Магнитуда землетрясения
Магнитуда землетрясения — это условная безразмерная величина, характеризующая энергию, выделившуюся в очаге землетрясения в виде сейсмических волн. Магнитуда пропорциональна логарифму амплитуды колебаний грунта, зарегистрированных сейсмографом, и позволяет сравнивать землетрясения по их энергетической силе. В отличие от интенсивности (балльности), которая оценивает силу сотрясений на поверхности Земли по их воздействию на людей, здания и природные объекты, магнитуда является объективной физической характеристикой самого источника.
История возникновения шкалы
Первая попытка количественной оценки силы землетрясений была предпринята итальянским сейсмологом Джузеппе Меркалли в 1902 году. Его шкала (модифицированная шкала Меркалли — MMI) основывалась на субъективных наблюдениях за разрушениями и ощущениями людей, то есть фактически измеряла интенсивность, а не магнитуду. Эта шкала оставалась единственным инструментом для сравнения землетрясений до середины XX века.
В 1935 году американский сейсмолог Чарльз Рихтер, работавший в Калифорнийском технологическом институте, совместно с Бено Гутенбергом разработал принципиально новый метод. Они предложили измерять энергию землетрясения по амплитуде волн, записанных стандартным сейсмографом Вуда-Андерсона на определённом расстоянии от эпицентра. Эта шкала, получившая название шкала Рихтера (или локальная магнитуда \( M_L \)), стала первой количественной логарифмической шкалой магнитуд. Логарифмический характер означает, что увеличение магнитуды на единицу соответствует десятикратному увеличению амплитуды колебаний и примерно 32-кратному увеличению выделившейся энергии.
Классификация магнитуд
Со временем выяснилось, что шкала Рихтера имеет ограничения: она хорошо работает для близких (до 600 км) и неглубоких землетрясений, но даёт неточные результаты для глубоких или очень сильных событий. В результате были разработаны несколько типов магнитуд, каждая из которых применима в определённых условиях.
Локальная магнитуда (\( M_L \))
Классическая шкала Рихтера. Рассчитывается по амплитуде S-волн (поперечных волн) на короткопериодных сейсмографах. Эффективна для землетрясений с магнитудой до 6,5 и глубиной очага до 15–20 км. При больших значениях происходит «насыщение» шкалы — амплитуда перестаёт расти пропорционально энергии.
Магнитуда по поверхностным волнам (\( M_S \))
Измеряется по амплитуде поверхностных волн (волн Релея) с периодом около 20 секунд. Эта шкала применяется для сильных (магнитудой более 5) и удалённых землетрясений. Она также подвержена насыщению при магнитудах около 8–8,5.
Магнитуда по объёмным волнам (\( m_b \))
Оценивается по амплитуде P-волн (продольных волн) с периодом около 1 секунды. Используется для глубоких землетрясений и для регистрации подземных ядерных взрывов. Насыщается при магнитудах около 6–6,5.
Моментная магнитуда (\( M_W \))
Современная и наиболее универсальная шкала, предложенная в 1979 году сейсмологами Томом Хэнксом и Хироо Канамори. Она основана на сейсмическом моменте (\( M_0 \)) — произведении площади разрыва в очаге, среднего смещения по разрыву и модуля сдвига горных пород. Моментная магнитуда не имеет эффекта насыщения и корректно оценивает даже самые мощные землетрясения (например, Великое Чилийское землетрясение 1960 года с \( M_W = 9,5 \)). Именно эту шкалу в настоящее время чаще всего используют в научных публикациях и при сообщениях о крупных катастрофах.
Шкала магнитуд и шкала интенсивности
Важно различать два понятия: магнитуду и интенсивность (балльность). Магнитуда — это энергия в очаге, а интенсивность — сила сотрясений на поверхности. Для наглядности можно привести аналогию: магнитуда — это мощность взрыва (в тротиловом эквиваленте), а интенсивность — это радиус разрушений, который зависит не только от мощности, но и от глубины, грунта и качества построек.
| Магнитуда (\( M_W \)) | Энергия, выделившаяся в очаге (в тротиловом эквиваленте) | Типичные последствия на поверхности (при неглубоком очаге) |
|---|---|---|
| 1,0–2,0 | до 30 тонн | Не ощущается человеком, регистрируется только приборами. |
| 2,0–3,0 | 30–1000 тонн | Ощущается лишь вблизи эпицентра, лёгкие колебания. |
| 3,0–4,0 | 1–100 килотонн | Ощущается многими людьми, возможен звон посуды, качание люстр. |
| 4,0–5,0 | 100–1000 килотонн | Лёгкие повреждения зданий, трещины в штукатурке. |
| 5,0–6,0 | 1–10 мегатонн | Разрушения в плохо построенных зданиях, возможны оползни. |
| 6,0–7,0 | 10–100 мегатонн | Серьёзные разрушения в радиусе до 100 км. |
| 7,0–8,0 | 100–1000 мегатонн | Катастрофические разрушения на большой площади. |
| 8,0–9,0 | 1–10 гигатонн | Полное разрушение инфраструктуры в регионе. |
| 9,0+ | более 10 гигатонн | Глобальные последствия, цунами, изменение рельефа. |
Наиболее известная шкала интенсивности — 12-балльная шкала Меркалли (в США) или модифицированная шкала Медведева-Шпонхойера-Карника (MSK-64), используемая в России и странах СНГ. Одно и то же землетрясение с магнитудой 6,0 может иметь интенсивность 8 баллов в эпицентре при глубине очага 10 км и всего 5 баллов при глубине 50 км.
Методы измерения
Для определения магнитуды используются сейсмографы — приборы, регистрирующие колебания земной коры. Современные станции оснащены широкополосными цифровыми сейсмометрами, которые позволяют одновременно измерять амплитуды волн разных типов и периодов.
Процесс расчёта включает следующие этапы:
- Регистрация волн — запись трёх компонент движения грунта (вертикальной и двух горизонтальных).
- Определение эпицентрального расстояния — по разнице во времени прихода P- и S-волн.
- Измерение максимальной амплитуды — для выбранного типа волн (P, S или поверхностных).
- Применение калибровочной формулы — с учётом расстояния, глубины и типа грунта в точке наблюдения.
Для оперативной оценки магнитуды в реальном времени созданы глобальные сети сейсмических станций, такие как Глобальная сейсмографическая сеть (GSN) и Европейско-Средиземноморский сейсмологический центр (EMSC). В России мониторинг осуществляет Единая геофизическая служба РАН.
Ограничения и критика
Несмотря на широкое распространение, шкала магнитуд имеет ряд недостатков:
- Насыщение шкал — классические шкалы (\( M_L, M_S, m_b \)) перестают расти при очень больших энергиях, что делает их непригодными для оценки сильнейших землетрясений.
- Зависимость от типа волн — разные шкалы могут давать разные значения для одного и того же события, что вносит путаницу в сообщения СМИ.
- Сложность расчёта моментной магнитуды — для её точного определения требуется анализ сейсмических записей с нескольких станций и знание параметров очага, что занимает время.
- Неоднозначность в сообщениях — в новостях часто упоминают «магнитуду по шкале Рихтера», хотя на деле используют моментную магнитуду (\( M_W \)) или магнитуду по поверхностным волнам (\( M_S \)).
Тем не менее, моментная магнитуда (\( M_W \)) признаётся мировым научным сообществом как наиболее точный и универсальный показатель. Именно её приводят в своих отчётах Геологическая служба США (USGS), Европейский средиземноморский сейсмологический центр (EMSC) и другие авторитетные организации.
Применение в сейсмической опасности
Знание магнитуды необходимо для:
- Сейсмического районирования — составления карт, показывающих вероятность землетрясений разной силы в конкретных регионах.
- Проектирования зданий — строительные нормы (например, СП 14.13330.2018 в России) учитывают максимальную возможную магнитуду для данной территории.
- Систем раннего предупреждения — быстрая оценка магнитуды позволяет запустить оповещение о цунами или сильных толчках за секунды до их прихода.
- Научных исследований — изучение распределения магнитуд во времени и пространстве помогает прогнозировать сейсмическую активность (закон Гутенберга-Рихтера: чем меньше магнитуда, тем чаще происходят землетрясения).
Источники
- Болт Б. А. «Землетрясения». — М.: Мир, 1981.
- Кеннет Б. Л. Н. «Сейсмология: введение». — М.: Наука, 1985.
- Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Теория упругости». — М.: Физматлит, 2003.
- Материалы Геологической службы США (USGS) — Earthquake Hazards Program.
- Материалы Единой геофизической службы Российской академии наук (ЕГС РАН).
- СП 14.13330.2018 «Строительство в сейсмических районах». — М.: Минстрой России, 2018.
BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.
На главную BFOmetr →