Trzęsienie ziemi - Earthquake

Epicentra trzęsień ziemi występują głównie wzdłuż granic płyt tektonicznych, a zwłaszcza na Pacyficznym Pierścieniu Ognia .
Globalny ruch tektoniczny płyt

Trzęsienie ziemi (znane również jako trzęsienie , wstrząs lub wstrząs ) to drżenie powierzchni Ziemi w wyniku nagłego uwolnienia energii w litosferze Ziemi , która wytwarza fale sejsmiczne . Trzęsienia ziemi mogą mieć różne rozmiary, od tych, które są tak słabe, że nie można ich wyczuć, aż po te, które są wystarczająco gwałtowne, aby wyrzucać przedmioty i ludzi w powietrze i siać zniszczenie w całych miastach. Sejsmiczność lub aktywność sejsmiczna obszaru to częstotliwość, rodzaj i rozmiar trzęsień ziemi, których doświadczano przez pewien czas. Słowo „ drżenie ” jest również używane w odniesieniu do sejsmicznego dudnienia niebędącego trzęsieniem ziemi .

Na powierzchni Ziemi trzęsienia ziemi objawiają się drżeniem i przemieszczaniem lub zakłócaniem ziemi. Kiedy epicentrum wielkiego trzęsienia ziemi znajduje się na morzu, dno morskie może zostać przemieszczone na tyle, by wywołać tsunami . Trzęsienia ziemi mogą również powodować osuwiska , a czasami aktywność wulkaniczną.

W najbardziej ogólnym znaczeniu słowo trzęsienie ziemi jest używane do opisania każdego zdarzenia sejsmicznego — naturalnego lub spowodowanego przez człowieka — które generuje fale sejsmiczne. Trzęsienia ziemi są spowodowane głównie pęknięciami uskoków geologicznych, ale także innymi zdarzeniami, takimi jak aktywność wulkaniczna, osuwiska, wybuchy kopalni i próby jądrowe . Punkt początkowego pęknięcia w trzęsieniu ziemi nazywany jest hipocentrum lub ogniskiem. Epicentrum to punkt na poziomie gruntu bezpośrednio nad hipocentrum.

Naturalnie występujące trzęsienia ziemi

Trzy rodzaje usterek:
A. Przebicie
B. Normalne
C. Rewers

Tektoniczne trzęsienia ziemi występują w dowolnym miejscu na ziemi, gdzie zgromadzona jest wystarczająca ilość energii odkształcenia sprężystego, aby napędzać propagację pęknięć wzdłuż płaszczyzny uskoku . Boki uskoku mijają się płynnie i asejsmicznie tylko wtedy, gdy wzdłuż powierzchni uskoku nie występują nierówności lub chropowatości , które zwiększają opór tarcia. Większość powierzchni uskoków ma takie nierówności, co prowadzi do zachowania typu stick-slip . Po zablokowaniu zwarcia, ciągły ruch względny pomiędzy płytami prowadzi do wzrostu naprężeń, a tym samym do gromadzenia energii odkształcenia w objętości wokół powierzchni zwarcia. Trwa to, dopóki naprężenie nie wzrośnie wystarczająco, aby przebić się przez nierówności, nagle umożliwiając przesuwanie się po zablokowanej części uskoku, uwalniając zmagazynowaną energię . Energia ta jest uwalniana jako kombinacja wypromieniowanych fal sejsmicznych naprężeń sprężystych , nagrzewania powierzchni uskoku przez tarcie i pękania skały, powodując w ten sposób trzęsienie ziemi. Ten proces stopniowego narastania odkształceń i naprężeń, przerywanych okazjonalnymi nagłymi uszkodzeniami spowodowanymi przez trzęsienie ziemi, jest określany jako teoria sprężystego odbicia . Szacuje się, że tylko 10% lub mniej całkowitej energii trzęsienia ziemi jest wypromieniowane jako energia sejsmiczna. Większość energii pochodzącej z trzęsienia ziemi jest wykorzystywana do napędzania wzrostu pęknięć po trzęsieniu ziemi lub jest przekształcana w ciepło generowane przez tarcie. Dlatego trzęsienia ziemi obniżają dostępną elastyczną energię potencjalną Ziemi i podnoszą jej temperaturę, chociaż zmiany te są znikome w porównaniu z przewodzącym i konwekcyjnym wypływem ciepła z głębokiego wnętrza Ziemi.

Rodzaje usterek trzęsienia ziemi

Istnieją trzy główne rodzaje uszkodzeń, z których wszystkie mogą powodować międzypłytowe trzęsienie ziemi : normalne, odwrotne (odrzut) i poślizg. Uskoki normalne i odwrócone są przykładami upadu, w którym przemieszczenie wzdłuż uskoku jest zgodne z kierunkiem upadu , a ruch po nich obejmuje składową pionową. Normalne uskoki występują głównie w obszarach, w których skorupa jest rozszerzana , takich jak rozbieżna granica . Uskoki odwrócone występują w obszarach, w których skorupa jest skracana , takich jak na zbieżnej granicy. Uskoki uderzeniowe to strome struktury, w których obie strony uskoku ślizgają się poziomo obok siebie; granice transformacji są szczególnym rodzajem wady poślizgu. Wiele trzęsień ziemi jest spowodowanych przez ruch na uskokach, które mają elementy zarówno poślizgu zanurzeniowego, jak i poślizgu uderzeniowego; jest to znane jako ukośny poślizg.

Uskoki odwrócone, szczególnie te wzdłuż zbieżnych granic płyt , są związane z najsilniejszymi trzęsieniami ziemi, trzęsieniami ziemi z naporem mega naporu , w tym prawie wszystkimi o sile 8 lub większej. Trzęsienia ziemi związane z megathrust są odpowiedzialne za około 90% całkowitego momentu sejsmicznego uwolnionego na całym świecie. Uskoki uderzeniowe, zwłaszcza transformacje kontynentalne , mogą powodować poważne trzęsienia ziemi o sile do około 8. Trzęsienia ziemi związane z normalnymi uskokami mają na ogół mniej niż 7 magnitudo. Każda jednostka wzrostu wielkości powoduje około trzydziestokrotny wzrost uwalnianej energii. Na przykład trzęsienie ziemi o sile 6,0 uwalnia około 32 razy więcej energii niż trzęsienie ziemi o magnitudzie 5,0, a trzęsienie ziemi o magnitudzie 7,0 uwalnia 1000 razy więcej energii niż trzęsienie ziemi o magnitudzie 5,0. Trzęsienie ziemi o magnitudzie 8,6 uwalnia taką samą ilość energii jak 10 000 bomb atomowych, jak te używane podczas II wojny światowej .

