Землетрясение

ПРИРОДНЫЕ КАТАСТРОФЫ

Для глубокого понимания природных явлений, катастроф, и разработки действенных и эффективных мероприятий в условиях чрезвычайных ситуаций природного характера необходимо четко представлять строение Земли.

Земля, как наиболее развитая планета Солнечной системы, характеризуется оболочечным строением с центральной симметрией. Все оболочки земли (геосферы) имеют различный состав, физические свойства и могут быть подразделены на внешние, которые доступны для непосредственного изучения, и внутренние, исследуемые главным образом косвенными методами (геологическими, геофизическими и геохимическими). В настоящее время установлена тесная связь внешних и внутренних оболочек земли с космическим пространством. Земля состоит из следующих основных частей (от центра) (Рис.7):

- твердое внутреннее ядро, наиболее плотная оболочка земли. Резкое изменение скорости распространения продольных волн (с 13, 6 до 8, 1 км/с), затухание.поперечных волн и появление высокой электропроводности свидетельствуют об изменении агрегатного состояния вещества. На основе сейсмических исследований обнаружено отсутствие сцепления между мантией и ядром, поэтому полагают, что внешнее ядро находится в состоянии, приближающеппмся к жидкому. На границе мантия-ядро, видимо, температура достигает 2500-3000^оС, а давление около 300 ГПа. Химический состав внешнего и внутреннего ядра приблизительно одинаков - железо-никелевый, близкий, видимо, к составу железных метеоритов;

- твердая слабопластичная мантия (в ней выделяют более пассивную нижнюю мантию, менее однородную и более активную верхнюю и переходный к литосфере разогретый и размягченный слой - астеносферу;

- твердая литосфера (верхний ее слой толщиной 5-15 км под океанами и 25-70 км на континентах) называют земной корой);

- прерывистая жидкая гидросфера (плавающий лед, ледниковые покровы, реки, моря и океаны.

Землетрясение

Землетрясение - это внезапное освобождение потенциальной энергии земных недр, которое приобретает форму ударных волн и упругих колебаний (сейсмические волны) распространяющихся в земле во всех направлениях и проявляющихся в сотрясениях почвы, подземных ударах и колебаниях поверхности Земли, которые вызваны, главным образом, тектоническими процессами и передаются на большие расстояния. Землетрясения могут также являться результатом вулканической деятельности, падения небольших небесных тел, обвалов, прорывов плотин и др.

Однако. под действием тектонических сил во всех случаях возникают напряжения, слои земных пород деформируются, сжимаются в складки и с наступлением критических перегрузок смещаются и рвутся, образуя разломы земной коры. Происходит или мгновенный толчок, или серия толчков, имеющих характер удара. В разломах совершается разрядка энергии. накопившейся в недрах Земли и выделяющейся из ее глубин. Она передается посредством упругих волн в толще земной коры и достигает поверхности, где производит разрушения.

Основными параметрами, характеризующими землетрясения, являются интенсивность (в очаге и на поверхности Земли) и глубина очага.

Интенсивность определяется по сейсмическим шкалам двух видов: для оценки энергии (магнитуды) и для оценки проявления землетрясения на поверхности Земли.

Магнитуда - условная величина, характеризующая количество энергии, выделившейся в очаге. Землетрясение, имеющее по шкале Рихтера магнитуду более 9, соответствует энергии 10¹⁸ Дж. Чем больше магнитуда, тем сильнее землетрясение, чем глубже очаг - тем слабее.

Прогноз землетрясений ведется путем наблюдения, регистрации и анализа ряда факторов, предвещающих стихийное бедствие. К ним относятся: предварительные толчки, деформация земной коры, изменение параметров геофизических полей, состава и режима подземных вод, другие изменения состояния и свойств вещества в зоне очага будущего землетрясения, тревожное

поведение животных. В настоящее время методы достоверного прогноза, к. сожалению, отсутствуют. Так, точность прогноза времени начала землетрясения составляет 1-2 года; точность прогноза его места, в лучшем случае, составляет десятки, а иногда и сотни километров.

