3. ФИЗИКА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Определение науки сейсмологии. Классификация землетрясений по происхождению, глубине очага и силе. Способы оценки интенсивности землетрясений, шкала MSK-64. Географическое распределение, главные пояса сейсмичности. Прогнозирование землетрясений, сейсмическое районирование и сейсмостойкое строительство. Землетрясение, его очаг, гипоцентр, эпицентр, изосейсты. Теория упругой отдачи. Другие теории очага землетрясений. Энергия землетрясений, магнитуда, сейсмический момент. Ротационная упругая модель сейсмического процесса.

Определение науки сейсмологии. Классификация землетрясений по происхождению, глубине очага и силе. Географическое распределение землетрясений

Сейсмология – это наука, изучающая особенности распределения землетрясений, процессов, протекающих в их очагах, и распространение упругих волн в недрах Земли. В перечне наук о Земле наиболее тесно сейсмология «граничит» с тектоникой и физикой недр Земли.

Под землетрясением или трясением Земли обычно подразумевается трясение земной поверхности. В сейсмологии под землетрясением понимают не только трясение земной поверхности, но и процесс разрушения, нарушения сплошности Земли в некоторой области - области очага землетрясения, в пределах которой потенциальная упругая энергия, запасенная в недрах планеты, переходит в кинетическую энергию колебаний, уносимую из очага сейсмическими волнами.

В развитии мировой сейсмологии наша страна занимает видное место. Русский академик Б.Б. Голицын является одним из основателей сейсмологии как точной науки.

Задолго до создания сейсмологии в 1757 г. М.В. Ломоносов указывал, что землетрясение есть следствие процессов, происходящих внутри Земли и связанных с горообразованием и изменениями в глубинных горных породах. И.В. Мушкетов и А.П. Орлов составили и опубликовали в 1893 г. «Каталог землетрясений Российской империи», который стимулировал разработку Особой комиссией при Императорском Русском географическом обществе программы наблюдений за землетрясениями и, как следствие, начало создания сети сейсмических станций на территории России [Мушкетов, Орлов, 1893].

Одна из таких станций начала свою работу в Петропавловске-Камчатском в 1915 г., удаленном в то время от научных центров на максимально возможное расстояние. Первый наблюдатель А.А.Пурин в 1917 г. в Петропавловске-Камчатском опубликовал брошюру «О землетрясениях на Камчатке и их регистрация» [Пурин, 1917]. Всего в России в 1915 г. насчитывалось 15 сейсмических станций, что составляло около ¼ всех сейсмических станций мира. Российские станции были оснащены лучшими в то время сейсмографами, сконструированными Б.Б. Голицыным [Голицын, 1960].

Землетрясения – грозное явление природы. Достаточно сказать, что от землетрясений на планете, в среднем, из каждых 8000 человек один погибает и примерно десять - в большей и меньшей степени страдают.

Землетрясения происходят вследствие движения земной коры (тектонические землетрясения), извержения вулканов (вулканические землетрясения), обвалов и оползней (денудационные землетрясения) и деятельности человека – в результате взрывов, сооружения значительных сооружений (плотин и появления водоемов) и разработки месторождений (наведенная сейсмичность). Всем этим типам землетрясений присущи как общие черты – излучение сейсмических волн разной интенсивности, так и отличия. Ниже мы будем касаться только землетрясений, происходящих в земных недрах в результате движения слагающих их блоков и плит – тектонических землетрясений.

67

Основные географические закономерности распределения землетрясений планеты можно видеть из данных, представленных на рис. 3.1. Видно, что землетрясения, как правило, происходят вдоль границ тектонических плит; десять крупнейших плит планет представлены на этом рисунке. Плиты перемещаются относительно друг друга по поверхности подстилающих их более мягких пород.

Рис. 3.1 Карта мира, показывающая расположение основных тектонических плит, а также места недавних землетрясений, вулканических извержений. Эпицентра землетрясений обозначены мелкими точками, вулканы – крупными точками.

1- вулканы. 2 – зоны землетрясений. 3 – зоны субдукции (подвига). 4 – напряжение движения плит. 5 – зоны разрастания дна вдоль океанических хребтов, смещенные трансформными разломами. 6 – зоны столкновения плит.

В краевых частях каждой плиты, там, где она соприкасается с другими плитами, горные породы оказываются под действием больших деформирующих (тектонических) сил, вызывающих в них физические и даже химические изменения. Именно на краях плит геологические структуры Земли подвергаются наибольшему воздействию сил, возникающих в результате движения и столкновения плит, и именно там происходят самые крупные геологические преобразования.

К наиболее активным относятся Тихоокеанский (окраина Тихого океана) и Альпийско-Гиммалайский (пояс, протягивающийся от Индонезии в Индийском океане, через Тибет, Среднюю Азию, Турцию, Средиземное море до Азорских островов в Атлантическом океане) сейсмические пояса, в пределах которых выделяется примерно 8085% и 10-15% всей сейсмической энергии планеты.

Распределение землетрясений по глубинам гипоцентров можно видеть на сейсмических разрезах (рис. 3.2а, б), построенных по сейсмическим данным, полученным на Камчатке [Гусев, Шумилина, 1976]. Видно, что землетрясения происходят в пределах тонкого слоя, простирающегося под Камчатку под углом примерно 450. Отметим, что на Камчатке и Курилах происходят землетрясения с глубиной гипоцентра до 600-700 км. Примером такого глубокого сильного (М = 7,5) землетрясения является событие, происшедшее 5 июля 2008 г. в пределах сейсмофокальной зоны Южной Камчатки (рис. 3.2). Эпицентр этого землетрясения располагался в Охотском море на расстоянии около 400 км от г. Петропавловска-Камчатского (рис. 3.2а), в котором землетрясение ощущалось с интенсивностью 3-4 балла по 12-балльной шкале MSK-64, гипоцентр – на глубине Н = 630 км (рис. 3.2б).

68

56

	Р Е	9
	М О
		10
	Е11
	К О	12
52	Т С
	О Х О

8

7

		156
		4
	5	А
		К
	6
		П- ов К А М Ч А Т

156

162 168

Берингово

	б	море
			0
	б	a’	4’ 56
			5’
		о.Медный
		a	6’
		о.Беринга
		a
		б’	7’
		0
		8’	52
		9’
	Т И Х И Й О К Е А Н
		10’
		11’	1
	9		2
		12’	3
		50 0	50 100км
	162

Рис. 3.2.а Схема расположения разрезов сейсмоактивного блока по данным за 1964-1972 гг. 1 – вулканы; 2 – ось глубоководного желоба; 3 – секторы и осевые линии, по которым построены разрезы рис.3.2б. Крестом обозначен эпицентр глубокого (Н = 630 км) землетрясения

5.07.08 с М = 7,5.

Для других участков тихоокеанского пояса распределение землетрясений по глубинам отличаются от описанного распределения для Курило-Камчатской зоны и по максимальным значениям гипоцентров и по «углам наклона» сейсмофокальной зоны, которые изменяются от 20-300 до 70-800. Сильные глубокие землетрясения происходят чрезвычайно редко. Такие события инструментально отмечены пока только у берегов Боливии в Южной Америке и в районе дуги Тонга – Кермадек.

Принято называть землетрясения с глубинами очагов до 30-50 км – коровыми, с глубинами в диапазоне 30 – 300 км – промежуточными и с глубинами больше 300 км – глубокими.

Способы оценки интенсивности колебаний при землетрясениях: макросейсмические шкалы и 12-балльная шкала MSK-64

Для классификации землетрясений по интенсивности были разработаны макросейсмические шкалы. Первые такие шкалы появились в конце XIX – начале ХХ веков: шкалы Росси-Фореля (10 балльная) в Европе, шкала Меркали (12 балльная) в США и шкала Японского метеорологического общества JMA (Japan Meteorological Agency, 10

69

балльная) в Японии. В России принята 12 балльная шкала MSK – 64, которая является близкой шкале Меркали [Медведев, 1968].

A	0	Разрезы 7+8+9
4	4’	0

5		5’
		0	Разрезы 10+11+12
	6	6’

0

7 7’

	0
8	8’
	0
9	9’	0
	б	б’
	0

10	10’		0
	0	а	а’
11	11’	0
	12	12’
		1	5
		2	6
		3	7
		4	8
		25 025	100км

Рис. 3.2.б. Разрезы сейсмоактивного блока. а – вертикальные разрезы по секторам; б – совмещенные разрезы. 1 – очаги землетрясений с К ≥ 11; 2 – очаги землетрясений с К = 9 ÷ 10; 3 – граница сейсмоактивного блока по землетрясениям с К > 11; 4 – границы по землетрясениям с К > 9; 5 – линии, отделяющие справа налево 25, 50,75% землетрясений с К > 11; 6 – ось глубоководного желоба; 7 – вулканы; 8 – гипотетический магматический очаг Авачинского вулкана; К – энергетический класс землетрясения. Крестом обозначен гипоцентр глубокого (Н = 630 км) землетрясения 5.07.08 с М = 7,5.

70

Шкала сейсмической интенсивности MSK-64

Шкала составлена С.В. Медведевым (Москва), В. Шпонхойером (Sponheuer, Иена) и В. Карником (Karnik, Прага) и принята в 1964 г. [Медведев, 1968].

1.Классификация, принятая в шкале

Типы сооружений

Здания, возведенные без необходимых антисейсмических мероприятий.

Тип А – здания из рваного камня, сельские постройки, дома из кирпича-сырца, глинобитные дома.

Тип Б – обычные кирпичные здания, здания крупноблочного и панельного типа, фахверковые строения, здания из естественного тесаного камня.

Тип В – каркасные железобетонные здания, деревянные дома хорошей постройки.

Количественные характеристики

Отдельные – около 5% Многие – около 50% Большинство – около 75%

Классификация повреждений

1степень. Легкие повреждения: тонкие трещины в штукатурке и откалывание небольших кусков штукатурки.

2степень. Умеренные повреждения: небольшие трещины в стенах, откалывание довольно больших кусков штукатурки, падение кровельных черепиц, трещины в дымовых трубах, падение частей дымовых труб.

3степень. Тяжелые повреждения: большие и глубокие трещины в стенах, падение дымовых труб.

4степень. Разрушения: сквозные трещины и проломы в стенах, обрушения частей зданий, разрушение связей между отдельными частями зданий, обрушение внутренних стен и стен заполнения каркаса.

5степень. Обвалы: полное разрушение зданий.

Группировка признаков интенсивности

а) Люди и их окружение б) Сооружения в) Природные явления

2.Интенсивность (в баллах)

1 балл. Неощутимое землетрясение.

а) Интенсивность колебаний лежит ниже предела чувствительности людей; колебания почвы отмечаются только приборами.

б) – в) -

2 балла. Едва ощутимое землетрясение.

а) Колебания ощущаются только отдельными людьми, находящимися в покое внутри помещений, особенно на верхних этажах.

б) – в) -

3 балла. Слабое землетрясение.

а) Землетрясение ощущается многими людьми, находящимися внутри помещений; под открытым небом – только в благоприятных условиях. Колебания схожи с сотрясением, создаваемым проезжающим легким грузовиком. Внимательные наблюдатели замечают легкое раскачивание висячих предметов, несколько более сильное на верхних этажах.

б) - в) -

4 балла. Заметное сотрясение.

а) Землетрясение ощущается внутри зданий многими людьми; под открытым небом – немногими. Кое-где спящие просыпаются, но никто не пугается. Колебания схожи с сотрясением, создаваемым проезжающим рядом с домом тяжело нагруженным

71

грузовиком. Дребезжание окон, дверей, посуды. Скрип полов и стен. Начинается дрожание мебели. Висячие предметы слегка раскачиваются. Жидкость в открытых сосудах слегка колеблется. В стоящих на месте автомашинах толчок заметен.

б) - в) -

5 баллов. Пробуждение.

а) Землетрясение ощущается всеми людьми внутри помещения, под открытым небом – многими. Многие спящие просыпаются. Немногие лица выбегают из помещений. Животные беспокоятся. Сотрясение зданий в целом. Висячие предметы сильно качаются. Картины сдвигаются с места. В редких случаях останавливаются маятниковые часы. Некоторые неустойчивые предметы опрокидываются или сдвигаются. Незапертые двери и окна распахиваются и снова захлопываются. Из наполненных открытых сосудов в небольших количествах выплескивается жидкость. Ощущаемые колебания схожи с колебаниями, создаваемыми падением тяжелых предметов внутри здания.

б) Возможны повреждения 1 степени в отдельных зданиях типа А. в) В некоторых случаях меняется дебит источников.

6 баллов. Испуг.

а) Землетрясение ощущается большинством людей как внутри помещений, так и под открытым небом. Многие люди, находящиеся в зданиях, пугаются и выбегают на улицу. Немногие лица – теряют равновесие. Домашние животные выбегают из укрытий. В немногих случаях может разбиться посуда и другие стеклянные изделия; падают книги. Возможно движение тяжелой мебели; может быть слышен звон малых колоколов на колокольнях.

б) Повреждение первой степени в отдельных зданиях типа Б и во многих зданиях типа А. В отдельных зданиях типа А повреждения 2 степени.

в) В немногих случаях в сырых грунтах возможны трещины шириной до 1 см; в горных районах отдельные случаю оползней. Наблюдаются изменения дебита источников и уровня воды в колодцах.

7 баллов. Повреждение зданий.

а) Большинство людей в страхе выбегают из помещений. Многие люди с трудом удерживаются на ногах. Колебания отмечаются лицами, ведущими автомашины. Звонят большие колокола.

б) Во многих зданиях типа В – повреждения 1 степени; во многих зданиях типа Б – повреждения 2 степени. Во многих зданиях типа А – повреждения 3 степени, в отдельных зданиях этого типа – повреждения 4 степени. В отдельных случаях – оползни проезжих частей дорог на крутых склонах и трещины на дорогах. Нарушения стыков трубопроводов; трещины в каменных оградах.

в) На поверхности воды образуются волны, вода становится мутной вследствие поднятия ила. Изменяется уровень воды в колодцах и дебит источников. В немногих случаях возникают новые или пропадают существующие источники воды. Отдельные случаи оползней на песчаных или гравелистых берегах рек.

8 баллов. Сильные повреждения зданий.

а) Испуг и паника; испытывают беспокойство даже лица, ведущие автомашины. Кое-где обламываются ветви деревьев. Сдвигается и иногда опрокидывается тяжелая мебель. Часть висячих ламп повреждается.

б) Во многих зданиях типа В – повреждения 2степени, в отдельных зданиях этой группы – повреждения 3 степени. Во многих зданиях типа Б – повреждения 3 степени, в отдельных – 4 степени. Во многих зданиях типа А – повреждения 4степени, в отдельных – 5 степени. Отдельные случаи разрыва стыков трубопроводов. Памятники и статуи сдвигаются. Надгробные камни опрокидываются. Каменные ограды разрушаются.

в) Небольшие оползни на крутых откосах выемок и насыпей дорог; трещины в грунтах достигают нескольких сантиметров. Возникают новые водоемы. Иногда пересохшие колодцы наполняются водой или существующие колодцы иссякают. Во многих случаях изменяется дебит источников и уровень воды в колодцах.

9 баллов. Всеобщее повреждение зданий.

72

а) Всеобщая паника; большие повреждения мебели. Животные мечутся и кричат. б) Во многих зданиях типа В – повреждения 3 степени в отдельных – 4 степени. Во

многих зданиях типа Б – повреждения 4 степени и в отдельных – 5 степени. Во многих зданиях типа А – повреждения 5 степени. Памятники и колонны опрокидываются. Значительные повреждения искусственных водоемов; разрывы части подземных трубопроводов. В отдельных случаях – искривление железнодорожных рельсов и повреждение проезжих частей дорог.

в) На равнинах наводнения, часто заметны наносы песка и ила. Трещины в грунтах достигают ширины 10 см, а по склонам и берегам рек – свыше 10 см; кроме того, большое количество тонких трещин в грунтах. Скалы обваливаются; частые оползни и осыпания грунта. На поверхности воды большие волны.

10 баллов. Всеобщее разрушение зданий.

а) Во многих зданиях типа В – повреждения 4 степени, а в отдельных – 5 степени. Во многих зданиях типа Б – повреждения 5 степени, в большинстве зданий типа А повреждения 5 степени. Опасные повреждения плотин и дамб, серьезные повреждения мостов. Легкие искривления железнодорожных рельсов. Разрывы или искривления подземных трубопроводов. Дорожные покрытия и асфальт образуют волнообразную поверхность.

б) Трещины в грунтах шириной несколько дециметров и в некоторых случаях – до 1 м. Параллельно руслам водных потоков появляются широкие разрывы. Осыпания рыхлых пород с крутых склонов. Возможны большие оползни на берегах рек и крутых морских побережьях. В прибрежных районах перемещаются песчаные и илистые массы; выплескивание воды в каналах, озерах, реках и т.д. Возникают новые озера.

11 баллов. Катастрофа.

б) Серьезные повреждения даже зданий хорошей постройки, мостов, плотин и железнодорожных путей; шоссейные дороги приходят в негодность; разрушение подземных трубопроводов.

в) Значительные деформации почвы в виде широких трещин, разрывов и перемещений в вертикальном и горизонтальном направлениях; многочисленные горные обвалы.

Определение интенсивности сотрясения (балльности) требует специального исследования.

12 баллов. Изменения рельефа.

б) Сильное повреждение или разрушение практически всех наземных и подземных сооружений.

в) Радикальные изменения земной поверхности. Наблюдаются значительные трещины в грунтах с обширными вертикальными и горизонтальными перемещениями. Горные обвалы и обвалы берегов рек на больших площадях. Возникают озера, образуются водопады; изменяются русла рек.

Определение интенсивности сотрясения (балльности) требует специального исследования.

3. Дополнения

Приводятся числовые характеристики колебаний (смещений, скоростей и ускорений) при землетрясениях различной интенсивности, дается краткая характеристика интенсивности землетрясений и сопоставляются интенсивности колебаний, классифицируемые различными шкалами.

Необходимо еще раз отметить, что шкала MSK-64 справедлива для классификации сейсмически не укрепленных зданий.

Важные для Камчатки дополнения к шкале MSK-64 были получены на материале обследования сильного 24.11.1971, М = 7 землетрясения, сопровождавшегося в г. Петропавловске-Камчатском и его окрестностях сотрясениями до 8 баллов [Сильные, 1975]. Имеющиеся данные о проявлении землетрясений на Камчатке показывают, что «человеческий» фактор в количественном отношении часто сильно превышает приведенные выше показатели – население постоянно находится в страхе перед сильным

73