Trzęsienia ziemi – czym są i jak powstają?

Przypomnijmy, czym są trzęsienia ziemi – są to wstrząsy, drgania skorupy ziemskiej. Drgania te mogą być pojedyncze lub wielokrotne, będące „echem” pierwszego wstrząsu, nazywane wówczas wstrząsami wtórnymi. Źródłem drgań są ruchy mas skalnych w skorupie ziemskiej oraz przemieszczanie się magmy. Samo drganie jest falą, w tym przypadku falą sejsmiczną. Trzęsienie ziemi jest zjawiskiem zachodzącym pod powierzchnią ziemi, ale jego skutki odczuwane są na powierzchni.

Trzęsienia ziemi występują głównie wzdłuż stref ryftowych i stref subdukcji. Na wielu obszarach na świecie trzęsienia ziemi nie występują wcale, dlatego wyróżnia się obszary:

• asejsmiczne, gdzie trzęsienia ziemi nie występują;

• pensejsmiczne, gdzie trzęsienia ziemi są słabe i występują rzadko;

• sejsmiczne, gdzie trzęsienia ziemi są silne i występują często.

Trzęsienia ziemi spowodowane ruchami płyt tektonicznych występują najczęściej i mają największy zasięg. Stanowią one blisko 90% wszystkich trzęsień. Znacznie rzadziej występują trzęsienia spowodowane wybuchami wulkanów. Zjawiska wulkaniczne są związane również z przemieszczaniem się magmy, ale także z wydobywaniem się gazów na powierzchnię, dlatego też mogą prowadzić do drgań i powstawania fal sejsmicznych. Najrzadziej występują trzęsienia ziemi związane z występowaniem kopalń czy jaskiń i zapadaniem się ich stropów.

Siła trzęsień ziemi

Siła trzęsienia zależy zarówno od warunków, w których powstaje, jak również odległości od epicentrumepicentrumepicentrum. Do pomiaru siły trzęsień ziemi można używać różnych skal. Najczęściej stosuje się skalę Mercallego i skalę Richtera.

Skala Mercallego ma 12 stopni i mierzy intensywność wstrząsu, biorąc pod uwagę amplitudę drgań oraz czas drgania.

Indeks dolny Źródło: Skale i skutki trzęsień ziemi, pgi.gov.pl (dostęp 3.09.2021). Indeks dolny koniec_{Źródło: Skale i skutki trzęsień ziemi, pgi.gov.pl (dostęp 3.09.2021).}

Skala Richtera mierzy energię, która zostaje wyzwolona poprzez trzęsienie ziemi, czyli tzw. magnitudę. Każdy stopień skali wskazuje na wyzwolenie energii 10 razy większej niż stopień poprzedzający. Najczęściej jednak skalę tę oznacza się do maksymalnie 10 stopni, co ma związek z najsilniejszym dotąd zanotowanym trzęsieniem ziemi, wynoszącym 9,5 stopnia w tej skali.

Indeks dolny Źródło: Skale i skutki trzęsień ziemi, pgi.gov.pl (dostęp 3.09.2021). Indeks dolny koniec_{Źródło: Skale i skutki trzęsień ziemi, pgi.gov.pl (dostęp 3.09.2021).}

W Europie stosowana jest 12‑stopniowa skala intensywności, nazwaną Europejską Skalą Makrosejsmiczną – EMS‑98 (European Macroseismic Scale).

