Jak powstają trzęsienia ziemi: tektonika płyt, naprężenie i wyjaśnienie fal sejsmicznych

Skorupa ziemska to ruchoma układanka

Według United States Geological Survey (USGS), zewnętrzna powłoka Ziemi jest podzielona na duże kawałki zwane płytami tektonicznymi, które pasują do siebie jak puzzle. Te płyty stale, powoli się poruszają — przesuwają się obok siebie, ponad sobą lub pod sobą. Większość trzęsień ziemi na planecie występuje na granicach, gdzie te płyty się spotykają, ponieważ tam właśnie znajdują się uszkodzenia — pęknięcia w skorupie ziemskiej — skoncentrowane.

Same płyty rzadko poruszają się gładko. USGS wyjaśnia, że tarcie na krawędziach uskoku powoduje przylepienie się skały, nawet gdy reszta płyty wciąż się porusza. Ta niezgodność jest punktem wyjścia każdego trzęsienia ziemi tektonicznego.

Jak naprężenie gromadzi się wzdłuż uskoku

Gdy uskok jest zablokowany tarciem, otaczająca skorupa uginała się i odkształca się elastycznie, jak sprężyna pod napięciem. Według USGS, naprężenie to jest przechowywane w skale, gdy uskok pozostaje zablokowany. Im dłużej uskok pozostaje zablokowany, tym więcej odkształcenia się gromadzi — może to trwać lata w niektórych strefach lub wieki w innych.

USGS podaje uskok San Andreas w Kalifornii jako praktyczny przykład tego procesu. Płyta Pacyficzna porusza się na północny zachód względem Płyty Północnoamerykańskiej z prędkością około dwóch cali (około 5 cm) rocznie, mówi USGS, a sam uskok rozciąga się na ponad 650 mil (około 1050 km) i sięga głębokości ponad 10 mil (16 km). Na niektórych odcinkach płyty powoli się czołgają i wytwarzają częste małe wstrząsy; na innych pozostają zablokowane przez długie okresy, gromadząc naprężenie, które ostatecznie zostaje uwolnione w dużym trzęsieniu ziemi.

Moment ruptury: hipocentrum i epicentrum

Gdy nagromiodone naprężenie ostatecznie przewyża tarcie trzymające uskok razem, skała pęka i uwalnia gromadzoną energię na zewnątrz w postaci fal sejsmicznych, według USGS. Punkt pod ziemią, gdzie zaczyna się pęknięcie, to hipocentrum; punkt na powierzchni bezpośrednio nad nim to epicentrum — lokalizacja zwykle podawana w wiadomościach.

USGS zauważa, że mniejsze wstrząsy zwane przedwstrząsami mogą poprzedzać główne pęknięcie, podczas gdy wtórne wstrząsy — mniejsze trzęsienia ziemi wzdłuż tego samego uskoku — mogą trwać dni do lat, gdy otaczająca skorupa dostosowuje się do nowego rozkładu naprężenia.

Jak uwolniona energia się rozprzestrzenia: fale sejsmiczne

Energia uwolniona w hipocentrum rozprzestrzenia się na zewnątrz w kilku różnych typach fal, każdy z inną prędkością i zachowaniem. USGS porównuje schemat rozprzestrzeniania do zmarszczek na wodzie, a Science Exchange Caltech dzieli fale na dwie szerokie klasy: fale objętościowe, które przechodzą przez wnętrze Ziemi, i fale powierzchniowe, które rozprzestrzeniają się po ziemi.

USGS porównuje przerwę między falą P i S do opóźnienia między ujrzeniem błysku a usłyszeniem grzmotu: im większa luka czasowa między dwoma przybyciami na stacji sejsmicznej, tym dalej doszło do trzęsienia ziemi. Caltech zauważa, że fale powierzchniowe — fale Love'a i fale Rayleigha — przybywają ostatnie, ale zwykle są najbardziej destrukcyjne, ponieważ niosą więcej energii blisko powierzchni, gdzie znajdują się budynki i infrastruktura.

Gdzie i jak głębokie trzęsienia ziemi się pojawiają

USGS stwierdza, że trzęsienia ziemi występują w skorupie ziemskiej lub górnym płaszczu, w zakresie głębokości od powierzchni do około 800 kilometrów (około 500 mil). Według Science Exchange Caltech, około 80% największych trzęsień ziemi na świecie występuje wzdłuż okólnego pasa sejsmicznego Pacyfiku, często zwanego "Pierścieniem Ognia", który śledzi granice płyt wokół Oceanu Spokojnego.

Nie wszystkie trzęsienia ziemi mają pochodzenie tektoniczne. Science Exchange Caltech wymienia także trzęsienia ziemi wulkaniczne, trzęsienia upadków i trzęsienia spowodowane wybuchami jako inne uznane kategorie i zwraca uwagę, że działania takie jak szczelinowanie lub usuwanie ścieków zostały czasami powiązane z mniejszymi indukowanymi zdarzeniami sejsmicznymi w niektórych regionach.

Jak naukowcy mierzą, co się stało

Ponieważ uszkodzenia są zwykle zbyt głębokie, aby je obserwować bezpośrednio, USGS wyjaśnia, że sejsmolodzy polegają na zapisach sejsmografów. Krótka, falista linia na sejsmogramie wskazuje na małe trzęsienie ziemi, podczas gdy długa, falista linia wskazuje na większe — długość falistości odnosi się do wielkości uskoku, który pękł, a jej amplituda odnosi się do tego, jak daleko skała się przesunęła.

• Trzęsienia ziemi zaczynają się, gdy naprężenie na zablokowanym uskuku pokonuje tarcie trzymające go na miejscu (USGS).
• Hipocentrum to punkt rupturowy pod ziemią; epicentrum to punkt na powierzchni bezpośrednio nad nim (USGS).
• Fale P przybywają pierwsze i kompresują skałę w kierunku rozprzestrzeniania; fale S przybywają drugie i poruszają się tylko przez ciała stałe (USGS, Caltech).
• Fale powierzchniowe — fale Love'a i fale Rayleigha — przybywają ostatnie, ale zwykle wyrządzają największe uszkodzenia strukturalne (Caltech).
• Około 80% największych trzęsień ziemi występuje wzdłuż okólnego pasa "Pierścienia Ognia" (Caltech).