Čo je zemetrasenie, priebeh
Zemetrasenie je otras geologického prostredia spôsobený vlnami vychádzajúcimi z náhle sa vytvorenej šmykovej plochy. Presne vzaté, vlny môžu mať aj vulkanický a antropogénny pôvod, alebo vzniknúť zrútením podzemných priestorov, týmito sa ale nebudem v ďalšom zaoberať. Najčastejšie zemetrasenia a aj zemetrasenia s najväčšími škodami majú totiž tektonický pôvod.
Dôvody vzniku takéhoto zemetrasenia sú pomerne komplikované. Zemská kôra sa skladá z približne tuctu veľkých celkov, ktoré sa nazývajú platne. Tieto sú položené na žeravej vrstve zvanej astenosféra z magmy správajúcej sa asi ako inteligentná plastelína, možno ako trochu nahriaty, ale neroztopený vosk (čiže pozor, nie je to kvapalina v ktorej platne plávu, ako sa to často nesprávne vysvetluje). Zatiaľ nie celkom objasnené prečo a ako presne, ale v tejto astenosfére existujú prúdy teplejšej a chladnejšej magmy, ktoré zospodu pôsobia na platne, čím sa ich snažia posúvať. Tým však, že horniny na styku dvoch platní sú do seba zakliesnené, nastáva problém. Navzájom si platne zabraňujú v pohybe, hromadí sa v nich napätie, až to na niektorom mieste pevnosť horiny nevydrží a praskne. V zásade môžu nastať tri situácie spôsobujúce zemetrasenia. Buď sa platne od seba vzďalujú, čím sa horniny namáhajú ťahom, v ktorom majú rádovo nižsiu pevnosť než keď sú tlačené, takže sa pomerne rýchlo roztrhnú a vznikajúce zemetrasenia nebývajú veľké. Do voľného priestoru sa nahrnie magma, ktorá ztuhne a proces sa začína odznova. Nebezpečnejšie sú zemetrasenia vznikajúce na zlomoch, kde sa posúvajú horniny povedľa seba opačnými smermi alebo keď sa tlačia proti sebe. Horniny pod oceánmi sú hustejšie ako pod kontinentmi, preto sa nikdy netlačí málokedy tlačí (opr. 23.3.2011) oceánska platňa na pevninskú ale takmer vždy naopak. Kraje oceánskej kôry však môžu siahať hlboko do zemského plášťa (boli zaznamenané aj zemetrasenia s ohniskami 700 km pod povrchom), je teda možné, že pohyb platní spôsobujú čistou gravitáciou tieto časti, ktoré sa roztavujú len postupne a nie je to záležitosť len prúdov v astenosfére. Tzv. seizmickou tomografiou sa totiž ukazuje, že zemský plášť nie je ani zďaleka homogénny, ale sú v ňom pomerne veľké oblasti chladných litosferických častí s vysokou hustotou a horúcej astenosféry s hustotou nižšou.
Tri základné druhy styku litosferických platní (www.iris.edu)
Treba však povedať, že zemetrasenia sa vyskytujú, hoci málokedy, aj v oblastiach, ktoré neležia na styku platní. Zvyčajne na starších zlomoch, ktoré predstavujú slabšie miesta zemskej kôry, na ktorých sa môže napätie koncentrovať, niekedy ale aj v miestach, kde sa zlomy nepredpokladajú. V roku 2001 zasiahlo zemetrasenie s magnitúdou 7,6 západnú Indiu v oblasti viac než 1.000 km od najbližšej hranici platní. Geológovia predpokladajú, že zrejme išlo o napätia vzniknuté tlačením indickej platne na eurázijskú, ktoré sa ale nevyvolali priamo na styku. Takže úplne chránené od zemetrasení nie je žiadne miesto.
Priebeh zemetrasenia
Celé to začne tak, že na nejakom mieste skoncentrované napätie horina už neunesie a praskne. Toto sa nazýva ohnisko (alebo hypocentrum) a pri väčšine zemetrasení býva do 20 km pod povrchom. Miesto na povrchu nad ohniskom sa potom nazýva epicentrum. Táto prasklina sa šíri ďalej rýchlosťou 2-3 km za sekundu až kým nenarazí na pevnú horninu, ktorá nebola až tak zaťažená a ktorej pevnosť ďalšie šírenie zastaví. Pozdĺž tejto praskliny dochádza k posunu horinových blokov (niekedy až 6-10 metrov) a táto sa potom volá šmyková (alebo aj klzná) plocha. V prípade silných zemetrasení môže byť klzná plocha dlhá aj cez 1.000 km a siahať až po povrch zeme. Základnými fyzikálnymi veličinami ovplyvňujúce vznik a silu zemetrasenia sú veľkosť šmykovej plochy, napätia na šmykovej ploche a pevnosť hornín na šmykovej ploche. Tým, že horninový masív praskne, napätie na nej klesne na nulu a bloky sa buď posunú voči sebe alebo jeden sa nasunie na druhý. Pritom sa ale uvoľní potenciálna energia ako keď dlho stlačenú pružinu, zrazu uvoľníte. Táto zčasti zohreje klznú plochu, ale väčšina zapôsobí na okolitú horninu silným impulzom a prejaví sa ako seizmické vlnenie šíriace sa ďalej.
Seizmické vlny
Veľmi silné náhle uvoľnenie energie spôsobí tri druhy vĺn. Najrýchlejšie sa šíria vlny pozdĺžne alebo P-vlny (primárne). Sú to podobné vlny ako zvukové a šíria sa rýchlosťou asi 6 km/s v závislosti od prostredia. Pri nich sa horninový element najskôr stlačí a potom roztiahne, čím vlna postupuje ďalej. Potom sa šíria priečne vlny S-vlny (sekundárne), ktoré sa dajú predstaviť ako keď hýbete koncom hadice hore-dole. Tie sa šíria približne polovičnou rýchlosťou (presnejšie 0,59-krát pomalšie). Hornina sa najskôr výchýli do jednej strany kolmej na smer vlny a potom do druhej strany, než sa vráti na svoje miesto. Okrem toho vznikajú najpomalšie povrchové vlny, ktoré majú charakter ako všetkým známe vlny na rybníku (Raleighove vlny) a pre predstavivosť bežného človeka trochu bizardné vlny doboku (Loveove vlny), Keďže tento popis vyznieva dosť ťažkopádne, na nasledujúcom videu si pozrite ako to vyzerá názorne. Je k tomu aj výklad v angličtine, pokiaľ ale nerozumiete, nemajte obavy, pochopíte to aj bez neho.
Tieto vlny sa zaznamenávajú prístrojmi nazývanými seizmografy na záznam, ktorý sa volá seizmogram. Podobne ako vzdialenosť miesta udretia blesku viete určiť podľa toho, aký je časový rozdiel medzi bleskom a hromom, tak vzdialenosť ohniska zemetrasenia sa dá určiť podľa časového rozdielu P- a S-vĺn. Keď toto spočítate z troch seizmografov na rozličných miestach, nakreslíte si na mape kružnice so stredmi v mieste seizmofu so zodpovedajúcimi vzdialenosťami a kde sa vám pretnú tam je epicentrum.
Určenie epicentra zemetrasenia na základe rozdielu príchodu P- a S-vĺn (www.iris.edu)
Ako si isto pamätáte zo školy na rôzne zákony lomu a odrazu a dopadu svetla popr. Huygensove princípy, tak seizmické vlny, keďže sú tiež vlnami, sa správajú rovnako. Celé je to ale pomerne komplikované. Na každom prechode dvoch prostredí sa časť vlny odrazí, časť ide ďalej ale sa láme, keď dorazí vlna na povrch, tak sa odrazí naspäť do plášťa. S-vlna sa nemôže šíriť v kvapalnom prostredí, takže neprechádza cez tekuté vonkajšie jadro Zeme a časť zemegule ostane po zemetrasení od tejto vlny tienená a prejavia sa už iba odrazené vlny, P-vlna sa v dôsledku lámania na hranách plášť - vonkajšie jadro a vonkajšie jadro-vnútorné jadro a zase naspäť, tiež nezachytí na celom povrchu. Navyše ako prvý záchvev nepríde vlna po najkratšej spojnici, ale po trochu „ohnutej" dráhe smerom hlbšie do útrob Zeme, lebo tam má magma väčšiu hustotu, kde sa vlny šíria rýchlejšie a napriek dlhšej vzdialenosti prídu skôr. Ďalej zdrojom seizmických vĺn nie je len ohnisko, ale prakticky celá šmyková plocha ako sa trhlina rozširuje, takže ide o súbor vĺn a nie o jeden kmit zaznamenaný seizmografom. Pre určenie epicentra sú ale dôležité prvé prichádzajúce vlny. Kmitanie S-vlny prebieha v inom smere ako P-vlny, navyše S-vlna má väčšiu výchylku, takže sa na zázname nemiešajú.
Záznam zo seizmografu ukazuje že seizmické vlny sa neprejavujú ako jeden kmit, ale ako séria, pri najsilnejších zemetraseniach trvajúca aj niekoľko minút. (www.iris.edu)
Šírenie vĺn vo vnútri Zeme je ovplyvnené lámaním vĺn pri prechode rôznymi rozhraniami a odrazom vĺn. S-vlny sa cez tekuté vonkajšie jadro nešíria vôbec, PP a SS vlny sú vlny odrazené od povrchu Zeme, PKP vlny sú P-vlny prechádzajúce jadrom. Na obrázku chýbajú vlny odrazené od vonkajšieho jadra. (www.iris.edu)
Dôležitým javov je tzv. cyklus zemetrasení. Napätie v horninách sa postupne hromadí, ako je zabránené platniam sa pohybovať, až presiahne pevnosť horniny, hornina praskne a napätie sa zníži za uvoľnenia energie - zemetrasenia. V novej polohe horninových blokov začne časom napätie znova rásť a celý proces sa opakuje. Tento cyklus vykazuje určité nepravidelnosti, napätia môžu rásť v priebehu rokov pomalšie alebo rýchlejšie, lokálna pevnosť hornín na šmykovej ploche tiež nie je úplne stála. Zároveň však fyzikálne princípy dokazujú, že nie možné činnosťou človeka vyvolávať silnejšie alebo častejšie tektonické zemetrasenia ako sa v poslednej dobe snaží veľa ľudí strašiť, lebo relevantné sily pôsobiace na platne pochádzajú zvnútra planéty a pevnosť hornín a šmykovú plochu v hĺbkach ohnísk zemetrasení (desiatky kilometrov pod povrchom) nie je možné ľudsky ovplyvniť. A ako ste si všimli, pohyby platní vznikajú z horizontálneho pohybu platní, nie zo zvislého. A ťažko obviniť priťaženie povrchu napr. priehradou alebo odľahčenie vysušovaním povrchu z toho, že sa severoamerická platňa začne pohybovať rýchlejšie smerom do pacifiku. Keď zatlačíte na predmet zhora, nebude výsledkom, že vám začne utekať doboku (do kolmého smeru).
Predtrasy a dotrasy
Predtrasy je séria malých zemetrasení vyskytujúca sa pred hlavným zemetrasením. Vysvetliť by sa dali tým, že v najslabších častiach hornín sa koncentrujú veľké napätia, ktoré spôsobia prasknutie, ktoré sa ale nerozšíri dalej. Tým však výrazne ovplyvnia napätia v okolí, ktoré potom spôsobia väčšie zemetrasenie. Nie každé zemetrasenie však má predotrasy a ak aj má, je ťažko určiť, či sa jedná o predotras alebo o náhodné bežne sa vyskytujúce zemetrasenie.
Dotrasy sú zemetrasenia po hlavnom zemetrasení, ktoré vznikajú ako dôsledok zvýšených napätí vzniknutých posunutím platní v okolí šmykovej plochy, lebo každý posun má vplyv na napätostné pole a môžu ním vznikúť miesta, kde sa náhle napätie zvýši na hodnoty tesne pod pevnosťou horniny. Dotrasy veľkých zemetrasení sa môžu vyskytnúť aj niekoľko rokov po hlavnom zemetrasení.
Určenie sily zemetrasenia
Toto je oblasť, v ktorej treba byť veľmi opatrný a dávať pozor. Existuje totižto viacero stupníc a veľmi často bývajú v médiach zamieňané a zle porovnávané. Základný problém je čo vlastne ktorá stupnica určuje. Samotné zemetrasenie opisuje magnitudo. Toto vyjadruje, aká veľká energia sa uvoľnila pri zemetrasení. Naproti tomu intenzita zemetrasenia určuje, aké malo zemetrasenie účinky. Aby sa to na prvý pohľad rozlíšilo, magnitúda sa zväčša píše arabskou číslicou a intezita rímskou, akurát slovenskí novinári na to ešte neprišli, takže treba dávať pozor o čom vlastne píšu.
Richterova škála je asi najznámejšia zo všetkých používaných. Charles Richter vychádzal z toho, že desaťnásobne väčší otras zeme (desaťnásobne väčšia výchylka na seizmografe) značí zvýšenie magnitúdy o 1. Z toho sa dá kombináciou fyziky a matematiky vypočítať, že uvoľnená energia zemetrasenia je asi 33-krát vyššia ako zemetrasenia s Richterovým magnitúdou o jedno nižším. Bohužiaľ jeho prístup sa neopiera o iné fyzikálne veličiny bezprostredne súvisiace so zemetrasením, iba o údaje zo seizmografu (a pôvodne iba z jedného typu seizmografu), ktoré pri silných zemetraseniach už nie sú celkom súvzťažné s princípom 33-násobného uvoľnenia energie, čo spôsobuje, že na rôznych meracích staniciach dáva iné hodnoty. Preto sa v súčasnosti skôr používa momentová magnitúda. Presný výpočet nie je dôležitý, vstupujú do neho ale veľkosť klznej plochy, posun blokov hornín po klznej ploche a vlastnosti hornín v ohnisku - čiže fyzikálne vlastnosti, pričom systém s 33-násobnou energiou ostáva nezmenený.
Na meranie intenzít sa využíva škála mierne odlišných stupníc napr. EMS-98, modifikovaná Mercalliho stupnica, ESK-64 alebo japonská stupnica JMA, pričom sa iba tabuľkovo priradí, že či ho ľudia registrovali, ak áno či udržali rovnováhu, či vznikla panika, koľko percent budov ako založených a v akom stave popadalo, či sa ohýbali koľaje, praskala zem a podobne. Čiže keď si zoberieme aktuálne zemetrasenie v Japonsku s momentovou magnitúdou 9,0 a zemetrasenie na Haiti z minulého roka s magnitúdou 7,0, tak v Japonsku sa uvoľnilo asi 1000-krát viac energie, ale obe zemetrasenia mali intenzitu X, lebo napáchali približne rovnaké škody, akurát japonské zemetrasenie malo ohnisko ďalej od brehu (a Japonci boli lepšie pripravení). Hoci samotné zemetrasenia sa líšili, z pohľadu účinkov boli v najhoršie postihnutých oblastiach zhodné. Preto je nešťastné tvrdiť, napr. že naša atómová elektráreň by odolala zemetraseniu o magnitúde 6,5 2), keď nie je jasné ako ďaleko od nej by také zemetrasenie malo mať ohnisko. Lebo keď v Japonsku, tak to nie je žiaden zázrak. V takýchto prípadoch hodnotenia je vhodnejšie hovoriť o intenzitách.
V nasledujúcom grafe som znázornil závislosť medzi momentovou magnitúdou zemetrasenia vľavo, uvoľnenou energiou vpravo, počtom zemetrasení s daným a vyššiou magnitúdou za rok a znázornil niekoľko iných typov rýchleho uvoľnenia energie.
Pozor, početnosť zemetrasení (os x) pre lepšie znázornenie nie je v mierke. 1 Mt je milión ton. Podľa [1] a www.iris.edu
Vidno, že po stupeň 7 sa približne s každým stupňom zníži počet zemetrasení desaťnásobne. Ale stupeň osem a vyššie sa vyskytuje raz za tri roky, hoci by sme podľa trendu očakávali každý rok. Dôvodom zrejme môže byť, že na silnejšie zemetrasenia nie sú až tak často vhodné geologické podmienky a za 9,5 leží niekde hranica, že už vzhľadom na polohu rôznych typov hornín a vnútorné vzťahy panujúce v litosfére nie je pri súčasnom stave silnejšie zemetrasenie fyzikálne možné. Je to ale iba domnienka. Teoreticky najsilnejšie možné zemetrasenie má magnitúdu 10,6, v tom prípade by sa ale polámala celá zemská kôra.
Následky a nebezpečenstvá zemetrasenia
Paradoxne nebezpečenstvo nehrozí veľmi zo samotného zemetrasenia, že by niekto padol do šmykovej plochy a tam by ho rozdrvilo, ale smrť rozosievajú hlavne seizmické vlny a javy so zemetrasením súvisiace. S-vlny občas dokážu vyvolať zrýchlenie povrchu väčšie ako voľný pád, takže zdvihnú budovy do vzduchu a vzápätí zem padne späť rýchlejšie než stavba. Povrchové vlny zase dajú silný impulz (úder) stavbám v základoch a zotrvačné sily zaťažia nosnú konštrukciu tak, že zkolabuje. Máloktorá budova dokáže také niečo ustáť a aj tie, čo vydržia, bývajú ťažko poškodené. Najčastejšou príčinou strát na životoch je pád budov a zavalenie. Pričom, pokiaľ na to budovy nie sú stavané, vie aj pomerne slabšie zemetrasenie pripraviť veľa ľudí o život, ako sa tomu stalo napr. v iránskom Bame v roku 2003, kde zemetrasenie s magnitúdou 6,6 zabilo 30.000 ľudí alebo v čínskom Tang-shane v roku 1976 kde malo zemetrasenie o magnitúde 7,6 oficiálne 240.000 a neoficiálne až 650.000 obetí. Ďalším nebezpečenstvom je ničivá vlna cunami, ktorá zabíja aj v oblastiach tisíce kilometrov od ohniska, kde zemetrasenie ľudia ani necítili. V blízkosti osady Valdez na Aljaške v roku 1964 zaznamenali vlnu cunami vysokú 67 metrov, proti takej sa ťažko niekam skryť. Ďalším sekundárnym nebezpečenstvom sú obrovské zosuvy pôdy zapríčinené náhlym kolapsom inak stabilných svahov pri prechode seizmických vĺn a silných síl, ktorými na svah zapôsobia. V roku 1920 pri zemetrasení v čínskom Gansu nastali zosuvy, ktoré sa rozprestreli po ploche 100 km2 a pochovali zaživa 200.000 ľudí. V mestských oblastiach k následkom zemetrasení treba počítať požiare z poškodených plynových alebo padnutých elektrických vedení, ktoré sa ťažko hasia, pokiaľ sú poškodené aj vodovody. Väčšina zo 140.000 obetí zemetrasenia v Tokiu a Jokohame v roku 1923 zomrela v obrovských požiaroch, ktoré po ňom v takmer čisto drevených mestách vzplanuli, vplyvom silného vetra blížiaceho sa tajfúnu rýchlo rozšírili a dva dni ich nebolo možné uhasiť. Typicky ľudským prístupom potom boli šíriace sa reči, že podpaľovali kórejskí prisťahovalci a skončilo to vyvražďovaním každého s podozrivým prízvukom vrátane Japoncov z iných ostrovov, za čo aj po oficiálnom vysvetlení a vyšetrení nikto nebol odsúdený.
Predpoveď zemetrasení
Teoreticky by sa dali predpovedať zemetrasenia podľa toho, za akú dobu sa stihne nazhromaždiť napätie na známej šmykovej ploche. Prakticky je to ale veľmi ťažká úloha, lebo jednak podmienky sa trochu menia, klzné plochy tiež nie sú vždy tie isté a dosť veľa záleží od napätostného stavu okolia. Ďalšia vec je, že vďaka GPS sa vie, že sa niektoré známe zlomy pomaly posúvajú. Na časti kalifornského zlomu San Andreas, ktorý sa posunul v roku 1906 za silného zemetrasenia sa zrejme odvtedy pomaly nebadane posúvajú pacifická a severoamerická doska popri sebe. Jednou z možností prečo neprichádza k prudkému zemetraseniu ale pomalému pohybu je, že po zemetrasení ostala klzná plocha hladká alebo sú na nej rozdrvené úlomky ktoré nekladú odpor. Na inej známej šmykovej ploche v Kalifornii prebehlo zemetrasenie v roku 1857. Podľa historických skúseností sa vie, že pri pohybe pacifickej a severoamerickej dosky 50 mm za rok, dochádza k silným zemetraseniam približne raz za 200 rokov, akurát kvôli neistotám na vstupných údajoch sa z toho údaju nedá spraviť presnejšia predpoveď ako že silné zemetrasenie nastane niekde v období 150-300 rokov po poslednom. Čiže k zemetraseniu na tejto ploche určite príde, nevie sa ale kedy. Naproti tomu zemetrasenie na Haiti bolo veľmi prekvapujúce, lebo karibská a severoamerická doska sa v oblasti posúvajú popri sebe rýchlosťou asi 11 mm za rok, čo je oproti oblastiam častých zemetrasení, kde sú relatívne rýchlosti nad 50 mm/rok, výrazne menej. Na zemetrasenie s magnitudou 7,0 sa teda musela energia hromadiť oveľa dlhšiu dobu, než uplynula od osídlenia európanmi, takže nebolo známe žiadne precedentné zemetrasenie, na základe ktorého by sa dalo podobné očakávať.
Občas sa zadarí predpovedať zemetrasenie krátkodobo ako sa stalo v roku 1975 v Mandžudsku, kde sa zaznamenali výrazné pretvorenia, kolísanie hladiny podzemnej vody, malé predotrasy a čudné správanie zvierat, čo úrady primelo evakuovať milión obyvateľov deň predtým, než celá oblasť bola zrovnaná so zemou. Hneď na druhý rok ale hrdosť čínskych vedcov, v duchu hesla pýcha predchádza pád, opadla, keď v už spomínanom Tangshane, kde neboli žiadne varovné signály, prišlo o život minimálne 240.000 ľudí. Každopádne presná predpoveď miesta, sily a času zemetrasenia je pre geológov do budúcna veľkou výzvou.
Určite sa dá zapracovať na varovnom systéme. S-vlny páchajúce najväčšie škody sa šíria rýchlosťou približne 3,3 km/s. Ak je ohnisko 300 km od veľkého mesta, tak spracovanie prvých satelitne prenášaných údajov zo seizmografov a spustenie varovného systému dáva náskok 50 až 80 sekúnd pred príchodom S-vĺn. To síce nie je dosť na evakuáciu, určite to ale stačí na schovanie ľudí pod stoly, odpojenie plynu a elektriny a vypnutie atómových reaktorov. Pri cunami šíriacimi sa asi desaťnásobne pomalšie to dáva dosť času na vyhľadanie vyvýšeného miesta a takéto varovné systémy už v dnešnej dobe fungujú.
Hoci geológiu potrebujem k svojej práci, zrovna so seizmológiou sa nestretávam, preto keď by ma chcel niekto doplniť alebo opraviť, rád si to prečítam v diskusii.
Poznámky:
1) podľa údajov z wikipedie, pričom pri odhadoch som bral do úvahy spodný odhad
2) tento príklad som si vymyslel na ilustráciu princípu a nevychádza zo žiadnych skutočných údajov
Použitá literatúra:
[1] Prof. Dr. John Grotzinger (Caltech), Prof. Dr. Thomas Jordan (University of Southern California), Prof. Dr. Frank Press (The Washington Advisory Group), Prof. Dr. Raymond Siever (Harvard University): ALLGEMEINE GEOLOGIE, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2008, 5. vydanie, ide o preklad anglicky vydanej knihy UNDERSTANDING EARTH, 5th ed. Freeeman nad Comp., 2006
Pokiaľ nie je uvedené alebo zalinkované inak alebo z kontextu nie je jasné, že sa jedná o moju domnienku, všetky fakty sú zobraté z tejto knihy.
K obrázkom:
www.iris.edu - ide o stránku Incorporated Research Institutions for Seismology (Združenie výskumných centier seizmológie), kde sú umiestnené prednášky a videá na voľné stiahnutie. Pokiaľ by niekto mal záujem o ďalšie informácie alebo prednášky v anglickom jazyku, toto je najlepšia stránka.
Opravené 23.03.2011: V celom texte okrem grafu bolo opravené nesprávne pomenovanie magnitúdo na magnitúda, bez zmeny významu textu.
