Същност на земетресенията

 

 
Земетресенията са всички внезапно проявяващи се  краткотрайни движения (раздвижвания) на земната повърхност, породени от природни причини. С тези широко разпространени и чести явления се занимава специален клон от геофизиката наречен сеизмология. Затова всички явления, свързани с възникването, проявата, хода и последиците от земетресенията се наричан природни сеизмични явления (за разлика от провокираните по антропогенен път сеизмични ефекти).  Сеизмологията черпи от геологията (особенно тектониката) необходимата информация за строежа и състава на литосферните участъци, които пораждат земетресенията и в които се разпространява тяхното опасно влияние.
 

Историческа справка за представите

"От бича на земетресенията избави ни, о, Господи"
Земетресенията - тези страшни човешки бедствия са занимавали човешкия ум от дълбока древност. Аристотел, Плиний, Шекспир, Томас Хъл и други големи учени и философи от Древността и Средновековието са си обяснявали тези природни явления със затворените в пещерите и другите подземни кухини горещи сухи пари и вятър, които търсят изход към земната повърхност. Това становище подържа Вернер и школата на нептунистите в края на 17-ти и началото на 18-ти век. По това време Хътън и привържениците на плутонизма търсят обяснението на такива явления в действието на "вътрешния земен огън". При съвременното състояние на познанието тези най-страшни за човечеството природни бедствия се обясняват с освобождаването на енергия при нарушаването на цялостта на отделни части на литосферата или вследствие на движения  по вече образувани разломни повърхнини в нея. Именно в такива земекорни и подкорови участъци са локализирани земетръсните огнища.

Основни характеристики на земетресенията

Участъкът от земната вътрешност, където се заражда земетресението  (мястото на източника на сеизмичната енергия) се нарича огнище на земетресението или хипоцентър. Той може да има кръгла, овална или неправилно-овална форма. Това зависи главно от тектонския и геоложкия строеж на съответната част от кората.
Проекцията на хипоцентъра върху земната повърхност се нарича епицентър. Областта от земната повърхност непосредствено над хипоцентъра се нарича епицентрална  или плейстосеистна зона. В нея стават най-значителните земетръсни поражения. 
Разстоянието между епицентъра и която и да е точка от земната повърхност в която е усетено земетресението се нарича епицентрално разстояние

Геофизична същност, енергия и магнитуда на земетресенията 

В определени участъци на земната кора и горната мантия, в хода на геотектонските процеси, може да се осъществи голямо натрупване на еластични напрежения. Когато величината на тяхното количество превиши здравината на вместващите ги скали започва разрушение.Тогава потенциалната енергия бързо (дори мигновено) се трансформира в кинетична, състоянието на еластична напрегнатост изчезва. "Освободената" (кинетична) енергия се разпространява под формата на еластични вълни във всички посоки от мястото на разрушението - т. н. земетръсно огнище. Именно тези вълни се усещат под формата на подземен трус на земната повърхност и предизвикват раздвижването й или пораждат различно силни поражения в или върху нея.
Количеството еластична енергия, освободена при дадено земетресение е критерий за неговата сила (енергиен потенциал). 
Количеството на земетръсната енергия (Е) се изчислява в ергове или джаули. 1 ерг = 1 дина/см; 1джаул = 107 ерга. Тогава Е = π2ρV(а/Т)2, където: V - скоростта на разпространението на сеизмичните вълни, ρ - плътността на веществото в литосферата, а- амплитуда на преместването, Т- период на люлеене. Тези параметри се определят от сеидзмичните станции.
Земетръсната енергия се изменя от 1010 ерга до 1025 ерга. При силни земетресения отделящата се земетръсна енергия превишава няколко милиона пъти енергията на обикновенна атомна бомба. На земната повърхност ежегодно се отделя земетръсна енергия от порядъка на 0,5.1026 ерга.
За удобство земетръсната енергия се представя не в абсолютните си величини, а с техните логаритми Те представляват енергийния клас на земетресенията (К). К = lgЕ и се изменя от 0 (за най-слабите земетресения) до 18 (за най-силните земетресения).
Силата на земетресенията се изразява и чрез понятието магнитуда (М). Тя се оценява по сеизмограмите в сеизмографните станции. Представлява логаритъма на съотношението между максималната амплитуда на преместване на частиците на почвата за някое земетресение (А) спрямо същата амплитуда за отределено, прието за еталон слабо земетресение (А*): М = lg А/А*. Реалните стойности на магнитудата се изменят от 0 до 8.8 при най-силните (катастрофалните) земетресения.

