводят к крупным геологическим преобразованиям (горообразование, катастрофическим явлениям - землетрясениям) [4].

Землетрясения -- это подземные толчки и колебания поверхности Земли, вызванные естественными причинами (главным образом тектоническими процессами) или искусственными процессами (взрывы, заполнение водохранилищ, обрушением подземных полостей горных выработок). Небольшие толчки могут вызывать также подъём лавы при вулканических извержениях. Рассмотрим физику этого процесса (рис. 1) [3].

землетрясение интенсивность сейсмический

Рис. 1. Землетрясение

В результате перемещения блоков океаническая плита начинает подвигаться («подныривать») под континентальную плиту. При этом океаническая плита начинает изгибаться. Когда деформация достигает критической величины, на границе между континентальной корой островов и океанической происходит проскальзывание, в результате чего океаническая кора рывком возвращается в прежнее положение, т.е. поднимается.

При средней скорости продвигания 5 см в год и периодами между землетрясениями в 100 лет, получается, что величина проскальзывания будет равна 5 метров.

Вся жесткая тихоокеанская плита подвигается под континентальную.

Область, в которой происходит мгновенная разрядка тектонических напряжений называется гипоцентром. Проекция гипоцентра на земную поверхность называется эпицентром землетрясения.

Землетрясения принято подразделять на три группы:

? обыкновенные (мелкофокусные или нормальные) - до 70км,

? промежуточные - от 70 до 300км,

? глубокие - от 300 до 700км.

Гипоцентры глубокофокусных землетрясений располагаются на некоторой, уходящей вниз, плоскости, наклоненной в сторону континента. Эти плоскости названы зонами Беньофа.

Глубины очагов увеличивается в направлении к континенту. Наибольшая их глубина (около 500км) зафиксирована вблизи тихоокеанского побережья Азии.

Для возникновения упругих волн необходимо, чтобы разрыв произошел достаточно мгновенно (резко), а значит, материал должен быть хрупким.

На больших же глубинах вещество мантии находится в размягченном состоянии под влиянием высоких температуры и давления, т.е. хрупкости у вещества мантии нет. Чтобы хрупкость сохранялась нужно, чтобы породы быстро не нагревались.

Эта зона может оставаться достаточно холодной, если она постоянно снабжается новым холодным материалом, виде опускающейся литосферной плиты.

На это обстоятельство впервые (в 1969г) специально указал Д.Мак - Кензи. Он рассчитал, что, если холодная плита толщиной 70 - 100 км погружается в мантию со скоростью несколько см в год (5?7см), средняя часть плиты может оставаться холодной до глубины 600?700 км, т.е. до уровня очагов самых глубоких землетрясений [2].

Для классификации землетрясений по их интенсивности в очаге Ч. Рихтер предложил в 1935 году шкалу Магнитуд (М).

Магнитуда землетрясения - условная величина, характеризующая общую энергию упругих колебаний (Е), вызванных землетрясением или взрывом, пропорциональна lg энергии землетрясения.

Она определяется как десятичный lg амплитуды наибольшего колебания и может быть вычислена по формуле Бота:

М= lg(A/T) + f(?h)+C,

где А - амплитуда смещения почвы в микрометрах (1*10^?6 м) - для поверхностных волн.

Т - преобладающий период, в сек.

T = 2R/ х sin(?/2)

f(?h) - эмпирическая калибровочная функция, дающая ход изменения А/Т в зависимости от ? ? эпицентрального расстояния (измеряемое углом, который образуется радиусами, проведенными из центра Земли через очаг землетрясения (G) - гипоцентр и через сейсмостанцию(СП)); h - глубина очага, км; c - станционная поправка (учитывает условие установки регистрирующей аппаратуры).

Между энергией землетрясения (Е) и его магнитудой (М) существует ряд зависимостей, лучшей из которых считается формула, полученная Гутенбергом и Рихтером

lg E = 9.4+2.14M ?0.054 M ².

При М=8,7 по шкале Рихтера (самое сильное землетрясение за последнее время

Ассамское, 1952г), получил Е = 5*10²⁴ эрг. (1 эрг = 10 Дж; Дж = Н*м = Вт*с =(кг*м²)/с. 4,1868Дж = 1 калории(кал)).

Это составляет 0,05% от полного количества тепла, теряемого за год всей Землей 10²⁸ эрг, т.е. 1,5 мк.кал/см2 * с = (1*10^?6 кал * 4,1868)/10⁴ м2 /с = 6,28*10?10 Вт/м² [1].

Шкала Рихтера (рис 2.)

Рис. 2. Шкала Рихтера

Рихтер предложил для оценки силы землетрясения (в его эпицентре) десятичный логарифм перемещения (в микрометрах) иглы стандартного сейсмографа Вуда-Андерсона, расположенного на расстоянии не более 600 км от эпицентра:

M_L=lg A+f,

где f -- корректирующая функция, вычисляемая по таблице в зависимости от расстояния до эпицентра. Энергия землетрясения примерно пропорциональна А^3/2 то есть увеличение магнитуды на 1,0 соответствует увеличению амплитуды колебаний в 10 раз и увеличению энергии примерно в 32 раза.

Эта шкала имела несколько существенных недостатков:

Рихтер использовал для градуировки своей шкалы малые и средние землетрясения южной Калифорнии, характеризующиеся малой глубиной очага.

Из-за ограничений используемой аппаратуры шкала Рихтера была ограничена значением около 6,8.

Предложенный способ измерения учитывал только поверхностные волны, в то время как при глубинных землетрясениях существенная часть энергии выделяется в форме объёмных волн [5].

Для сравнения силы сотрясений на поверхности Земли было предложено несколько шкал, по которым интенсивность сотрясений оценивается полуколичественным способом в баллах. В нашей стране применяется международная шкала MSK?64(по начальным буквам фамилий ее создателей С.В. Медведева, В. Шпонхойера, В. Карника и ее году принятия) - ГОСТ 6249?52.

По шкале MSK?64 землетрясения по интенсивности их проявления на поверхности подразделяются на 12 баллов(I?XII).

I -IV бала - слабые: при III балльном земные колебания отмечаются немногими людьми и только в помещении.

V?VII бал - сильные: при V баллах - качаются висячие предметы. Ощущается всеми людьми толчки в помещениях. При VI появляются повреждения в зданиях.

VIII?XII бал - сильнейшие: при VIII бал серьезные повреждения в зданиях с обрушениями. Люди впадают в состояние испуга и паники. При X бал. ? всеобщее разрушение зданий, нарушение поверхности почвы. Интенсивность землетрясения оценивается:

J = 6 lg a +0.5,

где а - ускорение движения почвы, в см/с².

Шкала магнитуд М и шкала интенсивностей J в баллах независимы. Они описывают разные стороны проявления землетрясений.

Шкала J дает оценки качественного характера - силу разрушений на поверхности Земли, а шкала М - количественную характеристику землетрясения - его общую энергию. При одной и той же (М) но при разных глубинах (h) очага будут разные интенсивности землетрясения (J) в баллах. Для неглубоких землетрясений существует корреляционная зависимость между М и J. М = 0.67 * J_max + 1.7 lg h ?1.4.

По шкале магнитуд Рихтера возрастанию магнитуды на единицу соответствует 30 кратное увеличение сейсмической энергии (Е). Сейсмическая энергия, выделяемая при землетрясении с М=8 составляет 1*10²⁵ эрг.(10⁷ эрг = 0,239кал), что равно энергии 10 тыс атомных бомб, подобных сброшенных на Хиросиму. Землетрясения с М > 7,5 называются сильнейшими (великими) все они мелкофокусные и чаще всего возникают в Циркумтихоокеанском сейсмическом поясе.

Хотя огромное большинство землетрясений связанно с основными тектоническими процессами в глубинах Земли - имеются и другие причины их возникновения. Различают землетрясения тектонические, вулканические, денудационные (обвальные), глубинные, а также искусственные, являющиеся результатом деятельности человека - обрушение огромных горных выработок - шахт, штолен; ядерные взрывы и т.п. Причиной землетрясений могут быть и падения на Землю крупных метеоритов, болидов [1].

Литература

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

2. www.epicentrum.ru/ Эпицентр землятрясений

3. Землетрясения // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона: в 86 т. (82 т. и 4 доп.). -- СПб., 1890--1907.

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Землетрясение

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Магнитуда_землетрясения

Размещено на Allbest.ru