Indeks dolny Źródło: Skale i skutki trzęsień ziemi, pgi.gov.pl (dostęp 3.09.2021). Indeks dolny koniec_{Źródło: Skale i skutki trzęsień ziemi, pgi.gov.pl (dostęp 3.09.2021).}

Pomiar trzęsienia ziemi

Pomiar siły trzęsienia ziemi jest możliwy dzięki sejsmografomsejsmografsejsmografom, czyli urządzeniom, które rejestrują drgania w skorupie ziemskiej. Podstawowym elementem sejsmografu jest wahadło, czyli element zawieszony swobodnie, który reaguje ruchem na pojawiające się trzęsienie skorupy ziemskiej. Zapis trzęsienia ziemi tradycyjnie odbywał się za pomocą rylca, który odrysowywał trzęsienie na powierzchni stykającego się z nim walca (zob. poniższy rysunek). Później stosowano zapis za pomocą taśmy światłoczułej, a obecnie sejsmografy obsługiwane są za pomocą komputerów. Bez względu na zastosowany sposób zapisu, efektem jest sejsmogramsejsmogramsejsmogram, dzięki któremu można opisać przebieg trzęsienia.

RZOisVGLp50Ig

Na rysunku znajduje się schemat budowy sejsmografu. Jego podstawą jest rama składająca się z dwóch półek: położonej wyżej i niżej. Niższa półka jest dłuższa, na niej umiejscowiony jest walec, który jest obrotowy - na nim są rysowane fale sejsmiczne. Od górnej półki odchodzi w dół sprężyna z zawieszoną sześcienną masą. Do jej od boku przyczepione jest piórko. Jest ono połączone z walcem, a jego zadaniem jest rysowanie fal sejsmicznych na walcu.

Rvko05pt94fKF

Grafika przedstawia sejsmogram trzęsienia Ziemi na Morzu Japońskim z 30.03.2010 roku. Wykres składa się z osi pionowej y obrazującej amplitudę oraz drugiej poziomej osi x przedstawiającej czas. Równolegle do osi x biegną trzy linie wykresu, które podnoszą się cyklicznie w górę i w dół. Przy tych liniach zaznaczone są czerwone litery. Przy górnej linii jest linia z literą P oznaczająca fale podłużne. Przy środkowej linii są dwie litery. Kolejno są to od prawej linia S – oznaczająca fale poprzeczną, a literą L – fale powierzchniowe.

Metody przewidywania trzęsień ziemi

Możliwość przewidywania trzęsień ziemi ma związek z pewnymi zjawiskami, które poprzedzają trzęsienie właściwe. Można do nich zaliczyć:

• spiętrzanie gruntu, które jest jednak niewidoczne gołym okiem i wymaga aparatury pomiarowej (przykładem może być wypukłość Palmdale koło Los Angeles),

• różną charakterystykę fal sejsmicznych (fale sejsmiczne pionowe zmniejszają swoją prędkość na kilka miesięcy lub tygodni przed trzęsieniem i ponownie przyspieszają tuż przed nim),

• zmianę poziomu wody w studniach,

• wzrost zawartości radonu w wodach gruntowych.

Indeks dolny Źródło: oprac. na podstawie P. Węgrzyn, Trzęsienia ziemi i szósty zmysł zwierząt, „Foton” 2008, nr 103, s. 23–32; cordis.europa.eu (dostęp 3.09.2021); USGS, The San Fernando, California, earthquake of February 9, 1971; a preliminary report published jointly by the U.S. Geological Survey and the National Oceanic and Atmospheric Administration, USGS, 1971. Indeks dolny koniec_{Źródło: oprac. na podstawie P. Węgrzyn, Trzęsienia ziemi i szósty zmysł zwierząt, „Foton” 2008, nr 103, s. 23–32; cordis.europa.eu (dostęp 3.09.2021); USGS, The San Fernando, California, earthquake of February 9, 1971; a preliminary report published jointly by the U.S. Geological Survey and the National Oceanic and Atmospheric Administration, USGS, 1971.}

Podane w tabeli przykłady mogą stwarzać wrażenie, że nauce udało się opracować metody pozwalające precyzyjnie określić czas i miejsce wystąpienia trzęsienia ziemi. Niestety, ciągle jeszcze są to jednostkowe przypadki. Najbardziej spektakularnym przykładem jest bez wątpienia trzęsienie ziemi o sile 7,3 stopnia w skali Richtera, które 4 lutego 1975 roku nawiedziło miasto Haicheng w prowincji Liaoning, w północno‑wschodnich Chinach. Miasto uległo zniszczeniu, ale ofiar było relatywnie niewiele, około 200 osób, ponieważ sejsmolodzy na podstawie obserwacji nietypowego zachowania zwierząt przewidzieli trzęsienie i ostrzegli ludność przed niebezpieczeństwem. Była to pierwsza w historii pomyślna prognoza trzęsienia ziemi. Zarządzono ogólną ewakuację, w wyniku czego milion osób zamieszkałych w tym rejonie opuściło domy. Zaledwie pięć i pół godziny po ostatnim ostrzeżeniu nastąpił niszczycielski wstrząs.

Niestety system oparty na badaniu występowania radonu nadal nie doczekał się twardych dowodów potwierdzających jego skuteczność. Emisja tego gazu ze skorupy ziemskiej nie musi być bowiem powiązana z nadchodzącym trzęsieniem ziemi i z tego względu jest powodem dużej liczby fałszywych alarmów, co sprawia, że technologia ta jest mało wiarygodna. Duże nadzieje wiązano z pomiarami promieniowania elektromagnetycznego w żyłach kwarcu, na poziom którego mają wpływ naprężenia poprzedzające trzęsienie ziemi.  Niestety nie znaleziono sposobu na oddzielenie promieniowania elektromagnetycznego kwarcu od promieniowania generowanego przez inne minerały.

Zdaniem specjalistów mimo prowadzenia intensywnych i wielokierunkowych badań obecnie nie potrafimy dokładnie przewidzieć czasu trzęsienia ziemi w krótkim okresie. Znacznie łatwiej jest przewidywać możliwości wystąpienia takich zdarzeń w dłuższych, minimum dziesięcioletnich okresach.

Znaczenie przewidywania trzęsień ziemi

Trzęsienia ziemi, zwłaszcza te o większej sile, wywołują znaczące skutki ekologiczne oraz powodują straty gospodarcze, stwarzają także zagrożenie dla zdrowia i życia ludzi i zwierząt. Do najważniejszych skutków trzęsień ziemi należy zaliczyć:

• zniszczenia zabudowy (budynków, dróg, infrastruktury),

• ofiary w ludziach,

• obrywanie materiału skalnego (np. na brzegach lub w dolinach),

• ruchy osuwiskowe,

• pęknięcia na powierzchni ziemi,

• zmiany poziomu wód gruntowych,

• fale tsunami (jeśli trzęsienie ziemi występuje w dnie oceanicznym),

• zmiany ukształtowania terenu.

Skoro jeszcze nie dysponujemy metodami pozwalającymi na precyzyjne przewidywanie występowania trzęsień ziemi, być może należy skoncentrować się na zapobieganiu ich skutkom. Największe znaczenie w tym względzie mają działania z zakresu inżynierii lądowej, a w szczególności związane z mechaniką konstrukcji, ponieważ większość strat i ofiar powodowana jest przez zaburzenie stabilności podłoża i zniszczenie zabudowy (nie licząc oczywiście skutków wtórnych wywołanych przez tsunami). Zapobieganie polega generalnie na odpowiednim projektowaniu konstrukcji obiektów budowlanych, tak aby były one zdolne wytrzymać wstrząsy powstałe podczas trzęsień ziemi.

Ro6S20k0qpaEH

Przedstawiona jest symulacja wpływu fal sejsmicznych na budynek o zwykłej konstrukcji i na budynek przystosowany konstrukcyjnie do drgań gruntu. Są to dwa modele budynków. Po prawej widnieje budynek o zwykłej konstrukcji. Drga on na prawo i na lewo i jest niestabilny. Po prawej stronie jest budynek przystosowany konstrukcyjnie do drgań gruntu. Budynek praktycznie nie drga.

Słownik