Характеристика опасных геологических процессов и явлений. Поражающие факторы, которые ими формируются

Наша планета по своей форме является геоидом со средним радиусом 6371 км. Земля состоит из нескольких разных по составу и физическим свойствам оболочек-геосфер. В центре Земли находится ядро, за ним идет мантия, потом земная кора, гидросфера и атмосфера. Верхняя граница мантии проходит на глубине от 5 до 70 км по поверхности Мохоровича, нижняя на глубине 2900 км по границе с ядром Земли. Мантию Земли условно разделяют на верхнюю, толщина которой свыше 900 км и нижнюю – около 2000 км. Температура в мантии достигает 2000 – 2500⁰С, а давление находится в пределах 1–130 ГН/м ². Верхняя мантия вместе с земной корой образуют литосферу.

Литосфера не является монолитной оболочкой. Она состоит из тектонических плит, расположенных на магме. Вследствие физико-химических и энергетических процессов, безостановочно происходящих в ядре и мантии Земли, тектонические плиты находятся в постоянном движении. Плиты перемещаются одна относительно другой со скоростью до 20 см в год. Одни из них направляются навстречу, другие расходятся в стороны, третьи скользят вдоль границ в противоположных направлениях. Энергия, выделяющаяся при движении масс весом в миллиарды тон, хоть на несколько сантиметров, очень велика и может вызывать периодическое возникновение землетрясений.

Ежегодно на земном шаре регистрируется свыше 100000 землетрясений. Большинство из них человек совсем не ощущает, некоторые сопровождаются лишь дрожанием посуды в шкафах и качанием люстр, однако другие превращают города в груды обломков.

Землетрясения – это подземные толчки и колебания земной поверхности, которые возникают в результате внезапных смещений и разрывов в земной коре или верхней части мантии и передаются во всех направлениях на большие расстояния в виде упругих колебаний (сейсмических волн).

Землетрясения проходят в виде серии толчков, которые включают главный толчок – форшок и вторичные – афтершоки. Число толчков и промежутки времени между ними могут быть разными.

Главный толчок характеризуется самой большой силой. Его продолжительность обычно несколько секунд, но это время субъективно воспринимается людьми как очень продолжительный промежуток.

По данным психиатров и психологов афтершоки иногда оказывают более тяжелое психологическое воздействие, чем главный толчок. У людей возникает ощущение неотвратимого бедствия, и они, скованные страхом, бездействуют – вместо того, чтобы искать безопасное место и защищаться.

Землетрясение сопровождается внезапным высвобождением потенциальной энергии земных недр. Некоторый объем в толще Земли, в пределах которого непосредственно происходит высвобождения энергии, называется очагом землетрясения (рис.1).

Центр очага – условная точка, которая называется гипоцентром, или фокусом. В гипоцентре наиболее сильные сейсмические волны, которые ослабевают с удалением от него.

Проекция гипоцентра на поверхность Земли называется эпицентром. Вокруг него происходят самые большие разрушения.

При землетрясениях образуются продольные, поперечные и поверхностные волны, которые распространяются от гипоцентра.

Продольные сейсмические волны имеют большую скорость (6-8 км/с) и ощущаются на поверхности земли в первую очередь.

Поперечные волны осуществляют колебание перпендикулярно продольным и имеют скорость в 2-3 раза меньшую.

Продольные и поперечные волны оказывают разрушающее влияние на ближних и средних расстояниях от эпицентра землетрясения.

Разрушающий же потенциал в удаленной от эпицентра зоне в основном связан с поверхностными волнами (их скорость 3,2-4,4 км/с).

Проявления последствий землетрясения условно разделяют на две фазы.

Первая фаза – время прихода продольных волн, когда чувствуются толчки и здания получают незначительные повреждения. Время прихода I фазы определяется соотношением

(с),

где V_II – скорость продольных волн (для осадочных пород V_II=6,1 км/с).

Вторая фаза – время прихода поверхностных сейсмических волн. Вторая фаза главная, она определяет степень разрушения объекта и вычисляется по формуле

(с),

где – скорость поверхностных волн (для глины – 1 км/с; для песчаных почв =1,2 км/с; для насыпной почвы – 0,35 км/с).

Интервал времени между І и ІІ фазами обычно составляет 30 – 60 с, что дает возможность применить экстренные меры защиты.

Основными характеристиками землетрясений являются: магнитуда, энергия,которая выделяется при землетрясении, интенсивность энергии и глубина гипоцентра (очага) землетрясения.

Магнитуда (М) характеризует общую энергию землетрясения. Существует несколько магнитудных шкал, наиболее распространенной из которых является предложенная в 1935 году американским геофизиком Ч. Рихтером (табл.1).

Таблица 1.

Характеристика землетрясений относительно магнитуды

Магнитуда по шкале Рихтера	Название землетрясения
от 0 до 4,3	легкое
от 4,4 до 4,8	умеренное
от 4,9 до 6,2	среднее
от 6,3 до 7,3	сильное
от 7,4 до 8,9	катастрофическое

Каждая следующая единица шкалы Рихтера означает, что высвободившаяся энергия, в 31,6 раза больше той, которая отвечает предыдущей единице шкалы. Итак, при землетрясении с магнитудой 2 высвобождается в 30-60 раз больше энергии, чем при землетрясении с магнитудой 1.

На землетрясения с магнитудой 1 по шкале Рихтера по обыкновению реагируют только чувствительные сейсмографы. Землетрясения с магнитудой 2 ощущаются людьми в районе эпицентра. При землетрясениях с магнитудой 4-5 разрушения происходят лишь в редких случаях.

Землетрясение 1906 г. в Сан-Франциско имело магнитуду по шкале Рихтера 8,25, а токийское землетрясение 1923 г. – магнитуду 8,1. Самыми известными землетрясениями, согласно методу оценки Рихтера, были колумбийское землетрясение 1906 г. и землетрясение а Ассаме (штат на востоке Индии) 1950 г. с магнитудой 8,6. Расчетная магнитуда землетрясения на Аляске в 1964 г. составляла около 8,4-8,6.

Энергия (Е), которая выделяется при землетрясении, Дж:

где М – магнитуда землетрясения (условие);

Интенсивность землетрясения (J) представляет некоторый качественный показатель последствий землетрясения в определенном месте, который характеризует, прежде всего, размер убытка, количество жертв и восприятие людьми воздействия землетрясения.

Интенсивность (сила) землетрясения на поверхности Земли характеризует степень разрушения и зависит от глубины очага, магнитуды и состава почвы. Определяется по формуле:

,

где М – магнитуда землетрясения;

D – эпицентральное расстояние, км;

Н – глубина очага, км;

В, С, Е – региональные константы (значения В, С, Е могут быть различными для конкретных регионов. Если они неизвестны, то принимают В=1,5; С=3,5; Е=3,0.)

Шкала интенсивности начинается от некоторого исходного состояния едва заметных сотрясений, возрастая дальше согласно разным уровням человеческого восприятия и реакций, убытков и движений грунту до состояния общей паники и полных разрушений.

В настоящее время применяется 12 балльная шкала интенсивности землетрясений «МSK-64», которая названа по заглавным буквам фамилий авторов: С.В. Медведева, В. Шпонхойер, В. Карник (табл.2).

Чтобы не путать интенсивность с магнитудой, ее обозначают римскими цифрами.

Таблица 2.

Описание и оценка последствий землетрясений

в зависимости от их интенсивности

Сила в баллах	Наименование землетрясения	Характеристика
І	Незаметное	Фиксируется только сейсмическими приборами
ІІ	Очень слабое	Ощущается отдельными людьми, находящимися в состоянии полного покоя
ІІІ	Слабое	Ощущается лишь небольшой частью населения
ІV	Умеренное	Определяется по легкому дребезжанию и колебанию предметов, посуды и оконных стекол, скрипу дверей и стен
V	Достаточно сильное	Общее сотрясение домов, колебание мебели. Трещины в оконных стеклах и штукатурке. Пробуждение спящих
VІ	Сильное	Ощущается всеми. Картины падают со стен. Отваливаются куски штукатурки, легкие повреждения домов
VІІ	Очень сильное	Трещины в стенах каменных домов. Антисейсмические, а также деревянные здания остаются невредимыми
VІІІ	Разрушительное	Трещины на крутых склонах и на сиром грунте. Изменяется уровень воды в колодцах. Памятники сдвигаются с места. Падают дымовые трубы. Сильно повреждаются капитальные дома
ІХ	Опустошительное	Сильное повреждение и разрушения каменных домов
Х	Сокрушительное	Большие трещины в грунте. Оползни и обвалы. Разрушение каменных зданий. Искривление железнодорожных рельсов.
ХІ	Катастрофическое	Широкие трещины в земле. Многочисленные сдвиги и обвалы. Каменные дома полностью разрушаются
ХІІ	Абсолютное (сильное катастрофическое)	Изменения в грунте достигают огромных размеров. Многочисленные трещины, обвалы, оползни. Возникновение водопадов, подпруд на озерах, отклонение течения рек. Ни одно сооружение не выдерживает. На земной поверхности видны волны

