Как образуются землетрясения и как измеряется их магнитуда

Землетрясения — обычная тема поиска во всём мире, и интерес возрастает каждый раз, когда значительный толчок попадает в новости. Два вопроса повторяются чаще всего: что физически вызывает колебание земли и что на самом деле означает число магнитуды, которое сообщается впоследствии. Оба ответа получены из десятилетий сейсмологии, задокументированной организациями, такими как Геологическая служба США (USGS), и исследовательскими консорциумами, такими как IRIS — Объединённые исследовательские институты сейсмологии.

Что вызывает землетрясение

Согласно USGS, землетрясение вызывается внезапным скольжением по разлому. Земная кора разделена на большие тектонические плиты, которые постоянно, хотя и медленно, движутся. Там, где встречаются плиты, трение заставляет их края прилипать друг к другу, даже когда плиты продолжают давить. USGS приводит в качестве примера тихоокеанскую и североамериканскую плиты Калифорнии: они трутся друг о друга примерно на два дюйма в год вдоль разлома Сан-Андреас, границы, которая простирается более чем на 650 миль в длину и более 10 миль в глубину.

Пока края разлома остаются неподвижными, плиты продолжают двигаться, что изгибает и напряжает горные породы по обе стороны. Эта накопленная энергия растёт до тех пор, пока она наконец не превысит трение, удерживающее разлом вместе. Когда разлом «разрывается», застрявшая горная порода внезапно возвращается в менее напряжённое положение в быстром скольжении, и энергия, которая была запасена, распространяется наружу в виде сейсмических волн, которые USGS описывает как распространяющиеся «как волны на пруду».

Не каждый разлом ведёт себя одинаково со временем. USGS отмечает, что в некоторых районах разломы движутся через почти постоянный крип, выпуская небольшие количества напряжения в частых слабых толчках. Там, где крип не постоянен, напряжение может накапливаться десятилетиями или столетиями перед высвобождением всего сразу, производя более сильное землетрясение.

Очаг, эпицентр и сейсмические волны

Точка под поверхностью, где начинается землетрясение, называется гипоцентром или очагом; точка на поверхности прямо над ней — эпицентром, согласно USGS. Из гипоцентра выходят наружу два основных типа волн: P-волны, которые сжимают и растягивают горные породы в направлении их распространения и первыми прибывают на станции мониторинга, и S-волны, которые движут землю из стороны в сторону и прибывают после P-волн. USGS объясняет, что разница во времени между прибытием этих двух типов волн на различные сейсмографические станции позволяет учёным рассчитать, на каком расстоянии произошло землетрясение.

Как сегодня измеряется магнитуда

Магнитуда описывает размер землетрясения в его источнике; у землетрясения есть единственное значение магнитуды, согласно USGS. Это отличается от интенсивности, которая измеряет степень колебания в конкретном месте и может варьироваться в широких пределах в зависимости от расстояния от эпицентра, глубины и местных геологических условий — IRIS сравнивает магнитуду с мощностью лампочки, а интенсивность со степенью яркости, ощущаемой на разных расстояниях от этой лампочки.

Шкала, наиболее знакомая публике — шкала Рихтера — была разработана сейсмологом Чарльзом Ф. Рихтером в 1934 году, согласно Технологическому университету Мичигана. Она рассчитывала магнитуду по амплитуде наибольшей волны, записанной на определённый тип сейсмометра, с корректировкой на расстояние от землетрясения. USGS заявляет, что этот подход не точно измеряет очень сильные землетрясения: некоторые события недооцениваются, другие переоцениваются.

Сейсмологи теперь в основном используют шкалу моментной магнитуды (Mw), которую USGS и Michigan Tech описывают как предпочтительную, потому что она работает точно во всём диапазоне размеров землетрясений и применяется в глобальном масштабе. Моментная магнитуда определяется из физической величины, называемой сейсмическим моментом, рассчитываемой как жёсткость горной породы, умноженная на площадь разлома, который проскользнул, умноженная на расстояние, на которое разлом сдвинулся. Это значение момента, полученное из данных сейсмограмм и геологических измерений, затем преобразуется в число магнитуды, которое сообщается публике.

Почему каждый целый номер так важен

Шкалы магнитуды логарифмические. И USGS, и Michigan Tech заявляют, что каждое увеличение на одно целое число соответствует десятикратному увеличению амплитуды движения грунта, записываемой сейсмическими приборами, и примерно 32-кратному увеличению высвобожденной энергии. Michigan Tech приводит иллюстративные сравнения энергии: землетрясение магнитуды 1 высвобождает энергию, примерно эквивалентную 6 унциям ТНТ, тогда как землетрясение магнитуды 8 высвобождает энергию, эквивалентную примерно 6 миллионам тонн ТНТ.

Магнитуда в сравнении с интенсивностью

Поскольку магнитуда — это одно число, описывающее энергию, высвобожденную в источнике, оно само по себе не описывает, насколько сильно колебалась конкретный город или здание. Степень колебания в определённых местах вместо этого описывается с помощью шкал интенсивности, таких как модифицированная шкала интенсивности Меркалли, которая, по словам USGS, выражается в римских цифрах и зависит от факторов, включая расстояние от эпицентра, глубину землетрясения и местную геологию.