4.3 Jordskjelv og seismiske bølger

Når bakken plutselig svikter

Hvert år registreres over 500 000 jordskjelv verden over. De fleste merker vi aldri -- bare rundt 100 forårsaker betydelig skade. Men hva er egentlig et jordskjelv? Det er en plutselig frigjøring av opplagret elastisk energi i jordskorpen, som forårsaker seismiske bølger. Energien slippes løs når spenningene overskrider bergartenes bruddstyrke langs en forkastning.

De fleste jordskjelv skjer langs plategrenser, og hele 90 % rundt Stillehavet -- i Ildringen. Typen plategrense avgjør karakteren: konvergerende grenser gir de sterkeste skjelvene, transform grenser gir hyppige, grunne skjelv, og divergerende grenser gir moderate skjelv. Der platene møtes, bygges spenningen opp -- og før eller siden slippes den løs.

Den spente fjæren

Hvordan oppstår et jordskjelv? Den beste modellen er den elastiske rekylmodellen, og den er enklere enn navnet antyder. Først skaper platebevegelsene spenninger i bergartene. Bergartene deformeres elastisk, som en fjær du spenner. Spenningen øker helt til bruddstyrken nås, og da kommer et plutselig brudd langs en forkastning. Bergartene rekylerer tilbake til avspent tilstand og frigjør energien -- og så starter prosessen på nytt.

Noen begreper er viktige. Hyposenteret (fokus) er stedet inne i jorden der bruddet starter og energien frigjøres -- alt fra overflaten til 700 km dyp. Episenteret er punktet på overflaten rett over hyposenteret, ofte der skadene er størst, og det er dette som rapporteres i nyhetene. Forkastningen er selve bruddflaten der bevegelsen skjer, og den kan være kilometer lang.

Jordskjelv klassifiseres etter dybde. Grunne skjelv (0--70 km) er vanligst og farligst. Intermediære skjelv (70--300 km) opptrer ved subduksjon, og dype skjelv (300--700 km) finnes bare i subduksjonssoner.

Bølgene som rister jorden

Når et jordskjelv inntreffer, sendes seismiske bølger ut -- energibølger som forplanter seg gjennom jorden. De deles i to grupper: kroppsbølger, som går gjennom jordens indre, og overflatebølger, som følger overflaten.

Blant kroppsbølgene er P-bølger (primære) trykkbølger. De beveger materialet parallelt med utbredelsesretningen, går raskest (5--8 km/s i skorpen), og passerer gjennom fast, flytende og gass. De gir en risting fram og tilbake. S-bølger (sekundære) er skjærbølger som beveger materialet vinkelrett på utbredelsesretningen. De er langsommere (3--5 km/s), går bare gjennom faste stoffer -- og stoppes derfor av jordens flytende ytre kjerne, akkurat som vi så da vi kartla jordens indre.

Overflatebølgene gjør mest skade. Love-bølger gir en horisontal skjærbevegelse som rister bygninger fra siden, mens Rayleigh-bølger gir en rullende bevegelse, en kombinasjon av vertikal og horisontal, som er særlig ødeleggende for bygninger.

Å måle skjelvet

Instrumentet som registrerer jordvibrasjoner heter en seismograf. Prinsippet er treghet: en masse henger så fritt at den forblir nesten i ro mens bakken -- og resten av instrumentet -- beveger seg. Moderne seismografer er digitale.

For styrken bruker vi magnitudeskalaer. Richter-skalaen fra 1935 er logaritmisk: én magnitude mer betyr ti ganger større amplitude, men hele 32 ganger mer energi. Momentmagnitude ($M_w$) er den moderne standarden, basert på seismisk moment, og fungerer for alle størrelser. Skalaen forteller mye: under 2 merkes ikke (rundt 1,3 millioner i året), 4--6 gir moderat skade (rundt 1500 i året), 6--7 kan ødelegge (rundt 120 i året), 7--8 er katastrofalt (rundt 15), og over 8 gir enorm ødeleggelse (rundt ett i året). I tillegg finnes intensitetsskalaen (Modifisert Mercalli, I--XII), som beskriver virkningen ut fra observasjoner og varierer med avstand og grunnforhold.

La oss regne på energi. Et jordskjelv på magnitude 7,0 mot ett på 5,0 -- hvor mye mer energi? Magnitudeforskjellen er $7{,}0 - 5{,}0 = 2{,}0$ enheter. Energifaktoren per enhet er $10^{1{,}5} \approx 31{,}6$. For to enheter blir det $31{,}6 \times 31{,}6 \approx 1000$. Et skjelv på 7,0 frigjør altså rundt 1000 ganger mer energi enn ett på 5,0. Det forklarer hvorfor en økning på bare 1--2 enheter gir så dramatisk mye mer ødeleggelse: et M5 gir moderat lokal skade, et M7 kan jevne en hel by.

Oppsummering

Et jordskjelv er en plutselig frigjøring av opplagret elastisk energi, beskrevet av den elastiske rekylmodellen -- spenning bygges opp og brister langs en forkastning. Hyposenteret er der bruddet starter; episenteret er punktet rett over på overflaten.

Skjelvet sender ut seismiske bølger: raske P-bølger (gjennom alt), langsommere S-bølger (bare faste stoffer), og overflatebølger (mest skade). Vi måler styrken med magnitude (Richter/moment, logaritmisk) og virkningen med intensitet (Mercalli). Fordi skalaen er logaritmisk, frigjør et M7-skjelv rundt 1000 ganger mer energi enn et M5 -- forskjellen mellom moderat skade og en ødelagt by.