» » Причины землетрясений, литосферные плиты, сейсмоактивные пояса земли

Причины землетрясений, литосферные плиты, сейсмоактивные пояса земли

15.08.2016

Во все исторические времена людей всегда интересовало, почему происходят землетрясения. Каждая цивилизация оставила свое мнение (легенду) о причинах землетрясений. По древней японской легенде, их ocтpoвa держатся на спине огромною сома, движение которого заставляют Землю содрогаться. Индейцы Северной Америки считали, что Землю несет на себе огромная черепаха, и Земля вздрагивает каждый раз, когда черепаха переваливается с ноги на ногу. В других странах причину землетрясения связывали с движениями лягушки, крота, быка, змеи.
Аристотель считал, что причиной землетрясения являются атмосферные вихри, которые, проникая в землю сквозь пустоты и сквозные щели, вызывают землетрясение. Несмотря на научную несостоятельность такой гипотезы, она не только просуществовала много веков, но и имеет своих сторонников и в настоящее время под названием “сейсмоопасная погода”, которая может сигнализировать о приближении землетрясения. В древности землетрясение часто рассматривалось как наказание от разъяренных богов. Церковь явление землетрясения использовала для пропаганды своих моральных принципов. Она считала, что землетрясение наказывает людей за их недостойное общественное поведение, развязанность и недобросовестность.
Причины землетрясений, литосферные плиты, сейсмоактивные пояса земли

В наши дни полностью выявлены истинные причины возникновения землетрясений. Они связаны с непрерывными процессами, происходящими в оболочке - литосфере Земли. По современным представлениям Земля состоит из трех основных частей: оболочки, мантии и ядра (рис. 1.11). Оболочка Земли имеет очень маленькую толщину по сравнению с ее радиусом - 6378 км. В континентальных участках толщина оболочки доходит до 150 км, а под океанами - 70 км. Если размеры Земли мысленно уменьшить до размеров яйца, то толщина коры литосферы окажется равной толщине скорлупы яйца.
Литосфера не только имеет малую толщину: она твердая, но не целостная. Литосфера разбита на несколько больших кусков. Эти куски литосферы называются плитами (рис. 1.12). Размеры плит, как видно из рисунка, изменяются oт сотни до нескольких тысяч километров.
Самыми крупными из плит являются: Евразийская, Тихоокеанская, Африканская, Индо-Автралийская, Северо-Американская, Южно-Американская, Антарктическая, плита Наска, плита Кокос, Карибская и Аравийская плиты.
Причины землетрясений, литосферные плиты, сейсмоактивные пояса земли
Причины землетрясений, литосферные плиты, сейсмоактивные пояса земли

