Введение. Землетрясение
 Скачать 41.28 Kb.
|
|
 |
Сейсмические явления сопутствуют нам повседневно - проехавший мимо автомобиль - ощущается по дребезжанию стекол в окне, приближающейся поезд метрополитена распознается по вибрации пассажирской платформы. Таким образом, твердая поверхность является проводником механических колебаний к датчику, будь то это человеческое ухо или прибор. Преобразованные специальными приборами - они могут быть записаны и изучены специалистами.
Сейсмические волны.
При землетрясении в очаге частицы горных пород перемещаются, колеблются. Они толкают, колеблют соседние частицы, которые передают колебания еще дальше в виде акустической волны. Колебания, распространяющиеся из очага землетрясения, представляют собой упругие волны, характер и скорость распространения которых зависят от упругих свойств и плотности пород. К упругим свойствам относятся модуль объемной деформации, характеризующий сопротивление сжатию без изменения формы, и модуль сдвига, определяющий сопротивление усилиям сдвига. Скорость распространения упругих волн увеличивается прямо пропорционально квадратному корню значений параметров упругости и плотности среды.
Продольные и поперечные волны.
На сейсмограммах эти волны появляются первыми. Раньше всего регистрируются продольные волны, при прохождении которых каждая частица среды подвергается сначала сжатию, а затем снова расширяется, испытывая при этом возвратно-поступательное движение в продольном направлении (т.е. в направлении распространения волны). Эти волны называются также Р-волнами, или первичными волнами. Их скорость зависит от модуля упругости и жесткости породы. Вблизи земной поверхности скорость Р-волн составляет 6 км/с, а на очень большой глубине — ок. 13 км/с. Следующими регистрируются поперечные сейсмические волны, называемые также S-волнами, или вторичными волнами. При их прохождении каждая частица породы колеблется перпендикулярно направлению распространения волны. Их скорость зависит от сопротивления породы сдвигу и составляет примерно 7/12 от скорости распространения Р-волн.
Поверхностные волны распространяются вдоль земной поверхности или параллельно ей и не проникают глубже 80-160 км. В этой группе выделяются волны Рэлея и волны Лява (названные по именам ученых, разработавших математическую теорию распространения таких волн). При прохождении волн Рэлея частицы породы описывают вертикальные эллипсы, лежащие в очаговой плоскости. В волнах Лява частицы породы колеблются перпендикулярно направлению распространения волн. Поверхностные волны часто обозначаются сокращенно как L-волны. Скорость их распространения составляет 3,2-4,4 км/с. При глубокофокусных землетрясениях поверхностные волны очень слабые.
Амплитуда и период характеризуют колебательные движения сейсмических волн. Амплитудой называется величина, на которую изменяется положение частицы грунта при прохождении волны по сравнению с предшествовавшим состоянием покоя. Период колебаний - промежуток времени, за который совершается одно полное колебание частицы. Вблизи очага землетрясения наблюдаются колебания с различными периодами — от долей секунды до нескольких секунд. Однако на больших расстояниях от центра (сотни километров) короткопериодные колебания выражены слабее: для Р-волн характерны периоды от 1 до 10 с, а для S-волн — немного больше. Периоды поверхностных волн составляют от нескольких секунд до нескольких сотен секунд. Амплитуды колебаний могут быть значительными вблизи очага, однако на расстояниях 1500 км и более они очень малы — менее нескольких микрон для волн Р и S и менее 1 см — для поверхностных волн.
Отражение и преломление.
Встречая на своем пути слои пород с отличающимися свойствами, сейсмические волны отражаются или преломляются подобно тому, как луч света отражается от зеркальной поверхности или преломляется, переходя из воздуха в воду. Любые изменения упругих характеристик или плотности материала на пути распространения сейсмических волн заставляют их преломляться, а при резких изменениях свойств среды часть энергии волн отражается (см. рис.).
Пути сейсмических волн.
Продольные и поперечные волны распространяются в толще Земли, при этом непрерывно увеличивается объем среды, вовлекаемой в колебательный процесс. Поверхность, соответствующая максимальному продвижению волн определенного типа в данный момент, называется фронтом этих волн. Поскольку модуль упругости среды возрастает с глубиной быстрее, чем ее плотность (до глубины 2900 км), скорость распространения волн на глубине выше, чем вблизи поверхности, и фронт волны оказывается более продвинутым вглубь, чем в латеральном (боковом) направлении. Траекторией волны называется линия, соединяющая точку, находящуюся на фронте волны, с источником волны. Направления распространения волн Р и S представляют собой кривые, обращенные выпуклостью вниз (из-за того, что скорость движения волн больше на глубине). Траектории волн Р и S совпадают, хотя первые распространяются быстрее.
Сейсмические станции, находящиеся вдали от эпицентра землетрясения, регистрируют не только прямые волны Р и S, но также волны этих типов, уже отраженные один раз от поверхности Земли — РР и SS (или РR1 и SR1), а иногда - отраженные дважды — РРР и SSS (или РR2 и SR2). Существуют также отраженные волны, которые проходят один отрезок пути как Р-волна, а второй, после отражения, — как S-волна. Образующиеся обменные волны обозначаются как РS или SР. На сейсмограммах глубокофокусных землетрясений наблюдаются также и другие типы отраженных волн, например, волны, которые прежде, чем достичь регистрирующей станции, отразились от поверхности Земли. Их принято обозначать маленькой буквой, за которой следует заглавная (например, рR). Эти волны очень удобно использовать для определения глубины очага землетрясения.
На глубине 2900 км скорость P-волн резко снижается от >13 км/с до 8 км/с; а S-волны не распространяются ниже этого уровня, соответствующего границе земного ядра и мантии. Оба типа волн частично отражаются от этой поверхности, и некоторое количество их энергии возвращается к поверхности в виде волн, обозначаемых как РсР и SсS. Р-волны проходят сквозь ядро, но их траектория при этом резко отклоняется и на поверхности Земли возникает теневая зона, в пределах которой регистрируются только очень слабые Р-волны. Эта зона начинается на расстоянии ок. 11 тыс. км от сейсмического источника, а уже на расстоянии 16 тыс. км Р-волны снова появляются, причем их амплитуда значительно возрастает из-за фокусирующего влияния ядра, где скорости волн низкие. Р-волны, прошедшие сквозь земное ядро, обозначаются РКР или Р?. На сейсмограммах хорошо выделяются также волны, которые по пути от источника к ядру идут как волны S, затем проходят сквозь ядро как волны Р, а при выходе волны снова преобразуются в тип S. В самом центре Земли, на глубине более 5100 км, существует внутреннее ядро, находящееся предположительно в твердом состоянии, но природа его пока не вполне ясна. Волны, проникающие сквозь это внутреннее ядро, обозначаются как РКIКР или SКIКS (см. рис. 1).
Сейсмические шкалы
Сейсмические движения сложны, но поддаются классификации. Существует большое число сейсмических шкал, которые можно свести к трем основным группам. В России применяется наиболее широко используемая в мире 12-балльная шкала МSK-64 (Медведева-Шпонхойера-Карника), восходящая к шкале Меркали-Канкани (1902), в странах Латинской Америки принята 10-балльная шкала Росси-Фореля (1883), в Японии - 7-балльная шкала. Оценка интенсивности, в основу которой положены бытовые последствия землетрясения, легко различаемые даже не-опытным наблюдателем, в сейсмических шкалах разных стран различна. Напр., в Австралии одну из степеней сотрясения сравнивают с тем "как лошадь трется о столб веранды", в Европе такой же сейсмический эффект описывается так - "начинают звонить колокола", в Японии фигурирует "опрокинутый каменный фонарик". В наиболее простом и удобном виде ощущения и наблюдения представлены в схематизированной краткой описательной шкале (вариант MSK), которой может пользоваться каждый.
Виды землетрясений
Существует несколько классификаций землетрясений. В частности, по способу возникновения, выделяют тектонические, вулканические, техногенные землетрясения, обвальные землетрясения и горные удары. Поскольку этот фактор является одной из основных характеристик данных явлений, целесообразно остановиться на каждом из упомянутых видов подробнее.
Тектонические землетрясения
Тектонические землетрясения, к которым относится большая часть всех известных землетрясений, связаны с процессами горообразования и движениями в разломах литосферных плит. Причиной этому служит структура верхней части земной коры, которую составляют около десятка огромных блоков - тектонических плит, о которых необходимо упомянуть отдельно.
Наука, в рамках которой изучаются движения земной коры, тектоника плит, была разработана в конце 60-х годов нашего века. Согласно ее положениям, литосфера состоит из около десяти огромных сегментов - тектонических плит, способных перемещаться, скользя по пластичной и частично расплавленной астеносфере.
Движение тектонических плит, приводящее к тому, что материки буквально дрейфуют, вызвано, в свою очередь, очень медленным и почти постоянным движением внутренних слоев земной коры. Последнее происходит под воздействием конвекционных потоков, поднимающихся из высокотемпературных глубин мантии.
Таким образом, тектонические плиты перемещаются относительно друг друга с разными скоростями, от нескольких сантиметров до 20 см в год и даже больше. Они двигаются навстречу друг другу, как например, в районе Красного моря, расходятся в стороны или скользят друг относительно друга в противоположных направлениях, что наблюдается в зоне разлома Сан-Андреас в Калифорнии. Поскольку горные породы обладают определенной эластичностью, в местах тектонических разломов - границ плит, где действуют силы сжатия или растяжения, постепенно могут накапливаться тектонические напряжения, которые растут до тех пор, пока не превысят предела прочности самих пород. В последнем случае пласты разрушаются и резко смещаются, излучая сейсмические волны. Такое резкое смещение пород называется подвижкой. В зависимости от особенностей смещения выделяются еще два вида данного процесса: спрединг - вариант, когда близ срединно-океанических хребтов литосферные плиты наращиваются за счет вещества, поднимающегося из недр, и раздвигаются, и субдукция – когда в глубоководных желобах одна плита подвигается под другую и поглощается мантией. Основой этому служат три главных типа границ плит: дивергентные - на них плиты раздвигаются, там образуется новая океаническая кора; трансформные - по этим границам плиты скользят друг относительно друга в противоположных направлениях; конвергентные - у этих границ плиты сходятся, причем одна из них пододвигается под другую и погружаются в мантию. Необходимо также заметить, что именно границы между плитами являются геологически активными зонами: тут извергаются вулканы, происходят землетрясения. Однако в некоторых местах два участка земной коры трутся краями друг о друга, но роста или разрушения коры не происходит. Такой процесс сейчас происходит в знаменитом разломе Сан-Андреас в Калифорнии.
Исследования показали, что в срединно-океаническом хребте, находящимся на дне Атлантического океана, идет процесс образования новой океанической коры. Таким образом, дно Атлантики равномерно расширяется. В других же частях земного шара происходит обратный процесс. Так, например, в северо-западной части Тихого океана океаническая кора пододвигается под материк Евразия и погружается в мантию Земли. В результате общая площадь поверхности Земли не изменяется, поскольку расширение дна в Атлантике, которое идет со скоростью около двух сантиметров в год, уравновешивается сокращением Тихого океана.
Обвальные землетрясения
Обвальные землетрясения носят локальный характер и происходят в местностях, богатых известковыми породами, обычно как следствие недостаточного отвода воды. Они происходят из-за того, что под землею существуют пещеры. Из-за вымывания известковых пород подземными водами образуются карсты, более тяжелые породы давят на образующиеся пустоты и они иногда обрушаются, вызывая землетрясения. Сейсмические колебания могут возникать при обвалах на склонах гор, провалах и просадках грунтов. В некоторых случаях, за первым ударом следует другой или несколько ударов с промежутком в несколько дней. Это объясняется тем, что первое сотрясение провоцирует обвал горной породы в других ослабленных местах. Подобные землетрясения называют еще - денудационными.
Обвальные землетрясения могут быть вызваны как природным так и человеческим воздействием. Сами по себе обвалы, сходы лавин, обрушение кровли пустот в недрах могут подготавливаться и возникать под воздействием различных, достаточно естественных факторов. Однако, к примеру, проведение земляных работ с использованием вибраций, взрывов, в результате которых образуются пустоты, изменяется плотность окружающих пород может послужить их причиной.
Сотрясения земли могут быть вызваны обвалами и большими оползнями несвязанными с тектоническими землетрясениями. Например, обрушение в силу потери устойчивости горных склонов громадных масс породы, сход снежных лавин также сопровождаются сейсмическими колебаниями, которые обычно далеко не распространяются.
Горные удары
Частным случаем обвальных землетрясений являются горные удары, сопровождающие наряду с выбросами угля и газа работы по подземной добыче полезных ископаемых. При углублении шахты в недра, разработке залежей ископаемых возникают пустоты. Это ведет к изменению поля напряжений в пласте горных пород и, соответственно к новому распределению нагрузки, которая частично компенсируется специальным крепежом в шахтах.
