Землетрясения усадочные

  Что мы знаем о землетрясениях? Что о землетрясениях говорит официальная наука? В настоящее время принято считать, что Землетрясение - это всякое колебание земной поверхности, вызванное естественными причинами, среди которых основное значение принадлежит тектоническим процессам (перемещениям масс внутри Земли). Это распространенное явление, наблюдаемое на многих участках материков и на дне океанов.

  За год на Земле происходит несколько сотен тысяч землетрясений, т.е. в среднем 1-2 в минуту. Сила их различна; большинство улавливается только высокочувствительными приборами - сейсмографами, другие ощущаются человеком.
Землетрясения можно подразделить на эндогенные (связанные с глубинными процессами) и экзогенные. Эндогенные бывают вулканические (вызванные процессом извержения) и тектонические (обусловленные перемещением вещества в недрах Земли). Экзогенные землетрясения случаются при подземных обвалах, взрывах газов, обвалах скал, ударах метеоритов, падения воды с большой высоты и др.
Каждое землетрясение сопровождается освобождением упругой энергии. И важно определить ее величину.

  Энергия землетрясения колеблется от 1010 до 1025 эрг (Е). 1 дж=107 эрг.
Энергетический класс землетрясения К = lgE (Е в джоулях). Изменяется от 0 до 18.
Магнитуда M = lg A/A*, где А - смещение частиц почвы при данном землетрясении; А* - смещение частиц почвы при эталонном землетрясении.

  Магнитуда изменяется от 0 до 8,8.
Глубинный центр, или очаг землетрясения, называется гипоцентром (в плане округлая или овальная площадь). Область, расположенная на поверхности Земли над гипоцентром, называется эпицентром. Она характеризуется максимальными разрушениями, причем многие предметы здесь смещаются вертикально (подпрыгивают) и трещины в домах располагаются вертикально. Область над очагом называется плейстосейстовой областью.

  При смещении блоков земной коры возникает несколько типов волн.
Продольные волны (Р) - волны сжатия и разрежения среды, следующие попеременно одна за другой со скоростью (в твердых породах) порядка нескольких километров в секунду. Продольные волны - реакция среды на изменение объема; они распространяются с твердых, жидких и газообразных средах. Частицы вещества колеблются в направлении движения волн, т.е. во все стороны от источника колебаний.

  Поперечные волны (S) - результат реакции среды на изменение формы, следовательно, они не могут распространяться в жидких и газообразных средах. Частицы вещества колеблются в направлении, поперечном к направлению движения волн.

  Поверхностные волны, или волны Релея (L) - возникают в особых условиях, именно на границе раздела двух сред, различных по своему агрегатному состоянию (жидкость-газ, твердое тело-газ и т.д.) под воздействием колебаний, приходящих от очага землетрясения к этой границе. Отличаются наименьшей по сравнению с Р и S скоростью распространения (VL=0,9 VS) и быстро затухают, но в эпицентре могут привести к большим повреждениям. В жидкости вызываются силами веса (под действием ветра и т.п.), в твердой среде - упругими силами.

  Землетрясение обычно происходит не в результате единовременного акта на глубине, а вследствие какого-то длительно развивающегося процесса движения материи во внутренних частях земного шара. Обычно за начальным крупным толчком следует цепь более мелких толчков (афтершоков). Время их проявления составляет период землетрясения. Все толчки одного периода исходят из общего гипоцентра, который иногда в процессе развития может смещаться, а вместе с ним и эпицентр.
Основное различие между сильным и слабым землетрясением заключается не в величине напряжения (оно представляет предельное напряжение для среды и, в основном, оно постоянно), а в сечении разрыва и охватываемом объеме масс очага.
Интенсивность  землетрясения - внешний эффект его, т.е. проявление на поверхности Земли. Измеряется в баллах. В России (как и раньше в СССР) принята 12-балльная шкала интенсивности.

  Эпицентры землетрясений расположены по поверхности земного шара закономерно. Основная масса землетрясений (около 90%) располагаются в двух узких сейсмических поясах, окаймляющих земной шар.

  Тихоокеанский пояс протягивается вдоль восточного побережья Азии, к северу и востоку от Австралии, вдоль западного побережья Америки (68% всех землетрясений, особенно в Японии и на Филиппинах).

  Средиземноморский пояс охватывает острова Зеленого Мыса - Португалию - Средиземное и Черное моря - Малую Азию - Гималаи - Индонезию с боковой ветвью в сторону Центрального Китая. С этим поясом связан 21% землетрясений.
В России основными сейсмическими районами являются Кавказ, район Байкала, Камчатка, Курильские острова.

