Как называется толчок предшествующий главному сейсмическому. Океанолог Евгений Куликов – о спасении от цунами. – Насколько вероятно повторение подземных толчков

Землетрясения достигают иногда неистовой силы, и до сих пор не удается предсказать, когда и где они возникнут. Они так часто заставляли человека чувствовать себя беспомощным, что он стал постоянно бояться землетрясений. Во многих странах народная легенда связывает их с буйством гигантских чудищ, держащих на себе Землю.

Первые систематические и свободные от мистики представления о землетрясениях возникли в Греции. Жители ее часто были свидетелями извержения вулканов в Эгейском море и страдали от землетрясений, происходивших на берегах Средиземного моря и иногда сопровождавшихся «приливными» волнами (цунами). Многие древнегреческие философы предлагали для этих природных явлений физические объяснения. Например, Страбон заметил, что землетрясения чаще происходят на побережье, чем вдали от моря. Он, как и Аристотель, считал, что землетрясения вызываются сильнейшими подземными ветрами, воспламеняющими горючие вещества.

В начале нашего века во многих местах земного шара были созданы сейсмические станции. На них постоянно работают чувствительные сейсмографы, которые регистрируют слабые сейсмические волны, возникающие при удаленных землетрясениях. Например, Сан-Францисское землетрясение 1906 г. было отчетливо записано десятками станций в целом ряде стран за пределами США, в том числе в Японии, Италии и Германии.

Значение этой развернутой по всему миру сети сейсмографов состояло в том, что документация землетрясений уже больше не ограничивалась рассказами о субъективных ощущениях и визуально наблюдавшихся эффектах. Была разработана программа международного сотрудничества, которая предусматривала обмен записями землетрясений, что помогало бы точно определять местоположение очагов. Впервые возникла статистика времени возникновения землетрясений и их географического распределения.

Слово «цунами» произошло из японского языка и означает «гигантская волна в гавани». Возникают цунами на поверхности океана в результате извержения подводных вулканов или землетрясений. Водные массы начинают раскачиваться и постепенно приходят в медленное, но несущее в себе огромную энергию движение, которое из центра распространяется во все стороны. Длина волны, т.е. расстояние от одной водяной горы до другой, составляет от 150 до 600 км. До тех пор пока сейсмические волны имеют под собой большую глубину, их высота не превышает одного метра и они вполне безобидны. Чудовищная сила цунами обнаруживается лишь у берегов. Там волны замедляют свое движение, вода вздымается на невероятную высоту; чем круче берег, тем выше волны. Как при сильном отливе, вода сначала откатывается от берега, обнажая дно на целые километры. Затем приливает вновь уже за считанные минуты. Высота волн может достигать 60 метров, и несутся они на берег со скоростью 90 км/ч, все сметая на своем пути.

В дальнейшем возможность определять с одинаковой точностью местоположение землетрясений умеренной силы в любом районе земной поверхности сильно возросла в результате создания - по инициативе США - измерительного комплекса, названного Мировой сетью стандартизированных сейсмических станций (WWWSSN - World Standardized Seismograph Network).

Интенсивность землетрясения - на поверхности земли измеряется в баллах. В нашей стране принята международная М8К-64 (шкала Медведева, Шпонхойтера, Карника), в соответствии с которой землетрясения подразделяются по силе толчков на поверхности земли на 12 баллов. Условно их можно разделить на слабые (1-4 балла), сильные (5-8 баллов) и сильнейшие, или разрушительные (8 баллов и выше).

При 3-балльном землетрясении колебания отмечаются немногими людьми и только в помещении; при 5-ти балльном -- качаются висячие предметы и все, находящиеся в помещении отмечают толчки; при 6-балльном - появляются повреждения в зданиях; при 8-балльном - возникают трещины в стенах зданий, обваливаются карнизы и трубы; 10-балльное землетрясение сопровождается всеобщим уничтожением зданий и нарушением поверхности земли. В зависимости от силы подземных толчков могут разрушаться целые поселки и города.

1.2 Глубина очагов землетрясения

Землетрясение - это просто колебание грунта. Волны, которые вызывают землетрясение, называются сейсмическими волнами; подобно звуковым волнам, расходящимся от гонга при ударе по нему, сейсмические волны также излучаются из некоторого источника энергии, находящегося где-то в верхних слоях Земли. Хотя источник естественных землетрясений занимает некоторый объем горных пород, часто его удобно определять как точку, из которой расходятся сейсмические волны. Эту точку называют фокусом землетрясения. При естественных землетрясениях она, конечно, находится на некоторой глубине под земной поверхностью. При искусственных землетрясениях, таких как подземные ядерные взрывы, фокус расположен близко к поверхности. Точку на земной поверхности, расположенную непосредственно над фокусом землетрясения, называют эпицентром землетрясения.

Насколько глубоко в теле Земли находятся гипоцентры землетрясений? Одним из первых поразительных открытий, сделанных сейсмологами, было то, что, хотя фокусы многих землетрясений расположены на небольшой глубине, в некоторых районах их глубина составляет сотни километров. К таким районам относятся южноамериканские Анды, острова Тонга, Самоа, Новые Гебриды, Японское море, Индонезия, Антильские острова в Карибском море; во всех этих районах имеются глубоководные океанические желоба. В среднем частота землетрясений здесь резко убывает на глубинах более 200 км, но некоторые фокусы достигают даже глубин 700 км. Землетрясение, возникающие на глубинах от 70 до 300 км, весьма произвольно относят к категории промежуточных, а те, которые возникают на еще большей глубине, называют глубокофокусными. Промежуточные и глубокофокусные землетрясения происходят также и далеко от Тихоокеанского района: в Гиндукуше, Румынии, Эгейском море и под территорией Испании.

Мелкофокусные толчки - это те, очаги которых расположены непосредственно под земной поверхностью. Именно мелкофокусные землетрясения вызывают самые большие разрушения, и в общей сумме энергии, выделяющейся во всем мире во время землетрясений, вклад их составляет 3/4. В Калифорнии, например, все известные до сих пор землетрясения были мелкофокусными.

В большинстве случаев после умеренных или сильных мелкофокусных землетрясений в той же местности в течение нескольких часов, а то и нескольких месяцев отмечаются многочисленные землетрясения меньшей силы. Они называются афтершоками, и их число при действительно крупном землетрясении бывает иногда чрезвычайно большим.

Некоторым землетрясениям предшествуют предварительные толчки из той же очаговой области - форшоки; предполагается, что их можно использовать для предсказания главного толчка.

1.3 Типы землетрясений

Еще не так давно было широко распространено мнение, что причины землетрясений будут скрыты во мраке неизвестности, поскольку они возникают на глубинах, слишком далеких от сферы человеческих наблюдений.

Сегодня мы можем объяснить природу землетрясений и большую часть их видимых свойств с позиции физической теории. Согласно современным взглядам, землетрясения отражают процесс постоянного геологического преобразования нашей планеты. Рассмотрим теперь принятую в наше время теорию происхождения землетрясений и то, как она помогает нам глубже понять их природу и даже предсказывать их.

Первый шаг к восприятию новых взглядов заключается в признании тесной связи в расположении тех районов земного шара, которые наиболее подвержены землетрясениям, и геологически новых и активных областей Земли. Большинство землетрясений возникает на окраинах плит: поэтому мы делаем вывод, что те же глобальные геологические, или тектонические, силы, которые создают горы, рифтовые долины, срединно-океанические хребты и глубоководные желоба, те же самые силы представляют собой и первичную причину сильнейших землетрясений. Природа этих глобальных сил в настоящее время еще не совсем ясна, но несомненно, что их появление обусловлено температурными неоднородностями в теле Земли -неоднородностями, возникающими благодаря потере тепла путем излучения в окружающее пространство, с одной стороны, и благодаря добавлению тепла от распада радиоактивных элементов, содержащихся в горных породах, - с другой.

Полезно ввести квалификацию землетрясений по способу их образования. Больше всех распространены тектонические землетрясения. Они возникают, когда в горных породах под действием тех или иных геологических сил происходит разрыв. Тектонические землетрясения имеют важное научное значение для познания недр Земли и громадное практическое значение для человеческого общества, поскольку они представляют собой самое опасное природное явление.

Однако землетрясения возникают и от других причин. Подземные толчки другого типа сопровождают вулканические извержения. И в наше время многие люди все еще считают, что землетрясения связаны главным образом с вулканической деятельностью. Эта идея восходит к древнегреческим философам, которые обратили внимание на широкое распространение землетрясений и вулканов во многих районах Средиземноморья. Сегодня мы также выделяем вулканические землетрясения - те, которые происходят в сочетании с вулканической деятельностью, но считаем что как извержения вулканов, так и землетрясения являются результатом действия тектонических сил на горные породы, и они не обязательно возникают вместе.

Третью категорию образуют обвальные землетрясения. Это небольшие землетрясения, возникающие в районах, где есть подземные пустоты и горные выработки. Непосредственная причина колебаний грунта заключается при этом в обрушении кровли шахты или пещеры. Часто наблюдаемая разновидность этого явления - так называемые «горные удары». Они случаются, когда напряжения, возникающие вокруг горной выработки, заставляют большие массы горных пород резко, со взрывом, отделяться от ее забоя, возбуждающая сейсмические волны. Горные удары наблюдались, например, в Канаде; особенно часто они отмечаются в Южной Африке.

Большой интерес вызывает разновидность обвальных землетрясений, возникающих иногда при развитии крупных оползней. Например, в результате гигантского оползня, образовавшегося 25 апреля 1974 г. на реке Мантаро в Перу, возникли сейсмические волны, эквивалентные землетрясению умеренной силы.

Последний тип землетрясений - это искусственные, производимые человеком взрывные землетрясения, возникающие при обычных или ядерных взрывах. Подземные ядерные взрывы, производившиеся в течение последних десятилетий на ряде испытательных полигонов в разных местах земного шара, вызвали довольно значительные землетрясения. Когда в скважине глубоко под землей взрывается ядерное устройство, высвобождается огромное количество ядерной энергии. За миллионные доли секунды давление там подскакивает до величин, в тысячи раз превышающих атмосферное давление, а температура увеличивается в этом месте на миллионы градусов. Окружающие породы испаряются, образуя сферическую полость диаметром во много метров. Полость разрастается, пока кипящая порода испаряется с ее поверхности, а породы вокруг полости под действием ударной волны пронизываются мельчайшими трещинами.

За пределами этой трещиноватой зоны, размеры которой измеряются иногда сотнями метров, сжатие в горных породах приводят к возникновению сейсмических волн, распространяющихся во всех направлениях. Когда первая сейсмическая волна сжатия достигает поверхности, грунт выгибается вверх и, если энергия волны достаточно велика, может произойти выброс поверхностных и коренных пород в воздух образованием воронки. Если скважина глубокая, то поверхность только слегка растрескается и порода на мгновение поднимется, чтобы затем снова рухнуть на подстилающие слои.

Некоторые подземные ядерные взрывы были настолько сильны, что распространившиеся от них сейсмические волны прошли через внутренние области Земли и были записаны на дальних сейсмических станциях с амплитудой, эквивалентной волнам землетрясений с магнитурой 7 по шкале Рихтера. В некоторых случаях эти волны поколебали здания в отдаленных городах.

1.4 Признаки готовящегося землетрясения

Прежде всего, особый интерес сейсмологов привлекают предвестниковые изменения скорости продольных сейсмических, волн, поскольку сейсмологические станции специально сконструированы так, чтобы точно отмечать время прихода волн.

