» » Магнитуда землетрясения. Шкала магнитуд Рихтера

Магнитуда землетрясения. Шкала магнитуд Рихтера

15.08.2016

Рассмотренное ранее понятие “интенсивность” землетрясения характеризует меру его последствия для определенной местности, без указания о его (землетрясения) силе (мощи) в целом как физического явления. Поэтому в конце XIX века были предложения (шкалы) оценить интенсивность землетрясения только в эпицентральной зоне. В дальнейшем были предложения судить о силе землетрясения по величинам площадей, пострадавших от него территорий. Землетрясение, вызывающее повреждения на территориях с большим диаметром, считалось принадлежащим к классу более сильных. Как видно из табл. 1.5, с одной стороны, характеристики интенсивности землетрясения во многих случаях обусловлены уровнем восприимчивости людей (которое нельзя выразить количественными показателями), а с другой - степень повреждений зданий и сооружений существенно обусловлены качеством строительства и грунтовыми условиями. При установлении же силы землетрясения по площадям поврежденных территорий встает вопрос о глубине очага. Таким образом, возникла настоятельная необходимость оценить силу землетрясения независимо от его последствий каким-либо числовым параметром, получаемым при помощи прибора (сейсмографа) во время землетрясения независимо от места регистрации. Так как причиной всех макросейсмических эффектов, включенных в любую шкалу интенсивности и наблюдаемых при землетрясениях, являются перемещения грунта, то естественно при оценке силы землетрясения варьировать значением перемещения грунта. Так возникла идея магнитуды землетрясения. Магнитуда землетрясения - это мера оценки его силы по величине перемещений частиц грунта но время этого землетрясения. Латинское слово "magnitude" и переводе на русский язык означает “величина". Фактически, говори о магнитуде землетрясения, необходимо подразумевать его величину. Чем больше уровень перемещений частиц грунта во время землетрясения, тем больше его магнитуда, т.е. сильнее само землетрясение.
В сформулировании понятия магнитуды принимали участие многие специалисты в области сейсмологии. В частности, работники сейсмических станций часто задумывались над несоответствием степени беспокойности или страха людей, вызываемого землетрясением, и характером его реальной сейсмограммы, записанной на станции. Слабый местный толчок всегда имел большой отклик, тогда как сильное далекое землетрясение в малонаселенной пустыне, горах или же в океане часто оказывается незамеченным за исключением самих сотрудников сейсмических станций, располагающими сейсмограммами землетрясения. Самим сейсмологам также труднее было правильно классифицировать землетрясения по их силе, независимо от их последствий. Большой вклад детализации понятия магнитуды внес профессор Калифорнийского технологического института (в Пасадене) Чарлз Рихтер, который разработал план разделения сильных и слабых землетрясений на объективной инструментальной основе, чем субъективные суждения об их последствиях. Главный аксиоматический принцип оценки заключается в том, что из двух землетрясений, имеющих один и тот же гипоцентр, большое (сильное) должно регистрироваться с большой амплитудой колебания грунта на любой станции. При одной и той же силе землетрясения сейсмограф, установленный на близком к эпицентру расстоянии, будет регистрировать большие перемещения грунта, чем на далеком расстоянии. Следовательно, для определения магнитуды прежде всего встал вопрос о выборе места регистрации землетрясения.
Как отмечено выше, Рихтер поставил вопрос разделения землетрясений на сильные и слабые. Поэтому возникла необходимость установления “стандартного” землетрясения в качестве эталона. Для стандартного землетрясения место регистрации Рихтер выбрал на расстоянии 100 км от эпицентра. С другой стороны, даже на одинаковом расстоянии от эпицентра величины перемещений частиц грунта участков с различными инженерно-геологическими характеристиками существенно отличаются. Поэтому было уговорено, что регистрирующий прибор должен быть установлен на участках со скальными грунтами. В качестве прибора Рихтер выбрал крутильный короткопериодный сейсмограф Вуда-Андерсона, имеющий большое распространение в 30-х годах прошлого столетия. Основные параметры этого сейсмографа: период свободных колебаний маятника - 0.8сек, коэффициент затухания -h=0.8, коэффициент увеличения - 2800 (реальное перемещение грунта на ленте записи увеличивается в 2800 раз). Вот как сформулировал понятие магнитуды сам Рихтер: "Mагнитыдa любого толчки определяете» как десятичный логарифм выраженной в микронах максимальной амплитуды записи этого толчка, записанной стандартным короткопериодным крутильным сейсмографом Вуда-Андерсона на расстоянии 100 км от эпицентра". Заранее отметим, что не обязательно каждый раз иметь именно сейсмограф Вуда-Андерсона в точности на расстоянии 100км от эпицентра (такое может случиться совершенно случайно), просто, как будет указано ниже, надо вводить поправки для приведения результатов измерений, полученных на других расстояниях и другими сейсмографами, к тем, которые были бы получены на расстоянии 100км сейсмографом Вуда-Андерсона.
Следовательно, магнитуда землетрясения, которая обозначается буквой М, будет
Магнитуда землетрясения. Шкала магнитуд Рихтера

где Ac - величина перемещения скального грунта на сейсмограмме в микронах, зарегистрированной сейсмографом Вуда-Андерсона на расстоянии 100км. Если на сейсмограмме землетрясения, зарегистрированной сейсмографом Вуда-Андерсона, на расстоянии 100км максимальное перемещение грунта равно 1 микрону (1 микрон =0.001 миллиметру), то магнитуда этого землетрясения принимается равной M = Ig1 = 0. Ho это не означает, что не было землетрясения, просто оно было очень слабым. Аналогичным образом, если максимальное перемещение грунта равно 10 микронам, то магнитуда такого землетрясения будет Igl0 = 1. В действительности магнитуде M=1 будет соответствовать то землетрясение, во время которого на расстоянии 100км от эпицентра действительное перемещение скального грунта будет равно:
Магнитуда землетрясения. Шкала магнитуд Рихтера

Исходя из вышеприведенного определения магнитуды с удивлением можно заметить, что она может иметь и отрицательные значения. Так, если на сейсмограмме землетрясения, записанной сейсмографом Вуда-Андерсона, на расстоянии 100км от эпицентра перемещение грунта равно 0.1 микрону, то магнитуда такого землетрясения будет
Магнитуда землетрясения. Шкала магнитуд Рихтера

В этом случае действительное перемещение грунта будет
Магнитуда землетрясения. Шкала магнитуд Рихтера

Запись такого перемещения грунта, конечно, не легкое дело. Она предполагает создание сейсмографом с большими коэффициентами увеличения. К счастью, отметим, что к настоящее время созданы такие сверхчувствительные сейсмографы, которые способны зарегистрировать землетрясения с магнитудами до М=3. Таким образом, при увеличении магнитуды на единицу амплитуда колебания грунта возрастает в 10 раз. Для большей наглядности в табл. 1.7 приведены действительные значения перемещений на расстоянии 100 км от эпицентра для землетрясений от самого слабого с магнитудой M=1 и до самого сильного с магнитудой М=9.0.
Магнитуда землетрясения. Шкала магнитуд Рихтера

Самое слабое землетрясение, которое ощущается человеком, имеет магнитуду M=1.5. Землетрясения с магнитудой М=4.5 и более уже вызывают повреждения в зданиях и сооружениях. Землетрясения с 1< M < 3 называются микроземлетрясениями, а с M < 1 - ульграмикроземлетрясениями.
Шкала магнитуд Рихтера (если его вообще можно называть шкалой) не имеет верхнего предела. Поэтому ее часто называют “открытой” шкалой, так как никто не может прогнозировать, когда и с какой силой будет самое сильное землетрясение, хотя верхний предел магнитуды обусловлен (ограничен) предельным значением прочности земных пород. По-видимому, такое можно утверждать и о нижнем пределе шкалы, так как со временем, путем усовершенствования сейсмографов, создаются возможности для регистрации самых слабых землетрясений.
В армянском варианте настоящей книги, изданной в 2002 году, мы отметили два землетрясения в качестве самых сильных, от начала инструментальных регистраций, имеющих магнитуду М-8.9. Оба эти землетрясения происходили под океаном в зонах субдукции. Первое землетрясение происходило в 1905 году у побережья Эквадора, второе - в 1933 году в побережьях Японии. В 2002 году мы высказали риторический вопрос: может, наша планета не способна генерировать землетрясения с магнитудой больше чем 8.9 и считали, что ответ на этот вопрос может дать только время. Прошло немного времени и мы получили ответ на этот вопрос: на нашей планете Земля возможны землетрясения с магнитудой больше чем 8.9. Это случилось 26 декабря 2004 года. На побережье острова Суматра произошло самое катастрофическое землетрясение на Земле с магнитудой более 9.0, вызвавшее огромное цунами и ставшее причиной смерти более чем 300000 людей.
Очевидно, что если землетрясение записано не сейсмографом Вуда-Андерсона, а любым другим сейсмографом, то магнитуда землетрясения будет
Магнитуда землетрясения. Шкала магнитуд Рихтера

где А - уже максимальное значение действительного перемещения грунта в микронах, записанная любым сейсмографом (не на сейсмограмме).
Так, например, во время Спитакского землетрясения 1988 года на инженерно-сейсмометрической станции N5 города Еревана сейсмометром СМ-5 зарегистрировано максимальное перемещение грунта, равное 3.5 мм или 3500 микронам (рис.3.19). Расстояние Ереван-Спитак примерно равно 100 км, поэтому магнитуда Спитакского землетрясения примерно будет
M = lg 2800*3500 = lg10в7 = 7.0,

