Понятие и классификация землетрясений. Физические характеристики. Примеры. Защитные мероприятия

В настоящее время на территории региона имеется современная станция в лаборатории-обсерватории Института геофизики УрО РАН "Арти", успешно работающая в рамках Федеральной системы сейсмологических наблюдений, сейсмостанция в г. Екатеринбурге Объединенного института физики Земли РАН, две многоканальные (в виде локальных сетей) цифровые сейсмостанции Горного института УрО РАН, осуществляющие мониторинг природной и техногенной сейсмичности на рудниках Верхнекамского месторождения калийных солей (г. Соликамск и Березники), станция в Североуральске, выполняющая мониторинг и прогноз сейсмической активности на шахтах Североуральского бокситового рудника и сейсмостанция на Южноуральских бокситовых рудниках с аналогичными задачами (СУБР, Уральский филиал ВНИМИ, ЮУБР). Обсерватории "Екатеринбург" и "Арти" входят в Единую сеть сейсмических наблюдений стран СНГ, а "Арти" и в Мировую сеть сейсмических станций. Другие ближайшие к Уралу станции ЕССН находятся на расстоянии 700 км ("Боровое"), 1450 км ("Москва") и 1500 км ("Семипалатинск") от Екатеринбурга и регистрируют лишь наиболее сильные события с магнитудами более 4.0.

Уральские землетрясения имеют различную природу.

Несколько землетрясений относятся к обвальным (карстово-провальным или денудационным). Они характеризуются малой силой, небольшой площадью распространения и связаны с существованием карстовых пустот в районе Пермского и Башкирского Предуралья (Вейс-Ксенофонтова, Попов, 1940; Левицкая, 1961; Никонов, 1996 и др.).

14.01.1879 г. "было моментальное землетрясение  близ деревни Беисовой, Стерлитамакского уезда, Уфимской губернии. Оно сопровождалось двумя подземными ударами, после которых произошел провал в форме котла, имеющий в окружности 60 саж. (провал находился в лесу в километре от деревни). Жители за два дня слышали в лесу подземный шум. Свидетель провала говорит, что было два удара: первый очень сильный; после второго удара земля с растущими деревьями стала опускаться, причем заклокотала вода и покрыла деревья с вершинами".

В марте, а затем в ноябре 1911 г. в селениях, расположенных вдоль реки Косьвы Пермской губернии, вследствие больших обвалов (карстовых явлений, обычных в этой местности) наблюдались толчки, сопровождавшиеся подземным гулом. Во время более сильных толчков замечено колебание висячих предметов. В некоторых местах перекосился пол и повело двери.

10.08.1915 г. при провале  в 25 км от Кунгура в самом городе сотрясения составили 3-4 балла.

Имели место также техногенные причины, вызвавшие денудационные землетрясения (Вейс-Ксенофонтова, Попов, 1940):

В октябре-декабре 1934 г. в Верхне-Губахинском поселке Кизеловского района жители ощущали подземные толчки. Самый сильный толчок наблюдался 28.11.1934 г. Толчки сопровождались звоном посуды и оконных стекол, передвижением мелких и крупных предметов домашней утвари и т.п. В одном из домов растрескалась стена и обвалился небольшой кусок штукатурки. Наиболее заметно было колебание в верхних этажах шлакобетонных домов. В низких деревянных домах колебание ощущалось слабее. Толчки имели "горизонтальное направление". Продолжительность колебаний 8-10 сек. Комиссия, выяснявшая причины землетрясения, пришла к выводу, что наиболее вероятной причиной было обрушение сводов карстовых пустот в связи с горными выработками в районе.

В последние десятилетия землетрясения, связанные с влиянием интенсивных горных работ, случались в Кизеловском бассейне, на Североуральском, Южноуральском бокситовых рудниках и Верхнекамском месторождении калийных солей (Маловичко и др., 1995-1998 и др.). В середине 90-х годов шахты Кизеловского бассейна закрыты и затоплены, техногенная сейсмическая активность здесь не наблюдается и вряд ли возобновится в ближайшее время.

Имеется описание землетрясения, по-видимому, связанного с гидравлическим ударом (взрывом без воспламенения, с выбросом грунта и флюидов) (Вейс-Ксенофонтова, Попов, 1940; Никонов, 1996):

В конце мая (или начале июня) 1885 г. произошел провал по речке Хлебной, находящейся близ д. Шишкиной (в 54 км от Оренбурга). "Окрестные жители были поражены гулом как бы от пушечного выстрела. Лошади прибежали домой с пастбищ. У подножия холма, заросшего лесом, сбежавшиеся поселенцы увидели сильный обвал: земля, поросшая лесом, отброшена более чем на 300 саж. («640 м) от холма. Среди разбросанных глыб оказалась яма в виде кратера продолговатой формы, шириною до 6 саж. (12-13 м). Дно было заполнено массой плывуна и осыпавшейся земли".

По мнению А.А. Никонова (устное сообщение), взрывом скопившихся под землей газов объясняется событие 29.08.1914 г. в районе Сатки.

По крайней мере два события, судя по их описанию, могут быть отнесены к сотрясениям метеоритного (импактного) происхождения (Г. Вейс-Ксенофонтова, Попов, 1940; Никонов, 1996).

12.09.1841 г. в Нижне-Тагильском заводе  наблюдалось легкое колебание  почвы, от которого мебель и  домашняя утварь пришли в сотрясение: "один из жителей, ловивший  ночью рыбу с лодки на заводском  пруду услыхал во втором часу утра удар с северной стороны, потом гул и шум, отчего вода заколыхалась, рыба поднялась наверх, а он сам едва спасся на берег". Подземный гул, слышанный на поверхности земли, как перекаты, в шахтах раздался, как сильный удар грома, с треском. Точно такие же явления наблюдались в Чернореченском заводе. На западном склоне Урала (в Висимо-Уткинском) подземного гула не было слышно. "В Н. Тагиле в 4 часа утра небо озарилось розоватым заревом как бы от пожара. К 6 часам зарево стало мутножелтым". "Атмосфера с самого появления красного сияния была наполнена сильным, имевшим перегорелый запах дымом". Появление дыма было повсеместным во всей губернии. (Возможно падение метеорита, вызвавшее лесной пожар. В.В. Попов).

30.08.1887 г. в селе Частые, Оханского  уезда, Пермской губернии на р. Каме произошло колебание почвы, вызванное толчком. "Сила толчка была настолько велика, что стекла в рамах зазвенели и в деревянных непрочных зданиях заколебались стены. Над Пермью в это же время пролетал аэролит. Он упал в версте от селения Таборы, в 15 в. от Оханска, на поле, с таким треском, что работавший поблизости крестьянин упал без чувств. Гром был слышен в с. Острожном. Из Спешковской волости сообщают о целом дожде камней небольшой величины, которым повреждены хлеба и лес".

Однако, значительная часть землетрясений Урала - тектонические. Наиболее сильные из них (Вейс-Ксенофонтова, Попов, 1940; Левицкая, 1961; Ломакин, Силина, 1976; Ананьин, 1977 и др.):

23.05.1798 г. в районе Перми - длилось  несколько секунд, особенно ощущалось  в каменных зданиях. "В соборной церкви качались паникадила, тряслись связи и слышен был какой-то гул (глухой шум). В домах колебались стены и мебель и трещали окна". Область, охваченная землетрясением, в северо-западном направлении простирается через Осинский, Кунгурский и Верхотурский уезды и в юго-восточном через Пермский, Кунгурский и Екатеринбургский уезды;

27.04 и второй толчок 15(или 16).05.1847 г. в районе Кушвы и г. Благодать - продолжалось около минуты. В селениях Бисертского завода, в Северном и Пограничном рудниках наблюдалось как слабое, не причинившее вреда. В Крестовоздвиженских промыслах началось подземным ударом, за которым "последовало колебание почвы, продолжавшееся около минуты, причем тряслась мебель и прочая домашняя утварь", "дома жителей Кыновского завода потряслись и был большой испуг между жителями". Во время второго толчка на заводе Кушвинском, Верхне-Туринском, Нижне-Туринском и Би-сертских приисках "земля колебалась так сильно, что в домах тряслась мебель и качались лампы; в нижней церкви Кушвинского собора от сотрясения выпала фольга из стеклянного подвеска паникадила, а в стенах образовались трещины". Слышался подземный гул, подобный пушечному;

29.01.1849 г. в г. Ишиме раздался глухой  подземный гул, подобный сильному ветру. Многие городские здания сотрясались. В соборе "свод церковный трещал и лопался", колебались висячие предметы и "образовались трещины в верхнем этаже..., а также в алтаре нижней церкви". В некоторых домах оказались повреждения ("из шкафов попадала посуда и стекла в оконных рамах раскололись");

17.08.1914 г. в Билимбаевском заводе (56 км западнее Екатеринбурга) попадали дымовые трубы и сильно трещали стены. В Кунгуре было 5 толчков, продолжительностью около минуты. В Нижне-Тагильском заводе землетрясение выразилось в легком колебании, продолжительностью 0.5 мин. В Красноуфимске, Кургане и Златоусте волнообразное колебание. Подобно событию 23.05.1798 г., это землетрясение охватило целиком весь Средний Урал (от Красновишерска на севере до Троицка на юге и от Перми на западе до Кургана на востоке). Причем область 5-6 балльных сотрясений захватила Екатеринбург, Н.Тагил, и Н. Серги. Это землетрясение было зарегистрировано инструментально как нашими, так и заграничными сейсмическими станциями. Характерно, что сейсмическая станция в Екатеринбурге в продолжение первых двух минут даже не смогла зафиксировать запись этого события на светочувствительной бумаге вследствие большой скорости движения световой регистрирующей точки. Поэтому вероятный эпицентр землетрясения (район Билимбаевского завода) был определен по неинструментальным данным (субъективные наблюдения, которые в виде опросных анкет поступили в распоряжение Екатеринбургской обсерватории, главным образом, от наблюдателей метеорологической сети).

В последние годы последствия тектонических землетрясений на Среднем Урале из-за его насыщенности промышленными и гражданскими объектами повышенной опасности и широкого развития шахтных полей в районах интенсивной добычи полезных ископаемых становятся все более ощутимыми. Так, события 28.05.1990 г. в районе Южно-Уральского бокситового бассейна (Челябинская область), зафиксированные почти всеми сейсмологическими станциями Европы, Северной Америки и Антарктиды, привели к большим разрушениям подземных выработок и частичному разрушению наземной части вентиляционного ствола, а 05.01.1995 г. в районе Соликамска (Пермская область) к крупной аварии на калийном руднике, сопровождавшейся многочисленными разрушениями опорных целиков и взрывами горючих газов с последующим их горением.

Всего по Уральскому региону имеются описания и инструментальные наблюдения около сотни событий различной интенсивности, значительная часть которых относится исследователями к тектоническим землетрясениям, причем около половины из них сосредоточено в густонаселенных и промышленно освоенных районах Среднего и Южного Урала (карта 2).

Карта 2 «Распределение эпицентров землетрясений на Урале

Прямоугольным контуром обозначена область локализации землетрясений; красными кружками - эпицентры землетрясений различной магнитуды»

Таким образом, несмотря на то, что, на фоне катастрофических землетрясений, происходящих в различных регионах Земли, Урал характеризуется относительно спокойной сейсмической обстановкой, его никак нельзя отнести к асейсмичным районам. Анализ исторических данных и инструментальных наблюдений последних лет убедительно показывает, что землетрясения с проявлениями на поверхности в 5-6 баллов (по международной шкале балльности MSK-64) происходили в различных районах Урала раз в 10-20 лет. Подавляющее большинство землетрясений произошло в пределах Среднего и Южного Урала - примерно от широты г. Серова на севере до г. Златоуста на юге. При этом чаще всего сейсмические события имели место в Пермском Приуралье и на Среднем Урале, от Перми на западе до Красноуральска на востоке (карта 3), то есть в густонаселенном и промышленно развитом районе, где имеются сооружения повышенной опасности (атомные реакторы, крупные электростанции, химические заводы и горнодобывающие предприятия). Даже небольшие разрушения, вызванные землетрясениями на таких объектах, могут привести к катастрофическим экологическим последствиям и человеческим жертвам, поскольку большинство гражданских и промышленных объектов рассчитаны при строительстве лишь на 5 балльные сотрясения. По своей природе значительная часть уральских землетрясений имеет тектоническое происхождение, однако в последние десятилетия участились сейсмические события техногенной природы – тектонические напряжения плюс деятельность человека, нарушающая равновесие состояние массива горных пород.

По характеру сейсмичности Урал занимает промежуточное положение между такими современными тектонически активными районами Северной Евразии, как Тянь-Шань, Кавказ, Карпаты и др., и более тектонически спокойными - Восточно-Европейской платформой и Западно-Сибирской плитой. В целом сейсмическая активность Урала выше, чем активность Восточно-Европейской платформы и Западно-Сибирской плиты, но ниже, чем сейсмическая активность Тянь-Шаня, Кавказа и других сейсмоактивных регионов (Сейсмическое районирование..., 1980; Системный проект..., 1995 и др.)

Из-за отсутствия на Урале сети сейсмических станций механизмы очагов уральских землетрясений неизвестны. Однако, как было показано выше, по природе сотрясения уральские землетрясения могут быть разделены на несколько типов, практически четверть всех известных событий на Урале имеют нетектоническую природу. Это денудационные (обвальные) землетрясения в районах развития карстовых пустот в Пермском и башкирском Предуралье; сотрясения импактного (метеоритного) происхождения; взрывы скопившихся под землей газов; гидроудары и т.п.

Анализ пространственно-временных распределений параметров тектонических землетрясений Уральского региона, выполненный по данным каталога, приведенного в приложении, показывает следующую картину.

Намечается 80-летний цикл активизации и затухания сейсмической активности в Уральском регионе - примерно 20-25 лет относительно повышенной сейсмической активности сменяются 55-60 менее активными годами. В настоящее время (примерно с середины 80-х годов) сейсмическая активность Урала возрастает. Увеличение количества сейсмических событий в последние десятилетия обусловлено, в том числе увеличением количества горных ударов и природно-техногенных землетрясений на площадях разрабатываемых месторождений полезных ископаемых.

По глубине очаги уральских землетрясений локализованы в земной коре (так же как и подавляющее большинство очагов землетрясений Тянь-Шаня и Кавказа). При этом более 60% гипоцентров сосредоточено в интервале глубин от 3 до 10 км, который по результатам многоволновых сейсмических исследований, как правило, характеризуется повышенными значениями модулей упругости горных пород.

Несмотря на сравнительно невысокую энергию в очаге (М от 2.0 до 3.5, реже 4.5-5.5) интенсивность землетрясений на поверхности, как отмечалось выше, иногда достигает 6-7 баллов. Возможно, относительно высокая интенсивность на поверхности при малых магнитудах событий связана с тем, что большая часть гипоцентров землетрясений в пределах Среднего Урала расположена в верхней части кристаллической коры до глубин 10 км.