Сейсмическая служба - это сеть сейсмических станций, на основе работы которых организуются мероприятия по постоянному наблюдению за землетрясениями и обработке их результатов. Главная задача - систематическое определение основных параметров очага.

Каждый год происходит до 100 тысяч землетрясений на земном шаре. Большинство - едва ощутимы и определяется с помощью сейсмографов.

Сейсмографы - приборы, воспринимающие механические колебания грунта и преобразующие их в электросигналы, которые затем регистрируются (сейсмоприемник, сейсмометр). Сейсмограф состоит из двух основных частей:

- собственно сейсмометр, который воспринимает сейсмические колебания;

- регистрирующее устройство, которое производит запись сейсмического сигнала - сейсмограммы (содержит кроме записи колебаний почвы метки времени через 1΄).

Движение земной поверхности при прохождении сейсмических волн бывает сложным. Поэтому регистрируется не суммарное движение, а три его составляющие в прямоугольной системе координат - вертикальная и 2горизонтальных.

Основная часть сейсмометра - маятник, представляющий собой груз, соединенный с основанием прибора упругими связями. Основание прибора жестко укреплено на исследуемом объекте или плите, составляющей одно целое с коренной породой. При колебаниях возникает движение маятника относительно основания вследствие инерции. Это движение может быть преобразовано в электрический сигнал при помощи прикрепленной к маятнику катушки, помещенной в поле постоянного магнита. При смещении катушки относительно магнита, в ней индуцируется ток, который используется регистрирующим устройством.

Всего 0, 1% землетрясений от общего количества разрушительны (100 разрушительных землетрясений в год). От землетрясений в среднем погибают 14 тысяч человек в год.

В конце XIX века пришли к согласию, что решающая роль в возникновении землетрясений принадлежит тектоническим процессам. Тектонические процессы - это механические движения земной коры, обусловленные силами, которые действуют в мантии и самой коре.

Литосфера разделена на жесткие плиты, отделенные друг от друга тектоническими разрывами, совпадающими с осевыми линиями сейсмических поясов земли. Плиты включают не только материки, но и прилегающие части океанического дна и испытывают по отношению друг к другу раздвиг с образованием новой коры в зонах разломов; поддвиг - с погружением одной плиты под другую; сдвиг - горизонтальное смещение плит относительно друг друга.

Границы плит являются зонами максимальной сейсмической и вулканической активности. Движение плит возможно, так как литосфера покоится на менее вязкой астеносфере, верхняя граница которой лежит на глубине около 50 км под дном океана и около 100 км под континентами, а нижняя - на глубине 250-300 км.

В пределах астеносферы, в связи с низкой вязкостью, происходит медленное перетекание масс в горизонтальном направлении под влиянием неравномерной нагрузки со стороны литосферы (конвекционные течения). При медленных смещениях в земной коре происходят пластические деформации. В случае более быстрых движений и большем их градиенте напряжения, возникающие в коре, не успевают рассасываться, накапливаются и достигают предельных для прочности пород величин, при которых происходит нарушение сплошности, разрыв или срез этих пород с высвобождением накопившейся энергии, так называемой, упругой отдачей, сопровождающейся возникновением сейсмических волн. Аналогичные тектонические процессы могут иметь место в верхней мантии под астеносферой, способствуя возникновению глубокофокусных землетрясений.

С увеличением глубины все большую роль начинают играть изменения объема за счет разовых превращений, связанных с увеличением температуры.

До глубины в 1000 км происходит быстрый рост температуры земли до +3500°С. При такой температуре породы должны бы находиться в расплавленном состоянии, но за счет возрастающего вглубь земли давления, достигающего 3, 5 млн. атмосфер, точки плавления пород увеличиваются и породы находятся в твердом состоянии. Однако, в силу неоднородности, отдельные участки в толще коры и верхней мантии могут находиться в жидком состоянии. В этих местах возможны резкие смещения с внезапным выделением упругой энергии.

Объем в толще земли, в пределах которого происходит быстрый процесс высвобождения накапливающейся длительное время упругой энергии называется очагом землетрясения.

В центре очага условно выделяется точка - гипоцентр или фокус землетрясения. Ее проекция на поверхность земли - эпидентр.

