Землетрясения — это подземные толчки, которые вызывают колебания земной поверхности. Эти толчки связаны c подвижками в земных оболочках – земной коре или в верхней мантии. Эти смещения порождают сейсмические волны — колебания, которые распространяются в земной коре, подкоровой литосфере, мантии Земли.

Каждый день на Земле происходят десятки землетрясений. Но чаще всего это слабые и умеренные события, которые не ощущаются на поверхности. Землетрясения магнитудой от 4 до 5 не вызывают больших разрушений, но фиксируются сейсмическими сетями. Землетрясений с магнитудой около 7 происходит несколько сотен в год. Магнитуда 8 встречается порядка десяти раз за год. Самые разрушительные землетрясения с магнитудой 9 происходят примерно раз в 30 лет.

Из истории наблюдений

Ученым известны землетрясения, которые происходили еще в древние времена – в Египте, в Римской империи, в Китае. В древности и в Средние века не было никаких сейсмических приборов. Поэтому люди, попадавшие в зону землетрясений, делали могли только написать о том, что они видели – оползни, разломы горных массивов, разрушение зданий. Таким образом было, например, описано Лиссабонское землетрясение XVIII века, которое практически полностью разрушило весь город.

Считается, что первый сейсмограф был разработан в Китае, в эпоху правления династии Хань. Но по нему можно было только определить, откуда распространяются колебания. Его создателем м был чиновник и учёный по имени Чжан Хэн. В 132 году н.э. он представил своё изобретение императору и через некоторое время он на самом деле указал, где располагался эпицентр землетрясения.

Ни один из таких приборов до наших дней не сохранился. До нас дошло лишь его описание. Это была массивная бронзовая ваза. Снаружи её украшали восемь драконов, расположенных вниз головой, в пасти которых находились небольшие шарики. Прямо под драконами располагались 8 бронзовых жаб с раскрытыми ртами. В древних текстах весьма туманно описывается принцип работы этого прибора. Есть предположение, что внутри устройства находился маятник и рычажные механизмы, связанные с каждым драконом. При возникновении подземных толчков маятник начинал раскачиваться, приводя в движение один из рычагов. Из пасти соответствующего ему дракона выпадал шарик прямо в пасть жабе, сообщая о землетрясении, а также о направлении распространения сейсмических волн.

Рис 1

В XIX веке все попытки по этим описания в точности определить принцип работы древнего прибора оказались безуспешными. Поэтому сейсмограф пришлось изобретать заново. Еще до революции один из первых таких приборов, который стал прообразом всех современных, изобрел российский академик Борис Борисович Голицын.

Рис 2,3

В первые десятилетия XX века был установлен ряд сейсмических станций в разных странах. Лидирующее положение занимала Англия, так как многие ее колонии, такие, как Индия, находились в зоне сейсмической опасности. В России первые сейсмографы стали устанавливать, в основном, в европейской части, на Кавказе и на Урале. В числе передовиков в изучении сейсмичности экспериментальными методами была и Германия.

Обычно сейсмограф представлял собой пружинку, которая при подходе сейсмической волны начинала колебаться и тянула за собой стрелку, которая показывала размах колебаний. При этом колебания фиксировались  по определенной шкале. У современных сейсмографов механическая часть такая же, как и была, но на смену стрелочному механизму пришли компьютерные технологии. 

Идея сейсмографа состоит в том, что сейсмическая волна при подходе к поверхности вызывает колебания этого сейсмографа, и сейсмограф записывает эти колебания в определенной системе фиксации.
https://ru.depositphotos.com/stock-photos/%D0%BF%D1%80%D0%B8%D0%B1%D0%BE%D1%80-%D1%81%D0%B5%D0%B9%D1%81%D0%BC%D0%B8%D0%BA%D0%B0.html?filter=all&qview=57546161

Причины землетрясений

Земля – космическое тело, в глубине которого происходят процессы дифференциации материи, переплавление внутреннего вещества. При этом холодный материал Земли тонет, а теплый материал поднимается вверх. Это вызывает напряжение земной коры. Толщина земной коры — 7-10 километров в океане, и 40-60 километров на континенте. Под воздействием внутренних напряжений Земли происходит накопление напряжений на поверхности. Эти напряжения разряжаются трещинами и подвижками, которые запускают сейсмические волны.

В последнее время ученые также выдвигают идею о том, что помимо плавления и дифференциации материи в глубине Земли, происходят также существенные горизонтальные движения на поверхности. Тектонические плиты движутся, на их границах образуются зоны сжатия, накопления напряжения, и в этих зонах происходит 90% сейсмичности Земли. Эта версия также имеет основания.

Процесс землетрясения

Накопление напряжения, которое происходит из-за внутренней дифференциации вещества, по механизму похоже на то, как люди варят кашу. Внутреннее вещество нагревается, и на поверхность постепенно вылезают пузыри. Земля начинает бурлить, снизу вылезает горячее, сверху тонет холодное. При этом поверхность Земли ломается.