Сеизмични вълни

Освободената в земетръсното огнище земетръсна енергия се разпространява във вид на надлъжни и напречни сеизмични вълни. 
Надлъжните вълни  (Р) представляват вълни на свиване, които се разпространяват в твърда течна и газова среда. Трептенето на частиците се извършва паралелно на посоката на движение на вълната.
Напречните вълни (S) са резултат на реакцията на средата при промяна на формата й. Следователно те се разпространяват само в твърда среда. При тях частиците на веществото трептят напречно на посоката на движението на вълната.
Скоростта на разпространение на надлъжните вълни (Vp - от 5,57 до 7,6 км/сек) e по-голяма с около 1.7 пъти от тази на напречните вълни (Vs - от 3,36 до 3,7 км/сек), защото съотношението  Vp:Vs= квадратен корен от 3. Затова пристигащата първа в дадена точка на земната кора надлъжна вълна се обозначава като Unda prima - първа вълна, а пристигащата по-късно напречна вълна - като Unda secunda - втора вълна.
Повърхностните дългопериодични вълни (L - Unda longa) или вълни на Релей възникват на границата между две среди с различно агрегатно състояние (напр.: течност/газ, твърдо вещество/газ, течност/твърдо вещество и пр.). Тяхната скорост (Vl) е малка  - от порядъка на 0.9 Vs. Повърхностните вълни бързо затихват в дълбочина и в страни от епицентъра. В епицентралната зона обаче те могaт да породят значителни разрушения.

Параметри на земетръсното огнище

Земетресенията са свързани с образуване или преобразуване на разломни нарушения. 
Всеки елементарен обем скала (напр. 1 см3) може да натрупа при разрушението си само ограничено количество еластична енергия (в случая 103 ерг/см3). Затова разликата между силните и слабите земетресения  не е във величината на напреженията, а в разликата на обема на огнищата, породили съответната земетръсна енергия.
Обемът на огнището включва цялото пространство от земните недра в което са разположени хипоцентрите на главния трус и на всички по-късни съпровождащи го трусове. Ако се приеме, че този скален обем има сферична форма, то, според предложената от Бот формула, логаритмът на абсолютната стойност на този скален обем е равен на : lgV=(9.58+0.51) + (1.47+0.14) М, където:
V - обемът на огнището в см3 и М - магнитудата (формулата е приложима за М от 5.3 до 8.7).
Дължината на сеизмогенното нарушение се изчислява посредством получената по емпиричен път формула на Шебалин: lgL = 0.5М - 1.8.

Интензитет (сила) на земетресенията

Интензитетът (силата) на земетресението отразява неговата външна изява - породените от него ефекти върху земната повърхност в плеистосеистната или земетръсна област. 
 
 
Интензитетът на земетресенията се измерва в балове по визуален път, въз основа на: 1/ впечатленията на човака, 2/ степента и характера на повредите в различни конструкции и други съоръжения, породени от земните трусова, 3/ размерите и характера на деформациите настъпили в земната повърхност. За целта са създадени различни скали (Пиганторо и Саркони - 5 степени от 1783 год. по земетресението в Калабрия; Роси - Форел - 10 степени от 1883 год. ; Меркали - Канкани 12 степенна ; Зиберг, по Меркали и Канкани - 12 степенна от 1911 год.; Меркали - Канкани - Зиберг -12 степенна международна от 1912 год. ; Омори - 6 степенна за Япония; Карник - Медведев - Шпонхойер 12 степенна от 1964). У нас се прилага 12 степенната скала:
1-ва степен - незабележимо - ускорение - 2,5 мм/сек2 - установява се само от сеизмични прибори.
2-ра степен - много слабо - ускорение - 2,5 - 5,0 мм/сек2  - усеща се само от отделни хора в покой (по високи сгради).
3-та степен - слабо - ускорение - 5,0 - 10,0 мм/сек2  - усеща се от определен брой хора. Във високите етажи е възможно слабо люлеене и трептене на стъкла. Може да се установи продължителността и посоката на труса.
4-та степен - умерено - ускорение - 10,0 - 25,0 мм/сек2  - усеща се от много хора. Спящи хора се събуждат. Скърцане на врати и прозорци, люлеени на висящи предмети. Посудата трепери, скърцат мебели и дървения. Прогресивно усилване на ефектите в по-горните етажи. Усещането напомня на минаване на тежък камион през мост.
5-та степен - чувствително - ускорение - 25,0 - 50,0 мм/сек2 - Усеща се от всички хора, включително и тези на открито. Всички спящи се събуждат. Висящите предмети се люлеят, а някои незакрепени падат. Малки камбани звънят. Възможно е леко отместване на мебели. Врати и прозорци може да се отварят. Часовници с махала спират.
6-та степен - силно - ускорение - 50,0 - 100,0 мм/сек2  -  паника, дърветата се люлеят, незакрепени предмети падат, мебели се преместват, образуват се малки пукнатини в мазилката. Възможно е образуване на срутища и свлачища и пукнатини в алувиални наслаги.
7-ма степен - много силно - ускорение -  100,0 - 250,0 мм/сек2  - всеобща паника, звън на църковни камбани. Някои хора трудно се удържат на крака, земетресението се чувства в превозни средства. Свличания и каменопади върху планински пътища, пукнатини по пътното платно. Сериозни повреди в слабо свързаните сгради. Покриви и комини падат. Големи стъкла се натрошаватВодата в извори помътнява. Възможно изчезване и появяване на извори. 
8-ма степен - разрушително - ускорение - 250,0 - 500,0 мм/сек2 - сериозни повреди в устойчиви сгради. Повреда и прекъсване на газопроводи, топлопроводи, нефтопроводи, водопровопи, електропроводи. Срутва паметници и сгради без носещи колони. Начало на повреди в стоманобетонни конструкции. Разседи и пукнатини в алувиални и езерни наслаги.
9-та степен - опустошително - ускорение -  500,0 - 1000,0 мм/сек2  - много сериозни повреди в постройките и разрушаване на някои сгради. Възможни локални наводнения. Свлачища по стръмните планински склонове
10-та степен - унищожително - ускорение - 1000,0 - 2500,0 мм/сек2  - Повреди в железобетонните конструкции. Разрушаване на много сгради и повреди в паянтовите сгради. Образуване на разседи с амплитуда 1 - 2 метра. Отзяване на пукнатини до 1 метър.
11-та степен - катастрофално - ускорение - 2500,0 - 5000,0 мм/сек2  - разрушаване на много най - устойчиви постройки. Скъсване на язовирни стени. Начало на промени в релефа - разседи до 5 метра амплитуда. Повреждане и скъсване на шосета. Масово образуване на свлачища и срутища.
12-та степен - силно катастрофално - ускорение -  над 5000,0 мм/сек2  - разрушаване на всякакви конструкции. Сериозни промени в релефа. Срутване на пещерни сводове. Образуване на дълги разломи и пр.
При съединяване на точките от земната повърхност, където дадено земетресение се е проявило с еднакъв интензитет в изосеистната му зона се получават линии наречени изосеисти. Тяхната общо взето овална форма зависи твърде много от геоложкия строеж на горните части на земната кора.
Взаимоотношенията между магнитуда и степента на земетръса може да се определи приблизително по следната емпирична формула  М = 1,3 + 0,6В, където :М - магнитуд, В - степен на земетресението.
Скалата "М" е въведена от Рихтер през 1935 год. и пригодена за далечни земетресения от Гутенберг през 1945 год. Взаимоотношенията между дълбочината, магнитуда и степента на земетръса е в най- общи линии следната:
 
Дълбочина в км.          Магнитуда
                                5       6             7      8      
10                            7      8 - 9      10    11 - 12
20                            6      7 - 8        9    10 - 11
40                            5      6 - 7        8      9 - 10
                               Степен
 

Дълбочина на земетръсните огнища

Установява се по сеизмограмите от сеизмичните станции и с помоща на изосеистите. По единична станция в близост до епицентъра дълбочината на земетръсното огнище (фокусът) h е равен на квадратен корен от израза:
 (t.Vp)2 - Δ2 , където t - времето за достигане на надлъжните вълни от хипоцентъра до станцията, Vp - средната скорост на надлъжните вълни, Δ - разстоянието между епицентъра и станцията. Според дълбочината си земетръсните огнище се разпределят на : повърхностни - до 40 - 50 (според някои до 70) км., междинни  - до 300 км и дълбоки - над 300 км. Повърхностните земетресения се наричат още плитки или нормални Те се делат на много плитки (в непосредствена близост до земната повърхност), в средната част на земната кора - от порядъка на 10-20 км и в основата на кората (до границата на Мохоровичич) - 30-40 до 50 км. За сега не е регистрирано земетресение с по- голяма дълбочина от 720 км. 
75% от земетръсната енергия се освобождава при повърхтностните земетресения, а само 3% - от дълбоките. В дълбочина количеството на земетръсните огнища намалява бързо.

Видове земетресения

95% от земетръсните огнища са привързани към сушата и само 5% - към океанското дъно.
Голямото мнозинство на земетресенията са тектонски. Те се дължат на движението на литосферните плочи и на промени в тяхния вътрешен строеж. Тук спадат всички големи и катастрофални земетресения.
Вулканските земетресения са породени от движението на магмата във вулканското гърло и изригването й, което често е придружено с мощни взривове. Всичко това поражда локални земетресения около вулканския апарат. В случаите когато вулканизмът е причинен от непосредствено раздвижване на земните пластове (например по разлом) породеното от това земетресение е тектонско.
Денудационните (обвалните) земетресения се дължат на освобождаване на гравитационна потенциална енергия при срутване на земни маси в близост с големи (най-често карстови) кухини в непосредствена близост до земната повърхност. Те са слаби земетресения и обикновенно се усещат на стотина километра, като максималният им констатиран интензитет е от 6-та степен.
Разновидност на природните обвални земетресения са техногенните обвални земетресения. Те се пораждат от срутвания на най-често изоставени след края на експлоатацията минни галерии и други подземни съоръжения.
Земетресенията в близост с дъната на водните басейни се наричат общо моретръси. Някои от тях - в океаните - пораждат особен вид огромни морски вълни - цунами. Те имат скорост от 400 до 800 км/час и дължина  до 200-300 км.При приближаване на сушата достигат височина до 20 м. и причиняват страхотни поражения в акваторията и самото крайбрежие.

Причини и географско разпределение на земетресенията

Групирането на повече от 90 % от земетресенията в много дълги (от порядъка на хиляди километри) и сравнително тясни (първите стотици километри) сеизмични пояси по земната повърхност е в непосредствена връзка със строежа на литосферата и изграждащите я литосферни плочи. Това обяснява и най- голямата концентрация на земетръсните огнища в приповърхностните и горните части на кората. 
Значителна част от земетресенията възникват по и в близост с океанските хребети, т. е. на границата между раздалечаващи се литосферни плочи (зони на спрединг). Пример в това отношение е Атлантическия сеизмичен пояс, който пространствено добре се покрива с Атлантическия срединен океански хребет. Той групира около 4-5 % от световните сухоземни земетръсни огнища и около 10% от океанските земетръсни огнища.
Най-голям брой земетръсни огнища са привързани към контактите между континеталните литосферни плочи и подпъхващата се под тях (в зоните на субдукция) океанска кора. Такъв е Тихоокеанския сеизмичен пояс, който има пръстенообразна форма и опасва Тихия океан. В него са концентрирани около 75% от сухоземните и 90% от океанските земетръсни огнища.
Третият основен сеизмичен пояс е Средиземноморско - Трансазиятският, които се следи от Гиблартар, през Средиземно море, Хималаите и достига Индокитай. Той маркира грандиозният колизионен контакт между континетални плочи по местата (в зоната на шева или сутурата) на вече затворения древен Тетиски океан. Характерни примери в това отношение е подпъхването на Арабската и Индийската континентални плочи под Евроазиатския континентален масив. В Средиземноморско-Трансазиатския сеизмичен пояс  са групирани около 20 % от световните земетръсни огнища. 
Значително концентриране на фокуси на земетресения се констатира и в срединните океански хребети в Индийския океан и между него и Австралия от север и Антарктида от юг.
Споменатите сеизмични пояси добре съвпадат със зоните на най- значителна съвременна вулканска активност. Това е напълно разбираемо от гледна точка на еднаквата кинематична природа на тези два тектонски процеса.

Влияние на скалите върху сеизмичния ефект.

Емпирично е констатирано, че сеизмичния ефект в магмените скали и в частност в гранита е минимален. Затова гранитът (в свежо, недислоцирано състояние) се приема за еталон на сеизмоустойчивостта на скалите. 
Сеизмичното въздействие е особенно силно в пясъците, глините, делувиално-пролувиалните шлейфове, алувиалните наслаги и другите неспоени утайки.
Повишената водонаситеност и даже овлажненост на скалите също повишава сеизмичните ефекти. В силно овлажнени скали се наблюдават даже пластични ефекти - малки приразломни гънки. По отношение на ролята на водонаситеността особенно опасни се явяват ниските речни тераси.
От особенно значение е цялостната наблоченост на скалния масив от действието на по-стари (преди земетресението) деформационни процеси. Редица вече образувани фрактури може да се проявят като основни канали за провеждане на сеизмичната енергия.
Степента на процесите на ерозията и изветрянето разхлабва връзките между отделните скални частици и повишава селата на сеизмичното въздействие. Така се пораждат редица срутища в не особенно устойчиви по тези причини скали.
Сеизмичната енергия намира много благоприятна почва за изява при редица свлачища, чиято вече дестабилизирана скална маса и без това се намира в неустойчиво равновесие.

Влияние на релефа върху сеизмичните ефекти

Сеизмичните поражения са особенно интензивни в силно разломените котловинни и депресионни дъна, както и по опасващите ги разломи. По правило хорстообразно издигнатите по-слабо засегнати от разломната деструкция земекорни блокове са по-слабо засягани от сеизмичнити въздействия.
Сеизмичната енергия се разпространява не само по вече съществуващите разломни структури, но също може да съдействува за образуването на нови такива. Особенно интензивни са сеизмичните поражения в зоните на латералния завършек на разломите - там където те най-често се "разпръстяват" на наколко второстепенни фрактури под формата на "конска опашка". Това са и зоните на странично нарастване (удължаване) на разлома. Тук пораженията се проявяват в по-широка ивица, поради разпръстяването на главната фрактура. Непосредсвеният израз на сеизмичната активност по дадена разломна повърхнина е оголването на склона на високия (издигнатия блок), комбинирано с формирането на фацетен строеж, активизирането и нововъзникването на срутища и свлачищни явления. 
Особенно изразителни са ефектите на обвалните земетресения в карстовите райони. Те пораждат внезапното възникване на депресионни земеформи с най-различна  (общо взето овална или неправилно овална) форма и понякога със значителни размери.
Вулканските земетресения най-често довеждат до унищожаването на вулкански апарати или на техни части. Класически е примерът с вулкана Кракатау на Зондските острови, от чийто конус вследствие на разрушителните експлозии в хода на изригването му е унищожен не само вулканския му конус, но и голяма част от самия остров.

Сеизмично прогнозиране, райониране и противоземетръсно строителство. 

Опасността от земетресенията наложи през последното столетие да се вземат възможно най-ефективни контрамерки. 
На първо място това е провеждането на сеизмично райониране на земетръсно заплашените райони с оглед изясняването на обхвата на площите с определена предполагаема максимална степен на сеизмична опасност.  За районите на големи селища или други крупни технически съоръжения вече се изисква изготвянето на микросеизмично райониране на цялата им територия. 
В заплашените от земетресения области на земната повърхност е въведено задължително противоземетръсно строителство. Неговите норми са съобразени със характера и степента на локалната сеизмична опасност (предполагаем интензитет на земетръсния удар, състояние на скалния масив и др.) и са взети в предвид при конструирането на съответните технически съоръжения. 
Най-голямото предизвикателство пред сеизмологията е проблемът за възможностите за евентуално предсказване на земетресенията. Редица сеизмични станции и институти (в Италия, Камчатка, Япония и др.) вече са постигнали сериозни успехи в локалните прогнози. Бъдещето ще покаже какви са човешките възможности в тази насока.
 
Автор: проф. дгмн Цанко Цанков