Однако не всегда можно добиться полного перераспределения нагрузки. Тогда и происходят внезапные выбросы породы и обвалы шахт, сопровождаемые микроземлетрясениями. Эти своеобразные горные землетрясения, также сопровождаются сейсмическими и акустическими колебаниями, но как правило, в пределах небольшого объема горных пород.
Вулканические землетрясения
Помимо районов горообразования и стыков тектонических плит, вулканы также известны как места возникновения слабых и сильных землетрясений. В данном случае толчки обуславливаются давлением раскаленных газов и лава, бурлящих в недрах вулканических гор на верхние слои Земли. Эти движения вещества в основном приводят к сериям мелких землетрясений - вулканическому тремеру, то есть так называемому вулканическому дрожанию, означающему подготовку вулкана к извержению. Этот процесс может продолжаться в течение столетий.
Вулканическая деятельность, движение высокотемпературной магмы в недрах вулкана, сопровождается целым рядом природных явлений, в том числе взрывами огромных количеств пара и газов, растрескиванием горных пород, что провоцирует сейсмические и акустические колебания. Как известно ,вулканы делятся на действующие, уснувшие и потухшие. К потухшим относятся вулканы, которые сохранили свою форму, но сведений об извержениях которых просто нет. Однако и под ними происходят локальные землетрясения, свидетельствуя что в любой момент, и они могут проснуться. Как правило, подобные сейсмические события имеют некоторый спокойный и устойчивый фон и усиление землетрясений происходит лишь в начале вулканической деятельности, а потому и являются некоторым ее предзнаменованием.
Причины землетрясений
Хотя многочисленные исследования в данной области ведутся с давних времен, нельзя сказать, что причины возникновения землетрясений полностью изучены. По характеру процессов в их очагах выделяют несколько типов землетрясений, основными из которых являются тектонические, вулканические и техногенные. Их причины были оговорены выше. Однако помимо этих, можно сказать, классических, концепцию, существует еще несколько теорий возникновения землетрясений, одну из которых мне бы отелось рассмотреть подробнее.
Детонация сжатой нефти: одна из возможных причин сильных землетрясений.
В качестве рабочей гипотезы для объяснения причин землетрясений, официальная наука использует концепцию “сброса энергии механических деформаций в земной коре”, согласно которой землетрясения невулканического характера обусловлены детонацией, благоприятные условия для которой могут возникать в подземных нефтяных озёрах. История нефтеразработок знает случаи, когда искусственный подземный взрыв – например, для закупорки скважины – вызывал сильное землетрясение. Подземная нефть серьёзно не рассматривалась на предмет взрывоопасности лишь из-за предпосылки о том, что для взрыва углеводородов непременно требуется окислитель – например, кислород воздуха – которого нет под землёй. Действительно, для взрыва окислитель требуется; но детонация, согласно ранее изложенной модели – это качественно иное явление: она не имеет ничего общего с окислением, являясь цепной реакцией распада резонирующих (по Полингу) молекул. Напомним, что здесь под резонансом понимается циклическое переключение конфигураций химических связей в молекуле, благодаря которому и обеспечивается стабильность такой молекулы. Остановка резонанса приводит к распаду молекулы, при этом выделяется “энергия резонанса”. Как можно видеть, резонанс возможен в тех молекулах, которые имеют не только одинарные связи, но и двойные и/или тройные. Молекулы насыщенных углеводородов, ради которых добывают нефть, содержат лишь одинарные связи; следовательно, они не резонируют и к детонации не способны.
Однако двойные связи имеются в молекулах ненасыщенных углеводородов, содержание которых в нефти может достигать 40% . Поэтому при определённых сочетаниях физических параметров, неочищенная нефть представляет собой смесь, которая способна детонировать. Следует оговорить, что вряд ли условия для детонации могут создаваться сразу во всём объёме подземного нефтяного озера. Известно, что, в отсутствие активных процессов перемешивания, в нефтегазовой каверне лёгкие фракции преобладают наверху, а тяжёлые – внизу. Ненасыщенные углеводороды принадлежат к самым тяжёлым фракциям, поэтому их концентрация максимальна в придонной области каверны.
Таким образом, условия для детонации должны создаваться, в первую очередь, именно в этой области. Главный естественный сценарий, по которому эти условия создаются, начинается с относительно быстрого повышения температуры в каверне, под воздействием которой, в ходе сложного химического преобразования молекул нефти давление и концентрация ненасыщенных углеводородов, способных к соединению во взрывоопасные гипермолекулы со множеством двойных связей, достигает своего максимума и происходит взрыв.