Накопленные напряжения во внутреннем веществе концентрируются в области какой-то структуры. Например, разлома земной коры или большой трещины. Затем эта трещина постепенно накапливает напряжения,  и по ней проходит моментальная подвижка. Смещаются края трещины, это вызывает колебания, которые представляют собой сейсмические волны. После разрушения зоны, когда возник очаг землетрясения, начинается процесс стабилизации. Все, что было разрушено вокруг, начинает приспосабливаться к новым условиям. Возникают повторные толчки или автошоки, которые могут месяцы и даже годы, прежде чем зона успокоится.

Классификация землетрясений

Землетрясения отличаются друг от друга по многим свойствам. Во-первых, они отличаются по магнитуде — математической величине, которая характеризуетэнергию очага. Кроме того, они различаются по интенсивности, то есть реакции поверхности на приход сейсмических волн. Другие характеристики связаны с сейсмотектонической приуроченностью. Например, есть внутриплитные и межплитные землетрясения. По периферии Тихого океана расположено сейсмическое огненное кольцо. Если посмотреть на карту, то можно увидеть, что весь Тихий океан опоясан активными зонами: Кордильеры, Анды, Камчатка, Япония, Курильские острова и так далее.

Эта периферия охвачена сейсмическими процессами. Там концентрируется примерно 70% сейсмичности Земли. Второй пояс –Альпийский, идущий от Альп к Индийскому океану через Кавказ, зоны Центральной Азии, Иран, Север Индии. В нем концентрируется 30% землетрясений.

Прогнозы землетрясений

Можно предсказывать место землетрясений и силу. А можно предсказывать время, силу и место   землетрясений. Прогноз может быть долгосрочным, среднесрочным, краткосрочным. В зависимости от того, на какой период предсказываются эти события. Наиболее распространенный подход — это оценка сейсмической опасности региона. При этом подходе ученые предсказывают не землетрясение, а общий уровень сейсмической опасности какой-либо территории. При этом не известно,  когда именно произойдет землетрясения, но можно спрогнозировать, в каком месте оно произойдет и какие вызовет разрушения.

Например, для России существует карта общего сейсмического районирования (ОСР). На ней обозначены все зоны, которые могут породить землетрясения, указаны их максимальные магнитуды и рассчитаны все максимальные воздействия. Таким образом, мы знаем территорию с точки зрения уровня возможных землетрясений и их ущерба. Кроме того, есть уровень детального районирования. Если вы строите какие-либо ответственные объекты, то нужно учитывать местные сейсмические условия, то есть систему разломов, известную сейсмичность, посчитать воздействие и прочее. Это делается при строительстве зданий, трубопроводов, мостов и т.д. Оценка сейсмической опасности не делается для определенного периода времени. Хотя периоды и учитываются, они очень большие: 500 – 1000 лет.

Помимо оценки сейсмической опасности сейсмологи делают и прогнозы. Долгосрочный прогноз охватывает десятилетия. Например, можно рассчитать, что на Камчатке в течение 10 лет возможно землетрясение с магнитудой 8. Среднесрочный прогноз охватывает период около года. Краткосрочный прогноз предсказывает землетрясение в ближайшие дни и часы. Точность этих прогнозов постоянно ухудшается. Если долгосрочный и среднесрочный прогнозы можно как-то обосновать (по ходу сейсмичности, геодинамическим проявлениям, деформации поверхности), то краткосрочные прогнозы крайне редко бывают удачными. В настоящий момент наука и техника еще не доросли до уровня, когда можно делать устойчивый краткосрочный прогноз. Вот среднесрочный и долгосрочный прогнозы более перспективны.

При прогнозировании землетрясений почти всегда учитывается зафиксированная сейсмичность. Например, мы наблюдаем за каким-то регионом и видим, что там изменяется стандартный уровень сейсмичности. К примеру, на Кавказе происходят слабые мелкие равномерные землетрясения, а потом наступает несколько месяцев сейсмического затишья. Это является предвестником прогноза.

Кроме того, используются системы GPS, ГЛОНАС. Мы видим направление движения, изменения геофизических данных. Если мы наблюдаем изменения геофизического, теплового, гравитационного, магнитного полей, то можем считать их предвестниками землетрясений. Но в целом, сейсмологи используют более 200 различных подходов для предсказания землетрясений.

Характеристики землетрясений

Сила землетрясений измеряется в магнитуде. Магнитуда показывает отклонение стрелки сейсмографа на какую-либо величину на расстоянии 100 километров от эпицентра землетрясения. Магнитуда по Рихтеру является характеристикой энергии землетрясения, которая происходит в очаге. Помимо магнитуды, существует балльность – то, что происходит на поверхности в том или ином месте. Очаг землетрясения – это объем массы в недрах земли, в земной коре, или в верхней мантии, который порождает сейсмические волны и сотрясения.

Землетрясения — это дыхание Земли. Они происходили на протяжении всей истории развития Земного шара. Землетрясения не пагубны для поверхности Земли, но наносят ущерб человеку.

В настоящий момент ученые обсуждают возможность предотвращения землетрясений. Один из предлагаемых вариантов — узнать разлом, в котором готовится землетрясениеи закачивать туда воду через скважины. Вода будет представлять собой смазку, и подвижка будет не такойсильной. Другое предложение — устраивать взрывы в районе готовящегося очага землетрясения. Мы никогда не знаем точно, где именно будет очаг зреющего землетрясения, и можем только предполагать. Кроме того, это огромные расходы и для этого нужно значительное финансирование.