Второй из параметров, которые могут быть использованы для прогноза, - это изменение уровня земной поверхности, например наклон поверхности грунта в сейсмических районах.

Третий параметр - выделение инертного газа радона в атмосферу вдоль зон активных разломов, особенно из глубоких скважин.

Четвертый параметр, привлекающий большое внимание, электропроводимость пород в зоне подготовки землетрясения. Из лабораторных экспериментов, проведенных на образцах горных пород, известно, что электрическое сопротивление водонасыщенной породы, например, гранита, резко меняется перед тем, как порода начинает разрушаться под действием высокого давления.

Пятый параметр - вариации уровня сейсмической активности. По этому параметру имеется больше сведений, чем по четырем другим, но полученные до сих пор результаты не позволяют сделать определенных выводов. Регистрируются сильные изменения нормального фона сейсмической активности - обычно это увеличение частоты слабых землетрясений.

Рассмотрим эти пять стадий. Первая стадия состоит в медленном накоплении упругой деформации благодаря действию главных тектонических сил. В течение этого периода все сейсмические параметры характеризуются нормальными значениями. На второй стадии в коровых породах зон разлома развиваются трещины что приводит к общему возрастанию объема - к дилатансии. Когда открываются трещины, скорость продольных волн, проходящих через такую раздувающуюся область, падает, дневная поверхность при этом воздымается, выделяется газ радон, уменьшается электрическое сопротивление может измениться частота микроземлетрясений, отмечаемых на данной площади. На третьей стадии происходит диффузия воды из окружающих пород в поры и микротрещины, что создаете условия неустойчивости. По мере заполнения трещин водой скорость проходящих через данный район Р-волн начинает снова возрастать, поднятие поверхности грунта прекращается, выделение радона из свежих трещин затухает, а электрическое сопротивление продолжает уменьшаться. Четвертая стадия соответствует моменту самого землетрясения, после чего сразу наступает пятая стадия, когда на площади возникают многочисленные афтершоки.

5.1. Землетрясения

Землетрясения – едва ли не самые страшные и губительные природные катастрофы. Действию землетрясений подвержено более 10 % суши, на которой проживает половина человечества. Они уносят десятки и сотни тысячи человеческих жизней, вызывают опустошительные разрушения на огромных пространствах.

В августе 1999 г. землетрясение на северо-западе Турции было эквивалентно подрыву 20 млн т тротила всего за 37 секунд. 7 декабря 1988 года в Армении произошло Спитакское землетрясение, полностью стершее этот город с лица Земли. Тогда за несколько секунд погибло более 25 000 человек. Ашхабадское землетрясение в ночь с 5 по 6 октября 1948 г. унесло более 100 000 жизней. В Китае в 1920 г. погибло 200 000 человек, а в 1923 г. и 2011 г. Японии – более 100 000 и 11 000. Этот скорбный список можно продолжать бесконечно (рис. 20). Землетрясения разной силы и в разных районах земного шара происходят постоянно.

В год в среднем на планете происходит около 18 значительных землетрясений силой 7–8 балла и одно сильное – 8 баллов. В 1999 г. таких землетрясений было 20.

Рис. 20. Людские потери при землетрясении в мире в XX в., тыс. человек

(по данным А. В. Балахонова, 2005)

Ученые разных стран изучают: а) причины возникновения землетрясений; б) методы прогноза в трех измерениях – в пространстве, во времени и интенсивности – где (местоположение), когда (время), какой силы (интенсивность) можно ожидать опасные «вспышки» стихии. К сожалению, непосредственно предсказать время землетрясений пока еще не удается.

5.1.1. Основные понятия

Землетрясением (от греч. seismes – трясение) называется колебание (или толчки) земной коры, вызванное внезапным освобождение потенциальной энергии земных недр в виде упругих продольных и поперечных волн, которые распространяются во всех направлениях.

Землетрясение протекает неожиданно, быстро, нанося значительные разрушения. Количество выделяемой энергии самого крупного землетрясения в 1000 раз превосходит энергий взрыва атомной бомбы и сопоставимо со взрывом водородной бомбы (рис.21.).

К основным характеристикам землетрясений относятся:

1. Очаг землетрясения (гипоцентр);

2. Интенсивность сейсмических колебаний грунта.

3. Магнитуда землетрясения (сила землетрясения);

4. Сейсмические волны, возникающие при землетрясении.

Рис. 21. Выделение энергии при землетрясениях разной силы

(по Н. В. Короновскому, 2003)

1. Очаг – это пространство (объём), внутри которого заключены все сопровождающие землетрясение первичные деформации. Гипоцентром или фокусом землетрясения называют условный центр очага на глубине, а эпицентром – проекцию гипоцентра на поверхность Земли (рис. 22). Зона сильных колебаний и значительных разрушений сооружений при землетрясении называется плейстосейстовой областью . Чаще всего очаги землетрясений сосредоточены в земной коре на глубине 10–30 км.

Рис. 22. Очаг землетрясения и распространение сотрясений в объеме породы (по Н. В. Короновскому и др., 2003): I – область очага, или гипоцентр; II – проекция гипоцентра на поверхность Земли – эпицентр. Линии изосейст на поверхности – линии равных сотрясений в баллах (8–4)

Как правило, основному подземному сейсмическому удару предшествуют локальные толчки – форшоки. Сейсмические толчки, возникающие после главного удара – афтершоки.

По глубине очага различают землетрясения:

· неглубокие , h £ 70 км, в том числе приповерхностные (<10 км);

· промежуточные , h = 70¸300 км;

· глубокие , h > 300 км (до 700 км).

2. Для количественной оценки силы землетрясений существуют различные показатели и шкалы. Часто масштабы проявления землетрясений оцениваются по интенсивности – внешнему сейсмическому эффекту (в баллах ) на поверхности земли. Интенсивность выражается в определенном смещении грунтов, степени разрушения зданий, появлении трещин на поверхности и т.д. Как видим, что интенсивность толчка – это мера проявления колебаний и разрушений, вызванных землетрясением по мере удаления от очага. В России используется 12-балльная шкала интенсивности (МSК–64).

Вставка 4

I – III – слабые,

IV – V – ощутимые,

VI –VII – сильные (разрушаются ветхие постройки),

VIII – разрушительные (частично разрушаются прочные здания,

падают фабричные трубы),

IX – опустошительные (разрушается большинство зданий),

X – уничтожающие (разрушаются мосты, возникают оползни, обвалы),

XI – катастрофические (изменяется ландшафт),

XII – губительные катастрофы (изменение рельефа на обширной

территории).

Расшифровка абривиатуры этой шкалы соответствует начальным буквам фамилий ее создателей: С. В. Медведева, В. Шпонхойера и В. Карника, – и году ее принятия. В США и в ряде других стран принята предложенная итальянским сейсмологом Меркалли и позднее усовершенствованная шкала ММ. Значительно отличается шкала балльности, употребляемая в Японии (Болт, 1981). Все эти шкалы калибруют интенсивность сотрясений на поверхности Земли.

Шкала MSK-64 подразделяет землетрясения по интенсивности проявления на поверхности на 12 разрядов, японская – на восемь. Согласно шкале MSK-64 принята следующая градация интенсивности землетрясений (вставка 4).

Сейсмические колебания ощущаются отдельными людьми, находящимися в покое, при землетрясениях в один балл по японской шкале, два балла по шкале ММ и в три балла по шкале MSK-64; испуг и общая паника среди населения с возможными человеческими жертвами отмечаются при землетрясениях в пять баллов по японской шкале и восемь баллов по шкале ММ и MSK-64. Однако знаний интенсивности землетрясений на поверхности оказалось недостаточно.

3. Магнитуда землетрясения по Ч.Ф. Рихтеру (проф. Калифорнийского технологического института, США) также характеризует силу землетрясений по величине амплитуды волн от 0 до 9 по шкале Рихтера (см. ниже). Важно знать и величину энергии, излучаемой из очага. Для этого необходимо измерить на поверхности Земли энергию, приходящуюся на единицу площади, учесть поглощение энергии в пути и энергию, ушедшую во всех направлениях. Указанные определения чрезвычайно сложны, поэтому сейсмологи применяют условную энергетическую характеристику землетрясений, называемую магнитудой. Магнитуда – это единица, представляющая собой десятичный логарифм максимальной амплитуды колебаний сейсмографа (в тысячных долях мм), записанных в 100 км от эпицентра землетрясения. Магнитуда – мера высвобожденной при толчке энергии сейсмических волн. Она имеет единственное значение, так как характеризует конкретный очаг. Шкала магнитуд была впервые предложена американским сейсмологом Ч. Рихтером. Магнитуда землетрясений находится также в простой зависимости от частоты толчков – повышение интенсивности на единицу ведет приблизительно к десятикратному сокращению количества соответствующих землетрясений. Магнитуда (М ) является наиболее универсальной и физически обоснованной характеристикой землетрясения.

Ч. Рихтер определил магнитуду толчка как безразмерную величину, определяемую выражением:

М = lg А max ,

где А max – максимальная амплитуда колебаний на сейсмограмме в микрометрах, измеренная на расстоянии 100 км от эпицентра.

После появления высокочувствительных современных цифровых сейсмографов, позволяющих оценивать поток энергии сейсмических волн в широком частотном диапазоне. В этой шкале магнитуда М рассчитывается непосредственно по энергии подземного толчка Е (джоулей) :

М = 2/3 lg Е – 3.

Классификация землетрясений по величине и мощности очага ведётся по шкале магнитуд. Верхней границей шкалы магнитуд принято считать значение М = 9,5. Ему соответствует энергия толчка Е = 10 19 Дж. Увеличению энергии толчка землетрясения примерно 30 раз соответствует увеличению магнитуды толчка на 1 единицу.

Сила землетрясений в различных частях земной поверхности неодинакова. Она прямо пропорциональна интенсивности первичного толчка,

т.е. интенсивности колебаний в гипоцентре, и обратно пропорциональна квадрату расстояния от центра землетрясения (Касахара, 1985). Сила землетрясений зависит также от свойств пород, через которые проходит сейсмическая волна. При прохождении через рыхлые породы и через породы с различными коэффициентами упругости сейсмическая волна ослабевает быстрее, чем когда она проходит по однородным скальным породам. Разрушительные 7–балльные колебания наблюдаются обычно при землетрясениях, начиная с магнитуды 5,5 в районе эпицентра. При сильнейших землетрясениях с магнитудами восемь и выше они проявляются даже на расстояниях от эпицентра в 300–500 км. Чем ближе очаг землетрясения к поверхности, тем больше интенсивность колебаний в эпицентральном районе, но в тоже время она быстрее убывает с расстоянием. Не случайно землетрясения в Москве интенсивностью пять баллов наблюдались в тех случаях, когда их источниками были очаги в Карпатах на территории Румынии, расположенные на глубине 100 и более километров.

По оценкам сейсмологов, ежегодно на Земле происходит в среднем:

· 1 землетрясение с магнитудой от 8,0;

· 10 землетрясений с магнитудой от 7,0 до 7,9;

· 100 землетрясений с магнитудой от 6,0 до 6,9;

· 1000 землетрясений с магнитудой от 5,0 до 5,9;

Спитакское катастрофическое землетрясение имело, например, магнитуду 6,9, и 7–балльная зона охватила площадь в 4000 км 2 .

4. Сейсмические волны, возникающие при землетрясении . Известно, что до 10 % энергии, выделяющейся при землетрясении, превращается в энергию сейсмических волн. Они распространяются во все строны от гипоцентра землетрясения. Сейсмические волны могут быть двух типов – объёмные и поверхностные. В гипоцентре землетрясения зарождаются сейсмические волны объёмного типа – продольные и поперечные . По достижении земной поверхности они побуждают сейсмические волны поверхностного типа. В соответствии с двумя видами деформаций существует два вида волн: продольные волны (Р-волны) – это волны сжатия-растяжения, колебание которых осуществляется вдоль линии их распространения. Поперечные волны (S-волны) – волны сдвига; колебание волн сдвига происходит в плоскости, перпендикулярной линии распространения волны. Скорость продольных волн больше скорости поперечных (v p @1,73 v s) , в жидких и газообразных средах (m=0) поперечные волны отсутствуют. Запись сейсмических колебаний осуществляется сейсмостанциями, расположенными на поверхности Земли (рис. 25). Первыми от землетрясения на сейсмостанцию приходят продольные волны, затем поперечные и поверхностные. Последним соответствуют максимальные колебания почвы и именно они вызывают разрушения на поверхности Земли.

По сейсмическим данным определяют пространственные координаты, энергию и механизмы землетрясения.

На рисунке 25 показана глубина гипоцентра (h) и эпицентральное расстояние (D – расстояние от эпицентра до сейсмостанции). Глубина гипоцентра и эпицентральное расстояние определяются из выражения:

(t s - t p) . ,

где t s и t p – время прихода поперечной и продольной волн.

Для определения D и h необходимы наблюдения минимум на двух станциях.

5.1.2. Структурно-геологическая обусловленность землетрясений

Причиной возникновения землетрясений являются тектонические силы (напряжения) в земной коре, которые при освобождении сопровождаются разрывом и смещением твердого вещества в очаге (гипоцентре) и деформациями за пределами очага. Природа этих сил не совсем ясна, но несомненно, что их проявление обусловлено температурными неоднородностями в теле Земли – неоднородностями, возникающими благодаря потере тепла путем излучения в окружающее пространство, с одной стороны, и благодаря добавлению тепла от распада радиоактивных элементов, содержащихся в горных породах (Болт, 1981). Согласно теории упругой отдачи Рида земная кора во многих местах медленно смещается под действием глубинных сил. Дифференцированные движения вызывают упругие деформации, достигающие таких величин, которые породы уже не могут выдерживать. Тогда возникают разрывы, деформированный блок породы мгновенно смещается под действием упругих напряжений в положение, при котором деформация частично или полностью снимается. Это неравномерное продвижение дислокаций приводит к возникновению высокочастотных волн, проходящих через горные породы и вызывающих сейсмические колебания, которые и производят разрушения на поверхности. Таким образом возникают тектонические землетрясения. Все землетрясения приурочены к областям высокой современной тектонической активности и связаны либо с сжатием (конвергентая граница литосферной плиты), либо растяжением (дивергентная граница литосферной плиты).

Природа землетрясений остаётся в настоящее время неясной и нераскрытой. Причин, которые вызывают тектонические движения много. Вследствие высокой температуры внутри Земли вещество мантии не остаётся неизменным, оно переходит из одного состояния в другое за счёт мантийной конвекции, изменяется его объём. На тектонические движения в недрах земных оказывает влияние и сила тяжести. Более тяжёлые горные породы стремятся опуститься, более лёгкие – подняться.

В XIX веке профессор Н.П. Слигунов , а позднее американский учёный Д. Симпсон обратили внимание на сильные магнитные возмущения, сопровождавшие многие катастрофические землетрясения того времени. При землетрясении в г. Ташкенте (1966 г.) было замечено свечение атмосферы над самым очагом. Очевидно, оно было связано с изменением электрического поля Земли. Установлено, что в годы, когда возрастает количество солнечных пятен на солнце, на Земле усиливается тектоническая деятельность. Магнитные бури, бушующие над Землёй, могут влиять на скорость её вращения и интенсивность теллурических токов в литосфере, что и приводит к нарастанию физических напряжений в земной коре. Грузинские учёные обнаружили, что самые сильные и разрушительные землетрясения в Закавказье совпадали с полнолунием.

Землетрясения могут возникать и по другим причинам. Одна из таких причин – вулканическая деятельность в местах, где раздвигаются тектонические плиты. Кроме этого, известны обвальные и техногенные землетрясения. Обвальные – это небольшие землетрясения, возникающие в районах, где есть подземные пустоты и горные выработки. Непосредственная причина колебания грунта заключается в обрушении кровли штолен или пещер. Часто наблюдаемая разновидность этого явления – горные удары. Они случаются, когда напряжения, возникающие вокруг горной выработки, заставляют большие массы горных пород резко со взрывом отделяться от массива, возбуждая сейсмические волны.

Последний тип землетрясений – это техногенные (искусственные), связанные исключительно с деятельностью человека. Взрывные, или как чаще их называют, наведенные землетрясения возникают при обычных или ядерных взрывах. Когда при взрыве на большой глубине взрывается ядерное устройство, то высвобождается огромное количество ядерной энергии. Отметим также, что наведенные землетрясения связаны не только с военной, но и с другой деятельностью человека.

5.1.3. Общие черты землетрясений в мире и на территории России

Тектонические землетрясения, с которыми часто пространственно совпадают и вулканические землетрясения, формируют сейсмические пояса на земном шаре.

География землетрясений носит закономерный характер и хорошо объясняется теорией тектоники литосферных плит. Наибольшее количество землетрясений связано с такими зонами, где плиты либо сталкиваются, либо расходятся и наращиваются за счет образований новой океанической коры. На платформах очагов землетрясений нет.

Самым мощным сейсмическим поясом, в котором происходят 80 % всех землетрясений земного шара, является Тихоокеанский океанский пояс или «Огненный пояс» . Это зона подвига океанических плит: западное тихоокеанское кольцо, Индонезия, островные дуги (Курильская, Алеутская, Японская, Филиппинская, Ява, Суматра и т.д.), побережье Северной Америки, Карибский регион, Средиземноморье. Плиты, словно потрескавшийся лёд, покрывают полужидную мантию и приводятся в движение колоссальной тепловой энергией земного ядра. Здесь происходят самые мощные землетрясения, например, рекордное в мировой истории Великое чилийское (1960) магнитудой 9,5 по шкале Рихтера и землетрясение в Кобе (1995 г.) унесшее 6433 человеческих жизней. Здесь же ежедневно регистрируются сотни «микроземлетрясений».

Другим районом высокой сейсмической активности считается Альпийско-Гималайский пояс , включающий 5–6 % всех землетрясений. Он протягивается от Средиземного моря, Гималаев (вставка 5), Памира, Тянь-Шань, Средняя Азия, пересекая территории Греции, Турции, Армении, Иран, Пакистан, Афганистан, побережье Алжира, достигая северной Индии. Это зоны столкновения литосферных плит с континентами.

Вставка 5

Город Кашмир (Пакистан в районе Гималаев), 8 октября 2005 года. «Сначала я думал, что это сон, – вспоминает Набиль Ахмад. – Но, открыв глаза, понял, что мир трясётся». По официальным данным погибло около 75 тыс. человек, но, скорее всего, гораздо больше умерло от отсутствия экстренной помощи. С наступлением зимы оползни и снегопады отрезали множество посёлков от Большой земли, сделав их почти недоступными для спасательных и медицинских служб.

Сейсмоопасными зонами России являются Тихоокеанский и Евроазиатский тектонические пояса (рис. 23). Здесь океанические плиты субдуцируют – погружаются под континенты.

Большей сейсмичностью характеризуется Тихоокеанский тектонический пояс – Курильские острова и Камчатка, где непрерывные инструментальные наблюдения проводятсяс 1904 г. За это время, по данным С. А. Федотова установлено, что Курильские острова и Камчатка относятся к наиболее сейсмичным областям земного шара. На основании каталогов землетрясений можно подсчитать, что с 1904 г. в Курило-Камчатской зоне произошло в 150 раз больше на единицу площади, чем в среднем по всему земному шару. Установлено, что землетрясения, за исключением очень глубоких, происходят преимущественно между глубоководной впадиной и поясом вулканов. Глубина очагов землетрясений возрастают по направлению к континенту, достигая 650 км под дном Охотского моря.

Сейсмические явления с глубиной залегания очагов 200 и 300 км свойственны двум другим хорошо выраженным реликтовым зонам субдукции Евроазиатского тектонического пояса – зоне Вранча в Восточных Карпатах и Памиро-Гиндукушу – в Центральной Азии. Внутрикоровые очаги крупнейших землетрясений с магнитудой М > 8 характерны для Иран-Кавказ-Анатолийского, Памиро-Тянь-Шаньского, Алтай-Саяно-Байкальского регионов (Природные опасности России. Сейсмические опасности, 2000). По данным департамента предупреждения и ликвидации ЧС при Министерстве ЧС России 2002–2015 гг. будут характеризоваться повышением земной активности в этих районах.

Рис. 23. Схема сейсмического районирования территорий России

Условные обозначения: Цифры – интенсивность землетрясений, баллы

Рекордным годом в России считается 1943 г., когда было зарегистрировано 41 землетрясение (Россия... 2001). Сопоставление различных сейсмических шкал по последствиям проявления землетрясений приводится в табл. 4.

Таблица 4

Сопоставление различных сейсмических шкал по последствиям

проявления землетрясений

Землетрясения подчиняются некоторым общим закономерностям:

· может по карте сейсмического районирования для них установлена определённая пространственная приуро­ченность;

· чем больше мощность землетрясения, тем реже оно случается и наоборот;

· всем стихийным бедствиям, в том числе и землетрясениям, предшествуют специфические признаки, или предвестники;

· землетрясения могут быть предсказаны в пространстве, но не во времени;

· должны быть предусмотрены антисейсмические мероприятия от землетрясений.

Зная эти закономерности, человек не в состоянии воздействовать на глубинные разломы и тектонические процессы, происходящие в земной литосфере. Но можно уменьшить разрушительные последствия землетрясений. Необходимо изучать степень сейсмического риска при выборе места строительства с учётом геолого-тектонических условий сейсмоопасных территорий и вести строительство с учётом сейсмичности (высокое качество строительных работ, выбор сейсмически стойких строительных конструкций и материалов).

5.1.4. Прогноз землетрясений

Прогнозирование землетрясений является наиболее важной проблемой. Ученые во многих странах мира занимаются этой проблемой, но она еще далека от разрешения. Точными и многочисленными инструментальными исследованиями землетрясений покрыта территория Японии и Калифорнии, но жертвы нередки и там. Человеческие жертвы и ущерб, по-видимому, определены недальновидными и корыстными действиями самих людей при выборе места, конструкции и технологии строительства зданий и сооружений.

Прогноз включает в себя как сейсмическое районирование , так и выявление предшественников землетрясения .

Сейсмическое районирование – выделение областей в которых можно ожидать землетрясения определенной магнитуды или балльности. Сейсмическое районирование разного масштаба проводится на основании учета множества особенностей: геологических, тектонических и других. Карты сейсмического районирования несут информацию о распространении землетрясений в том или ином районе. В границах бывшего СССР карта сейсмического районирования впервые была составлена Г. П. Горшковым в 1936 г. С тех пор эта карта несколько раз уточнялась и переиздавалась.

Для территории России составлен комплект новых карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации (Уломов В.И., 2004) – ОСП-97 А, В, С, созданный в Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ИФЗ РАН) при участии многих других организаций геолого-геофизического и сейсмологического профиля. Общее сейсмическое районирование масштаба (1:8 000000) впервые осуществлено для всей территории Российской Федерации, включая платформенные территории и шельфы окраинных и внутренних морей. Этот комплект карт включён в Строительные нормы и правила – СНиП II–7–81*) «Строительство в сейсмоопасных районах» и принят в 2000 г. Госстроем России в качестве нормативных документов, выполнение которых является обязательным для всех проектных и строительных организаций, осуществляющих работы на территории страны . На картах показана интенсивность сейсмической активности в баллах (6–10 баллов) для средних геологических условий (песчано-глинистые грунты с глубиной залегания подземных вод более 6 метров), а также место землетрясения. Карты характеризуют разную степень сейсмической опасности на 3-х уровнях вероятности – 90 % (карта А), 95 % (карта В), 99 % (карта С): вероятность возможного превышения интенсивности в течение 50 лет (ОСП-97-А –

10 %; ОСП-97-В – 5 %; ОСП-97-С – 1 %;). Время не прогнозируется.

Новые карты ОСР-97 впервые позволили количественно оценивать степень сейсмического риска для конкретных строительных объектов. Карта ОСП-97-А соответствующая 500-летнему периоду повторяемости сейсмических воздействий, рекомендуется для использования при массовом строительстве (такая степень риска приемлема в большинстве стран мира). Карты ОСП-97-В и ОСП-97-С, соответствующие 1000- и 5000-летнему периодам повторяемости сотрясений; предназначена для использования при проектировании и строительстве объектов повышенной ответственности и особо ответственных объектов.

В объяснительной записке к ОСП-97 и СНиП II–7–91 помещён список новых городов и населённых пунктов субъектов Российской Федерации, расположенных в сейсмоопасных районах, с указанием для них по каждой из карт ОСП-97-А, В, С ожидаемой сейсмической интенсивности на 3-х уровнях риска (10, 5 и 1 %) возможного превышения расчётных сейсмических воздействий в течение каждых 50 лет. Например, г. Бийск (Алтайский край) имеет сейсмическую интенсивность по шкале МSК-64 ОСП-97-А – 7 баллов; ОСП-97-В – 8 баллов; ОСП-97-С – 8 баллов.

Для грамотного проектирования антисейсмического строительства сейсмоопасных районов составляются карты более крупного масштаба – сейсмического микрорайонирования . Цель их – уточнение балльности участка с учётом конкретных геологических (грунтовых) условий. Она необходима проектировщикам для грамотного проектирования антисейсмического строительства, т.е. правильного выбора строительной площадки, типа фундаментов, специальных конструктивных мероприятий.

Существует большое количество разнообразных предшественников землетрясений , начиная от собственно геофизических и кончая гидродинамическими и геохимическими методами.

Обнаружить на ранней стадии возникновение сейсмической опасности позволяет созданный в институте физики Земли прибор – геофон с магнитоупругим сенсором для измерения подземного фонового звука на недоступной ранее глубине. Другими предвестниками землетрясений являются быстрый рост частоты слабых толчков (форшоков), деформации земной коры, улавливаемые с помощью лазерных источников света спутниками из космоса, содержания радона в воде, изменения колебания уровня подземных вод, и т.д. Косвенные признаки сильного землетрясения должен знать каждый, проживающий на сейсмоопасной территории:

· резкое изменение уровня воды в водоемах и колодцах;

· изменение температуры воды в водоёмах и ее помутнение;

· яркие вспышки, столбы света, светящиеся шары, зарницы, красноватые отблески на облаках и земле;

· появление необычных запахов (газ радон);

· за несколько часов до землетрясения устанавливается необычайная тишина;

· нарушения в работе радио, телевизора, электромагнитных приборов, компаса;

· самопроизвольное свечение люминесцентных ламп;

· аномальное поведение животных.

К ним можно отнести и поведение животных и насекомых перед землетрясением: кошки покидают селение и переносят котят в луга; домашние животные впадают в панику; муравьи за несколько часов до толчка покидают муравейники, захватив своих «куколок». Верным «рыбьим сейсмографом» в аквариумах японцы считают зубатку и угря. Хорошо чувствуют приближение «подземных гроз» голуби, ласточки, воробьи. Собаки проявляют перед землетрясением повышенную беспокойность и даже пытаются спасти своего хозяина перед началом страшных подземных толчков.

Вовремя прочитать эти признаки – значить, гарантированно спастись. Жителям сейсмоопасных зон надо всегда быть готовыми к неприятным сюрпризам природы. Лучшая защита от них – прочные здания, а значит, принятие в таких странах строго соблюдения сейсмостойкого строительства.

5.1.5. Оценка последствий катастрофических землетрясений

Землетрясение – это бедствие с прямым и косвенным (вторичным) воздействием на природную среду в виде оползней, цунами, пожаров, снежных лавин и т. д. Оно вызывает огромное число жертв и большие материальные убытки. Землетрясения опасны тем, что они относятся к быстродействующим геологическим процессам. Продолжительность главного толчка, характеризующегося наибольшей магнитудой, редко достигает минуты, обычно это несколько секунд. Это бедствие застает людей врасплох, поэтому приводит к большим жертвам. В сейсмически опасных регионах проживает более половины населения Японии, в Китае – одна треть, в США – одна седьмая, в России – менее одной сотой части населения. Каждый январь эксперты ООН подводят итоги прошедшего года по сейсмической активности.

Так, общий ущерб от разрушений зданий в Каракасе при землетрясении в 1967 г. превысил 100 млн долл., при этом погибло 250 человек. Исключительно тяжелым по своим социально-экономическим последствиям было Спитакское (9–10 баллов) землетрясение 7 декабря 1988 г., когда число погибших превысило 25 тыс. человек, а убытки составили свыше 8 млрд руб.

Вставка 5

Лиссабон (Италия), 1755 год. Описание очевидца.

«Беда случилась внезапно. Утром, еще не одетый, я услышал треск. Я побежал посмотреть, в чем дело. Каких только ужасов я не насмотрелся. Больше, чем на локоть земля то поднималась вверх, то опускалась. Дома рушились со страшным грохотом. Возвышающийся над нами монастырь раскачивался из стороны в сторону, грозя каждую минуту раздавить нас. Страшной казалась и земля, которая могла поглотить нас живыми. Людям не было видно друг друга: солнце было в каком-то мраке. Казалось, что настал день страшного суда. Это трясение длилось более 8 минут. Затем все успокоилось.

Мы бросились на площадь, лежащую невдалеке. Пробираться пришлось среди разрушенных домов и трупов, не раз рискуя погибнуть. На площади собралось не менее 4000 человек: одни полуодеты, другие совсем нагие. Многие были ранены, лица у всех были покрыты смертельной бледностью. Находившиеся среди нас священники давали общее отпущение грехов.

Вдруг снова все началось и продолжалось 8 минут. После этого целый час тишина не нарушалась. Целую ночь мы провели в этом поле под открытом небом. Сам его величество король принужден был жить среди поля, и это приободряло нас.

Чудные громадные церкви, подобных которым нет и в самом Риме, были разрушены. Вечером, в 11 часов в разных местах показался огонь. Что спаслось от землетрясения – то уничтожил пожар.

Со вторым толчком связана еще одна трагедия. Многие жители искали спасения от землетрясения на набережной реки, которая привлекала их своей прочностью. Приземистая и массивная набережная казалась очень надежной. Но с новыми ударами фундамент начал оседать и все сооружение вместе с обезумевшими от ужаса людьми бесследно исчезло в водной стихии. Спастись никому не удалось».

Число жертв Лиссабонского землетрясения составляет около 50 тыс. человек.

Землетрясение в Китае в 1976 г. унесло больше жизней, чем любое другое в XX в. – по разным оценкам количество жертв составило от 255 до 600 тыс. человек. Установлено, что основная причина гибели людей при землетрясениях – обрушение зданий. Количество человеческих жертв зависит от типа жилья и качества строительства. Там, где люди живут в юртах, человеческие жертвы практически полностью исключаются даже при землетрясениях максимальной интенсивности, как в случае 12-балльного (М = 8,5) Гоби-Алтайского землетрясения 1957 г.

Следствием ошибочного отнесения района г. Нефтегорска к не сейсмичным явилось строительство в 1960-е гг. не сейсмостойких крупноблочных зданий, которые были полностью разрушены в результате землетрясения на Сахалине 25 мая 1995 г., унесшего 1989 человеческих жизней. Учет новых данных сейсмического районирования предопределил строительство в этом городе в 1979–1983 гг. сейсмостойких зданий, рассчитанных на семь баллов по шкале MSK-64. По данным Л. Коффа (1995), эти здания выдержали сейсмическое воздействие и сохранились.

Приведём список крупнейших землетрясений с человеческими жертвами (табл. 5).

Таблица 5

Крупнейшие землетрясения в мире и России с человеческими жертвами (Трухин и др., 2003, с допол. автора )

Количество человеческих жертв также зависит:

а) времени начала землетрясения и продолжительности сейсмических колебаний;

б) глубина очага и нахождения населенного пункта от эпицентра и силы сейсмических волн;

в) от конструктивных особенностей зданий и качества их строительства;

г) типа и состояния грунта основания;

д) наличия в плейстоценовой зоне взрыво- пожароопасных объектов, плотин, АЭС и т.д.

К последствиям землетрясений, кроме явлений тектонического характера (образование трещин, сбросов и сдвигов), относятся:

1) различные изменения рельефа местности, вызванные перемещениями поверхности по сбросам, оползнями, обвалами, подпруживанием рек и образованием озер;

2) извержение газов, воды и грязи, напоминающие деятельность грязевых потоков;

3) разрушение искусственных сооружений, пожары.

Сейсмические воздействия проявляются на поверхности земли в виде разрывов в горных породах и относительного смещения разделяемых блоков горных пород в очаге. Процесс сопровождается не только механическими колебаниями толщи грунта, но и пиковыми электромагнитными излучениями, влияние которых на биологические объекты и окружающую среду может быть весьма существенным, особенно в случае выхода очагового разрыва на поверхность. Фиксировать воздействия этого рода в краткие мгновения разрывообразования чрезвычайно трудно, а подчас и невозможно.

Разрушительное действие землетрясений на искусственные сооружения зависят от силы толчка, характера сотрясения, угла выхода удара, направления сейсмического луча по отношению к постройке, свойств грунта и качества построек. Естественно, что чем сильнее удар, тем он гибельнее для любого рода искусственных сооружений. Однако при одной и той же силе удара степень разрушений может оказаться различной в зависимости от характера сотрясений. Вертикальные колебания, характеризующиеся малыми амплитудами, как правило, менее опасны для зданий, чем колебания горизонтальные. Наиболее подвержена горизонтальным движениям нижняя часть здания – 1-й этаж и фундамент. Подбрасывание и поворот крыш наблюдается редко. При этом стены разбиваются неправильной системой трещин, у непрочных построек стены разрушаются, а крыша накрывает развалины. Такие разрушения имели место близ эпицентра Ашхабадского землетрясения 1948 г.

Катастрофические последствия землетрясений часто усиливаются пожарами, возникающими от развалившихся во время топки печей, от коротких замыканий электропроводки, разрывом газовых труб и т. п. Борьба с пожарами затрудняется тем, что первые толчки землетрясений обычно выводят из строя водопроводы, разрывая трубы. Город Сан-Франциско был уничтожен в 1906 г. не столько самим землетрясением, сколько пожаром, с которым не смогли справиться из-за порчи водопровода. На железных дорогах землетрясения вызывают деформацию насыпей – их разрыв, смещение и выбрасывание железнодорожного полотна, а также деформацию рельсов. Мосты и эстакады испытывают очень сильные разрушения даже при металлической или железобетонной конструкции.

Последствия землетрясений особенно катастрофичны, когда они приводят к активизации экзогенных гравитационных процессов, таких как обвалы, оползни, лавины, сели и пр. Во время Сарезского землетрясения в 1911 г. на центральном Памире огромная масса обломочного материала объемом более 2 млрд м 3 обрушилась с правого борта долины р. Бартанг, обусловив образование узкого и глубокого Сарезского озера. Под завалом был погребен кишлак с людьми, под водой нового озера оказался второй кишлак. Образовавшееся Сарезское озеро породило массу дополнительных проблем, связанных с возможностью прорыва перемычки.

Стихийное бедствие, такое как землетрясение, чаще всего связано с массовым травматизмом или гибелью людей, психическим шоком, паникой, частичной или полной утратой имущества. Статистические данные утверждают, что в среднем 1 человек из 8 тысяч, проживающих на Земле, погибает при землетрясении.

Выживание в зоне стихийного бедствия обеспечивается тремя основными факторами:

а) умением распознать приближение стихийного бедствия и подготовиться к нему;

б) знаниями приемов самоспасения в зоне бедствия;

в) психологической подготовкой к действию в особо сложных условиях, которое создает любое стихийное бедствие.

Различают две группы антисейсмических мероприятий:

Предупредительные, профилактические мероприятия, осу­ществляемые до предполагаемого землетрясения;

Действия в чрезвычайных си­туациях (мероприятия, выполняемые до землетрясения, во вре­мя и после землетрясения).

Предупредительные мероприятия включают:

а) исследование генезиса, причин, механизма, предвестников данного землетрясения;

б) выбор и разработка методов прогноза землетрясения на данной территории. Необходимо составить крупномасштабную карту микросейсмического районирования для осуществления правильного выбора места расположения населенных пунктов

Профилактические мероприятия включают: 1) создание прогнозных региональных комиссий; 2) строительство зданий и сооружений с учётом карт сейсмического районирования; 3) организацию специальных служб (спасатели, медицинская помощь, пожарные); 4) создание запасов материальных ресурсов, продовольствия, медикаментов, одежды, палаток, отопительных приборов, питьевой воды и др.; 5) просвещение и обучение правилам поведения в условиях сейсмоопасности.

Население сейсмоопасных зон должно знать:

1) сильнейшие землетрясения силой 9 баллов и более повторя­ются в одном и том же месте не чаще 200–400 лет;

2) повторение катастрофических землетрясений силой 7–8 баллов возможно и через год;

3) после главных толчков могут последовать другие не менее опасные, а минимальное расстояние между эпи­центрами повторных землетрясений может составлять 10 км и более;

Основными причинами несчастных случаев при землетрясениях являются:

· обрушение отдельных частей зданий, балконов, кирпичей, стёкол;

· падение разорванных электрических проводов;

· пожары, вызванные утечкой газа из повреждённых труб;

· неконтролируемые действия людей в результате паники.

Причины травм и гибели людей можно уменьшить, если знать порядок действий в чрезвычайных ситуациях и выполнять ряд рекомендаций. Действия в чрезвычайных ситуациях распределены по фазам землетрясения.

До землетрясения : наметить заранее план действий в сейсмоопасных районах (иметь список телефонов медицинской помощи, представителей МЧС РФ, определить пути выхода из здания, знать места отключения электричества, газа) необходимо иметь в легкодоступном месте батарейный радиоприемник, карманный фонарик, аптечку, неприкосновенный запас продуктов, документы.

Во время землетрясения : надо быть готовым действовать, сообразуясь с конкретной обстановкой. Чем быстрее человек среагирует на опасность, тем больше останется шансов на спасение. Ощутив колебания здания, увидев качание светильников, падение предметов, услышав нарастающий гул и звон бьющегося стекла, не поддавайтесь панике. У вас есть 15–20 секунд. Быстро выйдите из здания, взяв документы, деньги и предметы первой необходимости. Покидая помещение, спускайтесь по лестнице, а не на лифте. Оказавшись на улице, оставайтесь там, но не стойте вблизи зданий, а перейдите на открытое пространство.

Надо спасаться там, где вы находитесь. Если оказались на высоком этаже в помещении – надо отключить газ, воду, электричество, оставаться на месте внутри здания у опорных стенок или в дверном проеме, или под столом.

.

Рис. 24. Порядок действий при землетрясении

Если вы едете в автомобиле, после начала землетрясения надо остановиться в таком месте, где не будут созданы помехи транспорту, и оставаться в машине

После землетрясения : оценить силу и масштабы стихийного действия, оказать помощь пострадавшим, проверить газ, электричество, водопровод, слушать радио, не занимать телефон, не ходить без обуви, не приближаться ни к зданиям, ни к морю из-за возможного цунами. Надо быть к повторным толчкам, которые могут случиться через минуту или через несколько суток. Нельзя передавать вымышленные сведения, а пользоваться только официальными сообщениями.

Во всех случаях надо действовать согласно правилам и рекомендациям службы по ЧС и в соответствии с планом аварийных мероприятий, подчиняться указаниям местных властей и штаба по ликвидации последствий стихийного бедствия.

При выборе места строительства зданий и сооружений на территории с силой землетрясений более 6 баллов следует учитывать все геологические факторы, определяющие устойчивость здания: близость крутых склонов и откосов, где развиты оползни, обвалы, осыпи; рыхлые и водонасыщенные грунты; пойменные и болотистые участки, участки с высоким уровнем грунтовых вод. Скальные породы – наилучший вариант для основания крупных сооружений. Отражение инженерно-геологических условий на выбираемой площадке строительства в сейсмоопасных районах должно быть на крупномасштабных картах сейсмического микрорайонирования.

В конструктивных особенностях строительства домов предусматривается антисейсмические пояса, прочный фундамент без подвалов. Доказано, что железобетонные здания сравнительно устойчивы, однако деревянные, стальные и укрепленные каменные дома также могут быть сейсмостойкими, если они хорошо сконструированы и добротно построены. Для этого применяются соответствующие элементы жесткости и крепления: связывающие скобы, подпорки и стойки, анкерные болты. Наиболее безопасной является та конструкция, вторая будет гибкой и сможет двигаться как единое целое, т. е. так, чтобы отдельные ее части не ударялись друг о друга. Обеспе­чение сейсмостойкости – обязательное требование при строительстве в сейсмоопасных районах. Необходимое увеличение стоимости строительства составляет, по инженерной оценке, менее 10 %, если соответствующие проблемы решаются на стадии проектирования. Строительные и стра­ховые компании должны учитывать разный уровень риска в связи с особенностями геологической обстановки с помощью карты сейс­мической опасности. Все эти меры контроля – путем районирова­ния, совершенствования строительных норм и классификации зданий по уязвимости – необходимо применять для предотвращения человеческих жертв в районах сейсмической опасности.

Давид ,
ученик 10-го класса, МОУ СОШ № 26, г. Владикавказ, РСО–Алания

Землетрясения и их прогнозирование

1. Введение

Объект исследования – геофизические процессы, предшествующие и сопровождающие землетрясения.

Задача – рассмотреть причины сложного природного явления, а также способы его регистрации и перспективы прогнозирования с целью создания соответствующей аппаратуры.

Землетрясения – одно из проявлений геологической жизни Земли. Это «пульс» нашей планеты, а для людей – одна из страшных природных катастроф. Сейсмографы улавливают более 100 000 землетрясений в год. Из них около 100 можно отнести к разрушительным. Вот некоторые интересные исторические свидетельства :

• 868 и 876 гг., Византия – землетрясения длительностью по 40 дней;
• 1000 г., 29 марта – сильное землетрясение на всём земном шаре;
• 1101 г., Киев, Владимир – «…едва церкви устояли, а вреда много учинилось. Кресты с церквей попадали»;
• 1109 г., 2 февраля, Новгород – «…стресеся земля»;
• 1117 г., 16 сентября, Киевская Русь – сильное землетрясение;
• 1188 г., 15 сентября, Русь – землетрясение «сотрясе землю»;
• 1446 г., Москва – «…тоя же осени октября 1 день, в 6 час нощи той, потрясеся град Москва. Кремль и посады поколебашися»; аналогично в 1471 г.;
• 1525 г., Венгрия – «…в землю провалились дома и церкви»;
• 1595 г., Нижний Новгород – «…во полуденное время прииде шум велик, яко земли поколебаша, и разседеся земля… И церковь, и келии, ограда и житницы и двор конюшенный все погибаша, един только столб остался алтарной»;
• 1751 г., Финляндия – серия землетрясений с октября по декабрь, некоторые сопровождались шумом;
• 1771 г., Кавказ – «землетрясение близ горы Бештау… провалилась часть горы Машук»;
• 1785 г., 12–13 февраля, Моздок – первое землетрясение сопровождалось подземным гулом, второе – волнением воды в Тереке (землетрясения ощущались до Кизляра);
• 1798 г., Пермь, Екатеринбург, Верхотурье – 8 мая был сильный ливень, через 2 дня – гроза, ливень и град, 11 мая температура опустилась ниже нуля, в ночь на 12 мая выпал снег. В тот же день послышался глухой шум землетрясения. При этом дул сильный ветер, шёл снег и было очень холодно;
• 1809 г., 26 февраля, Вятская губерния – в самой Вятке два таких удара, что «все дома затряслись и затрещали», но ущерба не было;
• 1814 г., Таганрог, Азовское море – «28 апреля около 2 часов пополудни при тихой погоде послышался вдруг в море гром и затем на расстоянии около 400 метров от берега показалось из воды пламя, окружённое облаками дыма и сопровождаемое неумолкающим гулом, похожим на пушечные выстрелы. Огромные массы земли и камней выбрасывались с силой до самого вечера, когда увидели небольшой островок, извергавший через множество отверстий горную смолу»;
• 1817 г., Таманский полуостров – «посреди озера… появился новый курган»;
• 1832 г., 17 марта, Тифлис – землетрясению предшествовал сильный порывистый ветер, продолжавшийся трое суток;
• 1841 г., Нижний Тагил – были слышны подземные толчки и гул, небо в течение ночи озарялось разноцветным пламенем;
• 1851 г. 28 июля, Кутаисская губерния – вслед за землетрясением разразилась сильная гроза с дождём, шедшим почти всю ночь;
• 1856 г., 1 февраля, Гори – землетрясение, а ночью была буря;
• 1873 г., 9 февраля, Кола – в 4 часа раздался подземный удар и произошло землетрясение. «Дома шатались и утварь падала». Погода стояла тихая. Вдруг внезапно «сделалось темно», потом на восточной стороне неба появился огромный тёмно-багровый шар, который затем скрылся на западе. В этот момент раздался удар.
• 1883 г. – выдающаяся эпоха по сейсмическим и вулканическим явлениям на нашей планете (353 землетрясения).

2. Возникновение условий для землетрясений

Земная кора – самая верхняя часть литосферы. Теория литосферных плит и дрейфа материков создана в начале ХХ в. немецким учёным А. Вегенером. Согласно теории, кора вместе с частью верхней мантии разбита сложной сетью глубоких трещин, делящих литосферу на 7 больших плит и десятки плит поменьше. Плиты лежат на сравнительно мягком и пластичном слое мантии, скользя по которому друг относительно друга, соседние плиты могут сближаться и расходиться.

Подавляющая часть землетрясений (более 85%) происходит в условиях обстановки сжатия, и только 15% – в обстановке растяжения. Поддвигание мобильной Малоазиатской микроплиты под более стабильную Скифскую со скоростью примерно 3,5 см/год приводит к вздыманию по сей день горных систем Кавказа. Землетрясение – это мгновенное высвобождение энергии за счёт образования разрыва гор­ных пород, возникающего в некотором объёме, называемом очагом землетрясения. Могут происходить и менее масштабные процессы, в результате которых наблюдается так называемый горный удар, обусловленный наличием горных выработок.

3. Динамика грунтов. Опасность резонанса для сооружений

Сейсмический толчок вызывает низкочастотные колебания сооружений. Поскольку они обладают большой массой, то при колебаниях возникают значительные силы инерции. В общем случае сооружение как свободное тело имеет шесть степеней свободы. На его колебания влияют грунты, на которых оно стоит. Важнейшей задачей при расчёте колебательной системы сооружение–основание является прогноз резонансных частот и пиковых амплитуд смещения. Особенно опасно резонансное усиление маятниковых колебаний, когда центр тяжести сооружения значительно удалён от точки его опоры, что характерно для мостовых опор, труб и высотных зданий.

Сейсмический эффект определяется тремя параметрами: уровнем амплитуд, преобладающим периодом и продолжительностью колебаний. При Калифорнийском землетрясении 27 июня 1966 г. максимальные ускорения на поверхности достигали 0,5g , но из-за краткости воздействия не было существенных повреждений зданий. А длящееся сравнительно долго малоамплитудное воздействие может привести к серьёзным разрушениям. Задача усложняется плохо прогнозируемыми эффектами резонансного усиления сейсмических колебаний рыхлыми приповерхностными грунтами. В Мехико, расположенном в 300 км от эпицентра землетрясения 1985 г., в отдельных частях города резонансное усиление колебаний с периодом около 2 с достигало 75 раз. Это привело к разрушению 15–25-этажных зданий с близкими резонансными периодами. Погибли 10 000 человек .

Чаще всего очаги зем­летрясений сосредоточены в земной коре на глубине 10–30 км. Как правило, главному подземному сейсмическому удару предшествуют локальные толчки – форшоки. Сейсмические толчки, возни­кающие после главного удара, называются афтершоками.

4. Прогнозирование землетрясений

Предвестников землетрясений достаточно много . Рассмотрим наиболее значимые.

Сейсмические. Обычно скорость накопления напряжений не превышает 10 Н/см² в год и чем больше магнитуда землетрясения и выделяемая энергия, тем длиннее интервал между сильными землетрясениями. Д.И. Мушкетов высказал идею о том, что для областей альпийской складчатости (например, для Кавказа) характерна бóльшая частота, но меньшая сила землетрясений, чем для молодых горных областей, возникших на месте платформ (например, для Тянь-Шаня) .

Геофизические. Точные измерения деформаций и наклонов земной поверхности с помощью деформаторов указывают, что перед землетрясением скорость деформаций резко возрастает. В Японии в среднем на расстоянии 25 км друг от друга стоят датчики движения земной коры. Это колонны из нержавеющей стали высотой 4,5 м с приёмником спутниковой системы определения координат на вершине. Каждые 30 с приёмник определяет координаты местонахождения датчика с погрешностью около 2 мм . Применяются также лазерные дальномеры, следящие за подвижками земной коры. Радиолокационные спутники InSAR , работая в паре, получают карты подвижек земной поверхности на больших площадях . Аналогичная аппаратура поставлена на МКС 16.07.2008 г.

Любое изменение напряжённо-деформи­рован­но­го состояния земной коры сказывается на электрическом сопротивлении горных пород, а также на изменениях магнитного поля, обусловленного магнитными минералами. Отсюда следует существование электромагнитных предвестников. В конце 1960-х гг. ХХ в. ректор Томского политехнического института А. Воробьёв высказал идею о том, что под Землёй должны быть электромагнитные поля, связанные с процессами в недрах Земли. Например, в местах соприкосновения блоков возникает сила трения, приводящая к электризации. Если соседние блоки «склеиваются», то трение прекращается и электромагнитные поля исчезают, зато накапливаются механические напряжения, снимаемые землетрясением. Статистика свидетельствует, что обычно комплекс блоков разрушается через 8–10 дней. Эффект «затишья» – сигнал о землетрясении. Но для повышения точности прогноза нужны сведения от сети наблюдательных станций данного района . В процессе экспериментов учёные выяснили два механизма электризации, важных при деформации земной коры:

– при контакте двух диэлектриков или полупроводников происходит диффузия носителей заряда и возникает контактная разность потенциалов. А в присутствии жидкости образуются двойные электрические слои на поверхности раздела твёрдое тело–жидкость. При разрыве этих контактов возникают различные электрические эффекты;

– внутри ионных диэлектриков (таково вещество земной коры) при разрушении происходит перемещение зарядов (движение заряженных дислокаций и трещин) под действием механических сил, что равносильно локальным токам. Это называется механоэлектрическими процессами (МЭП).

Наблюдения ведутся за изменениями атмосферного электрического потенциала, электротеллурического (Земля и ионосфера – обкладки сферического конденсатора) и геомагнитного полей, естественного импульсного электромагнитного поля. Было установлено, что после окончания возмущения естественных электромагнитных полей и параметров ионосферы (или на завершающей стадии) могут происходить сейсмические события. Но полной корреляции нет, т. к. причины могут быть другие. Например, параметры ионосферы сильно зависят от космического воздействия и геомагнитной обстановки. На электрический потенциал влияет метеобстановка. При прогнозировании необходимо учитывать расположение источников возмущений в пространстве.

МЭП идут при деформации и разрушении земной коры в следующих областях: очаг землетрясения; граница блоков и разломов; поверхностный слой земной коры, испытывающий деформации на стадии подготовки землетрясения. (Подповерхностные слои из-за высокой электрической проводимости не вызывают искажения естественных электромагнитных полей.) Таким образом, МЭП становятся источниками излучения в радиодиапазоне. Они влияют на электротеллурическое и геомагнитное поля, а также на атмосферный электрический потенциал. Но наиболее эффективным будет крупномасштабный источник тока (размером в десятки километров), получаемый вдоль границ блоков, где будут синхронно идти множество МЭП. Такой пульсирующий источник работает на частоте 10–1000 Гц и способен проникнуть высоко в ионосферу .

Есть гипотеза греческих учёных (группа П. Варотсоса) о пьезокристаллическом эффекте в некоторых горных породах, возникающем перед землетрясением.

Рис. 2. Перед сильным землетрясением ширина волновода земля–ионосфера изменяется: его верхняя стенка (ионосфера) опускается: 1 – передающая станция; 2 – очаг землетрясения; 3 – возмущённая область ионосферы; 4 – ионосфера; 5 – стратосфера; 6 – зондирующий радиолуч; 7 – приёмная станция

Рис. 1. Электростатическое поле в ионосфере и поле сейсмического источника на земле

Ионосферные. Впервые инструментальные наблюдения электромагнитных явлений, связанных с подготовкой землетрясения, выполнил в 1924 г. Б.А. Чернявский. Он описал возмущение атмосферного электричества перед Джелал-Абадским землетрясением в Узбекистане. Перед землетрясениями магнитудой более 5 за несколько часов до толчка иногда регистрировались изменения напряжённости вертикального электростатического поля на поверхности Земли в эпицентральной области от нескольких десятков до 1000 В/м. Возле земной поверхности поле вертикально, а на ионосферных высотах разворачивается параллельно земле. Образуется зона радиусом от десятков до сотен километров (рис. 1). В ионо­сфере на высоте 100–120 км перед землетрясением может наблюдаться свечение атмосферного газа. Таким образом, очаг землетрясения индукционно воздействует на нижнюю часть ионосферы. В результате исследований установлено, что перед сильным землетрясением ширина волновода земля–ионосфера изменяется: его верхняя стенка (ионо­сфера) опускается (рис. 2). Первоначальные сведения о том, что электромагнитное поле в волноводе или усиливается, или ослабевает, были получены при регистрации разрядов молний, имеющих закономерный суточный ход. То есть образуется область с повышенной или пониженной концентрацией заряженных частиц за несколько часов до землетрясения. Контроль нижней части ионосферы, являющейся стенкой волновода, осуществлялся наклонным зондированием волнами частотой 10–15 кГц. Возмущённая область ионосферы нарушала нормальное распространение радиоволн. Так, искажение фазы радиосигнала было зафиксировано перед землетрясением в Узбекистане 10.09.1984 г.

Рис. 3. Возмущения фазы радиосигнала за 1,5 ч перед землетрясением в Румынии (М = 7,2)

Г.Т. Несторов в Болгарии 4.03.1977 г. за 1,5 ч перед землетрясением в Румынии (М = 7,2) обнаружил фединги – быстрые флуктуации и даже замирание радиосигнала (рис. 3). Расчёты краткосрочной сейсмической опасности по учёту изменяемости параметров волновода земля–ионосфера показали, что в одном случае из пяти прогноз был ложным, пропусков сильных землетрясений не было. В целом всегда появлялись сообщения о шуме в телефонных аппаратах, как при грозе, о запахе озона во время землетрясения и случаях воздействия электричества на людей и животных.

Выводы. Перед землетрясением появляются механические и электрические напряжения в земной коре Область дополнительной ионизации может создать вторичное широкополосное радиоизлучение и световые эффекты, а также исказить распространение радиоволн в сверхдлинноволновом и длинноволновом диапазонах. Пульсирующий на земле источник может вызвать резонанс колебательного контура Земля–ионосфера (ν рез ~ 10 2 Гц). Это вызовет всплеск переменного электрического тока в ионосфере, её дополнительный нагрев и ионизацию. В результате могут появиться новые источники радиоволн Более надёжный признак сильного землетрясения – не возмущение в нижней ионосфере, а увеличение частоты этих возмущений Область ионосферных возмущений может смещаться на 500–1000 км, т. е. среда «выбирает» самое слабое место для сильного землетрясения Для повышения достоверности прогноза надо учитывать энергонасыщенность горной среды (потенциальную энергию, обусловленную упругими деформациями). Кроме того, какие-то свои эффекты могут быть на более высоких уровнях той же ионосферы .

В результате учёными предложены модели, связывающие развитие аномалий в ионосфере с выбросами радона, изменением напряжённости электрического поля в атмосфере, возмущением ионосферы низкочастотными упругими колебаниями, возникающими при подготовке землетрясения. Правда, перечисленные изменения слишком малы и не заметны на фоне «шума». К сожалению, они выявляются только статистически, т. к. представляют собой изменения среднестатистических характеристик ионосферы за определённые промежутки времени при подготовке землетрясения или во время него .

Чувствительность животных (электромагнитные предвестники, инфразвуки). Наибольшей чувствительностью у живых организмов обладает нервная система. Для движения крови существенное значение имеют её электромагнитные свойства. В организме непрерывно упорядоченно движутся заряды (электроны, ионы), определяющие процессы жизнедеятельности клеток. Кроме того, существуют органы, специально воспринимающие геомагнитную карту местности, что необходимо для ориентации. Всё это в комплексе даёт возможность почувствовать изменения электромагнитных и геомагнитных полей в окружающей среде.

