Caracteristicile cutremurelor:

Epicentru, hipocentru, magnitudine, intensitate - ce înseamnă acestea cu adevărat?

În continuare puteți afla mai multe detalii despre caracteristicile enunțate.

Undele seismice și înregistrarea cutremurelor

Undele seismice produse de un cutremur transmit energia eliberată de acesta, așa cum undele acustice transmit energia unei corzi de chitară care vibrează. Undele seismice sunt responsabile, atunci când ajung la suprafață, de producerea efectelor distructive, determinând propriu-zis mișcarea solului. De aceea analiza lor este foarte importantă. Faptul că undele seismice pot avea caracteristici diferite în funcție de tipul lor, de distanța parcursă sau de efectele locale ne ajută să înțelegem mai bine caracteristicile cutremurelor, structura internă a Pământului și ce trebuie să facem pentru a ne proteja de efectele lor.

Undele seismice sunt înregistrate cu ajutorul unui aparat foarte sensibil numit seismometru. Principiul care stă la baza seismometrelor este următorul:

Seismometrele pot măsura mai mulți parametri definitorii pentru mișcarea seismică:

• viteza (în special cu ajutorul vitezometrelor), măsurabilă în nanometri (centimetri sau metri) pe secundă
• accelerația (în special cu ajutorul accelerometrelor), măsurabilă în nanometri (centimetri sau metri) pe secundă la pătrat sau în unități gravitaționale (g)
• deplasarea (care poate fi determinată și satelitar sau cu ajutorul stațiilor GPS), măsurabilă în nanometri (centimetri sau metri)

O stație seismică modernă este compusă dintr-un seismometru care înregistrează semnalul seismic, după care acesta este transmis unui digitizor care are rolul de a converti aceste înregistrari în date digitale (seismograme digitale). La digitizor este conectat un receptor GPS care ajută la determinarea coordonatelor geografice ale stației și a timpului exact, și un hard disk pentru colectarea datelor sau o legătură de internet pentru transmiterea și accesarea datelor înregistrate. Timpul folosit este de obicei UTC (Coordinated Universal Time) și nu timpul local, pentru o uniformizare a înregistrărilor la nivel mondial.  Stația este conectată la o sursă de energie electrică. Mai multe stații seismice administrate unitar formează o rețea seismică. În figura 3 puteți vedea stațiile Rețelei Seismice Naționale, administrate de către Institutul Național de Cercetare-Dezvoltare pentru Fizica Pământului (INCDFP).

Caracteristicile undelor seismice principale

Principalele unde seismice intră în categoria „unde seismice de volum” (deoarece se propagă prin interiorul Pământului, pe drumul cel mai scurt între cutremur și suprafață). Ele sunt:

Unda P 

• Denumirea provine de la undae primae (latină)
• Se deplasează longitudinal (vezi figura 5), de aceea ajunge întotdeauna înaintea altor unde seismice (pierde cel mai puțin timp pe drum).
• Viteza sa, ca și în cazul oricărei alte unde, este variabilă în funcție de materialul străbătut (vezi figura 7). În crusta Pământului, viteza medie a undei P este de obicei de 6 km/s, iar în roci dure este de 8 km/s.
• Călătorește și prin medii lichide (precum nucleul extern al Pământului), însă datorită refracției între medii cu compoziție diferită nu poate ajunge direct (atunci când amplitudinea îi permite) la stații seismice amplasate între 103 și 142 grade față de focarul cutremurului (pe cealaltă parte a Globului).
• Este percepută la suprafață ca o mișcare pe verticală și de obicei nu are un caracter atât de distructiv asupra clădirilor precum undele care o succed.

Unda S 

• Denumirea provine de la undae secundae (latină)
• Se deplasează transversal (vezi figura 6), de aceea ajunge întotdeauna după unda P
• Viteza sa, ca și în cazul oricărei alte unde, este variabilă în funcție de materialul străbătut (vezi figura 7). În roci dure viteza undei S este de 3,2 km/s. Unda P este de 1,74 ori mai rapidă decât unda S.
• Nu călătorește prin medii lichide (precum nucleul extern al Pământului sau oceane).
• Este percepută la suprafață ca o mișcare pe orizontală, și provoacă cele mai mari distrugeri asupra clădirilor.

