Як Виникають Землетруси: Еластичне Відскоку, Сейсмічні Хвилі та Резонанс

Заблоковані розломи та еластичне відскоку

Розлом – це тріщина в земній корі, де дві сторони змістилися відносно одна одної. Більшість землетрусів відбувається вздовж меж приблизно 15 тектонічних плит Землі, які рухаються зі швидкістю 1–15 см на рік – приблизно як ріст ваших нігтів. Між землетрусами дві сторони розлому заблоковані від тертям, поки тектонічні сили продовжують тиснути, згинаючи гірські породи еластично, як пружина. Еластична теорія відскоку Гаррі Фільда Рейда, розроблена після землетрусу 1906 року в Сан-Франциско, описує те, що відбувається далі: напруга накопичується протягом багатьох років або століть, поки вона не перевищує силу тертя розлому, розлом руйнується зі швидкістю 2–4 км/с, і гірські породи повертаються до свого незміненого стану, вивільняючи накопинену енергію у вигляді сейсмічних хвиль та тепла, перш ніж розлом знову заблокується, і цикл починається знову.

P-хвилі, S-хвилі та раннє попередження

P-хвилі (первинні, стиснення) – найшвидші, проходять крізь сколу 5–8 км/с і прибувають першими. S-хвилі (вторинні, розтягнення) слідують за ними зі швидкістю 3–5 км/с, не можуть проходити крізь рідини та завдають більших руйнувань через їхній більший рух земної поверхні. Найповільнішими є також поверхневі хвилі – Love-хвилі (горизонтальне розтягнення) та Рейліхові хвилі (котячий рух), які часто створюють найсильніше тремтіння, відчутне на поверхні. Оскільки P-хвилі випереджають руйнівні S- та поверхневі хвилі, час затримки збільшується з відстанню – приблизно 12 секунд на відстані 100 км – що і використовує Японія у своїй системі раннього попередження про землетруси, виявляючи P-хвилю та надсилаючи сигнал тривоги за кілька секунд до того, як прибуде руйнівне тремтіння.

Магнітуда, і чому це не повна картина

Кожне ціле число збільшення величини моменту (магнітуди) приблизно в 32 рази збільшує енергію, що вивільняється – M8 виділяє приблизно в 1000 разів більше енергії, ніж M6, а різниця між M9 і M5 становить приблизно мільйонний коефіцієнт. Але інтенсивність (змінений меркалі шкала) – те, наскільки люди відчувають тремтіння – залежить від відстані, типу ґрунту та будівельних конструкцій, а не лише від величини магнітуди. Саме тому фізика резонансу має більше значення для виживання, ніж число в новинах.

Резонанс: чому деякі будівлі руйнуються, а інші – ні

Збудована будівля поводиться як гальмівний осцилятор: ẍ + 2ζω₀ẋ + ω₀²x = −ẍ(ґрунт). Її власна частота дотримується правила-приближення f₀ ≈ 1/(0.1·N) для каркалу з N поверхів, тому блок із 2 поверхів вібрує приблизно на 5 Гц, а вежа з 15 поверхів – приблизно на 0.67 Гц. Коли частота коливань наближається до f₀, коливання підсилюються в рази впритул 1/(2ζ) — приблизно в 10× для цегляної будівлі та в 25× для легко гальмівного сталевого каркалу – і саме це резонансне підсилення, а не власна сила землетрусу, руйнує будівлі. Приклад 1985 року в Мехіко є типовим: він зруйнував будівлі заввишки від 8 до 18 поверхів, тоді як коротші та вищі будівлі поблизу витримали, оскільки м'який грунт озера підсилював сейсмічні хвилі точно на резонансній частоті цих середньовисотних конструкцій.

Часті запитання

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.