Seminarska naloga za predmet Moderna fizika

POTRESI

Avtor: Miha ZakotnikMentor: prof. dr. Marko Zgonik

1

Kaj je potres?

Beseda potres je sama po sebi precej ohlapen pojem. Vsi ga vsaj približno razumemo, težko pa ga je natančneje definirati. Vendar glede na fizikalne vidike opazovanja nas natančnejša definicija potresa niti ne zanima, saj si fiziki potres poskušamo razložiti z drugimi pojmi, kot npr. magnituda, širjenje potresnega valovanja, žarišče… Kljub temu lahko potres opišem kot gibanje tal ob hipnem sproščanju nakopičene elastične energije v Zemljini notranjosti.

Potresi v večini primerov (90%) nastanejo zaradi tektonskih premikov litosferskih plošč. Za tovrstne potrese je tudi značilno, da se ob njih sprosti največ energije. 7% izmed vseh potresov nastane zaradi vulkanske aktivnosti, ostali 3% pa zaradi udora površine v podzemne jame. V nadaljevanju seminarja bom predstavil predvsem potrese, ki so nastali kot posledica tektonskih premikov.

Za nastanek potresa sta potrebni dve stikajoči gmoti (litosferski plošči) materiala, ki se počasi gibljeta neodvisno ena od druge. Na njunem stiku se zaradi delovanja sile lepenja, ki preprečuje takojšen premik, začne kopičiti elastična energija. Ko le-ta doseže (in preseže) silo lepenja, litosferski plošči na njunem medsebojnem stiku nenadoma zdrsneta. Litosferski plošči se zatreseta in to je tisto, čemur pravimo potres. Po sprostitvi energije se vzpostavi ravnovesno stanje, vendar samo za kratek čas, saj se bosta litosferski plošči gibali dalje, vsaka v svoji smeri, zato bo čez nekaj časa na njuni stični površini prišlo do novih potresov.

Slika 1: a) pred deformacijo, b) pred potresom, ko sila lepenja še preprečuje premike, c) po potresu

Seveda potres ni prisoten samo na stiku dveh litosferskih plošč, pač pa tudi v njuni okolici. Potres se namreč v okolico širi preko dveh osnovnih vrst valovanja; longitudinalno in transverzalno valovanje. Longitudinalni valovi nastanejo kot reakcija snovi na spremembo prostornine. Predstavljamo si jih lahko kot potujoče zgoščine in redčine. Transverzalni valovi nastanejo kot reakcija snovi na spremembo oblike. Ti valovi pa so po obnašanju podobni valu na napeti vrvi. Značilnost longitudinalnih valov je, da se v okolico širijo hitreje kot transverzalni.

Enostavna shema potresa

Za opisovanje potresov je nujno poznavanje nekaterih pojmov. Žarišče ali hipocenter potresa je točka v zemeljski skorji, kjer se je potres zgodil. Seizmologi govorijo, da je hipocenter potresa točka, vendar po navadi premik poteka na nekaj kilometrov ali celo več deset kilometrov

2Slika 2: Shema potresa

dolgem odseku preloma. Nadžarišče ali epicenter potresa je točka na površini, ki je najbližja hipocentru. Razdaljo med žariščem in nadžariščem imenujemo žariščna razdalja ali z bolj preprosto besedo kar globina potresa. Razdalji med mestom merjenja in epicentrom pravimo nadžariščna razdalja.

Sestava Zemlje

Večina potresov nastane v litosferi, to je v zgornjem trdnem in ohlajenem delu našega planeta, sega pa do globine približno 100km. Zgornji del litosfere gradita oceanska in celinska skorja,

ki sta različno debeli oceanska povprečno 30 km in celinska povprečno 70 km. Večino podatkov o notranjosti Zemlje nam kažejo potresni valovi, ki se od žarišča potresa širijo na vse strani in se med posameznimi deli lomijo, uklanjajo, odbijajo, okrepijo, kanalizirajo itd. Na podlagi tega pravzaprav vemo, kako je naš planet sestavljen. Pod litosfero se nahaja Zemljin plašč. Zgornja plast plašča predstavlja vroča in plastična astenosfera. Sega do globine 350 km, od koder se do globine 700 km nadaljuje mezosfera. Značilnost mezosfere je, da je vroča in trdnejša zaradi visokega pritiska. Spodnjo plast

plašča imenujemo kar spodnji plašč. Nahaja se na globini od 700 km do 2900 km. Značilnost spodnjega plašča je, da je trden. Pod njim se nahaja Zemljino jedro. Zunanje jedro sega do globine 5140 km in je tekoče. Pod njim naprej do samega središča Zemlje (6370 km) je trdno notranje jedro.

Temperatura in pritisk z globino naraščata. Vendar ne povsem enakomerno, zato se trdne in tekoče plasti izmenjujejo.

Litosferske plošče

Zgornja trdna plast Zemlje, litosfera, se deli na več posameznih delov. Vsakega izmed njih plastična astenosfera »nosi« neodvisno glede na druge. Zato na stikih med njimi prihaja do napetosti, ki ob sprostitvi povzročajo potrese.

Glavne litosferske plošče so: Evrazijska, Severnoameriška, Južnoameriška, Afriška, Indoavstralska, Tihomorska, Antarktična, Filipinska, Nazca in Kokos. Severno- in Južnoameriška plošča se oddaljujeta od Evrazijske in Afriške. Loči ju divergentna meja, ki se kaže v srednjeatlantskem grebenu, za katerega je značilna povečana potresna dejavnost. Na nasprotni strani pa Evrazijska plošča tišči v Severnoameriško in drsi prek Filipinske, pod katero se podriva Tihomorska plošča. Ta se obenem podriva pod več manjših plošč, ki ležijo med Severnoameriško in Filipinsko ploščo. Na

3

Slika 3: Sestava Zemlje

območju Kalifornije drsita Tihomorska in Severnoameriška plošča druga ob drugi. Tudi tu je potresna dejavnost povečana. Med Tihomorsko in Južnoameriško ploščo se nahaja Nazca. Omenjena stičišča plošč so med potresno najdejavnejšimi območji na Zemlji. Med Afriško in Tihomorsko ploščo je Indoavstralska plošča, ki se odmika od Antarktične. Glavne litosferske plošče se predvsem ob stikih delijo še na manjše enote. Primer je Jadranska plošča, ki povzroča potrese predvsem v Posočju.

Stiki med litosferskimi ploščami

Litosferske plošče se med seboj lahko stikajo na štiri različne načine (glej sliko 4).

Prvi v vrsti (na sliki označen s črko A) je trčenje ali kolizija. Do tovrstnega stika prihaja, ko se dve kontinentalni plošči primikata ena proti drugi in medsebojno trčita. Kot posledica na območju narivne cone nastane gorovje. Primera takih gorovij sta Himalaja in Alpe.

Drugi možen stik med litosferskima ploščama je razmikanje ali divergentna meja (B). Ta stik nastane med dvema oceanskima ploščama, ki se razmikata. Na stiku nastane srednjeoceanski hrbet. Primer je srednjeoceanski hrbet, ki poteka vzdolž Atlantskega oceana.

Tretja oblika stikanja dveh litosferskih plošč se imenuje podrivanje ali subdukcija (C). Nastane ob podrivanju oceanske pod kopensko litosfersko ploščo. Neposredno na območju podrivanja nastane globokomorski jarek, v zaledju kopenske litosferske plošče pa nastanejo še vulkani. Primer globokomorskega jarka je denimo Marijanski jarek. Za tovrstne stike je značilno, da sprožajo najmočnejše potrese.

Četrti in zadnji stik imenujemo drsenje ali transformni prelom (D). Nastane ob drsenju dveh plošč ene ob drugi v vodoravni smeri. Novonastalih značilnih geografskih oblik ob teh stikih ni. Primer drsenja predstavlja prelom sv. Andreja ob obali Kalifornije.

Premiki litosferskih plošč na letni ravni znašajo nekaj centimetrov. Najhitrejše premikanje poteka vzdolž vzhodne obale Japonske, kjer hitrost podrivanja Tihooceanske in Filipinske plošče pod Evrazijsko ploščo znaša približno 10 cm na leto.

