Статья: Землетрясение у берегов Суматры

А.Д. Завьялов, доктор физико-математических наук

Событие

Катастрофическое землетрясение в Юго-Восточной Азии произошло в воскресенье 26 декабря 2004 г. в 0 ч 58 мин 53 с по Гринвичскому времени (7 ч 58 мин 53 с по местному), в самый разгар рождественского курортного сезона. Его эпицентр находился в Индийском океане в 250 км к западу от северной оконечности о.Суматра (Индонезия). Очаг землетрясения имел глубину около 30 км и, по всей видимости, располагался в земной коре. Расчетная магнитуда оказалась равной 9. По величине магнитуды оно заняло четвертое место среди землетрясений, зарегистрированных за всю историю инструментальных сейсмических наблюдений, начиная с 1900 г. (табл.1).

Термины и понятия

Несколько слов о том, что же такое землетрясение. Землетрясение — слово русское, и поэтому смысл его ясен — трясение земли. Если быть более точным, то землетрясение — это колебания земной поверхности при прохождении волн от источника, находящегося внутри. По-гречески землетрясение — . Отсюда и название направления в геофизике — сейсмология, изучающая землетрясения, их природу и закономерности распространения.

Тектоническая схема северо-восточной части Индийского океана, на которой показаны эпицентр (желтая звездочка) главного толчка землетрясения 26 декабря 2004 г. и его афтершоки (кружки) первых суток. Стрелки показывают скорости перемещения плит (мм/год). Ломаная линия обозначает зону океанической конвергенции Индийской и Австралийской плит.

Если аккуратно нанести эпицентры всех зарегистрированных хотя бы за один год землетрясений на карту, то окажется, что их распределение по земному шару вполне закономерное. Подавляющее большинство происходит вблизи зон сочленения тектонических плит, слагающих земную кору — твердую оболочку нашей планеты, образуя так называемые сейсмические пояса: Тихоокеанский, Средиземноморский, Анатолийский, Памиро-Байкальский, Срединно-Атлантический и др. Наиболее активен Тихоокеанский. Именно в нем происходят сильнейшие землетрясения нашей планеты. Здесь, на одном из периферийных участков, в зоне сочленения Индийской, Австралийской, Бирманской и Зондской плит и возникло землетрясение 26 декабря 2004 г. Потенциальная энергия для него накопилась в результате движения (скорее, сопротивления движению) Индо-Австралийской плиты в север-северо-восточном направлении со средней скоростью 60—70 мм в год. В этом месте она сталкивается с Бирманской и Зондской плитами, которые мешают горизонтальному перемещению и заставляют ее погружаться в мантийный слой в зоне Зондского желоба.

Распределение землетрясений на планете в 2000 и 2001 г г. по данным Национального центра информации о землетрясениях США (NEIC).

По современным представлениям, землетрясение — следствие возникновения разрыва сплошности горных пород (гигантской трещины) или смещения одного борта относительно другого по уже существующему разрыву в глубинах земных недр. Такой разрыв распространяется, или, как говорят, прорастает со скоростью нескольких километров в секунду, а его борта при этом излучают упругие волны, которые достигают земной поверхности в течение нескольких секунд.

Что же служит причиной землетрясения? Современные геологические, сейсмологические и экспериментальные данные свидетельствуют о том, что землетрясения возникают в результате внезапной разрядки накопленных в области очага будущего события механических напряжений (высвобождение упругой потенциальной энергии). Возникновение напряжений — следствие эволюционного развития Земли как планеты. Энергия в очаге землетрясения снимается и перераспределяется в некотором окружающем разрыв объеме пород. Однако его границы, строго говоря, неопределимы и в сильной степени зависят от строения и напряженно-деформированного состояния земной коры. Не всякий разрыв излучает упругие волны в изучаемом сейсмологией частотном диапазоне (10–3—102 Гц), а лишь распространяющийся со скоростью нескольких километров в секунду.

При очень сильных землетрясениях вызвавшие их разрывы иногда достигают поверхности земли. В таких случаях говорят, что очаг вышел на поверхность. Длина разрывов при самых сильных землетрясениях достигает нескольких сотен километров, относительные смещения его бортов на поверхности (вертикальные или горизонтальные) — нескольких метров, а в некоторых исключительных случаях и нескольких десятков метров. Точка в глубине земли, где началось движение вызвавшего землетрясение разрыва, называется гипоцентром землетрясения, а проекция этой точки на поверхность — эпицентром. Но чаще всего очаг в виде системы разрывов располагается внутри земли, а его положение определяется косвенными методами, по разнице времен прихода в точки наблюдения (как минимум, их должно быть три) различных типов волн.

Для количественной оценки величины землетрясения предлагались разные меры, но самой практичной оказалась шкала магнитуд (M), которая позволяет достаточно просто сравнивать между собой разные землетрясения. Понятие магнитуды было впервые введено в сейсмологическую практику в 1935 г. американским сейсмологом Ч.Ф.Рихтером (1900—1985), который, в свою очередь, заимствовал этот термин из астрономии. Она характеризует величину землетрясения в его очаге (т.е. в глубине земли) и вычисляется на основании измерений амплитуды и периода сейсмических колебаний на сейсмических станциях. Наиболее проста для измерения величины сильных землетрясений магнитуда Ms, вычисляемая по поверхностным волнам:

Ms = lg(A/T) + Blg +, (1)

где A, T — амплитуда и период колебаний в волне,  — расстояние от станции наблюдения до эпицентра землетрясения, B и  — константы, зависящие от условий расположения станции наблюдения.

Применяются магнитуды и других типов, которые вычисляются на основании измерений продольных и поперечных волн при глубоких землетрясениях, при использовании регистрирующей аппаратуры с разными амплитудно-частотными характеристиками, по спектру или длительности колебаний.

Поскольку шкала магнитуд логарифмическая, то увеличение магнитуды на единицу означает десятикратное возрастание амплитуды колебаний (или смещения грунта) в сейсмической (упругой) волне. Нулевая магнитуда не означает отсутствие землетрясения. Так как нуль — логарифм единицы, то такое землетрясение записывается стандартным сейсмографом на расстоянии 100 км с амплитудой 1 мкм (0.001 мм).

Соотношение между магнитудой (М) и энергией (Е) землетрясений.

Шкала магнитуд дает относительную силу землетрясения, но из нее мало что можно узнать о физических свойствах сейсмического источника. Поэтому рассчитывают также общую энергию E излучаемых очагом упругих волн. В первом приближении мы получаем

E = q(A/T)2t, (2)

где t — время прохождения волны через точку регистрации, а коэффициент q учитывает геометрическое расхождение и поглощение энергии на пути от очага до станции наблюдения. Энергетическая характеристика землетрясения в отличие от магнитудной более обоснована физически, но ее прямое вычисление по записям сейсмических волн (сейсмограммам) затруднительно.

Из сопоставления формул (1) и (2) видно, что не должно существовать линейного соответствия между магнитудой и энергией землетрясения. Увеличение магнитуды на 2 единицы соответствует увеличению выделившейся энергии в 1000 раз.

Как отмечалось выше, магнитуда и энергия характеризуют силу землетрясения в очаге. В то же время разрушительные эффекты этого стихийного бедствия проявляются главным образом на поверхности земли. Интенсивность (I) сейсмических колебаний на поверхности исторически определялась шкалой сейсмической интенсивности, которая служит для установления степени воздействия сейсмических волн на земные объекты и для оценки ожидаемых параметров движения грунта при будущих землетрясениях с заданной интенсивностью сотрясений.

В России применяется 12-балльная шкала сейсмической интенсивности MSK-64. Колебания интенсивностью до 4 баллов замечаются даже не всеми жителями и не приводят к разрушениям. Колебания в 5—6 баллов не только ощущаются населением, но приводят к появлению отдельных трещин в постройках; 7-балльное землетрясение уже может характеризоваться как сильное и приводить к разрушениям. Катастрофические землетрясения с интенсивностью сотрясений в 11 и 12 баллов практически полностью разрушают сооружения и изменяют рельеф местности.

Разрушительные 7-балльные колебания наблюдаются обычно при землетрясениях с магнитудой от 5.5 и на небольшом удалении от эпицентра. При сильнейших землетрясениях с магнитудами выше 8 они проявляются даже на расстояниях в 300—500 км от эпицентра. Чем ближе очаг землетрясения к поверхности, тем больше интенсивность колебаний в эпицентральном районе, но в то же время она быстрее убывает с расстоянием. Неслучайно землетрясения интенсивностью до 5 баллов регистрировались на территории Европы, хотя их очаги располагались в Карпатах на глубине более 100 км. Площадь разрушений (S) растет при увеличении магнитуды землетрясения.

Что же произошло? Фактические данные

А теперь снова вернемся к землетрясению 26 декабря 2004 г. Сотрясения, вызванные этим землетрясением, ощущались с силой 8 баллов в провинции Банда-Ачех (северная оконечность о.Суматра), 5 баллов — в провинции Медан (восточное побережье о.Суматра) и 2—4 балла — в различных частях Бангладеш, Индии, Малайзии, Мальдивов, Бирмы, Сингапура, Шри-Ланки и Таиланда. По данным Геофизической службы Российской академии наук, расчетная сила сотрясений в эпицентре землетрясения составила 10—11 баллов. Выделившаяся энергия составила более 1018 Дж. Просадки поверхности и оползни наблюдались на о.Суматра, а 28 декабря, т.е. через два дня после землетрясения, начал извергаться грязевой вулкан на одном из Андаманских о-вов.

Распределение величин смещений в очаговой области землетрясения (по Чен Джи).

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--