Познавательная сейсмология. Научно-популярные материалы

УрО РАН, 2013.
Научно-популярные материалы предназначены для учащихся старших классов общеобразовательных учреждений с целью расширения кругозора школьников о науке сейсмологии, о сейсмической ситуации Баренцева Евро-Арктического региона по данным станций Архангельской сейсмической сети.
Ответственный редактор: к.т.н. Г.Н. Антоновская
© Институт экологических проблем Севера, 2013

Лекции созданы в рамках ФЦП на 2009-2013 гг. (соглашение № 8331)

Волновая картина при землетрясениях: основные понятия.
1.4 Основные типы сейсмических волн.
1.5 Классификация землетрясений.
1.6 Энергетические характеристики землетрясений.
1.7 Средства измерения землетрясений.
Архангельская сейсмическая сеть. Сейсмические исследования в Арктике.
2.1 ИЭПС УрО РАН – форпост академической науки на Севере в области
сейсмологических исследований.
2.2 Сейсмические сети мира, международные сейсмологические сообщества.
2.3 Архангельская сейсмическая сеть – цели, задачи, техническая оснащенность.
2.4 Система сбора и обработки информации.
2.5 Научные предпосылки и задачи нового этапа освоения Арктики.
2.6 Сейсмическая ситуация в Баренц Евро-Арктическом регионе.
2.7 Землетрясения в Архангельской области.

«Познавательная сейсмология»

пород)

З Е М Н А Я К О Р А – эта геосфера составляет небольшую долю от всей массы Земли. Её толщина (мощность) и состав непостоянны, и в соответствии с этим выделяют три типа земной коры.

поверхность Конрада
(австрийский сейсмолог
В. Конрад, 1876-1962 гг.)

где происходит смена континентальной коры на океаническую (например, область окраинных морей, архипелагов островов и островных дуг).

Кора океанического типа:
толщиной не более 5–10 км

З Е М Н А Я К О Р А – эта геосфера составляет небольшую долю от всей массы Земли. Её толщина (мощность) и состав непостоянны, и в соответствии с этим выделяют три типа земной коры.

– самая крупная
геосфера Земли, занимает 83 % ее объема и состав-
ляет около 66 % ее массы.
Несколько границ раздела:
– поверхность Мохоровичича (граница Мохо или граница М),открытая в 1909 г. югославским сейсмологом А. Мохоровичичем (1857–1936);
– поверхность Вихерта-Гутенберга (граница Гуттенберга или граница Г), открытая в 1914 году немецким сейсмологом Б. Гутенбергом (1889-1960);

По значениям физических параметров мантия делится:
– верхняя мантия (слой B, или слой Гутенберга, 400 км).
[на глубинах 70–150 км, наблюдается область со специфическими свойствами, где предположительно развиваются очаги плавления вещества мантии – астеносфера. Земная кора вместе с твердой частью слоя

Гутенберга образует единый жесткий слой, лежащий на астеносфере, который называется литосферой, или каменной оболочкой Земли.]
– средняя мантия (слой C, или слой Голицына, 800-1000 км), названный в честь российского сейсмолога Б.Б. Голицына (1862–1916).
– нижняя мантия (слой D до глубины 2900 км с переходным слоем D1 – от 2700 до 2900 км).

геосфера Земли, которая занимает около 17 % ее объема и составляет 34 % ее массы.

Границы и слои внутри Земли носят названия в честь выдающихся сейсмологов, поскольку особенности глубинного строения Земли во многом были установлены именно с помощью сейсмических методов

– внешнее ядро (слой E, от границы Гутенберга до границы на глубине 4980 км). Обладает свойствами жидкости и достаточно пластично.
– переходная оболочка (слой F, в интервале глубин 4980–5120 км);
– субъядро (слой G, глубже 5120 км) – граница раздела, называется также границей Леман, в честь открывшей ее датского сейсмолога Инге Леман (1888–1993). Твердое ядро.

также все виды
движений земной коры, которые регистрируются сейсмографами на суше и на дне океанов и морей

1.2 Понятие «сейсмология». Почему случаются землетрясения.

радиус Земли

Землетрясение – внезапное и резкое сотрясение участка земной коры, проявляющееся на поверхности Земли в виде толчков различной силы и обязанное своим происхождением геологическим факторам, действующим на некоторой глубине от земной поверхности.
Очаг землетрясения О – область, в которой наблюдаются необратимые деформации.
Гипоцентр (фокус, центр очага) землетрясения Г – точка (или малая область) внутри Земли, которая является источником сейсмических колебаний, формирующих запись землетрясения на сейсмограмме.
Эпицентр землетрясения Э – проекция гипоцентра на поверхность Земли.
Гипоцентральное расстояние r – расстояние по прямой от гипоцентра землетрясения до сейсмической станции.
Эпицентральное расстояние Δ – расстояние от эпицентра землетрясения до сейсмической станции, измеренное по дуге большого круга, единица измерения – градус (в среднем 1°=111.2 км).
Глубина очага h – расстояние между гипоцентром и эпицентром землетрясения.

сжатия, вызывают колебания частиц пород вдоль направления распространения волны, обуславливая чередование участков сжатия и разрежения в породах.

Поперечные сейсмические волны S – волны сдвига, заставляют частицы пород колебаться перпендикулярно направлению распространения волны. SV- вертикально поляризованная компонента,
SH- горизонтально поляризованная компонента.

1.4 Основные типы сейсмических волн

волне частицы грунта смещаются в вертикальной плоскости, ориентированной вдоль направления распространения волн, а траектории их движения представляют собой эллипсы.

Augustus Edward Hough Love (1863-1940)

John Strutt, 3rd Baron Rayleigh (1842-1919)

В волне Лява частицы движутся в горизонтальной плоскости поперек направления распространения волны.

поверхности Земли

которых эпицентральные расстояния не превышают 200 км (Δ≤2°);
– близкие или региональные – с эпицентральными расстояниями в диапазоне от 200 км до 2000 км (2°<Δ≤20°);
– удаленные или телесейсмические – начиная с эпицентральных расстояний 2000 км (при Δ>20°).
в зависимости от глубины очага h:
– неглубокофокусные (неглубокие или с нормальной глубиной) землетрясения, для которых глубина очага h≤70 км (иногда отдельно рассматривают поверхностные – от 0 до 10 км и нормальные от 10 до 70 км);
– промежуточные – с глубиной очага 70– глубокофокусные – с глубиной очага h>390 км.

1.5 Классификация землетрясений

и я з е м л е т р я с е н и й

По происхождению
Тектонические (к этой группе относятся около 95 % всех фиксируемых землетрясений) – землетрясения, вызванные эндогенными (внутреннего происхождения) факторами и обусловленные вертикальными и горизонтальными подвижками отдельных блоков литосферы по зонам разломов.

глубинных взрывов газов, выделяющихся из магмы, гидравлических ударов магмы, движущейся по каналу сложной формы и сечения, и т.д. Землетрясения этого типа часто сопровождают вулканические извержения и обычно предшествуют им.

К л а с с и ф и к а ц и я з е м л е т р я с е н и й

связаны с процессами денудации (совокупность процессов сноса и переноса водой, ветром, льдом, прямым воздействием силы тяжести продуктов разрушения горных пород в пониженные участки земной поверхности, где происходит их накопление) земной коры – обвалами в горах, крупными оползнями, провалами сводов естественных пустот (например, карстовых пещер) и т. д. Они возникают за счет удара, производимого обвалившейся массой породы; наблюдаются в местностях, сложенных известняками, гипсами и легкорастворимыми породами.