Dzieje się tak, ponieważ energia uwolniona podczas trzęsienia ziemi, a tym samym jej wielkość, jest proporcjonalna do obszaru uskoku, który pęka i spada naprężenie. Dlatego im dłuższa długość i szersza szerokość obszaru uskokowego, tym większa wynikowa wielkość. Najwyższa, krucha część skorupy ziemskiej i chłodne płyty tektoniczne, które schodzą w gorący płaszcz, są jedynymi częściami naszej planety, które mogą magazynować energię sprężystą i uwalniać ją w przypadku pęknięć uskokowych. Skały o temperaturze wyższej niż około 300°C (572°F) płyną w odpowiedzi na stres; nie pękają podczas trzęsień ziemi. Maksymalne obserwowane długości pęknięć i uskoków odwzorowanych (które mogą pęknąć w jednym pęknięciu) wynoszą około 1000 km (620 mil). Przykładami są trzęsienia ziemi na Alasce (1957) , Chile (1960) i Sumatrze (2004) , wszystkie w strefach subdukcji. Najdłuższe pęknięcia w uskokach poślizgowych, takich jak uskok San Andreas ( 1857 , 1906 ), uskok północnoanatolijski w Turcji ( 1939 ) i uskok Denali na Alasce ( 2002 ), trwają od połowy do jednej trzeciej tak długo, jak długości wzdłuż krawędzi płyt subdukcyjnych i wzdłuż normalnych uskoków są jeszcze krótsze.

Zdjęcie lotnicze uskoku San Andreas na równinie Carrizo , na północny zachód od Los Angeles

Najważniejszym parametrem kontrolującym maksymalną siłę trzęsienia ziemi na uskoku nie jest jednak maksymalna dostępna długość, ale dostępna szerokość, ponieważ ta ostatnia zmienia się o współczynnik 20. Wzdłuż zbieżnych krawędzi płyt kąt upadu płaszczyzny pęknięcia jest bardzo płytkie, zwykle około 10 stopni. W ten sposób szerokość płaszczyzny w górnej, kruchej skorupie ziemskiej może wynosić 50-100 km (31-62 mil) ( Japonia, 2011 ; Alaska, 1964 ), dzięki czemu możliwe są najsilniejsze trzęsienia ziemi.

Uszkodzenia poślizgu są zwykle zorientowane w pionie, co skutkuje przybliżoną szerokością 10 km (6,2 mil) w kruchej skorupie. Tak więc trzęsienia ziemi o sile znacznie większej niż 8 nie są możliwe. Maksymalne wielkości gwiazdowe wzdłuż wielu normalnych uskoków są jeszcze bardziej ograniczone, ponieważ wiele z nich znajduje się wzdłuż centrów rozprzestrzeniania się, jak na Islandii, gdzie grubość kruchej warstwy wynosi tylko około sześciu kilometrów (3,7 mil).

Ponadto istnieje hierarchia poziomów naprężeń w trzech typach usterek. Uszkodzenia naporowe są generowane przez najwyższe, poślizgi uderzeniowe przez pośrednie, a normalne przez najniższe poziomy naprężeń. Można to łatwo zrozumieć, biorąc pod uwagę kierunek największego naprężenia głównego, kierunek siły, która „popycha” masyw skalny podczas uskoku. W przypadku uskoków normalnych górotwór jest spychany w dół w kierunku pionowym, a więc siła pchająca ( największe naprężenie główne) jest równa ciężarowi samego górotworu. W przypadku napierania górotwór „ucieka” w kierunku najmniejszego naprężenia głównego, czyli w górę, unosząc górotwór, a zatem nadkład równa się najmniejszemu naprężeniu głównemu. Uskoki ślizgowe są pośrednie między pozostałymi dwoma typami opisanymi powyżej. Ta różnica w reżimie naprężeń w trzech środowiskach zwarcia może przyczynić się do różnic w spadku naprężeń podczas zwarcia, co przyczynia się do różnic w wypromieniowanej energii, niezależnie od wymiarów zwarcia.

Trzęsienia ziemi z dala od granic płyt

Porównanie trzęsień ziemi 1985 i 2017 w Meksyku, Puebla i Michoacán / Guerrero

Tam, gdzie granice płyt występują w litosferze kontynentalnej , deformacje są rozłożone na znacznie większym obszarze niż sama granica płyt. W przypadku kontynentalnej transformacji uskoku San Andreas , wiele trzęsień ziemi występuje poza granicami płyt i jest związanych z odkształceniami powstałymi w szerszej strefie deformacji, spowodowanymi dużymi nieregularnościami w przebiegu uskoku (np. obszar „Big Bend”). Trzęsienie ziemi Northridge było związane z ruchem na ślepo w takiej strefie. Innym przykładem jest silnie ukośna, zbieżna granica płyt między płytą arabską i euroazjatycką, gdzie przebiega przez północno-zachodnią część gór Zagros . Odkształcenie związane z tą granicą płyty jest podzielone na prawie czyste ruchy z wyczuciem ciągu prostopadłe do granicy w szerokiej strefie na południowy zachód i prawie czysty ruch poślizgu wzdłuż głównego niedawnego uskoku w pobliżu samej granicy płyty. Świadczą o tym mechanizmy ogniskowe trzęsień ziemi .

Wszystkie płyty tektoniczne mają wewnętrzne pola naprężeń spowodowane ich interakcjami z sąsiednimi płytami oraz ładowaniem lub rozładowywaniem osadów (np. deglacjacja). Naprężenia te mogą być wystarczające do spowodowania awarii wzdłuż istniejących płaszczyzn uskoków, powodując powstanie wewnątrzpłytowych trzęsień ziemi.

Trzęsienia ziemi o płytkim i głębokim ognisku

Zawalony budynek Gran Hotel w metropolii San Salvador , po płytkim trzęsieniu ziemi w San Salvador w 1986 r .

