Землетруси. Причини їх утворення та реєстрація. Прогнозування землетрусів

Интенсивность землетрясений  
Интенсивность является качественной характеристикой землетрясения и указывает на характер и масштаб воздействия землетрясения на поверхность земли, на людей, животных, а также на естественные и искусственные сооружения в районе землетрясения. В мире используется несколько шкал интенсивности: в Европе — европейская макросейсмическая шкала (EMS), в Японии —шкала Японского метеорологического агентства (Shindo), в США и России — модифицированная шкала Меркалли (MM):

1. балл (незаметное) — колебания почвы, отмечаемые прибором;
2. балла (очень слабое) — землетрясение ощущается в отдельных случаях людьми, находящимися в спокойном состоянии;
3. балла (слабое) — колебание отмечается немногими людьми;
4. балла (умеренное) — землетрясение отмечается многими людьми; возможно колебание окон и дверей;
5. баллов (довольно сильное) — качание висячих предметов, скрип полов, дребезжание стекол, осыпание побелки;
6. баллов (сильное) — легкое повреждение зданий: тонкие трещины в штукатурке, трещины в печах и т. п.;
7. баллов (очень сильное) — значительное повреждение зданий; трещины в штукатурке и отламывание отдельных кусков, тонкие трещины в стенах, повреждение дымовых труб; трещины в сырых грунтах;
8. баллов (разрушительное) — разрушения в зданиях: большие трещины в стенах, падение карнизов, дымовых труб. Оползни и трещины шириной до нескольких сантиметров на склонах гор;
9. баллов (опустошительное) — обвалы в некоторых зданиях, обрушение стен, перегородок, кровли. Обвалы, осыпи и оползни в горах. Скорость продвижения трещин может достигать 2 км/с;
10. баллов (уничтожающее) — обвалы во многих зданиях; в остальных — серьёзные повреждения. Трещины в грунте до 1 м шириной, обвалы, оползни. За счет завалов речных долин возникают озёра;
11. баллов (катастрофа) — многочисленные трещины на поверхности Земли, большие обвалы в горах. Общее разрушение зданий;
12. баллов (сильная катастрофа) — изменение рельефа в больших размерах. Огромные обвалы и оползни. Общее разрушение зданий и сооружений.

6. Механизм землетрясений

Механизм землетрясений - весьма сложный процесс, к пониманию  которого сейсмологи только приближаются. Очаг сильного землетрясения представляет собой некоторое внезапное смещение в определенном объеме пород по относительно обширной плоскости разрыва, поэтому механизм землетрясения представляет собой кинематику движения в очаге. Существуют несколько наиболее распространенных моделей механизма очага землетрясений.

Наиболее ранняя модель, разработанная Х. Рейдом в 1911 году, основана на упругой отдаче при сколовой деформации горных пород, в которых превышен предел прочности. Существует модель неустойчивого  скольжения, полнее всего разработанная  американским геофизиком К. Шольцем  в 1990 году и заключающаяся в "залипании" контактов взаимно перемещающихся блоков пород при относительно гладком  строении поверхности сместителя. Залипание  приводит к накоплению сдвиговых  напряжений, разрядка которых трансформируется в землетрясение.

7. Прогнозирование  землетрясений

Прогноз землетрясений - наиболее важная проблема, которой занимаются ученые во многих странах мира. Однако, несмотря на все усилия, этот вопрос еще далек от разрешения. Прогнозирование  землетрясений включает в себя как  выявление их предвестников, так  и сейсмическое районирование, то есть выделение областей, в которых  можно ожидать землетрясение  определенной магнитуды или бальности. Предсказание землетрясений состоит  из долгосрочного прогноза на десятки  лет, среднесрочного прогноза на несколько  лет, краткосрочного на несколько недель или первые месяцы и объявление непосредственной сейсмической тревоги. Наиболее впечатляющий достоверный прогноз землетрясения  был сделан зимой 1975 года в городе Хайчен на северо-востоке Китая. Наблюдая этот район в течение нескольких лет разными методами, был сделан вывод о возможном сильном  землетрясении в ближайшем будущем. Возрастание числа слабых землетрясений  позволило объявить всеобщую тревогу 4 февраля в 14 ч. Людей вывели на улицы, были закрыты магазины, предприятия  и подготовлены спасательные команды. В 19 ч 36 мин произошло сильное  землетрясение с магнитудой 7,3, город  Хайчен подвергся разрушению, жертв  было мало. Но даже наряду с другими  удачными предсказаниями землетрясений  они скорее исключение, чем правило.

Сейсмическое районирование  разного масштаба и уровня проводится на основании учета множества  особенностей: геологических, в частности  тектонических, сейсмологических, физических и др. Составленные и утвержденные карты обязаны учитывать все  строительные организации несмотря на то, что увеличение предполагаемой силы землетрясения хотя бы на 1 балл влечет за собой многократное удорожание строительства, так как связано  с необходимостью дополнительного  укрепления построек.

Сейсмическое районирование  территории предполагает несколько  уровней от мелко- к крупномасштабным. Например, для городов или крупных  промышленных предприятий составляют детальные карты микросейсмического районирования, на которых необходимо учитывать особенности геологического строения небольших участков, состав грунтов, характер их обводненности, наличие  скальных выступов горных пород и  их типы. Наименее благоприятными являются обводненные грунты (возникновение  гидравлического удара), рыхлые суглинки, лессы, обладающие большой просадочностью. Аллювиальные равнины более опасны при землетрясении, чем выходы скальных пород. Все это надо учитывать  при строительстве и проектировании зданий, гидроэлектростанций, заводов.

Сейсмостойкому строительству  во всех странах уделяется очень  большое внимание, особенно для таких  ответственных объектов, как атомные  электростанции, гидроэлектростанции, химические и нефтеперерабатывающие заводы. Проектирование и строительство зданий в сейсмоопасных зонах требуют сделать их устойчивыми к землетрясениям. Как метко отмечено в книге Дж. Гира и Х. Шаха (1988 год), самое главное в проектировании сейсмостойких зданий - это "связать" здание, то есть соединить все элементы постройки: балки, колонны, стена и плиты в единую прочную, но вместе с тем и гибкую конструкцию, способную противостоять колебаниям грунта. Благодаря таким мерам в Мехико строят здания по 35-45 этажей, а в Токио, высокосейсмичном районе, - даже в 60 этажей. Такие постройки обладают гибкостью, то есть способностью качаться, изгибаться, как деревья при сильном ветре, но не разрушаться. Хрупкие же материалы, например кирпич или кирпич-сырец, разрушаются сразу. Не забудем также, что в Японии много атомных электростанций, но конструкция их зданий рассчитана на очень сильные землетрясения. Старые постройки стягивают стальными обручами или тросами, укрепляют снаружи железобетонной рамой, скрепляют арматурой, проходящей через все стены. Существующие нормы и правила не в состоянии, конечно, полностью обеспечить сохранность объектов при землетрясении, но они значительно снижают последствия ударов стихии и поэтому требуют неукоснительного выполнения.

Существует большое количество разнообразных предвестников землетрясений, начиная от собственно сейсмических, геофизических и кончая гидродинамическими и геохимическими. Можно проиллюстрировать  их несколькими примерами. Так, сильные  землетрясения в противоположность  слабым в конкретном районе происходят через значительные промежутки времени, измеряемые десятками и сотнями  лет, так как после разрядки напряжений необходимо время для их возрастания  до новой критической величины, а  скорость накопления напряжений по Г.А. Соболеву не превышает 1 кг/см2 в год. К. Касахара в 1985 году показал, что для  разрушения горной породы необходимо накопить упругую энергию в 103 эрг/см3 и объем горных пород, высвобождающий энергию при землетрясении, связан прямой зависимостью с количеством  этой энергии. Следовательно, чем больше магнитуда землетрясения, а соответственно и энергия, тем больше будет временной  интервал между сильными землетрясениями. Данные по сейсмически активной Курило-Камчатской островной дуге позволили С.А. Федотову установить повторяемость землетрясений  с магнитудой М = 7,75 через 140 ? 60 лет. Иными  словами, выявляется некоторая периодичность  или сейсмический цикл, позволяющий  давать хотя и очень приблизительный, но долгосрочный прогноз.

Сейсмические предвестники включают рассмотрение группирования  роев землетрясений; уменьшение землетрясений  вблизи эпицентра будущего сильного землетрясения; миграции очагов землетрясений  вдоль крупного сейсмоактивного  разрыва; асейсмические скольжения по плоскости разрыва на глубине, возникающие перед будущим внезапным  сдвигом; ускорение вязкого течения  в очаговой области; образование  трещин и подвижек по ним в области  концентрации напряжений; неоднородность строения земной коры в зоне сейсмичных разрывов. Особый интерес в качестве предвестников представляют форшоки, предваряющие, как правило, основной сейсмический удар. Однако главная  непреодоленная сложность заключается  в трудности распознавания настоящих  форшоков на фоне рутинных сейсмических событий.

В качестве геофизических  предвестников используют точные измерения  деформаций и наклонов земной поверхности  с помощью специальных приборов - деформаторов. Перед землетрясениями  скорость деформаций резко возрастает, как это было перед землетрясением в Ниигата (Япония) в 1964 году. К предвестникам  относится также изменение скоростей  пробега продольных и поперечных сейсмических волн в очаговой области  непосредственно перед землетрясением. Любое изменение напряженно-деформированного состояния земной коры сказывается  на электрическом сопротивлении  горных пород, которое можно измерять при большой силе тока до глубины 20 км. То же относится и к вариациям  магнитного поля, так как напряженное  состояние пород влияет на колебания  величины пьезомагнитного эффекта  в магнитных минералах.

Довольно надежны в  качестве предвестников измерения  колебания уровня подземных вод, поскольку любое сжатие в горных породах приводит к повышению  этого уровня в скважинах и  колодцах. С помощью гидрогеодеформационного  метода были сделаны успешные краткосрочные  предсказания: например, в Японии в  Изу-Ошиме 14 января 1978 года, в Ашхабаде перед сильным землетрясением 16 сентября 1978 года с М = 7,7. В качестве предвестников используется также  изменение содержания родона в подземных  водах и скважинах.

Все многообразие предвестников  землетрясений неоднократно анализировалось  с целью выявления общих закономерностей  и устранения ошибок. Геофизик Т. Рикитаки провел статистический анализ связей длительности аномалий Т и ее амплитуды  А и ожидаемой магнитуды М, выделив три класса предвестников. Для среднесрочных предвестников  он получил уравнение

log DТ = аМ - b,

где а = 0,76; b = -1,83, а Т - сутки. При М = 5-7 время проявления предвестников  составляет первые месяцы - первые годы.

8. Последствия  землетрясений 

Сильные землетрясения оставляют  множество следов, особенно в районе эпицентра: наибольшее распространение  имеют оползни и осыпи рыхлого  грунта и трещины на земной поверхности. Характер таких нарушений в значительной степени определяется геологическим  строением местности. В рыхлом и  водонасыщенном грунте на крутых склонах  часто происходят оползни и обвалы, а мощная толща водонасыщенного  аллювия в долинах деформируется  легче, чем твердые породы. На поверхности  аллювия образуются просадочные  котловины, заполняющиеся водой. И  даже не очень сильные землетрясения  получают отражение в рельефе  местности.

Смещения по разломам или  возникновение поверхностных разрывов могут изменить плановое и высотное положение отдельных точек земной поверхности вдоль линии разлома, как это произошло во время  землетрясения 1906 в Сан-Франциско. При  землетрясении в октябре 1915 в  долине Плезант в Неваде на разломе  образовался уступ длиной 35 км и  высотой до 4,5 м. При землетрясении  в мае 1940 в долине Импириал в Калифорнии подвижки произошли на 55-километровом участке разлома, причем наблюдались  горизонтальные смещения до 4,5 м. В результате Ассамского землетрясения (Индия) в июне 1897 в эпицентральной области высота местности изменилась не менее, чем на 3 м.

Значительные поверхностные  деформации прослеживаются не только вблизи разломов и приводят к изменению  направления речного стока, подпруживанию  или разрывам водотоков, нарушению  режима источников воды, причем некоторые  из них временно или навсегда перестают  функционировать, но в то же время  могут появиться новые. Колодцы  и скважины заплывают грязью, а  уровень воды в них ощутимо  меняется. При сильных землетрясениях вода, жидкая грязь или песок могут  фонтанами выбрасываться из грунта.

При смещении по разломам происходят повреждения автомобильных и  железных дорог, зданий, мостов и прочих инженерных сооружений. Однако качественно  построенные здания редко разрушаются  полностью. Обычно степень разрушений находится в прямой зависимости  от типа сооружения и геологического строения местности. При землетрясениях умеренной силы могут происходить  частичные повреждения зданий, а  если они неудачно спроектированы или  некачественно построены, то возможно и их полное разрушение.

При очень сильных толчках  могут обрушиться и сильно пострадать сооружения, построенные без учета  сейсмической опасности. Обычно не обрушиваются одно- и двухэтажные постройки, если у них не очень тяжелые крыши. Однако бывает, что они смещаются  с фундаментов и часто у  них растрескивается и отваливается штукатурка.