Колебания Земли, вызванные внезапными изменениями в состоянии недр планеты- землетрясение. Эти колебания представляют собой упругие волны, распространяющиеся с высокой скоростью в толще горных пород. Район, где зарождаются колебания, называется очагом землетрясения, а его проекция на поверхность Земли – эпицентром землетрясения. Очаги большей части землетрясений лежат в земной коре на глубинах не более 16 км, однако в некоторых районах глубины очагов достигают 700 км. Ежедневно происходят тысячи землетрясений, но лишь немногие из них ощущаются человеком.

Упоминания о землетрясениях встречаются в Библии, в трактатах античных ученых – Геродота, Плиния и Ливия, а также в древних китайских и японских письменных источниках. До 19 в. большинство сообщений о землетрясениях содержало описания, обильно приправленные суевериями, и теории, основанные на скудных и недостоверных наблюдениях. Серию систематических описаний (каталогов) землетрясений в 1840 начал А.Перри (Франция). В 1850-х годах Р.Малле (Ирландия) составил большой каталог землетрясений, а его подробный отчет о землетрясении в Неаполе в 1857 стал одним из первых строго научных описаний сильных землетрясений.

По характеру процессов в их очагах выделяют несколько типов землетрясений, основными из которых являются тектонические, вулканические и техногенные.

Тектонические землетрясения возникают вследствие внезапного снятия напряжения, например, при подвижках по разлому в земной коре (исследования последних лет показывают, что причиной глубоких землетрясений могут быть и фазовые переходы в мантии Земли, происходящие при определенных температурах и давлениях). Иногда глубинные разломы выходят на поверхность. Во время катастрофического землетрясения в Сан-Франциско 18 апреля 1906 общая протяженность поверхностных разрывов в зоне разлома Сан-Андреас составила более 430 км, максимальное горизонтальное смещение – 6 м. Максимальная зарегистрированная величина сейсмогенных смещений по разлому 15 м. 

Большинство тектонических землетрясений зарождаются на глубине не более десятков километров. В зонах субдукции (где одна тектоническая плита пододвигается под другую), где старшая и более холодная океанская плита спускается ниже другой тектонической плиты, землетрясения могут происходить на значительно больших глубинах (до семисот километров). Эти сейсмически активные области субдукции известны как зоны Wadati-Benioff. Это - землетрясения, которые происходят на глубине, на которой пододвинутая литосфера больше не должна быть ломкой из-за высокой температуры и давления. Возможный механизм образования землетрясений с глубоким центром – образование разрывов, вызванное оливином, подвергающимся фазовому переходу в структуру шпинели.

Вулканические землетрясения происходят вследствие резких перемещений магматического расплава в недрах Земли или в результате возникновения разрывов под влиянием этих перемещений. Такие землетрясения могут быть ранним предупреждением о вулканических извержениях.

Техногенные землетрясения могут быть вызваны подземными ядерными испытаниями, заполнением водохранилищ, добычей нефти и газа методом нагнетания жидкости в скважины, взрывными работами при добыче полезных ископаемых и пр. Менее сильные землетрясения происходят при обвале сводов пещер или горных выработок.

Колебания, распространяющиеся из очага землетрясения, представляют собой упругие волны, характер и скорость распространения которых зависят от упругих свойств и плотности пород. К упругим свойствам относятся модуль объемной деформации, характеризующий сопротивление сжатию без изменения формы, и модуль сдвига, определяющий сопротивление усилиям сдвига. Скорость распространения упругих волн увеличивается прямо пропорционально квадратному корню значений параметров упругости и плотности среды.

Ранее всего при землетрясение регистрируются продольные волны, после прохождения которых, каждая частица среды подвергается сначала сжатию, а затем снова расширяется, испытывая при этом возвратно-поступательное движение в продольном направлении (т.е. в направлении распространения волны). Эти волны называются также Р-волнами, или первичными волнами. Их скорость зависит от модуля упругости и жесткости породы. Вблизи земной поверхности скорость Р-волн составляет 6 км/с, а на очень большой глубине - до 13 км/с. Следующими регистрируются поперечные сейсмические волны, называемые также S-волнами, или вторичными волнами. При их прохождении каждая частица породы колеблется перпендикулярно направлению распространения волны. Их скорость зависит от сопротивления породы сдвигу и составляет примерно 7/12 от скорости распространения Р-волн.

Поверхностные волны распространяются вдоль земной поверхности или параллельно ей и не проникают глубже 80-160 км. В этой группе выделяются волны Рэлея и волны Лява (названные по именам ученых, разработавших математическую теорию распространения таких волн). При прохождении волн Рэлея частицы породы описывают вертикальные эллипсы, лежащие в очаговой плоскости. В волнах Лява частицы породы колеблются перпендикулярно направлению распространения волн. Поверхностные волны часто обозначаются сокращенно как L-волны. Скорость их распространения составляет 3,2-4,4 км/с. При глубокофокусных землетрясениях поверхностные волны очень слабые.

Амплитуда и период характеризуют колебательные движения сейсмических волн. Амплитудой называется величина, на которую изменяется положение частицы грунта при прохождении волны по сравнению с предшествовавшим состоянием покоя. Период колебаний - промежуток времени, за который совершается одно полное колебание частицы. Вблизи очага землетрясения наблюдаются колебания с различными периодами – от долей секунды до нескольких секунд. 

Однако на больших расстояниях от центра (сотни километров) короткопериодные колебания выражены слабее: для Р-волн характерны периоды от 1 до 10 с, а для S-волн – немного больше. Периоды поверхностных волн составляют от нескольких секунд до нескольких сотен секунд. Амплитуды колебаний могут быть значительными вблизи очага, однако на расстояниях 1500 км и более они очень малы - менее нескольких микрон для волн Р и S и менее 1 см – для поверхностных волн.

Колебания, распространяющиеся из очага землетрясения, представляют собой упругие волны, характер и скорость распространения которых зависят от упругих свойств и плотности пород. К упругим свойствам относятся модуль объемной деформации, характеризующий сопротивление сжатию без изменения формы, и модуль сдвига, определяющий сопротивление усилиям сдвига. Скорость распространения упругих волн увеличивается прямо пропорционально квадратному корню значений параметров упругости и плотности среды...

Прибор, записывающий колебания грунта, вызванные сейсмическими волнами- называют сейсмограф. Он состоит из сейсмометра — прибора, принимающего сейсмический сигнал, и регистрирующего устройства. Основная часть сейсмометра — груз, соединённый с основанием прибора связями типа упругих, например маятник. Основание прибора жестко укреплено на исследуемом объекте (чтобы колебания земной коры передавались точнее, без потерь). 

При колебаниях объекта вследствие инерции возникает движение груза относительно основания; это движение в большинстве современных сейсмометров преобразуется в электрический сигнал, который записывается, обычно в аналоговой форме, на самописцах с механической, фотографической или магнитной записью. Для расширения динамического диапазона записи и удобства использования иногда применяется ЭВМ (кодированная цифровая запись и передача данных через спутниковые каналы связи). Наиболее сильные землетрясения иногда ощущаются на расстояниях более 1500 км от очага и могут быть зарегистрированы сейсмографами  даже в противоположном полушарии, но на планете еще не существует системы глобального оповещения об этом бедствии.

По шкале, записанной на сейсмографе, определяется магнитуда землетрясений- (лат. magnitudo — величина, от magnus — большой), условная величина, характеризующая общую энергию упругих колебаний, вызываемых землетрясениями или взрывами; пропорциональна логарифму энергии колебаний. Обычно определяется максимумом отношения амплитуды к периоду колебаний, регистрируемых сейсмографами. 

Магнитуда позволяет сравнивать источники колебаний по их энергии. Увеличение магнитуды на единицу соответствует увеличению энергии колебаний в 100 раз,  т. е. при толчке с магнитудой 6 высвобождается в 100 раз больше энергии, чем при магнитуде 5, и в 10 000 больше, чем при магнитуде 4. Самые сильные известные землетрясения имеют магнитуду не более 9 (приблизительно соответствует 1019 дж или 1026 эргов). Сила землетрясения в баллах оценивается сотрясениями и разрушениями на земной поверхности и зависит, помимо магнитуды, от глубины очага и геологических условий эпицентральной зоны. 