Większość tektonicznych trzęsień ziemi ma swój początek w kręgu ognia na głębokościach nieprzekraczających kilkudziesięciu kilometrów. Trzęsienia ziemi występujące na głębokości mniejszej niż 70 km (43 mil) są klasyfikowane jako trzęsienia ziemi „płytko-ogniskowe”, podczas gdy te o ogniskowej między 70 a 300 km (43 i 186 mil) są powszechnie określane jako „średnie skupienie” lub trzęsienia ziemi o „średniej głębokości”. W strefach subdukcji , gdzie starsza i zimniejsza skorupa oceaniczna schodzi pod inną płytę tektoniczną, głębokie trzęsienia ziemi mogą wystąpić na znacznie większych głębokościach (w zakresie od 300 do 700 km (190 do 430 mil)). Te aktywne sejsmicznie obszary subdukcji znane są jako strefy Wadati-Benioffa . Trzęsienia ziemi o głębokim ogniskowaniu występują na głębokości, na której subdukowana litosfera nie powinna już być krucha ze względu na wysoką temperaturę i ciśnienie. Możliwym mechanizmem powstawania trzęsień ziemi o głębokim ognisku są uskoki spowodowane przejściem fazowym oliwinu w strukturę spinelową .

Trzęsienia ziemi i aktywność wulkaniczna

Trzęsienia ziemi często występują w rejonach wulkanicznych i są tam powodowane zarówno przez uskoki tektoniczne , jak i ruch magmy w wulkanach . Takie trzęsienia ziemi mogą służyć jako wczesne ostrzeżenie przed erupcjami wulkanów, na przykład podczas erupcji Mount St. Helens w 1980 roku . Roje trzęsień ziemi mogą służyć jako znaczniki lokalizacji przepływającej magmy w wulkanach. Te roje mogą być rejestrowane przez sejsmometry i przechyły (urządzenie mierzące nachylenie gruntu) i wykorzystywane jako czujniki do przewidywania zbliżających się lub nadchodzących erupcji.

Dynamika pękania

Trzęsienie ziemi tektoniczne rozpoczyna się od początkowego pęknięcia w punkcie na powierzchni uskoku, procesu znanego jako zarodkowanie. Skala strefy zarodkowania jest niepewna, a niektóre dowody, takie jak wymiary pęknięcia najmniejszych trzęsień ziemi, sugerują, że jest ona mniejsza niż 100 m (330 stóp), podczas gdy inne dowody, takie jak powolna składowa ujawniana przez widma o niskiej częstotliwości niektórych trzęsień ziemi sugerują, że jest większy. Możliwość, że zarodkowanie obejmuje jakiś proces przygotowawczy, jest poparta obserwacją, że około 40% trzęsień ziemi poprzedzają wstrząsy wstępne. Po zainicjowaniu pęknięcia zaczyna się ono rozprzestrzeniać wzdłuż powierzchni uskoku. Mechanika tego procesu jest słabo poznana, częściowo dlatego, że trudno jest odtworzyć duże prędkości poślizgu w laboratorium. Ponadto skutki silnego ruchu gruntu bardzo utrudniają rejestrowanie informacji w pobliżu strefy zarodkowania.

Propagacja pęknięcia jest ogólnie modelowana przy użyciu podejścia opartego na mechanice pękania , porównując pęknięcie do propagującego się pęknięcia ścinanego w trybie mieszanym. Prędkość pękania jest funkcją energii pękania w objętości wokół wierzchołka pęknięcia, zwiększającej się wraz ze spadkiem energii pękania. Prędkość propagacji pęknięcia jest o rzędy wielkości większa niż prędkość przemieszczania się przez uskok. Pęknięcia związane z trzęsieniami ziemi zazwyczaj rozchodzą się z prędkością w zakresie 70-90% prędkości fali S, która jest niezależna od wielkości trzęsienia ziemi. Wydaje się, że niewielki podzbiór pęknięć związanych z trzęsieniami ziemi rozprzestrzenił się z prędkością większą niż prędkość fali S. Wszystkie te trzęsienia ziemi z mocą ścinania zaobserwowano podczas dużych poślizgów uderzeniowych. Niezwykle szeroka strefa zniszczeń kosejsmicznych spowodowanych przez trzęsienie ziemi w Kunlun w 2001 r . została przypisana skutkom wybuchu dźwiękowego, który powstał podczas takich trzęsień ziemi. Niektóre pęknięcia podczas trzęsień ziemi przemieszczają się z niezwykle małą prędkością i są określane jako powolne trzęsienia ziemi . Szczególnie niebezpieczną formą powolnego trzęsienia ziemi jest trzęsienie ziemi tsunami , obserwowane, gdy stosunkowo niskie odczuwane intensywności, spowodowane powolną prędkością propagacji niektórych wielkich trzęsień ziemi, nie są w stanie zaalarmować ludności sąsiedniego wybrzeża, jak w przypadku trzęsienia ziemi w Sanriku w 1896 roku .

Nadciśnienie kosejsmiczne i wpływ ciśnienia porowego

Podczas trzęsienia ziemi w płaszczyźnie uskoku mogą powstać wysokie temperatury, co powoduje wzrost ciśnienia w porach, co skutkuje parowaniem wody gruntowej już zawartej w skale. W fazie kosejsmicznej taki wzrost może znacząco wpłynąć na ewolucję i prędkość poślizgu, a ponadto w fazie postsejsmicznej może kontrolować sekwencję wstrząsu wtórnego , ponieważ po głównym zdarzeniu wzrost ciśnienia porowego powoli rozprzestrzenia się na otaczającą sieć szczelin. Z punktu widzenia teorii wytrzymałości Mohra-Coulomba wzrost ciśnienia płynu zmniejsza normalne naprężenie działające na płaszczyznę uskoku, która utrzymuje go w miejscu, a płyny mogą wywierać działanie smarujące. Ponieważ nadciśnienie termiczne może dawać dodatnie sprzężenie zwrotne między poślizgiem a spadkiem siły na płaszczyźnie uskoku, powszechna opinia jest taka, że ​​może to zwiększyć niestabilność procesu powstawania uskoków. Po głównym wstrząsie gradient ciśnienia między płaszczyzną uskoku a sąsiednią skałą powoduje przepływ płynu, który zwiększa ciśnienie porowe w okolicznych sieciach szczelin; taki wzrost może wywołać nowe procesy uskokowe poprzez reaktywację sąsiednich uskoków, powodując wstrząsy wtórne. Analogicznie, sztuczny wzrost ciśnienia porowego, spowodowany wtryskiem płynu do skorupy ziemskiej, może wywołać sejsmiczność .

Siły pływowe

Pływy mogą wywoływać pewną sejsmiczność .

Gromady trzęsień ziemi

Większość trzęsień ziemi stanowi część sekwencji powiązanych ze sobą pod względem lokalizacji i czasu. Większość skupisk trzęsień ziemi składa się z niewielkich wstrząsów, które powodują niewielkie lub żadne szkody, ale istnieje teoria, że ​​trzęsienia ziemi mogą powtarzać się w regularny sposób.

Wstrząsy wtórne

Wielkość trzęsień ziemi w środkowych Włoszech z sierpnia i października 2016 r. oraz stycznia 2017 r. oraz wstrząsów wtórnych (które nadal występowały po okresie pokazanym tutaj)

Wstrząs wtórny to trzęsienie ziemi, które ma miejsce po poprzednim trzęsieniu ziemi, wstrząsie głównym. Gwałtowne zmiany naprężeń między skałami i naprężenia z pierwotnego trzęsienia ziemi są głównymi przyczynami tych wstrząsów wtórnych, wraz ze skorupą wokół pękniętej płaszczyzny uskoku, która dostosowuje się do skutków głównego wstrząsu. Wstrząs wtórny znajduje się w tym samym regionie co główny wstrząs, ale zawsze o mniejszej sile, jednak wciąż może być wystarczająco silny, aby spowodować jeszcze większe uszkodzenia w budynkach, które zostały już wcześniej uszkodzone w wyniku pierwotnego trzęsienia. Jeśli wstrząs wtórny jest większy niż wstrząs główny, wstrząs wtórny zostaje przemianowany na wstrząs główny, a pierwotny amortyzator główny zostaje przemianowany na wstrząs wstępny . Wstrząsy wtórne powstają, gdy skorupa wokół przemieszczonej płaszczyzny uskoku dostosowuje się do skutków wstrząsu głównego.

Roje trzęsień ziemi

Roje trzęsień ziemi to sekwencje trzęsień ziemi uderzających w określony obszar w krótkim okresie. Różnią się one od trzęsień ziemi, po których następuje seria wstrząsów wtórnych , tym, że żadne pojedyncze trzęsienie ziemi w sekwencji nie jest oczywiście głównym wstrząsem, więc żadne nie ma zauważalnie większej siły niż inne. Przykładem roju trzęsień ziemi jest działalność w 2004 roku w Parku Narodowym Yellowstone . W sierpniu 2012 r. rój trzęsień ziemi wstrząsnął Imperial Valley w południowej Kalifornii , wykazując największą aktywność na tym obszarze od lat 70. XX wieku.

Czasami podczas tak zwanej burzy trzęsień ziemi dochodzi do serii trzęsień ziemi , podczas których trzęsienia ziemi uderzają w uskoki w skupiskach, z których każde jest wywołane przez wstrząsy lub redystrybucję naprężeń poprzednich trzęsień ziemi. Podobne do wstrząsów wtórnych , ale na sąsiednich odcinkach uskoków, burze te występują na przestrzeni lat, a niektóre z późniejszych trzęsień ziemi są tak samo niszczące jak te wczesne. Taki wzór zaobserwowano w sekwencji około tuzina trzęsień ziemi, które nawiedziły uskok północnoanatolijski w Turcji w XX wieku i został wywnioskowany dla starszych anomalnych skupisk dużych trzęsień ziemi na Bliskim Wschodzie.

Intensywność trzęsień ziemi i wielkość trzęsień ziemi

Trzęsienie lub drżenie ziemi jest zjawiskiem powszechnym, niewątpliwie znanym człowiekowi od najdawniejszych czasów. Przed opracowaniem akcelerometrów o silnym ruchu , które mogą bezpośrednio mierzyć szczytową prędkość i przyspieszenie, intensywność trzęsienia ziemi była szacowana na podstawie obserwowanych efektów, podzielonych na różne skale intensywności sejsmicznej . Dopiero w ostatnim stuleciu zidentyfikowano źródło takich wstrząsów jako pęknięcia w skorupie ziemskiej, przy czym intensywność wstrząsów w dowolnym miejscu zależy nie tylko od lokalnych warunków gruntowych, ale także od siły lub wielkości pęknięcia i jego dystans.

Pierwsza skala do pomiaru wielkości trzęsień ziemi została opracowana przez Charlesa F. Richtera w 1935 roku. Kolejne skale (patrz skale wielkości sejsmicznych ) zachowały kluczową cechę, w której każda jednostka reprezentuje dziesięciokrotną różnicę w amplitudzie wstrząsów i 32 -krotna różnica energii. Kolejne skale są również dostosowywane tak, aby miały w przybliżeniu taką samą wartość liczbową w granicach skali.

Chociaż środki masowego przekazu powszechnie podają wielkości trzęsień ziemi jako „wielkość Richtera” lub „w skali Richtera”, standardową praktyką większości autorytetów sejsmologicznych jest wyrażanie siły trzęsienia ziemi w skali chwilowej , która jest oparta na rzeczywistej energii uwolnionej przez trzęsienie ziemi.

Częstotliwość występowania

Szacuje się, że każdego roku dochodzi do około 500 000 trzęsień ziemi, które można wykryć za pomocą obecnego oprzyrządowania. Około 100 000 z nich można odczuć. Niewielkie trzęsienia ziemi występują niemal nieustannie na całym świecie w takich miejscach jak Kalifornia i Alaska w USA, a także w Salwadorze, Meksyku, Gwatemali, Chile, Peru, Indonezji, Filipinach, Iranie, Pakistanie, na Azorach w Portugalii, Turcji i Nowej Zelandii. Zelandia, Grecja, Włochy, Indie, Nepal i Japonia. Większe trzęsienia ziemi występują rzadziej, a zależność jest wykładnicza ; na przykład w danym okresie występuje około dziesięciu razy więcej trzęsień ziemi o sile ponad 4 niż trzęsień ziemi o magnitudzie 5. Na przykład w Wielkiej Brytanii (o niskiej sejsmiczności) obliczono, że średnie nawroty to: trzęsienie ziemi 3,7-4,6 rocznie, trzęsienie ziemi o sile 4,7-5,5 co 10 lat i trzęsienie ziemi o sile 5,6 lub większe co 100 lat. Jest to przykład prawa Gutenberga-Richtera .

