GEOFIZYKA. Trzęsienia Ziemi. Linie stałego natężenia konkretnego trzęsienia Ziemi to izosejsmy.

Transkrypt

1 Trzęsienia Ziemi Linie stałego natężenia konkretnego trzęsienia Ziemi to izosejsmy.

2 Trzęsienia Ziemi

3 Trzęsienia Ziemi trzęsienia Ziemi zarejestrowane od roku 1960

4 Trzęsienia Ziemi trzęsienia Ziemi zarejestrowane od roku 1995

5 Sejsmologia Sejsmologia to dział geofizyki ogólnej zajmujący się badaniem trzęsień Ziemi oraz fal sejsmicznych. Sejsmologia dostarcza między innymi narzędzi do monitorowania wyników prób z bronią nuklearną oraz umożliwia poznanie budowy niedostępnego wnętrza Ziemi.

6 Sejsmologia Sejsmologię dzielimy na: sejsmologię opisową rozpatrującą zjawiska trzęsień Ziemi od strony geologicznej i badającą ich rozprzestrzenienie geograficzne; sejsmologię teoretyczną zajmującą się rozchodzeniem się fal sejsmicznych w Ziemi; sejsmometrię traktującą o metodach obserwacji tych fal.

7 Sejsmologia opisowa Występowanie wstrząsów sejsmicznych jest wartościowym wskaźnikiem współczesnej aktywności geodynamicznej. Lokalizacje ognisk wstrząsów bezpośrednio wskazują na miejsca koncentracji deformacji pomiędzy blokami tektonicznymi lub i ich obrębie. W przypadku odczytania metodami sejsmologicznymi mechanizmu wstrząsu sejsmicznego, możliwe jest również wyznaczenie kierunku przemieszczenia. Brak wstrząsów sejsmicznych świadczy o obniżonym tempie deformacji, ale możliwości występowania deformacji nie wyklucza.

8 Mechanizm wstrząsu Kumulowanie się różnego rodzaju naprężeń w skorupie ziemskiej prowadzi w pewnym momencie do jej rozerwania.

9 Mechanizm wstrząsu

10 Mechanizm wstrząsu focal mechanism mówi o orientacji i rodzaju przesunięcia

11 Mechanizm wstrząsu focal mechanism

16 Wstrząsy sejsmiczne w Polsce Terytorium Polski pod względem występowania zjawisk sejsmicznych można zaliczyć do obszarów asejsmicznych i pensejsmicznych, na których trzęsienia ziemi zdarzają się dość rzadko; dodatkowo nie są to zbyt silne wstrząsy. Strefami o wyższej aktywności sejsmicznej są obszary polskich gór: Karpaty i Sudety, a także obszary działalności górniczej, gdzie częstym zjawiskiem są tzw. tąpnięcia.

17 Wstrząsy sejsmiczne w Polsce Sejsmolodzy wyróżniają na terenie Polski jedenaście odrębnych jednostek (regionów) sejsmicznych: 1. zachodniopomorski, 2. białostocki, 3. Polski centralnej i pogranicza, 4. Gór Świętokrzyskich, 5. Karkonoszy i Kotliny Kłodzkiej, 6. strzelińsko-hronowski, 7. Śnieżnika, 8. opawski, 9. cieszyński, 10. pieniński, 11.krynicki.

18 Wstrząsy sejsmiczne w Polsce

19 Wstrząsy sejsmiczne w Polsce ok wstrząsów

20 Wstrząsy sejsmiczne w Polsce Permanentny Monitoring Geodynamiczny Polski 47 stacji (9 permanentnych i 38 mobilnych)

21 Wstrząsy sejsmiczne w Polsce Górnośląska Regionalna Sieć Sejsmologiczna Głównego Instytutu Górnictwa 17 stacji

22 Wstrząsy sejsmiczne w Polsce Wyniki analiz danych historycznych i zapisów instrumentalnych pod kątem lokalizacji i intensywności wstrząsów sejsmicznych (Lewandowska-Marciniak i Guterch (2002) oraz Guterch (2009)) wskazują na skupienia większości wstrząsów w południowej Polsce: zwłaszcza w Sudetach i strefie Śląsko-Morawskiej, a także w Karpach wzdłuż tektonicznego szwu pienińskiego

23 Wstrząsy sejsmiczne w Polsce

24 Wstrząsy sejsmiczne a budowa geologiczna

25 Wstrząsy sejsmiczne a powierzchniowy strumień cieplny

26 Sejsmometria Rejestracja drgań sejsmicznych na powierzchni Ziemi dokonywana jest przez urządzenia zwane sejsmografami (sejsmometry).