В зависимости от глубины расположения очага, землетрясения делятся на три типа:

- нормальные (с глубиной гипоцентра до 70 км);

- промежуточные (от 70 до 300 км);

- глубокофокусные (более 300 км).

Большая часть очагов землетрясений залегает на глубинах 20-30 км. Наблюдаемая глубина очага глубокофокусных землетрясений не превышала 730 км.

Иногда основному подземному удару при землетрясениях предшествуют локальное смещение блоков и разрывы на сжатых участках, вызывающие соответствующие толчки, которые называются формшоки.

После основного удара неосвободившаяся часть энергии преодолевает силы трения на отдельных участках, которые подвергались деформации, и возникают новые разрывы и новые толчки, которые называются афтершоки, но они меньшей силы, чем в момент основного удара. Этих повторных толчков бывает сотни и происходят они в течение месяцев, постепенно ослабевая.

Основные характеристики землетрясений.

Интенсивность землетрясения, измеряемая в баллах, характеризует степень сотрясения поверхностных слоев земли. Она зависит от энергии, выделяющейся в очаге, глубины его залегания, сейсмологических условий в эпицентральной зоне и гипоцентрального расстояния. Если известны: I₀ - бальность в эпицентре землетрясения; h - глубина очага; I_i - бальность в некотором пункте; d - эпицентральное расстояние пункта, то можно связать эти параметры следующим соотношением:

, (9.1)

где: - коэффициенты.

Баллы выражают относительную силу землетрясений и, поскольку каждое землетрясение сопровождается высвобождением какого-то количества упругой энергии, важная задача заключается в том, чтобы определить величину этой энергии (Е) как объективного показателя силы землетрясения. Одна из наиболее распространенных формул для вычисления энергии землетрясений принадлежит Б.Б.Голицину:

(9.2)

где: V - скорость распространения сейсмических волн;

ρ - плотность верхних слоев Земли;

а - амплитуда смещения;

Т - период колебаний.

Экспериментальные данные исследователей показывают, что с увеличением геометрических размеров очага, увеличивается и длина излучаемых им волн. Так очаги длиной в сотни километров порождают сейсмические волны с периодом в десятки секунд, а при размерах очага в несколько километров и сотни метров, порождаются волны с периодами в единицы и десятые доли секунды, которые обычно максимально опасны для сооружений.

По мере.удаления от эпицентра интенсивность землетрясения убывает как за счет расхождения фронта сейсмической волны, так и за счет постоянного рассеивания и поглощения энергии колебаний.

В первую очередь затухает энергия короткопериодных колебаний. С увеличением эпицентрального расстояния роль короткопериодных колебаний снижается и возрастает роль длиннопериодных колебаний.

В эпицентральной зоне поверхность земли претерпевает вертикальные колебания. С увеличением расстояния от эпицентра возрастает роль горизонтальной составляющей колебаний. Поэтому при обеспечении сейсмостойкости сооружений необходимо учитывать и вертикальные и горизонтальные воздействия, причем горизонтальные толчки наиболее опасны для конструкций.

Энергия, высвобождаемая при землетрясениях лежит в диапазоне от 10⁶Дж для слабых землетрясений до 10¹⁸Дж для самых сильных.

В 30-х годах XX века сейсмологи Ч.Рихтер и Б.Гутенберг ввели для оценки общей энергии упругих колебаний, вызываемых землетрясением, условную величину - магнитуду землетрясения:

(9.3)

А - максимальная амплитуда смещения частиц в микронах

А₀ - амплитуда смещения некоторого слабого землетрясения.

Магнитуда пропорциональнаlg энергии колебаний и позволяет сравнить источники колебаний по их энергии. Магнитуда изменяется в реальных условиях от 0 до 8, 8 (при сильных катастрофах).

Соотношение между логарифмами энергии Е упругих волн, излучаемых очагом и магнитудой М определяется линейной зависимостью

(9.4)

гдеα и β - эмпирические постоянные-)

В последнее время широкое развитие получили методы статистического анализа землетрясений. С их помощью составляются карты сейсмической активности в баллах и средние частоты землетрясений того или иного энергетического класса, но делается это как для больших регионов и территорий, стран в целом (сейсмическое районирование), так и для отдельных местностей и населенных пунктов (сейсмическое микрорайонирование).

В таблице 11 приведены интенсивность (сила), магнитуда и энергия некоторых землетрясений.

Строятся графики - зависимости частоты землетрясений от их магнитуды - это графики повторяемости землетрясений.

Табл.11.

Интенсивность (сила), магнитуда и энергия некоторых землетрясений

Географическое распространение землетрясений. Землетрясения распространены на земной поверхности весьма неравномерно и связаны с участками земной коры, в которой проявляются новейшие тектонические движения.

Известны два главных мировых сейсмических пояса - тихоокеанский (кольцом охватывающий берега Тихого океана) и средиземноморский (через юг Европы от берегов Португалии до Малайского архипелага).

В Тихоокеанском сейсмическом поясе (Камчатка, Командорские и Курильские острова) происходит до 80% всех землетрясений, включая большинство катастрофических. В Средиземноморском - около 15% землетрясений планеты.

Типы землетрясений. Кроме наиболее сильных и опасных тектонических землетрясений, происходящих в местах столкновения 2-х плит (краевые землетрясения) и из-за развития деформации внутри плит (внутриплитовые) наблюдаются следующие землетрясения:

- связанные с вулканической деятельностью;

- обвальные землетрясения, вызываемые обрушением полости и развитием крупных оползней; или затоплением воды в скважины.

- землетрясения, связанные с деятельностью человека.

Они вызываются ядерными взрывами, заполнением больших водохранилищ или закачкой воды в скважины.

Примером одного из сильнейших тектонических землетрясений нашего века может служить Чилийское землетрясение (М= 8, 5) 29 мая 1960 г. Оно полностью разрушило город Консепсьон, который существовал более 400 лет. Были превращены в развалины и другие города (Вольдевия, Пуэрто-Мон).

Подземные толчки, обвалы горных масс и оползни затронули площадь свыше 200 тысяч км².

Прибрежная полоса - 10 тысяч км² - опустилась ниже уровня океана и оказалась под водой на 2 м. Погибло 5700 человек.

Сильные сейсмические сотрясения стимулировали деятельность вулкана Пуйеуэ в Андах, извержение которого началось спустя 48 часов после землетрясения.

Вулканические землетрясения обладают меньшей энергией и меньшими разрушающими последствиями.

У вулкана Маула Лован на Гавайских островах была установлена слабая сеть сейсмографов, которые зафиксировали начало землетрясения, очаги которого находились на глубине 15 км. Вулкан извергся, а принятие эффективных мер защиты было затруднено из-за отсутствия подробной сейсмической информации.

За несколько десятилетий в мире зарегистрировано 40 случаев, когда в местах, где были сооружены искусственные водохранилища усилилась сейсмическая активность.

Впервые детальные наблюдения за землетрясением такого рода были проведены на водохранилище НИД, образованного плотиной Гувер на реке Колорадо в США. Высота плотины 222 м, объем водохранилища составлял 37, 5 км³.

До заполнения водохранилища сейсмическая активность в этом районе не проявлялась. После первых ощутимых толчков в 1937. году установили сейсмографы, которые с 1937 г. по 1947 г. зафиксировали тысячи слабых землетрясений.

В мае 1937 г., когда водоем наполнился 35 млн.м³ воды, произошел мощный толчок силой более 8 баллов.

Специалисты отметили, что выделение сейсмической энергии совпало с пиком активности. После 1951 года, когда установился постоянный уровень воды, толчки не наблюдались.

Возможны две причины возникновения землетрясения при наполнении крупного водохранилиша:

1. Деформация паров может возрасти под действием дополнительной нагрузки, накладываемой на земную кору при наполнении водохранилища. Это дополнительная нагрузка.

2. Большое действие может оказать вода, которая просачивается по трещинам под недавно заполненным водохранилищем. Напор грунтовых вод увеличивает паровое давление в горных породах. Этого может быть достаточно, чтобы вдоль трещин и ослабленных зон понизилось эффективное сопротивление трения и произошло резкое смешение пород. В этом случае вода играет роль смазки.

Единственный эффективный способ уменьшения опасности - понижение уровня водохранилища.

