ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ И ДИНАМИКА ГРУНТОВ

    Для оценки удаленных землетрясений (более 2000 км от эпицентра), где короткопериодные сейсмографы бесполезны, введена телесейсмическая магнитудная шкала для поверхностных волн с периодом 18-22 с:

М_S = lg (A / T ) + 1,66 lg D + 3,30,

где А - максимальная амплитуда колебаний почвы (в мкм), Т - соответствующий период колебаний (в секундах), D - расстояние до эпицентра (в градусах).
    Но глубокие толчки не порождают поверхностных волн. Поэтому американский сейсмолог Бено Гутенберг (1889-1960) предложил для эпицентральных расстояний 600-2000 км унифицированную магнитуду, определяемую по амплитуде объемных (обычно продольных) волн с периодом 4-5 с:

m_b = lg (A/T ) + Q(D, h),

с учетом поправки Q, зависящей кроме эпицентрального расстояния и от глубины фокуса толчка h. Эти шкалы позволяют оценивать энергию практически всех значимых землетрясений во всем мире, а также осуществлять международный контроль за ядерными взрывами. Тем более что многочисленные модификации приведенных формул позволяют учитывать специфику разных регионов планеты и конечная величина удовлетворительно согласуется с определением магнитуды по шкале Рихтера.
    Оказалось, однако, что при сильном землетрясении с большой площадью разрыва гораздо выше доля энергии длиннопериодных волн и величины m_b и M_S для таких толчков получаются заметно ниже M_L . Поэтому все чаще используются другие характеристики - сейсмический момент и излученная энергия. Современные методы анализа форм и амплитуд записей сейсмических волн, зарегистрированных на разных расстояниях и по разным азимутам от сейсмогенерирующего разлома, позволяют получить необходимые параметры для расчета сейсмического момента толчка:

,

где - сдвиговая прочность пород в зоне разлома, S - площадь поверхности разрыва и (d) - среднее смещение по разлому. Сейсмический момент представляется более обоснованной характеристикой величины землетрясения, поскольку при вычислениях учитываются и геометрия разрыва, и положение наблюдателя относительно его. Поэтому появилась и новая шкала, в которой магнитуда определяется по сейсмическому моменту:

    Два самых больших зарегистрированных момента составляют 2,5*10³⁰ дин*см для Чилийского землетрясения 1960 года (M_S = 8,5, M_W = 9,6) и 7,5*10²⁹ дин*см - для Аляскинского землетрясения 1964 года (M_S = 8,3, M_W = 9,2).
    Для расчетов высвобожденной при толчке упругой энергии с 1956 года обычно пользовались эмпирической зависимостью Гутенберга-Рихтера:

lgE = 11,8 + 1,5M_S,

где энергия Е выражена в эргах несмотря на то, что телесейсмическая магнитуда M_S рассчитывается по амплитудам волн в узком частотном диапазоне и игнорирует высокочастотные составляющие толчка. Современные же цифровые сейсмографы чувствительны к колебаниям с периодами от 0,1 до 100 с, что делает возможным определение потока упругой энергии в широком частотном диапазоне. В результате появилась еще одна магнитуда, рассчитываемая непосредственно по энергии толчка:

M_e = 2/3 lgE - 9,9

    При увеличении магнитуды землетрясения на единицу его энергия возрастает примерно в 32 раза (тогда как амплитуда колебаний земной поверхности - в 10 раз).

Таблица 1. Эквивалентность силы землетрясений по разным магнитудным шкалам и интенсивности толчка в эпицентре (по: Nuttli, Shieh, 1987).

    При самых сильных толчках с магнитудой около 9 излучается энергия порядка 10²⁵ эрг. Ее хватило бы для обеспечения электроэнергией небольшого города в течение более 500 лет. Энергия, выделяющаяся при землетрясении средней силы, сравнима с энергией ядерных взрывов (мегатонная бомба выделяет около 5*10²² эрг), однако лишь незначительная часть ядерной энергии переходит в этом случае в сейсмическую: только взрыв 50 мегатонн высвободит столько же сейсмической энергии, сколько землетрясение с магнитудой 7,3 по Рихтеру. При этом собственно сейсмическая энергия, уносимая упругими волнами, составляет лишь небольшую (от 1 до 10%) долю всей энергии, выделяющейся при землетрясении. Огромная энергия излучается в виде тепла: об этом свидетельствует плавление горных пород в зоне разлома.   

    Наличие нескольких магнитудных шкал отчасти запутывает представление о силе толчка для неспециалиста. Тем более что все они рассчитываются по разным данным: M_S и M_W - по записям низкочастотных составляющих колебаний, M_L , M_e и m_b - по относительно более высокочастотным и характеризуют разные физические стороны землетрясения. Поэтому их значения для одного и того же события часто не совпадают (табл. 1). В каталогах землетрясений и базах данных для специалистов указывается несколько магнитуд (обычно М_S , m_b и М_W). Наиболее надежной величиной, особенно для сильных землетрясений, признается моментная магнитуда М_W . Учитывая удовлетворительную сходимость значений магнитуды по разным шкалам для толчков в диапазоне 5,5-7 (это достаточно многочисленные толчки, обычно вызывающие разрушения), любая из них в повседневном употреблении вполне корректно может именоваться магнитудой по Рихтеру. В этом нет противоречия - ведь в основе всех магнитудных шкал лежит исходная идея Ч. Рихтера о наличии эмпирической количественной связи между силой землетрясения (или размерами его фокальной зоны), расстоянием от очага до сейсмографа и максимальной амплитудой колебания, зарегистрированной этим сейсмографом. И вся разница лишь в выборе наилучшего способа определения этой зависимости для данного толчка в данном регионе Земли. Поэтому магнитудой по шкале Рихтера М называются магнитуды M_L до 5,9, M_S в интервале 5,9-8,0 и M_W до 8,3 в краевых частях плит.   

Назад| Следующая страница