27 Sejsmometria Głównym elementem sejsmografu jest sejsmometr, którego podstawową częścią jest masa bezwładna zawieszona tak, że tworzy wahadło fizyczne (pionowe lub poziome). Okres drgań własnych wahadła powinien być duży w porównaniu z okresem drgań gruntu, gdyż wtedy środek wahadła można traktować jako stały punkt odniesienia, względem którego określa się wielkość i kierunek drgań gruntu. Zapis drgań gruntu przez sejsmograf to sejsmogram, który pozwala na wyznaczenie czasu przyjścia fal sejsmicznych różnego typu do stacji sejsmologicznej oraz na określenie amplitud i okresów tych fal.

28 Sejsmometria Sejsmometry można podzielić na grupy: 1. ze względu na kierunek rejestrowanych drgań: a. poziome; b. pionowe. 2. ze względu na częstotliwość rejestrowanych drgań: a. krótkookresowe; b. długookresowe; c. szerokopasmowe. 3. ze względu na rodzaj sygnału wyjściowego: a. przetworniki prędkościowe; b. przetworniki przyspieszeniowe (akcelerometry); c. przetworniki przemieszczeniowe.

29 Sejsmometria Sejsmometr rotacyjny: Struktury jednorodne mają tę własność, że przenoszą tylko drgania poprzeczne lub tylko podłużne. Każda niejednorodność (wnętrze Ziemi ma strukturę niejednorodną) mająca postać zaburzenia struktury może generować drgania inne niż poprzeczne lub podłużne. Te drgania mogą mieć charakter fal skrętnych (rotacyjnych). Zauważono je podczas obserwacji zjawisk sejsmicznych jako pewne przesunięcia niektórych obelisków wokół własnej osi, co wskazywało, że oprócz prostego ruchu translacyjnego pojawiają się jakieś niespodziewane ruchy obrotowe.

30 Sejsmometria Sejsmometr rotacyjny: ruch skrętny budowli po trzęsieniu ziemi w Indiach w 1897 r.:

31 Sejsmometria Sejsmometr rotacyjny: Aby zarejestrować drgania rotacyjne należy umieścić kilka sejsmometrów na okręgu co określony kąt. Na początku XX wieku powstał pierwszy sejsmograf, którym można było mierzyć translacje, czyli dwa poziome i jeden pionowy ruch ziemi, zapis przemieszczeń, prędkości i przyspieszeń danego punktu. Najnowszą konstrukcją jest sejsmometr rotacyjny, zawierający ramię wahadła, na którym osadzona jest masa oraz cewkę indukcyjna współpracującą z układem rejestracyjnym.

32 Sejsmometria Sejsmometr rotacyjny: FORS światłowodowy sejsmometr rotacyjny. Zrealizowany został w oparciu o światłowodowy interferometr Sagnaca, z zastosowaniem specyficznych rozwiązań optoelektronicznych mających na celu maksymalizację czułości. AFORS-I przeznaczony jest do rejestracji efektów rotacyjnych mających miejsce podczas trzęsień ziemi, natomiast FOSREM ma za zadanie monitorować ruchy skrętne budowli inżynieryjnych. Wydział Nowych Technologii Chemii WAT:

33 Sejsmometria Sejsmometr rotacyjny:

34 Sejsmika inżynierska Bezinwazyjna metoda badania ośrodka geologicznego, dostarczającą informacji na temat budowy i stanu geomechanicznego badanego ośrodka. Najczęściej stosowane są techniki pomiarowe: refrakcyjna (do głębokości ok. 30 m), refleksyjna ( m), prześwietlanie, wielokanałowa analiza fal powierzchniowych (ang. MASW) w wersji 1D (profile głębokościowe) i 2D (przekroje głębokościowe) (do 30 m).

