🏚️Землетрясения и сейсмология

Сейсмология — раздел геофизики, изучающий землетрясения и распространение упругих волн внутри Земли. Землетрясение — внезапное высвобождение энергии в земной коре, вызывающее колебания поверхности.

Почему Земля трясётся

Представьте, что вы сгибаете деревянную линейку — она упруго деформируется, а потом ломается с резким щелчком. Так же ведут себя горные породы. Литосферные плиты (их 15 крупных) двигаются со скоростью 1–10 см/год, и в зонах их взаимодействия накапливаются напряжения. Когда предел прочности породы превышен, происходит разрыв — и накопленная за десятилетия энергия выбрасывается за секунды.

Точка разрыва внутри Земли называется гипоцентром (очагом), а точка на поверхности прямо над ней — эпицентром. Глубина очага бывает от 5 до 700 км: мелкие (до 70 км) землетрясения — самые разрушительные, глубокие ощущаются слабее.

Сейсмические волны

Разрыв генерирует три типа волн. Первичные (P-волны) — продольные, самые быстрые (5–8 км/с в коре), проходят через любую среду, включая жидкое ядро. Вторичные (S-волны) — поперечные (3–5 км/с), не проходят через жидкости — именно так в 1906 году Олдхэм доказал, что у Земли жидкое внешнее ядро. Поверхностные волны (Лява и Рэлея) — самые медленные, но самые разрушительные, потому что амплитуда максимальна у поверхности.

Сейсмограф регистрирует все три типа. Разница во времени прихода P и S-волн на три станции позволяет определить расположение эпицентра (метод триангуляции). Глобальная сеть из 2000+ сейсмостанций фиксирует ~500 000 землетрясений в год, из них ощущаемых человеком — около 100 000, разрушительных (M ≥ 6) — около 150.

Как измеряют силу землетрясений

Существует два подхода. Магнитуда — объективная мера энергии: шкала Рихтера (1935) использует логарифм амплитуды колебаний. Каждая единица означает увеличение амплитуды в 10 раз и энергии в ~32 раза. Землетрясение M5 выделяет столько энергии, сколько взрыв 500 т тротила. Для крупных событий Рихтер работает неточно — сейчас используют моментную магнитуду (Mw), учитывающую площадь разрыва и смещение по разлому.

Интенсивность — субъективная мера разрушений в конкретной точке. Шкала Меркалли (12 баллов): I — незаметно, VI — падают предметы, X — рушатся здания, XII — полное разрушение. Одно и то же землетрясение может иметь разную интенсивность в разных городах — зависит от расстояния, грунта, качества зданий.

Крупнейшие катастрофы

Самое мощное инструментально зафиксированное землетрясение — Чилийское (22 мая 1960, Mw 9,5). Оно вызвало цунами высотой до 25 м, достигшее Японии через 22 часа. Погибло ~5 700 человек.

Самое смертоносное в XX–XXI веках — цунами в Индийском океане (26 декабря 2004, Mw 9,1 у берегов Суматры). Волна до 30 м ударила по 14 странам, погибло ~227 000 человек. После катастрофы создана система раннего предупреждения о цунами.

Гаити (12 января 2010, Mw 7,0) — относительно слабое землетрясение, но ~316 000 погибших из-за отсутствия сейсмостойкого строительства. Для сравнения: землетрясение той же магнитуды в Японии обычно обходится без жертв.

Тохоку, Япония (11 марта 2011, Mw 9,1) — цунами высотой до 40 м, авария на АЭС Фукусима-1, ~19 700 погибших. Япония — самая подготовленная страна, но масштаб катастрофы превзошёл расчёты.

Проблема прогнозирования

Несмотря на 100+ лет сейсмологии, точный прогноз (место, время, магнитуда) невозможен. Известен один «успех» — Хайчэн, Китай (1975, M7,3): эвакуация за сутки спасла тысячи жизней. Но через год Таншань (1976, M7,5) ударил без предупреждения — 242 000 погибших. Методы прогноза (по форшокам, деформациям, поведению животных, уровню воды в скважинах) дают слишком много ложных срабатываний.

Вместо точного прогноза сейсмологи строят карты сейсмической опасности — вероятность землетрясения определённой магнитуды в данном районе за 50 лет. По этим картам разрабатывают строительные нормы.

Сейсмостойкое строительство

Основные принципы: гибкий каркас (сталь или армированный бетон), демпферы (амортизаторы между этажами), сейсмоизоляция (здание стоит на резиновых опорах, «отвязанных» от грунта). Небоскрёб Taipei 101 имеет 730-тонный стальной маятник на 87–92 этажах — он гасит колебания. Японские здания проектируют на магнитуду 7+, калифорнийские — на 8+.