Zemetrasenie

Zemetrasenie je vonkajší prejav náhleho uvoľnenia nahromadenej mechanickej energie v litosfére (v kôre a vo vrchnom plášti). Vyše 90 % zemetrasení je spôsobených tektonickými pohybmi Zeme, zvyšok pripadá na vulkanizmus, zrútenie veľkých podzemných dutín (napr. stropov jaskýň) alebo skalných masívov, ako aj na činnosť človeka (banská činnosť, explózie, atď.).
Zemetrasenia sa zaznamenávajú seizmometrami umiestnenými v tzv. seizmologických staniciach. Ročne je takto zaznamenaných na Zemi niekoľko miliónov zemetrasení, no len nepatrná časť z nich (približne 30 000) má aj účinky, postrehnuteľné zmyslami človeka.

Výskyt zemetrasení

Zemetrasenia tektonického pôvodu sa vyskytujú v miestach s poruchami zemskej kôry (nazývaných aj zlomy alebo dislokácie), kde dochádza k pohybu jednotlivých horninových blokov. Veľká väčšina takýchto zlomov je umiestnená na okrajoch tektonických platní, kde dochádza k ich interakcii s inými platňami.
Viac ako 75 % tektonických zemetrasení sa odohrá v pásme, ohraničujúcom Pacifik, tzv. Ohnivom kruhu. Ďalších 15 – 20 % v zóne, tiahnúcej sa od Azor cez Severnú Afriku, Stredozemné more, Apeninský polostrov, Alpy, Dináre, Turecko, Irán a Himaláje, teda podstate v zóne Alpsko-himalájskeho vrásnenia. Ostatné tektonické zemetrasenia pripadajú na tektoniku stredooceánskych chrbtov a vnútroplatňové zemetrasenia.
Masívny výskyt zemetrasení v konvergentných, divergentných a transformných okrajoch tektonických platní je jedným z faktorov podporujúcich teóriu platňovej tektoniky. Jednotlivé typy okrajov a ich interakcie produkujú charakteristické zemetrasenia (napr. zemetrasenia transformých okrajov majú ohniskovú hĺbku približne 100 km, v prípade konvergentných okrajov je charakteristický výskyt hlbších zemetrasení, lemujúcich poklesávajúcu platňu – tzv. benioffova zóna).

Indukovaná seizmicita

Aj keď väčšina zemetrasení vzniká v dôsledku prirodzeného pohybu tektonických platní, môže vznik zemetrasení ovplyvňovať aj ľudská aktivita. Medzi štyri najbežnejšie príčiny patria: naplnenie veľkých (najmä hlbokých) vodných diel, injektáž väčšieho objemu kvapalín do vrtov, podpovrchová ťažba nerastných surovín, hlavne pri ťažbe pomocou pomocných pilierov alebo pri ťažbe ropy.
Indukovaná seizmicita, ako je označovaná skupina otrasov zemskej kôry spôsobená ľudskou činnosťou je najčastejšie vyvolávaná napĺňaním vodných diel, hlavne priehrad s výškou vodného stĺpca presahujúcou 100 m. Známe je napríklad z priehrady Kojna v Indii (10. december 1967). Vtláčaním tekutých látok do zemskej kôry je možné tiež dosiahnuť zvýšenie seizmickej aktivity. Takéto prípady sú známe napr. z oblasti Bazileja v Švajčiarsku, kde bola do granitového masívu vháňaná voda, ktorá mala spôsobiť jeho väčšie rozpukanie a po svojom zohriatí vo väčšej hĺbke zároveň následne slúžiť ako zdroj energie. Vznik umelých zemetrasení môže pri väčšej zmene hydraulických pomerov zapríčiniť aj zvýšená náchylnosť hornín na prienik vody do vnútra masívu a prítomnosť zlomov.
Seizmicita spôsobená ťažbou nerastných surovín je spôsobená prerozdeľovaním napätí odstránenia hornín, či už v podzemných alebo povrchových ťažobných priestoroch. Zemetrasenia tohto typu sú pomerne slabé (maximálne magnitúdo 2 – 4,6), a plytké. Tieto zemetrasenia môžu byť potenciálne nebezpečné, väčšina z nich má však príliš malú intenzitu. Seizmicitu môžu zvyšovať aj ďalšie ťažobné zásahy ako odčerpávanie ropy alebo plynu z podložných hornín. Tieto zemetrasenia môžu v extrémnych prípadoch spôsobovať škody na majetku. Indukovaná seizmicita pri ťažbe ropy a plynu je sledovaná preto sledovaná, v niektorých oblastiach je potrebné vháňať namiesto vyťažených surovín do horninového prostredia späť vodu.