Trzęsienie ziemi i tsunami w Mesynie pochłonęły aż 200 000 istnień ludzkich 28 grudnia 1908 r. na Sycylii i Kalabrii .

Liczba stacji sejsmicznych wzrosła z około 350 w 1931 roku do wielu tysięcy obecnie. W rezultacie zgłaszanych jest znacznie więcej trzęsień ziemi niż w przeszłości, ale jest to spowodowane ogromną poprawą oprzyrządowania, a nie wzrostem liczby trzęsień ziemi. The United States Geological Survey szacuje, że od 1900 r. miało miejsce średnio 18 poważnych trzęsień ziemi (o sile 7,0–7,9) i jedno wielkie (o sile 8,0 lub większej) rocznie i że średnia ta była stosunkowo stabilna. W ostatnich latach liczba poważnych trzęsień ziemi rocznie spadła, chociaż jest to prawdopodobnie raczej statystyczna fluktuacja niż systematyczny trend. Bardziej szczegółowe statystyki dotyczące wielkości i częstotliwości trzęsień ziemi są dostępne w United States Geological Survey (USGS). Odnotowano niedawny wzrost liczby poważnych trzęsień ziemi, co można wytłumaczyć cyklicznością okresów intensywnej aktywności tektonicznej, przeplatanych dłuższymi okresami o niskiej intensywności. Jednak dokładne rejestracje trzęsień ziemi rozpoczęły się dopiero na początku XX wieku, więc jest zbyt wcześnie, aby kategorycznie stwierdzić, że tak jest.

Większość światowych trzęsień ziemi (90% i 81% największych) ma miejsce w długiej na 40 000 km (25 000 mil) strefie w kształcie podkowy zwanej pasem sejsmicznym wokół Pacyfiku, znanym jako Pacyficzny Pierścień Ognia . który w większości ogranicza płytę Pacyfiku . Masywne trzęsienia ziemi mają tendencję do występowania również wzdłuż innych granic płyt, na przykład wzdłuż Himalajów .

Wraz z szybkim rozwojem megamiast, takich jak Meksyk, Tokio i Teheran, na obszarach o wysokim ryzyku sejsmicznym , niektórzy sejsmolodzy ostrzegają, że pojedyncze trzęsienie ziemi może spowodować śmierć nawet trzech milionów ludzi.

Sejsmiczność indukowana

Podczas gdy większość trzęsień ziemi jest spowodowana ruchem płyt tektonicznych Ziemi , działalność człowieka może również powodować trzęsienia ziemi. Działania zarówno na powierzchni, jak i pod ziemią mogą zmienić naprężenia i odkształcenia skorupy, w tym budować zbiorniki, wydobywać zasoby, takie jak węgiel lub ropa, oraz wstrzykiwać płyny pod ziemię w celu usunięcia odpadów lub szczelinowania . Większość z tych trzęsień ziemi ma niewielkie rozmiary. Uważa się, że trzęsienie ziemi w stanie Oklahoma o sile 5,7 stopnia w 2011 r. zostało spowodowane odprowadzaniem ścieków z produkcji ropy do szybów wstrzykiwania , a badania wskazują, że przyczyną innych trzęsień ziemi w ubiegłym stuleciu był stan przemysłu naftowego. Artykuł z Columbia University sugerował, że trzęsienie ziemi o sile 8,0 w 2008 roku w Syczuanie zostało wywołane ładunkiem z tamy Zipingpu , chociaż związek ten nie został jednoznacznie udowodniony.

Pomiar i lokalizacja trzęsień ziemi

Skale instrumentalne używane do opisywania rozmiarów trzęsienia ziemi rozpoczęły się od skali Richtera w latach 30. XX wieku. Jest to stosunkowo prosty pomiar amplitudy zdarzenia, a jego wykorzystanie w XXI wieku stało się minimalne. Fale sejsmiczne przechodzą przez wnętrze Ziemi i mogą być rejestrowane przez sejsmometry z dużych odległości. Wielkość fali powierzchniowej została opracowana w latach 50. XX wieku jako środek do pomiaru odległych trzęsień ziemi i poprawy dokładności w przypadku większych zdarzeń. Skala wielkości momentu nie tylko mierzy amplitudę wstrząsu, ale także uwzględnia moment sejsmiczny (całkowity obszar pęknięcia, średni poślizg uskoku i sztywność skały). Skala intensywności sejsmicznej Japan Meteorological Agency , skala Miedwiediewa-Sponheuera-Karnika oraz skala intensywności Mercalliego opierają się na zaobserwowanych efektach i są związane z intensywnością wstrząsów.

Każde wstrząsy wytwarzają różne rodzaje fal sejsmicznych, które przemieszczają się przez skały z różnymi prędkościami:

Prędkość propagacji fal sejsmicznych przez litą skałę waha się od ok. 3 km/s (1,9 mi/s) do 13 km/s (8,1 mi/s), w zależności od gęstości i elastyczności medium. We wnętrzu Ziemi fale uderzeniowe lub fale P rozchodzą się znacznie szybciej niż fale S (w przybliżeniu relacja 1,7:1). Różnice w czasie podróży z epicentrum do obserwatorium są miarą odległości i mogą być wykorzystane do zobrazowania zarówno źródeł trzęsień, jak i struktur na Ziemi. Ponadto można z grubsza obliczyć głębokość hipocentrum .

W górnej skorupie fale P przemieszczają się w zakresie 2-3 km (1,2-1,9 mil) na sekundę (lub niżej) w glebach i nieskonsolidowanych osadach, wzrastając do 3-6 km (1,9-3,7 mil) na sekundę w stanie stałym głaz. W dolnej skorupie podróżują z prędkością około 6-7 km (3,7-4,3 mil) na sekundę; prędkość wzrasta w głębokim płaszczu do około 13 km (8,1 mil) na sekundę. Prędkość fal S waha się od 2-3 km (1,2-1,9 mil) na sekundę w lekkich osadach i 4-5 km (2,5-3,1 mil) na sekundę w skorupie ziemskiej do 7 km (4,3 mil) na sekundę w głębokim płaszczu. W konsekwencji pierwsze fale odległego trzęsienia ziemi docierają do obserwatorium przez płaszcz Ziemi.

Średnio kilometrowa odległość do trzęsienia ziemi to liczba sekund między czasami fali P i S 8 . Niewielkie odchylenia spowodowane są niejednorodnością struktury podpowierzchniowej. Dzięki takim analizom sejsmogramów jądro Ziemi zostało zlokalizowane w 1913 roku przez Beno Gutenberga .

Fale S i później nadchodzące fale powierzchniowe powodują większość szkód w porównaniu z falami P. Fale P ściskają i rozszerzają materiał w tym samym kierunku, w którym poruszają się, podczas gdy fale S wstrząsają gruntem w górę iw dół oraz w przód iw tył.

Trzęsienia ziemi są klasyfikowane nie tylko według ich wielkości, ale także według miejsca ich wystąpienia. Świat jest podzielony na 754 regiony Flinn-Engdahl (regiony FE), które opierają się na granicach politycznych i geograficznych oraz aktywności sejsmicznej. Bardziej aktywne strefy są podzielone na mniejsze regiony FE, podczas gdy mniej aktywne strefy należą do większych regionów FE.

Standardowe raportowanie trzęsień ziemi obejmuje jego wielkość , datę i godzinę wystąpienia, współrzędne geograficzne epicentrum , głębokość epicentrum, region geograficzny, odległości do skupisk ludności, niepewność lokalizacji, kilka parametrów, które są uwzględniane w raportach trzęsień ziemi USGS (liczba raportowanych stacji , liczba obserwacji itp.) oraz unikalny identyfikator zdarzenia.

Chociaż do wykrywania trzęsień ziemi tradycyjnie wykorzystywane są stosunkowo powolne fale sejsmiczne, w 2016 roku naukowcy zdali sobie sprawę, że pomiary grawitacyjne mogą zapewnić natychmiastowe wykrywanie trzęsień ziemi, i potwierdzili to, analizując zapisy grawitacyjne związane z trzęsieniem ziemi w Tohoku-Oki („Fukushima”) z 2011 roku.

Skutki trzęsień ziemi

Miedzioryt z 1755 r. przedstawiający Lizbonę w ruinach i płomieniach po trzęsieniu ziemi w Lizbonie w 1755 r ., które zabiło około 60 000 osób. Statki w porcie ogarnia tsunami .

Skutki trzęsień ziemi obejmują między innymi:

Wstrząsanie i pękanie ziemi

Uszkodzone budynki w Port-au-Prince , Haiti , styczeń 2010.

Wstrząsy i pęknięcia gruntu to główne skutki trzęsień ziemi, powodujące głównie mniej lub bardziej poważne uszkodzenia budynków i innych sztywnych konstrukcji. Nasilenie skutków lokalnych zależy od złożonej kombinacji wielkości trzęsienia ziemi , odległości od epicentrum oraz lokalnych warunków geologicznych i geomorfologicznych, które mogą wzmacniać lub zmniejszać propagację fal . Trzęsienie ziemi jest mierzone przez przyspieszenie gruntu .

Specyficzne lokalne cechy geologiczne, geomorfologiczne i geostrukturalne mogą wywoływać silne wstrząsy na powierzchni ziemi nawet w przypadku trzęsień ziemi o niskiej intensywności. Efekt ten nazywa się wzmocnieniem miejscowym lub lokalnym. Wynika to przede wszystkim z przeniesienia ruchu sejsmicznego z twardych gleb głębokich na miękkie grunty powierzchniowe oraz efektów ogniskowania energii sejsmicznej dzięki typowemu geometrycznemu ustawieniu osadów.

Pęknięcie gruntu to widoczne przerwanie i przemieszczenie powierzchni Ziemi wzdłuż śladu uskoku, które w przypadku większych trzęsień ziemi może być rzędu kilku metrów. Pęknięcie gruntu jest poważnym zagrożeniem dla dużych konstrukcji inżynierskich, takich jak tamy , mosty i elektrownie jądrowe i wymaga starannego odwzorowania istniejących usterek w celu zidentyfikowania tych, które mogą uszkodzić powierzchnię gruntu w okresie eksploatacji konstrukcji.

Upłynnianie gleby

Do upłynniania gleby dochodzi, gdy z powodu wstrząsów materiał ziarnisty nasycony wodą (taki jak piasek) chwilowo traci swoją wytrzymałość i przechodzi ze stanu stałego w ciecz. Upłynnienie gleby może powodować przechylanie się lub zapadanie sztywnych konstrukcji, takich jak budynki i mosty w upłynnionych osadach. Na przykład podczas trzęsienia ziemi na Alasce w 1964 r . upłynnienie gleby spowodowało, że wiele budynków zapadło się w ziemię, a ostatecznie zawaliło się na siebie.

Wpływ człowieka

Ruiny wieży Għajn Ħadid , która zawaliła się podczas trzęsienia ziemi w 1856 r.

Trzęsienie ziemi może spowodować obrażenia i utratę życia, uszkodzenia dróg i mostów, ogólne uszkodzenia mienia oraz zawalenie się lub destabilizację (potencjalnie prowadzącą do zawalenia się w przyszłości) budynków. Następstwa mogą skutkować chorobami, brakiem podstawowych potrzeb, psychicznymi konsekwencjami, takimi jak ataki paniki, depresja dla ocalałych i wyższe składki ubezpieczeniowe.

Osuwiska

Trzęsienia ziemi mogą powodować niestabilność zboczy, prowadzącą do osuwisk, co jest poważnym zagrożeniem geologicznym. Niebezpieczeństwo osunięcia się ziemi może utrzymywać się, gdy personel ratunkowy próbuje ratować.

Pożary

Pożary trzęsienia ziemi w San Francisco z 1906 r .

Trzęsienia ziemi mogą powodować pożary, uszkadzając linie energetyczne lub gazowe. W przypadku pęknięcia sieci wodociągowej i utraty ciśnienia może być również trudne powstrzymanie rozprzestrzeniania się pożaru po jego wybuchu. Na przykład podczas trzęsienia ziemi w San Francisco w 1906 r. więcej zgonów spowodował ogień niż samo trzęsienie ziemi.

Tsunami

Tsunami trzęsienia ziemi na Oceanie Indyjskim w 2004 r .