Учёные установили, что в основе механизма ориентирования птиц и некоторых животных лежит тонкий баланс сложных химических реакций, течение которых изменяется под воздействием магнитного поля, хотя оно и очень слабое, около 50 мкТл . В целом остаётся неясным, что именно влияет на животных, т. к. опасность предчувствуют и животные на суше (собаки, лошади, слоны и др.), и рыбы (в море и в аквариумах – японские карликовые сомики и пр.). Сомики являются надёжными индикаторами цунами, возникающих в результате подводных землетрясений. У этих рыб (а также у карповых рыб, баренцевоморских скатов, форели, длиннопалых раков) выявлен максимум электрочувствительности в диапазоне 7–8 Гц. (У человека есть альфа-ритм головного мозга, но способность предчувствовать мы, видимо, потеряли.)

Гидродинамические. Сжатие пород повышает уровень подземных вод и, следовательно, уровень воды в скважинах и колодцах. Может меняться период гейзеров.

Геохимические. Изменяется уровень радона. За 15–20 ч до горного удара (в шахтах) в зоне сжатия уровень содержания этого газа уменьшается. Зато он в 8–9 раз повышается в дальней зоне, где происходит растяжение. Горный удар происходит после прохождения максимума концентрации радона. Как правило, изучаются концентрации радона, растворённого в подземных водах изливающихся скважин. Изменения чувствуются за 3–4 месяца до сейсмического события и особенно чётко проявляются за 1–2 недели .

Проницаемость горного массива, наличие в нём связанных пор и трещин заметно зависит от его напряжённо-деформированного состояния. Динамические изменения концентрации радона в приповерхностном слое почвы отражают это состояние.

Радон радиоактивен и является продуктом альфа-распада радия. Эти химические элементы входят в радиоактивное семейство урана-238. Радон – оптимальный индикатор при различных геологических исследованиях. Его концентрация в горном массиве обычно постоянна, т. к., хотя часть атомов попадает в воздух, а часть распадается с периодом полураспада 3,825 сут., эта убыль постоянно компенсируется новым поступлением, которое зависит от концентрации урана и соответственно радия в данном горном массиве. Газовые струи, включающие радон, могут выходить с глубин до 200 м. Проблем с регистрацией радона не возникает ввиду его радиоактивности – он надёжно регистрируется даже в малых дозах (30–50 распадов в 1 м 3 за 1 с, т. е. 30–50 Бк/м 3 , что соответствует концентрации 10 -16 % в газовой смеси). Для реализации прогноза требуется создание системы мониторинга по всей сейсмогенной площади. При этом расстояние между станциями не должно быть более 25 км, а накопление данных должно осуществляться за время не более 24 ч. Кроме того, испускаемые радиоактивным радоном заряженные частицы ионизируют молекулы воздуха, порождая центры конденсации, и способствуют образованию тумана.

Иногда зоны активных геологических разломов проявляют себя по линейным скоплениям облаков при наблюдениях с самолёта или из космоса. Однако пока прогноз по картам облачности успеха не принёс .

Диффузия лёгких газов из недр Земли и состояние образующихся при этом структур позволяют прогнозировать возможность сильного землетрясения с точностью до одних суток, но по обширной территории .

Влияние взаимного расположения Луны и Солнца, т. к. приливы и отливы происходят и в земной коре.

Заключение

В спорах о принципиальной возможности предсказания землетрясений пока ни одна модель не получила аргументированной и однозначной победы. Сценарии нарастающих в глубине Земли катастроф зависят от столь большого числа факторов, что полный анализ всегда затруднён. Поэтому хуже всего дело обстоит с кратко­срочными (дни, часы) прогнозами, а достоверность долгосрочных (десятки лет) и среднесрочных (годы, месяцы) прогнозов составляет 0,7–0,8, несмотря на комплексный мониторинг (не только регистрация колебаний земной поверхности, но и измерения уровня, температуры и химического состава воды в скважинах, скорости движения земной поверхности, аномалий гравитационного и геомагнитного полей, мониторинг атмо­сферных, ионо­сферных и геоэлектрических явлений), пока не удалось получить эффективный и экономически оправданный прогноз землетрясений, при котором предотвращённые потери превосходили бы ущерб от ложных тревог.

Важную роль играет также изостатическая тектоника, когда при разрушении гор (солнце, ветер и вода) размягчённое вещество астеносферы «засасывается» для восстановления равновесия. Увлекаемые потоками этого вещества плавающие литосферные плиты, подходя к горам с разных сторон, создают горизонтальные сжатия. Пример изостатики – поднятие хребтов Кавказа и прогибание Индоло-Кубанской зоны.

В земной коре существуют направления (каналы) распространения сейсмических волн. Кроме того, могут быть искусственные землетрясения, спровоцированные крупномасштабными земляными работами и далёкими землетрясениями, а также взрывами. Чтобы отделить несейсмические влияния, вычленить влияние источников возмущений (в поверхностных слоях земной коры, в атмосфере, в ионосфере), необходимы комплексные сейсмологические, деформационные и электромагнитные исследования. При этом можно делать большую ставку на электромагнитные предвестники землетрясений, т. к. они несут важную информацию о развитии процесса – переходе среды из устойчивого состояния в неустойчивое, за которым следует землетрясение.

Новые спутниковые технологии позволяют отслеживать деформации земной поверхности, изменения температуры почв при выбросах глубинных флюидов, изменения свойств ионосферы, связанные с подготовкой и реализацией сильных землетрясений.

Прорывом в исследовании землетрясений можно считать бурение в течение 2004–2006 гг. глубинной скважины в разломе Сан-Андреас (США) и установкой в ней обсерватории, рассчитанной на 20 лет работы. Она будет измерять сейсмическую активность, давление грунтовых вод, температуру и деформации непосредственно в зоне очагов микроземлетрясений разлома . Сама же физическая теория сейсмического процесса всё ещё в процессе становления. Сейчас происходит переход к вероятностной модели прогноза.

Изучение разнообразных предвестников привело к следующим выводам:

– время появления предвестника зависит от магнитуды (энергии) будущего землетрясения и с её увеличением тоже увеличивается;

– радиус области проявления предвестников также увеличивается с увеличением магнитуды;

– амплитуда предвестников плавно затухает по мере удаления от эпицентра будущего землетрясения.

При прогнозе землетрясения выделяют три параметра: координаты эпицентра, время и магнитуду (знергию). Соответственно должны быть показаны погрешности этих величин. Эффективность предвестников различна. В частности, геохимические (концентрация газов в подземных водах) и гидродинамические (температура и уровень подземных вод) рассматриваются как крайне неустойчивые, потому что они не всегда соответствуют указанным выше особенностям предвестников. Поэтому поиски новых предвестников не прекращаются.

358 214 эпицентров землетрясений, произошедших в 1963–1998 гг. Видно, что они хорошо очерчивают границы тектонических плит (Магнитуда землетрясения // Википедия – свободная энциклопедия. [Электронный ресурс]. URL: http://ru.wikipedia.org)

Магнитуда землетрясения – величина, характеризующая выделившуюся в виде сейсмических волн энергию. Первоначальная шкала магнитуд была предложена американским сейсмологом Ч. Рихтером в 1935 г., поэтому в обиходе значение магнитуды ошибочно называют шкалой Рихтера . По Рихтеру, сила землетрясения (в его эпицентре) M L оценивается как десятичный логарифм перемещения А (в микрометрах) иглы стандартного сейсмографа Вуда–Андерсона, расположенного на расстоянии не более 600 км от эпицентра: M L = lgA + f , где f – корректирующая функция, вычисляемая по таблице и зависящая от расстояния до эпицентра. Энергия землетрясения примерно пропорциональна A 3/2 , т. е. увеличение магнитуды на 1,0 соответствует увеличению амплитуды колебаний в 10 раз и увеличению энергии примерно в 32 раза. Магнитуда – безразмерная величина, она не выражается в баллах. Правильно говорить: «землетрясение магнитудой 6.0» (а не «землетрясение магнитудой 6 баллов») или: «землетрясение силой 5 магнитуд по шкале Рихтера», а не «землетрясение силой 6 баллов по шкале Рихтера» (там же.)

13 января 2010 г. на Гаити произошла серия землетрясений, магнитуда самого сильного оценивается 7 по шкале Рихтера. (Отметим, что сам Рихтер в силу «слабости» своих приборов максимально мог зафиксировать магнитуду 6,8.) Как отметил главный научный сотрудник Международного института теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН Владимир Кособоков, ситуация возникла из-за «конфликта» между Карибской и Северо-Американской литосферными плитами. Очаг землетрясения залегал на глубине всего 10 км к юго-западу от острова. Карибская тектоническая структура скользит здесь боком по Североамериканской плите. И проскальзывание произошло прямо под городом Порт-о-Пренс. После главного толчка наблюдалось свыше 80 афтершоков (URL: http://www.izvestia.ru).

Специалисты, основываясь на наблюдениях из космоса, говорят о возможности нового землетрясения в районе островов Карибского моря. Космические снимки показывают, что Карибская плита медленно движется в восточном направлении со скоростью примерно 2 см в год и всё больше наползает на Атлантическую плиту. Это движение создаёт огромную энергию. Половина этой энергии вырвалась наружу на Гаити, а вторая ожидает своей очереди. Учёные опасаются, что если она вырвется через подводный разлом, то землетрясение может вызвать катастрофическое цунами. В российской «красной зоне» сейсмических угроз находятся Дальний Восток, Прибайкалье, Алтай, Дагестан. Большую тревогу у сейсмологов вызывают Курилы. Однако, по прогнозам учёных, в ближайшие полгода катастрофических землетрясений здесь произойти не должно (URL: http://www.internovosti.ru). – Ред.

Литература

1. Борисенков Е.П., Пасецкий В.М. Тысячелетняя летопись необычных явлений природы. М.: Мысль, 1988.
2. Вознесенский Е.А. Землетрясения и динамика грунтов // Соросовский образовательный журнал. 1998. № 2. С. 101.
3. Короновский Н.В., Абрамов В.А. Землетрясения: причины, последствия, прогноз // Cоросовский образовательный журнал. 1998. № 12.
4. Гохберг М.Б., Гуфельд И.Л. Электромагнитные предвестники землетрясений // Земля и Вселенная. 1987. № 1. С. 16.
5. Физика и техника. Новости: исследование физической природы землетрясений // Физика в школе. 2003. № 3. С. 7.
6. Родкин М. Прогноз непредсказуемых катастроф //Вокруг света. 2008. № 6. С. 89.
7. Хегай В.В. Возможные ионосферные предвестники землетрясений // Земля и Вселенная. 1990. № 4. С. 17.
8. Степанюк И. А. Предчувствие геофизических катастроф // Физика. 2008. № 9. С. 42–44.
9. Птичий компас // Популярная механика. 2008. № 7. С. 22.
10. Уткин В.И. Радон и проблема тектонических землетрясений // Соросовский образовательный журнал. 2000. № 12. С. 69–70.

