книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

иг л а в а

ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ОПАСНЫЕ ПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ

А. Эндогенные опасные природные процессы

11.1

Землетрясения

11.1.1

Основные характеристики землетрясений

О землетрясениях слышали все, даже те, кто живет далеко от опасных областей. Издавна о землетрясе­ ниях слагались легенды.

У различных народов в зависимости от их хозяй­ ственного уклада возникали разные легенды о ви­ новниках землетрясений. Так, у японского народа рыбный промысел был основой их жизни, поэтому в качестве виновника землетрясений выступал сом (рис. 11.1). Кочевые народы связывали землетрясения с действиями огромного буйвола, держащего Землю на рогах, и т.д.

Что же такое землетрясения, где и как они про­ исходят, чего от них можно ожидать и как с ними бо­ роться?

471

Раздел II. Опасные природные процессы

Рис. И З . Очаговая область Ташкентского землетрясения 1966 г. Разрез через город

М еханизм возникновения землетрясений. Он очень сложен и трактуется

неоднозначно. Основные параметры землетрясения, его магнитуда и энергия зависят от размеров и конфигурации очага, от накопившихся деформаций и глубины реализации.

Реологические свойства горных пород меняются с глубиной (рис. 11.4), и это сказывается на распределении землетрясений: возникают зоны пла­ стичного и хрупкого состояния пород.

Процесс «подготовки» может продолжаться тысячи лет, а перед земле­ трясением он резко ускоряется. Чаше всего используют модель плоского разрыва, под которую рассматриваются и геологические смещения на по­ верхности Земли и интерпретируются фокальные механизмы землетрясений. Однако землетрясение сопровождается не только нелинейными деформаци­ ями типа разрывов и деформаций. Второй обязательной компонентой явля­ ются упругие сейсмические волны. Мы видим результат воздействия сейс­ мических волн на поверхности. При сильных землетрясениях последствия ужасны. Что же можно говорить об изменениях в зоне очага? Сейсмические исследования показывают, что в зоне очага при сильных землетрясениях происходят фазовые изменения и даже частичное плавление окружающих

474

Гшва II. Гео югические опасные природные процессы

порол. Такие зоны на сейсмических записях выглядят в виде обширного «яркого пятна».

Рис. 11.4. Изменение с глубиной реологических свойств глубинных континен­ тальных пород и скорости прохождения в них сейсмических волн: а — предпола­ гаемая схема изменения с глубиной прочности и напряжения; 6 — реологические зоны земной коры, косая штриховка — непроницаемая переходная зона, верти­ кальная штриховка — зона интенсивного изменения свойств литосферы; в — осредненное изменение скорости продольных сейсмических волн с глубиной [Ива­ нов С.Н., 1994]

Сейсмические волны. Теория распространения упругих (сейсмических) волн базируется на теории упругости, так как геологические среды в первом приближении можно считать упругими. Абсолютно упругим называется та­ кое тело, которое после прекращения действия приложенных к нему сил вос­ станавливает свои первоначальные форму и объем. Тела и среды, в которых развиваются необратимые деформации, называются пластичными, неупруги­ ми. Фактически любая среда в зависимости от приложенной нагрузки может вести себя и как упругая, и как неупругая. Изменение формы, объема и раз­

475

Раздел II. Опасные природные процессы

меров под действием напряжений называется деформацией. Напряжения (си­ лы, действующие на единицу площади), как и деформации, могут быть рас­ тягивающими, сдвиговыми или сжимающими. Коэффициенты связи между напряжениями и деформациями среды называются модулями упругости.

По закону Гука деформация растяжения (сжатия) (AL) в идеально уп­ ругих средах прямо пропорциональна напряжению:

AL / L = (F / S) х (1 / Е): (AL / L) / (Ad / d) = 8.

где Е — модуль Юнга (модуль продольного растяжения); L, d, S — длина, диаметр и поперечное сечение испытуемого цилиндрического тела; F — при­ ложенная сила; 8 — коэффициент Пуассона (модуль поперечного сжатия).

Третьим упругим модулем является модуль сдвига (о), связанный с мо­ дулем Юнга и коэффициентом Пуассона соотношением:

а = Е / 2 ( 8 + 1).

Наконец, четвертым является модуль всестороннего сжатия:

К = Е / 3 (8 - 1).

После возбуждения в очаге возмущения возникает смещение, которое распространяется в другие части среды путем передачи деформаций и на­ пряжений за счет упругих связей между частицами.

Распространение деформаций носит волновой характер. В зависимости от специфики колебаний частиц грунта различают следующие типы волн:

объемные волны: продольные, которые на сейсмограммах регистрируют­ ся первыми, поэтому обозначаются символом Р (от англ, primary — пер­ вичные) (рис. 11.5), и поперечные, регистрируемые вторыми, обозначае­ мые символом S (от англ, secondary — вторичные) (рис. 11.6);

поверхностные волны: Рэлея и Лява.