Данная теория, хотя и не является безукоризненной, имеет ряд преимуществ, в частности, в отличии от традиционных версий, она в состоянии объяснить возникновение в земной коре тех мощных сферических волн повышения давления, которые возникают при сильных землетрясениях. Помимо этого, детонационная версия даёт простое объяснение общего повышения сейсмичности в годы активного Солнца, а также ярко выраженного возрастания сейсмичности спустя несколько суток после отдельных гигантских вспышек на Солнце.
Вулканы (по имени бога огня Вулкана)- геологические образования, возникающие над каналами и трещинами в земной коре, по которым извергаются на земную поверхность из глубинных магматических источников лавы, горячие газы и обломки горных пород. Обычно вулканы представляют отдельные горы, сложенные продуктами извержений.
Вулканы разделяются на действующие, уснувшие и потухшие.
К действующим - относятся вулканы, извергающиеся в настоящее время постоянно или периодически; вулканы, об извержениях которых существуют исторические данные; вулканы, об извержениях которых нет сведений, но которые выделяют горячие газы и воды (сольфатарная стадия).
Уснувшие вулканы – это вулканы, об извержениях, которых нет сведений, но они сохранили свою форму и под ними происходят локальные землетрясения.
Потухшими называют сильно разрушенные и размытые вулканы, без каких либо проявлений вулканической активности.
В зависимости от формы подводящих каналов вулканы разделяются на центральные и трещинные.
Глубинные магматические очаги могут находиться в верхней мантии на глубине порядка 50-70 километров (вулкан Ключевская Сопка на Камчатке и Килауэа на Гавайских островах) или в земной коре на глубине 5-6 километров (вулкан Везувий, Италия) и глубже.
Извержения бывают длительными (в течение нескольких лет, десятилетий и столетий) и кратковременными (измеряемые часами).
К предвестникам извержения относятся вулканические землетрясения, акустические явления, изменения магнитных свойств и состава фумарольных газов.
Извержения обычно начинаются усилением выброса газов сначала вместе с темными холодными обломками лав, а затем раскаленными. Эти выбросы в некоторых случаях сопровождаются излиянием лавы. Высота подъема газов, паров воды, насыщенных пеплом и обломками лав, колеблется от 1 до 5 километров (во время извержения вулкана Безымянного на Камчатке в 1956 году она достигла 45 километров). Выброшенный материал переносится на расстояния от нескольких до десятков тысяч километров. Объем выброшенного обломочного материала порой достигает нескольких кубических километров. При некоторых извержениях концентрация вулканического пепла в атмосфере бывает настолько большой, что возникает темнота, подобная темноте в закрытом помещении. Это имело место в 1956 году в поселке Ключи, расположенном в 40 километрах от вулкана Безымянного.
Извержения представляют собой чередования слабых и сильных взрывов и излияние лав. Взрывы максимальной силы называются кульминационным пароксизмом. После них происходит уменьшение силы взрывов и постепенное прекращение извержений. Объем излившейся лавы бывает до десятков кубических метров.
Извержения вулканов не всегда одинаковы. В зависимости от количественных соотношений извергаемых вулканических продуктов (газообразных, жидких и твердых) и вязкости лав выделены 4 главных типа извержений: гавайские, стромболианские, купольные и вулканские.
Гавайский тип извержения вулканов отличается относительно спокойным излиянием жидкой (базальтовой) лавы, образующей в кратерах огненно-жидкие озера и лавовые потоки. Газы, содержащиеся в небольшом количестве, образуют фонтаны, выбрасывающие комки и капли жидкой лавы, которые вытягиваются в полете в тонкие стеклянные нити (вулкан Килауэа).
Стромболианский тип извержений - это достаточно обильные излияния жидких лав, которые образуют иногда очень длинные потоки, преобладющими являются небольшие взрывы, которые выбрасывают куски шлака и разнообразные витые и веретенообразные бомбы (в.Стромболи на Липарских островах, Михара, некоторые извержения Ключевской сопки).
Для купольного типа характерно выжимание и выталкивание вязкой лавы сильным напором газов из каналов вулкана и образования куполов (вулкан Пюи-де-Дом и Центральный Семячик на Камчатке).
В вулканском типе большую роль играют газообразные вещества, производящие взрывы и выбросы огромных темных туч, переполненных большим количеством обломков лав. Извержения происходят не только через вершинный главный кратер, но и через побочные кратеры (которые называют паразитическими и расположенным на склонах).