Основные понятия и характеристика землетрясений

1.1. Основные понятия и  характеристика землетрясений 

 

 

Землетрясения представляют собой подземные колебания и  толчки земной поверхности, возникающие  в результате внезапных смещений и разрывов в земных недрах.

 

Землетрясения относятся  к числу наиболее опасных сейсмических процессов и по своим разрушительным последствиям не имеют себе равных среди стихийных бедствий. Внезапность  и огромная разрушительная сила землетрясений  часто приводят к большому числу  человеческих жертв и уничтожению  огромных материальных ценностей.

 

Вся поверхность земного  шара делится на несколько огромных частей земной коры, которые называются тектоническими литосферными плитами - североамериканская, евроазиатская, африканская, южно-американская, тихоокеанская и атлантическая. Районы, расположенные вблизи границ тектонических литосферных плит в наибольшей степени подвержены землетрясениям.

 

В результате медленных течений  горячего пластичного вещества в  недрах, тектонические литосферные плиты находятся в постоянном движении - раздвигаются, сдвигаются или скользят одна относительно другой. Такие перемещения плит составляют несколько сантиметров в год.

 

В результате процесса движения плиты сталкиваются друг с другом. В зонах столкновения происходят изменения поверхности Земли  – образуются складки, трещины и  т. д., происходят землетрясения.

 

Для измерения силы землетрясения  используются две шкалы: одна для  измерения интенсивности, другая для  измерения магнитуды.

 

Интенсивность землетрясения (сейсмических колебаний грунта) –  это степень сотрясения грунта на поверхности Земли, ощущаемого в  различных точках зоны воздействия  землетрясения. Величина интенсивности  определяется на основании оценки фактических  разрушений, воздействия на объекты, здания и почву, последствий для  людей.

 

Интенсивность сейсмических колебаний грунта на поверхности  Земли измеряется в баллах. В России используется 12-бальная шкала интенсивности  Медведева-Шпонхойера-Карника (MSK-64). Согласно этой шкале принята следующая градация интенсивности землетрясений:

 

1-3 балла – слабые колебания  (к разрушениям не приводят);

 

4-5 балла – ощутимые  колебания (ощущаются населением  и приводят к появлению отдельных  трещин в постройках);

 

6-7 баллов – сильные  колебания (приводят к разрушениям,  как правило, ветхих построек);

 

8 баллов – разрушительные  колебания (частично разрушаются  прочные здания, падают фабричные  трубы);

 

9 баллов – опустошительные  колебания (разрушается большинство  зданий);

 

10 баллов – уничтожающие  колебания (разрушаются мосты,  возникают оползни, обвалы);

 

11 баллов – катастрофические  колебания (разрушаются все сооружения, изменяется ландшафт);

 

12 баллов – губительные  колебания (вызывают изменения  рельефа местности на обширной  территории).

 

Магнитуда землетрясения (М) – это величина пропорциональная энергии, выделяемой в очаге землетрясения. Она определяется с помощью прибора, называемого сейсмографом.

 

Показания прибора (амплитуда  и период сейсмических волн) указывают  на количество энергии упругой деформации, выделяемой в процессе землетрясения, которая может составлять до сотен  тысяч миллионов КВт/час (1020).

 

Шкала амплитуд была разработана  американским сейсмологом Чарльзом Френсисом Рихтером (1900-1985) в 1935 году. Рихтер для характеристики энергии  землетрясения в качестве эталона (точки отсчёта) предложил принять  такую энергию, при которой на расстоянии 100 км от эпицентра стрелка  сейсмографа стандартного типа отклоняется  на 1 мкм, т. е. энергия землетрясения  определяется как десятичный логарифм отношения амплитуды сейсмических волн замеренных на каком-либо расстоянии от эпицентра, к эталону. Изменение  отношения на 10 соответствует изменению значения интенсивности колебания грунта на поверхности земли на 1 единицу. Например, амплитуда землетрясения равна 300 000, эталон равен 10. По шкале Рихтера амплитуда землетрясения составит: 300 000 : 10 = log 30 000 = 4,48.

 

Наиболее употребительной  для измерения величины сильных  землетрясений в России является магнитуда, вычисляемая по поверхностным  волнам на основе соотношения

 

, (1.1)

 

Где A, T – амплитуда и  период колебаний в волне;

 

D – расстояние от станции  наблюдения до эпицентра землетрясения;

 

B и e – константы, зависящие от условий расположения станции наблюдения.

 

Шкала магнитуд даёт относительную  силу землетрясения, но из нее мало, что можно узнать о физических свойствах сейсмического источника. Поэтому рассчитывают также общую  энергию E излученных очагом упругих (сейсмических) волн. В первом приближении энергия  пропорциональна произведению квадрата амплитуды волны A, отнесенной к периоду T, на длительность t прохождения волны через точку регистрации

 

, (1.2)

 

Где с – сила землетрясения.

 

При вычислениях учитывают  геометрическое расхождение и поглощение энергии на пути от очага до станции  наблюдения.

 

Из сопоставления формул (1.1) и (1.2) видно, что не должно существовать линейного соответствия между магнитудой и энергией землетрясения. Примерная  оценка соотношения между ними приводится в табл. 1.1.

 

Увеличение магнитуды  на 2 единицы соответствует увеличению энергии в 1000 раз. Для получения  примерно линейного соотношения  между энергией и магнитудой можно  воспользоваться логарифмом энергии

 

LgE = a·М + b. (1.3)

 

Признанными в мировой  практике значениями коэффициентов  а и b являются: a = 1,5, b = 11,8.