Kratka zgodovina potresnih opazovanj

V antičnih časih so ljudje v glavnem verjeli, da potrese povzročajo mitološka bitja ali razne pošasti. Prvi, ki je iskal razlago v naravnih pojavih je bil Aristotel. Vendar seveda ni prišel do prave razlage. Menil je, da pod površjem Zemlje pihajo vetrovi, ki občasno razburkajo Zemljino površje. Prvi seizmoskop (primitiven detektor potresov) so naredili Kitajci 132 let pred našim štetjem. Z njim so

4

Slika 4: Stiki med litosferskimi ploščami

določili smer prihoda potresnih valov. Do 18. stoletja se človeštvo s seizmologijo ni resno ukvarjalo. V to sta raziskovalce pahnila potresa v Angliji leta 1750 in na Portugalskem leta 1755, kjer je umrlo več kot 100.000 ljudi. Ta potres je bil eden najbolj katastrofalnih v zgodovini človeštva. Na začetku so ocenjevali predvsem potresne učinke, lokacijo in čas potresov. Raziskave je dodatno pospešil potres v Kalabriji leta 1783, ki je zahteval novih 50.000 življenj. Prve študije so nastale ob potresih leta 1822 in 1835 ob obalah Čila, kjer so sistematično opisali spremembe obale, ki sta jih potresa povzročila.

V Evropi so prvi seizmologi začeli delovati okoli leta 1840. Nastali so prvi seizmografi, to so naprave za beleženje velikosti nihanja elastičnega valovanja. Prvega takega, ki je zaznal tresenje, kakršnega sam človek še ni zaznal, je naredil Italijan Luigi Palmieri. Deloval je s pomočjo električnega stika, do katerega je prišlo ob tresenju. Stik je povzročil vrtenje valja s papirjem, na katerega se je zapisovalo tresenje. Začeli so meriti tudi hitrost seizmičnih valov, ki so bili povzročeni s pomočjo smodnika. Glavni namen je bil opazovati spremembe hitrosti valov, ki nastanejo zaradi različne sestave Zemljine skorje. Tak princip geologi uporabljajo še danes.

Leta 1880 so trije angleški raziskovalci na Japonskem predstavili prve seizmografe, ki so bili dovolj občutljivi za znanstveno obdelavo potresov. Istega leta so ustanovili japonsko seizmološko organizacijo, ki je bila prva tovrstna na svetu. V tem obdobju so začeli postavljati tudi prve potresne opazovalnice in seizmologija je doživela svoj poln razmah. Razvoj seizmologije se je v tem času začel tudi na slovenskem. Začetnik je bil dr. Albin Belar, ki je deloval na Realki na Vegovi ulici.

Merjenje jakosti potresov

Najpogostejši izrazi, ki spremljajo merjenje potresov so seizmoskop, seizmometer, seizmograf, seizmogram in seizmolog. Izhajajo iz besede Seismos, ki v grščini pomeni potres.

Seizmoskop je najstarejša in danes že zastarela naprava za merjenje potresov. V bistvu je to instrument, ki samo potrdi nastanek potresa, zato se v znanstvene namene ne uporablja.Seizmometer je naprava za zaznavanje potresov, seizmograf je naprava za zaznavanje in beleženje potresov, seizmogram je zapis potresa, seizmolog pa je raziskovalec, ki preučuje potrese.

Glavni instrument, ki je nepogrešljiv na opazovalnicah je seizmograf. Deluje na preprostem principu vztrajnosti mase. Masa oziroma vztrajnik seizmografa je pritrjen na vzmet in se lahko giblje v določeni smeri. V bistvu gre za navadno nihalo. Gibanje te mase se preko vzvodov prenaša na pisalnik. Mase seizmografov so zelo različne, naprimer v Švici so izdelali seizmograf z maso 21 ton, običajni imajo maso nekaj 100kg. Bistvenega pomena je, da je lastna frekvenca nihala bistveno nižja od frekvence potresa. S tem je dosežen pogoj, da je masa čimbolj pri miru. Sprva so peresa pisala po papirju, tega pa je pozneje zamenjal natančnejši optični zapis. Sodobni seizmografi zaznavajo tresljaje, ki so do milijonkrat blažji od najmanjših, ki jih človek lahko zazna s svojim telesom.

Magnituda potresa in intenziteta potresa ter razmerje med njima

5

Slika 5: Prvi seizmoskop, ki so ga izdelali Kitajci 132 let pr. n. š.

Z magnitudo navedemo seizmično energijo, ki se ob potresu v hipocentru sprosti. Pojem magnituda je prvi vpeljal ameriški seizmolog Charles Francis Richter leta 1935. S tem je naredil ključen korak pri objektivnem vrednotenju potresov. Po njem se imenuje Richterejva lestvica. Ta nam vrednoti magnitudo potresov. Lestvica je logaritemska, vsaka stopnja je 32-krat močnejša od prejšnje. Za razliko od intenzitetne lestvice ni celoštevilska pač pa je določena na desetinko enote natančno. Zgornje meje teoretično nima, čeprav načeloma velja za 9-stopenjsko lestvico. V zgodovini merjenj potresov vrednost ni presegla stopnje 9,5, ki označuje najmočnejši potres do sedaj. Zgodil se je leta 1960 v Čilu.

Richterjeva lestvica:

Moč potresa Učinki potresamanj kot 3,5 V glavnem se potresa ne čuti, zaznajo ga instrumenti

3,5 – 3,9 Rahlo nihanje, ki ga zaznajo le občutljivi ljudje4,0 – 4,4 Tresenje, kot ga povzroči tovornjak4,5 – 4,9 Tresenje povzroča nihanje visečih predmetov5,0 – 5,4 Drevesa šelestijo, zazvonijo cerkveni zvonovi5,5 – 5,9 Pokanje sten, odpada omet6,0 – 6,4 Promet obstane, podirajo se dimniki6,5 – 6,9 Slabo grajene stavbe se podrejo7,0 – 7,4 Zemlja razpoka, podre se večina stavb, plinovodi, električni vodi in

vodovodi so poškodovani7,5 – 7,9 Obstane le nekaj stavb, požari, poplave, plazoviveč kot 8 Popolno uničenje, tla so vzvalovana in razpokana

Bolj pomembna za prebivalstvo je intenziteta potresa. Nanaša se namreč na učinke potresa na površini. Odvisna je od potresne magnitude, globine in geoloških razmer. Intenziteto podajamo z 12-stopenjsko Evropsko makroseizmično lestvico, poznano tudi pod imenom Mercallijeva lestvica. Intenziteto vedno zaokrožimo na celoštevilsko stopnjo. Okoli epicentra pri analizi potresa lahko narišemo izoseiste, to so krivulje, ki povezujejo območja z enako stopnjo po Evropski potresni lestvici.

Evropska potresna lestvica:

Intenziteta potresa Posledice potresa1 Potres za ljudi ni opazen2 Potres je opazen le v vrhnjih nadstropjih3 Potres opazijo le določeni ljudje v stavbah4 Potres čuti večina ljudi v stavbah, zunaj redki (~ težek tovornjak)5 Ljudje se zbudijo, predmeti nihajo, rahle poškodbe slabih stavb6 Ljudje se prestrašijo, težko pohištvo se premika, razpoke do 1 cm7 Težko je stati ob sunkih, zvonovi zvonijo, slabe stavbe se rušijo8 25% stavb se ruši, cevi lahko počijo, talna voda se menja9 50% stavb se ruši, rušilni potres, razpoke do 10 cm

10 Uničujoč potres, nevarnost za jezove in mostove, razpoke do 1 m11 Vse se ruši, katastrofa12 Pokrajina se menja

6

Razmerje med magnitudo potresa in njegovo intenziteto je odvisno od več parametov, predvsem od razdalje med žariščem potresa in točko, kjer intenziteto opazujemo, od globine žarišča, lokalnih geolških, topografskih lastnosti ter od širjenja potresnih valov. Ta razmerja so podana v številnih empiričnih formulah, namenjenih za oceno intenzitete iz podatka o magnitudi, predvsem pa za določanje magnitude za zgodovinske potrese, o katerih obstajajo le opisi zaznave prebivalcev in poškodb. Enemu potresu ustreza ena magnituda in več intenzitet, ki so odvisne od oddaljenosti od nadžariščnega območja. Skratka, intenziteta se nanaša na lokacijo, magnituda pa na sam potres.

Mreža opazovalnic v Sloveniji

V Sloveniji imamo nameščenih 28 potresnih opazovalnic. Mreža se je razvila šele v letih od 2001 do 2006. Njen razvoj je namreč spodbudil potres v Posočju leta 1998. Mreža omogoča natančno določitev žarišča, magnitude in globine potresa. Za določitev vseh omenjenih parametrov morajo potres zaznati vsaj 4 postaje, razporejene okoli epicentra. Njen glavni namen pa je preko blagih potresov raziskati Zemljino notranjost. Opazovalnice so preko medmrežja povezanem s seizmološkim centrom v Ljubljani, kjer že nekaj minut po

potresu objavijo izmerke na Agenciji Republike Slovenije za okolje.

