Zemetrasenie

Šírenie priestorových zemetrasných vĺn zemským telesom

Seizmické vlny sú elastické vlny šíriace sa v zemskom telese, ktoré sú vyžarované v dôsledku šírenia sa trhliny na zlome. Sú jedným z prejavov zemetrasenia a pripadá na ne asi 30 % celkovej uvoľnenej energie (zvyšok sa spotrebuje posunom blokov, premenou energie na teplo a procesmi drvenia a premeny hornín). Okrem zemetrasenia ich môžu generovať aj fázové prechody v zemskom vnútri, dopady meteoritov, svahové zosuvy, ako aj ľudská činnosť (doprava, štarty rakiet, výbuchy a pod.). Výskum šírenia seizmických vĺn ma význam pre poznanie mechanizmu zemetrasenia a účinkov zemetrasení. Výskum priestorových vĺn poskytuje informácie o zemskom vnútre (seizmický model Zeme je najpresnejší).

Dva základné typy seizmických sú povrchové a objemové seizmické vlny. Povrchové vlny sa šíria len v blízkosti zemského povrchu (majú amplitúdy nenulové len do určitej hĺbky, táto hĺbka závisí od periódy – napr. dlhoperiodické povrchové seizmické vlny s periódou okolo 200 s zasahujú do vrchného plášťa). Rozdeľujú sa na Raileighove a Loveove. Priestorové vlny sa môžu šíriť objemom zemského telesa a rozdeľujú sa na primárne (alebo P-vlny, pozdĺžne vlny), ktoré sa šíria celým telesom Zeme a sekundárne (S-vlny, priečne vlny), ktoré neprechádzajú tekutým vonkajším jadrom Zeme[6].

Ako sa seizmické vlny šíria telesom (resp. po povrchu) Zeme, dochádza k ich postupnému tlmeniu, t. j. premene mechnickej energie na iné formy a tým k postupnému zmenšovaniu ich amplitúdy počas šírenia. Je to dôsledok druhého termodynamického zákona, z ktorého vyplýva, že mechanická energia sa postupne mení na teplo.

(a) Diagram znázorňujúci smer pohybu častíc pri iniciálnom pohybe na východo-západne orientovanom zlome (b) Zobrazenie tenzných (T) a kompresných (C) sektorov na loptovom diagrame. Bez poznatku o tom, kde sa nachádza zlom (znázornený na obr. (a)) by nebolo možné určiť či došlo k pohybu na V-Z alebo S-J orientovanom zlome, ktoré by teoreticky mohli generovať totožne orientované seizmické vlny.

Pre seizmológov je dôležité poznať pri zemetrasení smer pohybu oboch blokov, ako aj orientáciu zlomovej plochy. Tieto parametre sa označujú ako fokálny mechanizmus[7]. Pomocou fokálneho mechanizmu zemetrasenia možno popísať neelastickú deformáciu v oblasti, kde zemetrasenie vzniklo. Fokálny mechanizmus býva znázorňovaný na tzv. loptových diagramoch. Tieto diagramy možno získať tak, že kolmo na hypocentrum zemetrasenia a zároveň kolmo na smer pohybu blokov – zlom, je preložená myslená rovina, ktorá rozdelí priestor na 4 kvadranty. Tieto kvadranty vymedzia dve protiľahlé oblasti, v ktorých dochádza ku kompresii a dve oblasti, kde dochádza k extenzii[8]. Na zistenie, v ktorej oblasti prebieha tenzia a kde kompresia, je potrebné poznať niektoré informácie zo seizmogramov ale aj geológiu oblasti, hlavne orientáciu zlomu, na ktorom došlo k pohybom. Oblasti, kde bol ako prvý zaznamenaný nástup P-vĺn v kladnom zmysle (hore) sa nachádzajú v kompresnom sektore, naopak ak bol nástup vlny záporný (dole) ide o dilatačný segment[9].

Diagramy fokálnych mechanizmov pre rôzne orientované zlomy

Budova poškodená zemetrasením v Číne v roku 2008

Makroseizmické účinky zemetrasenia sú tie účinky zemetrasenia, ktoré sa prejavujú na prírode, stavbách a ľuďoch na určitej lokalite. Sú definované tzv. makroseizmickou intenzitou, ktorá je určovaná stupňami makroseizmickej stupnice. Jeden stupeň takejto stupnice je charakterizovaný súborom pozorovateľných príznakov. Napríklad stupeň tri v Mercalliho stupnici je charakterizovaný slabými otrasmi, ktoré môžu pocítiť ľudia na vyšších poschodiach budov, prípadne rozkývu visiace predmety (lustre a pod.), kým dvanásty, posledný stupeň tejto stupnice je charakterizovaný deštrukciou všetkých stavieb, zdvíhaním, príp. poklesmi povrchu Zeme, vznikom trhlín.

V súčasnosti sa používajú 12-stupňové stupnice (MCS, MM, EMS-98, MKS) a sedemstupňové (JMA). V Japonsku sa používa japonská intenzitná stupnica (JMA), v Taliansku Mercalli-Cancani-Siebergova stupnica (MKS), v Grécku a USA modifikovaná Mercalliho stupnica (MM) a na Slovensku a v ostatných európskych štátoch makroseizmická stupnica EMS-98 (EMS-98).

Definovanie sily zemetrasenia pomocou stupníc je dosť subjektívne, preto sa na exaktné meranie sily zaviedlo magnitúdo, ktoré je funkciou dekadického logaritmu amplitúdy vlny (zjednodušene). Meranie sily zemetrasenia pomocou magnitúda navrhol prvýkrát japonský seizmológ Kijoo Wadači v 30. rokoch 20. storočia a do praxe ju uviedli Charles Richter a Beno Gutenberg, ktorí v roku 1935 vypracovali metódu analyzovania seizmogramov pre zemetrasenia v južnej Kalifornii. Táto metóda meria tzv. lokálne magnitúdo (M_L) ako dekadický logaritmus pomeru amplitúdy a periódy seizmickej vlny, verejnosti je známa ako Richterova stupnica. Richter sa pri názve inšpiroval hviezdnou magnitúdou. V súvislosti s Richterovou stupnicou treba zároveň poukázať na chybu, ktorej sa často dopúšťa laická verejnosť (hlavne médiá pri informovaní o sile určitého zemetrasenia) – a to na skutočnosť, že Richterova stupnica sa používa len na meranie sily zemetrasení v južnej Kalifornii, nie celosvetovo.

Ďalšie magnitúda, používané na odhad veľkosti uvoľnenej energie, vypočítavané zo záznamov jedného druhu seizmických vĺn sú magnitúdo z objemových vĺn (m_b) a magnitúdo z povrchových vĺn (M_S). Všeobecný vzorec pre tieto tri magnitúda je:

${\displaystyle M=\log \left({\frac {A}{T}}\right)+f(\Delta ,h)+C_{\mathrm {S} }+C_{\mathrm {R} }\,\!}$

kde:

• M je vypočítané magnitúdo
• A je amplitúda fázy vlny (v ${\displaystyle \mu }$m)
• T perióda fázy (v sekundách)
• f(Δ,h) je korekcia na epicentrálnu vzdialenosť a hĺbku hypocentra
• C_S je korekcia na geologické podmienky pod seizmickou stanicou
• C_R je korekcia na geologické podmienky v ohnisku

Problémom vyššie uvedených magnitúd je ich nepresnosť (resp. nemerateľnosť momentu) pri veľkých zemetraseniach. Je to spôsobené tým, že amplitúda seizmickej vlny s vlnovou dĺžkou menšou ako rozmery poruchovej časti zlomu sa s plochou poruchy (teda aj so zväčšujúcou sa energiou) nezväčšuje. Túto chybu rieši momentové magnitúdo (M_W), ktoré sa vypočítava nasledovne:

${\displaystyle M_{\mathrm {W} }={\frac {2}{3}}\log {M_{\mathrm {0} }}-6,06\,\!}$

kde M₀ je seizmický moment vyjadrený vzťahom:

${\displaystyle M_{\mathrm {0} }=\mu AD\,\!}$

• A je plocha porušenej časti zlomu
• D je priemerná hodnota výslednej diskontinuity.

Na odhad energie, uvoľnenej vo forme seizmických vĺn sa používa približný empirický vzorec:

${\displaystyle \log {E}=4,8+1,5M_{\mathrm {S} }\,\!}$

Tento vzorec možno dobre využiť na porovnanie zemetrasení s magnitúdom x a x + 1. Energia zemetrasenia s magnitúdom x + 1 je väčšia 31,6-krát. Pri najväčšom známom zemetrasení v Čile v roku 1960 sa uvoľnilo (vo forme seizmických vĺn) miliónkrát viac energie, ako pri výbuchu atómovej bomby v Hirošime. Je to najväčšie jednorazovo uvoľnené množstvo energie pri krátkodobom fyzikálnom procese na Zemi.

