Причины, природа возникновения и Классификация землетрясений, взрывов, бурь, ураганов, смерчей и тайфунов

Землетрясения. Причиной землетрясений являются тек­тонические процессы, извержение вулканов, обрушение подземных карстовых пустот или заброшенных рудников, инженерная деятельность людей и падение метеоритов или столкновение планеты Земля с другими космическими телами.

Землетрясения подразделяются на тектонические, вулканические, обвальные, наведенные, связанные с уда­рами космических тел о Землю и моретрясения.

При тектонических землетрясениях сейсмические волны возникают в результате разрушения или сдвига по разло­му горных пород в недрах земной коры или верхней мантии. Причиной тектонических землетрясений являются тектонические процессы, происходящие на нашей планете.

Тектонические процессы характеризуются перемещениями относительно друг друга состыкованных плит верхней оболоч­ки Земли (земной коры толщиной 80...70 км) по разогрето­му (температура более 650 °С) подстилающему слою. Зона стыков этих плит соответствует области сейсмических явлений. Основными плитами, на которые разделена земная кора вме­сте с расположенными на ней континентами и океанами, яв­ляются Африканская, Индийская, Американская, Антарктиче­ская, Евразийская и Тихоокеанская.

Места возникновения тектонических землетрясений при­урочены к определенным географическим зонам - поясам сейсмичности, которые хорошо согласуются с расположе­нием современной складчатости. В настоящее время из­вестно всего три таких пояса - Тихоокеанский, Средизем­номорский (Трансазиатский) и второстепенный [23].

Тихоокеанский пояс охватывает кольцом берега Тихого океана. Здесь происходит до 80% всех землетрясений (включая и большинство катастрофических).

Средиземноморский (Трансазиатский) пояс простирается через юг Евразии от Пиринейского полуострова на западе до Малайского архипелага на востоке. В зоне этого пояса происходит до 15% всех землетрясений.

Второстепенный пояс объединяет Арктический пояс, по­яс западной части Индийского океана и Восточно-Африкан­ский пояс. В зоне этого пояса происходит до 5% всех землетрясений.

При вулканических землетрясениях сейсмические вол­ны возникают в результате извержения вулканов.

Причиной обвальных землетрясений является обруше­ние карстовых пустот или заброшенных рудников. При этом сейсмические волны имеют небольшую силу и рас­пространяются на незначительное расстояние.

Причиной наведенных землетрясений являются послед­ствия инженерной деятельности людей. Инженерная дея­тельность людей связана с заполнением водохранилищ, откачкой из недр при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, закачкой жидкости в скважины и прове­дением подземных и наземных ядерных и обычных боль­шой мощности взрывов.

Причиной землетрясений, связанных с ударом косми­ческих тел о Землю, являются удары и взрывы метеори­тов, астероидов и комет. Взрыв космических тел порожда­ет также воздушные ударные волны, распространяющиеся на большие расстояния [23].

Причиной моретрясений являются подводные или при­брежные тектонические и вулканические землетрясения, сопровождающиеся сдвигом вверх и вниз протяженных участков морского дна. При моретрясениях возникают и распространяются на большие расстояния сейсмические и огромные гравитационные волны (цунами). Скорость рас­пространения цунами от 50 до 1000 км/ч. Высота гравита­ционных волн составляет в эпицентре от 0, 1 до 5, 0 м, у побережья - от 10 до 50 м и более. Цунами производят опустошительные разрушения на суше [23, 39].

В зависимости от глубины очага землетрясения делятся на нормальные (глубина очага О...70 км), промежуточные (глу­бина очага 70...300 км) и глубокофокусные (глубина очага 300...700 км). Опасными считаются землетрясения с очагом глубиной 5...300 км, а наиболее опасными - глубиной 10... 100 км [23, 36, 37].

Величину и мощность очага землетрясения характери­зует магнитуда землетрясения.

Магнитуда землетрясений определяется на сейсмостанциях по поверхностным или объемным волнам, причем величины магнитуд одинаковы во всех точках земного ша­ра для рассматриваемого землетрясения [37, 38, 40].

Классификация землетрясений по магнитуде и балльности представлена в табл. 1.1 [23].

В области научно-практического познания землетрясе­ний существуют следующие термины и определения.

Очаг землетрясения. - пространство (объем) в толще земной коры или верхней части мантии, внутри которого происходит разрушение, сдвиг или вспарывание трещин и выделение сейсмической энергии.

Таблица 1.1 Классификация землетрясений по магнитуде и балльности

Очаг вулкана - резервуар магмы, находящийся в зем­ной коре или верхней мантии Земли и питающий вулкан.

Гипоцентр •- точка начала разрушения, сдвига или вспарывания трещин в толще земной коры или верхней

мантии.

Гипоценгральное расстояние - расстояние от гипоцент­ра до данной точки на земной поверхности.

Глубина очага - кратчайшее расстояние от гипоцентра до земной поверхности.

Эпицентр - проекция гипоцентра на земную поверхность.

Эпицен тральная, область - проекция очага землетрясе­ния на земную поверхность.

Эпицентральное расстояние - расстояние от эпицентра до данной точки на земной поверхности.

Рой - случайно возникающие в пространстве и време­ни группы землетрясений обычно умеренной величины, без явно выделяемого основного толчка, по силе и высво­бождаемой энергии.

Форшоки - относительно слабые сейсмические колеба­ния (толчки), предшествующие сильнейшему из серии ко­лебаний (толчков), главному удару.

Главный удар (основная фаза землетрясения) - снятие основных добавочных напряжений при мгновенном разру­шении или сдвиге по магистральному разрыву, при этом накопившаяся потенциальная энергия деформации перехо­дит в кинетическую энергию движения.

Афтершоки - более слабые по сравнению с главным ударом сейсмические колебания (толчки), возникающие после главного удара, в результате снятия возникших до­бавочных напряжений на участках, ограничивающих магист­ральный разрыв.

Изосейста - линия, соединяющая точки с одинаковой интенсивностью землетрясения.

Сейсмическое районирование - разделение территории, подверженной землетрясениям, на районы с одинаковым сейсмическим воздействием на здания и сооружения.

Сейсмическое микрорайонирование - количественная оценка изменения (увеличения или уменьшения) интен­сивности землетрясения по сравнению с ее исходной или уточненной величиной на основе комплексного изуче­ния сейсмических свойств грунтов, инженерно-геологиче­ских и гидрогеологических особенностей местности.

Сейсмические волны - упругие колебания, распростра­няющиеся в Земле от очагов землетрясений.

Сейсмометр, велосиметр, акселерометр - приборы для записи без развертки во времени смещений, скоро­стей и ускорений поверхности земной коры во время землетрясений.

Сейсмограф, велосиграф. акселерограф - приборы для записи с разверткой во времени смещений, скоростей и ускорений поверхности земной коры во время землетря­сений.

Сейсмическая, станция, - научное учреждение, ведущее регистрацию колебаний земной поверхности, вызванных земле­трясениями, а также первичную обработку полученных записей.

Сейсмическая, служба - совокупность специализирован­ных учреждений, ведущих непрерывные наблюдения за землетрясениями и обработку полученных записей [40].

Взрывы. Взрывы могут быть как запланированными, так и случайными. К запланированным относятся взрывы ядерных и обычных зарядов в военных и мирных целях, а также с целью подрыва обороноспособности и безопасно­сти государства.

Случайные взрывы происходят при хранении, транспорти­ровке и изготовлении взрывчатых веществ (ВВ); в химиче­ской и нефтехимической промышленности при разрыве сосу­дов высокого давления и бойлеров; в металлургической промышленности при контакте расплавленного металла с во­дой; при утечках природного газа в жилых зданиях; при из­готовлении, транспортировке и хранении легколетучих или сжиженных газообразных топлив; при промывке резервуаров для хранения жидкого топлива и при изготовлении, хранении и использовании горючих пылевых систем [23].

Причиной запланированных взрывов является ведение боевых действий и выполнение народнохозяйственных за­дач, а также диверсии и террористические акты.

Причиной случайных взрывов чаще всего является го­рение или неконтролируемое развитие экзотермической химической реакции, возникающие в результате стихийных бедствий (землетрясений, бурь, ураганов, горных обвалов, наводнений, лесных и других видов пожаров), проектно-производственных дефектов зданий и сооружений, наруше­ния правил их эксплуатации и технологических процессов производства вызывающих взрывы котлов, резервуаров, баллонов, химических веществ, муки на мельничных ком­бинатах, угольной пыли в шахтах, пыли на зерновых элева­торах, сахарной пудры на сахарных заводах, древесной пыли на деревообрабатывающих предприятиях, нарушения правил при изготовлении, транспортировке и хранении взрывоопасных веществ и нарушения мер предосторожно­сти при работе со взрывоопасными веществами и предме­тами [23].

В зависимости от типа ВВ различают взрывы конденси­рованных, жидких, газообразных, ядерных и термоядерных взрывчатых веществ.

Все взрывы подразделяются на обычные и ядерные. К обычным относятся взрывы конденсированных, жидких и газообразных, а к ядерным - ядерных и термоядерных взрывчатых веществ [41, 42, 43].

Взрывы, причиной которых является электромагнитное воздействие, подразделяются на взрывы искрового разря­да, лазерной искры и др.

Взрывы, причина которых связана с механическим воз­действием, возникают при ударе метеоритов, астероидов и комет о поверхность земной коры, извержении вулканов и других явлениях.

В зависимости от среды, в которой происходит взрыв, различают подземные, наземные, воздушные, высотные, подводные и надводные взрывы.

Бури и ураганы. Причиной возникновения бурь и ура­ганов являются прохождения глубоких циклонов и обшир­ных антициклонов на периферии.

Бури подразделяются на вихревые (пылевые) и пото­ковые.

В зависимости от окраски частиц, вовлеченных в дви­жение, различают черные, красные, желто-красные и бе­лые бури.

По составу частиц, вовлеченных в движение, бури бы­вают пылевые, песчаные, снежные и др.

В зависимости от скорости ветра бури классифициру­ются на три типа: буря (20 м/с и более), сильная буря (26 м/с и более) и жестокая буря (30, 5 м/с и более).

По этому же показателю классифицируются ураганы:

ураган (32 м/с и более), сильный ураган (39, 2 м/с и бо­лее) и жестокий ураган (48, 6 м/с и более) [23].

Смерчи. Смерчи обычно возникают при прохождении глубоких циклонов и обширных антициклонов на перифе­рии.

Смерчи классифицируются на невидимые, водяные и огненные.

Невидимые смерчи характеризуются тем, что они со­провождаются вовлечением в движение только частиц воздуха и их воронка не касается грунтовой поверхности.

Водяные смерчи отличаются от невидимых тем, что при их движении внутрь вовлекается большое количество воды.

Огненные смерчи получили свое название из-за мас­сового выделения тепла в результате вулканических извер­жений, пожаров, взрывов. Такие смерчи возникают также при травяных, камышовых и лесных пожарах [23].

Тайфуны. Тайфуны - это мощные ураганы, возникаю­щие в Тихом океане при прохождении глубоких циклонов и обширных антициклонов на периферии и сопровождаю­щиеся интенсивными ливневыми дождями. В РФ тайфуны наблюдаются в районах Дальнего Востока, Приморья, Са­халина и Курильских островов [23].

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ПОРАЖАЮЩИХ ФАКТОРОВ И ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ УСЛОВИЙ. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Землетрясения. Для всех типов землетрясений основ­ными поражающими факторами являются сейсмические волны. Они подразделяются на гипоцентральные (продоль­ные и поперечные) и поверхностные (волны Релея и Лява) [36, 37, 38, 39].

Гипоцентральные продольные волны (Р-волны) - сейс­мические волны, распространяющиеся от очага землетря­сения во всех направлениях с поочередным образованием зон сжатия и растяжения. Смещение частиц грунта при этом происходит вдоль направления распространения волн.

Гипоцентральные поперечные волны (S-волны) - сейс­мические волны, распространяющиеся от очага землетря­сения во всех направлениях с образованием зон сдвига. Смещение частиц происходит перпендикулярно направле­нию распространения волн.

Волны Релея и Лява (R-волны и L-волны) - сейсмиче­ские волны, распространяющиеся от эпицентра землетрясе­ния в толще верхнего слоя земной коры. Смещение частиц грунта в R-волне происходит в вертикальной плоскости, а в L-волне - в горизонтальной плоскости перпендикулярно на­правлению распространения этих волн. Основными парамет­рами указанных волн являются: скорость распространения, максимальная амплитуда колебаний, период колебаний и время действия волн. Скорость распространения гипоцентральных продольных волн около 8 км/с, гипоцентральных поперечных волн около 5 км/с, а поверхностных волн -0, 5...2 км/с [36, 37].

Максимальная амплитуда колебаний, период колебаний и время действия волны зависят от грунтовых условий, расположения очага и мощности землетрясения.

Общее воздействие приведенных поражающих факто­ров землетрясения на земную поверхность характеризуется интенсивностью землетрясения, которая выражается в баллах.

Интенсивность землетрясения определяется путем со­поставления данных, полученных на основании показаний сейсмических приборов, характера разрушений зданий и сооружений, причиненного ущерба природной среде и по­ведения людей и животных при землетрясении с данными, приведенными в цифровой шкале.

Цифровая шкала состоит из инструментальной и описа­тельной части (шкалы ИФЗ и MMSK) [36]. Инструменталь­ная часть шкалы основана на показаниях сейсмических приборов, которые регистрируют максимальные смещения, скорости и ускорения поверхности грунта.

Описательная часть шкалы состоит из трех разделов. В первом разделе классифицирована интенсивность по степени разрушения зданий и сооружений. Во втором разделе описаны остаточные явления в грунтах, изменение режима грунтовых и подземных вод. В третьем разделе описаны прочие признаки.

В настоящее время в нашей стране применяется две­надцатибалльная европейская шкала MSK-86.

Очаг поражения землетрясением в общем случае ха­рактеризуется: разрушением и опрокидыванием зданий и сооружений, под обломками которых гибнут люди; возник­новением взрывов и массовых пожаров, происходящих в результате производственных аварий, замыканий в энерге­тических сетях и разгерметизации емкостей для хранения воспламеняющихся жидкостей; образованием возможных очагов заражения СДЯВ; разрушением и завалом населен­ных пунктов в результате образования многочисленных трещин, обвалов и оползней; затоплением населенных пун­ктов и целых районов, в результате образования водопа­дов, подпруд на озерах и отклонения русел рек; отравле­ниями удушливыми газами при вулканических извержени­ях; поражением людей и разрушением зданий и сооруже­ний обломками вулканических горных пород; засыпкой на­селенных пунктов вулканическим пеплом и песком; пора­жением людей и возгоранием населенных пунктов и от­дельных объектов от огенножидкой лавы, стекающей по склонам вулкана потоками со скоростью до 30 км/ч; провалом населенных пунктов и отдельных объектов при об­вальных землетрясениях; разрушением и смыванием насе­ленных пунктов и отдельных объектов цунами; психологи­ческим воздействием на людей, приводящим к тяжелым психическим травмам, иногда со смертельным исходом.

Взрывы. Очаг поражения взрывами в общем случае характеризуется: разрушением зданий и сооружений, от­дельными завалами; поражением людей, животных и рас­тений; возникновением взрывов и массовых пожаров, про­исходящих в результате производственных аварий, замыка­ний в энергетических сетях и разгерметизации емкостей для хранения воспламеняющихся жидкостей; образованием возможных очагов заражения СДЯВ [23, 41].

Характеристика очага поражения ядерным взрывом усугубляет последствия обычных взрывов массовым пора­жением людей, животных и растений, образованием сплошных завалов на территории населенного пункта, воз­никновением сплошных пожаров и пожаров в завалах, обусловленных воздействием светового излучения, радио­активным заражением местности и проникающей радиа­цией [42, 43].

Граница очага поражения ядерным взрывом проходит че­рез точки на местности, где избыточное давление во фронте воздушной ударной волны (ВУВ) составляет 0, 1 кгс/см², а граница очага поражения обычным взрывом совпадает с внешней границей зоны слабых разрушений зданий и соо­ружений [23, 42, 43].

Бури и ураганы. Основной поражающий фактор - ско­ростной напор, зависящий от плотности и скорости воздуш­ного потока. В общем случае, поражающее действие бурь и ураганов описывается только с учетом скорости воздуш­ного потока (ветра).

Бури и ураганы влекут за собой разрушения зданий и сооружений, вывалы леса, гибель людей и животных, а также перемещения по воздуху отдельных элементов, обломков, осколков строительных конструкций, поломанных и вырванных с корнем деревьев и других различных предметов [23].

Смерчи. Основными поражающими факторами смерча являются скоростной напор ветра и разрежение воздуха внутри смерча.

Скоростной напор характеризуется давлением скоро­стного напора (кгс/см²), а разрежение воздуха внутри смерча - давлением разрежения (кгс/см²). В общем случае поражающее действие смерчей описывается только с учетом скорости воздушного потока (ветра).

В очаге поражения смерчем происходит разрушение зданий и сооружений, опрокидывание и разрушение транс­портных средств, вырывание с корнем деревьев, пора­жение людей и животных, а также перенос на достаточно большие расстояния различных предметов, людей и живо­тных. На пути движения смерч всасывает в себя неболь­шие озера и другие водоемы вместе с населяющей их флорой и, фауной, которые переносятся затем на большие расстояния и выпадают на землю вместе с дождем.

Разрушение зданий и сооружений возникает вследствие подъема и отбрасывания предметов, больших давлений сжатия и разрежения, взрывания, раздробления, раздавливания, раскалывания и других воздействий [23].

Тайфуны. Основными поражающими факторами явля­ются скоростной напор ветра и огромные морские волны.

Характеристика очага поражения тайфуна аналогична ха­рактеристике очага поражения при воздействии цунами [23].

Поражающее действие факторов, физические величины и единицы измерения представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Поражающие факторы, физические величины и единицы их измерения