Глава 18 землетрясения

Землетрясения — это одна из самых страшных природных катаст­роф, не только вызывающая опустошительные разрушения, но и уно­сящая десятки и сотни тысяч человеческих жизней. Землетрясения всегда вызывали ужас своей силой, непредсказуемостью, последствиями. Че­ловек в таких случаях чувствует себя брошенным на произвол судьбы. Земная твердь, самое незыблемое в представлении человека, вдруг ока­зывается подвижной, она вздымается волнами и раскалывается глубо­кими ущельями.

Известно большое число катастрофических землетрясений, во время которых число жертв составило многие тысячи. В 1556 г. в Китае, в про­винции Шэньси, страшное землетрясение привело к гибели 830 тыс. чело­век, а многие сотни тысяч получили ранения. Лиссабонское землетрясение в Португалии в 1755 г. унесло более 60 тыс. человеческих жизней; Мессин- ское землетрясение в 1923 г. — 150 тыс.; тянь-шаньское в Китае в 1976 г. — 650 тыс. и там же в Ганьсу в 1920 г. более 200 тыс. В Агадире 29 февраля 1960 г., в Алжире, погибло 20 тысяч человек. Этот скорбный список можно продолжать и продолжать. В Армении 7 декабря 1988 г. в результате спи­такского землетрясения погибло более 25 тыс. человек и 250 тыс. было ранено. 28 мая 1995 г. на Севере Сахалина мощным землетрясением был стерт с лица Земли городок Нефтегорск, где погибло более 2 тыс. человек.

Землетрясения разной силы и в разных точках земного шара происхо­дят постоянно, приводя к огромному материальному ущербу и жертвам среди населения. Поэтому ученые разных стран не оставляют попыток оп­ределить природу землетрясения, выявить его причины и, самое главное, научиться его предсказывать, что, к сожалению, за исключением единич­ных случаев, пока не удается.

18.1. МЕХАНИЗМ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ И ЕГО ПАРАМЕТРЫ

Землетрясение тектонического типа, т. е. связанное с внутренними эндогенными силами Земли, представляет собой процесс растрескива­ния, идущий с некоторой конечной скоростью, а не мгновенно. Он предполагает образование и обновление множества разномасштабных разрывов со вспарываением каждого из них не только с высвобождением, но и с перераспределением энергии в некотором объеме. Когда мы го­ворим о том, что сила внешнего воздействия на горные породы превы­сила их прочность, то следует иметь в виду, что в геомеханике четко различают прочность горных пород как материала,которая относи­тельно высока, и прочность породного массива,включающего, помимо материала горных пород, еще и структурные ослабленные зоны. Благо­даря последним прочность породного массива существенно ниже, чем прочность собственно пород.

Скорость распространения разрывов составляет несколько километ­ров в секунду, и этот процесс разрушения охватывает некоторый объем пород, носящий название очага землетрясения. Гипоцентромназывает­ся центр очага, условно точечный источник коротко периодных коле­баний (рис. 18.1).

Рис. 18.1. Очаг землетрясения и распространения сотрясений в объеме породы. 1 — область очага, или гипоцентр, 2 — проекция гипоцентра на поверхность Земли — эпицентр. Линии изосейст на поверхности — линии равных сотрясений в баллах

В большинстве случаев, хотя и не всегда, разрывы имеют сдвиго­вую природу и очаг землетрясения охватывает определенный объем вокруг него. Сейсмология изучает упругие волны, распространяющие­ся динамически в частотном диапазоне 10"³— 10²Гц со скоростью в 2-5 км/с. Проекция гипоцентра на земную поверхность называетсяэпицентромземлетрясения. Интенсивность землетрясения эпицентра изображается линиями равной интенсивности землетрясений — изо- сейстами.Область максимальных баллов вокруг эпицентра носит на­звание плейстосейстовой области.

Основному подземному сейсмическому удару — землетрясению — обычно предшествуют землетрясения, или форшоки,свидетельствую­щие о критическом нарастании напряжений в горных породах. После главного сейсмического удара обычно происходят еще сейсмические толчки, но более слабые, чем главный удар. Они называются афтершо- камии свидетельствуют о процессе разрядки напряжений при образо­вании новых разрывов в толще пород.

По глубине гипоцентров (фокусов) землетрясения подразделяются на три группы: 1) мелкофокусные — 0-60 км; 2) среднефокусные — 60-150 км; 3) глубокофокусные — 150-700 км. Но чаще всего гипоцентры землетря­сений сосредоточены в верхней части земной коры на глубине 10-30 км, где кора характеризуется наибольшей жесткостью и хрупкостью.

Быстрые, хотя и неравномерные, смещения масс горных пород вдоль плоскости разрыва вызывают деформационные волны — упругие коле­бания в толще пород, которые, распространяясь во все стороны и дос­тигая поверхности Земли, производят на ней основную разрушающую работу. В гл. 2 уже говорилось о главных типах объемных и поверхно­стных сейсмических волн. К первым относятся продольные — Р (более скоростные) и поперечные — S (менее скоростные) волны (см. рис. 2.2). Ко вторым — волны Лява —L и Рэлея —R. Волны Р представля­ют собой чередование сжатия и растяжения и способны проходить че­рез твердые, жидкие и газообразные вещества, в то время как волныS при своем распространении сдвигают частицы вещества под прямым углом к направлению своего пути.

Скорость продольных волн:

где р — модуль сдвига; р — плотность среды, в которой распространя­ется волна; X — коэффициент, связанный с модулем всестороннего сжатия К соотношением

3

Скорость поперечных волн:

Так как модуль сдвига р в жидкости и газе равен 0, то поперечные волны не проходят через жидкости и газы.

Поверхностные волны подобны водной ряби на озере. Волны Лява заставляют колебаться частицы пород в горизонтальной плоскости па­раллельно земной поверхности, под прямым углом к направлению сво­его распространения. А волны Рэлея, скорость которых меньше, чем волн Лява, возникают на границе раздела двух сред и, воздействуя на частицы, заставляют их двигаться по вертикали и горизонтали в вертикальной плоскости, ориентированной в направлении распростра­нения волн.

Поверхностные волны распространяются медленнее, чем объемные, и довольно быстро затухают как на поверхности, так и на глубине. Волны Р, достигая поверхности Земли, могут передаваться в атмосферу в виде звуковых волн на частотах более 15 Гц. Этим объясняется «страш­ный гул», иногда слышимый людьми во время землетрясений.

Сейсмические волны, вызываемые землетрясениями, можно зарегис­трировать, используя так называемые сейсмографы— приборы, в основе которых лежат маятники, сохраняющие свое положение при колебаниях подставки, на которой они расположены. Первые сейсмографы появи­лись 100 лет назад. На рис. 18.2 изображены принципиальные схемы вертикальных и горизонтальных сейсмографов, а также пример сейсмог­раммы— записи сейсмических колебаний, на которых хорошо наблюда­ются первые вступления волн V иS. Отмечая время первого вступления волн, т. е. появления волны на сейсмограмме, и зная скорости их распро­странения, определяют расстояние до эпицентра землетрясения (рис. 18.3, 18.4). В наши дни на земном шаре установлены многие сотни сейсмогра­фов, которые немедленно регистрируют любое, далее очень слабое земле­трясение и его координаты. Начиная с первых сейсмических станций, оснащенных высокочувствительными сейсмографами, созданными ака­демиком Б. Б. Голицыным в начале XX в., сеть таких станций в России непрерывно расширялась, хотя станции располагались неравномерно, учитывая различную сейсмичность регионов. Сейчас этих станций в России более 140, что в 25 раз ниже, чем в Германии, причем только 15 % этих станций оснащено современными цифровыми сейсмографами. Существуют также девять центров сбора и обработки данных, работаю­щих в режимах текущей и срочной обработки. Сведения о текущей сей­смической обстановке регулярно публикуются в сейсмологических бюл­летенях и каталогах. Сейчас происходят развитие и переоснащение сейсмических сетей России современной аппаратурой. Определение глу­бины очага землетрясения представляет собой более сложную задачу, а существующие методы не отличаются точностью.

Интенсивность землетрясений.Интенсивность, или сила, земле­трясений характеризуется как в баллах (мера разрушений), так и поня­тием магнитуда(высвобожденная энергия). В России используется

Wa

m

Б -T/l/l/L -

Рис. 18.2. Схема горизонтального сейсмографа с механической записью сейсмограммы острием на закопченном барабане регистратора (А): 1 — станина прибора; 2, 3 — точки крепления стальных нитей к станине; 4, 5 — точки крепления нитей к стержню груза сейсмографа; 6 — груз сейсмографа; 7 — закопченный барабан. Действие вертикального сейсмографа (Б). На горизонтальные толчки прибор реагирует очень слабо

Сейсмограмма