35 Sejsmika inżynierska Pomiary sejsmiczne na powierzchni terenu wykonywane są wzdłuż tzw. rozstawów, składających się z maksymalnie 24 odbiorników (geofony lub hydrofony) odległych od siebie od 1 do 5 m, co daje maksymalną długość rozstawu 115 m. Na rozstawie a także poza nim, w wyznaczonych punktach wzbudza się fale sejsmiczne podłużne P, poprzeczne S oraz powierzchniowe Rayleigha.

36 Sejsmika inżynierska Fale te wzbudzane są z użyciem źródła (udarowy generator energii sejsmicznej, młotek, materiał wybuchowy), propagują w badanym ośrodku i natrafiają na niejednorodności takie jak granice litologiczne, pustki, uskoki, płaszczyzny poślizgu, horyzonty wód gruntowych itp. Wówczas ulegają one zjawiskom przechodzenia, odbicia, załamania, dyfrakcji, rozproszenia. Zarejestrowane sygnały te są następnie przesyłane do rejestratora sejsmicznego, a następnie w postaci cyfrowej do przenośnego komputera i zapisywane w plikach w formacie SEG Y (jeden z formatów zapisu danych geofizycznych wprowadzony przez organizację Society of Exploration Geophysicists).

37 Sejsmika inżynierska

39 Sejsmika inżynierska wyznaczenie granic: podłoża skalnego, między warstwami zróżnicowanymi litologicznie, pomiędzy strefami o różnym stopniu wietrzenia; wyznaczenie nieciągłości, lokalizacja i ocena płytkich stref uskokowych, deformacji; położenia i kształtu płaszczyzn poślizgu w ośrodku gruntowym i skalnym; położenie stref spękań, osłabienia, rozluźnień i zapadania się ośrodka gruntowego i skalnego; położenie zwierciadła wód gruntowych;

40 Sejsmika inżynierska lokalizacja nieciągłości, pustek, kawern oraz procesów deformacji w nadkładzie i podłożu; ocenę stanu intensywności spękań i zwietrzenia ośrodka skalnego; badania właściwości geomechanicznych (dynamiczne moduły: sprężystości E d, odkształcenia objętościowego G d, współczynnik Poissona v d oraz statyczne moduły: deformacji D i sprężystości E S ).

42 Sejsmika inżynierska Mapa przebiegu granicy Moho (syntezą wyników wielu eksperymentów sejsmicznych) opracowana w Instytucie Geofizyki Uniwersytetu Warszawskiego:

43 Skale trzęsień Ziemi Skala Mercallego-Cancaniego-Sieberga (zwana popularnie skalą Mercallego): stworzona w 1902 roku 12-stopniowa skala oparta na ocenie szkód wyrządzonych przez trzęsienie Ziemi podzielonej według wartości przyspieszenia. Trzęsienie jest tym silniejsze, im większe jego przyspieszenie, czyli im mniejszy jest okres drgań w stosunku do ich amplitudy. Stopnie skali Mercallego oznacza się cyframi rzymskimi.

44 Skale trzęsień Ziemi I instrumentalne drgania mikrosejsmiczne notowane tylko przez przyrządy. Maksymalne przyspieszenie do 0.25 cm/s 2. II-III lekkie lekkie drgania odczuwalne tylko przez niektórych ludzi, zwłaszcza tych znajdujących się na górnych piętrach wysokich budynków. Przedmioty wiszące mogą się kołysać. Maksymalne przyspieszenia od 0.25 do 1 cm/s 2.

45 Skale trzęsień Ziemi IV-V umiarkowane odczuwalne są umiarkowane drgania powszechni. Drobne przedmioty wprawiane są w drgania. Naczynia brzęczą, a nawet mogą pękać, okna i drzwi stukają lub otwierają się i zamykają. Obrazy na ścianach oraz inne wiszące przedmioty, wprawione w ruch, kołyszą się. Największe przyspieszenia od 1 do 5 cm/s 2. VI-VII silne silne drgania, odczuwane przez wszystkich. Występują drobne uszkodzenia. Mocniejsze wstrząsy mogą spowodować zawalanie się ścian i sufitów. Pękają okna, obrazy spadają ze ścian. Kierowcy odczuwają drgania samochodów. Trzęsą się drzewa i krzaki. Maksymalne przyspieszenia od 5 do 25 cm/s 2.

46 Skale trzęsień Ziemi VIII-IX niszczycielskie wysokie budynki kołyszą się, meble pękają, samochody gwałtownie skręcają. Spękania budynków, tworzenie się szczelin w gruncie i osuwisk. Największe przyspieszenia od 25 do 100 cm/s 2. X-XII katastrofalne poważne uszkodzenia budynków sięgające aż do fundamentów. Tworzą się szerokie szczeliny, osuwiska, następuje podnoszenie i wypływy wody gruntowej. Maksymalne przyspieszenia od 100 do 1000 cm/s 2.

47 Skale trzęsień Ziemi Skala Richtera skala logarytmiczna określająca wielkość trzęsienia Ziemi na podstawie amplitudy drgań wstrząsów sejsmicznych. Wprowadzona w 1935 roku przez amerykańskich geofizyków Charlesa F. Richtera i Beno Gutenberga. Współczesna sejsmologia do oceny wielkości wstrząsów sejsmicznych wykorzystuje magnitudę (skala magnitudowa), skalibrowaną w taki sposób, by w przedziale typowych trzęsień Ziemi (od 3 do 7) pokrywała się ze skalą Richtera. Skala Richtera jest skalą energetyczną, tj. określa energię wyzwoloną w czasie wstrząsu. Każdy kolejny stopień oznacza około 31-krotnie większa energię wyzwoloną, mierzoną w dżulach (J).

48 Skale trzęsień Ziemi Skala magnitudowa < Skutki Najmniejsze wstrząsy, nieodczuwalne przez człowieka ani przez sejsmograf. Wstrząsy nieodczuwalne dla człowieka, lecz rejestrowane przez sejsmograf. Bardzo małe wstrząsy, odczuwane tylko przez niektórych ludzi. Odczuwane przez większość osób, nieszkodliwe. Odczuwane przez wszystkich, powoduje bardzo niewielkie zniszczenia. Średnie wstrząsy, powoduje mniejsze uszkodzenia budynków. Liczba trzęsień rocznie (8000 dziennie) Duże wstrząsy, powodują znaczne zniszczenia Poważne zniszczenia Ogromne zniszczenia Ogromne zniszczenia, katastrofalne skutki. 1 > 9.0 Trzęsienie, które może zburzyć wszystkie miasta na terenie większym niż kilkanaście tysięcy km 2. raz na 20 lat

49 Skale trzęsień Ziemi Magnituda trzęsienia Ziemi to liczba, która charakteryzuje względną wielkość trzęsienia, opierająca się na pomiarach maksymalnego wychylenia sejsmometru w momencie trzęsienia. Określone zostało kilka rodzajów magnitud, z których najczęściej używane to: magnituda lokalna (ML), zwykle określana magnitudą Richtera ; magnituda fali powierzchniowej (surface wave Ms); magnituda fali przestrzennej (body wave Mb); magnituda momentowa (moment Mw).

50 Skale trzęsień Ziemi Maksymalne odnotowane na Ziemi trzęsienia (skala magnitudowa) wg. NEIC:

51 Skale trzęsień Ziemi Maksymalne odnotowane na Ziemi trzęsienia (skala magnitudowa) wg. ISC (ML>8, , 171 trzęsień):

52 Skale trzęsień Ziemi Trzęsienia Ziemi mają strukturę fraktalną i nie da się ich prognozować, aczkolwiek można doszukać się pewnych zależności pomiędzy liczbą silnych trzęsień a zmianą prędkości kątowej ruchu obrotowego Ziemi. Zmiany w okresie obrotu Ziemi są wyjaśniane przez tarcie między cieczami i stałymi częściami planety (ciekłe oceany, jądro i stała skorupa ziemska). Szczyt długości trwania dnia jest poprzedzony spadkiem momentu obrotowego trwającym od 6 do 8 lat. Globalna aktywność sejsmiczna wyraźnie wzrasta w końcówkach całego cyklu spowolnienia i przyspieszenia ruchu obrotowego Ziemi. Niektóre teorie wiążą również sejsmiczność z występowaniem szarpnięć geomagnetycznych (geomagnetic jerks GMJ).

53 Skale trzęsień Ziemi Istnieją dwie hipotezy łączące te dwa elementy: 1. pierwsza wyjaśnia częste silne trzęsienia Ziemi przez spadek spłaszczenia Ziemi w wyniku spowolnienia rotacji, co może sprzyjać rozprężeniom wewnątrz płyt litosferycznych, 2. druga zakłada zjawisko, w którym prędkość skorupy ziemskiej staje się znacznie większa niż prędkość obrotowa ciekłego rdzenia pod nią i płaszczem Ziemi (super rotacja jądra). Jądro Ziemi z powodu chaotyczności i niestabilności ruchu obrotowego, wpływa na powierzchnię Ziemi powodując trzęsienia.

54 Skutki trzęsień Ziemi: Tsunami fala oceaniczna wywołana podwodnym trzęsieniem ziemi. Fale tsunami rozchodzą się pierścieniowo od miejsca jej wzbudzenia. Na pełnym morzu przejście fali tsunami, poruszającej się z wielką prędkością (do 900 km/h), może być nawet niezauważone, ponieważ długość tych fal dochodzi do kilkuset kilometrów, ale ich wysokość nie przekracza kilkudziesięciu centymetrów. Dopiero w strefie brzegowej fala ulega spiętrzeniu i może osiągnąć wysokość kilkudziesięciu metrów niszcząc nadbrzeżne miejscowości.

55 Skutki trzęsień Ziemi: Chile,

56 Skutki trzęsień Ziemi: Trzęsienie Ziemi Sumatra-Andaman ( UTC): przesunięcie litosfery na odcinku o długości blisko 1200 km, przesunięcie pionowe na granicznym uskoku tektonicznym wyniosło około 15 metrów.

57 Skutki trzęsień Ziemi: Trzęsienie Ziemi w Japonii ( UTC), przesunięcie fizycznej powierzchni Ziemi:

58 Skutki trzęsień Ziemi: Potencjał grawitacyjny: n n GM a V = C m S m P r + n= 0 m= 0 r ( cos λ sin λ ) ( cosθ ) nm 0 nm 0 nm Współczynniki C nm i S nm są współczynnikami rozkładu masy, ponieważ opisują jej przestrzenny rozkład.

59 Skutki trzęsień Ziemi: n n GM a V = C m S m P r + n= 0 m= 0 r stopień: N=0 N=1 N=2 N=3 N=4 N=5 N ( cos λ sin λ ) ( cosθ ) nm 0 nm 0 nm

60 Skutki trzęsień Ziemi: Fizyczna interpretacja współczynników harmonik: wyrazy stopnia drugiego (n=2): 1 2 X C20 = Z 2 a M Ziemia 1 C21 = XZdm, 2 a M ( 2 2 C ) 22 = X Y dm 2 4a M S S = = 1 a M 1 2a M Ziemia Ziemia Ziemia Ziemia YZdm, XYdm + Y 2

61 Skutki trzęsień Ziemi: Równania te są funkcjami momentów bezwładności: A B C = = = Ziemia Ziemia ( 2 2 ) Y + Z ( 2 2 ) X + Z 2 2 ( ) X + Y Ziemia dm dm dm oraz momentów dewiacyjnych: D = E = F = Ziemia Ziemia Y Ziemia Zdm X Zdm X Ydm

62 Skutki trzęsień Ziemi: Trzęsienie Ziemi w Japonii ( UTC), przesunięcie bieguna Ziemi:

63 Skutki trzęsień Ziemi: Trzęsienie Ziemi w Japonii ( UTC):

64 Skutki trzęsień Ziemi: Trzęsienie Ziemi w Japonii ( UTC):

65 Skutki trzęsień Ziemi: Swobodne oscylacje Ziemi w wyniku dużych trzęsień Ziemia wpada w drgania o charakterystycznych częstotliwościach, których amplituda zależy od własności fizycznych i mechanicznych Ziemi. Stanowi zatem nieoceniony materiał dla badania struktury Ziemi Typ drgań okres [min] 0S S S S T T T T

