Землетрясения

Ежегодно на земном шаре регистрируется более 100 000 землетрясений. Большинство из них мы вообще не ощущаем, некоторые отзываются лишь дребезжанием посуды в шкафах и раскачиванием люстр, зато другие, к счастью гораздо более редкие, в мгновение ока превращают города в груды дымящихся обломков. Землетрясение-это бедствие, катастрофа, поэтому огромные усилия затрачиваются на предсказания возможных сейсмических толчков, на выделение сейсмоопасных районов, на мероприятия, призванные сделать промышленные и гражданские здания сейсмостойкими, что ведет к большим дополнительным затратам в строительстве.

ОЧАГ, СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ, МАГНИТУДА И ЭНЕРГИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Любое землетрясение-это тектонические деформации земной коры или верхней мантии, происходящие вследствие того, что накопившиеся напряжения в какой-то момент превысили прочность горных пород в данном месте. Разрядка этих напряжений и вызывает сейсмические колебания в виде волн, которые, достигнув земной поверхности, производят разрушения. Описывая землетрясения, пользуются некоторыми терминами, которые необходимо знать.

Гипоцентр или очаг – определенный объем горных пород, внутри которого осуществляются неупругие деформации и происходят разрушения пород. Понятие очага, или гипоцентра не является строгим, но важно подчеркнуть, что это не точка, а некоторое пространство, объем, формы и размеры которого могут быть самыми различными.

Эпицентр-проекция гипоцентра на земную поверхность, поэтому следует иметь в виду, что нередко карты распределения эпицентров создают не совсем правильную картину связи землетрясений с поверхностной геологической структурой, особенно в случае наклонных разрывов типа надвигов с гипоцентром на большой глубине. Это обстоятельство подчеркивается для соблюдения осторожности при интерпретации землетрясений от особенностей геологического строения региона.

Интенсивность – это внешний эффект землетрясения на поверхности Земли, который выражается в определенном смещении почвы, частиц горных пород, степени разрушения зданий, появлении трещин на поверхности и т.д. В настоящее время в России используется шкала интенсивности землетрясений "MSK-64", названная так по заглавным буквам фамилий авторов.

Шкала удобна, ею легко пользоваться, а интенсивность землетрясений измеряется в баллах от 1 до 12. По этой шкале Кеминское землетрясение в 1911 г. на Тянь-Шане оценивалось в 11-12 баллов, Ашхабадское 1948 г. – в 10, Спитакское 1988 г. – в 7-10.

Изосейсты-линии, соединяющие точки (пункты на местности), в которых землетрясение проявилось с одинаковой интенсивностью. Плейстосейстовая область-место на поверхности Земли, располагающееся непосредственно над гипоцентром, или очагом землетрясения, т.е. это как бы проекция очага на поверхность. Естественно, что интенсивность землетрясения уменьшается в сторону от плейстосейстовой области, однако это уменьшение зависит от многих факторов: формы и глубины очага, геологической структуры, состава и степени метаморфизма горных пород, уровня залегания грунтовых вод и т.д. Поэтому изосейсты на поверхности могут иметь самые причудливые очертания, а отнюдь не правильные круги.

Магнитуда (М) – логарифм отношения максимального смещения частиц грунта (в микрометрах) А₁ при данном конкретном землетрясении к некоторому эталонному очень слабому смещению грунта A₂:

Магнитуда-это безразмерная величина, и она была предложена в 1935 г. американским геофизиком Ч. Рихтером. Шкала, созданная им, широко используется в сейсмологии и изменяется от 0 до 8,8 при самых сильных катастрофических землетрясениях. Магнитуда отличается от интенсивности. Так, например, Ташкентское землетрясение 1966 г. было силой в 8 баллов, М-5,3; Ашхабадское 1948 г.-10 баллов, М-7,3.

Энергия (Е)землетрясений – это та величина потенциальной энергии, которая освобождается в виде кинетической после разрядки напряжения в очаге и, достигая поверхности Земли, вызывает ее колебания. Распространяется энергия в виде упругих сейсмических волн. Энергия землетрясения вычисляется в джоулях.

Часть выделившейся энергии, помимо формирования сейсмических волн, расходуется на преодоление сил трения в очаге, на пластические деформации, наконец, на выделение тепла, которое может быть весьма значительным.

Глубиной очага землетрясений(h) называется расстояние от поверхности Земли по нормали до гипоцентра, или очага.

Глубины очагов землетрясений могут быть очень разными – от первых километров до 600-700 км в сейсмофокальных зонах Беньофа. Однако подавляющее количество землетрясений (около 90 %) приурочено к интервалу до 100-200 км.

Механизм возникновения землетрясений, т.е. механизм возникновения очага, весьма сложен и трактуется неоднозначно. В настоящее время считается установленным, что основные параметры землетрясения, его магнитуда и энергия зависят от размеров очага, а не от накопившихся напряжений и деформаций. Была выдвинута идея "вспарывания" тектонического (сейсмического) разрыва. В каком-то месте этого разрыва происходит накапливание напряжений. Когда они превышают предел прочности горных пород в данном месте, разрыв "взрезается", "вспарывается" и распространяется на определенную длину с большой скоростью, достигающей 3 - 4 км/с. Именно с такими скоростями происходит разрушение пород в очаге землетрясений.

ГЕОГРАФИЧЕСКОЕ РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ТЕКТОНИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Распространение современных землетрясений на земном шаре в настоящее время установлено с большой точностью. Прежде всего, это Тихоокеанское кольцо, в котором эпицентры землетрясений совпадают с островными дугами: Алеутской, Курильской, Восточной Камчатки, Японской и т. д. На востоке Тихого океана это побережье Северной Америки, Мексика, Центральная Америка, Южная Америка, а также полоса вдоль Восточно-Тихоокеанского поднятия. В Атлантическом и Индийском океанах сейсмичность сосредоточена вдоль срединно-океанских хребтов. Восточно-Африканская рифтовая зона также отличается высокой сейсмичностью. Протяженная полоса современных Землетрясений приурочена к Альпийско-Средиземноморскому поясу: это побережье Алжира, Италия, Динариды, Балканы и Эгейское морс, Турция, Крым, Кавказ, Иран, Афганистан, Памир, Тянь-Шань и т. д. В пределах СССР повышенной сейсмичностью отмечена Байкальская рифтовая зона.

Такое распространение землетрясений говорит о том, что все они приурочены к областям высокой современной тектонической активности и связаны с конвергентными или дивергентными границами литосферных плит, т.е. там, где происходят либо сжатие, поглощение океанской коры в зонах субдукции, коллизии плит и т. д., либо растяжение, наращивание океанской коры, или раздвиг континентальной коры. В этих регионах непрерывно накапливаются тектонические напряжения, которые периодически разряжаются в виде землетрясений. В то же время существуют огромные асейсмичные пространства, совпадающие с древними платформами, внутренними частями океанских плит, эпипалеозойскими плитами.

Активные сейсмические и вулканические зоны, по данным Е.С. Штенгелова, довольно точно приурочены к областям превышения геоида над эллипсоидом вращения, причем с выпуклостями геоида связано примерно 83% землетрясений с М-6 и 86% действующих вулканов Мира. Форма геоида определяется процессами, происходящими во внутренних частях Земли - в мантии и ядре. На это явление накладываются ротационные силы Земли, неравномерность ее вращения и т. д. Кстати, уже с XVIII в., со времен работ француза А. Перре известно, что число преимущественно мелкофокусных землетрясений возрастает примерно на 20-25% в момент перехода Луны от апогея к перигею. Это вызвано тем, что гравитационное воздействие Луны на Землю в перигее значительно выше, так как Луна в этот момент ближе к Земле, чем в апогее. Эти гравитационные силы действуют как "спусковой крючок" и напряжения разряжаются сейсмическими подвижками.

Сейсмогенные дислокацииобразуются в плейстосейстовой и прилегающих областях. Районы, затронутые сейсмодислокациями, занимают площадь в десятки, и даже сотни тысяч км. Сейсмотектонические нарушения могут выражаться вертикальными смещениями с амплитудой до первых десятков метров, формированием поднятий, впадин и провалов, горизонтальными смещениями, образованием ступенчатых сбросов, взбросов и т. д.

Землетрясения вызывают образование крупных оползней, обвалов, оползней-обвалов и других форм сейсмодислокаций. Объем таких оползней может достигать сотен тысяч м, длина - нескольких километров, а площадь - десятков км. Подобные сейсмодислокации известны на Тянь-Шане, в Прибайкалье и Забайкалье, на Кавказе, в Становом хребте и во многих других местах. Изучение древних сейсмодислокаций способствует проведению сейсмического районирования, так как по их форме и характеру появляется возможность оценить балльность данного региона, хотя, скажем, в наши дни землетрясения там не происходят.

В настоящее время важное значение приобретает палеосейсмология - метод, позволяющий устанавливать следы землетрясений в геологическом прошлом. Многие современные плейстосейстовые области оказываются унаследованными от более древних. Большое значение имеет и археосейсмология, когда рассматриваются повреждения древних построек, имеющие сейсмогенный характер, и по их типу реконструируется балльность.

Землетрясения происходят не только на суше, но и в морях и океанах. В пределах океанского дна над очагом могут возникать поднятия или впадины, что сразу же изменяет объем воды и над плейстосейстовой областью образуется волна, которая в открытом океане практически незаметна из-за своей очень большой длины в первые сотни километров. Распространяясь со скоростью до 800 км/ч, при подходе к побережью на мелководье волна становится круче, достигая 15- 20 м, и, обрушиваясь на берег, уничтожает все на своем пути. Такие волны, вызванные землетрясениями, называются цунами.

Сейсмическое районирование и прогноз землетрясенийпредставляют чрезвычайно важную задачу, так как от степени их достоверности зависят огромные капиталовложения в сейсмостойкое строительство. Повышение на 1 балл возможной сейсмической опасности сразу ведет к удорожанию всех строительных объектов. Сейсморайонирование - это очень трудоемкая и ответственная работа, которая должна учитывать множество факторов: связь землетрясений с глубинным строением земной коры; геофизическими полями; неотектоникой; геоморфологическими и геологическими особенностями района; типами горных пород, их составом и прочностью; разрывными нарушениями, трещиноватостью и еще многими другими параметрами, включая свойства грунта, уровень подземных вод, палеосейсмодислокации и т.д. Все это должно дать ответ на один-единственный вопрос, - какое максимальное расчетное землетрясение можно ожидать в данном конкретном районе (МРЗ).

В зависимости от балльности возможных землетрясений в строительстве существуют специальные нормы, строгое выполнение которых обязательно. Ограничивается этажность зданий, укрепляется их фундамент, они окружаются антисейсмическими поясами, не разрешается возведение дополнительных нависающих деталей, облегчается кровля, используется железобетон и т.д. Опыт показывает, что объекты, построенные с соблюдением всех норм для районов с повышенной сейсмичностью, при землетрясениях либо остаются целыми, либо получают незначительные повреждения.

Прогноз землетрясений - актуальная задача сейсмологии и сейсмогеологии. Карты сейсмического районирования показывают, какие районы могут быть наиболее опасными и какой проектной силы следует ожидать здесь землетрясения. Необходимо выделять сейсмогенные зоны - зоны ВОЗ (возникновения опасных землетрясений).

Однако всех интересует наиболее трудный и важный вопрос, - когда оно произойдет? Ответить на него, конечно, нелегко, но работы в этом направлении ведутся усиленно и уже есть обнадеживающие примеры. Прогноз может быть разный: долгосрочный, краткосрочный и оперативный. Первый дается на ближайшие десятки - сотни лет, второй - на годы, месяцы, дни и даже часы. Предвестников землетрясений очень много и они совершенно разные. Когда речь идет о долгосрочном прогнозе, то в областях сильных землетрясений, происходящих раз в десятки лет, важным показателем является длительное отсутствие землетрясений. Чем это время больше, тем вероятность сильного землетрясения возрастает. В некоторых случаях важную роль играет периодичность землетрясений по данным многолетних наблюдений. Для краткосрочных прогнозов большое значение имеет непрерывное наблюдение за изменением уровня земной поверхности и наклонов, измеряемых с помощью наклономеров. Увеличивающееся напряженное состояние массивов горных пород, чреватое его скорой разрядкой, должно сказываться на упругих свойствах пород, их электропроводности, скорости прохождения сейсмических волн.

Перед землетрясением часто изменяются магнитное поле, акустические свойства среды и электрический потенциал атмосферы, гидрогеохимические параметры вод, животные ведут себя необычно и т.д. Существуют попытки предсказания землетрясений по колебанию ГГД поля. 

Превышение прочности горных пород и их разрыв вызывают формирование очага землетрясения и сейсмические волны разного типа, приводящие к разрушению. Любое землетрясение характеризуется гипоцентром, эпицентром, интенсивностью, магнитудой, энергией. Существуют различные модели очаговых зон. Землетрясения приурочены к областям высокой современной тектонической активности и связаны с конвергентными и дивергентными границами литосферных плит. Сейсмическое районирование - основной метод предсказания землетрясений.