Под литосферой (в астеносфере) действуют глубинные силы, предупреждающие плиты медленно перемещаются в пределах нескольких сантиметров в год. Первоисточником таких движений служит тепло, которое существует в Земле со времени ее образования. Причины этих глубинных сил не вполне выявлены. Они связаны с явлениями тепловой конвенции в недрах Земли, физико-химическими процессами в результате радиоактивного распада элементов и динамическими эффектами вращения Земли вокруг своей оси и Солнца, а также его взаимодействия с Луной и другими планетами. Температурное поле плит по их толщине неравномерное. Нижние грани плит, расположеные в астеносфере, имеют более высокую температуру, чем верхние на поверхности Земли, в результате чего она могут легко скользить относительно более пластичного основания, испытывая относительно малое сопротивление.
Кроме того, из-за температурного градиента плиты становятся гравитационно неустойчивыми по отношению к мягкой (горючей) подстилающей основе (астеносфере), вследствие чего возникает отрицательная плавучесть литосферной плиты: плита изгибается вверх и ее края частично погружаются в глубину Земли. В этой сложной ситуации в некоторых регионах из мантии горячее вещество поднимается наверх, остывает и оттесняя плиты в противоположные стороны (Средне-Атлантический хребет), становится причиной процесса так называемого спрединга (раздвигания) океанического дна. В других местах плиты проскальзывают краями одна вдоль другой (разлом Сан-Андреас в Калифорнии) и, наконец, есть области, где одна плита при встрече заталкивается под другую более мощную (Перу-Чилийский желоб), они называются областями субдукции (уничтожения). Таким образом, Земля не является неизменяемой - плиты непрерывно частично воссоздаются и поглощаются. Из-за спрединга плит из мантии образуется новая кора, и поверхность Земли возрастает, а благодаря субдукции - старая кора возвращается в мантию, уменьшая поверхность Земли и одновременно поднимая вышележащую плиту. Одновременно происходит конвективный переход тепла из мантии вверх за счет погружения холодного материала литосфера (у океанских желебов) и подъема горячего материала мантийными восходящими потоками (у средне-океанских хребтов). В обоих случаях происходит вынос тепла из мантии на поверхность Земли. Ежегодно около 10в28 эрг (2.78*10в14 кВт*ч) энергии выделяется всей нишей планетой и через атмосферу распространяется в окружающее пространство.
Система океанских хребтов (зоны спредингов) не является непрерывной. Ее можно представить в виде отдельных сегментов, смещенных относительно друг друга в поперечном направлении и соединенных трансформными разломами (с проскальзыванием). В зонах субдукции (зоны Беньофа) землетрясения происходят на глубинах до 700 км. Глубочайшее место в океане расположено у Марианского желоба с глубиной 11022 м.
Если движение плит по разлому носит характер медленного проскальзывания (крип), от такого движения никакие колебания поверхности Земли (землетрясение) не возникают. Наблюдения показывают, что землетрясения неоднократно могут происходить на уже существующих разломах из-за неоднородности их боковых поверхностей.
Вследствие постоянства площади поверхности Земли скорости раздвигания океанического дна у океанических хребтов должны совпадать со скоростями субдукции дна у океанических желобов. Исходя из этого можно определить относительные скорости движения плит. При этом они совершают не только поступательные, но и вращательные движения. Таким образом, границы между плитами бывают трех типов - хребты, желобы и трансформированные разломы (рис. 1.12а).
Землетрясения и вулканы являются следствием непрерывно происходящихся в недрах Земли вышеуказанных сложных физикохимических процессов и механических движений. Такие несогласованные движения литосферных плит заставляют каменную толщу растрескиваться и вспарываться, создавая эффект землетрясения. Землетрясения, вызванные движением плит, называются тектоническими. Естественно, что они в основном (95%) должны происходить на границах плит. Небольшая их часть происходит внутри плит. Причиной таких внутриплитных землетрясений является то обстоятельство, что тектоническая активность (механическая напряженность) от взаимодействия на краях плит распространяются в их внутренние, более ослабленные (с меньшей толщиной плит и прочностью пород) области. Некоторые землетрясения имеют вулканическое происхождение. Редко землетрясения бывают вызваны деятельностью человека - заполнением водохранилищ, закачкой воды в скважины, горными работами и ядерными взрывами.
Причины землетрясений, литосферные плиты, сейсмоактивные пояса земли

Примерно 90% всех землетрясений, происходящих на земном шаре, сосредоточены на территориях, окружающих Тихий океан. Эта зона получила название Тихоокеанский пояс (кольцевой) землетрясений. Другой пояс это Альпийский или Средиземноморский и Трансазиатский, включающий 5-6% всех сильных землетрясений, протягивается от Средиземноморья на западе до Китая на востоке, через южную Европу, Турцию, Kавказ, Иран и Северную Индию. Остальные 4-5% землетрясении происходят и других местах и внутри плит.
На цветном рис. 1.13 показана глобальная карта сейсмической опасности Земли, составленная в 1990-1999гг. в пределах международной программы "Глобальная оценка сейсмической опасности Земли" под эгидой ЮНЕСКО в период международной декады снижения опасности катастроф, провозглашенной ООН.
Карты сейсмического районирования. В более чем 60 странах мира происходят сильные землетрясения. Строительство зданий и сооружений в этих странах ведется с учетом сейсмических воздействий на основании карт сейсмического районирования (зонирования) данной страны. Уровень сейсмической опасности на картах сейсмического районирования оценивается (прогнозируется) по частоте повторения сильных землетрясений и по геодинамическим и тектоническим условиям региона. Чем длиннее время, в которое имеются исторические сведения о землетрясениях на данной территории, тем, естественно, достовернее будет уровень прогноза сейсмической опасности. Как было отмечено выше, для некоторых регионов Земли такие статистические сведения имеются более чем за 2000 лет, для других регионов - менее чем за 100 лет.
С другой стороны, обычные здания и сооружения возводятся со сроком существования (эксплуатации) не более чем 50-100 лет. Поэтому при разработке национальных карг сейсмического районирования учитываются период повторяемости сильных землетрясений на территории данной страны и сроки службы сооружений. Вероятность P превышения данной интенсивности I, в течение t лет при ее повторяемости T лет (т.е. за это время произойдет хотя бы одно землетрясение интенсивностью It) составляет (в процентах)
Причины землетрясений, литосферные плиты, сейсмоактивные пояса земли