К л а с с и ф и к а ц и я з е м л е т р я с е н и й

или на суше, но вблизи от береговой линии.
Сильные моретрясения вызывают огромные волны – цунами. Эти волны возникают при быстрых провалах дна, вызванных смещениями блоков. При резком провале дна в эпицентре моретрясения образуется волна, направленная вверх и приводящая к подъему уровня воды. На поверхности воды эта волна преобразуется в волну цунами, концентрически распространяющуюся от эпицентра со скоростью до 800 км/ч. В океане высота волн цунами не превышает 2 м, что при огромной длине волны (100-300 км) делает их малозаметными. Однако на мелководье цунами тормозится, вырастает до 30–40 м, принимает резко асимметричную форму и обрушивается на берег.

К л а с с и ф и к а ц и я з е м л е т р я с е н и й

MSK-64
(в СССР она была принята в 1952 г., уточнена Медведевым в 1964 г. и действует до сих пор)

1.6 Энергетические характеристики землетрясений

сейсмических волн.
(первоначальная шкала магнитуды была предложена американским сейсмологом Чарльзом Рихтером в 1935 году)

– магнитуда по объемным волнам

– магнитуда по поверхностным волнам

За год на Земле происходит примерно:
1 землетрясение с магнитудой 8,0 и выше;
10 – с магнитудой 7,0-7,9
100 – с магнитудой 6,0-6,9
1000 – с магнитудой 5,0-5,9

М=1.3+0.6I
Магнитуда по своему физическому смыслу характеризует энергию, выделяющуюся при упругих колебаниях, порожденных процессом в очаге.

Энергетические характеристики землетрясения

А – амплитуда смещения почвы, мкм
Т – период, с
∆ - эпицентральное расстояние
h – глубина очага землетрясения
f (∆, h) – эмпирическая функция
С – станционная поправка

землетрясения – всего лишь часть энергии, выделяемой из очага, другие части поглощаются в пути, превращаются в тепло, рассеиваются во всех направлениях и т.д.
(с наличием такого сложного распределения энергии и связаны трудности количественной оценки полной энергии землетрясения)
Энергетический класс землетрясения K
(в основном он используется для близких слабых землетрясений)
Смысл величины K определяется как десятичный логарифм энергии землетрясения, выраженной в джоулях (1 Дж=107 эрг):
K=lgE

Энергетические характеристики землетрясения

н.э.) императорский астроном Чжан Хэн изобрел первый в мире прибор для регистрации подземных толчков, который отмечал слабые землетрясения на больших расстояниях

1.7 Средства измерения землетрясений

Чжан Хэ-цзянь (78-139 гг.)

короткопериодными
(EW, NS, Z) датчиками CMG-40Т-1,
б – регистратор
Комплект аппаратуры GSR-24

1 – сейсмометр CMG-6TD, 2 – коммутационный блок,
3 – GPS-приемник со штоком крепления,
4 – сигнальный кабель, 5 – кабель GPS-приемника,
6 – контрольный кабель, 7 – кабель питания
CMG-6TD в стандартной комплектации

Широкополосный датчик CMG-3ESP

Сейсмометры СМ3-ОС, СМ3-КВ

сети по состоянию на 2013 г.

2
АРХАНГЕЛЬСКАЯ СЕЙСМИЧЕСКАЯ СЕТЬ.
СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В АРКТИКЕ

Константин Григорьевич,
доктор химических наук, директор ИЭПС УрО РАН

Антоновская Галина Николаевна, заведующая лабораторией сейсмологии, к.т.н., руководитель научно-образовательного центра «МПТО-Арктика»  

2.1 Институт экологических проблем Севера УрО РАН - форпост академической науки на Севере в области сейсмологических исследований

600 временных. Все сейсмологи объединяются в сейсмологические сообщества. Самые крупные находятся в США, Великобритании, Германии.
В России – это Геофизическая служба Российской академии наук (ГС РАН),
г. Обнинск: http://www.ceme.gsras.ru

2.2 Сейсмические сети мира, международные сейсмологические сообщества

пунктов наблюдения:

2.3 Архангельская сейсмическая сеть – цели, задачи, техническая оснащенность

Institutions for Seismology (штаб-квартира в Вашингтоне, США). IRIS включает в себя более 100 научно-исследовательских университетов США, филиалов и зарубежных партнеров в области сейсмологии. Архангельской сети присвоен международный код AH, идет процедура регистрации отдельных станций.

www.iris.washington.edu

Архангельской области и прилегающих территорий (землетрясений, карьерных взрывов, пусков и падения ступеней ракет, техногенных катастроф);
Сейсмологический мониторинг Западно-Арктического сектора РФ;
Инженерно-сейсмометрические исследования, мониторинг зданий и сооружений (обследование состояния архитектурных памятников, высотных зданий, промышленных объектов).

ракето-носителей с космодрома «Плесецк», а также мест падения ступеней ракет.

«LSH»
вблизи села Лешуконское 07.06.2007

памятников. Они позволяют выявить наличие повреждений в конструкции зданий и сооружений, определить степень реакции на внешние воздействия. Все эти факторы учитываются при реконструкции и реставрационных работах уникальных сооружений и памятников, например, на Соловецких островах.

сырьевому потенциалу этого региона и к коммуникационным возможностям Северного морского пути. Сегодня на Северный полюс претендуют минимум пять циркумполярных государств.

2.5 Научные предпосылки и задачи нового этапа освоения Арктики

Зачем изучать Арктику? Главная цель - борьба за стратегические интересы и минеральные ресурсы, прежде всего за нефть и газ, поскольку не только для России, но и для всего мира основной резерв нефти и газа сосредоточен в арктических морях. Наибольшую активность в освоении Арктики принимают Норвегия, Канада, Соединенные Штаты. И Россия, если мы не поспешим, окажется на обочине. Усиление геологоразведочных работ в Арктике в целях оценки перспектив ее нефтегазоносности и уточнения границ континентального шельфа – важнейшая задача современности.

них происходили аварийные утечки. Это равносильно экологической катастрофе, поэтому необходимы особые меры обеспечения безопасности сооружений, в первую очередь при их проектировании. Изучение сейсмической ситуации в Арктике – важнейшая задача.

Сейсмический мониторинг ответственных объектов

Баренцевом и Карском морях может привести к увеличению землетрясений в районах добычи, и как следствие, к авариям на трубопроводах, инженерных сооружениях, экологическим катастрофам.

2012 гг. по данным Архангельской сети

Одной из задач Архангельской сети является проведение сейсмического мониторинга, который охватывает территорию Архангельской области, Скандинавский и Кольский полуостров, республику Карелия, Ненецкий автономный округ, Полярный и Средний Урал. В зону наблюдения также включены территории архипелагов Шпицберген, Земля Франца-Иосифа, Новая Земля и омывающих их морей. Ежемесячно станциями Архангельской сети регистрируется от 100 до 170 региональных и локальных сейсмических событий различной природы, в том числе землетрясения, промышленные взрывы, техногенные катастрофы и прочее.

2.6 Сейсмическая ситуация в Баренц Евро-Арктическом регионе

лаборатории сейсмологии ИЭПС УрО РАН организована удобная и эффективная система передачи, использования, обработки, архивирования и хранения сейсмологических данных (цифровых записей), что позволяет проводить эффективный сейсмологический мониторинг. Его проведение подразумевает формирование промежуточного бюллетеня; совокупную обработку зарегистрированных событий, формирование окончательного сейсмического каталога и построение карты сейсмичности.
Каталог содержит следующую информацию: дату и время наступления сейсмического события, широту, долготу и глубину, число станций, записавших событие, район.
Имеется также информация о вступлении фаз на записях отдельных станций, магнитуда.

h=2 км, ML=2.8

[Землетрясения России в 2005 году. – Обнинск: ГС РАН, 2007. С. 96]

2013 года в 07:02:16 (время по Гринвичу). Оно было зарегистрировано сейсмическими станциями Архангельской сети, а также станциями соседних сетей и сопредельных территорий – Республик Коми и Карелии, Мурманской и Свердловской областей, Финляндии и Норвегии.

В населенных пунктах толчки не ощущались, жертв и разрушений не обнаружено.