Γενικά στοιχεία για τους σεισμούς

Ο σεισμός είναι μια απότομη κίνηση ή δόνηση του στερεού φλοιού της Γης. Συνήθως προέρχεται από τη διάρρηξη γεωλογικών στρωμάτων και την απότομη μετατόπιση των δύο τμημάτων κάτω από την επιφάνεια της Γης. Τα ρήγματα συνδέονται άμεσα με τη δημιουργία των επιφανειακών σεισμών, γι’ αυτό και χαρακτηρίζονται σεισμογόνα ρήγματα.

Ανάλογα με το εστιακό τους βάθος χωρίζονται σε επιφανειακούς (h < 60 km), σε ενδιάμεσου βάθους και σε μεγάλου βάθους  (h > 300 km). Οι δύο τελευταίοι ονομάζονται και πλουτώνιοι.

Η κίνηση των λιθοσφαιρικών πλακών

Η λιθόσφαιρα χωρίζεται σε επτά πολύ μεγάλες πλάκες, αλλά υπάρχει κι ένα πλήθος άλλων μικρότερων. Π.χ.  στην περιοχή του Αιγαίου υπάρχουν πολλές μικρές πλάκες. Οι πλάκες επιπλέουν στην πλαστική ασθενόσφαιρα.

Τριών ειδών κινήσεις μπορούν να συμβούν στα όρια μεταξύ πλακών

• Δημιουργία (επέκταση) πλάκας. Σε μεσο-ωκεάνια ρήγματα απομακρύνονται κατά μερικά cm/year και σε περιοχές αποχώρησης λιωμένα πετρώματα αναδύονται και δημιουργούν νέο ωκεάνιο δάπεδο στις δύο πλευρές του ρήγματος. Στο όριο αυτό δημιουργίας μια μεσο-ωκεάνια ράχη (οροσειρά) την οποία αποτελεί το τελευταίο αναδυόμενο πέτρωμα. Καθώς ψύχεται το νέο πέτρωμα τα μαγνητικά του υλικά προσανατολίζονται ανάλογα με τον προσανατολισμό του μαγνητικού πεδίου την εποχή εκείνη. Καθώς το γεωμαγνητικό πεδίο αλλάζει φορά κάθε 1×106 έτη περιμένουμε να δούμε στρώματα (στην άκρη της ράχης) με εναλλασσόμενη μαγνήτιση.

• Καταστροφή πλάκας (λόγω καταβύθισης μέρους της). Μία πλάκα γλιστρά κάτω από μία άλλη και λιώνει καθώς εισχωρεί στον μανδύα. Αυτή η περιοχή ονομάζεται ζώνη καταβύθισης και δημιουργεί μεσο-ωκεάνιες τάφρους. Όπου τα ελαφρότερα μέρη της καταβυθιζόμενης πλάκας λιώνουν αυτά ανέρχονται στην επιφάνεια και δημιουργούν ηφαίστεια. Όταν ηπειρωτικά τμήματα από αντίθετες πλάκες συμπιέζονται σε μία ζώνη καταβύθισης, επειδή  είναι ελαφρότερα από το βυθιζόμενο υπόστρωμα, αναγκάζονται να καμφθούν και σχηματίζουν οροσειρές.

• Κίνηση πλακών. Σε μερικά όρια οι γειτονικές πλάκες γλιστρούν μεταξύ τους χωρίς να συγκρούονται ή να αποχωρίζονται. Τα όρια αυτά όπου έχουμε μόνο οριζόντια κίνηση λέγονται ζώνες θραύσης (ή ρήγματα μετασχηματισμού). Εκεί οι σεισμοί είναι συχνό φαινόμενο λόγω της τριβής ανάμεσα στα όρια των πλακών. Εν γένει λοιπόν μία ιδανική πλάκα θα έχει μία πλευρά σε ζώνη καταβύθισης, την απέναντι σε ζώνη ανύψωσης και τις πλάγιες να γλιστρούν οριζόντια σε σχέση με τις γειτονικές.

Σεισμικά κύματα

Για να εκτιμηθούν τα αποτελέσματα των σεισμών πρέπει να καθοριστούν διάφορα στοιχεία, που χρησιμεύουν σαν βάση εκτιμήσεως. Πρώτο στοιχείο είναι η εστία του σεισμού, η υπόγεια θέση στην οποία γεννιέται ο σεισμός. Δεύτερο στοιχείο είναι το επίκεντρο του σεισμού , δηλ. η περιοχή της επιφάνειας της Γης που βρίσκεται κάθετα πάνω από την εστία. Έπειτα πρέπει να διακρίνουμε τα διάφορα σεισμικά κύματα, καθώς και τα αποτελέσματα των σεισμών (καταστροφές, πλημμύρες, πυρκαγιές, ανθρώπινα θύματα). Τα αποτελέσματα ποικίλλουν ανάλογα με τις συνθήκες (αντοχή υπεδάφους, κατασκευή σπιτιών, πυκνότητα πληθυσμού, τοπική ώρα, συνήθειες πληθυσμού.

Όταν ένας σεισμός χτυπά ο πρώτος παλμός της ενέργειας, που έρχεται από το σημείο της εστίας, περιλαμβάνει τα πρωτεύοντα ή κύματα πίεσης (P – primary). Είναι διαμήκη κύματα και διατρέχουν όλη τη Γη ενώ φτάνουν πρώτα σε ένα σεισμολογικό σταθμό. Κινούνται βραχώδη εδάφη με 6, περίπου, km/s ενώ στο νερό με το ένα τρίτο αυτής της ταχύτητας. Όταν φθάσουν στην επιφάνεια της Γης μπορούν να κινηθούν και στον αέρα, σαν ηχητικά κύματα. Ανάλογα με τη συχνότητά τους μπορούν να ακουστούν από τον άνθρωπο ή μόνο από τα ζώα.

Τα επόμενα κύματα που φτάνουν σε ένα τόπο είναι τα δευτερεύοντα (S – secondary). Δεν διαδίδονται μέσω υγρών σωμάτων (π.χ. στη θάλασσα ή στον εξωτερικό πυρήνα της Γης). Είναι πιο αργά (κινούνται με περίπου 2 km/sec), αλλά πιο ισχυρά και καταστρεπτικά από τα διαμήκη και τα ακολουθούν στο σεισμόγραμμα.

Τα κύματα P ταξιδεύουν δύο φορές γρηγορότερα από τα δευτερεύοντα (S) κύματα και αυτά είναι που φέρνουν την ισχυρή καταστρεπτική μετακίνηση του εδάφους, χαρακτηριστική των μεγάλων σεισμών. Τα κύματα S χρησιμοποιούνται παραδοσιακά για να αξιολογήσουν το μέγεθος ενός σεισμικού γεγονότος, αλλά αυτές οι πληροφορίες σταχυολογούνται μόνο μετά από το σεισμό.

Τα δύο παραπάνω κύματα διέπονται από όλες τις αρχές διάδοσης των κυμάτων (ανάκλαση, διάθλαση, αρχή του Fermat και του Huygens).

Τέλος, όταν η ενέργεια ενός σεισμού φθάσει στην επιφάνεια της Γης, δημιουργούνται δύο άλλοι τύποι επιφανειακών σεισμικών κυμάτων που έπονται των άλλων δύο. Το όνομά τους προέρχεται από αυτόν που τα ανακάλυψε και δημιουργούνται όταν η εστία είναι σε μικρό βάθος.

Τα πρώτα είναι τα κύματα Love (τα ανακάλυψε ο H. Love θεωρητικά το 1911), που κατά τη διάδοσή τους τα υλικά σημεία του μέσου ταλαντώνονται οριζοντίως, καθέτως προς τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος. Δημιουργούν δηλαδή μετακινήσεις πλευρικές της επιφανείας του εδάφους. Είναι μάλιστα γραμμικώς πολωμένα.

Και τα δεύτερα είναι τα κύματα Rayleigh (τα ανακάλυψε το 1887 ο Strutt Rayleigh), που κατά τη διάδοση τους τα υλικά σημεία του μέσου κινούνται σε ελλειπτικές τροχιές των οποίων οι μεγάλοι άξονες είναι κατακόρυφοι και οι μικροί παράλληλοι με τη διεύθυνση διάδοσης του κύματος.  Διαδίδονται στα επιφανειακά στρώματα της Γης και για το λόγο αυτό δεν εμφανίζονται σχεδόν καθόλου σε σεισμούς με βαθύτερες εστίες. 

Τα δύο τελευταία κύματα κινούνται πιο αργά από τα πρώτα (P και S) αλλά είναι πιο καταστρεπτικά, ιδιαίτερα τα κύματα Love. Ειδικά τα τελευταία είναι συχνά υπεύθυνα για την κατάρρευση των κτιρίων.

Οι σεισμοί καταγράφονται από ένα σεισμογραφικό δίκτυο. Κάθε σεισμικός σταθμός στο δίκτυο μετρά τη μετακίνηση του εδάφους στο τόπο εκείνο. Η ολίσθηση του βράχου πάνω από ένα άλλο σε ένα σεισμό απελευθερώνει ενέργεια που κάνει το έδαφος να δονείται. Αυτή η δόνηση ωθεί το πλαϊνό τμήμα του εδάφους και το αναγκάζει να δονηθεί. Έτσι συνεχίζεται να διαδίδεται η ενέργεια του σεισμικού κύματος.

Το πόσο καταστροφικός θα είναι ένας σεισμός έχει περισσότερο σχέση με την ένταση και λιγότερο με το μέγεθος. Έτσι εξαρτάται από διάφορες φυσικές αλλά και τεχνητές συνθήκες, μεταξύ των οποίων είναι και οι παρακάτω:

• Το βάθος της σεισμικής εστίας. Όσο μικρότερο εστιακό βάθος τόσο μεγαλύτερη ένταση.

• Η σεισμική επιτάχυνση. Αυτή είναι ανάλογη της έντασης ενός σεισμού και σαν μονάδα χρησιμοποιούμε την επιτάχυνση της βαρύτητας g. Χοντρικά, 1g είναι 10m/sec². Το μέγεθός της επιτάχυνσης εξαρτάται από το έδαφος και για αυτό σε κάθε σεισμό έχουμε διαφορετικές επιταχύνσεις της εδαφικής κίνησης, ανάλογα με την περιοχή. Για παράδειγμα, στο σεισμό του 1999 της Πάρνηθας άλλες επιταχύνσεις είχαμε στη περιοχή της Αθήνας και μεγαλύτερες στην Πάρνηθα.

• Η χρονική διάρκεια ενός σεισμού, όπως στο σεισμό του 1999. Γενικά, οι μεγαλύτεροι σεισμοί διαρκούν περισσότερο.

• Το έδαφος θεμελίωσης. Στα αμμώδη (χαλαρά) εδάφη έχουμε μεγαλύτερες ζημιές στα κτίρια.

• Οι επιπτώσεις ενός σεισμού σε μια πυκνοκατοικημένη περιοχή θα είναι δραματικά μεγαλύτερες από αυτές σε ένα αραιοκατοικημένο χωριό. Έτσι, για παράδειγμα, ο σεισμός της Ρόδου, το 1926, μεγέθους (υπολογίστηκε αργότερα) 8 βαθμών της κλίμακας Ρίχτερ, είχε 12 νεκρούς και σχετικά λίγες υλικές ζημιές σε σύγκριση με το σεισμό 5.9 της κλίμακας Ρίχτερ, που έγινε στην Πάρνηθα το 1999 στο πυκνοκατοικημένο λεκανοπέδιο της Αθήνας.

Πόση ενέργεια απελευθερώνεται σε έναν σεισμό;

Οι σεισμοί αποδεσμεύουν ένα τεράστιο ποσό ενέργειας κι αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο μπορούν να είναι τόσο καταστρεπτικοί.

Ο πίνακας παρουσιάζει τα μεγέθη με το κατά προσέγγιση ποσό της ποσότητας TNT που απαιτείται για να αποδεσμεύσει το ίδιο ποσό ενέργειας.

Τα μεγέθη ταξινομούνται ως εξής:

Μεγάλος: M > =8
Σημαντικός: 7 < =M < 7.9
Ισχυρός: 6 < = M < 6.9
Μέτριος: 5 < =M < 5.9
Ασθενής: 4 < =M < 4.9
Ασήμαντος: 3 < =M < 3.9
Μικρός: M < 3

Ανάλογα με τη γεωλογία της περιοχής γίνονται διορθώσεις στα διάφορα μεγέθη. Επίσης επιλέγεται εκείνο το μέγεθος που εκφράζει με τη μεγαλύτερη ακρίβεια το σεισμικό συμβάν. Για παράδειγμα, εάν μια σεισμική εστία βρίσκεται σε μεγάλο βάθος, τότε δεν παράγονται επιφανειακά κύματα, όπως γίνεται στους πιο αβαθείς σεισμούς, και δεν θα υπολογιστεί -ή καλύτερα δεν θα ανακοινωθεί- το μέγεθος Ms, αλλά το ML ή το MB. Αν το επίκεντρο είναι μακριά (αρκετές εκατοντάδες χιλιόμετρα), τότε πιο αξιόπιστο μέγεθος είναι το MB.

Αν όμως ο σεισμός είναι αρκετά μεγάλος, το μέγεθός του θα το αποδώσει το στιγμιαίο μέγεθος Mw, γιατί ενώ οι μεγάλοι σεισμοί έχουν μεγαλύτερη διάρκεια από τους μικρότερους, το MB προσδιορίζεται από το πλάτος των P κυμάτων στα πρώτα 5 δευτερόλεπτα της δόνησης. Έτσι το MB, δεν θα αποδώσει με ακρίβεια το πραγματικό μέγεθος μεγάλων σεισμών, οι οποίοι, συνήθως, διαρκούν περισσότερο και δίνουν το πραγματικό μέγεθός τους μετά την πάροδο μερικών δευτερολέπτων.