Давид Тучашвили занимается исследовательской деятельностью с 7-го класса. Постоянный призёр республиканских конкурсов «Шаг в будущее», «Ступень в науку». Дипломант всероссийских конкурсов «Национальное достояние России» в 2008 и 2009 гг. На Всероссийской выставке научно-технического творчества молодёжи (ВВЦ, г. Москва) в 2009 г. получил медаль «За успехи в научно-техническом творчестве». Его работа упомянута в обзоре журнала «Радио» № 8/2009. На международном конкурсе «Колмогоровские чтения» в 2009 г. занял III место. Вошёл в число кандидатов на присвоение Премии в рамках национального проекта. Имеет публикации (наука, литература). Рисует – занимается графикой. Любит географию. Участник Форума победителей «Прорыв» (Москва, 2009 г.).

На фото: Давид у своего стенда «Землетрясения» во Всесоюзном выставочном центре (Москва, НТТМ, июнь 2009 г.). Он представил модель своего прибора, способного регистрировать колебания и фиксировать проявления электромагнитных предвестников землетрясений. Для повышения достоверности прогноза он исследует возможность комплексной обработки сигналов от датчиков вибраций, магнитного поля и др.

Давид Тучашвили сейчас учится в 11-м классе, но начал работать над этой темой вместе с Валерием Дряевым в 7-м (Радченко Т.И. Ученические проекты // Физика-ПС. 2007. № 4.). Публикуем фрагмент этой совместной работы. – Ред.

Землетрясения – это подземные толчки и колебания земной поверхности, возникающие в результате внезапных смещений и разрывов в земной коре или верхней части мантии и передающиеся на большие расстояния в виде упругих колебаний.

Природа землетрясений до конца не раскрыта. Землетрясения происходят в виде толчков, которые включают форшок, главный толчок и афтершоки. Число толчков и промежутки времени между ними могут быть самыми различными. Главный толчок характеризуется наибольшей силой. Продолжительность главного толчка обычно несколько секунд, но субъективно людьми толчок воспринимается как очень длительный.

Очаг землетрясения – это некоторый объем в толще Земли, в пределах которого происходит высвобождение энергии. Центр очага – условная точка, именуемая гипоцентром.

Проекция гипоцентра на поверхность Земли называется эпицентром.

Силу землетрясения оценивают по интенсивности разрушений на поверхности Земли. Существует несколько сейсмических шкал интенсивности. По международной шкале MSK-64 сила землетрясений оценивается в баллах (табл.1).

Энергия землетрясения оценивается магнитудой. Это условная величина, характеризующая общую энергию упругих колебаний. В мире регистрируется почти 150 тыс. землетрясений в год, из которых почти 300 обладают разрушительной силой. Последствия землетрясений очень сильно варьируют в зависимости от местности, ее рельефа, почвы, состояния зданий, плотности населения и т.д.

Чувствительным средством предупреждения землетрясений может служить поведение животных в часы, предшествующие сейсмическому катаклизму: они проявляют беспокойство, если их закрыть, становятся возбужденными и хотят выйти; собаки лают, мыши бегут из дома, домашние животные выносят потомство наружу.

Таблица 1

Шкала силы землетрясения

К сожалению, изменение поведения животных остается незамеченным в большинстве случаев и правильно истолковывается лишь впоследствии.

Иногда землетрясениям предшествуют грозовые разряды в атмосфере, выделения метана из земной коры. Это так называемые «предвестники» землетрясений.

В связи с трудностями в предсказании землетрясений, необходимо больше заниматься подготовкой к встрече с ним, разработкой антисейсмических программ для того, чтобы смягчить разрушительные последствия этих природных явлений, вызванных землетрясением.

Землетрясение – грозная стихия, не только разрушающая города, но и уносящая тысячи человеческих жизней. Так, в 1908г. землетрясением с магнитудой 7,5 разрушен г. Мессина (Италия), погибло более 100 тыс. человек. В 1923г. землетрясение с магнитудой 8,2 разрушило Токио, Иокогаму, погибли около 150 тыс. человек .

Цунами

Цунами – это гравитационные волны очень большой длины, возникающие в результате сдвига вверх или вниз протяженных участков дна при сильных подводных землетрясениях, реже вулканических извержениях.

В силу малой сжимаемости воды и быстроты процесса деформации участков дна опирающихся на них столб воды также смещается, в результате чего на поверхности воды образуется некоторое возвышение или понижение. Образовавшееся возмущение переходит в колебательное движение толщи воды, распространяющееся со скоростью 50-1000 км/ч.

Расстояние между соседними гребнями волн, находится в пределах 5-1500 км. Высота волн в области их возникновения 0,1-5 м, а у побережья – до 40 м, в долинах рек – более 50 м. В глубь суши цунами могут распространяться до 3 км.

Важное значение для защиты населения от цунами имеют службы предупреждения о приближении волн, основанные на опережающей регистрации землетрясений береговыми сейсмографами.

Обнаружить приближение цунами с помощью приборов возможно лишь за несколько часов. Значительно раньше, чем приборы, чувствуют надвигающуюся беду животные. Внимательное наблюдение за их поведением поможет вовремя предпринять необходимые меры.

Сигналом о возможности цунами является землетрясение. Перед приходом волны вода, как правило, отступает далеко от берега, морское дно на сотни метров (а иногда и на несколько километров обнажается), причем этот отлив может длиться как минуты, так и часы. Само движение волн может сопровождаться громоподобными звуками, которые слышны задолго до подхода цунами.

Цунами предшествуют:

Быстрый отход воды от берега (смолкает шум прибоя);

Быстрое понижение уровня воды во время прилива;

Повышение уровня воды в отлив;

Необычный дрейф плавающего льда или других предметов.

Если произошло землетрясение, особенно если оно длилось 20 секунд и более, первая волна может подойти уже через 15-20 минут. Обычно эта волна не самая мощная, наиболее опасна одна из последующих.

Океан никогда не бывает полностью спокойным.

Прокатившаяся по югу Азии 26 декабря 2004 года цунами журналисты окрестили «самой большой катастрофой за всю историю человечества».

Подводное землетрясение, происшедшее 26 декабря, вызвало цунами. Эпицентр землетрясения находился в индийском океане к северо-западу от острова Суматра (Индонезия). Цунами достигла берегов Индонезии, Шри - Ланки, юга Индии, Таиланда и др. стран. Высота волн превышала 15 метров. Воздействие цунами привело к огромным разрушениям и огромному количеству погибших людей. Погибло, по разным оценкам, от 225 тысяч до 300 тысяч человек. Истинное число погибших вряд ли когда-либо станет известным, так как множество людей было унесено водой в море .

Международная система предупреждения цунами была создана в 1965 году. В систему входят все крупные государства Тихоокеанского побережья в Северной и Южной Америке и Азии, а также тихоокеанские острова, Австралия и Новая Зеландия. Кроме этого, она включает в себя Францию и Россию. Система передает предупреждения о цунами, включая прогноз о скорости движения волн и предполагаемом времени, когда они появятся в определенных географических областях.

В Индийском океане системы предупреждения не было.

Механизм возникновения

Любое землетрясение - это мгновенное высвобождение энергии за счет образования разрыва горных пород, возникающего в некотором объеме, называемом очагом землетрясения, границы которого не могут быть определены достаточно строго и зависят от структуры и напряженно-деформированного состояния горных пород в данном конкретном месте. Деформация, происходящая скачкообразно, излучает упругие волны. Объем деформируемых пород играет важную роль, определяя силу сейсмического толчка и выделившуюся энергию.

Большие пространства земной коры или верхней мантии Земли, в которых происходят разрывы и возникают неупругие тектонические деформации, порождают сильные землетрясения: чем меньше объем очага, тем слабее сейсмические толчки. Гипоцентром, или фокусом, землетрясения называют условный центр очага на глубине. Глубина его обычно бывает не больше 100 км, но иногда доходит и до 700 километров. А эпицентром - проекцию гипоцентра на поверхность Земли. Зона сильных колебаний и значительных разрушений на поверхности при землетрясении называется плейстосейстовой областью(рис. 1.2.1.)

Рис. 1.2.1.

По глубине расположения гипоцентров землетрясения делятся на три типа:

1) мелкофокусные (0-70 км),

2) среднефокусные (70-300 км),

3) глубокофокусные (300-700 км).

Чаще всего очаги землетрясений сосредоточены в земной коре на глубине 10-30 километров. Как правило, главному подземному сейсмическому удару предшествуют локальные толчки - форшоки. Сейсмические толчки, возникающие после главного удара, называются афтершоками.Происходящие в течение значительного времени,афтершоки способствуют разрядке напряжений в очаге и возникновению новых разрывов в толще горных пород, окружающих очаг.

Рис. 1.2.2 Типы сейсмических волн: а - продольные P; б - поперечные S; в - поверхностные ЛяваL; г - поверхностные Рэлея R. Красной стрелкой показано направление распространения волны

Сейсмические волны землетрясения, возникающие из-за толчков, распространяются во все стороны от очага со скоростью до 8 километров в секунду.

Различают четыре вида сейсмических волн: P (продольные) и S (поперечные) проходят под землей, волны Лява (L) и Рэлея (R) - по поверхности (рис.1.2.2.)Все виды сейсмических волн распространяютсяочень быстро. Волны P, сотрясающие землю вверх и вниз, самые стремительные, они движутся со скоростью 5 километров в секунду. Волны S, колебания из стороны в сторону, лишь незначительно уступают в скорости продольным. Поверхностные волны медленнее, однако, именно они вызывают разрушения, когда удар приходится на город. В твердой породе эти волны распространяются так быстро, что их нельзя увидеть глазом. Однако рыхлые отложения(в уязвимых районах, например, в местах подсыпки грунта) волны Лява и Рэлея в состоянии превратить в текучие, так что можно видеть проходящие по ним, как по морю, волны. Поверхностные волны могут опрокидывать дома. И во время землетрясения 1995 года в Кобе (Япония), и в 1989 году в Сан- Франциско серьезней всего пострадали здания, построенные на насыпных грунтах.

Очаг землетрясения характеризуется интенсивностью сейсмического эффекта, выражаемого в баллах и магнитуде. В России используется 12-балльная шкала интенсивности Медведева-Шпонхойера-Карника. Согласно этой шкале, принята следующая градация интенсивности землетрясений (1.2.1.)

Таблица 1.2.1. 12-балльная шкала интенсивности

Интенсивность баллы	Общая характеристика	Основные признаки
	Незаметное	Отмечается только приборами.
	Очень слабое	Ощущается отдельными людьми, находящимися в здании в полном покое.
		Ощущается немногими людьми в здании.
	Умеренное	Ощущается многими. Заметны колебания висящих предметов.
		Общий испуг, в зданиях легкие повреждения.
		Паника, все выбегают из зданий. На улице некоторые люди теряют равновесие; падает штукатурка, в стенах появляются тонкие трещины, повреждаются Кирпичные дымовые трубы.
	Разрушительное	Сквозные трещины в стенах, отмечается падение карнизов, дымовых труб Много раненых, отдельные жертвы.
	Опустошительное	Разрушение стен, перекрытий, кровли во многих зданиях, Отдельные здания разрушаются до основания, много раненых и убитых.
	Уничтожающее	Обрушение многих зданий, в грунтах образуются трещины до метра шириной. Много убитых и раненых.
	Катастрофическое	Сплошные разрушения всех сооружений. Образуются трещины в грунтах со смещением по горизонтали и вертикали, оползни, обвалы, Изменение рельефа в больших размерах.

Иногда очаг землетрясения может быть и у поверхности Земли. В таких случаях, если землетрясение сильное, мосты, дороги, дома и другие сооружения оказываются разорванными и разрушенными .