OBSAH PŘEDNÁŠKY SEISMOLOGICKÉ CHARAKTERISTIKY ZEMĚ. 1) Základy teorie elastických vln 2) Seismický model Země 3) Zemětřesení

Transkript

1 SEISMOLOGICKÉ CHARAKTERISTIKY ZEMĚ RNDr. Aleš RUDA, Ph.D. OBSAH PŘEDNÁŠKY 1) Základy teorie elastických 2) Seismický model Země 3) Zemětřesení NAVŠTIVTE 1

2 Elastické vlastnosti prostředí seismologie ( seismos = otřes) studium průchodu elastických (seismických) zemským tělesem užitá seismika vyhledávání ložisek nerostných surovin (př. fosilních paliv) způsob šíření závisí na vlastnostech prostředí Elastické vlastnosti prostředí vnější síla působící na určitou plochu na ni vytváří napětí deformace horniny přímá úměrnost mezi napětím a deformací ideálně pružné těleso (obnovuje svůj tvar hned po skončení působení vnější síly) tělesa plastická nebo absolutně nepružná obnovují svůj tvar postupně nebo vůbec ne Elastické y v homogenním prostředí elastické ění vzniklé při zemětřesení nebo odpalu nálože seismické y y objemové: ve fyzikálně neohraničené prostředí a) y podélné (logitudinální, P-y = primární y) b) y příčné (transverzální, S-y = sekundární y), šíří se pouze pevnými látkami příčné vertikální (SV) PODÉLNÉ VLNY příčné horizontální (SH) PŘÍČNÉ VLNY 2

3 P a S y PŘÍČNÉ VLNY PODÉLNÉ VLNY Zápis seismické y rychlost šíření závisí na elastických parametrech prostředí a jeho hustotě seismická a má tvar krátkodobého impulzu zápis y první nasazení y t 0, perioda T, převládající frekvence f = 1/T ČELO VLNY a TÝL VLNY soubor bodů o určité vzdálenosti od zdroje v homogenním prostředí na kulových plochách IZOCHRONA =plocha udávající v čase t polohu čela y HODOCHRONA časová závislost příchodu seismické y na vzdálenosti od zdroje 3

4 Profil seismické y profil y znázornění výchylek hmotných částic v prostředí v určitém časovém okamžiku výchylka = amplituda vzdálenost mezi maximálními amplitudami = ová délka ʎ Povrchové y uvažujme dva poloprostory s homogenním a ideálně elastickým prostředím, oddělené rovinným rozhraním y hraniční pokud je jedno prostředí vzduch, vznikají y povrchové Rayleighova a pohyb částic ve vertikální rovině po eliptické dráze ve směru šíření Loveho a povrchová a typu SH pohybující se ve vrstvě o konečné mocnosti 4

5 Chování na rozhraní dvou prostředí na rozhraní, oddělujícím dvě vrstvy lišící se rychlostmi a hustotami, nastává: odraz seismické y mají-li prostředí odlišné ové odpory (součin hustoty a rychlosti seismických v prostředí) podle Snellova zákona přeměna seismické y P a SV SH přeměnou nevznikají ani se nepřeměňují lom seismické y větší část seismické energie se neodráží, ale proniká do podloží pokud prostředí nemá vrstevnatou stavbu a rychlost šíření seismických roste spojitě, dochází ke spojitému zakřivování seismického paprsku a refragovaná Průchod zemským tělesem dráha se kvůli různému druhu hornin zakřivuje P y plná čára PP a odražená P a K a z P y PKP a je přeměněná I a prošla jadérkem průchodem P y zemským jádrem, jejím odrazem a zpětným průchodem přes jádro vznikají kombinované popisy y (PKIKP) S y přerušovaná čára SS a odražená S a K a z S y SKS a je přeměněná S y neprochází jádrem 5

6 Zastínění zastínění sekundární y neprocházejí celým zemským tělesem, nemohou se totiž šířit v kapalinách a plynech na opačné straně planety proto vzniká typická oblast zastínění S- za překážkou v podobě kapalného jádra Země analogicky tak vymezují také prostor zastínění P Seismograf Seismograf přístroje s upraveným horizontálním a vertikálním kyvadlem využívá principu setrvačné hmoty (závaží), které je vzhledem k zemi co nejvíce pohyblivé některé využívají i principu magnetické indukce 6

7 Seismogram povrchové y P-y S -y Rychlost šíření seismických v reálném prostředí závisí na: mineralogickém složení hornin a teplotě porozitě a výplni pórů, narušení hornin (nižší rychlost při větším narušení zemský povrch je navětralý špatně se šíří) s rostoucí vzdáleností od zdroje ění ubývá seismické energie: celková energie seismických je konečná sférické rozšiřování čela y (zmenší se hustota energie na jednotku plochy čela y) odraz a přeměna na jednotlivých rozhraních absorpce seismické energie - při nedokonalé pružnosti horninového prostředí změna části energie seismické y na tepelnou energii 7

