Trzęsienia ziemi i ich wpływ na rzeźbę powierzchni ziemi i życie gospodarcze

Spomiędzy katastrof żywiołowych, nękających ludzkość od zarania jej istnienia, trzęsienia ziemi należą obecnie do najgroźniejszych. Od powodzi, bowiem bronimy się coraz skuteczniej, budując wały ochronne wzdłuż rzek i specjalne przeciwpowodziowe zbiorniki wodne. W najgorszym przypadku mieszkańcy zagrożonych zalewem obszarów są ewakuowani. O zbliżaniu się katastrofalnych huraganów ludność jest teraz zawczasu uprzedzana za pomocą radia, co wybitnie przyczyniło się do zmniejszania ilości ofiar. Wybuchy wulkanów rzadko, kiedy bywają tak nagłe i gwałtowne, by nie można było ujść ich skutkom. Natomiast trzęsienia ziemi przychodzą bez zapowiedzi i jeżeli są dostatecznie silne i nawiedzą okolice zaludnione - sieją straszliwe spustoszenie. W ciągu niewielu minut, a czasem zaledwie sekund, walą się całe miasta, grzebiąc pod swymi gruzami tysiące mieszkańców.

Trzęsieniem ziemi nazywamy drgania skorupy ziemskiej. Skorupa ziemska składa się z oddzielnych płyt litej skały. Poruszają się one wolno, a czasem ślizgają się wzdłuż siebie. Najsilniejsze trzęsienie występują na styku płyt. Niekiedy płyty blokują się i przez pewien czas są unieruchomione. Narastają wówczas naprężenia, które ulegają nagłemu rozkładowi, kiedy płyty się przesuną. Powoduje to tworzenie się fal sprężystych zwanych sejsmicznymi. Fale sejsmiczne rozchodzą się z hipocentrum i docierają najpierw do obszaru położonego dokładnie nad hipocentrum to miejsce nazywamy epicentrum. Trzęsienie ziemi największe szkody wywołuje w epicentrum, ponieważ zgodnie z przebytą drogą fale tracą swoją prędkość, a co za tym idzie siłę. Im dalej od epicentrum tym mniejszy wstrząs, czyli mniejsze zniszczenia. Ogólnie biorąc rzecz pod uwagę istota trzęsień polega na przemieszczaniu się pewnych mas wewnątrz ziemi.

Wyróżniamy dwa rodzaje fal:
- podłużne - powodują ściskanie lub rozkurczanie skał wzdłuż drogi przebiegu fale te rozchodzą się we wszystkich trzech ośrodkach skupienia nim ciało gęstsze tym prędkość większa np.: prędkość w skałach litych wynosi od 3 do 5km\s
- poprzeczne - powodują deformacje poprzeczne i rozchodzą się tylko w jednym ośrodku skupienia, a mianowicie w ciałach stałych.

Trzęsienie ziemi trwa na ogół nie dłużej niż kilka sekund, ale niektóre trwają minutę lub dłużej. Trzęsienie ziemi w San Francisco w 1906 roku trwało 40 sekund, podczas gdy trzęsienie ziemi, które nawiedziło Alaskę w 1964 roku trwało 7 minut, z tego 3 minuty ze szczególnie niszczącą siłą. Ludzie badający trzęsienia ziemi nazywamy sejsmologami, którzy co roku rejestrują 500 tysięcy wstrząsów. Przeważająca większość wstrząsów pozostałaby niezauważona, gdyby nie sejsmolodzy i ich wrażliwe urządzenia nazywane sejsmometrami. Najsilniejszy wstrząs, jaki zanotowano od chwili rozpoczęcia systematycznych badań miał miejsce w 1950 roku na pograniczu Indii, Birmy i Tybet, przy wschodnich krańcach Himalajów. Waliły się wówczas całe zbocza górskie tarasując rzeki, kładły pokotem lasy, rozwierały się wielkie rozpadliny.

Kula ziemska podzielona została na obszary:
- sejsmiczne - trzęsienia ziemi są tu bardzo częste i bardzo silne ("Ognisty pierścień" wzdłuż Pacyfiku; grzbiety śródoceaniczne; młode góry fałdowe).
- pnesejsmiczne - trzęsienia ziemi są tu bardzo rzadkie i słabe (północna Europa, Francja, Polska).
- asejsmiczne - obszary wolne od wstrząsów (stare platformy kontynentalne).

Ze względu na genezę trzęsienia ziemi można podzielić na:
- tektoniczne - (ok. 90%) wywołane nagłym rozładowaniem nagromadzonej w wyniku procesów tektonicznych (ruch płyt litosferycznych) energii.
- wulkaniczne - (7%) poprzedzają wybuch wulkanu, spowodowane parciem magmy i przemieszczaniem się gazów wulkanicznych wewnątrz skorupy ziemskiej, są mniej groźne
- zapadowe = zapadliskowe = zawałowe - (3%) wywołane zapadaniem się pustek podziemnych różnego pochodzenia np. zapadanie się jaskiń na obszarach krasowych, lawiny skalne w górach, tąpnięcia związane z działalnością górniczą.

Trzęsienia ziemi można także podzielić ze względu na głębokość źródła:
- płytkie do 70 km
- pośrednie 70 - 300 km
- głębokie 300 - 700 km

Najwięcej trzęsień jest na Pacyfiku. Podmorskim trzęsieniom towarzyszą ogromne fale zwane tsunami, które rozchodzą się we wszystkie strony z ogromną prędkością, powodującą zniszczenia na wybrzeżach.
Do pomiaru trzęsień ziemi stosujemy dwie różne skale: Richtera i Marcallego.

Skala Richtera służy do określania efektów energetycznych trzęsienia ziemi w jego epicentrum. Jest to skala logarytmiczna, co oznacza, że ilekroć intensywność trzęsienia ziemi wzrasta o jedną jednostkę, grunt trzęsie się 10-krotnie silnej, a ognisko trzęsienia wyzwala 30-krotnie więcej energii. Podana niżej skala wskazuje na prawdopodobne skutki trzęsienia ziemi dla poszczególnych stopni intensywności.

Stopień - Możliwe Skutki:
1 Wykrywalne tylko za pomocą sejsmografów
2-3 Ledwie odczuwalne przez ludzi
4-5 Może spowodować niewielkie szkody
6 Dość niszczycielskie
7 Duże trzęsienie ziemi
8-9 Bardzo niszczycielskie trzęsienie ziemi

Skala Marcallego służy do określania intensywności drgań gruntu w danym miejscu na skutek trzęsienia ziemi. Jest to tzw. odczuwalna intensywność. Sama skala zaś jest rejestrem opisanych skutków trzęsienia ziemi.

Intensywność - Możliwe skutki:
1 Nieodczuwalne dla ludzi
2 Odczuwalne dla ludzi zamieszkujących wyższe piętra
3 Zawieszone na ścianach przedmioty mogą się poruszać
4 Zawieszone na ścianach przedmioty poruszają się, pojawia się drżenie okien i drzwi

5 Odczuwalne na dworze, małe przedmioty poruszają się
6 Odczuwalne przez każdego, poruszają się meble, chwieją się drzewa i krzewy
7 Ludzie z trudem utrzymują się na nogach, budynki pękają
8 Powstają duże szkody w budynkach, łamią się gałęzie drzew
9 W gruncie tworzą się duże pęknięcia, niektóre domy rozpadają się
10 Obsuwa się powierzchnia ziemi, liczne budynki leżą w gruzach
11 Duże przekształcenia powierzchni ziemi, wyginają się szyny kolejowe
12 Zniszczenia są niemal całkowite

Strefy sejsmiczne pokrywają się z płytami tektonicznymi oraz z obszarami aktywnych wulkanów. Strefy najczęściej doświadczalne przez trzęsienia ziem to: pierścień dookoła pacyficzny i strefa śródziemnomorska.

Trzęsienia ziemi są przyczyną powstania tsunami (olbrzymich fal morskich w obrębie wybrzeży siejących spustoszenie na lądzie często nie dotkniętym trzęsieniem), osuwisk, uskoków, szczelin, a ponadto powodują często olbrzymie zniszczenia i liczne wypadki śmiertelne. Zniszczenia spowodowane trzęsieniami ziemi zależą w znacznym stopniu od budowy geologicznej oraz od konstrukcji budynków podlegających wstrząsom. Liczba trzęsień ziemi nawiedzających Ziemię w ciągu roku jest szacowana na miliony, z czego zdecydowana większość to trzęsienia słabe nie odczuwalne przez człowieka. Silne trzęsienia ziemi powodujące zniszczenia i ofiary w ludziach są sporadyczne i notuje się ich do kilkunastu w ciągu roku.

Podczas trzęsienia, rzeźba powierzchni ziemi ulega znacznym deformacjom, powstają rowy, osuwają się zbocza gór, zniszczone są koryta rzek. Te zniszczenia przez wiele miesięcy, a czasem lat są odbudowywane przez człowieka, co tragicznie wpływa na życie gospodarcze dotkniętych trzęsieniem regionów. Odbudowa zniszczonej aglomeracji pochłania ogromne koszty, i bez pomocy „z zewnątrz” powrót ludzi dotkniętych klęską do normalnego życia jest bardzo utrudniony. Zniszczona sieć wodno-kanalizacyjna, brak podstawowych środków czystości, oraz setki przywalonych pod gruzami ciał, powodują roznoszenie się w powietrzu różnych chorób i powstanie epidemii. Pomoc ludziom dotkniętym katastrofą jest utrudniona przez zniszczone drogi i linie kolejowe, nie działa sieć energetyczna, to wszystko powoduje bardzo łatwe rozprzestrzenianie się choroby. Przy trzęsieniu ziemi o sile 7.0 w skali Richtera w terenie gęsto zaludnionym straty w ludziach liczy się w tysiącach.

Skutki trzęsień ziemi:
- ofiary śmiertelne wśród ludności
- pozbawienie ludności dachu nad głową
- szkody budowlane (pękające mury, rysy na budynkach)
- szkody gospodarcze (pękają rurociągi, gną się szyny kolejowe)
- zmiany w ukształtowaniu powierzchni ziemi
- wywołane przez trzęsienie ziemi obrywy, osuwiska mogą prowadzić do zmiany sieci hydrograficznej
- powodują powstawanie fal tsunami

Próbując przewidzieć miejsca, w których wystąpią trzęsienia ziemi, niektórzy badacze przyglądają się ziemskiemu polu grawitacyjnemu. Co wspólnego ma siła grawitacji z nieobliczalnymi wstrząsami skorupy ziemskiej?

Badacze z California Institute of Technology odkryli, że w strefie subdukcji (gdzie jedna płyta kontynentalna zachodzi pod drugą) obszary o stosunkowo silniejszej grawitacji są mniej narażone na wielkie trzęsienia ziemi niż obszary, na których grawitacja jest relatywnie słabsza.

Dziś naukowcy zajmujący się trzęsieniami ziemi korzystają z jednej z czterech metod: analizują sejsmogramy, badając tarcie różnych materiałów, mierząc rosnące powoli naprężenia w skorupie, budując dynamiczne modele tektoniki.