Размеры ущерба. Главные беды, которые причиняют землетрясения - жертвы, страх перед бедствием, разрушение жилищ, пожары и наводнение. Основная причина гибели людей при землетрясениях - обрушение строений.

Насчитывается пять конструктивных и природных факторов, влияющие на степень разрушения искусственных сооружений в большой мере.

1. Сила сейсмических волн, достигающих поверхности.

Особенно важное значение имеет горизонтальная составляющая, так как горизонтальным сотрясением способны противостоять незначительная часть построек.

2. Продолжительность сейсмических колебаний.

Именно аккумулирующий эффект серии толчков и представляет обычную причину обрушения стен. Главный толчок может значительно ослабить прочность зданий, а менее интенсивные афтершоки могут вызвать разрушение.

3. Близость к зоне разломов.

4. Инженерно-геологическое обоснование застройки.

Исследования показали, что ущерб, наносимый постройкам на слабых грунтах гораздо значительнее, чем ущерб причиняемый постройкам на твердом основании. Колебания в рыхлых грунтах больше на 2 балла, чем в граните.

5. Конструкция постройки.

Необходимая проектная прочность зданий, способных противостоять и горизонтальным, и вертикальным сейсмическим колебаниям может быть обеспечена при соблюдении конструктивной целостности и жесткости сооружений.

Табл.1

Данные о потерях населения при наиболее сильных землетрясениях, произошедших с 1970 г.

Прогноз землетрясений. Под прогнозом землетрясений понимается предсказание места и времени землетрясения с указанием его возможной силы и характера проявления на поверхности земли.

Одним из способов прогноза является наклон и деформация пород в эпицентральной зоне, нарушение микросейсмической активности, изменение физических свойств - электросопротивления и магнитных характеристик земной коры.

Методы прогноза землетрясений.

1. Метод оценки сейсмической активности.

Местоположение и количество толчков различной амплитуды может служить показателем микросейсмической активности.

2. Метод изменения движения земной коры.

Геодезические съемки и наблюдения из космоса спутниками могут выявить крупномасштабные деформации в поверхности земли. Вертикальные движения поверхности земли можно измерить с помощью точных нивелировок на суше или на море. Поднятие или опускание участков земной коры может свидетельствовать о наступлении землетрясения.

3. Метод измерения наклонов земной поверхности.

Для измерения угла наклона земной поверхности используют наклонометры. Сеть наклонометров устанавливают у разломов на глубине 1-2 м. Изменение наклона - предвестник скорого землетрясения.

4. Метод измерения деформаций горных пород. Для этого испытывают специальные скважины и устанавливают в них деформографы смешения двух точек.

5. Метод определения уровня воды в колодцах и скважинах.

Уровень грунтовых вод перед землетрясением повышается или понижается из-за изменения напряженного состояния горных пород.

6. Метод оценки изменения скорости сейсмических волн.

Скорость сейсмических волн зависит от напряженного состояния горных пород, через которые волны распространяются, содержания воды и других характеристик. Наибольший интерес представляют продольные и поперечные волны. Установлено, что перед сильным землетрясением наблюдается резкое изменение отношения скоростей продольных и поперечных волн.

7. Метод регистрации изменений геомагнитного поля. Земное магнитное поле может испытывать локальные изменения из-за деформации и движения земной коры. Для определения этого используют магнитометры.

8. Метод регистрации изменения земного электросопротивления.

Электроды, помещаются в почву на расстоянии нескольких километров друг от друга. При надвигающемся землетрясении меняется электросопротивление между электродами.

9. Наблюдение за необычным поведением животных, птиц и рыб.

До сих пор не существует достаточно надежных и универсальных средств прогноза, землетрясений.

19 августа 1992 г. в Кыргызстане произошло самое крупное в республике за последние 10 лет землетрясение. Сила подземного толчка в эпицентре (120 км от Бишкека в г. Тянь-Шань. - баллов. Разрушено около 1000 домов, более 100 человек погибло.

12 октября 1992 г. - Египет, в эпицентре - 6 баллов. Это первое землетрясение за 150 лет), погибло 541 человек, 6, 5 тыс. ранено.