Trzęsienia ziemi i zjawiska wulkaniczne

1. Trzęsienia ziemi

Trzęsieniem ziemi nazywamy drgania skorupy ziemskiej, których przyczyna jest rozchodzenie się fal sprężystych, zwanych sejsmicznymi z głębszych sfer Ziemi.
Miejsce, gdzie tworzą się fale sejsmiczne nazywamy ogniskiem lub hipocentrum.
Natomiast miejsce na powierzchni ziemi, gdzie fale dotrą najszybciej nazywamy epicentrum.
Ze względu na położenie hipocentrum dzieli się trzęsienia na płytkie, gdy hipocentrum znajduje się na głębokości do 70km, Średnie od 70 do 300km oraz głębokie od 300 do 700km.

1.1. Rodzaje trzęsień ziemi:

Zapadowe trzęsienia ziemi
Wiążą się z zapadaniem stropów nad pustkami w przypowierzchniowej strefie skorupy ziemskiej, np. zapadanie się stropów jaskiń. Trzęsienia ziemi tego typu są związane najczęściej z obszarami krasowymi. Wstrząsy wywołane takimi przyczynami są na ogół słabe i obejmują najwyżej 3% wszystkich trzęsień ziemi, a spowodowane przez nie szkody są na ogół niewielkie.

Do zapadowych trzęsień ziemi zalicza się również tąpnięcia – wstrząsy wywołane zapadaniem się wyrobisk górniczych. Gdy kopalnie znajdują się pod obszarami zabudowanymi, a sieć chodników jest gęsta, tąpnięcia mogą poczynić znaczne szkody. W Polsce tąpnięcia zdarzają się na Górnym Śląsku, a także na Dolnym Śląsku, w rejonach eksploatacji złóż węgla kamiennego.

Wulkaniczne trzęsienia ziemi
Związane są z gwałtowną erupcją wulkanów eksplozywnych luz też z przemieszczaniem się magmy w skorupie ziemskiej. Czasem wstrząsy mogą być związane z zapadaniem się stropów opróżnionych komór magmowych. Wulkaniczne trzęsienia ziemi są na ogół słabe i stanowią około 7% wszystkich trzęsień ziemi.

Tektoniczne trzęsienia ziemi
Są najczęstsze i najgroźniejsze w skutkach. Stanowią one około 90% wszystkich trzęsień zachodzących na kuli ziemskiej. Przyczyną tego rodzaju trzęsień jest gwałtowne przemieszczanie się mas skalnych w skorupie ziemskiej lub górnym płaszczu ziemi, wywołane rozładowaniem nagromadzonych naprężeń. Występują przede wszystkim między granicami płyt litosfery.

1.2. Obszary powierzchni ziemi wyróżnione w oparciu o częstotliwość i siłę wstrząsów

Obszary sejsmiczne
- trzęsienia ziemi są częste i silne
- strefa położona wokół Oceanu Spokojnego, obszary alpejskich pasm fałdowych, grzbiety śródoceaniczne, basen Morza Karaibskiego

Obszary pensejsmiczne
- wstrząsy odbywają się sporadycznie lub są częste, ale słabe
- Masyw Centralny, Harz, obszar Morza północnego, Ural, Wielkie Góry Wododziałowe

Obszary asejsmiczne
- obszary wolne od wstrząsów
- stare platformy kontynentalne

1.3. Pomiar trzęsień ziemi

Do pomiaru trzęsień ziemi stosujemy dwie skale: Mercallego i Richtera

Skala Mercallego
Skala Mercallego służy do określania intensywności drgań gruntu w danym miejscu na skutek trzęsienia ziemi. Jest to tzw. odczuwalna intensywność. Sama skala zaś jest rejestrem opisanych skutków trzęsienia ziemi.

Intensywność i możliwe skutki:
1 Nieodczuwalne dla ludzi
2 Odczuwalne dla ludzi zamieszkujących wyższe piętra
3 Zawieszone na ścianach przedmioty mogą się poruszać
4 Zawieszone na ścianach przedmioty poruszają się, pojawia się drżenie okien i drzwi
5 Odczuwalne na dworze, małe przedmioty poruszają się
6 Odczuwalne przez każdego, poruszają się meble, chwieją się drzewa i krzewy
7 Ludzie z trudem utrzymują się na nogach, budynki pękają
8 Powstają duże szkody w budynkach, łamią się gałęzie drzew
9 W gruncie tworzą się duże pęknięcia, niektóre domy rozpadają się
10 Obsuwa się powierzchnia ziemi, liczne budynki leżą w gruzach
11 Duże przekształcenia powierzchni ziemi, wyginają się szyny kolejowe
12 Zniszczenia są niemal całkowite

Skala Richtera
Skala Richtera służy do określania efektów energetycznych trzęsienia ziemi w jego epicentrum. Jest to skala logarytmiczna, co oznacza, że ilekroć intensywność trzęsienia ziemi wzrasta o jedną jednostkę, grunt trzęsie się 10-krotnie silnej, a ognisko trzęsienia wyzwala 30-krotnie więcej energii. Podana niżej skala wskazuje na prawdopodobne skutki trzęsienia ziemi dla poszczególnych stopni intensywności.

Stopień Możliwe Skutki
1 Wykrywalne tylko za pomocą sejsmografów
2-3 Ledwie odczuwalne przez ludzi
4-5 Może spowodować niewielkie szkody
6 Dość niszczycielskie
7 Duże trzęsienie ziemi
8-9 Bardzo niszczycielskie trzęsienie ziemi

1.4. Tsunami a trzęsienia ziemi

Tsunami powstają w wyniku gwałtownej zmiany ukształtowania dna morskiego wywołanej m.in. trzęsieniami ziemi. Nagłe poniesienie lub obniżenie się fragmentu dna powoduje automatycznie ruch słupa wody morskiej do góry lub do dołu. Wskutek tego tworzą się fale powierzchniowe, które rozchodzą się po oceanie w postaci kręgów. Ogromna energia niesie je na odległość kilkunastu tysięcy kilometrów. Przy wybrzeżach fala się zwiększa i może dochodzić do wysokości 50 i więcej metrów.

1.5. Katastrofalne trzęsienia ziemi

Najtragiczniejsze trzęsienia wystąpiły w Azji. Szczególnie dużo ofiar pociągnęły dwa trzęsienia w Chinach. Pierwsze z nich nastąpiło 23 I 1556 r. w prowincji Shanxi. Liczbę ofiar szacuje się na 830 tys.;
niemal równie katastrofalne trzęsienie ziemi nastąpiło 27 VII 1976 r. w gęsto zaludnionym rejonie przemysłowo-górniczym Tangshan, 110 km na wschód od Pekinu;
miało magnitudę Mw = 8,0. Trzęsienie to spowodowało śmierć 255 tys. ludzi wg danych oficjalnych; oszacowania wskazują na 655 tys. ofiar. Duża liczba ofiar była częściowo wynikiem słabych konstrukcji domostw.

Najtragiczniejsze trzęsienie w Europie nawiedziło 28 XII 1908 r. okolice Mesyny we Włoszech. Śmierć poniosło ok. 100 tys. ludzi. Niewiele mniej ofiar śmiertelnych (ok. 70 tys.) spowodowało trzęsienie ziemi, które zniszczyło Lizbonę w 1755 r. Trzęsienie to nastąpiło 1 listopada, w dzień Wszystkich Świętych, i zaskoczyło ludność w kościołach. Zniszczeniu uległo ok. 20 tys. domów, w znacznym stopniu wskutek pożarów wywołanych przez zniszczenie pieców. Część ofiar spowodowało tsunami, które w Kadyksie osiągnęło wysokość 20 m. Zniszczenia zanotowano także w Algierze, odległym o 1100 km od Lizbony. Trzęsienie lizbońskie wywołało w Europie znaczne poruszenie, co doprowadziło m.in. do rozpoczęcia naukowych badań trzęsień ziemi przez angielskiego geologa J. Michella.

Najsilniejsze trzęsienia ziemi w XX w. wystąpiły w Chile (w 1960 r.) i na Alasce (w 1964 r.). O tych trzęsieniach często wspomina się w niniejszym tekście. Warto również wymienić trzęsienie w Kalifornii w 1906 r., które zniszczyło m.in. San Francisco. Oficjalna liczba ofiar była niewielka (ok. 500); straty materialne, spowodowane w znacznej mierze przez pożary, były jednak bardzo poważne. Trzęsienie było spowodowane przesunięciem mas skalnych wzdłuż uskoku San Andreas. Najbardziej tragiczne z amerykańskich trzęsień wydarzyło się 31 V 1970 r. w Peru. Całkowita liczba ofiar wyniosła 67 tys., w tym ok. 15 tys. spowodowała lawina skalno-lodowa, która zniszczyła dwa miasta, wywołując jednocześnie falę powodziową.

2. Zjawiska wulkaniczne

Wulkan – termin wprowadzony przez sławnego geografa Bernhardusa Valeriusa. Jest to wzniesienie powstałe w miejscu wydostania się magmy na powierzchnię ziemi, zbudowane ze skał będących produktami erupcji: lawy i utworów piroklastycznych.

2.1. Budowa wulkanu

- stożek wulkaniczny, którego wysokość i kształt zależą od rodzaju i ilości materiału wydobywającego się w trakcie erupcji
- komin wulkaniczny, czyli kanał, którym na powierzchnię ziemi są dostarczane produkty erupcji
- krater, będący zakończeniem komina wulkanicznego
- ognisko lub komora magmowa, łącząca się kominem wulkanicznym z kraterem, jest to zbiornik magmy, będący źródłem materiału erupcji wulkanicznej
Głównemu stożkowi wulkanicznemu towarzyszą często znajdujące się na stokach wulkanu, tzw. stożki pasożytnicze, przez które również mogą następować erupcje.

2.2.Typy wulkanów

Podział wulkanów można przeprowadzić ze względu na:
1. Rodzaj wydostających się na powierzchnię materiałów
 Lawowe, czyli efuzywne
• wulkany tarczowe – tworzą się, gdy lawa jest płynna i wypływając z krateru rozlewa się szeroko, tworząc wzniesienie o łagodnych stokach.
• kopuły lawowe – jeśli lawa ma duża lepkość nie może odpłynąć daleko od krateru i gromadzi się w sąsiedztwie.
 Gazowe, czyli eksplozywne – wyrzucają tylko materiał piroklastyczny
• maary – lejkowate zagłębienia otoczone wałem z popiołów wulkanicznych
 Mieszane, inaczej stratowulkany

2. Rodzaj erupcji
 centralne - związane z jednym punktem (centrum wybuchu), czyli kanałem kształtu cylindrycznego, który powierzchnię Ziemi łączy z podziemnym ogniskiem magmowym. Kanałem tym wydobywają się materiały wulkaniczne. Zakończony jest on lejkowatym zagłębieniem, które powstało podczas rozrywania się skał w czasie wybuchu, czyli kraterem.
• typ islandzki - wylew bardzo płynnej lawy ze szczeliny
• typ hawajski – wulkan wybucha często, lecz spokojnie, wulkan ma kształt tarczy
• typ stromboli – wulkan wybucha często, rytmicznie lecz niezbyt gwałtownie: wylewa niewielkie ilości law obojętnych , wyrzucając też materiał piroklastyczny
• typ vulcano – wybuchy następują rytmicznie co kilka, kilkanaście lat: wulkan wyrzuca chmury popiołów i znaczne ilości średnio kwaśniej lawy
• typ Pelee – wulkan wybucha z niezwykłą gwałtownością, a lawa zawiera wiele gazów
• typ Pliniusza – wybuch trwa krótko ale ma ogromną siłę: produktami erupcji są niemal wyłącznie popioły
 szczelinowe (linearne) - produkty wulkaniczne wydobywają się podłużnymi szczelinami. Lawa wypełniająca szczelinę przelewa się w jedną lub dwie strony. Tą drogą powstają pokrywy obejmujące czasem duże obszary

Erupcje linearne są rzadsze od centralnych. Duże pokrywy bazaltowe, pochodzące z dawnych okresów geologicznych świadczą o tym, że przed dziesiątkami milionów lat ten typ erupcji był dosyć pospolity. Na niektórych obszarach wulkanicznych można odtworzyć zanikanie dawnych erupcji linearnych, których miejsce zajmują erupcje centralne. Niemal regułą jest, że erupcje linearne mają charakter law zasadowych typu bazaltowego; zawartość gazów w tych lawach jest niewielka. Dlatego też wylewom lawy erupcji linearnych rzadko towarzyszą potężne eksplozje, mają one charakter słabszych wybuchów i prowadzą do wytworzenia tylko niewielkich stożków wulkanicznych. Najczęściej są to otwarte szczeliny, którymi lawa wydobywa się spokojnie. Szczeliny czy rowy obfitują nieraz w drobne kratery ułożone wzdłuż linii wyznaczających przebieg szczeliny lub rowu.
 arealne - powstać one mogą wtedy, gdy magma batolitu lub lakolitu dojdzie do powierzchni Ziemi nie kanałem ani szczeliną lecz całą powierzchnią. Nastąpić to może przez przetopienie skał nadległych lub przez przedarcie się magmy na znacznej przestrzeni. Nie znamy współczesnych erupcji arealnych, prawdopodobnie jednak miały one duże znaczenie, kiedy istniały korzystne warunki do wydobywania się wielkich mas magmy na powierzchnię. Erupcje arealne charakteryzują się tym, że występujące na powierzchni skały wylewne przechodzą stopniowo w bardziej gruboziarniste skały głębinowe. Do tego typu erupcji zalicza się wulkaniczną płytę utworzoną z riolitów w Yellowstone Park (Stany Zjednoczone Am.). Zajmuje ona powierzchnię około 10000 km2 przy dużej miąższości. Obecność licznych gejzerów ogranicza się do obszaru riolitowego, co wskazuje na stały dopływ ciepła z głębi. Ponieważ wulkanizm tego obszaru zakończył się w pliocenie, tak dużym źródłem ciepła może być tylko batolit granitowy leżący w głębi.

2.3. Produkty erupcji

 Produkty ciekłe:
• lawa – składa się ze stopionych tlenków krzemu i metali oraz krzemianów o gazów

 Produkty stałe:
• popioły wulkaniczne - czyli bardzo drobne okruchy lawy i skał wyrwanych z podłoża wulkanu
• lapille - są to drobne kawałki lawy wielkości grochu lub orzecha włoskiego
• bomby wulkaniczne - to duże bryły skał lub zastygniętej w powietrzu lawy

 Produkty gazowe – ekshalacje
• fumarole - są one bardzo gorące, osiągają od 200 do nawet 1000ºC, złożone są głównie z pary wodnej z domieszką tlenku węgla, fluoru i chloru
• solfatary - ich temperatura to około 100-200ºC, a skład: głównie para wodna oraz dwutlenek węgla i siarkowodór
• mofety - są stosunkowo chłodne, bo poniżej 100ºC ekshalacje są złożone głównie z dwutlenku węgla

2.4. Rozmieszczenie wulkanów

Z rozmieszczenia geograficznego wulkanów wynika, że większość z nich grupuje się w wąskich strefach , które najczęściej są młodymi pasmami górskimi lub łukami wyspowymi u wybrzeży Pacyfiku. Aktywną wulkanicznie strefą są ryfty grzbietów sródoceanicznych. Wulkany występują też na dnie głębokich basenów oceanicznych, przy czym najwięcej jest ich na Pacyfiku. Warto też zwrócić uwagę na występowanie wulkanów we wschodniej Afryce, gdzie są one związane z wielkimi rozłamami skorupy ziemskiej, jakimi są Wielkie Rowy Wschodnioafrykańskie. Poza wymienionymi obszarami wulkany występują bardzo rzadko. Rozmieszczenie wulkanów na kuli ziemskiej wykazuje wyraźne związki z budową geologiczną skorupy ziemskiej i zachodzącymi w niej procesami tektonicznym.

Tab.1. Aktywne wulkany

2.5. Wybuchy wulkanów jako klęski żywiołowe

Około 20% ludności świata żyje w strefach aktywnych wulkanicznie. Na gęsto zaludnionych obszarach erupcja wulkaniczna mogłaby jednorazowo pochłonąć większą liczbę ofiar niż wszystkie erupcje od końca XVIII w. Od tego czasu zginęło ponad 220 tys. osób, co stanowi ponad 80% ogółu ofiar wulkanów

Czynnikami powodującymi największe straty w ludziach są:
• głód i choroby epidemiczne (30,3%);
• chmury gorejące i lawiny piroklastyczne (26,8%),
• lahary (17,1%)
• tsunami (16,9%),
• lawiny gruzowe (4,5%),
• opady popiołowe i bomby wulkaniczne (4,1%),
• wylewy law (0,3%)
• inne czynniki, np. trujące gazy, wstrząsy sejsmiczne (0,03%).

Katastrofalne wybuchy czterech wulkanów: Tambora (1815 r.), Krakatau (1883 r.), Pelee (1902 r.) i Nevado del Ruiz (1985 r.) spowodowały ponad 66% przypadków śmiertelnych w ostatnim 200-leciu, przy czym z każdym z tych wybuchów był związany inny czynnik zagłady: głód, tsunami, lawina piroklastyczna i lahar.

2.6. Najsilniejsze wybuchy wulkanów w ostatnim piętnastoleciu

W ostatnim piętnastoleciu katastrofalne wybuchy wulkanów występowały głównie na wyspach u wschodnich i południowo-wschodnich wybrzeży Azji, a także w Ameryce środkowej, w tym na Małych Antylach.

Wybuchy te pochłonęły ponad 1500 ofiar; spośród nich 80% zginęło w wyniku erupcji jednego wulkanu (Pinatubo), w tym: 30% wskutek opadów popiołowych i bomb wulkanicznych, 12% wskutek laharów, reszta z powodu chorób epidemicznych. Przyczyną śmierci ofiar pozostałych wybuchów były głównie lawiny piroklastyczne i chmury gorejące, a tylko w 12% opady piroklastyczne.

W 1990 r. na Jawie wznowił działalność jeden z najniebezpieczniejszych wulkanów, Kelud, który w ciągu ostatnich sześciu wieków pochłonął ok. 15 tys. ofiar. W wyniku erupcji eksplozywnej został zdewastowany obszar 35 km2 w odległości 24 km od krateru; od opadów popiołowych i bomb wulkanicznych zginęło 35 osób. Poerupcyjne lahary (33) zniszczyły 1546 budynków, drogi i mosty, ok. 25 tys. ha ziemi uprawnej, ok. 6400 ha lasów; spowodowały także poważne obrażenia 43 osób.

Sprawcą największej katastrofy ostatniego dziesięciolecia był wulkan Pinatubo, położony na filipińskiej wyspie Luzon. Po 500-letnim okresie spokoju, w 1991 r. wystąpiły silne erupcje eksplozywne, które wzbiły chmurę popiołów do wysokości 40 km, doprowadziły do zapadnięcia wierzchołka wulkanu i powstania kaldery głębokości 600 m i średnicy 2 km. Erupcjom towarzyszyły wstrząsy sejsmiczne i ulewne deszcze, w tym samym czasie wystąpiły też tajfuny, co doprowadziło do uruchomienia laharów. Eksplozje, zapadnięcie wierzchołka wulkanu i opady piroklastyczne były przyczyną śmierci 364 osób i obrażeń 184; 143 osoby zginęły wskutek laharów, a 700 zmarło w wyniku chorób epidemicznych. Na obszarze 100 km2 zostały zniszczone uprawy, drogi, kilka wsi i miast.

Wybuchy japońskiego wulkanu Unzen, wznowione w 1990 r., osiągnęły apogeum w roku następnym. Erupcje o charakterze mieszanym spowodowały wydźwignięcie kopuły lawowej oraz wytworzenie chmur gorejących, lawin piroklastycznych i gruzowych, a także laharów; śmierć poniosły 43 osoby, rannych zostało 9 osób; spaleniu uległo 400 budynków, zburzeniu 137. Ewakuowano 8600 osób.

W 1993 r. doszło do erupcji wulkanu Mayon (wyspa Luzon, Filipiny). Wulkan wyrzucił popioły na wysokość 5 km, a lawiny i opady piroklastyczne, sięgające ok. 6 km od krateru, spowodowały śmierć 70 osób i obrażenia ponad 100. Popioły, potoki lawy i lahary zniszczyły drogi i pola uprawne.

Wulkan Merapi, który w XI w. przyniósł zagładę wysoko rozwiniętej cywilizacji jawajskiej, a potem jeszcze kilkakrotnie wywoływał tragiczne katastrofy, eksplodował w 1994 r.; popioły były wyrzucane na wysokość 10 km. Opady piroklastyczne objęły obszary położone w odległości 45 km od wierzchołka wulkanu. Wskutek laharów, lawin piroklastycznych i chmur gorejących zginęły 64 osoby, 43 zostały ciężko ranne; zniszczeniu uległo kilka wsi, spaleniu 500 ha lasów. Ponad 6 tys. osób ewakuowano.

Ostatnia z większych katastrof wulkanicznych nastąpiła w 1997 r.; wybuchł wówczas aktywny od trzech lat wulkan Soufriere Hills na wyspie Montserrat (Małe Antyle). Erupcja wybiła w kopule wulkanu otwór o średnicy 200 m, przez który wytrysnął na wysokość 10 km pióropusz rozpylonej lawy.
Opady popiołów pokryły obszar 4 km2. Lahary, uruchomione częściowo przez wstrząsy sejsmiczne towarzyszce erupcji, spowodowały śmierć 19 osób i zniszczenie ok.150 budynków.

Silne erupcje wulkaniczne występowały również na słabo zaludnionych obszarach Andów, Alaski, Wysp Aleuckich, Kamczatki i Islandii. Erupcje te były przyczyną strat materialnych i szkód w środowisku naturalnym, spowodowanych przez intensywne opady popiołowe (Mount Hudson, Chile, 1991 r.), lahary (Spurr, Alaska, 1992 r.) lub wylewy wód roztopowych (strefa ryftu wschodniego w Islandii, 1996 r.).

2.7. Zapobieganie skutkom erupcji wulkanicznych

Badania wulkanów, prowadzone w celu prognozowania erupcji, ich siły i przebiegu obejmują m.in. monitoring sejsmiczny, akustyczny, termiczny i geochemiczny .

Stosuje się również monitoring satelitarny wybuchów wulkanów, a także komputerowe modelowanie procesów wulkanicznych, oparte na danych uzyskanych zarówno w wyniku monitoringu, jak też prac eksperymentalnych.

Dla osiedli znajdujących się w pobliżu wulkanów są opracowywane szczegółowe plany ewakuacyjne; duże znaczenie ma rozwój systemów ostrzegania, powoływanie i szkolenie specjalnych służb ratowniczych, edukacja mieszkańców zagrożonych obszarów, a także długoterminowe planowanie urbanistyczne, pozwalające uniknąć koncentracji ludności w rejonach szczególnie niebezpiecznych. Niekiedy buduje się również zapory i kanały, które mają ukierunkować przemieszczanie się produktów erupcji.

Spis tabel:

Tab.1. Aktywne wulkany

Spis treści

1. Trzęsienia ziemi
1.1. Rodzaje trzęsień ziemi
1.2. Obszary powierzchni ziemi wyróżnione w oparciu o częstotliwość i siłę wstrząsów
1.3. Pomiar trzęsień ziemi
1.4. Tsunami a trzęsienia ziemi
1.5. Katastrofalne trzęsienia ziemi
2. Zjawiska wulkaniczne
2.1. Budowa wulkanu
2.2. Typy wulkanów
2.3. Produkty erupcji
2.4. Rozmieszczenie wulkanów
2.5. Wybuchy wulkanów jako klęski żywiołowe
2.6. Najsilniejsze wybuchy wulkanów w ostatnim piętnastoleciu
2.7. Zapobieganie skutkom erupcji wulkanicznych