Așadar, prima mișcare pe care ar trebui să o simți la un cutremur mare ce are loc la maxim câteva sute de kilometri de tine va fi ca o zguduitură pe verticală - unda P. În continuare vei simți și următoarele unde seismice (în special unda S, ca o mișcare pe orizontală care te poate arunca la pământ), la un interval de câteva secunde.

Sistemele de avertizare timpurie exploatează diferența de timp dintre undele P și S ajunse la suprafață; prin monitorizarea unei zone seismice și depistarea rapidă a unui cutremur estimat a fi major se poate emite o avertizare către zone mai îndepărtate, în care unda S va ajunge cu câteva secunde mai târziu decât semnalul transmis.

Exceptând undele de volum (P și S) mai există și unde seismice de suprafață, care se propagă doar la suprafața Pământului. Acestea conțin de asemenea o cantitate substanțială de energie a cutremurului (pot fi puternic amplificate în bazine aluvionare) și prezintă mult interes științific:

Unda L (Love)

• Denumirea provine de la descoperitorul lor: A.E.H. Love (1863-1940)
• E o undă de forfecare în plan orizontal (vezi figura 8)
• Sosește întotdeauna după unda S

Unda R (Rayleigh)

• Denumirea provine de la descoperitorul lor: Lord Rayleigh (1842-1919)
• E o undă pentru care componenta orizontală a mișcării particulelor este orientată invers față de direcția de propagare a undei (vezi figura V)
• Sosește întotdeauna după unda L

Există și numeroase alte tipuri distincte de unde seismice, reflectate sau refractate de suprafața Pământului sau de discontinuitățile dintre straturile Pământului, care străbat nucleul intern sau care străbat oceanele. Acestea prezintă însă interes științific. Lista lor completă și notațiile pot fi vizualizate pe www.isc.ac.uk/standards/phases.

Undele seismice generate de un cutremur major se propagă peste tot în jurul Pământului și în interiorul său. Ele pot chiar face înconjurul lumii - de mai multe ori. Seismometrele foarte sensibile (de tip broadband), pot înregistra unde seismice ale unor cutremure ce au loc oriunde pe Glob.

Determinarea epicentrului unui cutremur, în funcție de timpii de sosire ai undelor seismice

Metoda standard de calcul se numește și metoda triangulației. Iată ce trebuie să faci pentru a determina epicentrul unui cutremur:

1. Determină pe o seismogramă a unei stații seismice timpii de sosire ai undelor P și S și calculează diferența de timp (S – P), în secunde
2. Înmulțește această diferență cu viteza de propagare a undelor P (cel mai exact poate fi obținută prin utilizarea unor curbe hodografe, care exprimă timpul de sosire al undelor în funcție de distanță, pentru diferite adâncimi. Acestea sunt calculate pe baza multor cutremure anterioare și au aplicabilitate internațională).
3. Valoarea rezultată determină distanța epicentrală dintre stație și cutremur.
4. Folosește această valoare ca rază, pentru a trasa un cerc în jurul stației seismice.
5. Repetă pașii 1-4 pentru minim încă alte două stații seismice.

Epicentrul cutremurului se va afla în punctul de intersecție a celor minim trei cercuri (figura 10), iar adâncimea este dată de curba hodogragă cu cea mai mică eroare în ceea ce privește punctul de intersecție dintre cercuri.

Studiul cutremurelor și în special a undelor seismice este foarte util. Află ce descoperiri ne-a ajutat să facem.

• A contribuit la aprofundarea teoriei mișcării plăcilor tectonice.
• Structura internă a Pământului a fost determinată pe baza înregistrărilor seismice și interpretării sosirilor undelor seismice
• Tomografia seismică a permis studierea structurii superficiale a Pământului și determinarea zăcămintelor de petrol și nu numai
• Cu ajutorul seismologiei se pot monitoriza exploziile - nucleare sau de altă factură, inclusiv impactul asteroizilor.
• Putem cunoaște date foarte detaliate și utile referitoare la caracteristicile unui cutremur și putem estima efectele sale.
• Au putut fi dezvoltate sisteme de avertizare timpurie, pentru cutremure și tsunamiuri
• Au putut fi dezvoltate metode de analiză a hazardului, vulnerabilității și riscului seismic, pentru a determina pericolul în care ne aflăm și a cunoaște măsurile eficiente care se impun.

Despre magnitudine

Scara de magnitudine este elaborată pe baza înregistrărilor instrumentale ale mișcărilor seismice, măsurând un cutremur în functie de amplitudinea mișcării solului înregistrată pe seismografe. Ea se exprimă de obicei prin numere cu o zecimală.

Cea mai cunoscută scară de magnitudine (Richter, notată cu ML), elaborată de Charles Richter și Beno Gutenberg în anii 30, este una logaritmică; conform acesteia, magnitudinea unui cutremur este „logaritmul în baza 10 al amplitudinii maxime a undei seismice (masurate în miimi de milimetru), înregistrate pe un seismograf standardizat (Wood Anderson) la o distanța de 100 km de epicentrul cutremurului”.

Charles Richter a corelat amplitudinea undelor seismice cu energia eliberată în timpul producerii cutremurului, concepând o formulă care asociază cele doua mărimi:

Log E = 11,8 + 1,5 ML

unde E este energia eliberată (măsurată în ergi) și ML este magnitudinea Richter a cutremurului corespunzător. Fiind o scară logaritmică, modificarea cu un grad a magnitudinii înseamnă o modificare de 10 ori a amplitudinii undelor seismice, iar totalul de energie seismică eliberată în focar creste de aproximativ 30 de ori. Scara ML a fost extinsa ulterior pentru măsurarea cutremurelor produse până la distanțe epicentrale de 700 km.

De-a lungul timpului, au fost elaborate mai multe scari de magnitudine, printre care magnitudinea din unde de suprafața – MS și magnitudinea din unde de volum – MB). A fost demonstrat că valoarea momentului seismic permite o estimare mai bună a mărimii cutremurelor decât magnitudinea Richter. Astfel, cercetatorii T. Hanks si H. Kanamori au introdus, în 1979, scara de magnitudine-moment (Mw).

Ecuația pentru Mw este:

Mw = 2/3*log10(M0) – 10,7

unde  M0 = μ × S × d (dyne*cm); μ = rezistența la forfecare a faliei dislocate; S = aria faliei dislocate; d = alunecarea medie pe suprafața faliei dislocate).

Clasificarea cutremurelor

În funcție de adâncime

• Cutremure crustale: se produc în crusta Pământului, până la 60 km adâncime (în funcție de zonă, grosimea crustei poate varia). Aceste cutremure reprezintă 90% din numărul total de cutremure produse pe glob şi apar frecvent în centura circumpacifică, bazinul mediteranean şi anumite zone din sud-estul Asiei; şi în România există cutremure crustale cu potențial distructiv. Pot provoca pagube foarte mari în imediata apropiere a epicentrului.
• Cutremure subcrustale sau intermediare: se produc mai jos de crusta Pământului, până la 300 de km adâncime, şi pot cauza pagube mai însemnate decât cele crustale la distanţe mari epicentrale. Cutremurele subcrustale sunt frecvente în Afganistan, Columbia, Mexic şi în zona Vrancea (România).
• Cutremure adânci (profunde): se produc între 300 şi 750 km adâncime şi reprezintă cutremure cu o rată de apariţie destul de scăzută, cel mai frecvent având loc în zone din Asia si pe coasta de vest a Americii de Sud, acolo unde crusta Pământului este încălecată de manta.

În funcție de magnitudine

Magnitudine	Caracteristici (în funcție de adâncimea la care au loc cutremurele, efectele pot fi diferite la suprafață; magnitudinea nu se corelează bine cu intensitatea)	Număr estimat al cutremurelor anuale de pe Glob
mai mică de 2,5	Nu sunt simțite de populație de obicei, sunt înregistrate doar de seismografe și prezintă interes științific	900.000
2,5 – 5,4	Pot fi simțite de către populație (în special cele crustale), pot provoca pagube nesemnificative	30.000
5,5 – 6	Sunt simțite de către populație, pot provoca pagube minore	500
6,1 – 6,9	Pot provoca pagube considerabile în zone puternic populate	100
7 – 7,9	Pot provoca pagube majore	20
mai mare de 7,9	Megacutremure – pot provoca distrugeri complete în apropierea epicentrului și distrugeri majore la distanțe epicentrale mari; pot modifica relieful.	Unul la 5-10 ani

În funcție de distanță (față de observator)

• Locale: distanţa epicentrală este mai mică de 1000 km. 
• Regionale: distanţa epicentrală este cuprinsă între 1000 km şi 3000 km.
• Îndepărtate sau teleseisme: distanţa epicentrală este mai mare de 3000 km.

În funcție de poziția geografică a hipocentrului

• Cutremure continentale: cu hipocentrul în zona continentelor.
• Cutremure marine: cu hipocentrul în zona mărilor şi oceanelor.

Preșocuri, șocuri principale, replici și roiuri de cutremure

Preșocurile și replicile sunt termeni care fac referire la cutremurele care preced sau succed un cutremur principal, având o legătură cu acesta. Ele au magnitudini mai mici decât șocul principal. Replicile au loc deoarece șocul principal nu a eliberat încă toată energia acumulată. Frecvența replicilor scade odată cu timpul, pe măsură ce rocile se reașează. Sunt foarte puține cazurile în care, la scurt timp după un cutremur major are loc altul similar.

Roiurile de cutremure reprezintă o multitudine de cutremure cu magnitudini mici și apropiate ce au loc într-un timp relativ scurt (câteva săptămâni, de obicei), într-un loc relativ restrâns. Cauzele principale care le pot provoca sunt deplasările faliilor, vulcanismul sau seismicitatea indusă. Roiurile seismice au fost puse în evidență în ultimele două decenii, datorită dezvoltării rețelelor seismice, ca densitate și calitate.

În România au putut fi identificate în ultimii ani mai multe roiuri seismice, în zone diferite:

• Izvoarele, județul Galați
• Vrâncioaia, județul Vrancea
• Banat, județul Timiș

Predicția cutremurelor

Din totdeauna oamenii au încercat să prezică cutremurele. Cu toate astea, nici până în prezent nu există o metodă care să dea rezultate constante și credibile. Cercetările au arătat că înaintea cutremurelor apar câteodată anumite fenomene fizice particulare, denumite precursori ai cutremurelor, care ar putea oferi indicii cu privire la producerea unui cutremur major. Printre acești precursori se numără:

• Deformația crustală
• Activitatea seismică
• Anomaliile geochimice 
• Anomaliile hidrologice
• Anomaliile geomagnetice
• Anomaliile geoelectrice.

Unele fenomene au fost observate înainte de multe cutremure, însă niciunul nu a fost evidențiat repetându-se înainte de fiecare cutremur.

Printre tehnicile de predicție pe termen scurt a cutremurelor se numără următoarele:

Analiza emisiilor de radon

Radonul este un gaz radioactiv provenit din dezintegrarea radiului. Există o teorie conform căreia creșterea concentrației de radon în atmosfera anunță apropierea unui cutremur. În anii '70-'80, emisiile de radon au fost studiate, însă fără rezultate concrete.

Analiza preșocurilor

Preșocurile sunt cutremure care preced producerea unui cutremur mai mare și care apar grupate în zona focală a acestuia. O creștere a activității seismice de tip preșoc a permis evacuarea cu succes a peste un milion de oameni cu o zi înainte de cutremurul din 4 februarie 1976 (M = 7,3) din Haicheng, China. Din păcate, este incert și greu de identificat în timp util dacă un cutremur este preșoc sau nu. De cele mai multe ori, el este recunoscut drept preșoc după ce se produce și cutremurul principal. Aproape 50% dintre cutremurele majore sunt precedate de aceste preșocuri, dar doar 5-10% din cutremurele mici se dovedesc a preșocuri, acest lucru conducând la multe alarme false.

Semnalele electrice seismice (Metoda VAN)

VAN este o metodă de predicție a cutremurelor, propusă de profesorii Varotsos, Alexopoulos și Nimicos în anii '80, fiind denumită astfel după inițialele autorilor. Metoda se bazează pe detectarea unor semnale electrice seismice (SES), înregistrate cu ajutorul unei rețele telemetrate de conductori instalați în pământ. Cercetătorii susțin că metoda este capabilă să prezică cutremure cu magnitudine peste 5, cu o eroare de 100 km față de epicentru, cu eroare în magnitudine de până la 0,7 grade și o diferență de timp de la 2 ore până la 11 zile. Metoda revizuită este utilizată în Grecia sau Japonia, însă este puternic criticată la nivel internațional.

Influența lunii și a stelelor

Legătura dintre maree și cutremure nu a putut fi până acum corelată, distribuția părând aleatoare. Influența stelelor atât de îndepărtate pare a fi nesemnificativă pentru a fi luată în considerare când vine vorba de cutremure.

Analiza statistică

Analiza statistică a cutremurelor presupune aflarea unor corelații între cutremure anterioare consemnate în diferite cataloage și emiterea unor presupuneri legate de recurența tiparelor observate. Această metodă poate include și considerente legate de zona analizată și de precursorii observați. Oricât se dorește explicarea cutremurelor dintr-o perspectivă repetitivă, cutremurele pur și simplu nu par a avea loc statistic. În plus, ținând cont de scara geologică a proceselor din interiorul Pământului, datele istorice de care dispunem despre cutremure (ultimele secole) sunt foarte insuficiente.

Teoria eliberării tensiunii

Teoria cutremurelor mici care descarcă din energia viitoarelor cutremure mari nu este considerată științific ca fiind serioasă – de exemplu, ar fi nevoie de 1000 de cutremure cu Mw = 3 pentru a elibera energia unui cutremur cu Mw = 5. În plus, un cutremur mic poate fi chiar picătura care umple paharul, declanșând un dezechilibru într-un sistem atât de fragil.

Comportamentul animalelor

Încă de la începuturile seismologiei au fost consemnate observații asupra comportamentului neobișnuit al animalelor înaintea cutremurelor. Prima consemnare este înainte de cutremurul ce a dus la distrugerea orasului Helikos, din Grecia Antică (anul 373 î.H.): ieșirea iepurilor și a nevăstuicilor din vizuini a mirat, dar fenomenul nu a putut fi înțeles și nici corelat cu producerea unui seism. În China Antică au fost constatate șase comportamente anormale la diferite specii de animale (peștii săreau pe țărm, albinele roiau spre locuri înalte, rozătoarele migrau masiv, păsările cântau noaptea, fazanii scoteau țipete ascuțite iar câinii lătrau fără încetare), la diferite cutremure. Se pare că monitorizarea comportamentului animalelor a avut un rol semnificativ în ceea ce ulterior a fost considerată „predicția reușită a cutremurului de la Haicheng, China” (4 februarie 1976, M = 7,3). Nu este exclus ca anumite animale să simtă anumiți precursori ai cutremurelor și să reacționeze într-un anumit fel, însă au fost și cutremure (în China de exemplu) la care animalele care ar fi trebuit să se manifeste într-un anumit fel au rămas liniștite. De aceea, nu este deocamdată concludentă legătura dintre comportamentul animalelor și cutremure, mai multe studii căutând corelația.

Tehnicile de predicție pe termen lung a cutremurelor încearcă să considere aspecte precum:

• Lipsa evenimentelor (mai ales pe anumite segmente ale unei falii)
• Extensia crăpăturilor din falii
• Teoria elasticității rocilor (revenire la forma inițială)
• Analiza tiparelor