  За пределами указанных двух поясов за последние 100 лет совершилось не более 11% всех землетрясений. Очаги землетрясений есть и в средней части Атлантического океана - от Шпицбергена через Исландию до о-ва Буве в южной части Атлантического океана. Небольшие пояса - от р. Нил через область Великих озер Африки; вдоль Урала и др.

  Как правило, землетрясения происходят в областях наиболее резкого колебания высот рельефа, т.е. там, где горы чередуются с впадинами. Области же больших равнин (Восточно-Европейской, Западно-Сибирской и др.) являются асейсмичными. Это объясняется тектонически. Участки с расчлененным рельефом связаны со значительными проявлениями тектонических напряжений, а равнины относятся к платформам, т.е. устойчивым областям. Области проявления землетрясений в основном совпадают с областями вулканизма. Замечено, что в одних случаях землетрясения как бы оживляли вулканическую деятельность, а в других - извержения вулканов прекращались после землетрясения. Например, после Лиссабонского землетрясения перестал действовать Везувий. Все это свидетельствует об их связи, общности процессов движения вещества в подкоровом слое.

  На Земле в год происходит примерно одно катастрофическое землетрясение, около 100 разрушительных и около 1 млн. ощутимых в населенной местности (по Б.Гутенбергу и Ч.Рихтеру).

  Причины землетрясений окончательно не ясны. Землетрясения зарождаются в различных частях земной коры и в подкоровом слое, в условиях твердой среды. Большинство ученых считает, что причины землетрясений - смещения на глубине в веществе Земли, связанные или с моментальным сдвигом, со скольжением, или с кручением вещества. Это доказывается тем, что гипоцентры землетрясений расположены вдоль плоскостей ранее существовавших разрывов земной коры (разлом Сан-Андреас, зона на юге Крыма и др.). Вдоль берегов Охотского моря также имеется такая зона. Плоскости этих разломов обычно наклонены в сторону суши. Области суши по ним движутся в сторону моря. Эти движения вызывают напряжения, с которыми связываются повторные разрывы, которые и вызывают землетрясения.

  Гипотеза разрывного происхождения землетрясений доказывается тем, что в целом ряде землетрясений поперечные волны, образующиеся при сдвигах, оказываются более интенсивными, чем волны продольные. В случае простого сжатия и растяжения вещества без разрыва продольные волны были бы более сильными.

  Выяснению причин землетрясений способствует анализ сейсмограмм. Разрабатываемая аппаратура позволяет раздельно изучать продольные и поперечные волны, что очень важно.
            
  Итак, наукой объясняется землетрясение:
  Как всякое колебание земной поверхности, вызванное естественными причинами, среди которых основное значение принадлежит  тектоническим процессам (перемещения масс внутри Земли). Это распространенное явление, наблюдаемое на многих участках материков и на дне океанов.
 
  Таким образом,  существующие гипотезы возникновения землетрясений не раскрывают саму природу их возникновения.
 
  Так ли зависит количество землетрясений и их величины от тектонических процессов?  Тектонические процессы настолько медленные, что движение континентов имеет максимальную скорость всего до 4 см в год при линейных размерах континентов в тысячи км. При такой скорости движения, вступает эффект ползучести нижнего  слоя литосферы и критические напряжения в литосфере возникнуть не могут.

........
  Рассмотрим процесс возникновения усадочного землетрясения более детально, на примерах, используя  схему з-2.

  Слой, только что закристаллизовавшегося базальтового материала астеносферы и продолжавшегося охлаждаться далее, представляет собой балку, защемленную лежащим сверху слоем литосферы. Снизу она свободна, так как подпирается подвижным слоем астеносферы. Рассматриваемая балка может представлять собой участок более крупной плиты или слоя.

  Как видно, напряжения, возникающие при охлаждении, связаны только с соприкасающимся, более зрелыми и более жесткими, верхними слоями. Такой процесс увеличения термического напряжения можно наблюдать непосредственно в производстве напряженного железобетона. Технология производства его такова. В упоры металлических форм укладывают нагретые до 500-600;С арматурные стержни. Стержни нагреваются для предварительного их удлинения электрическим током. Остывая в упорах формы, стержни охлаждаются до температуры окружающей среды. По мере остывания, стержни уменьшают свои размеры и натягиваются в упорах форм подобно струнам. Таким образом, получается предварительное напряжение арматурных стержней. Полученный после формовки железобетон с предварительным напряжением арматурных стержней имеет улучшенные прочностные показатели.
    
  Не буду приводить пример расчета таких стержней, но хочу обратить внимание на то, что бывают случаи, когда стержни при остывании рвутся,  а части стержней разлетаются с огромной скоростью, как стрелы, выпущенные из арбалета. На своем пути они могут пробить металлическое ограждение из металла толщиной 2 мм. Довольно наглядная картина разрыва сейсмослоя.

  На этой схеме показана физика образования напряжений в сейсмослое. Ярус усадки обращает на себя внимание, как очень важный участок в образовании напряжений в коре и землетрясений. При  его остывании, он, по закону теплового расширения,  должен уменьшить свои размеры.
;l =;;;t;l ,

  Где
  ;l –уменьшение размера,
   l -  первоначальный размер яруса,
   ; – коэффициент теплового расширения,
   ;t –изменение температуры при остывании яруса.

  Но этому препятствует верхний ярус твердой коры. Известно, что предел прочности на сжатие для таких материалов как стекло, базальт, гранит и кирпич в несколько раз выше, чем предел прочности на растяжение. В обоих соприкасающихся  ярусах возникают по закону Гука одинаковые напряжения, но разрушению подвергается тот, который работает на растяжение – ярус усадки.
; = ;;;t;E <  [;]разрыва - условия, которые создают и накапливают напряжения растяжения
; = ;;;t;E ;  [;]разрыва - условия, которые приводят к разрыву яруса и возникновению землетрясения.
E – модуль упругости материала (базальт или гранит)

  Потенциальная энергия, выделяемая при землетрясении от усадочного разрыва яруса описывается формулой. Хочу пояснить  модель образования землетрясений через испытания на разрывной машине. В разрывную машину вставляется испытываемый образец металла и он нагружается усилием – нагрузкой. На диаграмме видно как с увеличением нагрузки деформируется образец. Сначала это образец напрягается без остаточной деформации, затем возникает остаточная деформация, приводящая к наклепу – упрочнению структуры металла и наконец, происходит разрыв образца, который выражается сильным звуковым ударом в виде выстрела и ударом по частям разрывной машины. Напряжения исчезают и формы деталей машины принимают размеры покоя.

  U = ;;; l; F/ 2E,    здесь    F- сечение разрыва.

  Мною были приведены формулы расчета простого яруса усадки для понимания принципов возникновения основного большинства мелкофокусных землетрясений, возникающих в земной коре. В субдукционных зонах, на границе соприкосновения мантийных блоков происходят глубокофокусные землетрясения по причинам, отличающимся, от усадочных. Этот механизм я объясню позже.
 
  Отдавая тепло верхнему твердому ярусу, ярус усадки - сейсмослой постепенно остывая, уменьшает свой объем, по законам теплового расширения, поэтому в образовавшемся сейсмослое возникают напряжения растяжения, которые при достижении предельно допустимых значений для данного участка приводят к разрушению слоя, образуя в ней разрывы. Эти разрывы усадочные. Под образовавшимся разрывом возникает новый сейсмослой, который после его созревания рвется под предыдущим. Таким образом, поэтапно образуется глубокий разлом со ступенчатыми стенками – схема з-3.

  Такой вид разлома характерен для большинства базальтовых разломов. Чаще всего он встречается на срединных хребтах и трансформных разломах в океанах.  На суши, осадочные породы только маскируют строение разлома. В натуральном виде такие разломы на суше можно видеть в виде образовавшихся стенок каньонов: Большой, Брайс в США, Виктория – в Африке, на Байкале.

  По мере достижения предельной для разрыва энергии, разрыв сейсмослоя происходит мгновенно и  сопровождается  сейсмической волной - землетрясением. Чем выше скорость охлаждения (при большом градиенте температур теплоотдачи), тем мельче образуются трещины, тем слабее сейсмические толчки, но возникают они  чаще. Именно такая сейсмическая активность фиксируется в зонах повышенной активности в океанах,  вдоль океанических хребтов. Повышенная сейсмическая активность, в виде толчков слабой мощности,  говорит о том, что процесс остывания и кристаллизации базальтовой лавы растущей литосферы протекает с высокой скоростью и здесь близки ее связи с холодной средой – ускоренной отдачей тепла.

  Если базальтовый астенослой находится под толстым слоем «теплоизоляции» литослоя, осадочного слоя и, к тому же, отсутствует вода, остывание нового сейсмослоя протекает очень медленно. Напряжения распределяются и нарастают медленно. Образуется сейсмослой больших площадей и толщины, что таит в себе большой энергетический потенциал аккумулированного усадочного напряжения. Землетрясения, вызванные разрывом такого слоя, бывают самыми разрушительными.
Если процесс образования трещин происходит в условиях хорошего теплообмена  (океаническая вода), то   этот процесс протекает послойно, сверху вниз, по мере роста мощности самой литосферы, образуя мелкие ступени. Каждый свежий разрывающийся слой представляет собой лишь очередной новый образовавшийся сейсмослой, находящийся между астеносферой и более зрелыми слоями литосферы.
 