Fokálny mechanizmus

Pre seizmológov je dôležité poznať pri zemetrasení smer pohybu oboch blokov, ako aj orientáciu zlomovej plochy. Tieto parametre sa označujú ako fokálny mechanizmus. Pomocou fokálneho mechanizmu zemetrasenia možno popísať neelastickú deformáciu v oblasti, kde zemetrasenie vzniklo. Fokálny mechanizmus býva znázorňovaný na tzv. loptových diagramoch. Tieto diagramy možno získať tak, že kolmo na hypocentrum zemetrasenia a zároveň kolmo na smer pohybu blokov – zlom, je preložená myslená rovina, ktorá rozdelí priestor na 4 kvadranty. Tieto kvadranty vymedzia dve protiľahlé oblasti, v ktorých dochádza ku kompresii a dve oblasti, kde dochádza k extenzii. Na zistenie, v ktorej oblasti prebieha tenzia a kde kompresia, je potrebné poznať niektoré informácie zo seizmogramov ale aj geológiu oblasti, hlavne orientáciu zlomu, na ktorom došlo k pohybom. Oblasti, kde bol ako prvý zaznamenaný nástup P-vĺn v kladnom zmysle (hore) sa nachádzajú v kompresnom sektore, naopak ak bol nástup vlny záporný (dole) ide o dilatačný segment.

Energia zemetrasenia a jeho veľkosť

Energiu uvoľnenú zemetrasením, resp. tú jej časť, ktorá sa vyžiari seizmickými vlnami zaznamenávajú seizmometre na seizmogramy. Účinky na ľudí a stavby merajú makroseizmické stupnice intenzity a na odhad veľkosti uvoľnenej energie sa používa magnitúdo a seizmické momenty.

Makroseizmické účinky zemetrasenia

Makroseizmické účinky zemetrasenia sú tie účinky zemetrasenia, ktoré sa prejavujú na prírode, stavbách a ľuďoch na určitej lokalite. Sú definované tzv. makroseizmickou intenzitou, ktorá je určovaná stupňami makroseizmickej stupnice. Jeden stupeň takejto stupnice je charakterizovaný súborom pozorovateľných príznakov. Napríklad stupeň tri v Mercalliho stupnici je charakterizovaný slabými otrasmi, ktoré môžu pocítiť ľudia na vyšších poschodiach budov, prípadne rozkývu visiace predmety (lustre a pod.), kým dvanásty, posledný stupeň tejto stupnice je charakterizovaný deštrukciou všetkých stavieb, zdvíhaním, príp. poklesmi povrchu Zeme, vznikom trhlín.
V súčasnosti sa používajú 12-stupňové stupnice (MCS, MM, EMS-98, MKS) a sedemstupňové (JMA). V Japonsku sa používa japonská intenzitná stupnica (JMA), v Taliansku Mercalli-Cancani-Siebergova stupnica (MKS), v Grécku a USA modifikovaná Mercalliho stupnica (MM) a na Slovensku a v ostatných európskych štátoch makroseizmická stupnica EMS-98 (EMS-98).

Seizmické siete

Seizmogram zaznamenáva vertikálne aj horizontálne pohyby (v smere sever-juh a východ-západ) a predstavuje úplnú informáciu o pohybe pôdy na určitom mieste v určitom časovom intervale. Čo však nie je možné z takéhoto záznamu zistiť, je správanie sa seizmických vĺn medzi ohniskom zemetrasenia a umiestnením seizmogramu. Na takéto účely sa používa sústava viacerých seizmometrov – tzv. seizmická sieť. Na lokalizáciu ohniska zemetrasenia sú potrebné záznamy z najmenej troch seizmometrov (seizmických staníc), pričom ohnisko zemetrasenia sa nachádza v priesečníku kružníc, ktorých stred je definovaný polohou seizmickej stanice a polomer vzdialenosťou ohniska od stanice.
Siete sa rozdeľujú na globálne, národné, regionálne a lokálne. Globálnu sieť seizmogramov predstavuje napr. Svetová sieť štandardných seizmografov (WWSSN), ktorá bola vybudovaná v 60. rokoch 20. storočia a pozostáva z viac ako 100 seizmických staníc v 60 krajinách sveta.
Národné siete sú zriaďované jednotlivými krajinami (niektoré už fungujú viac ako 100 rokov). Údaje národných sietí sa priebežne zasielajú a vyhodnocujú v medzinárodných centrách (napr. Medzinárodné seizmologické centrum v Newbury vo Veľkej Británii). Regionálne a lokálne siete (rozdiel je vo veľkosti monitorovanej plochy 100 km² regionálnej až po 1 km² lokálnej siete) slúžia na monitorovanie určitej oblasti (napr. okolia aktívneho zlomu, alebo dôležitých stavieb – elektrární, mostov, priehrad).

Otrasy zemského povrchu

Pohyb pôdy na určitom mieste zemského povrchu je hlavným prejavom zemetrasenia, výsledkom týchto pohybov vo vzťahu k civilizácii je poškodenie budov a iných stavieb. Výška poškodenia závisí od niekoľkých faktorov – ohniska zemetrasenia, prostredia medzi ohniskom a danou lokalitou a od geologickej, príp. topografickej charakteristiky samotnej lokality. Pohyby pôdy najviac ovplyvňujú povrchové seizmické vlny (tzv. Rayleighove vlny).
Dôležitým faktorom, ktorý ovplyvňuje intenzitu prejavov zemetrasenia v určitej lokalite sú geologické pomery a topografia povrchu. Nepríjemným javom je lokálne zosilnenie seizmických vĺn prechodom cez vrstvy napr. nespevnených sedimentov (čo bolo príčinou katastrofického zemetrasenia, ktoré zasiahlo mexické hlavné mesto Mexiko v roku 1985). Iné lokálne zosilnenia predstavujú napr. zosilnenie na vrchole kopca, prechod seizmických vĺn z tvrdších do mäkších hornín.

Vibrácie Zeme

Veľké zemetrasenia (s magnitúdom Mw > 6,5) rozkmitajú teleso Zeme. Tento jav je známy ako EFO (z angl. Earth's free oscillation) a prvýkrát bol zdokumentovaný pri veľkom čilskom zemetrasení v roku 1960. Zemské teleso kmitá sféroidálne (podobne ako kmitá futbalová lopta po náraze), radiálne (rytmické zväčšovanie a zmenšovanie povrchu Zeme) a toroidálne (dochádza k strižným pohybom paralelným k povrchu Zeme).

Sekundárne účinky zemetrasení

K sekundárnym prejavom zemetrasení patria cunami a rôzne zosuvy a závaly, skalné zrútenia, resp. zrútenia celých skalných a sutinových lavín, bahnotoky, vznik trhlín, alebo prepadov v pôde, ktoré môžu mať za následok ničivé požiare a záplavy spôsobené poškodením elektrického vedenia, resp. hrádzí, najmä v oblastiach, kde neboli stavby konštrukčne prispôsobené možným následkom zemetrasení. Príkladom môže byť zemetrasenie v San Franciscu roku 1906, kde najväčšie škody spôsobili požiare, ktoré v prevažne drevenom meste nastali po prerušení plynových potrubí. Správny výber bezpečných stavebných konštrukcií, ktorý by mal byť presne stanovený legislatívou, tak môže nebezpečenstvo sekundárnych efektov zemetrasení výrazne zredukovať.

Ostatné sekundárne účinky zemetrasení

Veľmi nebezpečnými následkami zemetrasení sú požiare. Nebezpečné sú najmä v oblastiach so sieťou plynových potrubí alebo v oblastiach s výstavbou drevených budov. Ich umocnenie spôsobuje narušenie vodovodných potrubí, ktoré sťažujú hasenie požiarov. Požiare zapríčinili najviac obetí pri zemetrasení v San Franciscu (1906), Tokiu (1923) alebo Kóbe (1995).
Skvapalnenie piesku, siltu alebo ílov je ďalším z faktorov zvyšujúcich škody po zemetraseniach. Seizmické vlny môžu mať za následok tixotropiu niektorých nespevnených sedimentov, ktoré môžu skvapalnieť. K takýmto škodám došlo počas zemetrasenia v Messine na Sicílii v roku 1908, kde zahynulo vyše 100 tisíc ľudí. Podobné následky mali zemetrasenia v Mexiku v roku 1985, kde došlo k znásobeniu zemetrasných vĺn 8 až 50-krát v dôsledku skvapalnenia jazerných sedimentov, na ktorých stálo mesto. Podobne boli znásobené následky zemetrasenia s magnitúdom 8,4 130 km od Anchorage, ktorého obytná výstavba bola založená na tixotropických Bootleggerských íloch.
Zosuvy, skalné zrútenia alebo prepadnutia podzemných priestorov (vrátane baní) sú tiež bežným javom súvisiacim so zemetraseniami, často sa prejavujú po hlavných otrasoch a dotrasoch. Veľmi nebezpečným sekundárnym efektom sú nákazlivé choroby a vystavenie obyvateľstva nepriazni počasia po tom, čo veľké množstvo ľudí stratí strechu nad hlavou alebo je poškodená dôležitá infraštruktúra v krajine. Choroby sa šíria nielen kvôli nižším štandardom hygieny pri prerušených vodovodných potrubiach, ale môžu byť tiež vážnym problémom najmä v tropických oblastiach, kde ľudia začnú používať provizórne, často znečistené zdroje vody. Nákazlivé choroby sú tiež časté pri veľkom množstve obetí a mŕtvych tiel uväznených v troskách. Známa je napríklad epidémia cholery po zemetrasení na Haiti v roku 2010. Iným problémom bola nadchádzajúca zima po zemetrasení v Spitaku v Arménsku v roku 1988, kde veľkému množstvu ľudí bez strechy nad hlavou chýbalo teplé oblečenie alebo zateplené stany. Zemetrasenie môže mať za následok celkové odrezanie oblasti od zásobovania a štátnej moci. V mnohých oblastiach musí po zemetraseniach zaisťovať poriadok armáda aby ochránila postihnuté obyvateľstvo a jeho majetok pred rabovaním.

Predpovedanie zemetrasení

Predpovedanie zemetrasení v určitom čase na určitom mieste je takpovediac nereálna záležitosť. Aj keď existujú určité náznaky ako zmeny elektromagnetického poľa Zeme, zvýšený únik radónu, zníženie hladiny podzemných vôd, alebo anomálne správanie sa zvierat, tieto javy nie sú pravidelným sprievodcom zemetrasení, preto na nich založené predpovede sú často nepresné (a často hraničia až so šarlatánstvom). Seizmológovia oveľa radšej používajú mapy seizmických rizík s uvedením pravdepodobnosti výskytu zemetrasenia v určitom čase na určitom mieste – to však už nejde o predpoveď.
V Číne úspešne predpovedali príchod zemetrasenia v roku 1975 na základe pozorovania zmien hladiny spodných vôd, zmien v správaní sa zvierat a meraní predtrasov. No už v roku 1976 vôbec nezachytili príznaky zemetrasenia v Tangšane, ktoré si vyžiadalo cez 240 000 obetí (podľa niektorých zdrojov až niečo cez pol milióna).
Zmeny v chemickom zložení minerálov deformačnej zóny, resp. zmeny fyzikálnych vlastností hornín by boli dobrým indikátorom budúceho zemetrasenia, no ich sledovanie je prakticky nerealizovateľné. Ak uvážime dĺžku zlomovej zóny niekoľko sto kilometrov, je takáto akcia nad možnosti vedeckých kapacít. Negatívne tiež vystupuje fakt, že väčšina zlomov je lokalizovaná pod zemským povrchom a odber vzoriek by bol dosť problematický.
Jediná použiteľná metóda je detekcia primárnych vĺn, ktoré sú nedeštruktívne a sú rýchlejšie ako sekundárne. No príchod ničivých S vĺn sa oneskoruje (v závislosti od vzdialenosti od ohniska a hĺbky zemetrasenia) len o niekoľko sekúnd (v prípade vzdialených zemetrasení o desiatky sekúnd). Napriek tomu existujú patentované technológie na varovanie pred zemetraseniami založené na tomto princípe, známa ako Quake Guard alebo Quake Alarm.

Seizmické ohrozenie

Seizmické ohrozenie predstavuje pravdepodobnosť výskytu seizmickej aktivity určitej úrovne na určitej lokalite v určitom čase. Odvodená veličina je seizmické riziko, ktoré určuje pravdepodobnosť vzniku škody pri seizmickom ohrození a seizmicita je pravdepodobnosť výskytu zemetrasenia s určitým magnitúdom v určitom čase v určitej zóne.
Pre účely stavebných noriem o seizmických zaťaženiach je seizmické ohrozenie charakterizované hodnotami špičkového zrýchlenia (v m/s²). Voľba času v definícii závisí od charakteru (a životnosti) stavieb. Pre bežné stavby je na 90% pravdepodobnosť nepresiahnutia zvolenej úrovne seizmického pohybu záujmovým obdobím 50 rokov (pre lokality jadrových elektrární až 1 000 rokov). Na Slovensku sa seizmické zaťaženie stavebných konštrukcií bežných stavieb riadi normou STN 730036.
V krajinách s veľkým výskytom veľkých zemetrasení má určenie seizmického ohrozenia význam aj pre civilnú ochranu. Na základe hodnôt jednotlivých charakteristík seizmického ohrozenia sa vypracovávajú štúdie seizmického rizika (pri určitej hodnote seizmického pohybu), čo pomáha pri plánovaní a organizácii záchranných prác.

Seizmické ohrozenie Slovenska

Zemetrasenia sú na Slovensku pomerne ojedinelým javom, v porovnaní s Poľskom a Českom je miera seizmického ohrozenia väčšia a považovaná za strednú. Od roku 1043 je na území Slovenska evidovaných viac ako 650 zemetrasení s makroseizmickými prejavmi. Najsilnejšie boli zemetrasenia v rokoch 1443 (s epicentrom na strednom Slovensku – oblasť Banskej Štiavnice a Kremnice), 1763 (epicentrum v Komárne) a 1906 (epicentrum v Dobrej Vode). Pre posledné zemetrasenie existujú aj seizmické záznamy – otrasená oblasť zasahovala do Rakúska, Maďarska a Česka.
V Západných Karpatoch sú zemetrasenia tektonickými dozvukmi treťohornej horotvornej činnosti súvisiacej so zrážkou bloku Alcapa a Európskej platformy a tiež v dôsledku poklesu Panónskej panvy. Na základe údajov seizmogramov, ako aj geologického prieskumu bolo na území Slovenska vyčlenených 6 ohniskových zón: oblasť Malých Karpát od Bratislavy po Vrbové (najmä Pernek-Modra, Dobrá Voda); oblasť Trenčín-Žilina; oblasť Tatier, Podhalia, stredného a severného Spiša; oblasť Komárna; oblasť Stredného Slovenska okolo Banskej Bystrice; a oblasť Zemplína a Slanských vrchov.

Predchádzanie zemetraseniam

V 60. rokoch minulého storočia prebehol v Denveri v americkom štáte Colorado pokus, pri ktorom boli do zlomovej zóny navŕtané vrty, do ktorých bola napumpovaná voda. Výsledkom tohto experimentu bola séria menších zemetrasení. Experiment bol založený na tom, že voda ako „mazivo“ znížila trenie v kontaktnej zóne horninových blokov, čím došlo k ich uvoľneniu. Cieľom bolo poukázať na možnosti znižovania rizika, resp. znižovania veľkosti zemetrasenia. Bohužiaľ daný proces je z vyššie uvedených dôvodov (hĺbka zlomu – najhlbší vrt na Zemi má len niečo cez 12 km – 12 262 m, lokalita polostrov Kola v Rusku, 10 km západne od mesta Zapoľarnij) použiteľný iba vo veľmi obmedzenom okruhu potenciálnych ohnísk.

Veľké zemetrasenia

V nasledujúcich tabuľkách je uvedených desať najväčších zemetrasení, spracovaných podľa USGS od roku 1900. Absolútne najväčším zemetrasením, čo sa týka počtu obetí, bolo zemetrasenie v roku 1556 v Číne, kde zahynulo približne 830 000 ľudí.