Рис. 11.5. Движение грунта вдоль направления прохождения волн Р похоже на движение витков пружины при резком смешении одного из ее концов. Волна рас­ пространяется вдоль пружины от одного конца к другому в виде чередующихся сжатий и растяжений витков. Отдельные витки смещаются только вперед-назад [Гир Дж., Ш ахХ., 1988]

476

Гшва IГ Геологические опасные природные процессы

Смещение

Рис. //.6 . Движение частиц грунта вдоль направления прохождения волн S похо­ же на движение веревки при смешении ее конца вверх-вниз. Хотя волна распростра­ няется вдоль длины веревки, отдельные частицы веревки движутся только вверх и вниз перпендикулярно направлению распространения волны [Гир Дж., Шах X., 1988]

Поверхностные волны Рэлея и Лява образованы сложным колебанием частиц поверхности Земли (рис. 11.7). Колебания частиц напоминают эллип­ сы, но для волн Лява плоскость эллипсов ориентирована горизонтально, а для волн Рэлея — вертикально.

Рис. 11.7. Частицы грунта при прохождении волн Лява (слева) и Рэлея (справа) колеблются по эллиптическим орбитам Плоскость эллипса для волн Лява (LQ) ори­ ентирована юризонтально, а для волн Рэлея (LR) - вертикально (аналогично кача­ нию пробки на волне — вверх-вниз и одновременно вперед-назад) [Эйби Дж.А., 1982]

477

Разде J II. Опасные природные процессы

Скорости распространения продольных (Vp) и поперечных (Vs) волн выражаются через коэффициенты

упругости по следующим формулам:

где Е — модуль Юнга; 8 — коэффициент Пуассона; р — плотность горной породы.

Согласно приведенным формулам объемные упругие волны различают­ ся по скорости распространения. В большинстве горных пород отношение Vp / \ \ меняется от 1,3—1,6 (для высокопористых газонасыщенных пород), к 1,5—2 (для сцементированных скальных или водо- и нефтенасышенных) до 2—3 (для рыхлых, плохо сцементированных пород типа лессов, песков, глин). Этим отношением определяется коэффициент Пуассона.

Когда говорят о силе землетрясения, имеют в виду либо интенсивность толчка, либо его магнитуду. Интенсивность толчка — это мера проявлений колебаний и разрушений, вызванных землетрясением по мере удсиения от очага

(т.е. картина пространственного затухания энергии зем 1етрясения)чмагниту­ да — мера высвобожденной при толчке энергии сейсмических волн. Первая уменьшается по мере удаления от эпицентра, вторая должна иметь единст­ венное значение, так как характеризует конкретный очаг.

Магнитуда (М) является наиболее универсальной и физически обосно­ ванной характеристикой землетрясения. Это безразмерная величина, харак­ теризующая общую энергию упругих колебаний, вызванных землетрясением, которая находится в пределах от 0,0 до 9,0. Классификация землетрясений по величине и мощности очага ведется по шкале магнитуд. Первая шкала маг­ нитуд землетрясений была изобретена в 1935 г. американским профессором Чарлзом Фрэнсисом Рихтером и носит его имя. В настоящее время исполь­ зуется несколько магнитудных шкал.

В шкапе локальных магнитуд (первоначальная шкала Рихтера) за маг­ нитуду толчка принимается величина ML= lg Ап1ах, где Amax — максимальная амплитуда колебании (в мм) по записи стандартного короткопериодного (0,8 с) крутильного сейсмографа на эпицентральном расстоянии 100 км.

Эта шкала была разработана применительно к сейсмогеологическим условиям Калифорнии для изучения землетрясений с удалением эпицент­ ров до 600 км и глубиной фокуса менее 30 км, когда в общем спектре сейс­ мических нагрузок преобладают поперечные волны.

Для оценки удаленных землетрясений (более 2000 км от эпицентра), где короткопериодные сейсмографы бесполезны, введена телесейсмическая магнитудная шкапа для поверхностных волн с периодом 18—22 с:

478

Гшва II. Геологические опасные природные процессы

Ms = Ig ( А / Т ) + 1,66 lg D + 3,30,

где А — максимальная амплитуда колебаний почвы (мкм); Т — соответст­ вующий период колебаний (в с); D — расстояние до эпицентра (градусы)

Глубокие тодчки не порождают поверхностных волн. Поэтому американ­ ский сейсмолог Бено Гутенберг предложил для эпицентральных расстояний 600—2000 км унифицированную магнитуду, определяемую по амплитуде объ­ емных (обычно продольных) волн с периодом 4—5 с:

mb = lg ( А/ Т) + Q(D, h),

где Q — поправка, зависящая от эпицентрального расстояния D и от глу­ бины фокуса очага h.

Эти шкалы позволяют оценивать энергию практически всех значимых землетрясений во всем мире, а также осуществлять международный конт­ роль за ядерными взрывами по шкале Рихтера.

Оказалось, однако, что при сильном землетрясении с большой площадью разрыва гораздо выше доля энергии длиннопериодных волн, и величины шь и Ms для таких толчков заметно ниже M L. Поэтому все чаще используются другие характеристики — сейсмический момент и излученная энергия. Сов­ ременные методы анализа форм и амплитуд записей сейсмических волн, за­ регистрированных на разных расстояниях и по разным азимутам от сейсмо­ генерирующего разлома, позволяют получить необходимые параметры для расчета сейсмического момента толчка:

MW = m х S х bdc,

где m — сдвиговая прочность пород в зоне разлома; S — площадь поверх­ ности разрыва; bdc — среднее смещение по разлому.

Сейсмический момент представляется более обоснованной характери­ стикой величины землетрясения, поскольку при вычислениях учитываются и геометрия разрыва, и положение наблюдателя относительно его. Поэтому появилась и новая шкала, в которой магнитуда определяется по сейсмиче­ скому моменту.

Энергия землетрясений (Е) — это величина потенциальной энергии, кото­ рая освобождается в виде кинетической энергии после разрядки напряжения в очаге и, достигая поверхности Земли в виде упругих сейсмических волн, вы­ зывает ее колебания.

Для расчетов высвобожденной при толчке упругой энергии с 1956 г. обычно пользовались эмпирической зависимостью Гутенберга — Рихтера:

lg Е = b + а х Ms,

где энергия Е выражена в эргах, несмотря на то, что телесейсмическая маг­ нитуда рассчитывается по амплитудам волн в узком частотном диапазоне

479

Раздел II. Опасные природные процессы

и игнорирует высокочастотные составляющие толчка. Для сильных землетрясений b = 11,8; а = 1,5, для слабых b = 11; а = 1,8. Например, при землетря­ сении с М = 5,5 по шкале Рихтера Е 102Пэрг.

Связь между М и длиной сейсмогенерирующего разрыва L (км) на по­ верхности Земли в среднем определяется соотношением:

М = 6,03 + 0,76 lg L.

Современные цифровые сейсмографы чувствительны к колебаниям с пе­ риодами от 0,1 до 100 с, что делает возможным определение потока упругой энергии в широком частотном диапазоне. В результате появилась еще одна магнитуда, рассчитываемая непосредственно по энергии толчка:

10м м ' < Е < Ю1-8 4.

При увеличении магнитуды землетрясения на единицу его энергия воз­ растает примерно в 32 раза (тогда как амплитуда колебаний земной поверхно­ сти — в 10 раз). При самых сильных толчках с магнитудой около 9 излучает­ ся энергия порядка 1025 эрг. Ее хватило бы для обеспечения электроэнергией небольшого города в течение более 500 лет. Энергия, выделяющаяся при зе­ млетрясении средней силы, сравнима с энергией ядерных взрывов (мегатонная бомба выделяет около 5 х 102? эрг). Однако лишь незначительная часть ядерной энергии переходит в этом случае в сейсмическую. Только взрыв 50 мегатонн тринитротолуола может высвободить столько же сейсмической энергии, сколько землетрясение с магнитудой 7,3 по Рихтеру. При этом соб­ ственно сейсмическая энергия, уносимая упругими волнами, составляет лишь небольшую (от 1до 10%) долю всей энергии, выделяющейся при землетрясе­ нии. Огромная энергия излучается в виде тепла: об этом свидетельствует пла­ вление горных пород в зоне разлома (фазовые переходы). Ввиду большой из­ менчивости энергии нередко используют ее логарифм.

Наличие нескольких магнитудных шкал отчасти запутывает представле­ ние о силе толчка для неспециалиста. Тем более что все они рассчитывают­ ся по разным данным: Ms и — по записям низкочастотных составляю­ щих колебаний, ML, Мс и т ь - по относительно более высокочастотным составляющим. И характеризуют они разные физические стороны земле­ трясения, поэтому их значения для одного и того же события часто не сов­ падают. В каталогах землетрясений и базах данных для специалистов ука­ зывается несколько магнитуд (обычно Ms. mb и Mw). Наиболее надежной величиной, особенно для сильных земзетрясений, признается моментная магнитуда Mw. Учитывая удовлетворительную сходимость значений магни­ туды по разным шкалам для толчков в диапазоне 5,5—7 (это достаточно многочисленные толчки, обычно вызывающие разрушения), любую из них в повседневном употреблении вполне корректно можно именовать магниту­ дой по Рихтеру. В этом нет противоречия, ведь в основе всех магнитудных шкал лежит исходная идея Ч. Рихтера о наличии эмпирической количествен-

480