Trzęsienia ziemi

Proseminarium fizyki teoretycznej.
Maciej Zalewski
Fizyka trzęsień ziemi
21.11.2005
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Plan
1.
2.
3.
4.
Sejsmologia jako dziedzina (geo)fizyki.
Znajomość budowy Ziemi jako efekt badań
sejsmologicznych.
Tektonika.
Mechanizm trzęsień ziemi.
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Geofizyka
Nauka o Ziemi jako o ciele fizycznym.
• Fizyka skorupy ziemskiej
 sejsmologia
 geotermika
 magnetyzm ziemski
• Hydrologia
• Fizyka atmosfery
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Historia geofizyki
W XIX w. geofizyka rozwijana głównie jako nauka
teoretyczna (Maclaurin, Euler, Laplace, Gauss, Jacobi,
Airy, Stokes)
Na przełomie XIX i XXw. wzrost znaczenia obserwacji i
doświadczeń.
Wśród działów fizyki wnętrza ziemi na czoło wysuwa się
sejsmologia. Odkryto strefy wnętrza ziemi (1930-40)
1957-1958 Międzynarodowy Rok Geofizyki
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Sejsmologia
Rozchodzenie się fal sejsmicznych i badanie przyczyn i
mechanizmów trzęsień ziemi.
- stacja sejsmiczne – duża liczba danych pochodzących z
naturalnych trzęsień,
- modele i metody obliczeniowe,
- sztuczne wywoływanie fal (kontrolowane eksplozje)
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Narzędzia
Sejsmograf – zasada działania
i rzeczywisty wygląd:
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Rodzaje fal sejsmicznych 1
Fale powierzchniowe
- Love’a
- Rayleigha
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Rodzaje fal sejsmicznych 2
Fale objętościowe
- P - podłużne
- S - poprzeczne
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Prędkości fal sejsmicznych
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Prędkości fal sejsmicznych
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Tory fal sejsmicznych
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Budowa Ziemi
Ze względu na właściwości fizyczne (prędkość fal sejsmicznych,
ciśnienie, temperaturę) wyróżniamy:
- litosferę – najbardziej sztywna sfera kuli ziemskiej,
- astenosferę
- zawiera fazę ciekłą,
- występują w niej prądy konwekcyjne;
- mezosferę,
- stan stały (wzrost ciśnienia)
- jądro zewnętrzne (stan ciekły) i środkowe.
Między skorupą a płaszczem – nieciągłość Mohorovičićia (1909).
Między płaszczem a jądrem – nieciągłość Gutenberga (1914).
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Budowa Ziemi
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Teoria tektoniki płyt
Tektonika - dział geologii, nauka o budowie skorupy
ziemskiej oraz o przyczynach, przebiegu i skutkach procesów
prowadzących do jej deformacji.
Teoria tektoniki płyt – głównym czynnikiem ewolucji
tektonicznej jest poziomy ruch płyt litosfery, ich kolizje i
rozpad.
Teoria sformułowana w latach 60 XX w. Współcześnie jest
powszechnie przyjmowana.
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Strefa ryftu
Przyczyna:
- prądy konwekcyjne (wstępujące) w astenosferze.
Skutki:
- tworzenie nowej litosfery,
- oddalanie się płyt,
- wulkanizm i sejsmiczność,
- rowy tektoniczne (r. kontynentalny)
- grzbiety oceaniczne (r. oceaniczny)
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Strefa subdukcji
Przyczyna: zderzanie się płyt
litosfery.
Najczęściej płyta oceaniczna
wchodzi pod kontynentalną.
Skutki:
- powstawanie rowów
oceanicznych,
- wypiętrzanie gór,
- wulkanizm i sejsmiczność
- bardzo silne trzęsienia
ziemi (np. tsunami z 2004 r.)
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Uskoki transformacyjne
Przyczyna: relaksacja
naprężeń powstałych
wskutek nierównomiernego ryftu.
Skutki: aktywność
sejsmiczna,
trzęsienia ziemi (uskok
San Andreas)
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Płyty litosfery, strefy subdukcji, strefy ryftu...
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Epicentra trzęsień ziemi
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Trzęsienia ziemi
Zdecydowana większość trzęsień – charakter tektoniczny.
Gwałtowne uwolnienie energii sprężystej związane z
osiągnięciem krytycznych wartości naprężeń,
zniszczeniem materiału skalnego, naruszeniem ciągłości
ośrodka wzdłuż pewnych powierzchni i powstawaniem
uskoków.
Teoria sprężystego odprężenia – sformułowana w 1906r.
przez H. F. Reida na podstawie 50 letnich obserwacji wokół
Kalifornii
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Trzęsienia ziemi
Rodzaje uskoków
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Trzęsienia ziemi
Wielkość trzęsienia ziemi:
Skala Richtera
- wprowadzona przez Ch. F. Richtera w 1935r.
- skala logarytmiczna,
Najsilniejsze trzęsienia ziemi:
M=9,0 (Sumatra, 26 grudnia 2004), zginęło ponad 300 tys. osób
M=9,2 (Alaska, 26 marca 1964), zginęło 125-131 osób
M=9,5 (Chile, 22 maja 1960), zginęło ok. 3000 osób.
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Trzęsienia ziemi
Straty ludzkie i materialne nie zależą bezpośrednio od magnitudy.
Przykład: dwa trzęsienia o M=7.
18 października 1989 koło San Francisco: z 92 wysokościowców
uszkodzone dwa;
7 grudnia 1988 Spitak w Armenii: 58 miast i wsi całkowicie
zniszczonych.
W celu porównywania skutków trzęsień wprowadzono np. 12stopniową skalę Mercalego-Cancaniego-Sieberga
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Przewidywanie trzęsień ziemi
Szczegółowa predykcja nie jest dziś możliwa. Prognozy długoterminowe powstają na podstawie analizy cykli sejsmicznych.
Nie ma systemu monitorowania i wczesnego ostrzegania.
Metody:
-podejście statystyczne: czasowo-przestrzenne korelacje między
trzęsieniami,
-zdalna obserwacja regionów sejsmicznych,
-obserwacje satelitarne (np. jonosfery),
-obserwacje zachowań zwierząt,
-pomiary składu wody (Islandia) – nowa metoda
Proseminarium fizyki teoretycznej.
Podsumowanie
Trzęsienia ziemi są źródłem katastrofalnych zniszczeń.
Dzięki ich badaniom – wymuszonym przez potrzebę bezpieczeństwa, możemy dowiedzieć się wielu ciekawych na temat
budowy naszej planety.