Классификация природных чрезвычайных ситуаций

К числу наиболее употребительных сейсмологический терминов, связанных с понятием «землетрясение», можно отнести следующие: очаг; гипоцентр; эпицентр; магнитуда; балл.

Под очагом тектонического землетрясения понимается замкнутый объем земного вещества, в котором достаточно короткого, до 1-3 минут, времени произошли разрушения. Как правило, в области очага происходит смещение (подвижка) одной части объема относительно другой. Место, в котором начинается подвижка, именуется гипоцентром. Именно с этой точки начинается процесс генерации сейсмических волн, которые могут привести к разрушениям за пределами очага. Проекция гипоцентра по вертикали на земную поверхность получила название эпицентра.

Понятие балла характеризует интенсивность сотрясения в точке наблюдения. В нашей стране с 1964 года используется 12-бальная шкала MSK – 64. Следует отметить, что не сейсмологи в баллах зачастую характеризуют саму силу землетрясения в очаге. Это неверно, однако в газетных сообщениях встречается регулярно. Как правило, это касается шкалы Рихтера, в которой используется безразмерная величина магнитуды (М) землетрясения, пропорциональная логарифму выделенной в очаге энергии. Путаница возникла в связи с двумя обстоятельствами:

1) магнитуды известных  до сих пор землетрясения не  превышает 9 единиц (в каталогах есть только М (макс.) равна 8,9), то есть магнитуда численно близка к значениям баллов сотрясений;

2) мы привыкли к тому, что любой параметр имеет размерность (метры, килограммы, градусы), а ведь логарифмы любых параметров всегда безразмерны. Поэтому, если в печати появляется сообщения типа «землетрясение имело 7 баллов по шкале Рихтера», то в действительности это означает, что магнитуда землетрясения М=7. А ощущаться в разных пунктах оно может силой 10 баллов, 8 баллов,5 баллов - это зависит от расстояния до очага. Таким образом, если бальность зависит от расстояния до очага, то магнитуда – не зависит.

Шкала  MSK-64 составлена применительно к зданиям и сооружениям, не имеющем сейсмостойкого усиления конструкций. Приведем здесь описание первых четырех баллов этой шкалы без изменений, а начиная с пятого, когда возможны повреждения строений, опишем основные отличительные признаки землетрясений и вероятное их воздействие на здания современной застройки на Камчатке. При описании каждого балла в скобках указана частота повторяемости землетрясений данной силы для Петропавловска - Камчатского.

1 балл. Неощутимое землетрясение. Интенсивность колебаний лежит ниже предела чувствительности, сотрясения почвы обнаруживаются и регистрируются только сейсмографами.

2 балла. Слабое землетрясение. Колебания ощущаются только отдельными людьми, находящимися внутри помещения, особенно на верхних этажах.

3 балла. Слабое землетрясение. Ощущается не многими людьми, находящимися внутри помещений, под открытым небом – только в благоприятных условиях. Колебания схожи с сотрясениями, создаваемыми проезжающим легким грузовиком. Внимательные наблюдатели замечают небольшое раскачивание висячих предметов, несколько более сильное на верхних этажах.

4 балла. Заметное сотрясение. Землетрясение ощущается внутри здания многими людьми, под открытым небом, немногими. Кое-где просыпаются, но никто не пугается. Колебания схожи с сотрясением, создаваемым проезжающим тяжелым грузовиком. Дребезжание около дверей, посуды. Скрип стен, полов. Дрожание мебели. Висячие предметы слегка раскачиваются. Жидкость в открытых сосудах слегка колеблется. В стоящих на месте автомашинах толчок заметен.

5 баллов (15-25 раз  в 100 лет). Просыпаются почти все спящие, колеблется и частично расплескивается вода в сосудах, могут опрокинуться легкие предметы, разбиться посуда. Здания не повреждаются.

6 баллов (10-15 раз  в 100 лет). Многие люди пугаются, колебания мешают ходить. Здания шатаются, сильно раскачиваются подвесные светильники. Падает и бьется посуда, предметы падают с полок. Может сдвигаться мебель. Осыпание побелки, тонкие трещины в штукатурке.

7 баллов (4-6 раз  в 100 лет). Сильный испуг, колебания мешают стоять на ногах. Двигается и может упасть мебель. В любых зданиях – трещины в перегородках. Трещины в штукатурке, тонкие трещины в стенах, трещины в швах между блоками и в перегородках, выпадение заделов швов, нередко тонкие трещины в блоках.

8 баллов (1-3 раза  в 100 лет). Сбивает с ног. Трещины в грунте, на склонах. В любых зданиях происходят повреждения, иногда частичное разрушение перегородок. Трещины в несущих стенах, обвалы штукатурки, смещение блоков, трещины в блоках.

9 баллов (приблизительно 1 раз в 300 лет). Повсеместно трещины в грунте. На склонах – оползни грунта. В любых зданиях – обрушение перегородок. Разрушение части несущих стен, повреждение и смещение некоторых панелей.

Рубленные дома (строения из бревен и бруса), как правило, без разрушений переносят 9-ти балльные толчки.

Причины землетрясений сразу же станут понятны, как только мы представим себе динамичный характер Земли и те медленные движения, которые происходят в ее коре – литосфере. Толщина коры весьма изменчива. Под континентами она равна 30-35км.. Большим горам, значительно превышающим средний уровень поверхности земли, почти всегда сопутствуют глубокие «корни». Так в Тибете, толщина коры оказалась более 70 км.. Основание коры под океанами, находится примерно на 10 км. ниже уровня моря. Его небольшую толщину хорошо иллюстрирует такой пример: если Землю уменьшить до размера яйца, то твердая кора окажется толщиной со скорлупу. Этот твердый слой, не цельный. Он разбит на несколько больших кусков, называемых плитами.

Под литосферой действуют силы, принуждающие плиты перемещаться со скоростью, как правило, нескольких сантиметров в год. Причина этих глубинных сил не вполне ясна. Они могут быть вызваны, например: медленными течениями горячего пластичного вещества в недрах. Течения возникают в результате тепловой конвекции в сочетании с динамическими эффектами вращения Земли. В некоторых областях, новое вещество поднимается на верх из земных недр, оттесняя плиты в стороны. Это происходит в Срединно – Атлантическом хребте; в других местах проскальзывают одна вдоль другой, как вдоль разлома Сан-Андреас в Калифорнии; есть области называемые зонами субдукции (поддвига), где одна плита при встрече заталкивается под другую (например, в океане у западных берегов Южной и Центральной Америки, у побережья Аляски и Японии). Несогласованность в движении плит при любом его направлении заставляет каменную толщу растрескиваться, создавая таким образом землетрясения.

Не удивительно, что большинство землетрясений (почти 95%) происходит по краям плит. Землетрясения, вызванные движением плит, называются тектоническими. Хотя обычно они происходят на границах плит, все же небольшая доля их возникает внутри них. Некоторые другие землетрясения, как например на Гавайских островах, имеют вулканическое происхождения и уже совсем редко они бывают вызваны деятельность человека (заполнением водохранилищ, закачкой воды в скважины, горными работами, большими взрывами).

Зона землетрясений, окружающая Тихий океан, называется Тихо-океаническим поясом: здесь происходит около 90% всех землетрясений земного шара. Другой район высокой сейсмичности, включающий 5-6% всех землетрясений, - это Альпийский пояс, протягивающийся от Средиземноморья на восток через Турцию, Иран и Северную Индию. Остальные 4-5% землетрясений происходят вдоль срединно-океанических хребтов или внутри плит.

3.  Механизм землетрясений и их классификация.

Горообразовательные, вулканические и сейсмические процессы географически тяготеют друг к другу. Однако во времени, они происходят неодновременно и всегда с разной продолжительностью. Кроме того, есть районы с резко выраженной только сейсмической активностью. Например: многие районы в Средней Азии, отличаются высокой сейсмичностью, но не имеют вулканов. На Камчатке и в Чили, вулканы и землетрясения проявляются на одной и той же территории, но редко одновременно.

Многие из сейсмологов, говоря о механизме землетрясений, придерживаются теории упругого высвобождения или упругой отдачи. Они связывают возникновение землетрясений с внезапным высвобождением энергии упругой деформации. В результате длительных движений в районе разлома и накопления в связи с этим напряжений, достигающих предельных для прочности пород величины, происходит разрыв или срез этих пород с внезапным быстрым смещением – упругой отдачей, вследствие чего и возникают сейсмические волны. Таким образом, очень медленные и длительные тектонические движения при землетрясении переходят в сейсмические движения, отличающиеся большой скоростью, что происходит в результате быстрой « разрядки», накопленной упругой энергии. Это разрядка происходит всего за 10-15 секунд (редко за 40-60 секунд).

При зарождении землетрясения происходит разрушение породы на ограниченном участке, расположенном на определенной глубине от поверхности Земли. В связи с возникшем ослаблением, происходит развитие дислокации на очаг или гипоцентральную часть области землетрясения. Разрушение произойдет там, где порода наименее прочна, а это может быть в разломах между блоками. В силу каких-то глубинных процессов, отдельные участки коры поднимаются или опускаются. При медленном смещении, в земной коре происходят пластические деформации. При более быстрых движениях и при большем их градиенте, напряжения возникающие в коре, не успевая рассасываться, достигают величин, при которых в данных условиях происходит нарушение сплошности – либо по готовому, отчасти уже залечившемуся разрыву, либо с образованием нового. С увеличением глубины возрастают всесторонние сжимающие напряжения и поэтому возникают большие силы трения, препятствующие быстрому разрушению. Возможно по этой причине, глубокофокусные землетрясения отличаются большой энергией и продолжительностью.

В настоящее время, наиболее распространены две модели распространения сил, вызывающих разрыв в очаге. Первая, основана на предположении действия в очаге пары сил, вызывающих касательные усилия вдоль линии разрыва; согласно второй модели в зоне очага существуют две взаимно перпендикулярных пары сил.

Кроме землетрясений, вызванных тектоническими движениями в земной коре и в верхних слоях мантии, существуют два других типа землетрясений, происходящих вследствие извержения вулканов и карстовых явлений, которые очень локальны, редки и обладают малой силой. Землетрясения могут быть вызваны искусственным путем, например при подземном взрыве. Колебания поверхности земли могут быть вызваны и работой промышленного оборудования, движением транспорта и т. д. При использовании чувствительной аппаратуры можно убедиться, что поверхность земли постоянно колеблется. Эти колебания очень малы и по этой причине называются микросейсмическими. Наличие микросейсмических колебаний позволяет извлечь очень полезную информацию, как для сейсмологов, так и для инженеров - строителей.

Таким образом, в широком смысле под термином землетрясение, можно понимать любые сотрясения поверхности Земли. В более узком смысле, под землетрясением понимается кратковременное сотрясение поверхности Земли, вызванное сейсмическими волнами, возникшими при местном нарушении сплошности, с внезапным выделением упругой энергии, в недрах коры или верхней мантии, на глубину примерно до 700 км..

В какой-то момент землетрясения, возникает препятствие взаимному смещению блоков вдоль образовавшихся швов. Частично восстанавливаются связи разорванного шва, которыми могут служить силы трения, зацепления на поверхностях. Их появление, возможно на сжатых участках. Не освободившаяся часть энергии вызывает в новых связях напряжения, которые через некоторое время преодолеют их сопротивление и возникает новый разрыв или новый толчок, однако меньшей силы, чем в момент основного землетрясения. Этих повторных толчков – афтершоков – после сильного землетрясения бывает обычно до нескольких сотен и происходят они в течение нескольких месяцев, постепенно ослабевая. Процесс ослабления толчков во времени не равномерен. Отдельные афтершоки, по силе могут приближаться к силе основного землетрясения. Иногда землетрясениям предшествуют слабые толчки – форшоки.

В тех случаях когда землетрясения или вулканы происходят под дном океанов, они возбуждают морские волны, которые, достигая берегов суши и встречая их сопротивление, поднимаются на высоту до нескольких десятков метров. Такие волны – цунами (по японски «цу» – порт, «нами» – волна) – временами приносят прибрежным районам большие беды.

Различают две группы сейсмических волн – объемные и поверхностные. Слагающие Землю горные породы упруги и поэтому могут деформироваться и испытывать колебания при резком приложении давления (нагрузок). Внутри объема горных пород, распространяются объемные волны. Они делятся на два типа: продольные и поперечные. Продольные волны в теле Земли, как и привычные нам звуковые, в воздухе, попеременно сжимают и растягивают вещество горных пород в направлении своего движения. Волны другого типа колеблют среду, через которую они проходят поперек пути своего движения. Именно они, выходя на поверхность, раскачивают из стороны в сторону и вверх или вниз все на земле находящееся, приводя к наибольшим разрушениям. Именно потому, что поверхность твердой Земли – это граница с гораздо менее плотной средой, воздушной (ее называют свободной поверхностью), на земной поверхности объемные сейсмические волны могут свободнее «разгуляться», что обычно и происходит. Этому способствует и свойства приповерхностных грунтов.

Очень важны свойства разных групп и типов сейсмических волн, особенно скорость их прохождения через горные породы. Обычно она измеряется несколькими километрами в секунду и следовательно, на разных расстояниях от очага (гипоцентра и эпицентра) приход волн и ощущается и регистрируется неодновременно. На этом свойстве основано определение координат эпицентра по записям прихода волн на удаленные сейсмические станции. Не менее важно различие в скоростях отдельных групп и типов волн. Так поверхностные волны, распространяются медленнее объемных и следовательно, приходят в пункты наблюдения позднее. В группе объемных, поперечные волны распространяются в среднем в 1,75 раза медленнее продольных. Отсюда понятно, почему оказавшиеся в эпицентральной области сильного землетрясения люди часто попадают во власть волн: их толкает, качает, трясет в разных направлениях с разными ускорениями.

Очевидцы нередко «слышат» землетрясения в буквальном смысле слова. Продольные волны, сходны со звуковыми. При определенной частоте колебаний (в диапазоне слышимых волн, то есть более 15 герц), они при выходе на поверхность и становятся звуковыми волнами. Если вспомнить, что продольные волны распространяются быстрее, а поперечные нередко несут главные разрушения, легко понять, почему гул может слышаться перед землетрясением. Тут много зависит и от спектров излучения.