Природа и причины землетрясения и цунами

Крупнейшие геофизические катастрофы, связанные с многочисленными жертвами и разрушениями, вызываются в результате сейсмической активности литосферы, которая чаще всего проявляется в виде землетрясений. Землетрясением называется сотрясение земной коры, вызванное естественными причинами. Они проявляются в виде подземных толчков, часто сопровождаются подземным гулом, волнообразными колебаниями почвы, образованием трещин, разрушением зданий, дорог и, что самое печальное, человеческими жертвами. Землетрясения играют заметную роль в жизни планеты. Ежегодно на Земле регистрируется свыше 1 млн. подземных толчков, что составляет в среднем около 120 толчков в час или два в минуту. Можно сказать, что земля находится в состоянии постоянного содрогания. К счастью, немногие из них бывают разрушительными и катастрофическими. В год происходит в среднем одно катастрофическое землетрясение и 100 разрушительных.

Сильные землетрясения происходят довольно редко. Из катастрофических землетрясений по разрушительной силе наиболее известны Лиссабонское (1755 г.), Калифорнийское (1906 г.), Тайваньское (1923 г.), Мессинское (1908 г.), Ганьсуйское (1920 г.), Токийское (1923 г.), Иранское (1935 г.), Чилийское (1939 и 1960 г.г.), Агадирское (1960 г.), Мексиканское (1975 г.) землетрясения. На территории стран СНГ к наиболее значительным следует отнести Ашхабадское (1948 г.), Ташкентское (1966 г.), Газлинское (1976 г.), Спитакское (1986 г.), Нефтегорское (1995 г.) землетрясения.

Масштабы разрушений при крупных землетрясениях огромны. В земной коре возникают крупные дизъюнктивные дислокации. Так, при катастрофическом землетрясении 4 декабря 1957 г. в Монгольском Алтае возник разлом Богдо длиной около 270 км, а общая длина образовавшихся разломов достигла 850 км. Вот только часть из многочисленных последствий землетрясений.

· Повреждение построек:

- трескаются, рассыпаются или опрокидываются домовые трубы,

- трескаются стены; сырцовые и другие кирпичные стены теряют прочность и падают

- обрушиваются крыши

- падают выступающие части зданий (карнизы, парапеты)

- падают внутренние полки и шкафы, содержимое вываливается,

- здания раскалываются на части и падают,

- падают и разрушаются водонапорные башни и нефтехранилища,

- обрушиваются мосты, колонны и эстакады,

- становятся неровными, изгибаются и разрушаются шоссейные и же-лезные дороги,

- рвутся телефонные провода и кабели; выходят из строя линии элек-тропередачи,

- начинаются пожары,

- разрываются водопроводные трубы, нефте- и газопроводы, трубы канализационной системы.

Геологические последствия:

- на грунте появляются трещины, иногда зияющие,

- возникают воздушные, водяные, грязевые или песчаные фонтаны; при этом образуются скопления глины или груды песка,

- прекращают или изменяют свое действие некоторые родники и гейзе-ры; возникают новые,

- грунтовые воды становятся мутными (взбаламучиваются),

- возникают оползни, грязевые и селевые потоки, обвалы; происходит разжижение почвы и песчано-глинистых пород,

- происходит подводное оползание и образуются мутьевые (турбидит-ные) потоки,

- обрушиваются береговые утесы, берега рек, насыпные участки,

- возникают сейсмические морские волны (цунами),

- срываются снежные лавины; от шельфовых ледников отрываются айсберги,

- образуются зоны нарушений рифтового характера с внутренними гря-дами и подпруженными озерами,

- грунт становится неровным с участками просадки и вспучивания,

- на озерах возникают сейши (стоячие волны и взбалтывание волн у берегов); нарушается режим приливов и отливов,

- активизируется вулканическая и гидротермальная деятельность.

Землетрясения - это социальное явление, т.к. им подвержено более 10% суши, на которой проживает половина человечества. Землетрясения остаются наиболее губительными из природных катастроф - наиболее крупные из них уносят сотни тысяч жизней и оставляют следы разрушительной деятельности на тысячах км²
. Из исторических данных известно, что при землетрясении 1556 г. в Шаньси погибло 830 тысяч человек; уже в наши дни, 28 июля 1976 г. в результате катастрофического землетрясения был разрушен г.Таньшань (в 150 км к востоку от Пекина), при этом погибло 655 тыс. человек.

Землетрясения вызываются внезапными, быстрыми смещениями крыльев существующих или вновь образующихся тектонических разломов; напряжения, которые при этом возникают, способны передаваться на большие расстояния. Возникновение землетрясений на крупных разломах происходит при длительном смещении в противоположные стороны тектонических блоков или плит, контактирующих по разлому. При этом силы сцепления удерживают крылья разлома от проскальзывания, и зона разлома испытывает постепенно возрастающую сдвиговую деформацию. При достижении ею некоторого предела происходит "вспарывание" разлома и смещение его крыльев. Землетрясения на вновь образующихся разломах рассматриваются как результат закономерного развития систем взаимодействующих трещин, объединяющихся в зону повышенной концентрации разрывов, в которой формируется магистральный разрыв, сопровождающийся землетрясением. Объем среды, где снимается часть тектонических напряжений и высвобождается некоторая доля накопленной потенциальной энергии деформации, называется очагом землетрясения. Количество энергии, выделяющееся при одном землетрясении, зависит главным образом от размеров сдвинувшейся поверхности разлома. Максимально известная длина разломов, вспарывающихся при землетрясении, находится в диапазоне 500-1000 км (Камчатское - 1952, Чилийское - 1960 и др.), крылья разломов смещались при этом в стороны до 10 м. Пространственная ориентация разлома и направление смещения его крыльев получили название механизма очага землетрясения.

Центр возникновения землетрясения, т.е. то место, где началось "вспарывание" разлома, называется его фокусом или гипоцентром. Расчеты параметров гипоцентра реальных землетрясений показывают, что в первом приближении очаг представляет собой сферу, радиус которой может измеряться десятками км. Таким образом, обычно очаг землетрясения не точка, а некоторый объем, размер которого для сильных землетрясений значителен.

В очагах землетрясений возбуждаются упругие продольные Р и попе-речные S сейсмические волны, распространяющиеся во все стороны. Характер их распространения достаточно сложен и определяется особенностями внутреннего строения Земли. Точка на поверхности, расположенная на кратчайшем расстоянии от очага, называется эпицентром, а точка, наиболее удаленная от очага - антиэпицентром. Максимальной разрушительной силы землетрясение достигает в эпицентре, по мере удаления от эпицентра сила его убывает.

Линии равных значений силы землетрясения называются изосейстами, а зона, окружающая эпицентр и ограниченная изосейстой максимального значения, называется плейстосейстовой областью. Форма этой области целиком определяется геологическими условиями района эпицентра. Обычно форма плейстосейстовой области в горных районах простирается вдоль основного простирания горной цепи, хотя и бывают исключения из этого правила.

Для энергетической классификации землетрясений на практике пользуются его магнитудой (М или m). Под магнитудой (иногда неправильно называемой интенсивностью землетрясения по шкале Рихтера) понимается логарифм отношения максимального смещения земной поверхности в волне данного типа или максимальной скорости смещения к аналогичной величине для землетрясения, магнитуда которого условно принята равной нулю. Классификация землетрясений по магнитуде введена в 1935 г. американскимсейсмологом Ч.Рихтером применительно к территорииКалифорнии. В начале 40-х годовона применена Б.Гутенбергом и Рихтеромдля энергетической классификации землетрясений всего мира. Для расчета М используется эмпирический закон изменения максимальной амплитуды сейсмической волны (А) или скорости колебаний (А/Т) с эпицентральным расстоянием, т.е. расстоянием до эпицентра землетрясения - это так называемая калибровочная функция

где Т - период волны. Максимально известное значение М приближается к 9,0. За год на земном шаре в среднем происходит по одному землетрясению с М >8,0 ; десять землетрясений с М=7,0-7,9; 100 - с М=6,0-6,9; 1000 - с М=5,0-5,9; 10000 - с М=4,0-4,9. На территории СНГ магнитуда, например Камчатского-1952 землетрясения составила 8,5, Кеминского-1911 - 8,2, Ашхабадского-1948 - 7,3, Газлинского-1984 - 7,2, Спитакского-1986 - 6,9, Дагестанского-1970 - 6,6, Андижанского-1902 - 6,4, Ленинаканского-1926 - 5,7, Ташкентского-1966 - 5,1, Эстонского-1976 - 4,3.

Для перехода от магнитуды землетрясения к энергии (Е) сейсмических волн обычно пользуются соотношением: lgE = 11,8 + 1,5^.
M. В пределах бывшего СССР для классификации землетрясений на близких расстояниях широко применяют шкалу энергетических классов (К). В большинстве случаев под классом понимается логарифм энергии (в Дж) сейсмических волн, прошедших через окружающую очаг землетрясения референц-сферу радиусом 10 км (в таком понимании класс представляет собой разновидность магнитуды). Значения К определяются с помощью специальной номограммы по сумме амплитуд волн Р и S.

Сила землетрясения по ее проявлениях на поверхности Земли обычно оценивается в баллах по 10- или 12-балльной шкале. С 1952 г. в СССР принята 12-балльная сейсмическая шкала, характеристики которой приведены в табл.5.

Шкала интенсивности землетрясений

Сопоставление 12- и 10-балльной шкал

В таблице приведено соотношение между 12-балльной шкалой Меркалли, принятой в нашей стране, и 10-балльной шкалой Росси-Фореля.

Первоначально шкалы были сугубо описательными, но позже было выявлено, что номер балла коррелируется со скоростью движения грунта, либо с его ускорением или смещением. При сильных землетрясениях максимальные ускорения могут превышать ускорение свободного падения; например 1,4g во время Газлинского землетрясения (9-10 баллов, 1976). Специальные сейсми-ческие шкалы для горных выработок не разработаны, но ориентировочно можно считать, что землетрясения ощущаются под землей на 1 балл слабее, чем на поверхности. Например, по наблюдениям в скважинах в районе Токио амплитуда колебаний с частотой 10-20 Гц на глубине 3510 м ослабевала на 60 дБ по сравнению с колебаниями у устья скважины.

При изучении поверхностного эффекта землетрясения оконтуривают зоны одинаковой балльности. Разграничивающие их линии называются изосейстами. По скорости спада интенсивности с расстоянием можно оценить глубину очага. Соотношение между макс. интенсивностью землетрясения (Io) и его магнитудой зависит от глубины очага h и в среднем для континентальных зон может быть представлено соотношением:

Io=1,5M-3,51gh+3,0.

При заданных площади, сроке наблюдений и диапазоне магнитуд число землетрясений является показательной функцией магнитуды, график которой в логарифмическом масштабе известен как график повторяемости и иногда используется для сопоставления уровня сейсмичности разломных зон. Модель реального сейсмического процесса должна учитывать элементы как случайности, так и периодичности, что иногда наблюдается в некоторых районах. Например, для Курило-Камчатской и соседних островных дуг известно, что усиление сейсмичности происходит каждые 5,5 лет в каждом из блоков всей цепи островных дуг. Наиболее интересную форму эти представления получили в виде теории сейсмических брешей, предложенной для Тихоокеанского сейсмического кольца. Те места, где в ХХ в. не отмечались сильные землетрясения, рассматриваются как наиболее вероятные для возникновения сильных землетрясений в ближайшее время.

Сейсмический процесс характеризуется также группированием землетрясений. Частными случаями группирования являются: рой землетрясений; главное землетрясение с последующими толчками (афтершоками); главное землетрясение с предшествующими толчками (форшоками). Рой землетрясений - это группа (иногда очень многочисленная) мелкофокусных толчков, частота и магнитуда которых в течение определенного срока слабо меняются со временем. Самые сильные толчки распределены внутри роя случайным образом. Афтершоками, число которых может быть очень велико, сопровождаются, как правило, все более или менее сильные землетрясения. Сильнейшие афтершоки могут сопровождаться своими вторичными сериями последующих толчков. Магнитуда сильнейшего афтершока статистически на 1,2 меньше магнитуды основного толчка. Число последующих толчков быстро убывает с глубиной очага землетрясения (глубокофокусные землетрясения афтершоками практически не сопровождаются). В ограниченных зонах перед сильными землетрясениями возникают предваряющие толчки - форшоки. Их появление на фоне длительного "сейсмического молчания" позволяет своевременно предпринять меры предосторожности.

Для регистрации и изучения землетрясений во многих странах существует сеть станций непрерывного слежения за сейсмическим состоянием Земли (или, как мы теперь называем, станций сейсмического мониторинга и прогнозирования). На станциях размещаются высокоточные приборы - сейсмографы, регистрирующие малейшие колебания земной поверхности, а также комплекс прогностических методов для предсказания землетрясений с помощью различных его "предвестников".

Сейсмограф - это очень древний прибор (из геофизической аппаратуры древнее его только компас). Первый сейсмограф был изготовлен в Китае во II веке нашей эры. Несколько остроумных конструкций было предложено в Западной Европе в XVIII и в начале XIX в., но действительно эффективные записывающие приборы были изобретены только 50-100 лет назад, а в последние десятилетия они были значительно усовершенствованы. Сейсмограф представляет собой колебательную систему, предназначенную для измерения и записи сейсмических движений. Колеблющийся элемент должен быть прочно прикреплен к твердому основанию, так чтобы он двигался вместе с грунтом. Обычно этот элемент демпфируется, т.е. амплитуда его колебаний ограничивается и гасится.

Конструкции разных сейсмографов в значительной степени различаются. В одних используется горизонтально подвешенный маятник, в других - обратный маятник, установленный на пружинках вертикально. Период собственных колебаний маятника зависит от его массы, демпфированности, чувствительности подвески и эти параметры могут меняться в широких пределах. Это используется на сейсмостанциях, так как одним и тем же сейсмографом невозможно записать легкий промышленный "сейсмический шум" и сильное землетрясение, при котором очень чувствительный и слабо демпфированный сейсмограф просто "зашкалит".

В записывающем устройстве используются механические, оптические, электромагнитные элементы или их комбинации. Их назначение - передать колебания на бумагу самописца, на магнитную ленту или на магнитный диск ком-пьютера. Амплитуда так называемого "промышленного шума" во много раз ниже, чем амплитуда даже самого слабого землетрясения. Поэтому появление первых же толчков - форшоков хорошо заметно на самописце или на дисплее компьютера. Достаточно большое усиление сейсмографов позволяет "разогнать" амплитуду колебаний грунта до визуально заметных величин. Обычная величина усиления в сейсмическом регистрационном канале - десятки-сотни тысяч раз по сравнению с реальной амплитудой колебаний грунта. Хотя возможности увеличения превышают величину 4-5 млн. раз, но "промышленный шум" накладывает ограничение на повышение усиления.

Очень важна точная, до долей секунды, регистрация времени; поэтому на сейсмограммах записываются также сигналы времени, передаваемые по радиоканалу из метрологических обсерваторий (Палат точного времени).

В последние годы аппаратура существенно усовершенствовалась в связи с появлением лазерной техники и мощнейших компьютерных комплексов. В областях активной сейсмичности часто устанавливаются лазерные дальномеры на противоположных сторонах крупных разломных зон. Это делается для того, чтобы обнаружить малейший крип или подвижку склонов. Сейсмографы часто группируются, и создаются региональные сети стандартизованных сейсмографов, таких, как созданная под эгидой США и Канады Всемирная сеть стандартных сейсмографов (WWSSN). В шт. Калифорния, подверженном частым землетрясениям, имеется собственная сеть сейсмографов.

Сейсмические морские волны - цунами, иногда ошибочно называемые "приливными" волнами, часто сопровождают крупные землетрясения, происходящие в районах морского или океанического побережья. Они возникают тогда, когда энергия землетрясения передается как морскому дну, так и воде. Волны цунами характеризуются высокой скоростью и большой длиной, однако в открытом море их высота не бывает больше первых метров. С корабля в море редко можно заметить прохождение таких волн. Однако, когда эти волны выходят на мелководье, они могут стать весьма разрушительными. Высота каждой волны достигает там многих метров, потому что длина волны уменьшается из-за близости дна, как и в случае обычных волн. Соответственно энергия воды, имевшей большую глубину, концентрируется в коротком вертикальном интервале.

Цунами много раз приносили опустошение прибрежным районам. После Лиссабонского землетрясения 1755 г. высокие волны сначала осушили бухту, потом выплеснулись на берег примерно на километр, а потом смыли в море корабли, дома, мосты и людей, т.е. все, что попадалось на их пути. Цунами, возникшее в районе Алеутских островов, уничтожило 1 апреля 1946 г. маяк на мысе Датч (Аляска), расположенный на 15 м выше уровня моря. Волна проделала путь 3800 км к Гавайским островам со средней скоростью 780 км/ч. В открытом море волны имели длину 150 км. У берега их высота достигала 3-6 м. В узких заливах она вздыбливалась до отметок 10-15 м над уровнем моря. Преобразившись в движущиеся стены воды, эти волны нанесли тяжелые повреждения домам, шоссейным и железным дорогам, мостам, пристаням, волнорезам, судам и были причиной гибели 160 человек. Общий материальный ущерб на Гавайях оценивался в 25 млн. долларов (в ценах 1946 г.). Волна достигла и берегов Калифорнии, где ее высота составляла до 4 м. После этой трагедии была организована Международная система предупреждения о движении волн цунами, с тем, чтобы сообщать в населенные пункты о грозящей им опасности.

Гигантские морские волны, возникшие у побережья Чили во время землетрясения 1960 г., достигли Гавайев, пройдя 11000 км приблизительно за 15 часов (скорость - 730 км/час). Мореограф в Хило на Гавайских островах попеременно отмечал подъем и падение уровня воды, происходившее примерно с 30-минутным интервалом. Несмотря на предупреждение, эти волны в Хило и других местах Гавайских островов стали причиной гибели 60 человек и нанесли ущерб в 75 млн. долларов. Еще через 8 ч волны достигли Японии, в очередной раз разрушив там портовые сооружения; при этом погибли 180 человек. Жертвы и разрушения имелись также на Филиппинах, в Нов. Зеландии и в других частях Тихоокеанского кольца.

Рассмотрим меры защиты от землетрясений.

Когда в густонаселенной местности происходит сильный подземный толчок, многие здания получают повреждения или разваливаются. Главная причина этого - низкое качество построек. Разрушительное воздействие землетрясений связано с неустойчивостью грунта, с использованием сырцового кирпича или непрочной каменной кладки, что приводит к падению крыш и печных труб, растрескиванию фундаментов и стен.

Потенциально опасны тяжелые выступающие части домов, стенки парапетов и ненужные лепные украшения. Старая известка, незакрепленная кровля и стропила, лишенные элементов жесткости лифтовые шахты и каркасы, неукрепленные лестничные колодцы и общие стены смежных домов разного размера - все это также представляет опасность. При дифференцированных движениях рвутся подземные трубопроводы всех видов.

Чтобы свести к минимуму возможные повреждения, строители должны учитывать все геологические факторы, определяющие устойчивость здания. Скальные породы - идеальное основание для крупных сооружений. Следует избегать строительства на слабых грунтах, крутых склонах, насыпных землях. Нежелательно также возводить здания на морских утесах, на обрывистых берегах рек, вблизи глубоких котлованов и на участках с высоким уровнем грунтовых вод в рыхлых осадочных породах.

При строительстве мостов и высоких зданий необходимо обращать особое внимание на их вес, устойчивость по отношению к горизонтальным силам и на внутреннюю уравновешенность. Доказано, что железобетонные здания сравнительно устойчивы, однако деревянные, стальные и укрепленные каменные дома также могут быть сейсмостойкими, если они хорошо сконструированы и добротно построены. Для этого применяются соответствующие элементы жесткости и крепления: связывающие скобы, подпорки и стойки, анкерные болты. Наиболее безопасной конструкцией является та, которая будет гибкой и сможет двигаться как единое целое, т.е. так, чтобы отдельные ее части не ударялись друг о друга.

Обеспечение сейсмостойкости - обязательное требование при строительстве в сейсмоопасных районах. Необходимое увеличение стоимости составляет, по инженерной оценке, менее 10%, если соответствующие проблемы решаются на стадии проектирования.

Чтобы избежать катастрофических последствий в особо сейсмоопасных районах могут быть приняты некоторые административные меры. Для контроля землепользования и типов построек, разрешенных в зонах высокой сейсмичности, должны быть обязательны ограничения, налагаемые сейсмическим районированием. Это относится, например, к районам с неустойчивыми насыпными грунтами и к районам, где развиты оползни. Строительные нормы и правила должны определять стандарты различных зданий. Учет различного уровня риска в связи с особенностями геологической обстановки, выполняемый с помощью карты сейсмической опасности должен стать обычной практикой строительных и страховых компаний. Все эти меры контроля - путем районирования, совершенствования строительных норм и классификации зданий по уязвимости - особенно необходимы для предотвращения человеческих жертв и катастрофических разрушений при будущих подземных толчках в районах сейсмической опасности: по периферии Тихого океана и в Средиземноморском поясе. Серьезная проблема состоит в том, как привести ныне существующие здания в соответствие со стандартами сейсмостойкости; другая проблема - подготовка планов мероприятий по смягчению последствий разрушительных подземных толчков.