7.3. Mecanismul de producere a cutremurelor

Intuiție

Două blocuri de rocă apăsate unul pe altul și împinse lateral stau lipite prin frecare, în timp ce se încarcă precum un arc. Când frecarea cedează, sar. Cât de mare este cutremurul depinde de cât de întinsă a fost suprafața care a alunecat și de cât a alunecat.

7.3.1. Acumularea tensiunilor și ruperea pe falie

Rocile scoarței se deformează elastic atât timp cât tensiunile tectonice rămân sub rezistența lor. Faliile sunt zone de slăbiciune (Figura 7.7) pe care alunecarea este împiedicată de frecare; când tensiunea tangențială atinge rezistența la forfecare a planului de falie, se produce ruperea bruscă. Condiția de rupere se exprimă prin criteriul Mohr–Coulomb:

(7.1)\[ \tau_f = c + \mu\,\sigma'_n , \]

în care \(\tau_f\) este rezistența la forfecare pe planul de falie, \(c\) este coeziunea (adesea neglijabilă pe falii preexistente), \(\mu = \tan\varphi\) este coeficientul de frecare al rocii, iar \(\sigma'_n\) este tensiunea normală efectivă pe plan (Jaeger et al., 2007). Relația (7.1) arată că o creștere a presiunii fluidelor din pori (care reduce \(\sigma'_n\)) apropie falia de rupere; acesta este mecanismul seismicității induse de injectarea de fluide sau de umplerea lacurilor de acumulare, fenomen relevant pentru ingineria hidrotehnică.

Figura 7.7 Alcătuirea schematică a unei zone de falie: nucleul faliei (brecie de falie, bandă de gouge – argilă de falie – cu planul principal de alunecare), zona de deteriorare cu fracturi tot mai dese spre nucleu și roca-gazdă nefracturată; graficul de jos arată calitativ variația densității fracturilor cu distanța față de nucleu.

7.3.2. Reculul elastic, momentul seismic și magnitudinea

Modelul reculului elastic, propus de Reid (1910) după cutremurul din San Francisco (1906), descrie ciclul seismic: blocurile de o parte și de alta a faliei se deformează elastic în perioada interseismică, iar la rupere revin brusc spre starea nedeformată, energia acumulată fiind eliberată sub formă de unde seismice și căldură (Figura 7.8). Mărimea fizică a sursei este momentul seismic:

(7.2)\[ M_0 = G\,A\,\bar{d}, \]

în care \(G\) este modulul de forfecare al rocii din zona focală, \(A\) este aria suprafeței de rupere, iar \(\bar{d}\) este deplasarea medie pe falie (Aki și Richards, 2002). Relația (7.2) arată că un cutremur mare presupune fie o suprafață de rupere întinsă, fie o deplasare mare, fie ambele. Magnitudinea moment, introdusă de Hanks și Kanamori (1979), se obține din momentul seismic exprimat în N\(\cdot\)m:

(7.3)\[ M_w = \tfrac{2}{3}\log_{10} M_0 - 6{,}07 . \]

Spre deosebire de magnitudinile clasice (magnitudinea locală \(M_L\) a lui Richter, magnitudinea undelor de volum \(m_b\), magnitudinea undelor de suprafață \(M_S\)), care saturează la valori mari, \(M_w\) definită prin relația (7.3) nu saturează și este singura legată direct de dimensiunile fizice ale sursei (Figura 7.9). Pentru cutremurele vrâncene, cataloagele mai vechi folosesc magnitudinea Gutenberg–Richter \(M_{GR}\), motiv pentru care valorile publicate pentru același eveniment pot diferi cu câteva zecimi.

Figura 7.8 Modelul reculului elastic (vedere în plan asupra unei falii de decroșare): (a) stare inițială, cu un drum drept peste falie; (b) deformarea elastică lentă a blocurilor în perioada interseismică – drumul se curbează; (c) ruperea și reculul – blocurile revin la forma nedeformată, drumul rămâne decalat cu \(d\), iar energia este radiată sub formă de unde seismice; (d) ciclul seismic: tensiunea tangențială pe falie crește lent și scade brusc la fiecare cutremur.

Figura 7.9 Relația dintre scările clasice de magnitudine (\(m_b\), \(M_L\), \(M_S\)) și magnitudinea moment \(M_w\): scările clasice saturează la magnitudini mari, în timp ce \(M_w\) crește nelimitat cu momentul seismic (curbe calitative; forma generală după Kanamori, 1983).

7.3.3. Magnitudine și intensitate

Magnitudinea caracterizează sursa și are o singură valoare pentru un cutremur. Intensitatea macroseismică descrie efectele într-un anumit loc (asupra oamenilor, obiectelor, construcțiilor și terenului) și scade, în general, cu distanța față de epicentru. În România s-a folosit tradițional scara MSK-64 (Medvedev–Sponheuer–Kárník), cu 12 grade, iar în prezent se utilizează scara macroseismică europeană EMS-98 (Grünthal, 1998), care păstrează cele 12 grade dar definește clase de vulnerabilitate ale clădirilor. La cutremurul din 1977 s-au atins intensități de VIII–IX MSK în zona epicentrală și în București. Hărțile de izoseiste ale cutremurelor vrâncene sunt alungite pe direcția NE–SV. Forma lor reflectă în primul rând structura litosferei: undele seismice se atenuează puțin spre platformele din fața Carpaților (Platforma Est-Europeană, Platforma Moesică) și puternic sub arcul carpatic și în Bazinul Transilvaniei, unde astenosfera caldă se află la adâncime mică (Kronrod et al., 2013, Russo et al., 2005). Contribuie și geometria sursei, cu zona focală și planul de rupere orientate NE–SV, în timp ce mecanismul focal are un rol secundar (Radulian et al., 2023).