Anomalie grawitacyjne występują, gdy w danym miejscu grawitacja jest silniejsza lub słabsza niż średnia w regionie. Może mieć na nią wpływ góra (lub dolina) albo gęsta skała - wtedy grawitacja przybiera nieznacznie na sile zmniejszając lokalną siłę przyciągania. Song i Simons przebadali dane z obserwacji satelitarnych pola grawitacyjnego w strefach subdukcji. Porównując zmiany w grawitacji wzdłuż rowu tektonicznego z danymi o występowaniu trzęsień ziemi w ciągu ostatnich 100 lat, doszli do wniosku, że obszary o negatywnych anomaliach grawitacyjnych są skorelowane z większą aktywnością sejsmiczną i analogicznie - obszary o dodatnich anomaliach są nawiedzane przez trzęsienia ziemi rzadziej.

Okazało się także, że większość energii trzęsień ziemi uwolniona została w obszarach o słabszej grawitacji. Choć stanowiły one zaledwie 14% ogółu, wystąpiło w nich 44% trzęsień o sile ponad 7,5 w skali Richtera. Przy tym obszary o słabszej grawitacji odpowiadały regionom nisko położonym, jak na przykład basenom.

Jak więc topografia i grawitacja wiążą się z aktywnością sejsmiczną? Odpowiada za to tarcie. Gdy dwie płyty tektoniczne ocierają się o siebie, tarcie utrudnia ich ruch. Gdy jest wystarczająco duże, płyty przestają się poruszać. Naciskając jednak nadal na siebie, deformują się wywołując przestrzenne zmiany w ukształtowaniu terenu i polu grawitacyjnym. Tarcie powoduje także, że narasta naprężenie. Gdy stanie się zbyt duże, płyty mogą nagle się przesunąć powodując wstrząsy.

Ten wywód jest dość prostym wyjaśnieniem złożonego zjawiska, ale zakłada wiele uproszczeń, a Song i Simons chcą kontynuować prace nad współzależnością między polem grawitacyjnym a dużymi trzęsieniami ziemi.

Anomalie grawitacyjne powstają w bardzo długim czasie, nawet miliona lat. Badanie zmienniości pola grawitacyjnego wymaga dużej precyzji: anomalie są rzędu 0,004 m/s2, (podczas gdy średnia wartość przyspieszenia ziemskiego to 9,80665 m/s2, między równikiem a biegunami zmienia się od 9,78 do 9,83 m/s2). Zmiany wywoływane przez trzęsienia ziemi są zdecydowanie szybsze, ale ich wielkość jest o wiele mniejsza. "Badanie to tworzy silne powiązanie między długookresowym zachowaniem tektoniki a krótkoterminową aktywnością sejsmiczną" - mówi Simons - "i w ten sposób przyczynia się do zrozumienia dynamiki trzęsień ziemi".

Choć nikt nie jest w stanie powiedzieć, kiedy lub gdzie wystąpi następne trzęsienie ziemi, pomiary GPS mogą ujawnić miejsca, w których narasta naprężenie skorupy. Simons chce wykorzystać te dane do potwierdzenia swoich wniosków i rozszerzenia badań na inne obszary - nie tylko strefy subdukcji. Nie mniej jednak Simons, choć nie jest w stanie wskazać, gdzie zdarzy się kolejne trzęsienie, może określić rejony o silniejszej grawitacji, których kataklizm dotknąć nie powinien.

Naukowcy Japońscy i Amerykańscy prowadzą badania nad sejsmoodpornymi budynkami. Wiadomo, że budynki muszą być budowane na specjalnych fundamentach, bez kominów i bez ozdób gdyż główną przyczyną śmierci ludzi podczas trzęsień jest odrywanie się ozdób.

Największe trzęsienia w ostatnich latach 90 latach to:
- Czerwiec 1990 - Iran, prowincje Ghilan i Zandżam, 40 tys. ofiar
- Luty 1991 - pogranicze Afganistanu i Pakistanu, 1,5 tys. ofiar
- Grudzień - 1992-Indonezja, wyspy w prowincji Wschodnia Nussa Tenggara 2 tys. ofiar
- Wrzesień 1993 - Indie, Karnataka 22 tys. ofiar
- Luty 1998 - Afganistan, prowincje północno-wschodnie, 4 tys. ofiar