Slika 7: Seizmogrami različnih opazovalnih za potres 12. julija 2004 v Kobaridu

Napovedovanje potresov

Točno napovedovanje potresov v smislu točnega kraja, časa in moči potresa je za seizmologe še vedno neznanka. Dovolj točnega pogleda v notranjost Zemljinega površja namreč ni na voljo. Zato o napovedovanju potresov ne moremo govoriti. Glede na naše znanje pa lahko določimo potresno nevarnost posameznih območij. Znanstveniki so zato razvili posebne karte potresne nevarnosti. V

7

Slika 6: Mreža potresnih opazovalnic

splošnem velja, da dlje kot se na nekem potresnem območju ni zgodil potres, večja je verjetnost, da se bo zgodil v bližnji prihodnosti. Z daljšanjem časovnega presledka se veča tudi pričakovana magnituda potresa. Na podlagi tega obstajajo tudi določene ocene za povečano nevarnost.

Cunamiji

Cunamiji so valovi, ki nastanejo bodisi zaradi potresa na morskem dnu bodisi zaradi zdrsa zemeljskih tal, ognjeniškega delovanja ali v skrajnih primerih zaradi padca meteorita v morje. Za razliko od običajnih površinskih valov, ki nastanejo zaradi vetra, so cunamiji valovanje na vsej svoji globini. V globokem oceanu svojo energijo ohranjajo, potujejo s hitrostjo 500 - 900 km/h, odvisno od globine oceana. Na površini nad globokim morjem so skoraj neopazni, ko pa se približujejo plitvini, se zaradi svoje do tedaj prikrite energije močno dvignejo. S tem dobijo ogromno rušilno moč. Najmočnejši so tisti, ki nastanejo nad nenadoma pretganim morskim dnom. Primer takega cunamija se je zgodil decembra leta 2004 v Indijskem oceanu. Zahodno od Sumatre se je dno na območju Javanskega jarka pretrgalo v dolžini probližno 1300km. Nastala je do 9 metrov visoka stopnica. Rezultat: 228.000 žrtev na obali v okolici.

Statistika potresov

Zgornja tabela predstavlja povprečno letno število potresov z določeno magnitudo. Ker se moč potresa ob zvišanju magnitude poveča za 32-krat, število potresov pa se z znižanjem magnitude za eno stopnjo v grobem poveča za 10-krat, lahko sklepamo, da se več energije, sproščene ob potresih, sprosti ob močnejših potresih.

8

Slika 8: Cunami

Druga tabela prikazuje potrese, ki so v vsej zgodovini opazovanj potresov terjali največ žrtev. Kot je razvidno iz tabele, magnituda in število žrtev povsem ne sovpadata. Prav tako velja omeniti, da najmočnejšega izmerjenega potresa (Čile, 22. maj 1960, magnituda 9,5 po Richterjevi lestvici, žrtev 'le' okoli 1650) ni omenjenega v tabeli. Razlog za to je predvsem v naseljenosti območja potresa. Potres iz leta 1556 na Kitajskem je primer potresa, ki se je zgodil na zelo gosto poseljenem območju, prav tako pa v tistih časih civilizacija še ni poznala protipotresne gradnje.

Povzročena škoda zato še zdaleč ni odvisna samo od magnitude. Pojem škoda v bistvu pozna samo človek, saj narava sama sebi z močnimi potresi ne škoduje. Torej škoda je v veliki meri odvisna tudi od naseljenosti v okolici epicentra, od razvitosti protipotresnih gradenj in od geološke sestave tal. Če so tla trdna in kompaktna, bo škoda mnogo manjša kot sicer.

Seizmologi v prihodnosti pričakujejo vse več žrtev potresov. Razlog za to je v tem, da je naravni prirastek človeštva hitrejši od napredovanja protipotresnih gradenj. Tudi število ljudi, ki živijo v potresno ranljivih objektih, se povečuje, kar še posebno velja za nerazvite države. Če primerjamo sedanjo naseljenost in rast prebivalstva ugotovimo, da se potresna ogroženost po svetu v bistvu povečuje. To potrjuje potresna dejavnost na začetku 21. stoletja, saj so potresi v zadnjih dvanajstih letih zahtevali preko 500.000 mrtvih.

Vir:Renato Vidrih: NEMIRNA ZEMLJA (2009)

9