Seizmogram zaznamenáva vertikálne aj horizontálne pohyby (v smere sever-juh a východ-západ) a predstavuje úplnú informáciu o pohybe pôdy na určitom mieste v určitom časovom intervale. Čo však nie je možné z takéhoto záznamu zistiť, je správanie sa seizmických vĺn medzi ohniskom zemetrasenia a umiestnením seizmogramu. Na takéto účely sa používa sústava viacerých seizmometrov – tzv. seizmická sieť. Na lokalizáciu ohniska zemetrasenia sú potrebné záznamy z najmenej troch seizmometrov (seizmických staníc), pričom ohnisko zemetrasenia sa nachádza v priesečníku kružníc, ktorých stred je definovaný polohou seizmickej stanice a polomer vzdialenosťou ohniska od stanice.

Siete sa rozdeľujú na globálne, národné, regionálne a lokálne. Globálnu sieť seizmogramov predstavuje napr. Svetová sieť štandardných seizmografov (WWSSN), ktorá bola vybudovaná v 60. rokoch 20. storočia a pozostáva z viac ako 100 seizmických staníc v 60 krajinách sveta.

Národné siete sú zriaďované jednotlivými krajinami (niektoré už fungujú viac ako 100 rokov). Údaje národných sietí sa priebežne zasielajú a vyhodnocujú v medzinárodných centrách (napr. Medzinárodné seizmologické centrum v Newbury vo Veľkej Británii). Regionálne a lokálne siete (rozdiel je vo veľkosti monitorovanej plochy 100 km² regionálnej až po 1 km² lokálnej siete) slúžia na monitorovanie určitej oblasti (napr. okolia aktívneho zlomu, alebo dôležitých stavieb – elektrární, mostov, priehrad).

Pohyb pôdy na určitom mieste zemského povrchu je hlavným prejavom zemetrasenia, výsledkom týchto pohybov vo vzťahu k civilizácii je poškodenie budov a iných stavieb. Výška poškodenia závisí od niekoľkých faktorov – ohniska zemetrasenia, prostredia medzi ohniskom a danou lokalitou a od geologickej, príp. topografickej charakteristiky samotnej lokality. Pohyby pôdy najviac ovplyvňujú povrchové seizmické vlny (tzv. Rayleighove vlny).

Dôležitým faktorom, ktorý ovplyvňuje intenzitu prejavov zemetrasenia v určitej lokalite sú geologické pomery a topografia povrchu. Nepríjemným javom je lokálne zosilnenie seizmických vĺn prechodom cez vrstvy napr. nespevnených sedimentov (čo bolo príčinou katastrofického zemetrasenia, ktoré zasiahlo mexické hlavné mesto Mexiko v roku 1985). Iné lokálne zosilnenia predstavujú napr. zosilnenie na vrchole kopca, prechod seizmických vĺn z tvrdších do mäkších hornín.

Veľké zemetrasenia (s magnitúdom M_w > 6,5) rozkmitajú teleso Zeme. Tento jav je známy ako EFO (z angl. Earth's free oscillation) a prvýkrát bol zdokumentovaný pri veľkom čilskom zemetrasení v roku 1960. Zemské teleso kmitá sféroidálne (podobne ako kmitá futbalová lopta po náraze), radiálne (rytmické zväčšovanie a zmenšovanie povrchu Zeme) a toroidálne (dochádza k strižným pohybom paralelným k povrchu Zeme).

K sekundárnym prejavom zemetrasení patria cunami a rôzne zosuvy a závaly, skalné zrútenia, resp. zrútenia celých skalných a sutinových lavín, bahnotoky, vznik trhlín, alebo prepadov v pôde, ktoré môžu mať za následok ničivé požiare a záplavy spôsobené poškodením elektrického vedenia, resp. hrádzí, najmä v oblastiach, kde neboli stavby konštrukčne prispôsobené možným následkom zemetrasení. Príkladom môže byť zemetrasenie v San Franciscu roku 1906, kde najväčšie škody spôsobili požiare, ktoré v prevažne drevenom meste nastali po prerušení plynových potrubí. Správny výber bezpečných stavebných konštrukcií, ktorý by mal byť presne stanovený legislatívou, tak môže nebezpečenstvo sekundárnych efektov zemetrasení výrazne zredukovať.

Cunami v Thajsku v roku 2004

Termín cunami označuje jednu alebo niekoľko po sebe idúcich vĺn na hladine mora, ktoré vznikajú pri silnom podmorskom zemetrasení, podmorskom zosuve alebo dopade meteoritu do mora alebo jeho blízkosti. Energia cunami je konštantná a závisí od jej rýchlosti a štvorca (druhej mocniny) jej výšky. Keď vlna dorazí k pobrežiu, jej výška rastie a rýchlosť klesá. Vlnová dĺžka cunami je veľmi veľká, v rade stoviek kilometrov, čo určuje jej správania. Vlna s tak dlhou vlnovou dĺžkou sa správa aj na voľnom oceáne ako v plytkej vode. Pri pobreží sa ale vlna značne spomalí. Kým na hlbokom mori je cunami ťažko pozorovateľné (zvyčajne má výšku v jednotkách až desiatkach cm), pri pobreží nahromadená energia zdvíha vlnu až do výšky 30 m a viac. Vďaka veľmi dlhej vlnovej dĺžke na hlbokom mori môže cunami putovať tisíce kilometrov bez väčších strát energie. Najhoršie dôsledky zemetrasení v prímorských oblastiach spôsobujú práve vlny cunami. Cunami môže vzniknúť aj v dôsledku vzdialených zemetrasení, napr. zemetrasenia v Čile spôsobili cunami, ktoré zasiahli Havaj a Japonsko[10].

Veľmi nebezpečnými následkami zemetrasení sú požiare. Nebezpečné sú najmä v oblastiach so sieťou plynových potrubí alebo v oblastiach s výstavbou drevených budov. Ich umocnenie spôsobuje narušenie vodovodných potrubí, ktoré sťažujú hasenie požiarov. Požiare zapríčinili najviac obetí pri zemetrasení v San Franciscu (1906), Tokiu (1923) alebo Kóbe (1995)[10].

Skvapalnenie piesku, siltu alebo ílov je ďalším z faktorov zvyšujúcich škody po zemetraseniach. Seizmické vlny môžu mať za následok tixotropiu niektorých nespevnených sedimentov, ktoré môžu skvapalnieť. K takýmto škodám došlo počas zemetrasenia v Messine na Sicílii v roku 1908, kde zahynulo vyše 100 tisíc ľudí[10]. Podobné následky mali zemetrasenia v Mexiku v roku 1985, kde došlo k znásobeniu zemetrasných vĺn 8 až 50-krát v dôsledku skvapalnenia jazerných sedimentov, na ktorých stálo mesto. Podobne boli znásobené následky zemetrasenia s magnitúdom 8,4 130 km od Anchorage, ktorého obytná výstavba bola založená na tixotropických Bootleggerských íloch[10].

Zosuvy, skalné zrútenia alebo prepadnutia podzemných priestorov (vrátane baní) sú tiež bežným javom súvisiacim so zemetraseniami, často sa prejavujú po hlavných otrasoch a dotrasoch. Veľmi nebezpečným sekundárnym efektom sú nákazlivé choroby a vystavenie obyvateľstva nepriazni počasia po tom, čo veľké množstvo ľudí stratí strechu nad hlavou alebo je poškodená dôležitá infraštruktúra v krajine. Choroby sa šíria nielen kvôli nižším štandardom hygieny pri prerušených vodovodných potrubiach, ale môžu byť tiež vážnym problémom najmä v tropických oblastiach, kde ľudia začnú používať provizórne, často znečistené zdroje vody. Nákazlivé choroby sú tiež časté pri veľkom množstve obetí a mŕtvych tiel uväznených v troskách. Známa je napríklad epidémia cholery po zemetrasení na Haiti v roku 2010. Iným problémom bola nadchádzajúca zima po zemetrasení v Spitaku v Arménsku v roku 1988, kde veľkému množstvu ľudí bez strechy nad hlavou chýbalo teplé oblečenie alebo zateplené stany. Zemetrasenie môže mať za následok celkové odrezanie oblasti od zásobovania a štátnej moci. V mnohých oblastiach musí po zemetraseniach zaisťovať poriadok armáda aby ochránila postihnuté obyvateľstvo a jeho majetok pred rabovaním.

Mapa seizmickej záťaže strednej a severnej Európy

Seizmické ohrozenie predstavuje pravdepodobnosť výskytu seizmickej aktivity určitej úrovne na určitej lokalite v určitom čase. Odvodená veličina je seizmické riziko, ktoré určuje pravdepodobnosť vzniku škody pri seizmickom ohrození a seizmicita je pravdepodobnosť výskytu zemetrasenia s určitým magnitúdom v určitom čase v určitej zóne.

Pre účely stavebných noriem o seizmických zaťaženiach je seizmické ohrozenie charakterizované hodnotami špičkového zrýchlenia (v m/s²). Voľba času v definícii závisí od charakteru (a životnosti) stavieb. Pre bežné stavby je na 90% pravdepodobnosť nepresiahnutia zvolenej úrovne seizmického pohybu záujmovým obdobím 50 rokov (pre lokality jadrových elektrární až 1 000 rokov). Na Slovensku sa seizmické zaťaženie stavebných konštrukcií bežných stavieb riadi normou STN 730036.

V krajinách s veľkým výskytom veľkých zemetrasení má určenie seizmického ohrozenia význam aj pre civilnú ochranu. Na základe hodnôt jednotlivých charakteristík seizmického ohrozenia sa vypracovávajú štúdie seizmického rizika (pri určitej hodnote seizmického pohybu), čo pomáha pri plánovaní a organizácii záchranných prác.

Zemetrasenia sú na Slovensku pomerne ojedinelým javom, v porovnaní s Poľskom a Českom je miera seizmického ohrozenia väčšia a považovaná za strednú. Od roku 1043 je na území Slovenska evidovaných viac ako 650 zemetrasení s makroseizmickými prejavmi. Najsilnejšie boli zemetrasenia v rokoch 1443 (s epicentrom na strednom Slovensku – oblasť Banskej Štiavnice a Kremnice), 1763 (epicentrum v Komárne) a 1906 (epicentrum v Dobrej Vode)[11]. Pre posledné zemetrasenie existujú aj seizmické záznamy – otrasená oblasť zasahovala do Rakúska, Maďarska a Česka.

V Západných Karpatoch sú zemetrasenia tektonickými dozvukmi treťohornej horotvornej činnosti súvisiacej so zrážkou bloku Alcapa a Európskej platformy a tiež v dôsledku poklesu Panónskej panvy. Na základe údajov seizmogramov, ako aj geologického prieskumu bolo na území Slovenska vyčlenených 6 ohniskových zón: oblasť Malých Karpát od Bratislavy po Vrbové (najmä Pernek-Modra, Dobrá Voda); oblasť Trenčín-Žilina; oblasť Tatier, Podhalia, stredného a severného Spiša; oblasť Komárna; oblasť Stredného Slovenska okolo Banskej Bystrice; a oblasť Zemplína a Slanských vrchov[12].

V 60. rokoch minulého storočia prebehol v Denveri v americkom štáte Colorado pokus, pri ktorom boli do zlomovej zóny navŕtané vrty, do ktorých bola napumpovaná voda. Výsledkom tohto experimentu bola séria menších zemetrasení. Experiment bol založený na tom, že voda ako „mazivo“ znížila trenie v kontaktnej zóne horninových blokov, čím došlo k ich uvoľneniu. Cieľom bolo poukázať na možnosti znižovania rizika, resp. znižovania veľkosti zemetrasenia. Bohužiaľ daný proces je z vyššie uvedených dôvodov (hĺbka zlomu – najhlbší vrt na Zemi má len niečo cez 12 km – 12 262 m, lokalita polostrov Kola v Rusku, 10 km západne od mesta Zapoľarnij) použiteľný iba vo veľmi obmedzenom okruhu potenciálnych ohnísk.

• * Tieto čísla boli uvedené čínskou vládou, celkový počet obetí sa však podľa USGS odhaduje až na 655 000.
• ** Konečný počet obetí zatiaľ nebol stanovený.

10 najväčších zemetrasení zaznamenaných od roku 1900[13]:

• * Počet obetí ešte nie je konečný.

• Beazley, Mitchell, Anatómia Zeme, Mladé letá, Bratislava, 1988
• Masuda, K., Laboratory Studies on the Role of the Crustal Fluids in Micromechanics of Earthquake Generation Processes, American Geophysical Union, Fall Meeting 2005
• Moczo, P., Labák, P., Zemetrasenia a seizmické ohrozenie, Geofyzikálny ústav SAV, 2000
• Roig Silva, C., Goldsby, D. L., Di Toro, G., Tullis, T. E., The Role of Silica Content in Dynamic Fault Weakening Due to Gel Lubrication, American Geophysical Union, High-Velocity Friction and Earthquake Generation Processes I Meeting
• Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článkov Earthquake prediction na anglickej Wikipédii, Earthquake na anglickej Wikipédii a Kola Superdeep Borehole na anglickej Wikipédii.