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