  Чем глубже уходят ступени, тем они моложе. С увеличением толщины литослоя, уменьшается теплопередача. Разрывы происходят реже, но их энергия больше. Эта закономерность наблюдается во всем рельефе океанического дна: верхние ступени трансформных разломов мельче нижних. Трансформные разломы распределены с определенным шагом, что позволяет рассчитать предельные разрывные  напряжения базальтового дна в натуре.

  Разрыв сейсмослоя происходит по всем правилам упругой деформации: торцы разорванного слоя делают затухающие колебания. Первая полуволна являются самой сильной.
 
  Образование сейсмической трещины под осадочными породами вызывает их «проседание», образуя новые русла рек, овраги или провалы, пещеры. Процесс просадки грунта редко сопровождается сейсмическими толчками. В основном, это процесс  медленный.  схема з-1в.

Если проследить изосейсты многих землетрясений, то большинство  землетрясений имеют изосейсты округлой формы – это точечные эпицентры с короткими разрывами. Такие трещины характерны  для океанического дна.
На материках часто встречаются изосейсты яйцевидной и эллиптической формы – схема з-4. Такая форма говорит о том, что образовавшийся разрыв сейсмослоя имеет довольно большую длину или представляет несколько коротких.
Развитие разлома протекает послойно: каждый сейсмослой разрывается, как бы, распарывая  стежки ткани. После разрыва слоя, в той же последовательности происходит разрыв следующих сейсмослоев под предыдущим, по мере их образования.
Усадочные разломы возникают в зонах большего теплообмена (охлаждения) и развиваются в сторону слабого теплообмена. От коры континентального склона в глубину материка схема з-5.

  Проследим эти закономерности на  любом континентальном склоне по изменению форм изобат в этапах развития.
  а.  Первоначальное состояние впадины (сразу после разделения материков) представляет собой континентальный склон с плавно изгибающими изобатами. Они между собой близки – склон крутой.
  б.  В результате усадки континентального склона, в нем образуются  трещины каньонного типа. Начало развития таких трещин выражено клиновидной формой зубцов на изобатах.
  в. За счет дальнейшей усадки базальтового слоя континентального склона и его деформации, зубцы клиновидных трещин увеличивают свои размеры, а развитие трещины каньонного типа уходит вершиной зубца в материк.

 Как видно из схемы, клиновое развитие трещин, выраженное в изобатах, указывает на направление развития разлома вглубь материка – это линия возможного развития  разрыва литосферы. В любом частном случае нетрудно определить главную причину образования  склонного разлома. Если он  связан с континентальным разломом, то он мог образоваться по причине его возникновения, а если такого разлома нет, то, скорее всего, идет развитие усадочной трещины со стороны океана.
 
  Замечено, что многие разломы на континентальных склонах имеют свое продолжение на материках в виде развитых каньонов или русел рек. Каньонные разломы очень часто наблюдаются под руслами рек. Так, при проведении геофизических исследований в русле Нила, предшествовавших строительству Асуанской плотины, при бурении русла до глубины 2 км, так и не было достигнуто коренных пород. Все породы были осадочными, наносными.
 
  Используя прямую связь  континентальных каньонов с подводными океаническими, по изобатам можно точно определить первоначальное положение русел рек до их изменения схема з-6. Можно проследить изменение русел рек: Ганг, Миссисипи, Алабама... Указанные  реки вынесли столько  наносов в свои дельты, что перекрыли себе путь к океану и им  пришлось изменить направление русла,  но первоначальные изобаты... остались.
 
  Многие опасные разломы уже проявили себя в прибрежных городах разрушительными землетрясениями: Лиссабон, Токио, Кобе, Нефтегорск и многие другие. Многие города не подвергались таким разрушениям, но человечество должно быть готово к возможному проявлению опасности для многих городов, если эти города находятся в сейсмически опасной зоне.

  На схеме з-7, схеме з-8  и  схеме з-9 показаны характерные изменения рельефа от происходящих процессов землетрясений.

  Для разработки методов прогнозирования землетрясений, необходимо обратить внимание еще  на  одно проявление напряженного материала.  В напряженном материале возрастает скорость прохождения как продольных, так и поперечных волн, увеличивается резонансная частота.