 

Для оценки величины землетрясения  отечественными сейсмологами применяется  также энергетический класс K. Он равен  десятичному логарифму сейсмической энергии, измеренной в джоулях, например, K = 15 соответствует E = 1015 Дж = 1022 эрг.

 

Для связи между энергетическим классом и магнитудой землетрясений  в России принято применять соотношение:

 

Для южных районов

 

K = 1,8М + 4,6; (1.4)

 

Для Дальнего Востока

 

К = 1,5М + 4,6. (1.5)

 

Таблица 1.1

 

Соотношения между магнитудой М и энергией E землетрясений

M 

Е, эрг

 

8,5 

3,6–1024

 

8,0 

6,3–1023

 

7,5 

1,1–1023

 

7,0 

2,0–1022

 

6,5 

3,6–1021

 

6,0 

6,3–1020

 

5,5 

1,1–1020

 

5,0 

2,0–1019

 

4,5 

3,6–1018

 

4,0 

6,3–1017

 

 

Обобщенную зависимость  между длиной разрыва и магнитудой можно представить формулой

 

Lg L = с·М + d, (1.6)

 

Аналогичную зависимость  между длиной разрыва и энергетическим классом формулой

 

Lg L = е·K (Дж)+f. (1.7)

 

В эти зависимости вводятся поправки, зависящие от глубины очага. Если воспользоваться значениями коэффициентов  в (1.7) е = 0,244, f = – 2,266, то длина разрыва в очаге землетрясения 13-го, 15-го или 17-го энергетического класса (магнитуда 6, 7 или 8) в среднем составит 8, 25 или 76 км. На практике, например, длина разрыва от Нефтегорского землетрясения на Сахалине 27 мая 1995 г. с магнитудой 7,7 составила 40 км, а при Спитакском землетрясении в Армении 7 декабря 1988 г. с магнитудой 6,9 серия разрывов прослеживалась на расстоянии до 35 км. Форма поверхности главного разрыва при землетрясении напоминает эллипс, так что ширина разрыва W в несколько раз меньше его длины L. Для сильнейших землетрясений отношение L / W может достигать 20–30, а в среднем колеблется на уровне L / W = 2.

 

Величины относительных  смещений берегов связаны с длиной разрыва соотношениями типа

 

LgD = g ∙ lg L + h. (1.8)

 

Значения коэффициентов  g и h здесь таковы, что длина разрыва, измеряемая километрами, на 5 порядков по величине превосходит амплитуду смещений, измеряемых метрами.

 

Статистика землетрясений  с различными магнитудами приведена  в табл. 1.2.

 

Таблица 1.2

 

Статистика землетрясений  с различными магнитудами

Магнитуда 

Число толчков

 

За десятилетие 

Энергия

 

Высвобожденная

 

За десятилетие, Дж

 

8,5–8,9 

3 

156 · 1016

 

8,0–8,4 

11 

113 · 1016

 

7,5–7,9 

31 

80 · 1016

 

7,0–7,4 

149 

58 · 1016

 

6,5–6,9 

560 

41 · 1016

 

6,0–6,4 

2100 

30 · 1016

 

 

Чем больше амплитуда волны, тем сильнее землетрясение. Опыт показывает, что разрушительными  оказываются землетрясения, начиная  с магнитуды 5,5, а сильнейшие из них  имеют магнитуду около 9.

 

Гипоцентром (фокусом) землетрясения  называют условный центр очага на глубине, а эпитцентром – проекцию гипетцентра на поверхность Земли.

 

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 км. Как правило, главному подземному сейсмическому удару предшествуют локальные толчки – форшоки. Сейсмические толчки, возникающие после главного удара, называются афтершоками.

 

Сейсмические волны, образующиеся при мгновенной деформации в очагах землетрясений, производят основную разрушающую  работу на поверхности Земли. Известны три типа упругих волн, создающих  такие сейсмические колебания, которые  ощущаются людьми и вызывают разрушения: Объёмные продольные (Р-волны); Объёмные поперечные (S-волны); поверхностные волны.

 

Продольные волны представляют собой чередование зон сжатия и растяжения горных пород, и они  проходят через твёрдые, жидкие и  газообразные вещества. При своём  распространении продольные волны  как бы попеременно сжимают горные породы или растягивают их.

 

Поперечные волны –  при своём распространении сдвигают частицы вещества под прямым углом  к направлению своего пути. Они  не распространяются в жидкой среде, так как модуль сдвига в жидкости равен нулю. Скорость поперечных волн меньше продльных. Эти сейсмические волны раскачивают и смещают поверхность грунта как по вертикали, так ипо горизонтали.

 

Среди поверхностных волн различают волны Лява и волны Рэлея.

 

Волны Лява (L) заставляют частицы грунта колебаться из стороны в сторону горизонтальной плоскости, параллельной земной поверхности под прямым углом к направлению своего распространения.

 

Волны Рэлея (R) возникают  на границе раздела двух сред и  воздействуют на частицы среды, заставляя  их двигаться по вертикали и горизонтали  в вертикальной плоскости, ориентированной  по направлению распространеия волн. Скорость волн Рэлея меньше, чем волн Лява, и обе они распространяются медленнее, чем продольные и поперечные сейсмические волны, и довольно быстро затухают с глубиной, а также с удалением от эпитцентра землетрясения