3.3.1 Землетрясения

Землетрясение представляет внезапное освобождение потенциальной энергии земных недр, которое приобретает форму ударных волн и упругих колебаний (сейсмические волны), распространяющихся в земле во всех направлениях (рис. 1).

Рис. 1. Распространение сейсмических волн от центра землетрясения.

Возникающие колебания и иногда катастрофические подвижки земной поверхности часто связаны с обширными устойчивыми деформациями, которые могут включать:

1. коробление участков земной коры,

2. смещение вдоль линии сбросов,

3. уплотнение сыпучих или несцементированных осадков,

4. оползни и селевые потоки,

5. разжижение грунта,

6. снежные лавины и

7. новообразующиеся разломы в скальных породах.

Способ освобождения потенциальной энергии при землетрясении не совсем ясен. В соответствии с новыми представлениями о глобальном - геологическом строении планеты Изакс, Оливер и Сайке (Isacks, Oliver, Sykes, 1972) делают вывод, что явление землетрясений можно объяснить как результат взаимодействий и других процессов на окраинах огромных подвижных плит литосферы, расходящихся от океанических хребтов. В настоящее время считают, что самые неглубокие землетрясения (на глубине менее 14,5 км) могут быть вызваны:

1. скольжением вдоль крупных участков сбросов, которые содержат накопленную потенциальную энергию (Cook, Anderson, 1972; Nur, 1972; Scholz

, Wyss, Smith, 1969; Wu, 1972);

2. внедрением поровых газов или изменением перового давления, что механическим или химическим способом нарушает условия неустойчивого равновесия напряжений (Byerlee, Wilson, Peselnick, 1972; Raleigh et al., 1970);

3. сотрясением от взрыва ядерных устройств и

4. в результате вулканической деятельности (Endo, 1972).

Очень мало известно о механизмах освобождения энергии при землетрясениях на средних (60—300 км) и больших (свыше 300 км) глубинах. В качестве возможных механизмов, освобождающих энергию глубокофокусных землетрясений, рассматривались:

1. фазовые изменения в расплавленной магме (Griggs, Handin, 1963),

2. неустойчивые течения в пластически деформирующейся магм.е (Orowan, 1963) и

3. разрыв скорости вдоль зон дефицита массы

(Ver-hoogen et al., 1970).

Землетрясения происходят в виде серии толчков, которые включают главный толчок (форшок) и вторичные (афтершоки). Число толчков и промежутки времени между ними могут быть самыми различными. Главный толчок характеризуется наибольшей силой. Продолжительность главного толчка обычно несколько секунд, но субъективно людьми воспринимается как очень длительное. Согласно данным психиатров и психологов, изучавших землетрясения, афтершоки иногда производят более тяжелое психологическое воздействие, чем главный толчок. У людей возникало ощущение неотвратимой беды, и они, скованные страхом, бездействовали вместо того, чтобы искать безопасное место и защищаться.

Очаг землетрясения - это некоторый объем в толще Земли, в пределах которого происходит высвобождение энергии. Центр очага - условная точка, именуемая гипоцентром, или фокусом. Проекция гипоцентра на поверхность Земли называется эпицентром. Вокруг него происходят наибольшие разрушения.

Поражающие факторы при землетрясениях

Землетрясение представляет комплексное бедствие ввиду его многочисленных прямых и вторичных проявлений на земной поверхности. В числе прямых последствий—смещение почвы от сейсмических волн или тектонических (сбросы) движений поверхности. Среди вторичных эффектов— проседание и уплотнение грунта, оползни, трещины, местные волны зыби, цунами (сейши), пожары и снежные лавины. Это многоликое бедствие вызывает огромное число жертв и большие материальные убытки. Исходя из общего числа жертв стихийных бедствий за период 1947—1967 гг., Сааринен (Saarinen, 1970) отводит землетрясениям третье место среди всех опасных природных явлений. В течение этого 20-летнего периода в результате землетрясений на земном шаре погибло 56100 человек, что составляет 12,7% общего числа жертв стихийных бедствий. По числу жертв за этот период землетрясения уступают только наводнениям и ураганам.

Данных о размере годового ущерба, от всех землетрясений в денежном выражении не имеется. Ущерб в Сан-Фернандо от землетрясения, происшедшего 9 февраля 1971 г., исчисленный исходя из стоимости уничтоженного имущества и строений, требующих ремонта и восстановления, составил свыше полумиллиона долларов (Grantz, 1971). Но это было далеко не самое сильное землетрясение. Энергия, высвободившаяся при землетрясении в Сан-Фернандо с магнитудой 6,7, составила лишь 1/18 часть энергии землетрясения в Сан-Франциско в 1906 г. с магнитудой 8,3. Ежегодно происходит от 60 до 70 землетрясений такой силы, как землетрясение в Сан-Фернандо. Согласно Мукерджи (Mukerjee, 1971, р. 10), “между 1970 и 2000 гг. можно ожидать сильное землетрясение в районе залива Сан-Франциско с интенсивностью примерно 8 баллов (по шкале Рихтера) и продолжительностью более одной минуты. Ожидаемый ущерб достигнет 25 млрд. долл. в ценах 1970 г., а число жертв составит от нескольких сот до нескольких тысяч в зависимости от того, на какое время суток придется землетрясение, и мероприятий, которые будут осуществлены до и после этого события”. Отмечающаяся во всем мире тенденция урбанизации в пределах и возле районов повышенной сейсмической опасности ведет к быстрому увеличению возможности значительного ущерба и числа жертв в результате землетрясений при отсутствии необходимых приспособлений человека к этому бедствию.

