Сейсмические волны, распространение. Воздействие сейсмических волн

Объемные волны и поверхностные волны

Сейсмические волны - волны, переносящие энергию упругих (механических) колебаний в горных породах. Источником сейсмической волны может быть землетрясение, взрыв, вибрация или удар.

Сейсмические волны изучаются в сейсмологии и разведочной геофизике . Для записи колебаний, вызываемых сейсмическими волнами, применяются автономные сейсморегистраторы или приёмники , подключённые к сейсмостанциям.

Скорость распространения волн зависит от плотности и упругости среды. Она имеет тенденцию к росту по мере углубления, в верхней части земной коры составляет 2-8 км/с, а при погружении до уровня мантии - 13 км/с.

Частота волн низкая, она колеблется от 2 до 50 герц.

В сейсмологии изучение сейсмических волн представляет самостоятельный фундаментальный интерес, а в сейсморазведке волны от искусственных источников направляются на интересующие геологические границы для их прослеживания.

Типы сейсмических волн

Есть два главных типа: объёмные волны и поверхностные волны. Кроме описанных ниже есть и другие, менее значимые типы волн, которые вряд ли можно встретить на Земле, но они имеют важное значение в астросейсмологии .

Объёмные волны

Объёмные волны проходят через недра Земли. Путь волн преломляется различной плотностью и жёсткостью подземных пород.

P-волны

P-волны (первичные волны) - продольные, или компрессионные волны. Похожи на звуковые волны - частицы испытывают колебания вперёд и назад вдоль линии распространения волны . Обычно их скорость в два раза быстрее S-волн, проходить они могут через любые материалы. В воздухе они принимают форму звуковых волн, и, соответственно, их скорость становится равной скорости звука. Стандартная скорость P-волн - 330 м/с в воздухе, 1 450 м/с в воде и 5 000 м/с в граните. На нижней стороне границы Мохоровичича скорость P-волн приблизительно равна 8100 м/с, а в районе границы мантия-ядро достигает 13600 м/с .

S-волны

S-волны (вторичные волны) - поперечные волны. Частицы среды испытывают колебания перпендикулярно линии распространения волны . Жидкости не пропускают S-волны , это является одной из причин того, что землетрясение на корабле в море ощущается в виде вертикального толчка, словно корабль натолкнулся на подводный объект . На нижней стороне границы Мохоровичича скорость S-волн приблизительно равна 4400 м/с, а в районе границы мантия-ядро достигает 7300 м/с .

Поверхностные волны

Поверхностные волны несколько похожи на волны воды, но в отличие от них они путешествуют по земной поверхности. Их обычная скорость значительно ниже скорости волн тела. Из-за своей низкой частоты, времени действия и большой амплитуды они являются самыми разрушительными изо всех типов сейсмических волн.

Поверхностные волны бывают двух типов: волны Рэлея и волны Лява . В волнах Лява частицы колеблются в горизонтальной плоскости перпендикулярно направлению распространения волны. В волнах Рэлея частицы движутся по эллипсам вперед-вверх-назад-вниз относительно направления распространения волны. Поверхностная волна распространяется медленнее S-волны, при этом волна Лява быстрее волны Рэлея .

P- и S-волны в мантии и ядре

Когда происходит землетрясение, сейсмографы вблизи эпицентра записывают S- и P-волны. Но на больших расстояниях обнаружить высокие частоты первой S-волны невозможно. Поскольку поперечные волны не могут проходить через жидкости, на основании этого явления Ричард Диксон Олдхэм выдвинул предположение, что Земля имеет жидкое внешнее ядро. По этому виду исследования в дальнейшем было выдвинуто предположение, что у Луны твёрдое ядро, но недавние геофизические исследования показывают, что оно ещё расплавлено.

Использование P- и S- волн для локации землетрясения

В случае локальных или близлежащих землетрясений разница прибытия P- и S- волн может использоваться для обнаружения дистанции от события. В случае глобальных землетрясений четыре или более наблюдательных станций, синхронизированных по времени, записывают время прибытия P-волн. На основе этих данных можно вычислить эпицентр в любой точке планеты. Для определения гипоцентра используется больший объём данных (десятки или сотни записей прибытия P-волн с сейсмических станций).

Самый простой способ узнать место землетрясения в радиусе 200 км - это высчитать разницу в прибытии P- и S- волн в секундах и умножить её на 8. Но на телесейсмических [неизвестный термин ] дистанциях этот способ не подходит, потому что высока вероятность того, что сейсмические волны углубились до мантии Земли и преломились, изменив свою скорость .

Амплитуда сейсмической волны

Амплитудой сейсмической упругой волны является максимальное значение смещения колеблющейся частицы горной породы относительно равновесного состояния. В зависимости от типа приёмника сейсмических колебаний амплитуда может быть равна максимальной скорости или ускорению колеблющихся частиц. После преобразования в приёмниках сейсмический сигнал становится электрическим, поэтому амплитуда выражается уже в мВ или в единицах АЦП . Эталона сейсмической волны в настоящее время не существует, поэтому вопрос об единице измерения амплитуды остаётся открытым и она полагается безразмерной.

В зависимости от полярности сейсмического импульса амплитуда волны может иметь положительное или отрицательное значение. Импульс с положительной амплитудой имеет полярность (порядок следования фаз) такой же как и у волны, создаваемой непосредственно источником, а импульс с отрицательной амплитудой - противоположный.

Термин «сейсмология» означает изучение землетрясений, но он же означает и изучение внутренних областей Земли с помощью сейсмических волн, которые могут распространяться прямо через тело планеты. Значительная часть полученных сведений определяется тем, сколько времени затрачивают волны, проходя различные расстояния.

Сейсмические волны могут возникнуть при любом возмущении грунта

Сейсмические волны могут возникнуть при любом возмущении грунта, но только землетрясения и ядерные взрывы представляют собой достаточно крупные источники, или очаги, таких волн, чтобы эти волны можно было уловить на противоположной стороне Земли. Возникающие волны относятся, как показано, к четырем типам. Их можно разделить на объемные и поверхностные: объемные волны проходят внутри Земли, а поверхностные волны-только близ поверхности.

В свою очередь объемные волны делятся на два вида. Продольные волны, или Р-волны9-это просто звуковые волны, распространяющиеся внутри Земли; частицы вещества, через которое проходят эти волны, колеблются взад и вперед в направлении движения волны. При прохождении поперечных волн, или S-волн, частицы колеблются перпендикулярно направлению распространения волны.

Волна-это распространение некоторой деформации в том или ином веществе

Волна-это распространение некоторой деформации в том или ином веществе. Если в каком-либо небольшом объеме упругой среды каким-то образом происходит изменение формы или объема, т.е. если происходит деформация вещества, заключенного в этом объеме, то развивается напряжение, которое стремится вернуть вещество к невозмущенному состоянию. Отношение величины этого напряжения к величине деформации называется модулем упругости материала. Скорость распространения упругой волны возрастает с повышением этого модуля, но убывает с увеличением плотности материала.

Материал можно деформировать по-разному, поэтому любое вещество характеризуется более чем одним модулем упругости и более чем одной скоростью распространения волн. Выражения для скоростей двух сейсмических объемных волн имеют следующий вид:
.Четыре типа сейсмических волн:

а-продольная волна. Частицы колеблются вдоль направления распространения волн;
б-поперечная волна. Частицы движутся в перпендикулярном направлении;
в-волна Рэлея. Колебания частиц имеют более сложный характер, но у поверхности каждая частица описывает эллипс с обратным движением в его верхней части;
г-волна Лява. Движение частиц — поперечное и горизонтальное. Как в волнах Рэлея, так и в волнах Лява движение частиц затухает с увеличением глубины от поверхности.

необходимого, чтобы сжать материал до меньшего объема; ц-модуль упругости второго рода, или модуль сдвига, определяющий величину напряжения, необходимого, чтобы изменить форму тела, состоящего из данного материала. Анализ показывает, что продольные волны и сжимают вещество, и изменяют его форму, и поэтомуVpзависит от К и от \i. С другой стороны, поперечные волны только изменяют форму вещества.
Анализ формул показывает, что Vp всегда больше, чем Vs, поэтому Р-волны какого-либо землетрясения всегда приходят к сейсмографам регистрирующей сейсмической станции раньше, чем S-волны. Еще до того, как стала известна природа этих волн, их приход называли первичной (primary) и вторичной (secondary) волной (отсюда и обозначения: Р- и S-волны). Однако их можно считать волнами сжатия (pressure) и волнами сдвига (shear). Второй вывод из анализа формул состоит в том, что поперечные волны не могут распространяться в таком веществе (например, в жидкости), которое не может сопротивляться изменению формы и, следовательно, не обладает жесткостью (т. е. ц = 0). Этот вывод имеет важное значение, так как мы используем его для доказательства, что часть земного ядра находится в жидком состоянии.

Другие два типа волн называются поверхностными волнами

Другие два типа волн, показанные, называются поверхностными волнами, так как они могут возникнуть только тогда, когда имеется какая-то поверхность; обычно это поверхность Земли. При удалении от поверхности амплитуда таких волн резко уменьшается. По этой причине, а также потому, что они распространяются медленнее, чем Р- и 3-волны, поверхностные волны играли небольшую роль на ранней стадии развития сейсмологии. .

Скольжению пород вдоль разлома вначале препятствует трение. Вследствие этого, энергия, вызывающая движение, накапливается в форме упругих напряжений пород. Когда напряжение достигает критической точки, превышающей силу трения, происходит резкий разрыв пород с их взаимным смещением; накопленная энергия, освобождаясь, вызывает волновые колебания поверхности земли -- землетрясения. Землетрясения могут возникать также при смятии пород в складки, когда величина упругого напряжения превосходит предел прочности пород, и они раскалываются, образуя разлом.

Сейсмические волны, порождаемые землетрясениями, распространяются во все стороны от очага подобно звуковым волнам. Точка, в которой начинается подвижка пород называется фокусом, очагом или гипоцентром, а точка на земной поверхности над очагом -- эпицентром землетрясения. Ударные волны распространяются во все стороны от очага, по мере удаления от него их интенсивность уменьшается.

Скорости сейсмических волн могут достигать 8 км/с.

Типы сейсмических волн

Сейсмические волны делятся на волны сжатия и волны сдвига.

· Волны сжатия, или продольные сейсмические волны, вызывают колебания частиц пород, сквозь которые они проходят, вдоль направления распространения волны, обуславливая чередование участков сжатия и разрежения в породах. Скорость распространения волн сжатия в 1,7 раза больше скорости волн сдвига, поэтому их первыми регистрируют сейсмические станции. Волны сжатия также называют первичными (P-волны). Скорость P-волны равна скорости звука в соответствующей горной породе. При частотах P-волн, больших 15 Гц, эти волны могут быть восприняты на слух как подземный гул и грохот.

· Волны сдвига, или поперечные сейсмические волны, заставляют частицы пород колебаться перпендикулярно направлению распространения волны. Волны сдвига также называют вторичными (S-волны).

Существует ещё третий тип упругих волн -- длинные или поверхностные волны (L-волны). Именно они вызывают самые сильные разрушения.

Измерение силы и воздействий землетрясений

Для оценки и сравнения землетрясений используются шкала магнитуд и шкала интенсивности.

Шкала магнитуд

Наиболее популярной шкалой для оценки энергии землетрясений является локальная шкала магнитуд Рихтера. По этой шкале возрастанию магнитуды на единицу соответствует 32-кратное увеличение освобождённой сейсмической энергии. