Как образуются землетрясения: тектоника плит, напряжение и сейсмические волны объяснены

Земная кора — движущаяся головоломка

По данным Геологической службы США (USGS), наружная оболочка Земли разделена на большие куски, называемые тектоническими плитами, которые подходят друг к другу как головоломка. Эти плиты постоянно, медленно движутся — скользят друг мимо друга, над друг другом или под друг другом. Большинство землетрясений на планете происходит на границах, где эти плиты встречаются, потому что именно там разломы — трещины в земной коре — концентрируются.

Сами плиты редко движутся гладко. USGS объясняет, что трение на краях разлома заставляет горную породу прилипать, даже когда остальная часть плиты продолжает двигаться. Это несоответствие является начальной точкой каждого тектонического землетрясения.

Как напряжение накапливается вдоль разлома

Пока разлом заблокирован трением, окружающая кора изгибается и деформируется упруго, как пружина под напряжением. По данным USGS, это напряжение сохраняется в горной породе, пока разлом остается заблокированным. Чем дольше разлом остается заблокированным, тем больше накапливается деформация — это может происходить в течение лет в некоторых зонах или столетий в других.

USGS приводит разлом Сан-Андреас в Калифорнии как рабочий пример этого процесса. Тихоокеанская плита движется на северо-запад относительно Североамериканской плиты примерно на два дюйма (около 5 см) в год, — говорит USGS, — а сам разлом протягивается более чем на 650 миль (около 1050 км) и простирается на более чем 10 миль (16 км) в глубину. На некоторых участках плиты медленно ползут и производят частые небольшие толчки; на других они остаются заблокированными длительное время, накапливая напряжение, которое в конечном итоге высвобождается при сильном землетрясении.

Момент разрыва: гипоцентр и эпицентр

Когда накопленное напряжение наконец превышает трение, удерживающее разлом вместе, горная порода разрывается и высвобождает накопленную энергию наружу в виде сейсмических волн, по данным USGS. Точка под землей, где начинается разрыв, — это гипоцентр; точка на поверхности прямо над ним — это эпицентр — местоположение, которое обычно сообщается в новостях.

USGS отмечает, что меньшие толчки, называемые предтолчками, могут предшествовать основному разрыву, а афтершоки — меньшие землетрясения вдоль того же разлома — могут продолжаться дни и даже годы после этого, поскольку окружающая кора приспосабливается к новому распределению напряжения.

Как высвобожденная энергия путешествует: сейсмические волны

Энергия, высвобожденная в гипоцентре, распространяется наружу в виде нескольких различных типов волн, каждая со своей скоростью и поведением. USGS сравнивает схему распространения с рябью на воде, а Калифорнийский технологический институт разделяет волны на две широкие категории: объемные волны, которые распространяются через внутреннюю часть Земли, и поверхностные волны, которые распространяются по земле.

USGS сравнивает разрыв между P-волной и S-волной с задержкой между видением молнии и слышанием грома: чем больше время между двумя прибытиями на сейсмической станции, тем дальше произошло землетрясение. Caltech отмечает, что поверхностные волны — волны Лава и волны Рэлея — прибывают последними, но обычно наиболее разрушительны, потому что переносят больше энергии близко к поверхности, где находятся здания и инфраструктура.

Где и как глубоко происходят землетрясения

USGS указывает, что землетрясения происходят в земной коре или верхней мантии на глубине от поверхности до примерно 800 километров (примерно 500 миль). По данным Калифорнийского технологического института, примерно 80% крупнейших землетрясений в мире происходят вдоль циркумтихоокеанского сейсмического пояса, часто называемого «Огненным кольцом», который отслеживает границы плит вокруг Тихого океана.

Не все землетрясения имеют тектоническое происхождение. Калифорнийский технологический институт также перечисляет вулканические землетрясения, землетрясения обрушения и взрывные землетрясения как другие признанные категории и отмечает, что такие виды деятельности, как фракционирование или утилизация сточных вод, иногда связывались с меньшими индуцированными сейсмическими событиями в некоторых регионах.

Как ученые измеряют то, что произошло

Поскольку разломы обычно слишком глубоко, чтобы их можно было наблюдать напрямую, USGS объясняет, что сейсмологи полагаются на записи сейсмографов. Короткая, волнистая линия на сейсмограмме указывает на небольшое землетрясение, а длинная волнистая линия указывает на более крупное — длина волны связана с размером разлома, который разорвался, а его амплитуда связана с тем, насколько далеко скользнула горная порода.

• Землетрясения начинаются, когда напряжение на заблокированном разломе преодолевает трение, удерживающее его на месте (USGS).
• Гипоцентр — это подземная точка разрыва; эпицентр — это точка на поверхности прямо над ним (USGS).
• P волны прибывают первыми и сжимают горную породу в направлении распространения; S волны прибывают вторыми и движутся только через твердые вещества (USGS, Caltech).
• Поверхностные волны — волны Лава и волны Рэлея — прибывают последними, но обычно наносят наибольший структурный ущерб (Caltech).
• Примерно 80% крупнейших землетрясений происходят вдоль циркумтихоокеанского «Огненного кольца» (Caltech).