Характеристика землетрясений

Глава 2

ЧРЕЗВЫЧАЙНЫЕ СИТУАЦИИ В ЛИТОСФЕРЕ

Виды чрезвычайных ситуаций природного характера

И их характеристика

Землетрясения

Основные понятия

Землетрясения – подземные удары (толчки) и колебания поверхности земли, вызванные процессами высвобождения энергии внутри неё (главным образом тектоническими). По своим разрушительным последствиям землетрясения не имеют себе равных среди стихийных бедствий. Вся поверхность земного шара делится на несколько огромных частей земной коры, которые называются тектоническими плитами. Это: североамериканская, евроазиатская, африканская, южно-американская, тихоокеанская и атлантическая плиты. Тектонические плиты находятся в постоянном движении (могут раздвигаться, сдвигаться или скользить одна относительно другой), и оно составляет несколько сантиметров в год. Землетрясения являются результатом столкновения этих плит и сопровождаются изменениями поверхности земли в виде складок, трещин и т. п., которые могут простираться на большое расстояние. Районы, расположенные вблизи границ тектонических плит, в наибольшей степени подвержены землетрясениям. Иногда случаются землетрясения во внутренних частях плит – так называемые внутриплитовые землетрясения.

Землетрясения могут возникать и по другим причинам. Одной из таких причин является вулканическая деятельность (в местах, где раздвигаются тектонические плиты). Другой причиной является обрушение кровли шахт или подземных пустот с образованием упругих волн. Землетрясения, возникающие при развитии крупных оползней, называют обвальными. Кроме того, землетрясения могут вызываться и инженерной деятельностью человека (заполнение водохранилищ, закачка воды в скважины).

Опасные последствия землетрясений разделяются на природные и связанные с деятельностью человека. К природным относятся: сотрясение грунта, нарушение грунта (трещины и смещения), оползни, лавины, сели, разжижение грунта, оседания, цунами, сейши.

К последствиям землетрясений, связанным с деятельностью человека относятся: разрушение или обрушение зданий, мостов и других сооружений; наводнения при прорывах плотин и водопроводов; пожары при повреждениях нефтехранилищ и разрывах газопроводов; повреждение транспортных средств, коммуникаций, линий энерго- и водоснабжения, а также канализационных труб; радиоактивные утечки при повреждении ядерных реакторов.

Область возникновения подземного удара – очаг землетрясения – представляет собой некоторый объём в толще земли, в пределах которого происходит процесс высвобождения накапливающейся длительное время энергии. В центре очага выделяется точка, именуемая гипоцентром. Проекция гипоцентра на поверхность земли – эпицентр.

Одной из главных характеристик землетрясения является энергия, излучаемая при сейсмическом толчке в форме упругих волн. Энергия сейсмических волн или магнитуда может составлять до сотен тысяч миллионов КВт/час (10²⁰). Немецкий учёный Рихтер для характеристики энергии землетрясения в качестве эталона (точки отсчёта) предложил принять такую энергию, при которой на расстоянии 100 км от эпицентра стрелка сейсмографа стандартного типа отклоняется на 1 мкм, т. е. энергия землетрясения определяется как десятичный логарифм отношения амплитуды сейсмических волн замеренных на каком-либо расстоянии от эпицентра, к эталону. Изменение отношения на 10 соответствует изменению значения интенсивности колебания грунта на поверхности земли на 1 балл. Например, амплитуда землетрясения равна 300 000, эталон равен 10. По шкале Рихтера амплитуда землетрясения составит: 300 000: 10 = log 30 000 = 4,48.

Наивысший балл по шкале Рихтера – 10.

В ряде Европейских стран используется 12-балльная шкала MSK (авторы: Медведев, Спонхевер, Карник), которая характеризует силу землетрясения в соответствии с его последствиями. Эта шкала учитывает не только энергию землетрясения, но и особенности разрушений, в отличие от шкалы Рихтера, и используется с 1964 г. Землетрясения создаются ударными волнами и упругими колебаниями земной коры. Причиной неглубинных землетрясений (глубина очага не менее 60 км) могут служить скольжение литосферных блоков вдоль разломов земной коры, скачкообразное изменение давления паровых газов в коре, вулканическая деятельность. Более глубокие землетрясения вызываются изменениями фазового состояния магмы, подстилающей земную кору. Наиболее часты и сильны мелко фокусные (глубина очага менее 15 км) землетрясения, обусловленные относительными смещениями блоков.