Землетрясения разной магнитуды (по шкале Рихтера, предложившего ее в 1935) разделяют следующим образом:

2 - самые слабые ощущаемые толчки;

4,5 - самые слабые толчки, приводящие к небольшим разрушения

6 - умеренные разрушения;

8,5 - самые сильные из известных землетрясений.

В США оценка интенсивности землетрясения обычно проводится по модифицированной 12-балльной шкале Меркалли:

1 балл. Ощущается немногими особо чувствительными людьми в особенно благоприятных для этого обстоятельствах.

3 балла. Ощущается людьми как вибрация от проезжающего грузовика.

4 балла. Дребезжат посуда и оконные стекла, скрипят двери и стены.

5 баллов. Ощущается почти всеми; многие спящие просыпаются. Незакрепленные предметы падают.

6 баллов. Ощущается всеми. Небольшие повреждения.

8 баллов. Падают дымовые трубы, памятники, рушатся стены. Меняется уровень воды в колодцах. Сильно повреждаются капитальные здания.

10 баллов. Разрушаются кирпичные постройки и каркасные сооружения. Деформируются рельсы, возникают оползни.

12 баллов. Полное разрушение. На земной поверхности видны волны.

В России и некоторых соседних с ней странах принято оценивать интенсивность колебаний в баллах МSК (12-балльной шкалы Медведева - Шпонхойера - Карника), в Японии - в баллах ЯМА (9-балльной шкалы Японского метеорологического агентства).

Среди признаков близкого землетрясения можно назвать:

* запах газа в районах, где раньше этого не отмечалось;

* беспокойство птиц и домашних животных;

* вспышки в виде рассеянного света зарниц;

* искрение близко расположенных (но не касающихся) электрических проводов;

* голубоватое свечение внутренней поверхности домов.

Иногда подземные толчки сопровождаются хорошо различимым низким гулом, когда частота сейсмических колебаний лежит в диапазоне, воспринимаемом человеческим ухом, иногда такие звуки слышатся и при отсутствии толчков. В некоторых районах они представляют собой довольно обычное явление, хотя ощутимые землетрясения происходят очень редко. Общепринятого объяснения таких явлений пока нет. Цунами (большие волны на море) возникают при быстрых вертикальных деформациях морского дна во время подводных землетрясений. Цунами распространяются в океанах в пределах глубоководных зон океанов со скоростью 400–800 км/ч. 

При многих сильных землетрясениях помимо основных толчков регистрируются форшоки (предшествующие землетрясения) и многочисленные афтершоки (землетрясения, следующие за основным толчком). Афтершоки обычно слабее, чем основной толчок, и могут повторяться в течение недель и даже лет, становясь все реже и реже.

Географическое распространение землетрясений. Большинство землетрясений сосредоточено в двух протяженных, узких зонах. Одна из них обрамляет Тихий океан, а вторая тянется от Азорских о-вов на восток до Юго-Восточной Азии.

Тихоокеанская сейсмическая зона проходит вдоль западного побережья Южной Америки. В Центральной Америке она разделяется на две ветви, одна из которых следует вдоль островной дуги Вест-Индии, а другая продолжается на север, расширяясь в пределах США, до западных хребтов Скалистых гор. Далее эта зона проходит через Алеутские о-ва до Камчатки и затем через Японские о-ва, Филиппины, Новую Гвинею и острова юго-западной части Тихого океана к Новой Зеландии и Антарктике.

Вторая зона от Азорских о-вов простирается на восток через Альпы и Турцию. На юге Азии она расширяется, а затем сужается и меняет направление на меридиональное, следует через территорию Мьянмы, острова Суматра и Ява и соединяется с циркум- тихоокеанской зоной в районе Новой Гвинеи.

Выделяется также зона меньшего размера в центральной части Атлантического океана, следующая вдоль Срединно-Атлантического хребта.

Существует ряд районов, где землетрясения происходят довольно часто. К ним относятся Восточная Африка, Индийский океан и в Северной Америке долина р.Св. Лаврентия и северо-восток США.

Для повышения точности прогноза землетрясений необходимо лучше представлять механизмы накопления напряжений в земной коре, крипа и деформаций на разломах, выявить зависимости между тепловым потоком из недр Земли и пространственным распределением землетрясений, а также установить закономерности повторяемости землетрясений в зависимости от их магнитуды.

Во многих районах земного шара, где существует вероятность возникновения сильных землетрясений, ведутся геодинамические наблюдения с целью обнаружения предвестников землетрясений, среди которых заслуживают особого внимания изменения сейсмической активности, деформации земной коры, аномалии геомагнитных полей и теплового потока, резкие изменения свойств горных пород (электрических, сейсмических и т.п.), геохимические аномалии, нарушения водного режима, атмосферные явления, а также аномальное поведение насекомых и других животных (биологические предвестники). 

Первые сообщения о возникновении в ионосфере аномальных явлений, наблюдаемых за несколько дней до сильных землетрясений, появились еще в 60-х годах прошлого века. Однако на них не обращали серьезного внимания и относились примерно так же, как к хиромантии, астрологии или сообщениям об НЛО. Прорыв наступил после запуска в Советском Союзе в 1979 г. спутника «Интеркосмос-19», который зарегистрировал в ионосфере аномальные шумы - наиболее интенсивные, как выяснилось впоследствии, над эпицентром будущего землетрясения. Эффект был зарегистрирован, как открытие российских ученых и в дальнейшем получил подтверждение на ряде других спутников. 

Выяснилось, что для  достаточно интенсивных землетрясений предвестники появляются примерно за 5 суток до главного толчка и имеют характерные особенности, позволяющие выделять их на фоне других вариаций в ионосфере. Задача эта, однако, достаточно сложная, требует постоянного спутникового мониторинга района, где ожидается землетрясение, и более-менее непрерывного определения фонового состояния, изменение которого и может дать предсказание момента начала землетрясения. 

Связь между землетрясениями и состоянием ионосферы изучается сегодня в разных странах мира, в том числе  и в России, но, к сожалению, не так активно, как хотелось бы. Исследования проводились, в частности, на орбитальной станции «Мир», но только в течение одного года, хотя и дали неплохие результаты. В 2001 г. была разработана и   включена в Федеральную космическую программу на 2001-2005 гг. система «Вулкан» для прогноза и мониторинга как природных, так и техногенных катастроф. Она должна была состоять из двух группировок - низко и высокоорбитальных малых космических аппаратов...

Сейсмологи из США разработали методику, способную предсказать мощность землетрясения еще до того, как оно произойдет. Эта методика основана на оценке амплитуды смещения вертикального компонента P-волн, которые возникают в земной коре перед землетрясением. Корректность метода подтверждается анализом данных по землетрясениям из различных мест Земли.

Сейсмолог Хусейн Сердар Куюк и его коллеги из Калифорнийского университета в Беркли (США) считают, что краткосрочный прогноз можно составить, ориентируясь на характеристики возникающих перед самим землетрясением P-волн. Напомню, что так называют быстро движущиеся(скорость в граните может достигать 5 000 м/с) волны сжатия, колеблющиеся в направлении своего распространения под землей. В отличие от поперечно распространяющихся S-волн, которые и являются причиной всех разрушений, P-волны совершенно безопасны для всего, что находится на поверхности Земли. Наверное, именно поэтому до сих пор сейсмологи уделяли им не так много внимания.

Впрочем, тут есть и еще одна сложность — до сих пор методы выявления силы и частоты Р-волн (как раз по этим характеристикам можно судить о силе надвигающегося землетрясения) весьма далеки от совершенства. Дело в том, что авторы одних исследований считают, что важнее всего определить амплитуду смещения вертикального компонента таких колебаний, другие сейсмологи советуют обратить внимание на доминирующий период колебаний, а третьи предлагают объединить оба метода. Так что сначала ученые из группы, которую возглавляет доктор Куюк, решили понять, почему же возникает такой разброс мнений насчет использования P-волн для предварительной диагностики мощности землетрясения.