Tsunami to fale morskie o długiej długości fali, powstające w wyniku nagłego lub gwałtownego ruchu dużych ilości wody — również w przypadku trzęsienia ziemi na morzu . Na otwartym oceanie odległość między grzbietami fal może przekraczać 100 kilometrów (62 mil), a okresy fal mogą wahać się od pięciu minut do godziny. Takie tsunami podróżuje 600-800 kilometrów na godzinę (373-497 mil na godzinę), w zależności od głębokości wody. Duże fale wywołane trzęsieniem ziemi lub osunięciem się ziemi podwodnej mogą pokonać pobliskie obszary przybrzeżne w ciągu kilku minut. Tsunami może również podróżować tysiące kilometrów przez otwarte oceany i siać zniszczenie na odległych wybrzeżach kilka godzin po trzęsieniu ziemi, które je wywołało.

Trzęsienia ziemi o sile subdukcji o sile 7,5 stopnia zwykle nie powodują tsunami, chociaż odnotowano kilka takich przypadków. Większość niszczycielskich tsunami jest powodowana przez trzęsienia ziemi o sile 7,5 lub większej.

Powodzie

Powodzie mogą być wtórnymi skutkami trzęsień ziemi, jeśli zapory są uszkodzone. Trzęsienia ziemi mogą powodować osuwanie się ziemi w rzekach, które zapadają się i powodują powodzie.

Teren pod jeziorem Sarez w Tadżykistanie jest zagrożony katastrofalną powodzią, jeśli zapora utworzona przez trzęsienie ziemi, znana jako Tama Usoi , ulegnie awarii podczas przyszłego trzęsienia ziemi. Prognozy oddziaływania sugerują, że powódź może dotknąć około 5 milionów ludzi.

Poważne trzęsienia ziemi

Trzęsienia ziemi (M6.0+) od 1900 do 2017
Trzęsienia ziemi o sile 8,0 i większej od 1900 do 2018 roku. Pozorne objętości 3D baniek są liniowo proporcjonalne do ich ofiar śmiertelnych.

Jednym z najbardziej niszczycielskich trzęsień ziemi w historii było trzęsienie ziemi w Shaanxi z 1556 roku , które miało miejsce 23 stycznia 1556 roku w Shaanxi w Chinach. Zginęło ponad 830.000 osób. Większość domów w okolicy to yaodongs — domy wyrzeźbione w lessowych zboczach wzgórz — a wiele ofiar zginęło, gdy te struktury się zawaliły. Trzęsienie ziemi w Tangshan w 1976 roku , w którym zginęło od 240 000 do 655 000 osób, było najbardziej śmiercionośne w XX wieku.

Trzęsienie ziemi w Chile z 1960 r . jest największym trzęsieniem ziemi, jakie zmierzono za pomocą sejsmografu, osiągając 9,5 magnitudo 22 maja 1960 r. Jego epicentrum znajdowało się w pobliżu Cañete w Chile. Uwolniona energia była w przybliżeniu dwukrotnie większa niż w przypadku kolejnego najsilniejszego trzęsienia ziemi, trzęsienia ziemi w Wielki Piątek (27 marca 1964 r.), które było skoncentrowane w Prince William Sound na Alasce. Dziesięć największych zarejestrowanych trzęsień ziemi to trzęsienia ziemi z naporem olbrzymiego naporu ; jednak z tych dziesięciu tylko trzęsienie ziemi na Oceanie Indyjskim w 2004 r . jest jednocześnie jednym z najbardziej śmiertelnych trzęsień ziemi w historii.

Trzęsienia ziemi, które spowodowały największą utratę życia, choć potężne, były śmiertelne ze względu na bliskość gęsto zaludnionych obszarów lub oceanu, gdzie trzęsienia ziemi często powodują tsunami , które mogą niszczyć społeczności oddalone o tysiące kilometrów. Regiony najbardziej narażone na wielką utratę życia to te, w których trzęsienia ziemi są stosunkowo rzadkie, ale silne, oraz biedne regiony z luźnymi, nieegzekwowanymi lub nieistniejącymi sejsmicznymi przepisami budowlanymi.

Przepowiednia

Przewidywanie trzęsień ziemi to dziedzina nauki, sejsmologia , zajmująca się określaniem czasu, miejsca i wielkości przyszłych trzęsień ziemi w określonych granicach. Opracowano wiele metod przewidywania czasu i miejsca wystąpienia trzęsień ziemi. Pomimo znacznych wysiłków badawczych podejmowanych przez sejsmologów , naukowo powtarzalnych prognoz nie można jeszcze poczynić co do konkretnego dnia lub miesiąca.

Prognozowanie

Chociaż prognozowanie jest zwykle uważane za rodzaj przewidywania , prognozowanie trzęsień ziemi często różni się od przewidywania trzęsień ziemi . Prognozowanie trzęsień ziemi dotyczy probabilistycznej oceny ogólnego zagrożenia trzęsieniami ziemi, w tym częstotliwości i wielkości niszczących trzęsień ziemi na danym obszarze na przestrzeni lat lub dziesięcioleci. W przypadku dobrze zrozumianych usterek można oszacować prawdopodobieństwo pęknięcia segmentu w ciągu najbliższych kilkudziesięciu lat.

Opracowano systemy ostrzegania o trzęsieniu ziemi, które mogą dostarczać regionalne powiadomienia o trwającym trzęsieniu ziemi, ale zanim powierzchnia ziemi zacznie się poruszać, potencjalnie umożliwiając ludziom w zasięgu systemu szukanie schronienia, zanim uderzenie trzęsienia ziemi będzie odczuwalne.

Gotowość

Celem inżynierii trzęsień ziemi jest przewidywanie wpływu trzęsień ziemi na budynki i inne konstrukcje oraz projektowanie takich konstrukcji w celu zminimalizowania ryzyka uszkodzenia. Istniejące konstrukcje można modyfikować poprzez modernizację sejsmiczną , aby poprawić ich odporność na trzęsienia ziemi. Ubezpieczenie od trzęsień ziemi może zapewnić właścicielom budynków ochronę finansową przed stratami wynikającymi z trzęsień ziemi. Strategie zarządzania kryzysowego mogą być stosowane przez rząd lub organizację w celu ograniczenia ryzyka i przygotowania się na konsekwencje.

Sztuczna inteligencja może pomóc w ocenie budynków i planowaniu działań zapobiegawczych: system ekspercki Igor jest częścią mobilnego laboratorium, które wspiera procedury prowadzące do oceny sejsmicznej budynków murowanych i planowania na nich prac modernizacyjnych. Został z powodzeniem zastosowany do oceny budynków w Lizbonie , Rodos , Neapolu .