В табл. 1.1 вычислены значения вероятности P при различных сроках службы сооружения t и повторяемости T землетрясений данной интенсивности.
Причины землетрясений, литосферные плиты, сейсмоактивные пояса земли

Чем меньше время повторяемости землетрясения данной интенсивности и длиннее срок службы сооружения, тем больше уровень сейсмической опасности и величина сейсмического риска. При периоде повторяемости землетрясения данной интенсивности в среднем один раз за 500 лет вероятности превышения этой интенсивности в течение 50 или 100 лет, примерно равны, соответственно 10 и 20%, что можно считать приемлемым с точки зрения безопасности и экономической эффективности обычного гражданского и промышленного строительства.
Карты сейсмического районирования многих стран имеют идентичную структуру: территория страны разделена на небольшое число (2-5) сейсмоопасных зон. К каждой зоне приписываются определенные параметры, характеризующие наиболее вероятный для данного интервала времени уровень сейсмической опасности, обусловленный сейсмическим режимом данной зоны и сопредельных (20-30 км) территорий. Ясно, что чем большую и сложную территорию в геотектоническом отношении занимает данная страна, тем больше должно быть число сейсмических зон.
Причины землетрясений, литосферные плиты, сейсмоактивные пояса земли
Причины землетрясений, литосферные плиты, сейсмоактивные пояса земли
Причины землетрясений, литосферные плиты, сейсмоактивные пояса земли
Причины землетрясений, литосферные плиты, сейсмоактивные пояса земли
Причины землетрясений, литосферные плиты, сейсмоактивные пояса земли

Во время землетрясения на здания и сооружения кроме постоянных (собственный нес) и временных (вес всего содержимого здания, снега, ветровое давление) действуют и так называемые сейсмические нагрузки. На самом деле это не нагрузка (сила) в прямом смысле. Когда грунт под сооружением движется, оно из-зa инерции отстает от грунта и изгибается. Это похоже на действие на сооружение горизонтальных сил, перпендикулярных к его оси. Значения этих сил обусловлены величиной ускорения грунта и массой сооружения. Все нагрузки, кроме сейсмической, создают прямое физическое воздействие и имеют постоянное направление. Сейсмическая нагрузка имеет инерционно-динамический характер и действует только в течение землетрясения. Поэтому параметры, характеризующие уровень сейсмической опасности данной зоны, обусловливаются в первую очередь величинами горизонтальных (вертикальных, вращательных) ускорений движения грунта и их изменения во времени. Наибольшую Полноценную информацию об этом параметре содержат трехкомпонентные акселерограммы грунта, регистрированные во время сильного Землетрясения. Обоснованный их выбор для любой строительной площадки данной зоны потребует их наличия в большом количестве за длительный период наблюдений. Поэтому на картах сейсмического районирования обычно указывается значение прогнозируемого максимального ускорения грунта для любого горизонтального направления на поверхности Земли. Большую пользу в установлении величины максимального горизонтального ускорения грунта оказывают исторические сведения о последствиях прошлых землетрясений, национальные службы регистрации сильных движений грунта и соответствующие банки данных прошлых землетрясений данного региона.
На рис. 1.14а-1.14е приведены карты сейсмического районирования Армении, Турции, Ирана, России, Японии и США.
На картах сейсмического районирования целесообразно указывать также расположение активных разломов и дать дополнительные рекомендации по степени усиления уровня сейсмической опасности на площадках, расположенных вдоль и поперек разломов, вероятные оползневые участки и зоны возможного разжижения грунтов.
Карты сейсмического районирования (опасности), как очень важный государственный документ сейсмической защиты страны, периодически совершенствуются и корректируются. К их составлению привлекаются не только ведущие сейсмологи, геофизики и геологи данной страны, но и ведущие специалисты других регионов и стран.