Природа і причини землетрусу і цунамі

Найбільші геофізичні катастрофи, пов'язані з численними жертвами і руйнуваннями, викликаються в результаті сейсмічної активності літосфери, яка найчастіше проявляється у вигляді землетрусів. Землетрусом називається струс земної кори, викликана природними причинами. Вони проявляються у вигляді підземних поштовхів, часто супроводжуються підземним гулом, хвилеподібними коливаннями грунту, утворенням тріщин, руйнуванням будівель, доріг і, що найсумніше, людськими жертвами. Землетруси відіграють помітну роль у житті планети. Щорічно на Землі реєструється понад 1 млн. підземних поштовхів, що становить в середньому близько 120 поштовхів в годину-дві на хвилину. Можна сказати, що земля перебуває у стані постійного здригання. На щастя, деякі з них бувають руйнівними і катастрофічними. У рік відбувається в середньому одне катастрофічний землетрус і 100 руйнівних.

Сильні землетруси відбуваються досить рідко. З катастрофічних землетрусів по руйнівною силою найбільш відомі Лісабонську (1755 р.), Каліфорнійське (1906 р.), Тайванські (1923 р.), Мессинську (1908 р.), Ганьсуйское (1920 р.), Токійське (1923 р.), Іранське (1935 р.), Чилійський (1939 і 1960 р.р.), Агадірское (1960 р.), Мексиканське (1975 р.) землетрусу. На території країн СНД до найбільш значним слід віднести Ашхабадська (1948 р.), Ташкентське (1966 р.), Газлінское (1976 р.), Спітакський (1986 р.), Нєфтєгорський (1995 р.) землетрусу.

Масштаби руйнувань при великих землетруси величезні. У земній корі виникають великі діз'юнктівние дислокації. Так, при катастрофічному землетрусі 4 грудня 1957 р. в Монгольському Алтаї виник розлам Богдо довжиною близько 270 км, а загальна довжина утворилися розломів досягла 850 км. От тільки частина з численних наслідків землетрусів.

· Пошкодження будівель:

- тріскаються, розсипаються або перекидаються будинкові труби,

- тріскаються стіни; сирцеві та інші цегляні стіни втрачають міцність і падають

- обрушуються даху

- падають виступаючі частини будівель (карнизи, парапети)

- падають внутрішні полиці і шафи, вміст вивалюється,

- будівлі розколюються на частини і падають,

- падають і руйнуються водонапірні башти і нафтосховища,

- обрушуються мости, колони і естакади,

- стають нерівними, згинаються і руйнуються шосейні і ж-лізниць дороги,

- рвуться телефонні дроти і кабелі; виходять з ладу лінії елек-тропередачі,

- починаються пожежі,

- розриваються водопровідні труби, нафто-і газопроводи, труби каналізаційної системи.

Геологічні наслідки:

- на грунті з'являються тріщини, іноді зяючі,

- виникають повітряні, водяні, грязьові або піщані фонтани; при цьому утворюються скупчення глини або купи піску,

- припиняють або змінюють свою дію деякі джерела і Гейзе-ри; виникають нові,

- грунтові води стають мутні (взбаламучіваются),

- виникають зсуви, грязьові і селеві потоки, обвали; відбувається розрідження грунту і піщано-глинистих порід,

- відбувається підводне оползаніе і утворюються мутьевие (турбідіт-ні) потоки,

- обрушуються берегові кручі, береги річок, насипні ділянки,

- виникають сейсмічні морські хвилі (цунамі),

- зриваються снігові лавини; від шельфових льодовиків відриваються айсберги,

- утворюються зони порушень рифтової характеру з внутрішніми гря-дами і подпруженнимі озерами,

- грунт стає нерівним з ділянками осідання і сполученню,

- на озерах виникають сейшен (стоячі хвилі і збовтування хвиль біля берегів); порушується режим припливів і відливів,

-- активізується вулканічна і гідротермальних діяльність.

Землетруси -- це соціальне явище, тому що їм схильне більше 10% суші, на якій проживає половина людства. Землетруси залишаються найбільш згубними з природних катастроф - найбільші з них забирають сотні тисяч життів і залишають сліди руйнівної діяльності на тисячах км2. З історичних даних відомо, що під час землетрусу 1556 р. в Шаньсі загинуло 830 тисяч чоловік; вже в наші дні, 28 липня 1976 р. в результаті катастрофічного землетрусу було зруйновано г.Таньшань (в 150 км на схід від Пекіна), при цьому загинуло 655 тис. осіб.

Землетруси викликаються раптовими, швидкими зміщеннями крил існуючих або знову утворюються тектонічних розломів; напруги, які при цьому виникають, здатні передаватися на великі відстані. Виникнення землетрусів на великих розломи відбувається при тривалому зсуві в протилежні сторони тектонічних блоків або плит, що контактують з розлому. При цьому сили зчеплення утримують крила розлому від прослизання, і зона розлому відчуває поступово зростаючу зсувне деформацію. При досягненні нею деякого межі відбувається "вспариваніе" розлому і зміщення його крил. Землетруси на знову утворюються розломи розглядаються як результат закономірного розвитку систем взаємодіючих тріщин, які об'єднуються в зону підвищеної концентрації розривів, в якій формується магістральний розрив, супроводжується землетрусом. Обсяг середовища, де знімається частина тектонічних напруги і вивільняється певна частка накопиченої потенційної енергії деформації, називається вогнищем землетрусу. Кількість енергії, що виділяється при одному землетрусі, залежить головним чином від розмірів зрушивши поверхні розлому. Максимально відома довжина розломів, розпорювали при землетрус, що перебуває в діапазоні 500-1000 км (Камчатський - 1952, Чилійський - 1960 і ін), крила розломів зміщалися при цьому в сторони до 10 м. Просторова орієнтація розлому і напрямок зміщення його крил отримали назва механізму вогнища землетрусу.

Центр виникнення землетрусу, тобто те місце, де почалося "вспариваніе" розлому, називається його фокусом або гіпоцентром. Розрахунки параметрів Гіпоцентр реальних землетрусів показують, що в першій наближенні вогнище є сферою, радіус якої може вимірюватися десятками км. Таким чином, звичайно вогнище землетрусу не крапка, а деякий об'єм, розмір якого для сильних землетрусів значний.

У вогнищах землетрусів порушуються пружні поздовжні Р і попе-річкові S сейсмічні хвилі, що поширюються на всі боки. Характер їх розповсюдження досить складний і визначається особливостями внутрішньої будови Землі. Точка на поверхні, розташована на найкоротший відстані від вогнища, називається епіцентром, а точка, найбільш віддалена від вогнища - антіепіцентром. Максимальної руйнівної сили землетрус досягає в епіцентрі, у міру віддалення від епіцентру сила його зменшується.

Лінії рівних значень сили землетруси називаються ізосейстамі, а зона, навколишнє епіцентр і обмежена ізосейстой максимального значення, називається плейстосейстовой областю. Форма цій галузі цілком визначається геологічними умовами району епіцентру. Зазвичай форма плейстосейстовой області в гірських районах простягається вздовж основного простягання гірського ланцюга, хоча і бувають виключення з цього правила.

Для енергетичної класифікації землетрусів на практиці користуються його магнітудою (М або m). Під магнітудою (іноді неправильно званої інтенсивністю землетрусу за шкалою Ріхтера) розуміється логарифм відносини максимального зміщення земної поверхні у хвилі даного типу або максимальної швидкості зсуву до аналогічної величиною для землетрусу, магнітуда якого умовно прийнята рівною нулю. Класифікація землетрусів за магнітуда введена в 1935 амеріканскімсейсмологом Ч. Ріхтером стосовно терріторііКаліфорніі. На початку 40-х годовона застосована Б. Гутенбергом і Ріхтеромдля енергетичної класифікації землетрусів усього світу. Для розрахунку М використовується емпіричний закон зміни максимальної амплітуди сейсмічної хвилі (А) або швидкості коливань (А/Т) з епіцентральним відстанню , тобто від відстані до епіцентру землетрусу - це так звана калібрувальна функція

де Т - період хвилі. Максимально відоме значення М наближається до 9,0. За рік на земній кулі в середньому відбувається по одному землетрусу з М> 8,0; десять землетрусів з М = 7,0-7,9; 100 - з М = 6,0-6,9; 1000 - з М = 5,0-5,9; 10000 - з М = 4,0-4,9. На території СНД магнітуда, наприклад Камчатського-1952 землетрусу склала 8,5, Кемінському-1911 - 8,2, Ашхабадська-1948 - 7,3, Газлінского-1984 - 7,2, Спитакського-1986 - 6,9, Дагестанського-1970 - 6,6, Андіжанськой-1902 -- 6,4, Ленінаканське-1926 - 5,7, Ташкентського-1966 - 5,1, Естонського-1976 - 4,3.

Для переходу від магнітуди землетрусу до енергії (Е) сейсмічних хвиль зазвичай користуються співвідношенням: lgE = 11,8 + 1,5. M. У межах колишнього СРСР для класифікації землетрусів на близьких відстанях широко застосовують шкалу енергетичних класів (К). У більшості випадків під класом розуміється логарифм енергії (у Дж) сейсмічних хвиль, що пройшли через навколишнє вогнище землетрусу референц-сферу радіусом 10 км (в такому розумінні клас являє собою різновид магнітуди). Значення До визначаються за допомогою спеціальної номограми по сумі амплітуд хвиль Р і S.

Сила землетруси її проявах на поверхні Землі звичайно оцінюється в балах за 10 - або 12-бальною шкалою. З 1952 р. в СРСР прийнята 12-бальна сейсмічна шкала, характеристики якої наведені в табл.5.

Шкала інтенсивності землетрусів        

Бал         

Коротка характеристика (по   С. В. Медведєву)             

I         

Коливання грунту відзначаються приладами             

II         

Відчувається в окремих випадках людьми,   що знаходяться в спокійному стані             

III         

Коливання відчуваються небагатьма людьми             

IV         

Коливання відчуваються багатьма людьми.   Можливо деренчання стекол             

V         

Гойдання висячих предметів. Багато сплячі   прокидаються             

VI         

Легкі пошкодження в будівлях             

VII         

Тріщини в штукатурці і відколювання   окремих шматків, тонкі тріщини в стінах             

VIII         

Великі тріщини в стінах, падіння   карнизів, димових труб             

IX         

У деяких будівлях обвали - обвалення   стін, перекриттів, покрівлі             

X         

Обвали в багатьох будівлях. Тріщини в   грунтах шириною до 1 м             

XI         

Численні тріщини на поверхні   Землі, великі обвали в горах             

XII         

Повне руйнування. Хвилі на поверхні   грунту. Значні зміни рельєфу     

Зіставлення 12 - і 10-бальною шкал

У таблиці приведено співвідношення між 12-бальною шкалою Меркаллі, прийнятої в нашій країні, і 10-бальною шкалою Россі-Фореля.

Спочатку шкали були суто описовими, але пізніше було виявлено, що номер бали корелюється зі швидкістю руху грунту, або з його прискоренням або зміщенням. При сильних землетрусах максимальні прискорення можуть перевищувати прискорення вільного падіння; наприклад 1,4 g під час Газлінского землетрусу (9-10 балів, 1976). Спеціальні сейсмо-етичні шкали для гірських виробок НЕ розроблені, але орієнтовно можна вважати, що землетруси відчуваються землею на 1 бал слабкіше, ніж на поверхні. Наприклад, за спостереженнями в свердловинах в районі Токіо амплітуда коливань з частотою 10-20 Гц на глибині 3510 м слабшала на 60 дБ у порівнянні з коливаннями у гирла свердловини.

При вивченні поверхневого ефекту землетрусу контурних зони однаковою балльності. Розмежовують їх лінії називаються ізосейстамі. За швидкістю спаду інтенсивності з відстанню можна оцінити глибину вогнища. Співвідношення між макс. інтенсивністю землетрусу (Io) і його магнітудою залежить від глибини вогнища h і в середньому для континентальних зон може бути представлено співвідношенням:

Io = 1,5 M-3, 51gh 3,0.

При заданих площі, термін спостережень і діапазоні магнітуд число землетрусів є показовою функцією магнітуди, графік якої в логарифмічній масштабі відомий як графік повторюваності і іноді використовується для зіставлення рівня сейсмічності розломних зон. Модель реального сейсмічного процесу повинна враховувати елементи як випадковості, так і періодичності, що іноді спостерігається в деяких районах. Наприклад, для Курило-Камчатської і сусідніх острівних дуг відомо, що посилення сейсмічності відбувається кожні 5,5 років у кожному з блоків всього ланцюга острівних дуг. Найбільш цікаву форму ці подання отримали у вигляді теорії сейсмічних проломів, запропонованої для Тихоокеанського сейсмічного кільця. Ті місця, де в ХХ ст. не відзначалися сильні землетруси, розглядаються як найбільш вірогідні для виникнення сильних землетрусів найближчим часом.

Сейсмічний процес характеризується також групуванням землетрусів. Приватними випадками групування є: рій землетрусів; головне землетрус з подальшими поштовхами (афтершоков); головне землетрус з попередніми поштовхами (форшокамі). Рой землетрусів - це група (іноді дуже численна) мелкофокусних поштовхів, частота і магнітуда яких протягом певного терміну слабо змінюються з часом. Найсильніші поштовхи розподілені всередині рою випадковим чином. Афтершоков, число яких може бути дуже велика, супроводжуються, як правило, всі більш-менш сильні землетруси. Найсильніші афтершоков можуть супроводжуватися своїми вторинними серіями подальших поштовхів. Магнітуда найсильнішого афтершоков статистично на 1,2 менше магнітуди основного поштовху. Число подальших поштовхів швидко зменшується з глибиною вогнища землетрусу (глубокофокусние землетрусу афтершоков практично не супроводжуються). В обмежених зонах перед сильними землетрусами виникають передують поштовхи - форшокі. Їх поява на тлі тривалого "сейсмічного мовчання" дозволяє своєчасно вжити заходів обережності.

Для реєстрації та вивчення землетрусів в багатьох країнах існує мережа станцій безперервного стеження за сейсмічних станом Землі (або, як ми тепер називаємо, станцій сейсмічного моніторингу та прогнозування). На станціях розміщуються високоточні прилади - сейсмографи, які реєструють найменші коливання земної поверхні, а також комплекс прогностичних методів для передбачення землетрусів за допомогою різних його "провісників".

Сейсмограф - це дуже древній прилад (з геофізичної апаратури стародавнє його тільки компас). Перший сейсмограф було виготовлено в Китаї в II столітті нашої ери. Кілька дотепних конструкцій було запропоновано в Західній Європі в XVIII і на початку XIX в., але дійсно ефективні записуючі прилади були винайдені тільки 50-100 років тому, а в останні десятиліття вони були значно вдосконалені. Сейсмограф являє собою коливальну систему, призначену для вимірювання і запису сейсмічних рухів. Коливний елемент повинен бути міцно прикріплений до твердого основи, так щоб він рухався разом з грунтом. Зазвичай цей елемент демпфує, тобто амплітуда його коливань обмежується і гаситься.

Конструкції різних сейсмографів значною мірою різняться. В одних використовується горизонтально підвішений маятник, в інших - зворотний маятник, встановлений на пружинках вертикально. Період власних коливань маятника залежить від його маси, демпфування, чутливості підвіски і ці параметри можуть змінюватися в широких межах. Це використовується на сейсмостанції, так як одним і тим же сейсмографів неможливо записати легкий промисловий "сейсмічний шум" і сильний землетрус, при якому дуже чутливий і слабо демпфірованний сейсмограф просто "зашкалить".

У записуючий пристрої використовуються механічні, оптичні, електромагнітні елементи або їх комбінації. Їх призначення - передати коливання на папір самописця, на магнітну стрічку або на магнітний диск ком-пьютера. Амплітуда так званого "промислового шуму" у багато разів нижче, ніж амплітуда навіть самого слабкого землетрусу. Тому поява перших же поштовхів - фор?? оков добре помітно на самописці або на дисплеї комп'ютера. Досить велика посилення сейсмографів дозволяє "розігнати" амплітуду коливань грунту до візуально помітних величин. Звичайна величина посилення в сейсмічної реєстраційному каналі - десятки-сотні тисяч разів у порівнянні з реальною амплітудою коливань грунту. Хоча можливості збільшення перевищують величину 4-5 млн. разів, але "промисловий шум" накладає обмеження на підвищення посилення.

Дуже важлива точна, до часток секунди, реєстрація часу, тому на сейсмограмою записуються також сигнали часу, що передаються по радіоканалу з метрологічних обсерваторій (палат точного часу).

В останні роки апаратура істотно вдосконалилася у зв'язку з появою лазерної техніки і найпотужніших комп'ютерних комплексів. В областях активної сейсмічності часто встановлюються лазерні віддалеміри на протилежних сторонах великих розломних зон. Це робиться для того, щоб виявити найменший Крип або зрушення схилів. Сейсмографи часто групуються, і створюються регіональні мережі стандартизованих сейсмографів, таких, як створена під егідою США і Канади Всесвітня мережа стандартних сейсмографів (WWSSN). У шт. Каліфорнія, схильному частим землетрусів, є власна мережа сейсмографів.

Сейсмічні морські хвилі - цунамі, іноді помилково звані "приливними" хвилями, часто супроводжують великі землетруси, що відбуваються в районах морського або океанічного узбережжя. Вони виникають тоді, коли енергія землетрусу передається як морському дну, так і воді. Хвилі цунамі характеризуються високою швидкістю і великою довжиною, проте у відкритому морі їх висота не буває більше перших метрів. З корабля в море рідко можна помітити проходження таких хвиль. Однак, коли ці хвилі виходять на мілководді, вони можуть стати дуже руйнівними. Висота кожної хвилі досягає там багатьох метрів, тому що довжина хвилі зменшується через близькість дна, як і у випадку звичайних хвиль. Відповідно енергія води, яка мала велику глибину, концентрується в короткому вертикальному інтервалі.

Цунамі багато раз приносили спустошення прибережних районах. Після Лісабонського землетрусу 1755 високі хвилі спочатку осушили бухту, потім виплеснулися на берег приблизно на кілометр, а потім змили в морі кораблі, будинки, мости і людей, тобто все, що траплялося на їхньому шляху. Цунамі, що виникло в районі Алеутських островів, знищило 1 квітня 1946 маяк на мисі Датч (Аляска), розташований на 15 м вище за рівень моря. Хвиля пройшла шлях 3800 км на Гавайських островах із середньою швидкістю 780 км/ч. У відкритому морі хвилі мали довжину 150 км. Біля берега їх висота досягала 3-6 м. У вузьких затоках вона вздиблівалась до відміток 10-15 м над рівнем моря. Перетворивши в рухомі стіни води, ці хвилі завдали важкі пошкодження будинків, шосейних і залізних дорогах, мостах, пристаней, хвилеріз, судам і були причиною загибелі 160 чоловік. Загальний матеріальний збиток на Гаваях оцінювався в 25 млн. доларів (в цінах 1946 р.). Хвиля досягла і берегів Каліфорнії, де її висота складала до 4 м. Після цієї трагедії була організована Міжнародна система попередження про рух хвиль цунамі, з тим, щоб повідомляти в населені пункти про небезпеку, що загрожує їм небезпеки.

Гігантські морські хвилі, що виникли у узбережжя Чилі під час землетрусу 1960 р., досягли Гаваїв, пройшовши 11000 км приблизно за 15 годин (швидкість - 730 км/год). Мореограф в Хіло на Гавайських островах поперемінно відзначав підйом і падіння рівня води, яке відбувалося приблизно з 30-хвилинним інтервалом. Незважаючи на попередження, ці хвилі в Хіло та інших місцях Гавайських островів стали причиною загибелі 60 людей і завдали збитків на 75 млн. доларів. Ще через 8 год хвилі досягли Японії, в черговий раз зруйнувавши там портові споруди; при цьому загинули 180 чоловік. Жертви і руйнування були також на Філіппінах, в Нов. Зеландії та в інших частинах Тихоокеанського кільця.

Розглянемо заходи захисту від землетрусів.

Коли в густонаселеній місцевості відбувається сильний підземний поштовх, багато будівель отримують ушкодження або розвалюються. Головна причина цього - низька якість будівель. Руйнівний вплив землетрусів пов'язане з нестійкістю грунту, з використанням самана або неміцною кам'яної кладки, що призводить до падіння дахів і димарів, розтріскування фундаментів та стін.

Потенційно небезпечні важкі виступаючі частини будинків, стінки парапетів і непотрібні ліпні прикраси. Стара вапно, незакріплені покрівлю та крокви, позбавлені елементів жорсткості ліфтові шахти і каркаси, неукріплені сходові колодязі і спільні стіни суміжних будинків різного розміру - все це також представляє небезпеку. При диференційованих рухах рвуться підземні трубопроводи всіх видів.

Щоб звести до мінімуму можливі пошкодження, будівельники повинні враховувати всі геологічні чинники, що визначають стійкість будинку. Скельні породи - ідеальне підстава для великих споруд. Слід уникати будівництва на слабких грунтах, крутих схилах, насипних землях. Небажано також зводити будівлі на морських скелях, на стрімких берегах річок, поблизу глибоких котлованів і на ділянках з високим рівнем грунтових вод в пухких осадових породах.

При будівництві мостів і високих будівель необхідно звертати особливу увагу на їх вагу, стійкість по відношенню до горизонтальних силам і на внутрішню врівноваженість. Доведено, що залізобетонні будівлі порівняно стійкі, однак дерев'яні, сталеві і укріплені кам'яні будинки також можуть бути сейсмостійких, якщо вони добре сконструйовані і побудовані добротно. Для цього застосовуються відповідні елементи жорсткості та кріплення: зв'язують скоби, підпори та стійки, анкерні болти. Найбільш безпечною конструкцією є та, яка буде гнучкою і зможе рухатися як єдине ціле, тобто так, щоб окремі її частини не вдарялися один про одного.

Забезпечення сейсмостійкості - обов'язкова вимога при будівництві у сейсмонебезпечних районах. Необхідне збільшення вартості становить, з інженерної оцінкою, менше 10%, якщо відповідні проблеми вирішуються на стадії проектування.

Щоб уникнути катастрофічних наслідків в особливо сейсмонебезпечних районах можуть бути прийняті деякі адміністративні заходи. Для контролю землекористування і типів будівель, дозволених в зонах високої сейсмічності, повинні бути обов'язкові обмеження, що накладаються сейсмічних районуванням. Це відноситься, наприклад, до районам з нестійкими насипними грунтами та до районів, де розвинені зсуви. Будівельні норми і правила повинні визначати стандарти різних будівель. Облік різного рівня ризику у зв'язку з особливостями геологічної обстановки, що виконується з допомогою карти сейсмічної небезпеки повинен стати звичайною практикою будівельних і страхових компаній. Всі ці заходи контролю - шляхом районування, вдосконалення будівельних норм і класифікації будинків по вразливості -- особливо необхідні для запобігання людських жертв і катастрофічних руйнувань при майбутніх підземних поштовхів в районах сейсмічної небезпеки: за периферії Тихого океану і в Середземноморському поясі. Серйозна проблема полягає в тому, як привести нині існуючі будівлі у відповідність зі стандартами сейсмостійкості; інша проблема - підготовка планів заходів з пом'якшення наслідків руйнівних підземних поштовхів.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://geographer.ru/