wykład V – 17.04

Trzęsienia ziemi – naturalne wstrząsy i odgania skorupy ziemskiej spowodowane rozchodzącymi się wewnątrz ziemi sprężystymi falami wywołanymi przez czynniki naturalne (ruchy skorupy ziemskiej) lub w wyniku działalności człowieka (ruchy technologiczne np. zwały górnicze, tąpnięcia, podziemne eksplozje nuklearne).

Fale sejsmiczne

• Undisturbed material

• Primary wave

• Secondary wave

• Rayleigh wave

• Love wave

Sejsmograf – trzęsienia ziemi wykrywa się i rejestruje za pomocą sejsmografu, przyrządu, który zapisuje przebieg drgań gruntu. Głównym elementem jest masa bezwładna zawieszona tak, że tworzy wahadło fizyczne. Okres drgań własnych waadła 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. Drgania gruntu są przetwarzane na impulsy elektryczne wzmacniane i rejestrowane za pośrednictwem galwanometru na taśmie światłoczułej lub w pamięci komputera.

Zapisem fal sejsmicznych za pomocą sejsmografu jest sejsmogram. Pozwala on na wyznaczenie czasu, typu fal docierających do stacji sejsmologicznej oraz na określenie amplitud i okresów tych fal.

Skale skutków trzęsień ziemi – skala Richtera to skala logarytmiczna określająca wielkość trzęsienia ziemi na podstawie amplitudy drgań wstrząsów sejsmicznych, wprowadzona w 1935 roku przez amerykańskiego geofizyka Charlesa F. Richtera.

Skala Richtera jest skalą energetyczną, tj. określa energię wyzwoloną w czasie wstrząsu. Teoretycznie jest to skala otwarta, ale praktyce nie notuje się wstrząsów o wielkości powyżej 9,5 stopnia.

Skutki w zależności od jego magnitudy:

• 2,0 – 3,4 – rejestrowane tylko przez przyrządy (około 800 tys wstrząsów rocznie na całej kuli ziemskiej)

• 3,5 – 4,2 – odczuwalne przez niektóre osoby (30 tys. rocznie)

• 4,3 – 4,8 – Odczuwalne przez wiele osób (4,8 tys)

• 4,9 – 5,4 – powszechne odczuwalne (1,4 tys)

• 5,5 – 6,1 – niewielkie uszkodzenia budynków (500)

• 6,2 – 6,9 – znaczne uszkodzenia budynków (100)

• 7,0 – 7,3 – poważne zniszczenia (15)

• 7,4 – 8,0 – rozległe zniszczenia (4 rocznie)

• Powyżej 8,0 – całkowite zniszczenia (raz na 5 – 10 lat)

Skutki trzęsień

• Formy bezpośrednie – pęknięcia, szczeliny tektoniczne, skarpy uskokowe

• Formy pośrednie – osuwiska, lawiny błotne, lawiny śnieżne, spływy gruzowe

• Fale tsunami

10 najbarziej zabójczych trzęsień w ciągu 100 lat

• 1908 – Mesyna, Włochy: 70 000 – 100 000 zabitych (szacunek)

• 1920 – prowincja Gansu, Chiny: 200 000 zabitych

• 1923 – Kanto, Japonia: 143 000 zabitych

• 1927 – Quinghai, Chiny: 200 000 zabitych

• 1932 – prowincja Gansu, Chiny: 70 000 zabitych

• 1948 – Aszchabad, Turkmenistan: 110 000 zabitych

• 1970 – Peru: 66 000 zabitych

• 1976 – Tangszan, Chiny: 255 000 zabitych (oficjalnie), 655 000 (szacunek)

• 2004 – Sumatra, Indonezja: powyżej 230 000 zabitych

• 2005 – Kaszmir: co najmniej 73 000 zabitych

10 najkosztowniejszych

• 1980 Włochy: 10 – 20 mld $

• 1988 Armenia: 14,2 – 20, 5 mld $

• 1989 Loma Prieta, Kalifornia, USA: 5,9 – 12 mld $

• 1994 Northridge, Kalifornia, USA: 20 – 40 mld $

• 1994 Kuryle, Rosja; Hokkaido, Japonia: 11,7 mld $

• 1995 Kobe, Japonia: 131, 5 mld $

• 1999 Tajwan: 9,2 – 14 mld @

• 1999 Turcja (sierpień): 6,5 – 12 mld $

• 1999 Turcja (listopad): 10 mld $

• 2004 Nigata, Japonia: 28 mld $

Obszary sejsmiczne na ziemi

Geograficzne rozmieszczenie epicentrów trzęsień ziemi pozwala na wydzielenie obszarów o różnej aktywności sejsmicznej:

• Obszary sejsmiczne – trzęsienia ziemi bywają tu częste i są bardzo silne. Wymienić tu należy 3 groźne strefy:

  • śródziemnomorska i transatlantycka (pas ciągnący się na zachód przez Chiny, wzdłuż Himalajów, potem przez Iran, a następnie na północ i południe od Morza Śródziemnego. W strefie tej notuje się 15% wszystkich notowanych trzęsień ziemi)

  • strefy rozciągania w obrębie ryftów (grzbiety oceaniczne np. rów afrykański we wschodniej części tego kontynentu)

• Obszary asejsmiczne – charakteryzujące się bardzo słabą aktywnością sejsmiczną lub nie ulegają w ogóle trzęsieniom ziemi. Zalicza się do nich między innymi: Skandynawię, środkowo-zachodnią Rosję, Saharę, północno-wschodnią Kanadę, Grenlandię, Brazylię.

• Obszary panesejsmiczne – o słabej aktywności sejsmicznej. To między innymi zachodnia i środkowa Europa oraz północno-wschodnia Azja.

Fala tsunami – w przypadku trzęsień ziemi na dnie morskim dochodzi do powstania fali tsunami. Z jap. (su-nam-e) fala portowa. Falę te charakteryzuje ogromna prędkość rozchodzenia się (do 950km/h), duża długość (do 200km), długi okres od 5 min do kilku h (średnio 10-60min), niska obserwowana amplituda na otwartym oceania. Przy dotarciu na płytkie wody otwartego wybrzeża następuje najpierw cofnięcie a potem spiętrzenie fali do ponad 30m, co prowadzi do ogromnych zniszczeń w rejonach odległych od samego trzęsienia od tysiące km. Trzęsienia ziemi wokół wybrzeża Pacyfiku powodują powstanie fal tsunami, które docierają do wysp pacyficznych i wywołują ogromne zniszczenia.

• Indonezja 2004 – 26 grudnia wywołane wstrząsem o sile 9,1 w skali Richtera u zachodnich wybrzeży Sumatry spowodowało śmierć co najmniej 230tys ludzi w Indonezji oraz na Sri Lance, w Indiach, Myanmarze i Tajlandii.

• Japonia 2011 – uderzyła elektrownię jądrową, której lokalizację źle zaprojektowano. Co za fail.

Po tsunami jakie dotknęło Aleuty i Hawaje w 1946 powstał pierwszy projekt monitorowania i ostrzegania ludności. Obecnie istnieje sieć stacji ostrzegawczych, obejmujących cały Pacyfik. System nadzoruje agencja amerykańska NOAA. Stworzona została mapa zagrożeń. Aktualnie realizowany jest projekt DART doskonalący sień głębokomorskich stacji sygnalizujących.

Trzęsienia ziemi w Polsce

Chociaż terytorium Polski nie należy do obszarów sejsmicznych, na terenie naszego kraju co jakiś czas zdarzają się trzęsienia ziemi. Według danych Instytutu Geofizyki PAN, w minionym tysiącleciu odnotowano 76 przypadków trzęsień ziemi, które sześciokrotnie osiągnęły siłę 6 stopni w skali Richtera.

Wstrząsy sejsmiczne są rejestrowane na terenie naszego kraju przez sześć obserwatoriów. Wstrząsy wywoływane przez górnictwo występują lokalnie na obszarach: Górny Śląsk, Legnicko-Głogowski Okręg Miedziowy oraz rejon Bełchatowa. Są rejestrowane przez sieci górnicze.

WIETRZENIE I GLEBA

Wietrzenie – proces fizyczny rozpadu skał oraz chemicznego ich rozkładu wskutek oddziaływania czynników zewnętrznych. Wietrzenie zachodzi na powierzchni ziemi i stosunkowo nie grubej warstwie litosfery do poziomu wód podziemnych gdzie panują niskie ciśnienie i niewysoka lecz zmienna temperatura.

Wietrzenie przeobraża skały na produkty o znacznie mniejsze spoistości przez co toruje drogę innym czynnikom geologicznym np. wodzie płynącej lub ruchom masowym, które łatwiej usuwają luźne produkty wietrzenia. Po ich usunięciu czynniku wietrzenia mogą działać na odsłoniętą świeżą skałę. Wietrzenie jest zatem pierwszym, koniecznym ogniwem denudacji, która obejmuje całokształt procesów egzogenicznych (zewnętrznych) powodujących obniżanie i wyrównywanie (gradację) powierzchni Ziemi.

Wietrzenie fizyczne – zachodzi w wyniku insolacji (nasłonecznienia) i związanych z nią zmian temp (wietrzenie insolacyjne), ciśnienia wody i lodu zawartego w skałach (kongelacja), mechanicznego działania soli (krystalizacja) i przeobrażeń chemicznych (eksudacja) oraz mechanicznego oddziaływania organizmów (np. korzeni roślin). W następstwie dochodzi do rozpadu (dezintegracji) skały macierzystej. Wyróżnia się następujące zasadnicze typu rozpadu skał:

• rozpad blokowy (dezintegracja blokowa),

• ziarnisty (granularna),

• eksfoliacja (łuszczenie skał).

System szczelin przecinających skałę powoduje znaczący przyrost powierzchni wystawionej na działalność wietrzenia i bardziej wydajne jego działanie. Powstający z zamarzania wody w szczelinach lód powoduje ich rozpychanie i poszerzanie, co prowadzi do rozpadu skał na ostrokrawędziste fragmenty – bloki i okruchy skalne.

Wietrzenie sferoidalne (kuliste) można zaobserwować na dużych, zaokrąglonych skałkach i głazach, zbudowanych ze skał magmowych i z piaskowców. Polega ono na tworzeniu skorup i łusek koncentrycznych, okrywających cubulowato jądro skalne. Pochodzenie form skorupowych tłumaczone jest wietrzeniem skał wzdłuż spękań. Wietrzenie kuliste zachodzi ponieważ ostre krawędzie i naroża spękanego bloku są łatwiej niszczone.

Wietrzenie chemiczne – spowodowane głównie procesami rozpuszczania hydratacji (uwodnienia), hydrolizy (rozpuszczania), utleniania, redukcji i uwęglanowienia przebiegającymi pod działaniem: wody, tlenu, dwutlenku węgla, kwasów humusowych i bakterii. Podczas gdy wietrzenie mechaniczne powoduje rozpad skał bez zmiany ich składu, to wietrzenie chemiczne zmienia strukturę chemiczną minerału poprzez usunięcie i/lub dodanie elementu składowego.

Efekty i produkty wietrzenia

Wietrzenie przeobraża składniku mineralne skał na nowe związku chemiczne; część tych związków zostaje rozpuszczona i doprowadzona w roztworach, część zaś zostaje jako zwietrzelina, czyli rezyduum, inaczej regolit. W wyniku wietrzenia fizycznego tworzą się skały okruchowe, wskutek wietrzenia chemicznego – niektóre skały chemiczne oraz charakterystyczne zwietrzeliny, jak eluwia – gliny zwietrzelinowe, lateryty czy terra rosa.

• Gliny zwietrzelinowe – są ostatecznym produktem wietrzenia skał podatnych na wietrzenie. Są to utwory złożone z nierozpuszczalnych związków, a więc minerałów iłowych, kwarcu, muskowitu i wodorotlenków żelaza. W zależności od warunków wietrzenia i minerału wyjściowego, gliny zwietrzelinowe różnią się miedzy sobą. Powstają w wyniku wietrzenia ilastego i laterytowego.

• Lateryt (łac. later – cegła) – jest mieszaniną wodorotlenków glinu i żelaza za zmienną ilością wody, najczęściej o charakterystycznej czerwonej barwie. Jest końcowym produktem długotrwałego wietrzenia skał magmowych. Zajmuje wielkie przestrzenie tropikalnej Afryki, Azji, Australii i Ameryki Południowej. Ściśle z laterytem związane są boksyty, będące mieszaniną wodzianów glinu. Są to kopalne lateryty i stanowią surowiec do produkcji aluminium.

• Terra rosa - utwór barwy brunatnej lub ceglastoczerwonej występujący na wapieniach i dolomitach południowej Europy (Włochy, Grecja, Jugosławia). Składa się z nierozpuszczalnych substancji występujących w wapieniach (wodorotlenki glinu i żelaza). Terra Rossa jest zatem swoistym laterytem rozwiniętym na wapieniach.

GLEBA

Powierzchniowa, biologicznie czynna warstwa zwietrzeliny, powstała z różnych skał podłoża pod wpływem czynników glebotwórczych (drobnoustroje, wyższe rośliny i zwierzęta, klimat, woda, rzeźba terenu, gospodarka człowieka), podlegająca stałym przemianom w procesie glebotwórczym. W zależności od skały macierzystej i czynników glebotwórczych, zwłaszcza klimatycznych biologicznych, w glebie rozwijają się różne poziomy glebowe i powstają odrębne typy gleb.