Помимо естественных землетрясений, происходят и могут быть разрушительными землетрясения, вызванные человеческой деятельностью. Примером такой деятельности является заполнение глубоких (более 100 м) водохранилищ, образование подземных полостей вследствие добычи полезных ископаемых. Разрушительная способность землетрясения зависит от его магнитуды и от глубины очага и характеризуется в условных баллах интенсивности. В России принята 12-бальная Международная сейсмическая шкала интенсивности МSК–64 (шкала Меркалли), описывающая результат землетрясения в его эпицентре, а для разрушительных (6–9 баллов) землетрясений – дополнительная собственная шкала 1973 г. В ней рассмотрены следующие типы зданий:

А – глинобитные или из кирпича-сырца, или из рваного камня;

Б – кирпичные или из тёсаного камня, или из крупных блоков;

В – каркасные железобетонные, каменные или деревянные хорошей постройки.

Оценка интенсивности землетрясений по характеру повреждений зданий и сооружений производится на основании показателей типа строений и степени разрушения зданий и сооружений при землетрясениях.

Характеристика степени повреждения зданий и сооружений:

1 степень – легкие – тонкие трещины в штукатурке.

2 степень – умеренные – небольшие трещины в стенах, откалывание довольно больших кусков штукатурки, падение кровельной черепицы, трещины в дымовых трубах, падение частей дымовых труб.

3 степень – тяжелые – большие, глубокие или сквозные трещины в стенах, падение дымовых труб.

4 степень – разрушения – обрушение внутренних стен, проломы во внешних стенах, обрушение частей зданий, разрушение связей между отдельными элементами зданий.

5 степень – обвалы – полное разрушение зданий.

С учётом этих степеней разрушения зданий и сооружений шкала интенсивности землетрясений (последствия по масштабам разрушений) выглядит следующим образом:

6 баллов – 1-я степень повреждений в отдельных зданиях типа Б и во многих типах А, 2-я – в отдельных типа А; в немногих случаях оползни; на сырых грунтах возможны трещины шириной до 1 см; в горных районах – отдельные случаи оползней;

7 баллов – 1-я степень повреждений во многих зданиях типа В, 2-я – в отдельных случаях типа Б и во многих типа В, 3-я – в отдельных типа Б и во многих типа А, 4-я – в отдельных типа А; в отдельных случаях оползни дорожных откосов на крутых склонах, трещины на дорогах; нарушения стыков трубопроводов; отдельные случаи оползней на крутых песчаных и гравелистых берегах рек;

8 баллов – 2-я степень повреждений во многих зданиях типа В, 3-я – во многих типа Б и в отдельных типа В, 4-я – во многих типа А и в отдельных типа Б, 5-я – в отдельных типа А; сдвигаются памятники, разрушаются каменные ограды; небольшие оползни на крутых откосах дорожных выемок и насыпей; трещины в грунте шириной до нескольких сантиметров; во многих случаях изменяется дебит источников, уровень воды в колодцах;

9 баллов – 3-я степень повреждений во многих типах зданий типа В, 4-я – в отдельных типах В и во многих типа Б, 5-я – в большинстве зданий типа А и в отдельных типа Б; памятники и колонны опрокидываются; значительные повреждения берегов искусственных водоёмов; разрывы подземных трубопроводов; в отдельных случаях – искривление рельсов железных и повреждение полотна автомобильных дорог, трещины в грунте шириной 10 см; частые оползни, обвалы, осыпания грунта;

10 баллов – сохраняется незначительная часть зданий типа А и отдельные здания Б;

11 баллов – сохраняются отдельные здания типа А;

12 баллов – тотальные разрушения.

Характеристика землетрясений

Статистика чрезвычайных ситуаций в Российской Федерации последних лет показывает, что доля землетрясений в ЧС составляет 8 %. Территория России, подверженная землетрясениям с интенсивностью более 7 баллов, составляет 20 %, около 6 % территории занимают особенно опасные 8–9 – балльные зоны (Камчатка, Сахалин, Северный Кавказ, Прибайкалье и Якутия). Более 20 млн россиян проживают в зонах возможных разрушительных землетрясений.

В последние годы резко усилилась сейсмическая активность на Дальнем Востоке. В 1993 г. зарегистрировано 36 землетрясений, в основном в районах Камчатки и Сахалина.

Шикотанское землетрясение 4 октября 1994 г. сопровождалось волной цунами и многочисленными повторными толчками. В зоне землетрясения на островах Малой Курильской группы возникли обвалы и оползни грунта.

27 мая 1995 г. на севере о. Сахалин произошло сильнейшее за всю историю наблюдений в данном районе землетрясение. Главный толчок сопровождался многочисленными афтершоками (повторными толчками). Эпицентр находился вблизи посёлка Нефтегорск, который и принял на себя основную тяжесть катастрофы. Землетрясение унесло 1841 жизнь. Очаг землетрясения проявился в виде системы сейсмических разрывов и трещин общей протяжённостью около 40 км. По своим масштабам, разрушениям и жертвам – это одно из крупнейших землетрясений двадцатого столетия.

Катастрофическими последствиями сопровождалось землетрясение, происшедшее 7 декабря 1988 г. в 10 ч 41 мин по московскому времени в северных районах Армении, охватившее территорию с населением около миллиона человек. В результате землетрясения наиболее сильному разрушению подверглись 4 города и 17 районов республики. Под обломками зданий и сооружений погибло около 25 тыс. человек, 514 тыс. человек остались без крова. В сельских районах разрушены 365 населенных пунктов, из них 58 сёл полностью. В результате землетрясения 157 промышленных предприятий перестали функционировать.

В результате геологических исследований удалось получить картину строения земли и причин землетрясений. Эти причины станут понятны, как только мы представим себе динамичный характер Земли и те медленные движения, которые происходят в её коре (литосфере). Этот слой довольно тонок и покрывает Землю на толщину около 70 км под океанами и около 150 км на континентах. Это твёрдый слой, однако, не цельный: он разбит на несколько больших кусков, называемых плитами (литосферные плиты).

Под литосферой действуют силы, принуждающие плиты перемещаться со скоростью, как правило, несколько сантиметров в год. Они могут быть вызваны, например, медленными течениями горячего пластичного вещества в недрах. Течения возникают в результате тепловой конвекции в сочетании с динамическими эффектами вращения Земли. В некоторых областях новое вещество поднимается наверх из земных недр, оттесняя плиты в стороны (это происходит, например, в Срединно-Атлантическом хребте); в других местах плиты проскальзывают краями одна вдоль другой; есть области, называемые зонами субдукции (поддвига), где при встрече происходит заталкивание одной плиты под другую (например, у побережий Аляски и Японии). Несогласованность в движении плит при любом его направлении заставляет каменную толщу растрескиваться, создавая землетрясения. Неудивительно, что 95 % землетрясений происходит по краям плит. Землетрясения, вызванные движением плит, называются тектоническими. Рассмотрим картину строения Земли.

Кора, мантия, внешнее ядро, внутреннее ядро – вот главные части Земли. Земная кора – это твёрдый, более или менее жёсткий слой у её внешней поверхности. Кора (литосфера) разбита на медленно перемещающиеся плиты. Мантия, лежащая под земной корой, состоит из полурасплавленной каменной массы; докрасна раскалённая лава, извергаемая вулканами, рождается в мантии. По мере приближения к центру Земли температура, давление и плотность возрастают. В центре температура примерно 4200 °С (например, сталь плавится при температуре 1500 °С), давление в 3,6 млн раз выше атмосферного, а плотность в 13 раз больше плотности воды (например, плотность железа примерно в 7,9 раза больше плотности воды). Внутреннее ядро ведёт себя как твёрдое тело, а внешнее ядро по своим свойствам похоже на вязкую жидкость. Основные свойства о недрах Земли получают, изучая времена пробега волн, порождаемых землетрясениями.

Твёрдая кора, океаны и даже воздух, которым мы дышим, образовались из вещества мантии, когда-то поднявшегося к поверхности и охладившегося. Этот процесс виден, когда лава выходит из недр. Выделяя пар и газы, поступающие в океан и атмосферу, лава застывает в каменную массу, наращивая собой кору. Непосредственно под литосферными плитами, в самой верхней части мантии находится тонкий слой горячего, местами расплавленного, вязкого вещества, называемого астеносферой; по нему и скользят плиты. В отдельных местах расплавленный материал выдавливается из астеносферы вверх в литосферу, где остывает и образует новую кору. Этот процесс отодвигает Южно-Американскую плиту от Африканской плиты, а Северо-Американскую – от Евроазиатской. Средняя скорость, с которой раздвигаются плиты, составляет около 7 см в год. Выходит, что Атлантический океан с каждым годом становится шире на эту величину. Этот процесс, называемый спредингом (разрастанием) океанического дна, происходит не только в Срединно-Атлантическом хребте, но и во всех других срединно-океанических хребтах. В результате процесса раздвигания, медленно движущиеся плиты сталкиваются друг с другом в других местах; в зонах столкновения воздымаются горные системы, возникают вулканы и острова, не говоря уже о землетрясениях.

Землетрясение есть следствие распространяющегося разрыва (гигантской трещины) в глубинах Земли. Излучаемые движущимися берегами разрыва упругие волны достигают земной поверхности через несколько секунд, что и вызывает при сильных землетрясениях разрушение зданий, ведёт к гибели людей. Землетрясения возникают в результате внезапной разрядки существующих в Земле механических напряжений. Последние обусловлены постоянно идущими в земных недрах процессами дифференциации земного вещества, конвективными течениями горных масс, находящимися в неравновесном состоянии по плотности и температуре. Это неравновесное состояние есть следствие истории образования Земли как планеты и разогрева в результате распада радиоактивных элементов.

Первыми достигают поверхности Земли волны сжатия–растяжения (продольные волны), распространяющиеся в горных породах со скоростью несколько километров в секунду. Далее приходят волны сдвига (поперечные волны), скорость которых в среднем в 1,7 раза меньше. Далее вдоль верхней кровли Земли распространяются поверхностные волны, которые при сильных землетрясениях могут несколько раз обежать вокруг земного шара, постепенно уменьшаясь по амплитуде.

Землетрясение – подземные толчки и колебания земной поверхности, возникающие в результате внезапных смещений и разрывов в земной коре или верхней части мантии и передающиеся на большие расстояния в виде упругих колебаний. Движение грунта при землетрясениях носит волновой характер. Волновое движение грунта характеризуется продольным, поперечным и поверхностным типом волн, распространяющихся с различными скоростями. Колебания грунта в сейсмических волнах возбуждают колебания зданий и сооружений, вызывая в них инерционные силы. При недостаточной прочности (сейсмостойкости) конструкций происходят их повреждения различной степени или разрушения.

К основным характеристикам землетрясений относятся: очаг землетрясения; магнитуда землетрясения (сила землетрясения); глубина очага; интенсивность сейсмических колебаний грунта.

Очаг землетрясения представляет собой разрыв или систему разрывов, возникших в земной коре во время землетрясения. Освобождение накопленной упругой энергии происходит в результате деформации, высвобождаемой при движении берегов разрыва. Энергия землетрясения снимается и перераспределяется в некотором, окружающем разрыв объеме пород, однако границы этого объема неопределимы и зависят от строения и напряженно-деформированного состояния земной коры. Не всякий разрыв излучает упругие волны в изучаемом сейсмологией частотном спектре (10^–3–10² Гц), а лишь распространяющийся динамически, со скоростью несколько километров в секунду. При очень сильных землетрясениях вызвавшие их разрывы иногда достигают поверхности земли. В таких случаях говорят, что очаг вышел на поверхность. Длина разрывов для самых сильных землетрясений достигает нескольких сотен километров. Относительные смещения берегов разрыва на поверхности земли – вертикальные или горизонтальные – достигают нескольких метров.

Для количественной оценки величины землетрясений применяют шкалу магнитуд (М), которая позволяет сравнивать между собой разные землетрясения. Магнитуда характеризует величину землетрясения в его очаге, т. е. в глубине земли, и вычисляется на основании измерений сейсмических колебаний на сейсмических станциях. Наиболее употребительной для измерения величины сильных землетрясений в России является магнитуда, вычисляемая по поверхностным волнам на основе соотношения

, (2.1)

где A, T – амплитуда и период колебаний в волне; D – расстояние от станции наблюдения до эпицентра землетрясения; B и e – константы, зависящие от условий расположения станции наблюдения.

Часто вместо величины землетрясения применяют термин « сила землетрясения». Мы будем пользоваться этим термином и подразделять землетрясения на сильные, которые часто приводят к разрушениям, и слабые – не представляющие сами по себе опасности для населения и сооружений. Опыт показывает, что разрушительными оказываются землетрясения, начиная с магнитуды 5,5, а сильнейшие из них имеют магнитуду около 9.

Шкала магнитуд дает относительную силу землетрясения, но из нее мало, что можно узнать о физических свойствах сейсмического источника. Поэтому рассчитывают также общую энергию E излученных очагом упругих (сейсмических) волн. В первом приближении энергия пропорциональна произведению квадрата амплитуды волны A, отнесенной к периоду T, на длительность t прохождения волны через точку регистрации

, (2.2)

где с – сила землетрясения.

При вычислениях учитывают геометрическое расхождение и поглощение энергии на пути от очага до станции наблюдения.

Из сопоставления формул (2.1) и (2.2) видно, что не должно существовать линейного соответствия между магнитудой и энергией землетрясения. Примерная оценка соотношения между ними приводится в табл. 2.1.

Увеличение магнитуды на 2 единицы соответствует увеличению энергии в 1000 раз. Для получения примерно линейного соотношения между энергией и магнитудой можно воспользоваться логарифмом энергии

lg E = a·М + b. (2.3)

Признанными в мировой практике значениями коэффициентов а и b являются: a = 1,5, b = 11,8. Для оценки величины землетрясения отечественными сейсмологами применяется также энергетический класс K. Он равен десятичному логарифму сейсмической энергии, измеренной в джоулях, например, K = 15 соответствует E = 10¹⁵ Дж = 10²² эрг. Для связи между энергетическим классом и магнитудой землетрясений в России принято применять соотношение:

для южных районов

K = 1,8 М + 4,6; (2.4)

для Дальнего Востока

К = 1,5 М + 4,6. (2.5)

Таблица 2.1

Соотношения между магнитудой М и энергией E землетрясений

M	Е, эрг
8,5	3,6 – 1024
8,0	6,3 – 1023
7,5	1,1 – 1023

Окончание табл. 2.1

M	Е, эрг
7,0	2,0 – 1022
6,5	3,6 – 1021
6,0	6,3 – 1020
5,5	1,1 – 1020
5,0	2,0 – 1019
4,5	3,6 – 1018
4,0	6,3 – 1017

 

Обобщенную зависимость между длиной разрыва и магнитудой можно представить формулой

lg L = с ·М + d, (2.6)

аналогичную зависимость между длиной разрыва и энергетическим классом формулой

lg L = е·K (Дж)+ f. (2.7)

В эти зависимости вводятся поправки, зависящие от глубины очага. Если воспользоваться значениями коэффициентов в (2.7) е = 0,244, f = – 2,266, то длина разрыва в очаге землетрясения 13-го, 15-го или 17-го энергетического класса (магнитуда 6, 7 или 8) в среднем составит 8, 25 или 76 км. На практике, например, длина разрыва от Нефтегорского землетрясения на Сахалине 27 мая 1995 г. с магнитудой 7,7 составила 40 км, а при Спитакском землетрясении в Армении 7 декабря 1988 г. с магнитудой 6,9 серия разрывов прослеживалась на расстоянии до 35 км. Форма поверхности главного разрыва при землетрясении напоминает эллипс, так что ширина разрыва W в несколько раз меньше его длины L. Для сильнейших землетрясений отношение L / W может достигать 20 – 30, а в среднем колеблется на уровне L / W = 2.

Величины относительных смещений берегов связаны с длиной разрыва соотношениями типа

lg D = g ∙ lg L + h. (2.8)

Значения коэффициентов g и h здесь таковы, что длина разрыва, измеряемая километрами, на 5 порядков по величине превосходит амплитуду смещений, измеряемых метрами.

Магнитуда землетрясения является мерой общего количества энергии, излучаемой при сейсмическом толчке в форме упругих волн. Она определяется как логарифм отношения амплитуд волн данного землетрясения к амплитудам таких же волн некоторого «стандартного» землетрясения. Магнитуда землетрясения измеряется по максимальной амплитуде записи, полученной сейсмографом стандартного типа на фиксированном расстоянии (150 км) от эпицентра. Статистика землетрясений с различными магнитудами приведена в табл. 2.2.

Таблица 2.2

Статистика землетрясений с различными магнитудами

Магнитуда	Число толчков за десятилетие	Энергия высвобожденная за десятилетие, Дж
8,5 – 8,9		156 · 1016
8,0 – 8,4		113 · 1016
7,5 – 7,9		80 · 1016
7,0–7,4		58 · 1016
6,5–6,9		41 · 1016
6,0–6,4		30 · 1016

 

Глубина очага может колебаться в различных сейсмических районах от 0 до 730 км. Очаг, т. е. точка под землей, которая является источником землетрясения, называется гипоцентром. Прямо над гипоцентром на поверхности земли находится эпицентр, вокруг которого располагается область, называемая эпицентральной, испытывающая наибольшие колебания грунта.

Интенсивность сейсмических колебаний грунта на поверхности земли измеряется в баллах. Интенсивность в разных пунктах наблюдения разная, однако, магнитуда у толчка только одна. Для оценки интенсивности используются шкалы интенсивности: MSK, Росси-Фореля или модифицированная шкала Меркалли и другие. Магнитуда и энергия характеризуют силу землетрясения в его очаге. В то же время разрушительные эффекты этого стихийного бедствия проявляются главным образом на поверхности земли. Интенсивность сейсмических колебаний I на поверхности определяется шкалой интенсивности. Существуют два принципиально разных типа шкал интенсивности:

- макросейсмические, построенные на основании обследования разрушений различного типа сооружений;

- инструментальные, созданные на основе регистрации параметров сейсмических колебаний соответствующими приборами.

В России применяется 12-балльная шкала. Колебания интенсивностью до 4-х баллов не приводят к разрушениям; колебания в 5–6 баллов ощущаются населением и приводят к появлению отдельных трещин в постройках; 7-балльное землетрясение может характеризоваться как сильное и приводить к разрушениям. Катастрофические землетрясения в 11 и 12 баллов приводят практически к полному разрушению сооружений и изменениям рельефа местности.

Разрушительные 7-балльные колебания наблюдаются обычно при землетрясениях, начиная с магнитуды 5,5 и в районе их эпицентров. При сильнейших землетрясениях с магнитудами 8 и выше они проявляются даже на расстояниях от эпицентра в 300–500 километров. Чем ближе очаг землетрясения к поверхности, тем больше интенсивность колебаний в эпицентральном районе, но в то же время она быстрее убывает с расстоянием..

Площадь разрушений S растет в зависимости от магнитуды М землетрясения (табл. 2.3).

Таблица 2.3

Площадь 7-балльной зоны S ₇ при очаге на глубине 40 км

в зависимости от магнитуды М

М
S 7, км2

 

Спитакское катастрофическое землетрясение имело, например, магнитуду 6,9 и 7-балльная зона охватила площадь в 4000 км².

Количество человеческих жертв при землетрясениях зависит от ряда факторов. К числу таких факторов относятся: время начала землетрясения, магнитуда, глубина очага, удаление от населенных пунктов, тип построек и их качество, наличие в зоне землетрясения взрыво- и пожароопасных объектов, водохранилищ и плотин и т. п. Основная причина гибели людей – обрушение зданий, что приводит к различным последствиям, определяющихся интенсивностью землетрясений (табл. 2.4).

Таблица2.4

12345678910Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: