199_p1912_D2_9575

1.2.Геологические ОПП. Эндогенные опасности

Вприроде страждущей бывает часто Броженья странные; нередко землю Беременную спазмами терзают

Вее утробе замкнутые ветры, Которые, стремясь к освобожденью, Прабабушку нашу землю так трясут, Что рушатся замшелые твердыни И колокольни. При рожденьи вашем Земля – праматерь, корчами страдая, Тряслась от мук.

У. Шекспир

Землетрясения являются наиболее опасным видом природных катаклизмов. У различных народов в зависимости от их хозяйственного уклада возникали легенды о виновниках землетрясений. Так, у японцев рыбный промысел был основой их жизни, поэтому в качестве виновника землетрясений выступал сом. Кочевники связывали землетрясения с действиями огромного буйвола, держащего Землю на рогах.

Согласно концепции тектоники литосферных плит, которая сегодня считается общепринятой, основные геологические процессы, происходящие на поверхности Земли и в ее недрах, определяются движением и взаимодействием нескольких крупных литосферных плит с характерными размерами порядка нескольких тысяч километров и толщиной порядка 150 км. В первом приближении их можно рассматривать как жесткие тела, перемещающиеся в горизонтальном направлении. Большая часть очагов сильных землетрясений (более 90 %) возникает в зонах субдукции, где океанская плита пододвигается под континентальную окраину или островную дугу, погружаясь в мантию Земли. Классическими зонами субдукции считаются западные окраины Южной и отчасти Северной Америк, Алеутская дуга, Курило-Камчатская дуга, Японская, Филиппинская и Зондская островные дуги.

К зонам высокой сейсмической активности относится и АльпийскоГималайский коллизионный пояс, протянувшийся в субширотном направлении и соединяющий Гималаи на востоке с горными сооружениями, обрамляющими Средиземное море, на западе. Сильные землетрясения возникают в этих зонах из-за внезапного высвобождения упругой энергии, накопленной здесь в больших количествах в результате трения литосферных плит при пододвигании одной из них под другую (процесс субдукции) или при их столкновении (процесс коллизии).

Наряду с упомянутыми зонами конвергенции (или схождения) плит существуют дополняющие их зоны дивергенции (или спрединга) лито-

21

сферных плит, расположенные в пределах океанов и окраинных морей, где плиты раздвигаются, а возникающее между ними пространство заполняется магмой, которая при охлаждении наращивает океаническую литосферу. В результате этого рождаются и впоследствии разрастаются океаны. В настоящее время на Земле можно видеть последовательное развитие океана от возникновения трещины на континенте (континентальная рифтовая зона), лишенной океанской литосферы до развитого Атлантического океана и далее «умирающего» Тихого океана, окруженного со всех сторон зонами подвига.

Землетрясения возникают как результат деформаций упругого слоя литосферы в тех случаях, когда накопленные в среде напряжения превышают прочность слагающих его горных пород. Считается, что землетрясения с М < 5,5 обусловлены развитием «мелкой» трещиноватости в среде и подвижками по плоскостям разломов, землетрясения с М > 5,5 – лавинным разрывообразованием и прорастанием крупных разломов протяженностью от нескольких десятков до нескольких сотен километров. Сосредоточенная сейсмичность проявляется в подвижных поясах Земли. Именно здесь происходят наиболее мощные землетрясения, сопровождающиеся человеческими жертвами и большим социальноэкономическим ущербом. Рассеянная сейсмичность характерна для внутриплитных областей и имеет более низкий энергетический уровень. Такие землетрясения могут быть опасными при неглубоком залегании очагов и плохом инженерно-техническом уровне строительства сооружений.

Место внутри Земли, в котором произошла локализация напряжений с последующими нелинейными деформациями и разрушением пород, называют очагом землетрясения, а точка, откуда начинается прорастание разрыва – гипоцентром. Эпицентр – это проекция гипоцентра на земную поверхность, т. е. условная точка на Земле, расположенная над очагом землетрясения.

Глубиной очага землетрясения называется расстояние от поверхности Земли по нормали до гипоцентра, или очага. В зависимости от глубины (Н) очага, землетрясения подразделяются на мелкофокусные (0–70 км), промежуточные (70–300 км) и глубокофокусные (более 300 км). Максимально зарегистрированная глубина очагов около 700 км. Однако подавляющее большинство землетрясений приурочено к интервалу до 100–200 км.

Потенциальная энергия, накопленная в очаге землетрясения, при упругих деформациях пород переходит в кинетическую, возбуждая сейсмические волны в окружающих очаг породах. Область очага накануне землетрясения находится в крайне неравновесном состоянии и поэтому «спусковой крючок», вызывающий разрядку напряжений, может быть

22

незначительным по мощности (например, быстрое заполнение водохранилища, быстрое изменение атмосферного давления).

Основные параметры землетрясения, его магнитуда и энергия зависят от размеров и конфигурации очага, от накопившихся деформаций и глубины реализации. Процесс подготовки может продолжаться тысячи лет, а перед землетрясением он резко ускоряется. Что может говорить об изменениях физических свойств среды в зоне очага? Сейсмические исследования показывают, что в очаге при сильных землетрясениях происходят фазовые изменения и даже частичное плавление окружающих пород. Такие зоны на сейсмических записях выглядят в виде обширного яркого пятна.

Основной поражающий фактор землетрясения – сейсмическая волна, расходящаяся от очага во всех направлениях. Теория распространения сейсмических волн базируется на теории упругости, так как геологическая среда в первом приближении может считаться упругой. В зависимости от специфики колебаний частиц грунта различают следующие типы волн: объемные: продольные и поперечные; поверхностные: Рэлея и Лява. Поверхностные волны Рэлея и Лява образуются сложным колебанием частиц в слоистой структуре Земли. Колебания частиц напоминают эллипсы, но для волн Лява плоскость эллипсов ориентирована горизонтально, а для волн Рэлея – вертикально. Скорость распространения продольных волн около 8 км/с, поперечных – в среднем 5 км/с, поверхностных (каналовых) – около 2 км/с.

Когда говорят о силе землетрясения, имеют в виду либо интенсивность толчка, либо его магнитуду. Магнитуда – мера высвобожденной при толчке энергии сейсмических волн. Магнитуда должна иметь единственное значение, так как характеризует конкретный очаг. Магнитуда – безразмерная величина, характеризующая общую энергию упругих колебаний, вызванных землетрясением, которая находится в пределах от 0,0 до 9,0. В 1935 г. Ч. Рихтер предложил оценивать энергию землетрясений, используя для этого 9-магнитудную шкалу (табл. 1.3).

Энергия землетрясений (Е) – это величина потенциальной энергии, которая освобождается в виде кинетической энергии после разрядки напряжения в очаге и, достигая поверхности Земли в виде упругих сейсмических волн, вызывает ее колебания. Для расчетов энергии с 1956 г. обычно пользовались эмпирической зависимостью Гуттенберга–Рихтера:

lg E = b + a × Ms.

При увеличении магнитуды землетрясения на единицу его энергия возрастает примерно в 32 раза (тогда как амплитуда колебаний земной поверхности – в 10 раз). При самых сильных толчках с магнитудой около 9 излучается энергия 1025 эрг. Ее хватило бы для обеспечения электро-

23

энергией небольшого города в течение более 500 лет. Энергия, выделяющаяся при землетрясении средней силы, сравнима с энергией ядерных взрывов (мегатонная бомба выделяет около 4,12 × 1015 эрг). Однако лишь незначительная часть ядерной энергии переходит в этом случае в сейсмическую. Только взрыв 50-мегатонной бомбы может высвободить столько же сейсмической энергии, сколько и землетрясение с магнитудой 7,3 по Рихтеру (Мазур, Иванов, 2004). При этом собственно сейсмическая энергия, уносимая упругими волнами, составляет лишь небольшую (от 1 до 10 %) долю всей энергии, выделившейся при землетрясении. Огромная энергия излучается в виде тепла (плавление горных пород). Существует верхний предел мощности землетрясений: он определяется прочностью пород, которая ограничивает возможную величину накопленных напряжений.

Энергетический класс землетрясения (К) определяется на расстоянии 10 км от гипоцентра, он изменяется от 0 до 18. Существует определенная зависимость между энергетическим классом и магнитудой землетрясений (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Зависимость между энергетическим классом (К) и магнитудой землетрясений (М)

Интенсивность (I0) – это внешний эффект землетрясения на поверхности Земли, который выражается в определенной величине смещения почвы, частиц горных пород, степени разрушения зданий и т. д. Интенсивность сейсмических воздействий на различные объекты зависит от

гипоцентрального расстояния: С = E 2 + R2 . С увеличением гипоцентрального расстояния интенсивность колебаний уменьшается.

Для оценки интенсивности сейсмических колебаний на урбанизированных территориях в 1964 г. была предложена шкала MSK-64 (табл. 1.3). Она позволяет оценить силу землетрясений по произведенному ими эффекту на поверхности и имеет сходство со шкалой Меркалли–Канкани (табл. 1.4). В Японии оценка ущерба оценивается по 7-балльной шкале. Условность таких шкал очевидна: сила землетрясения напрямую зависит от качества строительства, объективности оценок и других факторов. Краткая характеристика деформации горных пород и изменения режима поверхностных и подземных вод (Иванов, Тржицинский, 2001) приведена в табл. 1.5; шкала интенсивности сильных землетрясений по сейсмодислокациям (Солоненко, 1975) в табл. 1.6.

24

Когда происходит землетрясение, сейсмологи определяют зону, затронутую им. Изосейсты – линии, соединяющие точки (пункты на местности), в которых землетрясение проявилось с одинаковой интенсивностью. Плейстосейстовая зона – место на поверхности Земли, располагающееся непосредственно над гипоцентром или очагом землетрясения и характеризующееся максимальной интенсивностью землетрясения.

Таблица 1.3

Шкала MKS-64 в сравнении с магнитудной шкалой Ч. Рихтера

Таблица 1.4

Последствия землетрясений в зависимости от интенсивности по международной шкале Ж. Меркалли

26

Таблица 1.5

Шкала остаточных деформаций горных пород и изменение режима поверхностныхиподземныхводпошкалеMSK-64 (Иванов, Тржцинский, 2001)

5В некоторых случаях меняется дебит источников Иногда трещины на поверхности Земли шириной до 1 см; в

6горных районах – оползни. Изменения дебита источников и уровня воды в колодцах На поверхности воды волны, вода мутнеет из-за поднятия ила.

7Меняется уровень воды в колодцах и дебит источников. Иногда возникают новые или пропадают старые источники, родники; иногда – оползни в берегах рек.

Появляются небольшие оползни на крутых откосах выемок и насыпей дорог; трещины в горных породах достигают шири-

8ны нескольких сантиметров. Возникают новые водоемы. Иногдапересохшиеколодцынаполняются водойилисуществующие колодцы иссякают. Во многих случаях изменяется дебит источников и уровень воды вколодцах Происходят наводнения на равнинах; часто заметны наносы

песка и ила. Трещины в горных породах достигают ширины

910 см, а по склонам и берегам рек – свыше 10 см; кроме того, большое количество тонких трещин. Скалы обваливаются; часты оползни и осыпи. На поверхности воды большие волны Появляются трещины в горных породах шириной несколько

дециметров, в некоторых случаях до 1 м. Параллельно руслам водных потоков появляются широкие разрывы. Осыпаются

10рыхлые породы с крутых склонов. Возможны большие оползни на берегах рек и крутых морских побережьях. В прибрежных районах перемешаются песчаные и илистые массы; выплескивается вода из каналов, озер, рек и т. д. Возникают новые озера Отмечаются широкие трещины в почве, разрывы и перемеще-

11ния в различных направлениях; горные обвалы. Определение интенсивности сотрясения (балльности) требует специального исследования Происходят радикальные изменения земной поверхности. На-

блюдаются значительные трещины в горных породах с обшир-

12ными вертикальными и горизонтальными перемещениями, горные обвалы и обвалы берегов рек на больших площадях. Возникают озера, образуются водопады, изменяются русла рек

27

Таблица 1.6

Шкалаостаточныхдеформацийсильныхземлетрясений посейсмодислокациям(Сейсмическаяшкала..., 1975)

96,5– трещины в грунтах, разрывы и крошение мерзлого грунта и льда. 7,0 Массовые грязевые извержения и просадки водоносных мелкоземистых грунтов. Земляные лавины и потоки, волны додециметров

высотой

Взонах активных разломов трещины длиной от нескольких сантиметров до 100 см. Ширина трещин в рыхлых грунтах до 20 м.

Как правило, землетрясения протекают в виде серии толчков, которые включают форшоки, главный толчок и афтершоки. Число толчков и промежутки времени между ними могут быть различными. Главный толчок имеет наибольшую силу. Иногда серия форшоков длится достаточно долго, и это отчасти вводит в заблуждение, так как некоторые форшоки могут быть достаточно сильными, что создает иллюзию, что основной толчок прошел.

Существует понятие – наведенная сейсмичность. Она имеет антропогенный характер и возникает в результате деятельности человека вследствие мощных взрывов, обрушения подземных инженерных сооружений, продавливания верхнего слоя земной поверхности при сооружении искусственных водохранилищ с большим объемом содержания воды, возведения городов с высокой плотностью застройки многоэтажными зданиями.

Подсчитано, что в год на Земле фиксируется около 100 тыс. слабых толчков. Сильных бывает около 100 по всему земному шару (1 катастрофическое, а остальные – разрушительные). Сильнейшие землетрясения М = 7,8 и более по Рихтеру сотрясают планету 1 раз в 10 лет. Ежегодно в мире число жертв землетрясений составляет около 10 тыс. чел. Число жертв зависит не только от силы землетрясения, но и от плотности населения, сейсмостойкости построек, оперативности спасательных мер. К сожалению, численность населения в сейсмоопасных районах постоянно растет, увеличивается также число уязвимых сооружений и опасных производств.

Факты истории

1 ноября 1755 г. Землетрясение в Лиссабоне (Португалия), М = 9(?). Разрушена часть города, возникла волна цунами высотой 17 м. Погибли 60 тыс. чел.

18 апреля 1906 г. Землетрясение в Сан-Франциско (США), М = 8,3. Погибли 700 чел. После землетрясения возник пожар, который бушевал трое суток и ущерб от которого в 16 раз превысил ущерб, причиненный собственно землетрясением.

16 декабря 1920 г. Землетрясение в Китае, М = 8,5. Разрушения отмечались на площади около 1 млн км2. Погибли свыше 200 тыс. чел. Города и селения в эпицентральной зоне стерты с лица земли.

1 сентября 1923 г. Землетрясение в Японии, М = 8,2. Морское дно в заливе Сагами опустилось на 400 м. Разрушены гг. Токио и Иокогама. Вся местность почти на 50 м сместилась по горизонтали, а амплитуда смещения доходила до 2,5–4 м. После обрушения сотен тысяч домов возник грандиозный пожар. Погибли 143 тыс. чел.

29

6 ноября 1948 г. Землетрясение в г. Ашхабаде (СССР), М = 8. Площадь сотрясений составила 1 тыс. км2. Город почти полностью разрушен. Погибли около 40 тыс. чел.

15 августа 1950 г. Землетрясение в Гималаях, М = 8,7. Изменения рельефа земной поверхности в эпицентральной области. Разрывы горных хребтов, оползни. Район малонаселен, жертвы среди населения были незначительные.

22 мая 1960 г. Землетрясение в Чили, М = 8,6. За главным толчком последовало цунами, высотой 11–12 м. Пораженная территория простиралась на 300–400 км по обе стороны от эпицентра. Все южные провинции Чили разрушены. Погибли около 10 тыс. чел

27 марта 1964 г. Землетрясение на Аляске, М = 8,6. Общая длина поверхностных разрушений в эпицентре составила 800 км, глубина разрыва 180–200 км. Вертикальные смещения достигали 10 м, а горизонтальные 20 м. Землетрясение вызвало огромные оползни и срывы.

31 мая 1970 г. Землетрясение в Перу, М = 7,6. Площадь разрушения составила 100 тыс. км2. Образовались лавины в горном массиве. Погибли 60 тыс. чел.

4 февраля 1976 г. Землетрясение в Гватемале, М = 8,0. Площадь разрушения составила 9 тыс. км2. Горизонтальные смещения достигали 3 м, возникли трещины шириной до 9 м. Толчки сопровождались оползнями. Погибли 22 тыс. чел., ранено 70 тыс.

28 июля 1976 г. Землетрясение в Китае, М = 8,2. Полностью разрушен г. Таншань, так как эпицентр располагался прямо под г. По свидетельству очевидцев, непосредственно перед первым подземным толком на многие километры небо осветилось сиянием. Погибли 242 тыс. чел.

4 марта 1977 г. Землетрясение в Румынии интенсивностью до 9 баллов. Очаг находился в районе Вранча, у изгиба Карпат. Землетрясение ощущалось на огромной территории Восточной Европы, России, Италии. Большая часть ущерба пришлась на Бухарест, где обрушилось 35 старых каменных и кирпичных зданий, в том числе и жилые дома с железобетонным каркасом. Погибли 2 тыс. чел., 10 тыс. ранено.

10 октября 1980 г. Землетрясение в Аль-Аснаме (Алжир) М = 7,2. Было разрушено большинство общественных строений города. Колебания земной поверхности распространились в направлении Средиземного моря, прошлись по сельской местности, образовав на окружающих холмах и равнинах расселины. Погибли 6 тыс. чел., остались без крова 250 тыс.

18–19 сентября 1985 г. Землетрясение в Мехико (Мексика), М = 7,5–8,1. Эпицентры обоих землетрясений находились в прибрежной полосе, вдоль которого ложе Тихого океана уходит под Мексиканское побережье. Рухнули сотни зданий города. Погибли свыше 5 526 чел., 40 тыс. получили ранения, 31 тыс. остались без крова.

30