Глубина гипоцентра (очага) землетрясения (Н) – расстояние от поверхности Земли по нормали (прямой, перпендикулярной касательному пространству) к гипоцентру.

Глубина очага землетрясений может быть разной – от нескольких километров до 600-700 км. Однако свыше 90% землетрясений находится в интервале 100-200 км.

Магнитуда, интенсивность и глубина гипоцентра (очага) землетрясения связаны между собой. Чем меньше глубина очага, тем больше интенсивность землетрясения при тех же значениях магнитуды.

Классификация зданий и характеристика их разрушения

Классификация зданий

При проведении расчетов по определению последствий землетрясения целесообразно пользоваться классификацией зданий, приведенной в двенадцатибалльной международной модифицированной сейсмической шкале ММSК-86.

В соответствии с этой шкалой здания разделяются на две группы:

- здания и типовые сооружения без антисейсмических мероприятий;

- здания и типовые сооружения с антисейсмическими мероприятиями.

Комплекс антисейсмических мероприятий предусматривает обеспечение сохранности несущих конструкций, выход из строя которых угрожает обрушением здания или его частей. При этом допускается возможность повреждения некоторых второстепенных несущих элементов.

В зданиях и сооружениях с расчетной сейсмичностью 6 баллов и менее, специальные антисейсмические мероприятия не предусматриваются (расчетная сейсмичность – это предел устойчивости зданий и сооружений относительно балльности землетрясения по международной модифицированной сейсмической шкале ММSК-86).

Здания и типовые сооружения без антисейсмических мероприятий разде­ляют на типы:

А 1 – местные здания. Здания со стенами из местных строительных материалов: глинобитные без каркаса; саманные (глиняный кирпич, с примесью измельченной соломы, высушиваемый на воздухе, не подвергаясь обжиганию) или из сырцового кирпича (кирпич из сырой, т. е. необожженной, глины, как правило, с рубленой соломой для прочности) без фундамента; выполненные из окатанного камня (камень, подвергаемый окатыванию краев в специальных барабанных резервуарах с водой) или рваного камня (бетонный кирпич с колотой лицевой фактурой) на глиняном рас­творе и без регулярной кладки (из кирпича или камня правильной формы) в углах и т.п.

А 2 – местные здания. Здания из самана или сырцового кирпича, с каменными, кирпичными или бетонными фундаментами; выполненные из рвано­го камня на известковом, цементном или сложном растворе с регулярной клад­кой в углах; выполненные из пластового камня на известковом, цементном или сложном растворе; выполненные из кладки типа "мидис" (камни держатся в вертикальном положении, опираясь друг на друга прошлифованными на 3-4 см гранями, они зафиксированы клиновидными лещадками (плоскими камнями) и залиты раствором); здания с деревянным каркасом с заполнением самана или глины, с тяжелыми земляными или глиня­ными крышами; сплошные массивные ограды из самана или сырцового кирпи­ча и т.п.

Б – местные здания. Здания с деревянными каркасами с наполнителями из самана или глины и легкими перекрытиями.

Б 1 – типовые здания. Здания из жженого кирпича, тесаного камня или бетонных блоков на известковом, цементном или сложном растворе; деревян­ные щитовые дома.

Б 2 – сооружения из жженого кирпича, тесаного камня или бетонных блоков на известковом, цементном или сложном растворе: сплошные ограды и стенки, трансформаторные киоски, силосные (специальные хранилища, в которых корм для сельскохозяйственных животных – «силос» может сохраняться в течение нескольких лет) и водонапорные башни.

В – местные здания. Деревянные дома, рубленные в "лапу" (в рубленных домах этого типа концы бревен не выходят за границу угла) или в «обло» (рубка в «обло» означает, что концы бревен не выходят за границы крепления).

В 1 – типовые здания. Железобетонные, каркасные крупнопанельные и армированные крупноблочные дома.

В 2 – сооружения. Железобетонные сооружения: силосные и водонапор­ные башни, маяки, подпорные стенки, бассейны и т.п.

Здания и типовые сооружения с антисейсмическими мероприятиями разделяются на типы:

С 7 – типовые здания и сооружения всех видов (кирпичные, блочные, панельные, бетонные, деревянные, щитовые и др.) с антисейсмическими мероприятиями для расчетной сейсмичности 7 баллов.

С 8 – типовые здания и сооружения всех видов с антисейсмическими мероприятиями для расчетной сейсмичности 8 баллов.

С 9 – типовые здания и сооружения всех видов с антисейсмическими мероприятиями для расчетной сейсмичности 9 баллов.

При сочетании в одном здании двух или трех типов здание в целом сле­дует относить к наиболее слабому из них.

Характеристика разрушения зданий

При проведении расчетов по прогнозированию разрушений и людских потерь при воздействии взрывных нагрузок обычно рассматривают четыре степени разрушений зданий: слабую, среднюю, сильную и полную.

При зем­летрясениях принято рассматривать пять степеней разрушений зданий (от d=1 до d=5). В международной модифицированной сейсмической школе ММSК - 86 предлагается следующая классификация степеней разрушения зданий:

d=1 – слабые повреждения. Слабые повреждения материала и неконструктивных элементов здания: тонкие трещины в штукатурке; откалывание небольших кусков штукатурки; тонкие трещины в сопряжениях перекрытий со стенами и стенового заполнения с элементами каркаса, между панелями, в разделке печей и дверных коробок; тонкие трещины в перегородках, карнизах, фронтонах, трубах. Видимые повреждения конструктивных элементов отсутствуют.

Для ликвидации повреждений достаточно текущего ремонта зданий.

d=2 – умеренные повреждения. Значительные повреждения материала и неконструктивных элементов здания, падение пластов штукатурки, сквозные трещины в перегородках, глубокие трещины в карнизах и фронтонах, выпадение кирпичей из труб, падение отдельных черепиц. Слабые повреждение несущих конструкций: тонкие трещины в несущих стенах, незначительные деформации и небольшие отколы бетона или раствора в узлах каркаса и в стыках панелей.

Для ликвидации повреждений необходим капитальный ремонт зданий.

d=3 – тяжелые повреждения. Разрушения неконструктивных элементов здания: обвалы частей перегородок, карнизов, фронтонов, дымовых труб. Значительные повреждения несущих конструкций: сквозные трещины в несущих стенах, значительные деформации каркаса, заметные сдвиги панелей, разрушение бетона в узлах каркаса.

Возможен восстановительный ремонт здания.

d=4 – частичные разрушения несущих конструкций: проломы в несущих стенах; развалы стыков и узлов каркаса; нарушение связей между частями здания; обрушение отдельных панелей перекрытия; обрушение крупных частей здания.

Здание подлежит сносу.

d=5 – обвалы. Обрушение несущих стен и перекрытия, полное обрушение здания с потерей его формы.

Характер разрушения зданий в значительной степени зависит от конструктивной схемы этих зданий.

На сегодняшний день отсутствуют надежные методы прогнозирования землетрясений и их последствий. Однако по изменению характерных свойств грунта, необычному поведению животных и птиц перед землетрясением, ученым довольно часто удается сделать правильные прогнозы.

Предвестниками землетрясений являются: быстрый рост частоты слабых толчков (форшоков); деформация земной коры, которая определяется наблюдениями спутников или съемкой на поверхности земли с помощью лазерных источников света; изменение отношения скорости распространения продольных и поперечных волн перед землетрясением; изменение уровня грунтовых вод в буровых скважинах; содержание подземного метана или радиоактивного газа радона; грозовые разряды.

Также перед землетрясением чаще всего меняются магнитное поле, акустические свойства среды и электрический потенциал атмосферы. Например, перед землетрясением в Китае (провинция Ляонинь, город Хайчен) 4 февраля 1975 г. предупреждение о возможном сильном землетрясении было сделано в 10.30 утра. Общая тревога и эвакуация населения началась в 14.00, а в 19.30 сильное землетрясение с магнитудой 7,3 разрушило около 90% зданий, при этом количество жертв не превышало 300 человек. В другом случае количество жертв могло бы исчисляться тысячами.

Сильнейшие землетрясения за последние 100 лет: