Trzęsienia ziemi

Mamy często wrażenie, że skorupa ziemska jest nieruchoma, gdyż na dużej jej części nie są dostrzegalne żadne ruchy, czy drgania. Na kuli ziemskiej znajdują się jednak obszary, na których stabilność skorupy ziemskiej może być znacznie zachwiana. Szczególnie mogą się o tym przekonać mieszkańcy terenów nawiedzanych przez katastrofalne w skutkach trzęsienia ziemi. W ciągu niewielkiego odcinka czasu spokojna skorupa ziemska zaczyna drgać, kołysać się, falować, czy pękać. Jej fragmenty przemieszczają się względem siebie. Po trzęsieniach ziemi, które zachodzą na dużą skalę można zaobserwować szerokie szczeliny, wzdłuż których nastąpiły nawet kilkumetrowe przesunięcia. Trzęsienie ziemi to nagłe, gwałtowne przemieszczanie się mas skalnych w obrębie skorupy ziemskiej, bądź górnego płaszcza Ziemi, które wywołuje drgania tej skorupy. Miejsce, z którego rozchodzą się fale nazywa się hipocentrum (ognisko trzęsień ziemi). Punkt znajdujący się na powierzchni Ziemi, do którego fale docierają najszybciej to epicentrum. Jest to punkt położony pionowo nad hipocentrum. Obszar leżący wokół epicentrum, na którym wstrząsy są najbardziej gwałtowne to obszar epicentralny. Drgania skorupy ziemskiej rozchodzą się w postaci fal sejsmicznych. Fale te po dojściu do powierzchni Ziemi odczuwalne są, jako wstrząsy. Można wyróżnić trzy rodzaje fal sejsmicznych:

• fale podłużne-najszybsze z fal sejsmicznych (5,4 km/s), które najwcześniej docierają do epicentrum. Drgają w kierunku równoległym do kierunku rozchodzenia się fal; powodują ściskanie i rozciąganie skał, przez które przechodzą.

• fale poprzeczne-są one około dwukrotnie wolniejsze, niż fale podłużne (średnio 3,3 km/s); wywołują drgania w płaszczyźnie pionowej lub poziomej, w kierunku prostopadłym do kierunku rozchodzenia się fal; mogą przemieszczać się tylko w skałach.

• fale powierzchniowe- rozchodzą się po powierzchni Ziemi, od epicentrum trzęsienia. Są one najbardziej katastrofalne w skutkach.

Fale podłużne i poprzeczne powstają w hipocentrum, natomiast fale powierzchniowe  tworzą się w chwili dotarcia fali sejsmicznej do powierzchni terenu. Do rejestracji trzęsień ziemi używa się przyrządu zwanego sejsmografem. Zbudowany jest on z wahadła wraz z urządzeniem rejestrującym, które wykonuje wykres na obracającej się taśmie. Wykres ten nosi nazwę sejsmogram. Sejsmograf rejestruje wszystkie fale powstające na skutek trzęsienia ziemi. Na urządzeniu tym można wyodrębnić trzy grupy drgań, wstępne, główne i końcowe. Pośród fal wstępnych najpierw pojawiają się fale podłużne, później fale poprzeczne, a na końcu fale powierzchniowe. Za pomocą sejsmogramów można także określić odległość, w jakiej znajduje się epicentrum trzęsienia, a także głębokość ogniska.

Do określenia siły trzęsień ziemi stosuje się najczęściej skalę Richtera, oraz skalę Mercallego. Skala Richtera określa wielkość trzęsienia Ziemi na podstawie amplitudy drgań wstrząsów. Wprowadzona ona została w 1935 roku przez amerykańskiego geofizyka Charlesa F. Richtera. Wielkość drgań określa się za pomocą magnitudy. Skala Richtera jest skalą energetyczną tj. określa energię wyzwoloną w czasie wstrząsu. Każdy kolejny stopień oznacza około 10-krotnie większą energię wyzwoloną, mierzoną w dżulach [J]. Teoretycznie jest to skala otwarta, ale w praktyce nie notuje się wstrząsów o magnitudzie przewyższającej 9,5 stopnia. Na podstawie Skali Richtera możliwe jest obliczenie energii wyzwolonej w czasie trzęsienia. W inny sposób można obliczyć intensywność trzęsienia ziemi posiłkując się Skalą Mercallego. Jest to 12- stopniowa skala, w której intensywność wstrząsu określa się na podstawie wartości przyspieszenia drgań gruntu, a także opisie skutków trzęsienia na powierzchni Ziemi. Trzęsienie ziemi jest tym silniejsze, im większe jest jego przyspieszenie (czyli im większy jest jego zakres drgań w stosunku do amplitudy). Trzeci stopień na skali odpowiada przyspieszeniu 1 cm/s2, dwunasty zaś 1000 m/s2. Skala Mercallego oparta jest w dużej mierze na ocenie szkód wyrządzonych przez dane trzęsienie, tak więc nie jest ona zbyt precyzyjna. W Europie stosuje się także zmodyfikowaną skalę Miedwiediewa-Kárnika-Sponhouera (skalę MKS).

Trzęsienia ziemi mogą mieć różne przyczyny. Z tego względu można wydzielić trzy główne typy trzęsień ziemi.

• tektoniczne
• wulkaniczne
• zapadliskowe

Trzęsienia tektoniczne są najbardziej powszechne. Trzęsienia tektoniczne to także najgroźniejsze drgania odznaczające się najbardziej gwałtownym przebiegiem. Stanowią one około 90 % wszystkich trzęsień ziemi. Przyczyną tego rodzaju drgań jest gwałtowne przemieszczanie się mas skalnych w skorupie ziemskiej, bądź w górnym płaszczu Ziemi. Na obszarach aktywności tektonicznej istnieją strefy szczególnie podatne na działanie naprężeń. Naprężenia te mogą gromadzić się tylko do pewnej krytycznej wartości. Po jej przekroczeniu następuje gwałtowne rozładowanie nagromadzonej energii w postaci wstrząsów sejsmicznych.

Trzęsienia wulkaniczne związane są z gwałtowną erupcją wulkanów eksplozywnych, bądź też z przemieszczaniem się magmy wewnątrz skorupy ziemskiej. Wstrząsy mogą występować w wyniku zapadania się opróżnionych komór magmowych. Trzęsienia ziemi tego typu mają przeważnie niewielką intensywność. Przy silnych erupcjach wulkanicznych mogą być one jednak odczuwalne także na większych odległościach od epicentrum. Przykładem wulkanicznego trzęsienia ziemi może być to, które wystąpiło w 1883 roku w wyniku erupcji wulkanu Krakatau w Indonezji. Wstrząsy były wtedy odczuwalne w promieniu 2000 km od ośrodka wstrząsów. Trzęsienia ziemi pochodzenia wulkanicznego stanowią około 7 % wszystkich trzęsień ziemi.

Trzęsienia zapadliskowe są najrzadziej spotykane i stanowią około 3 % ogółu trzęsień ziemi. Ich geneza związana jest z zapadaniem stropów w przypowierzchniowej warstwie skorupy ziemskiej. Występują one najpowszechniej na obszarach krasowych. Zalicza się do nich także tzw. tąpnięcia, czyli wstrząsy wywołane zapadaniem się wyrobisk górniczych. Trzęsienia tego typu są najmniej groźne. Kiedy jednak komory górnicze znajdują się pod obszarem zabudowanym, wtedy tąpnięcia mogą wywołać większe szkody. W Polsce tąpnięcia zdarzają się na obszarach związanych z działalnością górniczą, a więc na Górnym Śląsku, a także na Dolnym Śląsku. Do powstania tego typu trzęsień ziemi może przyczynić się także naruszenie równowagi naprężeń w górotworze bądź też napełnienie zbiornika zaporowego.

Rozmieszczenie trzęsień ziemi

Aktywność sejsmiczna rozmieszczona jest nierównomiernie na powierzchni kuli ziemskiej. Obszary występowania trzęsień ziemi przybierają często kształt wydłużonych stref, biegnących przez wiele tysięcy kilometrów. Trzęsienia ziemi występują najczęściej na obszarach strefy łuków, wysp i rowów oceanicznych. Ogniska drgań skorupy ziemskiej znajdują się tu na różnej głębokości od kilku do kilkuset kilometrów. Rozmieszczone są one wzdłuż płaszczyzny zwanej strefą Bienioffa. Trzęsienia ziemi związane są także z młodymi łańcuchami górskimi. Najgłębiej położone ogniska trzęsień występują w rejonie Himalajów. Zjawiska sejsmiczne, oraz wulkaniczne obserwuje się głównie na tych obszarach, gdzie zachodzą kolizje płyt litosfery.  Geograficzne rozmieszczenie trzęsień ziemi pokrywa się z występowaniem wulkanów. W zależności od częstotliwości i siły wstrząsów można wyróżnić trzy rodzaje obszarów powierzchni Ziemi:

• obszary sejsmiczne, które występują w rejonach tych trzęsienia ziemi są częste i silne.

• obszary pansejsmiczne, na których wstrząsy odbywają się sporadycznie, bądź są częste ale bardzo słabe.

• obszary asejsmiczne, wolne od wstrząsów. Należą do nich stare platformy kontynentalne, jak również wielkie powierzchnie den oceanicznych.

Obszary sejsmiczne, pansejsmiczne i asejsmiczne na Ziemi:

Sejsmiczne

• (90 % wszystkich trzęsień)

• obszary o współcześnie kształtującej się rzeźbie powierzchni ziemi i intensywnie zachodzących procesach geologicznych dość dokładnie pokrywają się z granicami płyt litosfery; trzęsienia ziemi są tu silne i częste

• pas pacyficzny — wokół wybrzeży Pacyfiku (skupia 40% wszystkich trzęsień ziemi); pas równoleżnikowy — od Morza Śródziemnego na wschód przez Azję Mniejszą, Iran, Pamir, Himalaje, Birmę, aż na wyspy Malajskie (skupia 50% wszystkich trzęsień ziemi)

Pansejsmiczne

• (10 % wszystkich trzęsień)

• obszary starych gór, odmłodzonych w czasie niedawnych ruchów górotwórczych oraz młode obszary zapadliskowe; aktywność sejsmiczna jest tu znacznie mniejsza niż na obszarach sejsmicznych

• Ural, góry Harzu, Rudawy, Masyw Centralny, rejon Morza Północnego, Appalachy, środkowa strefa Atlantyku, góry wsch. Australii, rów reński, rowy afrykańskie, Bajkał, rów Morza Martwego

Asejsmiczne

• obszary starych, silnie skonsolidowa­nych płyt skorupy ziemskiej (stare tarcze kontynentalne) sfałdowanych przed erą paleozoiczną; trzęsienia ziemi należą tu do rzadkości, a jeżeli występują, to są słabe

• Europa wschodnia, Syberia, Kanada, Brazylia, Afryka (poza strefą ryftową), Australia (bez wschodnich gór), Antarktyda

Najwięcej trzęsień ziemi odnotowuje się na obszarze wokół Oceanu Spokojnego. Występują one zarówno na kontynencie, jak również na wybrzeżach. Ich ogniska położone są na głębokościach dochodzących do 700 km. Wartości te mogą  wzrastać  w miarę przesuwania się w kierunku kontynentu. Strefa gór europejskich sfałdowanych w orogenezie alpejskiej odznacza się mniej gwałtownymi trzęsieniami ziemi o głębokości ogniska do 50 km. Obszar ten jest gęsto zaludniony, tak więc trzęsienia występujące na tym obszarze były katastrofalne w skutkach.

Trzęsienie ziemi jest najczęstszą przyczyną występowania tsunami, czyli fali oceanicznej poruszającej się z ogromną prędkością (dochodzącą do kilkuset kilometrów na godzinę). Trzęsienia ziemi powodują zmianę ukształtowania dna morskiego. Gwałtowne podniesienie, bądź obniżenie się fragmentu dna powoduje automatycznie ruch słupa wody morskiej w kierunku góry, bądź dołu. Na skutek tego tworzą się fale powierzchniowe, które rozchodzą się po oceanie. Fale te rozchodzą się promieniście od ogniska trzęsienia ziemi. Tsunami transportują ogromne ilości wody. Fala docierając do wybrzeży ulega spiętrzeniu, wyhamowuje i zwiększa swoją wysokość nawet kilkunastokrotnie.

Polska położona jest zasadniczo na obszarze asejsmicznym. Jeżeli już odnotowuje się drgania to są one bardzo rzadkie i niezbyt silne. Nie wywołują większych zniszczeń, czy strat materialnych. W czasach historycznych jednak odnotowano trzęsienia, których ogniska rozmieszczone były głównie na południu kraju. Obecnie  zdarzają się na obszarze naszego kraju tąpnięcia o nieznacznej sile głównie na obszarach wydobycia węgla kamiennego. W Polsce znajduje się 6 obserwatoriów sejsmicznych notujących trzęsienia ziemi występujące na kuli ziemskiej. Jedne z silniejszych drgań skorupy ziemskiej w ostatnich latach zaobserwowano w Krynicy w 1992 roku, oraz w okolicach Koszalina w grudniu 2008 roku. Były to trzęsienia o sile nie przekraczającej 6 stopni w skali Richtera.

Skutki trzęsień ziemi

Trzęsienia ziemi bardzo często powodują ogromne straty materialne, a także ofiary w ludziach. W wyniku drgań skorupy ziemskiej tworzą się szczeliny w jej części przypowierzchniowej. Wzdłuż tych szczelin często następują przemieszczenia zarówno w pionie, jak i w poziomie, Trzęsienia ziemi mogą powodować zmianę wysokości znacznych fragmentów terenu, co w przypadkach nadmorskich może prowadzić do powiększania się powierzchni lądowej, czy morskiej. Wstrząsy powodują także tworzenie się osuwisk na obszarach lądowych, jak również na powierzchniach pokrytych morzem czy oceanem. Osuwiska takie często niszczą podwodne linie przesyłowe (kable, rurociągi itp.). Trzęsienia ziemi mogą także być przyczyną podniesienia się poziomu wód gruntowych.

Od dawnych czasów ludzie zadawali sobie pytanie czy jest możliwe przewidywanie trzęsień ziemi. Próby odpowiedzi na to pytanie doprowadziły do powstania sejsmologii, czyli nauki zajmującej się badaniem trzęsień ziemi i ich skutków. Już w odległej przeszłości zdawano sobie sprawę z pewnych symptomów trzęsień ziemi. Zauważono, że na kilka miesięcy przed wstrząsem zmienia się nieznacznie kąt nachylenia powierzchni ziemi. Skały zmieniają swoją porowatość, a szczeliny skalne napełniają się wodą. Zmienia się także poziom wód gruntowych. Wydobywa się w większej ilości radioaktywny gaz radon. Kilka minut przed katastrofą obserwuje się także dziwne zachowania zwierząt. Psy, koty, czy szczury są bardzo niespokojne i usiłują wydostać się z zamkniętych pomieszczeń. Przed trzęsieniem ziemi w Neapolu w 1857 roku mrówki porzuciły swe mrowiska. W Japonii zdarza się, iż przed trzęsieniem ziemi pojawiają się na wybrzeżach duże ryby, które żyją na wielkich głębokościach z dala od brzegu. W 1975 roku w Chinach udało się przewidzieć trzęsienie ziemi opierając się jedynie o zachowania zwierząt. Stwierdzono także, że wystąpienie trzęsienia ziemi  poprzedzane jest przez kilka wstrząsów o niewielkiej sile. Obecnie w celu przewidywania trzęsień prowadzi się więc badania wstrząsów poprzedzających. Sprawdza się stan naprężeń w skorupie ziemskiej, oraz zmiany pola magnetycznego skał. Bada się też zawartość radonu w wodach podziemnych. Skutki trzęsień ziemi można minimalizować stosując w budownictwie specjalne konstrukcje budynków, które potrafią wytrzymać nawet bardzo silne wstrząsy.