8 Přehled geofyzikálních charakteristik Země Nárůst tlaku a hustoty s narůstající hloubkou ve vztahu ke změně šíření seismických zemským tělesem 2. Seismický model vnitřní K.E. BULLEN z hodochron P a S se stanoví rychlost, jakou se šíří v jednotlivých částech zemského tělesa 8

9 BULLENŮV MODEL zemská kůra (A) oddělena Mohorovičićovou diskontinuitou (vzestup rychlosti o 0,5-1 km.s -1 ) a rozdělena Conradovou diskontinuitou zemský plášť (B-D) oddělen Gutenbergovou diskontinuitou (náhlé snížení rychlosti P, vymizení S ) a rozdělen astenosférou zemské jádro (E-G) Geochemický model Země podle Suesse SIAL - zemská kůra, tvořená horninami s vysokým podílem křemíku a aluminia (Si a Al) SIMA - patro kůry tvořené křemičitanovými horninami s vysokým obsahem magnézia (Mg), většinou se tak označuje celá oceánská kůra a spodní bazaltová vrstva pevninské kůry. CROFESIMA - svrchní plášť (ke křemíku a hořčíku přistupují železo (Fe) a chrom (Cr). NIFESIMA - spodní část pláště se železem a niklem. NIFE - železoniklové jádro. 9

10 ZEMSKÁ KŮRA proměnlivá mocnost v průměrném rozmezí km, v horských oblastech km, pod oceány 6-15 km (chybí granitická vrstva) pevninskou zemskou kůru lze rozdělit na tři vrstvy: 1. sedimentární obal průměrná mocnost je 5-20 km, hustota 2 g * cm -3 zčásti metamorfované sedimenty a vyvřelé horniny : slepence, pískovce, jílovce, břidlice a karbonáty 2. granitická vrstva vyskytuje se jen v kontinentálním typu zemské kůry, průměrná mocnost je 18 km, hustota 2,5 až 3 g * cm -3,od bazaltové vrstvy je oddělena Conradovou diskontinuitou (není všude) silně metamorfované horniny, migmatity a granitoidy 3. bazaltová vrstva mocnost 10 až 50 km, hustota 3,5 g * cm -3. silně metamorfované horniny a bazické magmatity (čediče zelené břidlice amfibolity eklogity ZEMSKÁ KŮRA oceánskou zemskou kůru lze rozdělit na tři vrstvy: 1. sedimentární patro usazeniny terciérního nebo kvartérního stáří (vápnitá a křemitá bahna, silicity a jemnozrnné vápence) 2. spilitové patro podmořské bazické výlevy spility ve vývoji polštářových láv, mocnost 2 km 3. spodní patro mocnost 5 km, gabra, amfibolity peridotity 10

11 ZEMSKÝ PLÁŠŤ tvoří 84 % objemu a 69 % hmoty Země seismická tomografie - na základě analýzy velkého množství časů příchodu seismických poskytuje třírozměrný obraz struktury zemského nitra rozdělení: svrchní plášť (zóna B) má mocnost 400 až 650 km, obsahuje astenosféru, což je plastická vrstva mezi vrstvou Moho a středním pláštěm (doochází k poklesu rychlosti seismických ), prudký narůst teploty, hustota 3,5 až 4 g * cm -3, vertikální nehomogenity litosférické desky, seismické anomálie (subdukční zóny, plášťové chocholy horké skvrny) peridotity eklogity x minerály (olivín, pyroxen, granát) střední (zóna C) a spodní plášť (zóna D) mají dohromady mocnost km, teploty se pohybují mezi až C, hustota je 4 až 9 g * cm -3, dochází k plášťové konvekci (mísení hmoty zemského jádra a pláště) ZEMSKÝ PLÁŠŤ plášťová konvekce K plášťové konvekci dochází v důsledku rozdílů v hustotě a teplotě plášťových hmot. Plášťová konvekce se projevuje v pohybu tektonických desek jako kombinace tahu, sestupného nasávání v subdukčních zónách a variace topografie a hustoty kůry, což vede k rozdílům gravitační síly působící na Zemi. 11

12 ZEMSKÝ PLÁŠŤ desková tektonika VZESTUPNÁ KONVEKCE a) rozhraní vnějšího jádra a spodního pláště b) hloubky okolo 700 km 12

13 ZEMSKÉ JÁDRO existence stínových pásem pro P a S y možnost studia stavby jádra analýza jader meteoritů tvořeno zejména silikáty, oxidy a karbidy železa a příměsí niklu vnější jádro je mocné km a je zřejmě v tekutém stavu teploty se zde pohybují mezi až C, hustota je 10 až 12 g * cm -3 generátor magnetického pole Země vnitřní jádro (jadérko) mocnost km a je zřejmě v pevném stavu, teplota je mezi až C hustota mezi 15 až 17 g * cm -3. zdroj vnitřní energie Země (rozpad) radioaktivních prvků DEFINICE účinkem různých faktorů v zemské kůře a ve svrchním plášti (konvekční proudy, izostatické síly, gravitace aj.) dochází ke vzniku dlouhotrvajících napěťových stavů, které mohou vést k překonání mezí pevnosti horninového materiálu (nejčastěji ve smyku) náhlé uvolnění mechanické energie zemětřesení zemětřesení soubor krátkodobých pohybů, reprezentující proces při změně napěťového stavu horniny ohniska v zemské kůře a zemském plášti (výjimečně v hloubkách kolem 700 km) 13

14 ZÁKLADNÍ POJMY ohnisko zemětřesení prostor konečných rozměrů, kde vzniká zemětřesení hypocentrum těžiště ohniska epicentrum kolmý průmět hypocentra na zemský povrch hloubka ohniska vzdálenost mezi hypocentrem a epicentrem epicentrální vzdálenost vzdálenost epicentra od místa pozorování hypocentrální čas, epicentrální čas, pleistoseistní oblast intenzita zemětřesení charakterizuje velikost zemětřesení podle makroseismických účinků kontinentální a podmořská zemětřesení tsunami (dlouhé či velké y v přístavu) délka km, výška na volném moři do 1 m, max. rychlost do 1000 km.h -1 : podmořské zemětřesení, sopečná činnost, sesuvy, řícení břehů, skluzy sedimentů zemětřesné roje skupiny otřesů o stejné intenzitě DRUHY ZEMĚTŘESENÍ podle původu: řítivá (3 %) propadnutí stropů v místech podzemních prostor, mělké hypocentrum, lokální charakter (mohou být ale značné škody) sopečná (vulkanická) (7 %) průvodní jev sopečné činnosti, hypocentra do 10 km v blízkosti přívodních drah vulkanického materiálu, malá intenzita, lokální význam, roje tektonická (dislokační) (90 %) tektonicky aktivní oblasti (smykový pohyb ker), velké rozměry, výrazné vertikální (max. 12 m) a horizontální pohyby (max. 9 m), katastrofální zemětřesení 14

15 DRUHY ZEMĚTŘESENÍ podle hloubky ohniska: mělká (řítivá, sopečná, tektonická do 60 km) středně hluboká ( km) endogenní pochody v zónách subdukce s hlubokými ohnisky (až do 700 km) subdukční zóny (Wadati-Benioffova zóna) ÚČINKY ZEMĚTŘESENÍ makroseismické účinky podle makroskopického pozorování souboru více či méně katastrofických projevů v přírodě a na člověka (praskliny, sesuvy, posuny bloků, změny řečišť, zvukové efekty aj.) zemětřesné stupnice (MCS Mercalli-Cancani-Sieberg, MSK-64 Medveděv- Sponheuer-Kárník) mapy zemětřesné aktivity: mapy isoseist místa stejné pozorované intenzity mapy izoblab místa stejných škod mapy izakust stejné intenzity zvukového doprovodu mikroseismické účinky registrace pomocí seismografů, založených na principu setrvačné hmoty záznam seismogram (horizontální pohyby S- J, V-Z, vertikální pohyb) 15

16 INTENZITA ZEMĚTŘESENÍ magnitudo M dekadický logaritmus amplitudy zemětřesení (a) vyjádřené v mikrometrechv epicentrální vzdálenosti 100 km tedy M = log a vztah mezi velikostí magnituda a množstvím uvolněné energie E: log E = 11,8 + 1,5 M Richterova stupnice pro hodnocení intenzity zemětřesení (podle hodnoty magnituda) logaritmická stupnice každý následující stupeň je 10 násobek stupně předcházejícího malá zemětřesení jsou krát slabší než velká M = 5,5 ~ výbuchu 1000 t TNT GEOGRAFICKÉ ROZLOŽENÍ ZEMĚTŘESENÍ rozhraní litosférických desek: pás cirkumpacifický 80 % zemětřesení mediteránní pás středoceánské hřbety, aktivní hlubinné zlomy podle počtu otřesů se rozlišují oblasti: a) seismické velký počet zemětřesení b) peneseismické malý počet zemětřesení c) aseismické prakticky bez zemětřesení prognóza zemětřesení (seismické rajonování) určení pravděpodobné intenzity pro určitá časová období metody užité seismiky průzkum zdrojů nerostných surovin, inženýrská geologie, hydrogeologie 16

17 GEOGRAFICKÉ ROZLOŽENÍ ZEMĚTŘESENÍ OČEKÁVANÁ INTENZITA ZEMĚTŘESENÍ V ČR aktivní oblasti: Kraslicko, mariánskolázeňský, podkrušnohorský a hronovsko-poříčský zlom a oblast Slezska převážně makroseismický stupeň V a VI MCS nejsilnější komárenské zemětřesení (1763), odhad intenzity: stupeň VIII IX stupnice MCS 17