18.1. Механизм возникновения землетрясения и его параметры
18.2. Распространение землетрясений и их геологическая позиция
18.4. Сейсмостойкое строительство и поведение грунтов при землетрясениях
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; Мессинское 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. Гипоцентром называется 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 10-3–102 Гц со скоростью
в 2–5 км/с. Проекция гипоцентра на земную поверхность называется эпицентром землетрясения. Интенсивность землетрясения эпицентра изображается линиями равной интенсивности землетрясений — изосейстами. 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 афтершоками и 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 растяжения и способны проходить через твердые, жидкие и газообразные вещества, в то время как волны S при своем распространении сдвигают частицы вещества под прямым углом к направлению своего пути.
Скорость продольных волн:
где µ — модуль сдвига; ρ — плотность среды, в которой распространяется волна; λ — коэффициент, связанный с модулем всестороннего сжатия К соотношением
Скорость поперечных волн:
Так как модуль сдвига µ 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 и S.
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
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, даже очень слабое землетрясение и его координаты. Начиная с первых сейсмических станций, оснащенных высокочувствительными сейсмографами, созданными академиком Б. Б. Голицыным в начале ХХ 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.
Рис. 18.3. Время пробега сейсмических волн от эпицентра землетрясения,
используемое для определения расстояния от эпицентра
до точки регистрации землетрясения
Рис. 18.4. В зависимости от удаления регистрирующей сейсмостанции
от эпицентра землетрясения увеличиваются время прихода
волн P, S и L и интервал между ними
Интенсивность землетрясений. Интенсивность, или сила, землетрясений характеризуется как в баллах (мера разрушений), так и понятием магнитуда (высвобожденная энергия). В России используется 12-балльная шкала интенсивности землетрясений MSK-64, составленная С. В. Медведевым, В. Шпонхойером и В. Карником (см. аббревиатуру). Согласно этой шкале, принята следующая градация интенсивности или силы землетрясений (рис. 18.5):
Рис. 18.5. Соотношение магнитуды землетрясений и выделившейся энергии
• 1–3 балла — слабое;
• 4–5 баллов — ощутимое;
• 6–7 баллов — сильное (разрушаются ветхие постройки);
• 8 — разрушительное (частично разрушаются прочные здания, заводские трубы);
• 9 — опустошительное (разрушаются большинство зданий);
• 10 — уничтожающее (разрушаются почти все здания, мосты, возникают обвалы и оползни);
• 11 — катастрофическое (разрушаются все постройки, происходит изменение ландшафта);
• 12 — губительные катастрофы (полное разрушение, изменение рельефа местности на обширной площади).
Степень сотрясения на поверхности Земли, как и площадь, охваченная им, зависит от многих причин, в том числе от характера очага, глубины его залегания, типов горных пород, рыхлых отложений или скальных выступов, обводненности и др.
В целях количественной оценки меры полной энергии сейсмических волн, выделившихся при землетрясении, широко используется шкала магнитуд (М) по Ч. Ф. Рихтеру, профессору Калифорнийского технологического института.
где А и Т — амплитуда и период колебаний в волне, ∆ — расстояние от станции наблюдения до эпицентра землетрясения, В и ε — константы, зависящие от условий расположения станции наблюдения.
Это магнитуда, вычисленная по поверхностным волнам, хотя используются магнитуды по продольным и поперечным волнам.
Магнитуда 0 означает землетрясение с максимальной амплитудой смещения в 1 мкм на эпицентральном расстоянии 100 км. При магнитуде 5 отмечаются небольшие разрушения зданий, а магнитуда 7 знаменует собой опустошительное землетрясение. Самые сильные из зарегистрированных землетрясений имели магнитуду 8,9–9. Магнитуда 8,6 зафиксирована при землетрясениях в Ганьсу (Китай) в 1920 г., в Ассаме (Индия) в 1950 г. и в Монгольском Алтае (Монголия) в 1957 г. Следует подчеркнуть, что глубокофокусные землетрясения обычно не порождают поверхностных сейсмических волн, поэтому существуют и другие магнитудные шкалы, например телесейсмическая для удаленных (более 2 тыс. км от эпицентра) землетрясений или унифицированная магнитуда Б. Гутенберга, определяемая по амплитуде продольных объемных волн. Существует много модификаций шкал, позволяющих оценивать энергию всех землетрясений, происходящих на земном шаре, и в том числе всех ядерных подземных и промышленных взрывов. В частности, оценка сейсмического момента –
Mo = µS π d φ,
где µ — сдвиговая прочность пород в зоне разлома, S — площадь поверхности разлома, d — среднее смещение по разлому, позволяет довольно объективно оценить величину землетрясения. Магнитуда, вычисленная по сейсмическому моменту:
Mw = lgMo – 10,7.
Наибольший из известных сейсмический момент был установлен для землетрясения в Чили в 1960 г. — МW= 9,6; Мо = 2,5 ⋅ 1030 дин ⋅ см.
Существует определенная зависимость между магнитудой (М) и силой землетрясения, выраженной в баллах (J0).
J0 = 1,7M – 2,2; M = 0,6 J0 + 1,2.
Связь между магнитудой (М), интенсивностью землетрясений в баллах (J0) и глубиной очага (Н) выражается формулой:
J0 = aM – blgH + C,
где а, b и С — коэффициенты, определяемые эмпирически для каждого конкретного района, где произошло землетрясение.
Энергия, выделяемая при землетрясениях, достигает огромных величин и выражается формулой:
E = π2 ρV (A/T),
где ρ — плотность верхних слоев Земли, V — скорость сейсмических волн, А — амплитуда смещения, Т — период колебаний. Рассчитывать энергию позволяют данные, считываемые с сейсмограмм. Известный геофизик
Б. Гутенберг, работавший, как и Ч. Ф. Рихтер, в Калифорнийском технологическом институте, предложил уравнение связи между энергией землетрясения и его магнитудой по шкале Рихтера:
LgE = 9,9 + 1,9M – 0,024M2.
Эта формула демонстрирует колоссальное возрастание энергии при увеличении магнитуды землетрясения. Так, увеличение магнитуды землетрясения на одну единицу вызывает возрастание энергии в 32 раза, в то время как амплитуда колебания земной поверхности увеличивается лишь в 10 раз.
Если взрыв стандартной атомной бомбы в 100 кт выделяет около 1000 ⋅ 1018 эрг, то у всех сильных землетрясений выделение энергии было намного большим, а сильнейшее из когда-либо зарегистрированных землетрясений выделило энергию, сравнимую с энергией взрыва водородной бомбы (см. рис. 18.5). Увеличение М на две единицы соответствует увеличению энергии в 1000 раз.
LgE(эрг) = аМ + b,
где а — 1,5, b — 11,8.
Количество энергии, выделившееся в единице объема горной породы, например в 1 м3 на 1 с, называется удельной сейсмической мощностью.
В российской сейсмологии используется также энергетический класс К для того, чтобы оценить величину землетрясения. К равняется десятичному логарифму сейсмической энергии, выраженной в джоулях. Так, при К = 15 Е = 1015 Дж, или 1022 эрг. Между величинами М и К существует связь
К = 1,8 М + 4,6, установленная для южных районов России, или для Дальнего Востока К = 1,5М + 4,6.
Интенсивность землетрясения в эпицентре землетрясения и в плейстосейстовой области тем выше, чем ближе к поверхности находится очаг. Однако с расстоянием от эпицентра в этом случае колебания быстро затухают. При землетрясениях на больших глубинах, например около 100 км в зоне Вранча в Румынских Карпатах в декабре 1978 г., несмотря на М = 5, колебания ощущались даже в Москве. При очень сильных землетрясениях с М = 8 сейсмоколебания охватывают огромную площадь радиусом около 1000 км. Площадь, охваченная разрушением, растет в зависимости от магнитуды. Так, при М = 5 и глубине очага 40 км площадь разрушений составит около 100 км2, а при М = 8 — около 20 тыс. км2.
Очаги землетрясений. Уже говорилось о том, что подавляющая часть землетрясений возникает в верхней, относительно более хрупкой части земной коры на глубине 7–30 км. Механизм этих землетрясений показывает, что все они образовались в результате смещения по разломам с почти обязательной сдвиговой компонентой. Так как очаг землетрясения расположен на глубине в земной коре, то в нем невозможно проводить прямые наблюдения и следить, например, за его активизацией. Поэтому любое описание очага землетрясения базируется на дистанционных наблюдениях, на использовании законов механики разрушения, моделирования и т. д. Теоретическими расчетами определяют возможные плоскости разрыва в очаге, его динамические параметры. Последние в первом приближении дают возможность понять, каков был механизм разрушения. Было ли это растяжение или сжатие, каковы были сдвиговая компонента и ее ориентировка (рис. 18.6).
Рис. 18.6. Очаговая область ташкентского землетрясения 1966 г. под городом.
Большие круги — место главного толчка, более мелкие — афтершоки.
Стрелки — направление подвижек. У поверхности стрелки —
величина вспучивания, по данным повторного нивелирования
Размеры очагов землетрясений в целом увеличиваются с возрастанием магнитуды. Если очаг располагается неглубоко, то сейсмогенный разрыв может выйти на поверхность, как это случилось, например, во время спитакского землетрясения. Очаг представляет собой не плоскость, а некоторый объемный блок литосферы, в пределах которого осуществляются подвижки по целому ряду отдельных разломов, сливающихся в один крупный сейсмогенный разрыв.
27 мая 1995 г. на севере о. Сахалин произошло мощное землетрясение с М = 7,7. В эпицентр землетрясения попал поселок Нефтегорск, полностью разрушенный. При этом погибло более 2 тыс. жителей. По шкале МSК интенсивность землетрясения составила 9 баллов. Очаг землетрясения располагался вблизи поверхности и вышел на нее в виде системы разрывов общей протяженностью 40 км. Главный разрыв представляет собой правый взбрососдвиг с горизонтальным смещением до 8 м и вертикальным — до 2 м. Генеральный разрыв оперяется целым рядом более мелких, образуя сложную динамическую систему, прослеживающуюся до глубины 15 км. Этот главный сейсмический разрыв оказался унаследованным от геологически хорошо известного Верхнепильтунского правостороннего взбрососдвига, круто падающего к северо-западу. Когда детально изучили приповерхностное строение этого разрыва, выявились горизонты палеопочв, нарушенные, по данным Е. А. Рогожина, сейсмогенными разрывами 1800, 1400 и 1000 лет тому назад, во время еще более сильных землетрясений, чем нефтегорское.
Очаги землетрясений в Курило-Камчатской активной зоне с М = 7,9–8,3 имеют размеры уже несколько сотен километров, сейсмогенные подвижки в них превышают 10 м, и в целом очаги охватывают большой объем литосферы в пределах верхней части погружающейся океанской плиты.
Палеосейсмодислокации. Следы землетрясений, происходивших в недавнем геологическом прошлом — в голоценовое время, т. е. за последние 10 тыс. лет, можно обнаружить в рельефе благодаря специальным методам, разработанным у нас в России. Сильные землетрясения всегда оставляют следы, «раны» на поверхности Земли. Когда детально изучили районы последних крупных землетрясений, произошедших в 1988 г. в Спитаке и в 1995 г. в Нефтегорске, то выявили следы прошлых, таких же сильных землетрясений в виде тектонических уступов; смещений горизонтов палеопочв, трещин, пересекающих различные современные элементы рельефа — долины, овраги, склоны гор и холмов, водоразделы. Такие сейсмогенные нарушения обычно накладываются на рельеф, совершенно не согласуясь с его элементами. В результате землетрясений возникают крупные оползни, осовы, оплывины, обвалы, прекрасно дешифрируемые на аэрофотоснимках, а крупные разломы и трещины — на космических снимках. Например, на горных склонах центральной части Большого Кавказа прекрасно видны неглубокие рвы, уступы, секущие эти склоны, невзирая на особенности геологического строения местности. Их относительная свежесть свидетельствует, по-видимому, о недавних сильных землетрясениях. Поэтому изучение палеосейсмодислокаций имеет большой практический смысл, т. к. их наличие однозначно свидетельствует об активной сейсмичности района в недалеком геологическом прошлом, и, следовательно, район может вновь подвергнуться сильному землетрясению.
18.2. Распространение землетрясений и их геологическая позиция
Распространение на земном шаре землетрясений носит крайне неравномерный характер (рис. 18.7). Одни места характеризуются высокой сейсмичностью, а другие — практически асейсмичны. Зоны концентрации эпицентров представляют собой протяженные пояса вокруг Тихого океана и в пределах Альпийско-Гималайского складчатого пояса, простирающегося в широтном направлении от Гибралтара через Альпы, Динариды, Кавказ, Иранское нагорье в Гималаи. Гораздо более узкие и слабее выраженные пояса сейсмичности совпадают с осевыми зонами срединно-океанских хребтов. Короткие зоны сейсмичности известны и в пределах Восточной Африки, и в южной части Северо-Американской платформы. Все остальные древние платформы и абиссальные котловины океанов асейсмичны.
Рис. 18.7. Распределение эпицентров землетрясений на земном шаре
Закономерное распространение землетрясений хорошо объясняется в рамках современной теории тектоники литосферных плит. Наибольшее количество землетрясений связано с конвергентными и дивергентными границами литосферных плит и поясами их коллизии. Высокосейсмичный пояс вокруг Тихого океана связан с погружением, субдукцией холодных и тяжелых океанских плит под более легкие, континентальные. Места перегиба океанических плит маркируются глубоководными желобами, за которыми располагаются островные дуги типа Алеутской, Курильской, Японской и др. с активным современным вулканизмом и окраинные моря или только вулканические пояса, как, например, в Южной и Центральной Америке. Возникновение сколов в верхней части погружающейся плиты свидетельствует о напряжениях, действующих в направлении пододвигания. Об этом говорит решение фокальных механизмов многочисленных землетрясений. По мере углубления океанической плиты, там, где она пересекает маловязкую астеносферу, гипоцентров становится меньше и они располагаются внутри плиты. Таким образом, погружающаяся плита, испытывая сопротивление, подвергается воздействию напряжений, разрядка которых приводит к образованию землетрясений, многочисленные гипоцентры которых сливаются в единую наклонную зону, достигающую в редких случаях глубины 700 км, т. е. границы верхней и нижней мантий. Впервые эту зону в 1935 г. описал японский сейсмолог К. Вадати, а американский геофизик Х. Беньоф из Калифорнийского технологического института, создавший сводку по этим зонам в 1955 г., вошел в историю, т. к. с тех пор наклонные, уходящие под континенты самые мощные в мире скопления очагов землетрясений называются зонами Беньофа.
Глубина зон Беньофа сильно различается в разных местах. Под островами Тонга она заканчивается на глубине почти 700 км, в то время как под Западной Мексикой глубина не превышает 120–140 км. Внутреннее строение зон Беньофа достаточно сложное. Следует подчеркнуть, что, например, под Японской островной дугой прослеживается как бы двойная сейсмофокальная зона, подразделенная участком слабой сейсмичности. Под западной окраиной Южной Америки зона
Беньофа имеет извилистые очертания в разрезе, то выполаживаясь, то погружаясь более круто (рис. 18.8).
Рис. 18.8. Зоны Беньофа. Гипоцентр с 1954 по 1969 гг.: 1 — Алеутская дуга,
2 — Северо-Марианская дуга, 3 — Южная Илзу-Бонинская дуга,
4 — Северная Идзу-Бонинская дуга, 5 — Ново-Гебридская дуга,
0 — ось желоба, В — вулканы
В последнее время сейсмическая активность на восточной окраине Северной Евразии, т. е. в пределах Камчатки, Курильской и Японской островных дуг, значительно возросла. В 1991–1993 гг. было 5–6 сильных землетрясений с М = 6,5, в 1994 — 14, в 1995 — 20, в 1996 – 1912, причем многие землетрясения были очень сильными. Все они связаны с процессами неравномерной субдукции океанической плиты (рис. 18.9).
Рис. 18.9. Распределение гипоцентров землетрясений
в сейсмофокальной зоне под Японией (по В. Н. Вадковскому)
В субширотном коллизионном поясе, простирающемся от Гибралтара до Гималаев и далее, распределение гипоцентров носит неравномерный и сложный характер, подчиняясь молодому, неоген-четвертичному структурному рисунку Альпийского складчатого пояса и прилегающих территорий. Гипоцентры землетрясений в основном верхнекоровые, мелкофокусные, а более глубокие, в 100–200 км, встречаются лишь спорадически. Отдельные наклонные сейсмофокальные зоны, скорее, «лучи» с глубиной гипоцентров до 150 км известны на юге Апеннинского полуострова, в районе зоны Вранча в Румынских Карпатах. Плохо выраженнные сейсмофокальные зоны небольшой протяженности располагаются в горах Загрос, к северу от Месопотамского залива, наклоненные к северу; в районе хребтов Западный Гиндукуш и в Гималаях. На Памире наблюдаются почти вертикальные сейсмофокальные «гвозди», уходящие на глубину в десятки километров.
В целом же сейсмичность коллизионного пояса хорошо отражает обстановку общего субмеридионального сжатия, в поле которого попадает мозаика из разнородных структурных элементов — складчатых систем и жестких, более хрупких микроконтинентов. Например,
в Кавказском пересечении этого пояса на распределение мелкофокусных землетрясений большое влияние оказывает перемещение к северу древней Аравийской плиты. Этот жесткий клин, вдавливаясь в складчатые системы Альпийского пояса, вызывает образование сдвиговых зон, контролирующих сейсмичность, и отжимание масс к западу (рис. 18.10). Именно в результате этого процесса сформировался Северо-Анатолийский правый сдвиг, с которым связаны неоднократные разрушительные землетрясения, в том числе последнее в районе г. Измит в Западной Турции, повлекшее за собой многочисленные жертвы. Аравийский клин медленно, но постоянно, со скоростью 2,5 см/год, давит на Альпийский пояс, и он как бы потрескивает, реагируя на возрастающие напряжения разрядкой в виде землетрясений.
Рис. 18.10. Распределение эпицентров землетрясений в Кавказском регионе.
Глубина (км): 1 — 0–10; 2 — 10–25; 3 — 25–50; 4 — глубже 50
Очень протяженный узкий сейсмический пояс слабых и крайне мелкофокусных, до 10 км глубиной, землетрясений совпадает с осевой, рифтовой зоной срединно-океанических хребтов общей протяженностью более 60 тыс. км. Частые, но слабые землетрясения происходят в обстановке непрерывного растяжения, что характерно для дивергентных границ литосферных плит, т. к. в зоне рифтов океанских хребтов происходят спрединг и наращивание океанической коры.
Такие же обстановки тектонического растяжения характеризуют континентальные рифты в Восточной Африке, в Европе — Рейнский грабен, в Азии — Байкальский рифт, Восточно-Китайские рифты. Следует отметить, что некоторое количество катастрофических землетрясений произошло в, казалось бы, совсем неподходящих для землетрясений местах. Например, Агадирское (Марокко), 1960 г.; Лиссабонское (Португалия), 1975 г.; Иеменское (юг Аравийского п-ова), 1982 г. и ряд других. Эти землетрясения связаны с активизацией разломных зон.
Наведенная сейсмичность. Техногенное воздействие человека на геологическую среду стало таким существенным, что стали возможными землетрясения, спровоцированные инженерной деятельностью человека. Понятие «наведенная сейсмичность» включает в себя как возбужденные, так и инициированные сейсмические явления.
Под возбужденной сейсмичностью понимается определенное воздействие на ограниченные участки земной коры, которое способно вызывать землетрясения. Инициированная сейсмичность подразумевает существование уже как бы созревшего сейсмического очага, воздействие на который играет роль «спускового крючка», ускоряя событие.
Если землетрясения возникают в результате наведенной сейсмичности, это означает, что верхняя часть земной коры находится в неустойчивом состоянии или, как говорят, в метастабильном, и достаточно некоторого воздействия на нее, чтобы вызвать разрядку накопившихся напряжений, т. е. землетрясение.
В качестве техногенных причин выступают такие, которые создают избыточную нагрузку или, наоборот, недостаток давления. В качестве первых особенно характерны крупные водохранилища. Первое такое землетрясение с М = 6,1 произошло в США в 1936 г. в районе плотины Гувер, где раньше землетрясения не были зафиксированы. В Калифорнии в 1975 г. произошло землетрясение силой около 7 баллов, после того как была построена высокая (235 м) плотина и создано большое водохранилище вблизи г. Оровилл. В 1967 г. в районе плотины Койна в Индии через четыре года после создания водохранилища произошло разрушительное землетрясение с М = 6,3. В середине 60-х гг. XX в. довольно сильное землетрясение (М = 6,2) имело место вблизи плотины Крамаста в Греции.
Чем больше водохранилище, тем выше вероятность возбужденного землетрясения. Отмечается, что в подобных землетрясениях наблюдается значительное число форшоков и афтершоков. Кроме массы воды как избыточного нагружения земной коры, важную роль играет снижение прочностных свойств горных пород ввиду проникновения по трещинам воды.
Добыча нефти и газа, откачка воды из земных недр приводят к изменению пластового давления воды, что в свою очередь влияет на перераспределение напряжений, оживление подвижек по разломам, возникновение новых трещин. Как правило, землетрясения, вызванные этими явлениями, невелики по своей силе. Однако очень сильные землетрясения с М = 7 и 7,3 произошли в 1976 и 1984 гг. в Узбекистане, в районе гигантского месторождения газа в Газли. Раньше в этой местности прогнозировались лишь слабые сейсмогенные подвижки. После начала эксплуатации в 1962 г. до 1976 г. было откачано 300 млрд м3 газа, и пластовое давление стало неравномерно изменяться. Наблюдалась форшоковая активность. Главные толчки произошли в тех зонах, где изменение гидродинамических условий было сильнее всего. Влияние добычи нефти на активизацию сейсмических событий имело место на севере Сахалина; в Западной Туркмении (Кумдагское землетрясение 1983 г. с М = 6) и др.
Возбужденные землетрясения могут происходить также в результате закачки внутрь пластов каких-либо жидких промышленных отходов, как это произошло в районе г. Денвер в 1962 г. с М > 5, когда на глубине около 5 км резко возросло пластовое давление. Сейсмический отклик находят и подземные ядерные взрывы, интенсивно проводившиеся в недавнем времени.
Естественные геологические процессы, такие как земные приливы, изменение скорости вращения Земли, далекие землетрясения, солнечная активность, даже изменение атмосферного давления и фазы Луны, влияют на сейсмическую активность, особенно мелкофокусную. Интересны в этом отношении приливные деформации поверхности Земли, связанные с гравитационным взаимодействием Земли, Луны и Солнца. Интенсивность этого взаимодействия минимальна у полюсов и максимальна на экваторе. Волны, вызванные этим явлением, постоянно перемещаются по поверхности Земли с востока на запад.
Проблема наведенной сейсмичности в наши дни становится одной из важнейших, и ей уделяется много внимания как в прикладной, так и в фундаментальной сейсмологии. Это особенно актуально в связи с быстрым ростом городских агломераций, колоссальным отбором нефти, газа и воды из месторождений, строительством плотин и водохранилищ, что приводит к возрастанию сейсмического риска.
Несмотря на все усилия различных исследователей, предсказать десятилетие, год, месяц, день, час и место, где произойдет землетрясение, пока невозможно. Сейсмический удар происходит внезапно и застигает врасплох. Силы МЧС в нашей стране призваны не только оказывать помощь после катастрофы, но и содействовать тому, чтобы ущерб от них был максимально снижен. Сейсмическое районирование (СР) территории России как раз и предназначено для этого. Когда мы говорим о прогнозировании землетрясений, следует различать прогнозирование сейсмичности как режима, т. е. сейсморайонирование, и прогнозирование отдельных землетрясений по предвестникам, т. е. собственно сейсмопрогнозирование.
Сейсмическое районирование. В настоящее время 20 % площади России подвержено землетрясениям силой до 7 баллов, что требует специальных антисейсмических мер в строительстве. Более 15 % территории находится в зоне разрушительных землетрясений силой 8–10 баллов. Это Камчатка, Курильские острова и, по существу весь Дальний Восток, Северный Кавказ и Байкальский регион.
Сейсмическое районирование — это составление разномасштабных специальных карт сейсмической опасности, на которых показывается возможность землетрясения определенной интенсивности в определенном районе в течение некоторого временного интервала. Карты обладают различным масштабом и разной нагрузкой.
Общее сейсмическое районирование (ОСР) составляется в масштабе от 1:5000000 до 1:2500000; детальное сейсмическое районирование (ДСР) — 1:500000 — 1:100000; сейсмическое микрорайонирование (СМР) — 1:50000 и крупнее. ОСР является основным документом, а СМР используется для отдельных городов, населенных пунктов, крупных промышленных объектов. Карты ОСР используются в экономических целях, для строительства и землепользования. Первая карта ОСР, составленная в 1937 г. Г. П. Горшковым, все время совершенствовалась, и последнее ее издание было в 1997 г. (рис. 18.11). Балльность выделенных опасных в сейсмическом отношении зон непрерывно уточняется, и в карту вносятся коррективы. Работа над картой ОСР России продолжается и в наши дни, т. к. необходимость долгосрочного прогноза и оценки сейсмического риска возрастает.
Рис. 18.11. Сейсмическое районирование территории бывшего СССР.
1–6 — районы с различной балльностью, показанной цифрами.
Белый цвет — балльность от 0 до 5
Сейсмопрогнозирование. Прогнозирование землетрясений использует много факторов, в которые включаются различные модели подготовки землетрясения и разные предвестники: сейсмологические, геофизические, гидродинамические, геохимические.
Согласно дилатантно-диффузионной модели, процесс подготовки землетрясения разделяется на три стадии. Первая характеризуется увеличением тектонического напряжения; вторая — возникновением микротрещин отрыва, т. к. напряжение практически равно пределу прочности пород. При этом происходит некоторое увеличение и упрочнение объема пород, называемое дилатансией. Если напряжения продолжают возрастать, то это приводит к макроразрушению объема пород, т. е. к землетрясению.
Модель лавинно-неустойчивого трещинообразования была предложена в 1975 г. В. Н. Мячкиным. Она предполагает процесс взаимодействия полей напряжений трещин и локализации трещинообразования. Напряжения, действующие длительное время в горных породах, вызывают постепенное образование трещин. Когда достигается некоторая критическая плотность трещин, начинается лавинообразный процесс их объединения, что сопровождается концентрацией трещин в одной узкой зоне, в которой и происходит макроразрыв, т. е. землетрясение. Существуют также модели неустойчивого скольжения, консолидации и др.
Предвестники землетрясений весьма разнообразны. Например, это предвестники электросопротивления, когда за пару месяцев перед землетрясением наблюдается понижение электросопротивления глубоких слоев земной коры, что связано с изменением порового давления подземных вод. Электротеллурические предвестники свидетельствуют о том, что перед землетрясением начинается рост электротеллурических аномалий, что связывается с изменением поля напряжений. Гидродинамические предвестники связаны с изменением уровня вод в скважинах. Обычно за несколько лет до сильного землетрясения наблюдается падение уровня вод, а перед землетрясением — резкий подъем. Геохимические предвестники указывают на аномальное увеличение содержания радона перед землетрясениями.
Нередко, напоминая о трех-четырех удачных предсказаниях, заявляют: прогноз возможен. Подобный вывод совершенно неправомерен. Ибо подлинный прогноз — это вовсе не любые сбывающиеся впоследствии предсказания, а лишь те, которые достаточно надежно, устойчиво сбываются, когда их делают по некоторым определенным правилам (алгоритмам). Естественно, что несколько удачных попаданий на фоне сотен ошибок типа «пропуск цели» или «ложная тревога» никаких оснований для вывода о возможности прогноза не дают.
В проблеме прогноза главное открытие последних лет: непредсказуемость землетрясений вызвана вовсе не недостатком наблюдательных данных, как полагали еще недавно, а особенностями механизма разрушения, порождающими хаотичность сейсмического процесса.
18.4. Сейсмостойкое строительство и поведение грунтов при землетрясениях
Все строительство в сейсмоопасных районах осуществляется по специальным требованиям, направленным на повышение прочности зданий. Это и специальные фундаменты; и способы крепления стен зданий; и металлические «обручи», которыми, как бочку, опоясывают здание, предотвращая тем самым развал панелей стен дома; это и ограничение этажности и еще много других специальных антисейсмических приемов, направленных на усиление конструкции в уязвимых местах. Колебание сооружения зависит от многих факторов: от формы и глубины заложения фундамента, от жесткости конструкции, от типа грунтов, от резонансных частот и пиковых амплитуд предельно допустимого смещения. Дело в том, что резонансные колебания влияют на контакт фундамента с грунтом. По мнению Е. А. Вознесенского, особую опасность представляют маятниковые колебания, резонансное усиление которых происходит при расположении центра тяжести сооружения далеко от его фундамента, например у труб, высотных зданий, высоких мостовых опор, телебашен и др. Раскачивание таких сооружений приводит к их разрушению. Чрезвычайно важно знать некоторые важные характеристики грунтов, такие как модуль сжатия, модуль сдвига, коэффициент затухания колебаний, вязкость грунтов, их слоистость, степень изотропности, влажность. Рыхлые увлажненные грунты — глины, пески, суглинки — меняют свои механические свойства, когда через них проходят упругие сейсмические волны. Особенно опасно разжижение водонасыщенного грунта, когда при колебаниях исчезают контакты между зернами, слагающими грунт, и последние оказываются как бы взвешенными в воде, которая содержалась в порах (рис. 18.12). При этом прочность грунта резко снижается и сооружения либо разрушаются, либо наклоняются, перекашиваются или даже «тонут». Подобное катастрофическое разжижение грунтов наблюдалось во время землетрясений 1964 г.: 27 марта у берегов Аляски около г. Анкоридж (М = 8,4) и 16 июня в Ниигате, Япония (М = 7,5).
Землетрясения приводят к активизации оползней и оползней-потоков в горных районах. Во время Хаитского землетрясения в Таджикистане в 1949 г. с М = 8 сорвавшиеся со склонов гор оползни-обвалы привели к гибели 25 тыс. человек.
Таким образом, избирательное усиление колебаний грунта определенных частот, потеря прочности грунтов и их разжижение, а также возникновение оползней — потоков и обвалов — вот что приводит к разрушению жилых зданий и промышленных сооружений во время землетрясений.
Рис. 18.12. Разжижение грунта при землетрясении (по Е. А. Вознесенскому).
а — рыхлые водонасыщенные пески с крупными порами до землетрясения,
б — фрагмент сейсмограммы, в — момент разжижения
(связи между частицами грунта разорваны, и они оказываются взвешенными в воде),
г — уплотненный песок после отжатия воды и оседания частиц
Термин «цунами» в переводе с японского означает «большая волна в заливе». В нашей стране он стал известен после трагедии на Курильских островах, когда в ночь с 4 на 5 ноября 1952 г. в результате огромной волны до 12 м высотой был полностью разрушен г. Северо-Курильск на о. Парамушир и смыты поселки по берегам 2-го Курильского пролива на самом севере островной дуги.
В результате этой катастрофы, вызванной землетрясением в океане с магнитудой 8,5 ± 0,3, погибло более 2 тыс. человек. Япония часто подвергается воздействию цунами, от которых стали жертвами в 1771 г. 8400 человек, в 1792 г. — 10 500, в 1896 г. — более чем 23 тыс. Землетрясения происходят в океане к востоку от Японии, а высота волн цунами достигает 30 м. 26 декабря 2004 г. в Индонезии и во всем Индийском океане прошло цунами, унесшее более 300 тыс. жизней.
В результате подводного землетрясения в открытом океане возникает зона локального возмущения уровня водной поверхности, как правило, над эпицентральной областью (рис. 18.13). Это возмущение обусловлено быстрым поднятием или опусканием морского дна, которое приводит к возникновению на поверхности океана длинных гравитационных волн, называемых волнами цунами. Длина волн цунами определяется площадью эпицентральной области и может достигать сотни километров и даже больше. Если где-то в океане происходит мгновенное поднятие дна, то на поверхности воды возникает водяная «шляпка гриба» высотой 5–8 м. Затем она распадается с образованием круговых волн, разбегающихся в разные стороны. Иногда в этой водяной «шляпе» наблюдаются всплески, небольшие фонтаны, брызги, появляются кавитационные пузырьки. Если какое-нибудь судно попадает в такую зону, то оно подвергается мощным ударам, вибрации и звуковому воздействию, причиной которых являются сейсмоакустические волны сжатия с амплитудой до 15 МПа.
Рис. 18.13. Образование цунами. 1 — до землетрясения, светлое — вода,
точки — океаническое дно; 2 — землетрясение вследствие сброса на дне,
на поверхности океана возникает впадина; 3 — на месте впадины образуется купол воды;
4 — купол распадается на круговые волны
Распространяясь во все стороны от эпицентральной области, волны проходят очень большие расстояния. Например, после сильного землетрясения 4 октября 1994 г. вблизи о. Шикотан Курильской островной дуги с М = 8 по шкале Рихтера волны достигали побережья Южной Америки через 20–21 час. Чаще всего скорость распространения волн цунами не превышает 200 км/ч, хотя бывает и больше, в то время как скорость сейсмических волн составляет несколько километров в секунду, что позволяет выдать прогноз возникновения цунами после землетрясения, которое регистрируется почти мгновенно, и оповестить население о приближающейся опасности. Скорость, с которой волна цунами подходит к берегу, равна:
,
где Н — глубина океана, g = 9,81 м/с2 — гравитационное ускорение. Например, если землетрясение происходит вблизи Курильской гряды и Восточной Камчатки, то время пробега волны цунами составляет всего 10–60 мин., что очень мало для принятия срочных мер по эвакуации населения.
Когда волна цунами высотой 5–6 м подходит к отмелому берегу, ее высота начинает возрастать до нескольких десятков метров в силу различных причин. Явление увеличения высоты волны на пологом берегу хорошо известно, особенно любителям поплавать на доске перед гребнем волны. Выросшая волна цунами всей мощью обрушивается на пологий берег, сметая все на своем пути, и проникает вглубь побережий иногда на десятки километров.
Цунами чаще всего происходят в Тихом океане, где за последние 10 лет их произошло более 70. Так, 2 сентября 1992 г. волна высотой 10 м на побережье Никарагуа привела к гибели около 170 человек. 12 декабря 1992 г. цунами высотой до 26 м в Индонезии погубило более 1000 человек.
17 августа 1998 г. цунами высотой до 15 м обрушилось на Папуа-Новую Гвинею, во время которого более 2 тыс. человек оказались смытыми волной в лагуну, в которой они утонули или были съедены крокодилами.
На Тихоокеанском побережье России цунами за последние 300 лет наблюдались 70 раз, причем самое разрушительное, как уже говорилось выше, произошло 4 ноября 1952 г., когда волной 10–14 м был почти полностью смыт г. Северо-Курильск на о. Парамушир. Остальные цунами, хоть и вызывали сильные разрушения, но человеческих жертв не приносили.
Цунами возникают не только в результате землетрясений. Известен случай на Аляске 9 июля 1958 г., когда в бухту Литуя со склонов горы Фейруэзер сошел огромный оползень в 80 млн м3, вызвавший волну в 524 м высотой, почти такой же, как у Останкинской телевизионнной башни в Москве! Такая высота установлена по заплеску волн на склонах гор.
К появлению цунами приводят и взрывы вулканических островов. Например, цунами, возникшее при гигантском взрыве вулкана Кракатау в Зондском проливе 26 августа 1883 г., привело к гибели 36 тыс. человек, а волны достигли Африки и обогнули ее, так как в Англии был зарегистрирован подъем воды на 15 см. Под воздействием цунами, по-видимому, погибла Минойская цивилизация на о. Крит в Эгейском море, когда в XV в. до н. э. произошло мощное взрывное извержение вулкана Санторин.
В очаге цунами нередко происходит быстрый подъем к поверхности холодных глубинных вод, и при этом температура поверхностной воды в диаметре до 500 км понижается на 5–6 °С и подобная аномалия держится более суток. Такие аномалии уже много раз зафиксированы со спутников в океанах вблизи Тихоокеанского побережья Америки, в Охотском море и других местах.
Существует специальная служба оповещения о приближающемся цунами. Однако ее эффективность не очень высока, т. к. не каждое землетрясение в океане вызывает цунами. Поэтому велик процент ложных тревог. На побережье Японии вдоль дорог установлены плакаты, на которых написано: «Путник, помни о землетрясении; услышав землетрясение, помни о цунами; увидев цунами, беги в гору». И это нередко единственная возможность спастись от разрушающей волны.
Сейсмические колебания океанического дна вызывают такое явление, как моретрясение, при котором море мгновенно «вскипает», образуются стоячие волны высотой до 5–6 м, водяные бугры, остающиеся на одном месте. Все это напоминает кипящее масло на сковородке. Нередко моретрясение сопровождается сильным гулом. Это явление зафиксировано экипажами кораблей, подвергавшихся жуткой тряске, ударам по корпусу и вибрации, вызывавшим даже разрушения на палубах. Моретрясения возникают при особом типе колебания океанического дна, когда образуются высокоэнергетические акустические волны. Если колебания дна происходят со скоростью 1 м/с, то на фронте волны сжатия скачок давления достигает 15 атм. Именно такая волна воспринимается судном как удар.