которую подтвердили многие сейсмические станции мира.
Возникает естественный вопрос - как определить магнитуду, если сейсмограф установлен не на расстоянии 100 км от эпицентра, а на произвольном расстоянии. Для этого сам Рихтер для Калифорнийских землетрясений построил калибровочную кривую для перехода от амплитуд, наблюдаемых на произвольном эпицентральном расстоянии к амплитудам, ожидаемым на расстоянии 100 км. Этот тип магнитуды в настоящее время называется локальной (местной) магнитудой - ML, и определяется формулой Рихтера
Магнитуда землетрясения. Шкала магнитуд Рихтера

где А - максимальное значение действительного перемещения грунта по объемным поперечным волнам S и микронах, записанного любым сейсмоuрафом, Δ - эпицентральное расстояние в километрах.
Формула (1.92а) применима только для мелкофокусных местных землетрясений типа изученных Рихтером с Δ ≤ 600 км.
Для землетрясений с опицснтральным расстоянием Δ ≥ 600 км на сейсмограммах преобладают поверхностные волны с большими периодами. Для мелкофокусных» удаленных землетрясений (телесейсмических) Гутенберг вывел следующую формулу магнитуды Ms:
Магнитуда землетрясения. Шкала магнитуд Рихтера

где А - горизонтальная компонента действительного перемещения грунта (в микронах), вызванного поверхностными волнами с периодом около 20 секунд.
Международной ассоциацией сейсмологии и физики недр (IASPEI) для Ms рекомендовано следующее выражение:
Магнитуда землетрясения. Шкала магнитуд Рихтера

где (А/Т)max - максимум из всех величин A/T (амплитуда/период) у различных волновых групп на сейсмограмме. Для Т=20сек уравнение (1.92в) почти совпадает с уравнением (1.92б).
Особенность перечисленных трех формул (1.92) заключается в том, что при увеличении эпицентрального расстояния Δ максимальное перемещение грунта А уменьшается и наоборот, поэтому в итоге одно и то же самое землетрясение, зарегистрированное на разных расстояниях от эпицентра, будет иметь почти одинаковую величину магнитуды. Уравнения (1.92) считаются применимыми только для мелкофокусных землетрясений с глубиной очага h не более 60 км. Для более глубоких землетрясений шкала магнитуд основана на амплитуде телесейсмических объемных волн mв и определяется формулой:
Магнитуда землетрясения. Шкала магнитуд Рихтера

где T - период измеряемой волны, а А - представляет собой амплитуду грунта, C(h, Δ) - эмпирический коэффициент, зависящий от глубины очага и эпицентрального расстояния, определяемого по специальным таблицам.
Эмпирически установлена следующая зависимость между mв и Ms
Магнитуда землетрясения. Шкала магнитуд Рихтера

Отметим, что значения mн и M совпадают при mн = M=6.75, выше этого M=mн, ниже M=mн.
Магнитуда землетрясения. Шкала магнитуд Рихтера

Все вышеприведенные рассуждения и формулы, несмотря на внешнюю простоту, при их практическом применении сталкиваются с определенными трудностями, связанными с переводами величин перемещений грунта, записанных современным сейсмографом, к записям сейсмографа Вуда-Андерсона, с установлением угла падения фронта сейсмических волн, глубиной очага и фиксацией на сейсмограмме положений первых вступлений объемных и поверхностных волн Р, S, L и их периодов, а также связанными с грунтовыми условиями места регистрации землетрясения. Поэтому все сейсмические станции имеют свои корректирующие коэффициенты для определения магнитуды. Все расчеты производятся с применением компьютерных программ или специальных номограмм. Одни из таких номограмм, заимствованная из, показана на рис. 1.43. Ho, несмотря на все это, из-за сложности сути самого землетрясения, неоднородности путей распространения сейсмических волн и неидентичности сейсмографов значения магнитуды одного и того же землетрясения, вычисленные на разных сейсмических станциях, всегда отличаются друг от друга, причем что отличие может достигать величины 0.5.
Считаем необходимым еще раз отметить, что разработка концепции оценки силы землетрясения посредством шкалы магнитуд является фундаментальным шагом в развитии количественной сейсмологии. Никакая другая мера не описывает масштаб землетрясения в целом так полно и точно. Шкала магнитуд дает возможность, имея хотя бы одну инструментальную запись (сейсмограмму) землетрясения на поверхности Земли вне зависимости от места происшествия и степенью причиненного последствия, количественно оценить масштабы и мощь землетрясения.