И вот исследователи, обработав множество материалов по самым различным землетрясениям, обнаружили одну интересную вещь — все эти "разногласия" происходят из-за региональных особенностей каждого землетрясения. Например, большинство американских специалистов опираются на записи сейсмографов, сделанных во время калифорнийских землетрясений, которые считаются самыми мощными в этой стране. А вот ученые за пределами США берут за основу собственные наблюдения. В итоге получается так, что каждая группа сейсмологов считает эффективной, именно, свой собственный метод, а привести все эти разные способы анализа полученных данных к "общему знаменателю" никто пока что не догадался.

И вот, группа доктора Куюка решили восполнить этот пробел и выяснить, какие же параметры P-волн наиболее важны для составления прогноза мощности землетрясения. Для этого они сравнили эффективность предсказания силы землетрясения, основанное на фиксации параметров P-волн в таких удаленных друг от друга регионах, как Калифорния и Япония. В расчет принималась и амплитуда смещения, и доминирующая частоте волн. 

В результате сейсмологи пришли к выводу о том, что самым информативным параметром в обоих случаях была именно амплитуда смещения. Более того, для толчков слабее трех баллов частота P-волн вообще не особенно изменялась — хотя даже при более сильных землетрясений этот параметр не столь точно предсказывал разрушительную силу данной катастрофы.

В статье, опубликованной в журнале Geophysical Review Letters, исследователи говорят о том, что применение их методики может значительно повысить надежность прогнозирования силы землетрясений, что, в свою очередь, поможет значительно снизить материальный ущерб от этих катастроф. 

В то же время Хусейн Куюк предупреждает, что сама методика пока находиться в стадии дальнейшего усовершенствования — сейчас ученые хотят проверить ее на землетрясениях, которые происходили в других регионах — например, в Латинской Америке, Антарктиде и Восточной Азии. По мнению ученого, только тогда картина станет окончательно ясной, а методика прогноза — достаточно достоверной…

В целом на сегодня у человека есть 15-20 сек. на спасение после первого толчка, хотя понятно и так, чтобы заниматься настоящем прогнозированием нет "средств", конечно проще послать спасателей с собаками и кока-колой.

Чтобы не заморачиваться только прогнозами идут и поиски по созданию мантии-невидимки для защиты сооружений от землетрясений, что достаточно логично. Если есть защищенное сооружение, в первую очередь из ряда с опасным производством, то для него практически не нужен и прогноз. Конечно, это не может касаться катастрофических землетрясений.

Группа российских и английских исследователей-математиков изучают перспективы создания специальных геоматериалов, способных в буквальном смысле делать невидимыми для землетрясений объекты, в основании которых они заложены. Об этом 24 ноября корреспонденту ИА REGNUM рассказали разработчики проекта.

«В настоящее время предпринимаются попытки найти универсальный подход, обеспечивающий защиту от всех видов волн, порождаемых активностью Земли, что осложняет поиск нужного метаматериала», — пояснил руководитель группы разработчиков, профессор Юлий Каплунов.

Ученым опытным путем предстоит найти подходящий метаматериал, который мог бы послужить основой для проектирования защитных конструкций, так называемую «мантию-невидимку». При взаимодействии с такой конструкцией волны, вызывающие землетрясения, будут попросту изгибаться в стороны, не повреждая защищаемого сооружения.

В настоящее время учёными разработан уникальный математический аппарат, позволяющий эффективно исследовать волну-первопричину разрушений на поверхности во время подземных толчков, а также описывающий методы борьбы с ней. Задача объединённых научных групп это определение наилучшего материала для успешной реализации проекта.

Отметим, на разработку математического аппарата, использующего современные методы механики, включая метод возмущений, ушло около 10 лет...

Послесловие.

Среди самых мощных и смертоносных землетрясений, которые пришлось пережить человечеству, стоит выделить такие:

23 января 1556 года - Ганьсу и Шэньси, Китай. Погибли 830 тыс. человек. Число погибших составило больше, чем после любого другого землетрясения в истории человечества.

1737 год - Калькутта, Индия. Погибли 300 тыс. человек.

В 1755 году мощное землетрясение обрушилось на Лиссабон, в результате город был полностью разрушен. Погибли от 60 тыс. до 100 тыс. человек.

1897 год - Ассам, Индия. На площади в 23 000 кв км рельеф изменен до неузнаваемости. Это землетрясение, вероятно, стало крупнейшим за всю историю человечества.

1923 год - Великое землетрясение Канто, Токио и Йокогама, Япония (8,3 по Рихтеру). Погибли около 143 тыс. человек, около миллиона осталось без крова в результате возникших пожаров.

1948 год - Ашхабад, Туркменистан, Ашхабадское землетрясение. Погибли 110 тыс. человек.

28 июля 1976 год - Таншань, Северо-восточный Китай, Таншаньское землетрясение (8,2 по Рихтеру). Погибли более 655 тыс. человек.

26 декабря 2004 года - приливная волна, вызванная самым мощным за последние 40 лет землетрясением магнитудой 9,0 по Рихтеру, обрушилась 10-метровой стеной на побережья Шри-Ланки, Индии, Индонезии, Таиланда, Малайзии, Сомали, Кении. Очаг землетрясения залегал на 30-километровой глубине недалеко от провинции Ачех на северо-западе острова Суматра. Общее число погибших от цунами составило около 300 тыс. человек.

За несколько дней до цунами рыба пропала в их прибрежных водах, а окружающие их животные начали вести себя совсем необычно. Это и послужило морским цыганам сигналом покинуть местообитание. По опыту предков они ушли в близлежащую возвышенную местность. Возможно, в памяти людей племени сохранились воспоминания об огромном цунами 1833 г. на Суматре, порожденном землетрясением у ее берегов с магнитудой ненамного меньшей, чем у землетрясения конца 2004 г. Так спаслось целое племя. Опыт предков сохранил жизнь целому народу.

12 мая 2008 года - провинция Сычуань, Китай (7,8 по Рихтеру). Эпицентр находился в 92 км к северо-западу от административного центра провинции, города Чэнду. Новое сильное землетрясение магнитудой 5,8 произошло 13 мая. Число жертв землетрясений составило более 69 тыс. человек, ранения получили свыше 370 тыс. человек. Более 17 тыс. человек считаются пропавшими без вести.

12 января 2010 года - землетрясение на Гаити, (7,1 по Рихтеру). В данный момент все еще нет точных данных о количестве погибших и пострадавших в результате землетрясения гаитян. По подсчетам официальных источников, число жертв превышает 200 тыс. человек.

11 марта 2011 года -  землятресение в на северо- востоке Японии магнитудой 8,9. На побережье обрушилось цунами около 10м. Число пострадавших свыше 20 тыс человек, но нанесен значительный материальный ущерб. Землетрясение, разрушившее северо-восток Японии, сместило остров более чем на 2 м. Исследователи Института астрономии и космических наук Кореи установили, что Корейский полуостров сдвинулся на восток приблизительно на 5 см, в то время как Японские острова сдвинулись примерно на 2,4 метра в том же направлении, а также повлекло за собой смещение оси Земли на 15 см и сместило массу Земли таким образом, что планета стала вращаться чуть быстрее. Ричард Гросс из Лаборатории NASA отметил, что сокращение продолжительности земных суток составило 1,6 микросекунды. Последствия нынешнего стихийного бедствия уступают лишь влиянию самого сильного в истории наблюдений - Великого Чилийского землетрясения 1960 г, магнитуда которого, по разным оценкам, составляла от 9,3 до 9,5. Но самое неприятное, что цунами нарушило работу прибрежных АЭС. Это привело к радиоционному заражению окружающей суши и морской акватории.

http://www.pravda.ru/science/eureka/discoveries/08-01-2014/1184713-p_wawe-0/

http://news.rambler.ru/28045491/