Osoby mogą również podjąć kroki przygotowawcze, takie jak zabezpieczenie podgrzewaczy wody i ciężkich przedmiotów, które mogą kogoś zranić, zlokalizowanie odcięcia mediów i pouczenie o tym, co zrobić, gdy zacznie się trząść. W przypadku obszarów w pobliżu dużych zbiorników wodnych gotowość na trzęsienie ziemi obejmuje możliwość wystąpienia tsunami spowodowanego przez duże trzęsienie ziemi.

Historyczne widoki

Obraz z księgi z 1557 r. przedstawiający trzęsienie ziemi we Włoszech w IV wieku p.n.e.

Od czasów greckiego filozofa Anaksagorasa w V wieku p.n.e. do XIV wieku ne trzęsienia ziemi zwykle przypisywano „powietrzu (oparom) we wnękach Ziemi”. Tales z Miletu (625-547 p.n.e.) był jedyną udokumentowaną osobą, która wierzyła, że ​​trzęsienia ziemi były spowodowane napięciem między ziemią a wodą. Istniały inne teorie, w tym przekonania greckiego filozofa Anaxaminesa (585-526 pne), że krótkie epizody pochylenia suchości i wilgoci powodują aktywność sejsmiczną. Grecki filozof Demokryt (460-371 p.n.e.) ogólnie obwiniał wodę za trzęsienia ziemi. Pliniusz Starszy nazwał trzęsienia ziemi „podziemnymi burzami”.

Ostatnie badania

W ostatnich badaniach geolodzy twierdzą, że globalne ocieplenie jest jedną z przyczyn zwiększonej aktywności sejsmicznej. Według tych badań topnienie lodowców i podnoszący się poziom mórz zaburzają równowagę ciśnień na płytach tektonicznych Ziemi, powodując w ten sposób wzrost częstotliwości i intensywności trzęsień ziemi.

W kulturze

Mitologia i religia

W mitologii nordyckiej trzęsienia ziemi wyjaśniano jako gwałtowne zmagania boga Lokiego . Kiedy Loki, bóg psot i waśni, zamordował Baldra , boga piękna i światła, został ukarany spętaniem w jaskini z jadowitym wężem umieszczonym nad jego głową ociekającym jadem. Żona Lokiego, Sigyn , stała obok niego z miską, by złapać truciznę, ale za każdym razem, gdy musiała opróżnić miskę, trucizna kapała na twarz Lokiego, zmuszając go do oderwania głowy i uderzania o więzy, co powodowało drżenie ziemi.

W mitologii greckiej Posejdon był przyczyną i bogiem trzęsień ziemi. Kiedy był w złym humorze, uderzał o ziemię trójzębem , powodując trzęsienia ziemi i inne nieszczęścia. Używał również trzęsień ziemi do karania i zadawania ludziom strachu w ramach zemsty.

W mitologii japońskiej Namazu (鯰) to gigantyczny sum , który powoduje trzęsienia ziemi. Namazu żyje w błocie pod ziemią i jest strzeżony przez boga Kashimy , który przytrzymuje rybę kamieniem. Kiedy Kashima zwala z nóg, Namazu miota się, powodując gwałtowne trzęsienia ziemi.

W kulturze popularnej

We współczesnej kulturze popularnej obraz trzęsień ziemi kształtuje pamięć o spustoszonych wielkich miastach, takich jak Kobe w 1995 roku czy San Francisco w 1906 roku . Fikcyjne trzęsienia ziemi zdarzają się nagle i bez ostrzeżenia. Z tego powodu opowieści o trzęsieniach ziemi zazwyczaj zaczynają się od katastrofy i skupiają się na jej bezpośrednim następstwach, jak w Short Walk to Daylight (1972), The Ragged Edge (1968) czy Aftershock: Earthquake in New York (1999). Godnym uwagi przykładem jest klasyczna nowela Heinricha von Kleista Trzęsienie ziemi w Chile , która opisuje zniszczenie Santiago w 1647 roku . Zbiór krótkich powieści Haruki Murakami After the Quake przedstawia konsekwencje trzęsienia ziemi w Kobe w 1995 roku.

Najpopularniejszym pojedynczym trzęsieniem ziemi w fikcji jest hipotetyczne „Wielkie” oczekiwane pewnego dnia w Kalifornii w San Andreas Fault , jak przedstawiono w powieściach Richter 10 (1996), Goodbye California (1977), 2012 (2009) i San Andreas (2015) wśród inne zajęcia. W szeroko antologizowanym opowiadaniu Jacoba M. Appela, Sejsmologia porównawcza , występuje oszustka, która przekonuje starszą kobietę, że nadchodzi apokaliptyczne trzęsienie ziemi.

Współczesne obrazy trzęsień ziemi w filmie różnią się pod względem sposobu, w jaki odzwierciedlają ludzkie reakcje psychologiczne na rzeczywiste traumy, które mogą zostać wyrządzone bezpośrednio dotkniętym rodzinom i ich bliskim. Badania nad reakcjami na zdrowie psychiczne po katastrofach podkreślają potrzebę uświadomienia sobie różnych ról utraty rodziny i kluczowych członków społeczności, utraty domu i znanego otoczenia, utraty podstawowych materiałów i usług w celu utrzymania przetrwania. Szczególnie w przypadku dzieci, wyraźna dostępność opiekujących się dorosłych, którzy są w stanie chronić, odżywiać i ubierać je w następstwie trzęsienia ziemi oraz pomagać im zrozumieć, co ich spotkało, okazała się jeszcze ważniejsza dla ich emocjonalnego i fizycznego zdrowie niż proste dawanie prowiantu. Jak zaobserwowano po innych katastrofach związanych ze zniszczeniem i utratą życia oraz ich przedstawieniami medialnymi, ostatnio zaobserwowanymi podczas trzęsienia ziemi na Haiti w 2010 roku , ważne jest również, aby nie patologizować reakcji na utratę i przemieszczenie lub zakłócenia administracji rządowej i usług, ale raczej potwierdzić te reakcje, aby wspierać konstruktywne rozwiązywanie problemów i refleksję nad tym, jak można poprawić warunki osób dotkniętych chorobą.

Zobacz też

Bibliografia

Źródła

Zewnętrzne linki