» » Энергия землетрясения

Энергия землетрясения

15.08.2016

Магнитуда землетрясения - это очень простой и надежный параметр землетрясения. Ho эта величина, как мы видели выше, относительная и, самое главное, не имеет физического смысла. Другое дело энергия, которая измеряется по физически точной шкале. Чтобы судить о конкретной мощи источника (очага) необходимо связать шкалу магнитуд с параметрами выделяемой при землетрясении энергией. Установление такой зависимости обусловлено множеством предположений, связанных с деформационным характером очаговой зоны, его глубиной, величинами скоростей vp и vs, изменением плотности среды по глубине, характером сейсмограммы и се продолжительностью и др. Однако, несмотря на все что из формулы (1.47), выведенной для интенсивности потока энергии при распространении сейсмических волн, видно, что энергия сейсмических волн пропорциональна квадрату амплитуд колебания частиц А. С другой стороны, гак как магнитуда землетрясения M согласно ее определению пропорциональна десятичному логарифму тех же амплитуд колебания частиц А, го очевидно, что должна иметь место зависимость:
Ig E = аМ + в,

где а и в некоторые эмпирические постоянные. Для калифорнийских землетрясений, принимая vs=3,4 км/с, ρ=2,7 г/см3 и h=16 км (вероятная глубина очага), рассматривая землетрясение как точечный источник, излучающий цуг гармонических волн однородно по всем направлениям, Гутенберг и Рихтер получили следующую эмпирическую зависимость:
Энергия землетрясения

где E - энергия землетрясения, выраженная в эргах, M - магнитуда землетрясения. Отметим, что 1 кгс*м = 9,8*10в7 эрг = 9,8 джоуль, 1 кВ*ч = 3,6*10в6 дж = 3,6*10в13 эрг.
Для зависимости между E и M различными авторами были предложены следующие линейные зависимости:
Энергия землетрясения

Б.Гутенбергом была получена также нелинейная зависимость в виде:
Энергия землетрясения

Разница в величине магнитуды, вычисленной по формулам (1.106)-(1.108), может достигнуть до 0,5 и более. В настоящее время наиболее приемлемой считается формула (1.106). Отметим, что энергия, выделяемая при землетрясении средней силы, сравнима с энергией взрыва атомной бомбы. Энергия атомной бомбы, сброшенной американцами на Японский город Хиросима в 1945 году, составила 8*10в20 эрг, а энергия современной одной мегатонной атомной бомбы составляет приблизительно 5*10в22 эрг, т.е. современная атомная бомба примерно в 60 раз мощнее, чем первая атомная бомба. Ho ни одна атомная бомба со своей энергией не может быть сравнима с энергией землетрясения с магнитудой 8 и более. Так, при землетрясении с магнитудой 8.9 выделяемая энергия эквивалентна сумме энергий 12000 атомных бомб, сброшенных на Хиросиму, или сумме энергий 200 одной мегатонных современных атомных бомб. Во время Спитакского землетрясения 7 декабря 1988 года величина выделяемой энергии достигла 110*10в20 эрг, что равносильно сумме энергий 14 хиросимовских атомных бомб.
Наихариктерной особенностью зависимости между энергией землетрясения и его магнитудой является резкий рост величины энергии по сравнению с увеличением магнитуды. Расчеты показывают, что если M увеличивается на 20%, выделяемая энергия E удваивается, а при увеличении магнитуды на единицу - энергия растет в среднем в 32 раза. Так как величина энергии, выделяемой при землетрясении, более адекватно характеризует его разрушительные способности, то это означает, что землетрясения с магнитудой M=7 в 32 раза разрушительнее, чем землетрясение с магнитудой М=6, а не в 10 раз, как это вытекает из определения магнитуды. Ниже в табл. 1.10 приведены величины энергии при землетрясениях с различными магнитудами, вычисленные по формуле (1.106).
Энергия землетрясения

На рис. 1.49 показана графическая зависимость между энергией землетрясения и магнитудой для ряда слабых и сильных землетрясений.
У некоторых специалистов распространено мнение, согласно которому определенное количество слабых землетрясений, происходящих в данном регионе, могут погасить накопленную в земных недрах энергию и тем самым предотвратить возможность возникновения сильного землетрясения. Отсюда якобы вытекает, что частые слабые землетрясения в одном и том же месте могут стать предохранительным клапаном или гасителем сильных землетрясений.
Энергия землетрясения

Однако простые расчеты показывают, что этого на самом деле не может быть. Так, если величину энергии, выделяемой при землетрясении с магнитудой М=4 принять за единицу, то при более сильных землетрясениях с М≥4 величины отношений энергии, согласно формуле (1.106), будут иметь значения, приведенные в табл. 1.11.
Энергия землетрясения

Из таблицы видно, что должны происходить 1048476 землетрясений с магнитудой М=4, чтобы высвобожденная при них суммарная энергия была равна энергии одного землетрясения с магнитудой М=8, или должны происходить 1024 землетрясений с магнитудой М=5, чтобы энергетически они были эквиваленты одному землетрясению с магнитудой М-7. Как видим, число эквивалентных слабых землетрясений настолько велико, что по существу они не могут привести к гашению одного сильного землетрясения. Так, например, три года подряд ежедневно должно происходить одно землетрясение с магнитудой М=4, чтобы предотвратить одно среднее землетрясение с магнитудой М=6.
С другой стороны, как показывают всемирные данные записей землетрясений, сильные разрушительные землетрясения приурочены к границам тектонических плит (главным разломам), в то время как слабые землетрясения в основном обусловлены вторичными тектоническими образованиями. Поэтому имеются даже предположения, согласно которым активность слабых землетрясений в данном регионе в какой-то мере является сигналом о подготавливающихся процессах сильного землетрясения.
В количественной сейсмологии высвобожденную при землетрясениях энергию характеризуют также введением понятия энергетического класса землетрясения, как десятичный логарифм от общей энергии Е, выраженной в джоулях:
Энергия землетрясения

где k - называется энергетическим классом землетрясения. Таким образом, если при землетрясении высвобожденная энергия составляет 10в1, 10в2, ... 10k джоуль, то соответствующий энергетический класс землетрясения будет 1, 2, ... k. Имеется эмпирическая зависимость между магнитудой M и энергетическим классом к, предложенной Гутенбергом, Рихтером и Раутнан в виде
Энергия землетрясения

согласно которой при М=5, k=13, при М=7,2 к=17, при М=9, k=20.2. Из логарифмической зависимости между E и M вытекает, что двукратное изменение (увеличение или уменьшение) величины энергии землетрясения находится в пределах интервала возможной погрешности при определении его магнитуды с точностью до величины 0.2.