Размеры ущерба

Главные беды, которые причиняют землетрясения населению планеты, связаны с огромным физическим ущербом, жертвами, а также страхом перед этим бедствием, что в свою очередь сопряжено с разрушением жилищ, возникающими при этом пожарами и наводнениями в районе бедствий. Однако разрушения построек в любом районе зависят не только от силы, частоты и типа сейсмических колебаний, но также от конструктивной однородности и целостности сооружений и состояния грунта под ними. Разрушение обычно происходит под воздействием горизонтальных сил, тогда как, по конструктивному замыслу, постройка должна противостоять только действию вертикальных сил (lacopi, 1964), либо в результате неравномерного сопротивления элементов конструкции разрушающим силам. Ужасающий пример разрушения, вызванного сотрясением в горизонтальном направлении и плохим состоянием грунта, известен в связи с землетрясением в Каракасе в 1967 г. Огромные разрушения в Каракасе, хотя и строго локализованные в зависимости от типа строений и состояния грунта, отмечались при землетрясении с магнитудой всего 6,5 (по шкале Рихтера). Четыре высотных здания разрушились в средней части, вызвав гибель 200 человек. Другие высотные здания вокруг этих четырех были настолько повреждены, что потребовалась эвакуация многочисленного населения (Steinbrugge, Cluff, 1968). Эти сильнейшие повреждения зданий, очевидно, были вызваны изменением характеристик сейсмических волн при их прохождении сквозь мощные аллювиальные отложения (40—120 м) в долине Каракас. Основной период колебания грунта в аллювиальных отложениях примерно совпал с основным периодом колебаний высотных зданий между 10 и 20 этажами, вызвав гармоническое колебание сооружений, что и привело к сильнейшим разрушениям. Подобные здания на твердом грунте не испытывали гармонических колебаний, поскольку основной период колебаний грунта был значительно меньше основного периода колебаний зданий. Такое различие в характере колебаний основания зданий на твердом грунте и аллювиальных отложениях объясняется не величиной расстояния до фокуса землетрясения, а изменением характеристик сейсмических волн в твердом и рыхлом грунте (UNESCO, 1967a). Согласно подсчетам, общий ущерб от разрушения зданий при землетрясении в Каракасе превысил 100 млн. долл., при этом погибло 250 человек.

Аналогичным образом, значительный ущерб при последних землетрясениях в Турции, Японии и на Филиппинских островах был связан с разрушением построек на аллювиальных отложениях.

Горизонтальные движения, отмечавшиеся при землетрясении в долине Мудурну, в Турции, 22 июля 1967 г., всегда были больше на аллювиальных, чем на коренных породах. Определяющие величину разрушений факторы—устойчивость основания и тип сооружения, а не близость к сбросовому нарушению. При землетрясении было разрушено 5000 домов, погибло 86 и ранено 332 человека (UNESCO, 1967).

Землетрясение на Филиппинских островах 2 августа 1968 г. с магнитудой 7,3 вызвало большие разрушения в районе Манилы. Разрушения были сосредоточены, однако, в сравнительно небольшом районе на окраине города возле устья реки Пасиг, где слой молодых аллювиальных отложений наиболее мощный. Согласно имеющимся оценкам, ущерб в этом районе достиг 4 млн. долл., погибло 268 и ранен 261 человек.

При землетрясении в Ниигате, Япония, 16 июня 1964 г. отмечалось разрушение железобетонных построек, вызванное разжижением песчаных слоев грунта. Разрушенные здания сосредоточены в районе недавно засыпанных водотоков с толстым слоем мелкопесчаных осадков, насыщенных грунтовыми водами. В результате сотрясения грунта, пожаров и наводнений погибло 26 и ранено 447 человек, разрушено 15 тыс. домов (Nakano, 1972).

Слоссон (Slosson, 1972) утверждает, что размер разрушений при землетрясении в Лос-Анджелесе в феврале 1971 г. также зависел от состояния грунта. При этом землетрясении с магнитудой 6,6 разрушено 730 и повреждено 20 тыс. домов. Степень разрушения убывала в зависимости от постройки на 1) старых (до 1963 г.) плохо мелиорированных, неуплотненных отложениях, 2) рыхлом аллювиальном материале, 3) слабо уплотненном аллювии и 4) хорошо мелиорированных, сцементированных грунтах и коренных породах.

Из немногих приведенных примеров видно, что инженерно-геологические характеристики грунта являются решающими с точки зрения ущерба от землетрясений факторами, которые лишь недавно начали изучать.

Практически при всех землетрясениях тип конструкции постройки представляет один из важнейших факторов, определяющих размер ущерба. Например, во время упомянутого землетрясения в долине Мудурну в 1967 г. наблюдался поразительный контраст между почти полным разрушением кирпичных построек и совершенно незначительным повреждением деревянных домов.

Почти все случаи гибели людей, связанные с разрушением построек при землетрясении 1971 г. в Сан-Франциско (магнитуда 6,6), произошли в старых домах, построенных до введения обязательных нормативов на сейсмостойкость конструкций. В целом построенные после введения этих нормативов здания гораздо лучше старых. Общий ущерб от землетрясения превысил полмиллиарда долларов, и погибло 64 человека.

Помимо рассмотренных выше критических факторов — состояния грунта и конструктивных особенностей постройки, — имеет значение и ряд других факторов.

Согласно Якопи (lacopi, 1964), насчитывается по меньшей мере пять конструктивных и природных факторов, в значительной мере влияющих на степень разрушения искусственных сооружений.

1. Сила сейсмических волн, достигающих поверхности. Особенно важное значение имеет горизонтальная составляющая, поскольку горизонтальному сотрясению способно противостоять лишь незначительное число построек.