66 Skutki trzęsień Ziemi: Swobodne oscylacje Ziemi sferoidalne:

67 Skutki trzęsień Ziemi: Swobodne oscylacje Ziemi sferoidalne:

68 Skutki trzęsień Ziemi: Za najtragiczniejsze trzęsienie Ziemi uważa się to, które miało miejsce 12 stycznia 2010 roku. W trzęsieniu o sile 7.0 w skali magnitudowej w Haiti zginęło ponad 316 tys. ludzi. Spoza ery obserwacji sejsmologicznych wymienić natomiast należy trzęsienie z 23 stycznia 1556 roku, kiedy to trzęsienie o magnitudzie ok. 8.0 zabiło w Chinach ponad 830 tys. ludzi, a zniszczenia odnotowano w pasie szerokim na 840 km. 26 grudnia 2004 r. po tsunami wywołanym trzęsieniem Ziemi o sile 9.0 u wybrzeży Oceanu Indyjskiego zginęło w sumie 230 tys. osób.

69 Zastosowanie SSZ do badania trzęsień Ziemi: Trzęsienia Ziemi mają strukturę fraktalną i nie da się ich prognozować. Istnieje hipoteza, iż silne trzęsienia ziemi mogą być poprzedzone zaburzeniami w jonosferze pojawiającymi się z wyprzedzeniem kilku dni. W 1964 roku doszło do potężnego wstrząsu sejsmicznego na Alasce i w tym czasie satelita badający jonosferę po raz pierwszy zarejestrował zaburzenia gęstości elektronów, gdy przelatywał w pobliżu epicentrum.

70 Zastosowanie SSZ do badania trzęsień Ziemi: Możliwe wytłumaczenia prekursorów trzęsienia Ziemi: 1. elektromagnetyczne: w pobliżu ogniska przyszłego trzęsienia ziemi na skutek silnych naprężeń i odkształceń skał powstają pola elektromagnetyczne. Odpowiada za to efekt piezoelektryczności; 2. akustyczne: w ogniskach trzęsień rodzą się fale akustyczne o bardzo małych częstotliwościach mierzonych w milihercach. Z tego powodu pole grawitacyjne Ziemi ma wpływ na ich rozprzestrzenianie. Fale te powstają w strefie zórz polarnych; 3. fizyko-chemiczne: przed silnymi trzęsieniami rośnie emisja radonu, pierwiastka promieniotwórczego występującego dość powszechnie, choć w niewielkich ilościach, w skorupie ziemskiej. Radon miałby się wydzielać z mikropęknięć, których powstanie poprzedza właściwy wstrząs.

71 Zastosowanie SSZ do badania trzęsień Ziemi:

72 Zastosowanie SSZ do badania trzęsień Ziemi: DEMETER (Detection of Electro-Magnetic Emissions Transmitted from Earthquake Regions) jest francuskim mikrosatelitą o niskiej orbicie (715 km), którego głównym zadaniem było badanie sygnałów elektromagnetycznych pochodzących od zjawisk sejsmicznych i wulkanicznych. Misja wystartowała , zakończyła się roku.

73 Zastosowanie SSZ do badania trzęsień Ziemi: Wyposażenie: IMSC (Instrument Magnetometre Search Coil) trójosiowy zestaw trzech sensorów magnetycznych, ICE (Instrument Champ Electrique) system czterech sensorów elektrycznych, IAP (Instrument Analyseur de Plasma) analizator plazmy, ISL (Instrument Sonde de Langmuir) sonda Langmuira, IDP (Instrument Detecteur de Plasma) detektor cząstek.

74 Zastosowanie SSZ do badania trzęsień Ziemi: Badanie efektów trzęsień Ziemi: system wczesnego ostrzegania przed tsunami: monitorowanie deformacji skorupy ziemskiej: systemy pozycjonowania typu GNSS (Global Navigation Satellite System), systemy SAR (Synthetic Aperture Radar).