Шкала МSК-64 использует классификацию, в которой увязаны признаки поведения окружающей среды, тип сооружения, степень их повреждения, количество повреждений
Землетрясения
Основные понятия
Землетрясение — подземные толчки и колебания земной поверхности, возникающие в результате внезапных смещений и разрывов в земной коре или в 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.
Вся поверхность земного шара делится на несколько огромных частей земной коры, которые называются тектоническими плитами. Это североамериканская, евроазиатская, африканская, южно-американская, тихоокеанская и атлантическая плиты. Тектонические плиты находятся в постоянном движении, которое составляет несколько сантиметров в год. Они могут раздвигаться, сдвигаться или скользить одна относительно другой.
Иногда случаются землетрясения во внутренних частях плит — так называемые внутриплитовые землетрясения.
Землетрясения могут возникать и по другим причинам. Одна из таких причин — вулканическая деятельность в местах, где раздвигаются тектонические плиты.
Другая причина — обрушение кровли шахт или подземных пустот с образованием упругих волн. Это обвальные землетрясения. Землетрясения, возникающие при развитии крупных оползней, также называют обвальными.
Кроме того, землетрясения может вызывать и инженерная деятельность человека (заполнение глубоких, более 10 м, водохранилищ, закачка воды в скважины, образование подземных полостей вследствие добычи полезных ископаемых, горные работы и взрывы большой мощности).
Опасные последствия землетрясений разделяются на природные и связанные с деятельностью человека. К природным последствиям относятся:
· сотрясение грунта,
· нарушение грунта (трещины и смещения),
· оползни,
· лавины,
· сели,
· разжижение грунта,
· оседания,
· цунами,
· сейши.
К последствиям землетрясений, связанных с деятельностью человека, относятся:
· разрушение или обрушение зданий, мостов и других сооружений;
· наводнения при прорывах плотин и водопроводов;
· пожары при повреждениях нефтехранилищ и разрывах газопроводов;
· повреждение транспортных средств, коммуникаций, линий энерго-и водоснабжения, а также канализационных труб;
· радиоактивные утечки при повреждении ядерных реакторов.
Характеристика землетрясений
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).
В результате многолетних геологических исследований удалось получить картину строения 3емли и причин землетрясений. Эти причины сразу же станут понятными, как только мы представим себе динамичный характер Земли и те медленные движения, которые происходят в ее коре (литосфере). Этот слой довольно тонок; он покрывает Землю на толщину около 70 км под океанами и около 150 км на континентах. Этот 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. Причина этих глубинных сил не вполне ясна. Землетрясения, вызванные движением плит, называются тектоническими.
Кора, мантия, внешнее ядро, внутреннее ядро — главные части Земли.
Земная кора — это твердый, более или менее жесткий слой у ее внешней поверхности. Кора (литосфера) разбита на медленно перемещающиеся плиты.
Мантия,лежащая под земной корой, состоит из полурасплавленной каменной массы; докрасна раскаленная лава, извергаемая вулканами, рождается в мантии. По мере приближения к центру Земли температура, давление и плотность возрастают. В центре температура равна примерно 42000 С, давление в 3,6 млн раз выше атмосферного, а плотность в 13 раз больше плотности воды (плотность железа примерно в 7,9 раза больше плотности воды).
Непосредственно под литосферными плитами, в самой верхней части мантии находится тонкий слой горячего, местами расплавленного, вязкого вещества, называемого астеносферой; по нему и скользят плиты.
Землетрясение есть следствие разрыва (гигантской трещины) в глубинах Земли, распространяющегося со скоростью нескольких километров в секунду. Излучаемые движущимися берегами разрыва упругие волны достигают земной поверхности через несколько секунд, что вызывает при сильных землетрясениях разрушение зданий и ведет к гибели людей.
К основным характеристикам землетрясений относятся:
1. Очаг землетрясения.
2. Магнитуда землетрясения (сила землетрясения).
3. Глубина очага.
4. Интенсивность сейсмических колебаний грунта.
1. Очаг землетрясения представляет собой разрыв или систему разрывов, возникших в земной коре во время землетрясения.
Область возникновения подземного удара — очаг землетрясения — представляет собой некоторый объем в толще земли, в пределах которого происходит процесс высвобождения накапливающейся длительное время энергии. В центре очага условно выделяется точка, именуемая гипоцентром. Проекция гипоцентра на поверхность земли — эпицентр.
2. Одной из главных характеристик землетрясения является энергия, излучаемая при сейсмическом толчке в форме упругих волн.
Магнитуда землетрясения (сила землетрясения). Для количественной оценки величины землетрясений предлагались разные меры, и самой практичной оказалась шкала магнитуд (М),которая позволяет сравнительно просто сравнивать между собой разные землетрясения.
Немецкий ученый Рихтер для характеристики энергии землетрясения в качестве эталона (точки отсчета) предложил принять такую энергию, при которой на расстоянии 100 км от эпицентра стрелка сейсмографа стандартного типа отклоняется на 1 мкм, т. е. энергия землетрясения определяется как десятичный логарифм отношения амплитуды сейсмических волн, замеренных на каком-либо расстоянии от эпицентра, к эталону. Изменение отношения на 10 соответствует изменению значения интенсивности колебания грунта на поверхности земли на 1 балл. Например, амплитуда землетрясения равна 300000, эталон равен 10. По шкале Рихтера амплитуда землетрясения составит: 300000 : 10 = lg 30000 =4,48.
Наивысший балл по шкале Рихтера –10.
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 довольно сильных землетрясений в настоящее время в России является магнитуда М, вычисляемая по поверхностным волнам на основе соотношения
М = lg(А\Т) + В lgΔ + ε; (1)
где А, Т — амплитуда и период колебаний в волне;
Δ — расстояние от станции наблюдения до эпицентра землетрясения;
В и ε — константы, зависящие от условий расположения станции наблюдения.
В сейсмологической практике часто вместо величины землетрясения применяют термин сила землетрясения.
3. Глубина очага землетрясения может колебаться в различных сейсмических районах от 0 до 730 км. После землетрясения определяется очаг под землей, являющийся источником землетрясения (гипоцентр) и на поверхности земли эпицентр, вокруг которого располагается область, называемая эпицентральной, испытывающая наибольшие колебания грунта.
4. Интенсивность сейсмических колебаний грунта на поверхности земли измеряется в баллах. Интенсивность в разных пунктах наблюдения разная, однако, магнитуда у толчка только одна.
Межправительственным совещанием ЮНЕСКО по сейсмологии и сейсмостойкому строительству в 1964 году в Париже была предложена шкала МSК-64 как единая международная шкала интенсивности, рекомендованная всем странам.
В настоящее время в основном используются модифицированная шкала Меркалли и шкала МSК-64, где землетрясения оцениваются по интенсивности от 1 до 12 баллов. Шкалы имеют качественные и количественные определения балльности, характеризующие последствия воздействия на окружающую среду, в том числе человека, животных, строения, продуктопроводы и пр.
Шкала МSК-64 использует классификацию, в которой увязаны признаки поведения окружающей среды, тип сооружения, степень их повреждения, количество повреждений.
Определение балла, отнесение землетрясения к той или иной интенсивности опирается на описание поведения:
а) людей и их окружения,
б) сооружений,
в) природных явлений, сопровождающих землетрясение.
В МSК-64 рассматриваются сооружения и здания, возведённые без проведения необходимых антисейсмических мероприятий типов А, Б и В.
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 тесаного камня.
Тип В — каркасные железобетонные здания, деревянные дома
хорошей постройки.
В России применяется 12-балльная шкала.
ТАБЛИЦА
При землетрясении в очаге возникает целый комплекс колебательных движений, в систему которых вовлекаются поочередно все более и более удаленные от очага частицы. В этом сложнейшем комплексе колебаний некоторые проявляются особенно ярко и в значительной степени определяют форму сейсмограмм (сейсмограмма — запись колебания почвы на сейсмических станциях). Это, прежде всего, продольные волны, распространяющиеся по толще земного шара со скоростью, достигающей 7—14 км/с. Их можно понимать как реакцию среды на внезапное изменение объема.
Поперечные волны распространяются по толще Земли со скоростью, равной 4—10 км в секунду. При продольных волнах частицы колеблются в направлении распространения волны, т. е. в направлении от очага колебаний к периферии, вдоль так называемого сейсмического луча. При поперечных волнах частицы колеблются в плоскости, перпендикулярной к направлению сейсмического луча.
В противоположность этому поперечные волны, возникающие в результате сопротивляемости среды изменениям формы, распространяются только в твердых телах; жидкость и газы не сопротивляются изменениям формы.
Энергия землетрясения черпается из окружающего очаг объема пород. Поскольку максимальная упругая энергия, которую может накопить горная порода до разрушения, определена как 103 эрг/см3, существует прямо пропорциональная зависимость между энергией землетрясения и объемом пород, отдающих свою упругую энергию во время землетрясения. Естественно также ожидать, что промежуток времени между последовательными сильными землетрясениями будет возрастать с увеличением энергии (магнитуды) землетрясения. Таким образом, вводится понятие сейсмического цикла.
Существенным для прогноза землетрясений является то, что сейсмический цикл распадается на 4 основные стадии.
Само землетрясение длится несколько минут и составляет стадию I.
Затем наступает стадия II, постепенно уменьшающихся по частоте появления и энергии афтершоков (повторными толчками).Для сильных землетрясений она длится несколько лет и занимает около 10% сейсмического цикла. Во время стадии афтершоков продолжается постепенная разгрузка очаговой области.
После этого наступает длительная стадия III сейсмического покоя, занимающая до 80% всего времени сейсмического цикла. Во время этой стадии происходит постепенное восстановление напряжений. После того, как они снова приблизятся к критическому уровню, сейсмичность оживает и в среднем экспоненциально нарастает вплоть до момента следующего сильного землетрясения.
Стадия IV активизации сейсмичности занимает, как и стадия II, примерно 10% сейсмического цикла.
Проблема прогноза землетрясений состоит в последовательном уточнении места и времени, в пределах которых следует ожидать разрушительные землетрясения той или иной энергии.
Различают несколько стадий прогноза:
· на годы (долгосрочный прогноз);
· на месяцы (среднесрочный прогноз);
· на неделю и меньше (краткосрочный прогноз);
· на дни и часы (непосредственный прогноз).
На территории страны развернута Единая система сейсмических наблюдений (БССН), включающая сеть сейсмических станций, расположенных в разных точках страны, и вычислительные обрабатывающие центры.
Помимо сейсмической сети станций развернута сеть станций наблюдения за изменениями геомагнитного поля Земли, которые являются предвестниками землетрясений. Такая сеть станций сейсмических наблюдений предназначена, в основном, для определения долгосрочного прогноза.
Со среднесрочным прогнозомдело обстоит сложнее. Здесь счет идет уже на недели, для передачи и обработки данных дорог каждый день и поэтому необходима автоматизированная система прогноза землетрясений. Элементы такой системы имеются в ряде регионов нашей страны.
С краткосрочным прогнозомположение тяжелое. Счет в таком прогнозе идет на дни и часы. Передачу данных надо вести в реальном времени. Это значит, что данные регистрации должны поступать в центр прогноза прямо после их получения на наблюдательных пунктах.