2. Продолжительность сейсмических колебаний. Именно аккумулирующийся эффект серии толчков и представляет обычную причину обрушения” стен. Главный толчок может значительно ослабить прочность многих зданий, а менее интенсивные афтершоки вызвать разрушение.

3. Близость к сбросу или зоне разломов. Если вдоль разлома происходит смещение, то воздвигнутые непосредственно в его зоне сооружения размещены совершенно ненадежно. Rt Прочие убытки не всегда зависят от расстояния до разлома.

4. Инженерно-геологическое обоснование застройки. С точки зрения многих инженеров и страховых экспертов, это важнейший фактор, определяющий размеры разрушений при землетрясении. Исследования показали, что ущерб, причиняемый постройкам на слабых грунтах, гораздо значительнее ущерба, наносимого постройкам на твердом основании. В отношении реакции на землетрясение расположение постройки частично на слабом, а частично на прочном основании — плохое решение проблемы ее размещения.

5. Конструкция постройки. Необходимая проектная прочность зданий, способных противостоять и горизонтальным, и вертикальным сейсмическим колебаниям, может быть обеспечена при условии надлежащей жесткости и конструктивной целостности сооружений.

Согласно классификационным тарифам, разработанным Тихоокеанским пожарным квалификационным бюро (Pacific Fire Rating Bureau), конструкция постройки представляет главный показатель при определении размеров страховых премий.

Размеры области землетрясения

Крупные землетрясения ощущаются на значительной территории, достигающей в отдельных случаях свыше 4 млн. км². Однако сила толчков на этой территории весьма различна. Хотя с увеличением расстояния от эпицентра землетрясения сила толчков обычно ослабевает, она значительно изменяется в зависимости от прочности грунта, на котором построено здание. Интенсивность сотрясения и соответственно разрушительное воздействие землетрясения могут быть гораздо сильнее в удаленных от эпицентра районах, сложенных аллювием, морскими песками, насыпными и другими слабосвязанными грунтами, чем на участке скальных пород ближе к эпицентру.

Сильное землетрясение 1920 г. в китайской провинции Ганьсу на границе с Тибетом вызвало разрушения на территории свыше 40 тыс. км². Сообщали, что оно ощущалось на площади 4 млн. км².

Землетрясение 1811 г. в Нью-Мадриде, штат Миссури, вызвало сотрясение более ²/з территории СШД, на площади 2,6 млн. км², и ощущалось даже в районе восточного побережья и в Канаде (так, остановились часы в Бостоне, и начали звенеть колокола в Виржинии). Землетрясение привело к огромным изменениям в уровне поверхности земли на нескольких тысячах квадратных километров: отдельные участки были подняты и опущены на 6 метров, осушены болота, изменила направление река Миссисипи, возникли новые озера, такие, как озеро Сент-Франсез к западу от Миссисипи и озеро Рилфут—к востоку, в Теннесси (Tufty, 1969).

Аляскинское землетрясение 1964 г. вызвало значительное изменение местности и разрушение построек на территории 130 тыс. км². Заметные колебания уровня воды отмечались в успокоительных колодцах водомерных постов даже в штатах Джорджия и Флорида. Такое сильное воздействие на кору земли и покров рыхлых отложений оказывали лишь немногие -землетрясения (Hansen et al., 1966).

Географическое распределение

Землетрясения распространены по земной поверхности очень неравномерно (рис. 2).

Пояса, где происходят землетрясения, могут быть разделены на две группы. К первой относятся области, где за историческое время известны и по геологическим данным возможны в будущем разрушительные и катастрофические землетрясения. Во вторую группу попадают сейсмические пояса, в пределах которых хотя и происходят ощутимые землетрясения, но разрушительной силы, а тем более катастрофического характера они ни разу не достигли.

Причиной землетрясения служит смещение горных пород по разлому. Чем больше “оживший” разлом, тем больше сила подземного толчка. Максимальные разломы приурочены к крупнейшим складчатым поясам – Тихоокеанскому и Срединоземноморскому.

Самый большой пояс разрушительных землетрясений располагается по периферии Тихого океана. В его пределах чаще всего возникают катастрофические землетрясения. Особенностью этой глобальной сейсмической зоны является также то, что к ней приурочено подавляющее большинство наиболее сильных цунами, поскольку эпицентры сильнейших землетрясений часто расположены подо дном океана. К этой высокосейсмической зоне приурочено и большинство действующих вулканов.

Другая высокосейсмичная зона (Срединоземноморский пояс) пересекает Евразиатский материк в субширотном направлении. Она начинается у побережья Атлантического океана (Португалия, Испания), захватывает все Срединоземноморье и Южную Европу, продолжается через высокогорные районы Центральной Азии вплоть до Тихого океана.

Еще один пояс протягивается вдоль Восточной Африки до красного моря и далее на Памир, Тянь-Шань, озеро Байкал и хребет Становой. В пределах этого пояса сейсмичность очень высокая.

Области умеренной сейсмичности обычно располагаются ко краям высокосейсмичных зон, а также образуют ряд самостоятельных полос. Такова полоса слабых землетрясений, протягивающаяся вдоль Урала или Скандинавского полуострова. В эту группу попадает и сейсмический пояс подводного Срединно-Атлантического хребта, проходящего по оси Атлантического океана, и некоторые другие.

Анализ сейсмических данных позволяет наметить те области, где следует ожидать землетрясений и оценить их интенсивность. В этом состоит сущность сейсмического районирования. Карта сейсмического районирования - это официальный документ, которым должны руководствоваться проектирующие организации. Пока проблема прогноза, т.е. определения времени будущего землетрясения, не решена. Основной путь к решению этой проблемы - регистрация “предвестников” землетрясения - слабых предварительных толчков, деформации земной поверхности, изменений параметров геофизических полей и др. Иногда землетрясениям предшествуют грозовые разряды в атмосфере, выделение метана из земной коры. Знание временных координат потенциального землетрясения во многом определяет эффективность мероприятий по защите во время землетрясений.

В районах, подверженных землетрясениям, осуществляется сейсмостойкое строительство. По принятой в России 12 балльной шкале опасными для зданий и сооружений считаются землетрясения, интенсивностью 7 и более баллов. Строительство в районах с сейсмичностью более 9 баллов неэкономично. Обеспечение полной сохранности зданий во время землетрясений обычно требует больших затрат, а в некоторых случаях - практически неосуществимо. Учитывая, что сильные землетрясения случаются редко, нормы допускают возможность повреждения элементов, не представляющих опасность для людей.

Рис. 2. Основные сейсмические пояса мира. Источник: U. S. Geological Survey.

Хотя большинство землетрясений происходит в пределах хорошо выраженных сейсмических зон, в прошлом отмечались заметные исключения, например нью-мадридское (1811 г.) и чарлстоунское (1886 г.) землетрясения в США, агадирское землетрясение (1960 г.) в Марокко, землетрясение в бассейне реки Койна (1967 г.) в Индии и другие.

Магнитуда

В зависимости от типа землетрясения и имеющихся данных сейсмологи применяют несколько магнитудных шкал. В Японии используют шкалу из семи магнитуд, предложенную К. Вадати (К. Wadati). Именно из этой шкалы и заимствовал К. Ф. Рихтер логарифмический масштаб, в котором измеряются магнитуды землетрясений в диапазоне от менее 1 до более 8 (Richter, 1969). Для локальных землетрясений во многих районах мира, например в Новой Зеландии, Италии и Японии (Richter, 1958), сейсмологи применяют также другие шкалы.

Отражающий силу землетрясений “магнитудный” масштаб, который предложен американским сейсмологом Рихтером, соответствует амплитуде наибольшего горизонтального смещения, записанного стандартным сейсмографом на расстоянии 10 км от эпицентра (точки земной поверхности непосредственно над фокусом землетрясения). Изменение этого наибольшего горизонтального смещения в зависимости от расстояния и глубины фокуса землетрясения (глубины от поверхности земли до области зарождения землетрясения) определяют при помощи эмпирических таблиц и графиков (Gilluly, Waters, Woodford, 1968). Определенные таким способом магнитуды связаны с энергией эмпирическим уравнением LogE = 11,4 + 1,5 М, где М—магнитуда, соответствующая амплитуде горизонтального смещения (Richter, 1958), и Е — суммарная энергия. В соответствии с этой зависимостью каждая последующая единица шкалы Рихтера означает, что высвободившаяся энергия в 31,6 раза больше той, которая соответствует предыдущей единице шкалы. Другие эмпирически установленные зависимости показывают, что при увеличении магнитуды на единицу высвобождается в 60 раз больше энергии. Следовательно, при землетрясении с магнитудой 2 высвобождается в 30—60 раз больше энергии, чем при землетрясении с магнитудой 1, а при землетрясении с магнитудой 8 высвободится энергия, которая в 8х10⁵—12х10⁶ раз больше энергии, высвобождающейся при землетрясении с магнитудой 4.

На землетрясения с магнитудой 1 по шкале Рихтера обычно реагируют только чувствительные сейсмографы. Землетрясения с магнитудой 2 при подходящих условиях ощущаются людьми в районе эпицентра. При землетрясениях с магнитудой 4,5 (интенсивность VI—VII; см. табл. 6) разрушения отмечаются лишь в редких случаях. Для удобства сейсмологи говорят о землетрясениях с магнитудой 7 и выше по шкале Рихтера как о сильных землетрясениях (major earthquakes), причем землетрясения с магнитудой 8 и больше будут, очевидно, великими землетрясениями (great earthquakes) (Richter, 1969).

Землетрясение 1906 г. в Сан-Франциско имело магнитуду по шкале Рихтера 8,25, а токийское землетрясение 1923 г.— магнитуду 8,1. Крупнейшими известными землетрясениями, согласно методу оценки Рихтера, были колумбийское землетрясение 1906 г. и ассамское землетрясение 1950 г. с магнитудой 8,6. Расчетная магнитуда аляскинского землетрясения 1964 г. была порядка 8,4—8,6 (Gilluly, Waters, Woodford, 1968). Крупнейшие землетрясения, происшедшие в период между 1897 и 1965 гг., отражены на рис. 3. Интересно отметить, что фокус всех этих землетрясений, имевших магнитуду, по Рихтеру, свыше 8,0, располагался на небольшой глубине.

Рис. 3. Великие землетрясения 1897—1965 гг. интенсивностью от 8 баллов и выше по шкале Рихтера. Цифры характеризуют их повторяемость. Источник: U. S. Geological Survey.

Энергия землетрясения Е связана с магнитудой М соотношением вида

Lg E = 4 + 1.6M или (по другим авторам)

lg E = 11.4 + 1.5 M или (по другим авторам)

lg E = 5.24 + 1.44 M

Величину K= lg E называют энергетическим классом. При землетрясении, для которого М=5, из очага выделяется энергия Е = 10¹²Дж, К 12; при М= 8 Е = 10¹⁷Дж, К=17. В Ашхабаде в 1948 г. энергия землетрясения составила Е = 10¹⁵ Дж, в Сан-Франциско в 1906 г. - Е= 10¹⁶Дж, на Аляске в 1964 г. - Е = 10¹⁸ Дж. (Энергия одной атомной бомбы 8.4 10¹⁴ Дж = энергии землетрясений с магнитудой немногим более 6.8). Как подсчитано Рихтером (Richter, 1958), крупнейшее землетрясение высвобождает энергию порядка 10²⁵ эрг (10 ¹⁸ Дж), что примерно эквивалентно энергии 12 тыс. атомных бомб типа хиросимской.

Из анализа зависимости повторяемости землетрясений от выделившейся энергии следует, что катастрофа с энергией 10¹⁸ Дж может быть вызвана землетрясением один раз в год – один раз в пять лет. Вероятность землетрясений с магнитудой 5 достигает несколько десятков в год.

Магнитуда М, интенсивность землетрясения в баллах и глубина очага h связаны между собой (табл. 7). Чем меньше глубина очага, тем больше интенсивность землетрясения в баллах при одних и тех же значениях магнитуды (выделении энергии в очаге.)

Таблица 7

Примерное соотношение магнитуды М и балльности в зависимости от глубины очага h.

Значение магнитуды землетрясений определяется из наблюдений на сейсмических станциях и регистрируются сейсмографами. Некоторые данные о параметрах прошедших землетрясений приведены в табл. 8-9.

Таблица 8

Перечень некоторых землетрясений и их параметры

Таблица 9

Обобщенные оценки воздействия землетрясений.

Землетрясения более сильные, чем с магнитудой 9, на Земле произойти не могут. Как следует из табл. 9 сила землетрясения и его энергия (магнитуда) определяются в первую очередь размером очага землетрясений. Самые сильные, катастрофические землетрясения имеют очаг, достигающий по протяженности 500-1000 км и уходящий на глубину до 50 км. У максимального из зарегистрированных землетрясений очаг равен 1000х100 км. Эта цифра близка к максимальной длине разломов, известных на Земле. Следовательно, такие землетрясения, как Чилийское и Гоби-Алтайское, близки к максимально возможным.

Интенсивность

Интенсивность представляет некоторый качественный показатель последствий землетрясения в определенном месте, характеризующий прежде всего размер ущерба, количество жертв и восприятие людьми воздействия землетрясения. Произвольно устанавливаемая шкала интенсивности начинается от некоторого исходного состояния едва заметных сотрясений, возрастая далее соответственно различным уровням человеческого восприятия и реакций, ущерба и движений почвы до состояния всеобщей паники, полного разрушения и обширных подвижек грунта.

В 80-е годы прошлого столетия де Росси и Форель создали первую шкалу интенсивности (с диапазоном от I до X) (Adams, 1964). В 1902 г. итальянский сейсмолог Меркалли предложил другую шкалу с диапазоном значений от I до XII, дающую более детальную картину крупного ущерба, чем шкала Росси—Фореля. И наконец, в 1931 г. шкала Меркалли была усовершенствована Вудом и Ньюменом (Wood, Neumann), которые учли такие особенности современного быта, как высотные здания, новые транспортные средства и подземные сооружения (lacopi, 1964). Эта усовершенствованная шкала известна под названием “модифицированной шкалы Меркалли” (ММ). Чтобы не путать интенсивность с магнитудами, ее значения обозначают римскими цифрами.

По международной шкале MSK-64 сила землетрясений оценивается в баллах (табл.6).

Таблица 6

Описание и оценка последствий землетрясений в зависимости от их интенсивности (силы)

Шкала сейсмической интенсивности MSK-1964. Классификация, принятая в шкале.

I. Типы сооружений (здания, возведенные без необходимых антисейсмических мероприятий).

Тип А - здания из рваного камня, сельские постройки, дома из кирпича-сырца, глинобитные дома.

Тип Б - обычные кирпичные дома, здания крупноблочного и панельного типов, фахверковые строения, здания из естественного тесанного камня.

Тип В - каркасные железобетонные здания, деревянные дома хорошей постройки.

II. Количественные характеристики:

отдельные - около 5 %,

многие - 50 %,

большинство - около 75 %.

III. Классификация повреждений

1-я степень. Легкие повреждения: тонкие трещины в штукатурке и откалывание небольших кусков штукатурки.

2-я степень. Умеренные повреждения: небольшие повреждения в стенах, откалывание довольно больших кусков штукатурки, падение кровельных черепиц, трещины в дымовых трубах, падение частей дымовых труб.

3-я степень. Тяжелые повреждения: большие и глубокие трещины в стенах, падение дымовых труб.

4-я степень. Разрушения: сквозные трещины и проломы в стенах, обрушение частей зданий, разрушение связей между отдельными частями зданий, разрушение внутренних стен и стен заполнения каркаса.

5-я степень. Обвалы. Полное разрушение зданий.

IV. Группировка признаков шкалы:

а) люди и их сооружения,

б) сооружения,

в) природные явления.

Землетрясение - грозная стихия, не только разрушающая города, но и уносящая тысячи жизней.

1908 г. Разрушен г. Мессина (Италия), погибло более 100 тыс. человек (магнитуда 8.2);

1923 г. Разрушены Токио, Иокогама (Хонсю, Япония), погибло около 1500 тыс. чел. (магнитуда 8.0);

1948 г. Разрушен г. Ашхабад (магнитуда 7.0 – эпицентр под городом);

1995 г. Разрушен г. Нефтегорск, погибло более 2000 чел.

Защита

Проблема защиты от землетрясений стоит очень остро и делится на две группы антисейсмических мероприятий:

а) предупредительные, профилактические мероприятия, осуществляемые до возможного землетрясения;

б) мероприятия, осуществляемые непосредственно перед, во время и после землетрясения, т.е. действия в чрезвычайных ситуациях.

Возможные приспособления к этому стихийному бедствию включают:

1. системы оповещения;

2. предотвращение землетрясений;

3. конструктивное усиление зданий, в том числе в отношении огне- и сейсмостойкости;

4. страхование;

5. изменение землепользования;

6. предупредительные противопожарные мероприятия;

7. аварийно-спасательные работы;

8. ремонтно-восстановительные работы;

9. смирение с убытками при бездействии.

Системы оповещения и предотвращение землетрясений пока остаются недоступными приспособлениями ввиду того, что знаний о механизме землетрясений явно недостаточно. Как отмечалось выше, японцы с известным успехом использовали систему оповещения, основанную на частоте микросейсмических колебаний. Однако успех этой системы предсказания определяется величиной заблаговременности, то есть отрезком времени до начала явления землетрясения, а японская система пока не позволяет достаточно точно установить время, место и интенсивность землетрясения.

Ввиду того что механизмы землетрясений в настоящее время изучены плохо, не удается планировать какое-либо воздействие на землетрясения. Однако будущие исследования и некоторые мероприятия, осуществляемые в настоящее время, например закачка воды на большую глубину, возможно, позволят найти успешные методы модификации землетрясений.

Лучшее приспособление, доступное в настоящее время, — изучение вопроса, где жить, чтобы избежать этого бедствия, и как жить в условиях опасности, если она неизбежна. Одно из доступных приспособлений, слишком редко использующееся, — землепользование, не допускающее поселения большого количества людей в районах высокой сейсмической опасности и строительства здесь сложных сооружений. Часто бывает так, что именно в сейсмических районах, чрезвычайно опасных для жизни людей и состояния имущества, вследствие их выгодного стратегического положения создаются развитая сеть коммуникаций и промышленность. Карты сейсмической опасности слишком редко используются в качестве обязательной основы для карт зонирования, вычерчиваемых планировщиками городов.

Один из последних примеров неправильного землепользования, которое должно бы избегать сейсмоопасных районов,— выбор японцами неподходящих мест для нового сталелитейного завода и шести новых центров по борьбе с последствиями землетрясения. Новый сталелитейный завод в Кавасаки строится на насыпной территории в префектуре Тиба, которая некогда представляла часть Токийского залива. Эта территория, лишь на несколько футов возвышающаяся над уровнем моря, подвержена опасности землетрясений, цунами, наводнений и тайфунов. Одновременно здесь сооружаются шесть новых центров по борьбе с массовыми бедствиями, чтобы помочь 600 тыс. жителей района Кото города Токио, страдающих от наводнений и пожаров при землетрясениях. Вместо того чтобы избегать сейсмически опасных и низколежащих прибрежных районов, промышленность Японии словно выискивает их или создает там, где раньше такие районы не существовали.

В США приходится сталкиваться с проблемами землепользования такого же рода. По имеющимся оценкам, в 2000 г. 15% населения США будут жить возле сейсмических зон одной только Калифорнии. Несмотря на полное отсутствие каких-либо признаков землетрясения, многие специалисты в области техники и исследователи высказывают озабоченность по поводу пока спокойного развития этих районов в зоне высокого риска (Pakiser et al., 1969).

Сейсмостойкие сооружения представляют другое приспособление в районах высокого риска. В Японии существует сеть из 250 особо чувствительных сейсмографов, установленных специально для регистрации реакции построек на малейшие сотрясения. В настоящее время реакции зданий предсказывают, вводя сейсмографические данные в электронно-вычислительные машины. Эта информация повела к изменениям в методах строительства и пересмотру строительных норм в Токио, в настоящее время разрешена постройка зданий свыше 36 этажей.

Подобные изменения в нормах и методах строительства наблюдались и в Лос-Анджелесе. Землетрясение 9 января 1971 г. показало, что некоторые приспособления в целях сейсмозащиты зданий неудовлетворительны. Высотные здания в Лос-Анджелесе (20—50 этажей) хорошо перенесли землетрясение без каких-либо существенных разрушений конструкции, Но многие из них пострадали в результате внешних повреждений, таких, как растрескивание штукатурки, оконных стекол и потолков, выход из строя электросети и механического оборудования. Пострадали некоторые другие новые здания сейсмостойкой конструкции, в числе которых нельзя не упомянуть шестиэтажную больницу и двухэтажную психиатрическую поликлинику на Олив-Вью. Оба эти здания понесли серьезные разрушения конструкции (Earthquake Engineering Research Institute Committee, 1971).

Перераспределение убытков путем страхования—другое доступное приспособление. Новозеландская национальная программа страхования от стихийных бедствий осуществляется в соответствии с законодательством об ущербе при землетрясениях и военных действиях. Законом обеспечено создание национального фонда посредством налоговых обложений, который позволяет возмещать владельцам имущества материальный ущерб, понесенный в результате стихийных бедствий. Наличие такого общегосударственного фонда значительно облегчает введение и соблюдение строительных нормативов и правил землепользования (зонирования) (O'Riordan, 1970).

Помощь жертвам массовых бедствий часто предоставляется посредством фондов, создаваемых федеральными правительствами и крупными международными организациями для аварийно-спасательных и ремонтно-восстановительных мероприятий. Например, в США федеральная помощь при массовых бедствиях в течение прошедшего десятилетия значительно возросла. Большие средства выделяет Красный Крест для помощи при чрезвычайных обстоятельствах и ремонтно-восстановительных работ. Такого рода деятельностью внутри страны заняты около 50 федеральных учреждений (Mukerjee, 1971).

Разумное приспособление к землетрясениям требует продолжения научно-исследовательских изысканий, которые позволят лучше понять это явление. По мере развития городов и роста народонаселения ставится под угрозу все большее число жизней. Размещение атомных электростанций, нефтеперерабатывающих заводов, топливных емкостей, водохранилищ, плотин и трубопроводов в сейсмических районах представляет растущую повседневную опасность для все увеличивающегося населения. Чтобы научно-исследовательские изыскания поспевали за этими явлениями, их нужно субсидировать надлежащим образом как на национальном, так и мировом уровне.

Продолжительность

Землетрясения обычно отмечаются в виде серии толчков, которые включают форшоки, главный толчок и афтершоки. Число толчков и промежутки времени между ними могут быть самыми различными.

Все толчки, как правило, подобны друг другу, чего нельзя сказать об их магнитудах. Главный толчок характеризуется наибольшей магнитудой.

Может наблюдаться целая серия форшоков, предшествующих главному толчку, а иногда лишь небольшое их число. Порой форшоки настолько слабы, что люди не замечают их. Однако птицы и животные реагируют иногда на малейшие сотрясения, выказывая нервозность и тревогу.

В других случаях форшоки по своей силе подобны собственно землетрясению. В августе 1965 г. в Японии отмечалась серия землетрясений в Мацусиро. Одно время активность была настолько значительной, что ежедневно регистрировалось до 600 толчков. За несколько месяцев до главного землетрясения в его эпицентральной области отмечались очень слабые толчки. Затишье, наступившее между этой ультрамикросейсмической группой и главным толчком с магнитудой, равной 5, служило своего рода предзнаменованием.

Продолжительность главного толчка редко достигает минуты — обычно лишь нескольких секунд, хотя людям, испытавшим его, это время кажется более продолжительным.

Сильное сотрясение поверхности от главного толчка часто продолжается только 30—60 секунд. Главный толчок землетрясения 1906 г. в Сан-Франциско длился всего 40 секунд. Однако при аляскинском землетрясении продолжительность главного толчка составила 3—4 минуты.

После главного толчка отмечаются афтершоки — более слабые толчки, которые могут продолжаться с перерывом в несколько суток, недель, месяцев и даже лет. После аляскинского землетрясения 1964 г. в течение 69 суток после главного толчка зарегистрировано около 12 тыс. афтершоков с магнитудой более 3,5, а в последующие полтора года— еще несколько тысяч. В первые 24 часа отмечено 28 афтершоков, 10 из которых имели магнитуду более 6, и 35 афтершоков за первые 48 часов с магнитудой свыше 4 (Hansen et al., 1966).

Расчет очага поражения при землетрясениях

При землетрясениях образуются продольные, поперечные и поверхностные волны, распространяющиеся от гипоцентра. Продольные сейсмические волны имеют большую скорость (6-8 км/с) и ощущаются на поверхности земли в первую очередь. Поперечные волны совершают колебания перпендикулярно продольным и имеют скорость в 2-3 раза меньше. Продольные и поперечные волны определяют разрушающее воздействие на ближних и средних расстояниях от эпицентра землетрясения. Разрушающий же потенциал в дальней от эпицентра зоне в основном связан с поверхностными волнами.

Основными характеристиками змлетрясений, определяющими размеры очага поражения, являются: энергия (Е), магнитуда (М), интенсивность (сила) землетрясения на поверхности земли (J), глубина гипоцентра (h).

Энергия землетрясения равна

E = 10 ^(5.24+1.44M) [Дж]

М - магнитуда землетрясения, определяемая как логарифм (lg) максимальной амплитуды смещения почвы в мкм на расстоянии 100 км от эпицентра, измеряемая в баллах по шкале Ч. Рихтера (0-9 баллов).

Сила землетрясния (характеризует степень разрушения) зависит от глубины очага землетрясения (h), магнитуды (М), состава грунта и измеряется по шкале МSK- 64 (0-12 баллов), определяется по формуле:

J = 3 + 1.5 M – 3.5 lg (R²+h²)^0.5 , (35)

где h и R - глубина залегания гипоцентра и расстояние до него в км.

Сильные сотрясения почвы наблюдаются на больших расстояниях от эпицентра. Например, при М=8-9 баллов сотрясения на расстоянии 100-160 км будут фиксироваться в течение 0.5-1.5 мин.

Проявление землетрясения можно разделить на две фазы.

Первая фаза - время прихода продольных волн (с), когда ощущаются толчки, и здания получают незначительные разрушения, которое рассчитывается по соотношению:

t_1TM = (R²+h²)^0.5 / V_пр , (36)

где V_пр - скорость продольных волн. Например, для осадочных пород она равна 1 км/с.

Вторая фаза - время прихода поверхностных сейсмических волн. Вторая фаза главная, она определяет степень разрушения объекта и вычисляются по формуле:

t_2Ф = h/ V_{пр +} R / V_пов , (37)

где V_пов - скорость поверхностных волн. Например, для песчаных грунтов она равна 1.2 км/с; для глины - 1км/с; насыпного грунта-0.35 км/с.

Интервал времени между 1 и 2 фазами составляет 30-60 с, что позволяет принять экстренные меры защиты.

Возможность предсказания

Сейсмоопасность различных территорий в настоящее время достаточно хорошо изучена, поскольку большинство землетрясений происходит в определенных областях мира, к тому же составлены карты сейсмического районирования.

Осуществление программы прогнозов землетрясений в Японии позволило составить долгосрочный прогноз землетрясений в Мацусиро в 1966 г. (Hagiwara, Rikitake, 1967). Специалисты Японского института исследований землетрясений, Японского метеорологического агентства, Института географических исследований и других государственных учреждений встречались примерно раз в месяц и подробно обсуждали данные сейсмических наблюдений в Мацусиро, где ежедневно регистрировались сотни микроземлетрясений. Всякий раз, когда они считали вероятность толчков в несколько магнитуд достаточно высокой, Японское метеорологическое агентство выпускало для населения предупреждения с результатами анализа информации. В этих предупреждениях не делалось попыток назвать точное время, место и магнитуду, а указывался только опасный период (обычно порядка нескольких месяцев), примерное место и возможная максимальная магнитуда.

Предупреждения создавались главным образом на основе результатов повторных нивелировок, микро- и ультрамикросейсмических наблюдений и наблюдений при помощи гидростатических наклономеров. Обеспечить такую информацию населения было бы невозможно при отсутствии развитой сети наблюдений, организованной до того, как начались сильные толчки. В какой-то мере удалось предсказать землетрясения в Мацусиро, даже не располагая данными о процессах, происходящих под землей. С успехом были предсказаны сильные толчки, отмечавшиеся в апреле и в августе 1966 г.

Население Мацусиро приспособилось к землетрясениям. Реакция на предупреждения изменилась. Местные власти приложили немало усилий, чтобы предотвратить возможный ущерб от землетрясений, организовав ремонт школьных помещений, укрепляя пожарные команды и т.п. Большая работа была проведена также на государственных и частных железных дорогах.

Исследователи в США пока не создали систему оповещений. Однако в 1973 г. на основе наблюдения группы микросейсмических колебаний Геодезическая служба США сумела предсказать землетрясение с магнитудой 4,5, которое произошло в 20 милях к юго-востоку от Холлистера в Калифорнии. Некоторые исследователи из Национального центра по изучению землетрясений считают, что в скором будущем при условии создания надлежащей сети наблюдений станет возможным долгосрочный прогноз землетрясений в Калифорнии (Pakiser et al., 1969). По мнению Рихтера (Richter, 1969), предсказывать землетрясения так, как предсказывают погоду, возможно, не удастся и в будущем столетии.

В настоящее время располагают многочисленными способами мониторинга, позволяющими следить за наклонами местности, напряжениями в грунте, сейсмической активностью, флуктуациями в магнитном поле и давлением пород в буровых скважинах. К другим явлениям, которые можно было бы наблюдать в целях предсказания землетрясений, относятся колебания уровня воды в колодцах и грозовые разряды. В некоторых районах мира землетрясения часто сопровождаются различными формами грозовых разрядов. Недавно высказано предположение (Finkelstein, Powell, 1970), что эта корреляция может быть обусловлена способностью кварца в земной коре создавать электрические заряды под воздействием упругой деформации, которая наблюдается при землетрясении. Предполагается, что наблюдения таких электрических предвестников землетрясений могут быть полезны для прогноза. Немецкие сейсмологи следят за выделениями таких подземных газов, как метан, которые в аномальных количествах высвобождаются из разлома на месте будущего землетрясения. В марте 1969 г. немецкие геологи успешно предсказали афтершок одного землетрясения в южной части Германии, наблюдая аномальное содержание метанового газа в поисковой скважине. Подобный метод использовали советские геофизики, наблюдавшие за выделением редкого радиоактивного газа радона (Purrett, 1971).

Полагают, что недавние землетрясения возле Денвера и Рейнджли, штат Колорадо, искусственного происхождения и возникли вследствие увеличения давления поровой жидкости при подземных инъекциях воды в этих районах (Healy et al.” 1968; Raleigh et al., 1970).

Другие “искусственные” землетрясения выявлены при ядерных испытаниях. После атомных взрывов в Неваде зарегистрировано несколько землетрясений умеренной силы. Как полагают, ядерные взрывы вызывают освобождение энергии естественных тектонических напряжений.

Способствуя новому пониманию механизма землетрясений, эти открытия обеспечивают также потенциальные средства воздействия на землетрясения и управление ими. В некоторых случаях закачка воды может позволить постепенно разрядить нарастающее напряжение в виде серии слабых толчков, не причиняющих ущерба (Byerlee, Wilson, Peselnick, 1972). Геологическая разведка США осуществляет в Рейнджли, Колорадо, программу исследований зависимости между изменениями давления жидкости и сейсмическими явлениями (Raleigh, Healy, 1972).

Прогнозирование землетрясений может быть долгосрочным и краткосрочным. Оно осуществляется сетью сейсмических станций на территории РФ. Предвестниками землетрясений являются рост слабых толчков (форшоков), подъем воды в скважинах, деформация поверхности земли, повышение уровня радиации (за счет радона), необычное (беспокойное) поведение животных и птиц.

Действия населения при землетрясениях

Мероприятия и защита от последствий землетрясений разделяются на предварительные и действия непосредственно во время землетрясения.

Предварительные меры защиты включают:

-сейсмостойкое строительство;

-подготовку служб спасения и ликвидации последствий;

-нейтрализацию источников повышенной опасности;

-обучение населения правилам поведения во время землетрясения;

-наличие в каждом доме запасов продуктов, воды на 3-5 суток, аптечек первой медицинской помощи;

-закрепление в доме столов, шкафов и другого оборудования.

С началом землетрясения люди, находящиеся в домах не выше 2-го этажа, должны срочно (за 25-30 с) покинуть здание и выйти на открытое место. При невозможности покинуть здание за данное время, необходимо встать в дверной проем или в проемы капитальных внутренних стен. Для большей безопасности можно спрятаться под столом. Выключить свет, газ, воду.

После прекращения подземных толчков покинуть помещение. При этом ни в коем случае не пользоваться лифтом. Далее следует включиться в работу по спасению людей.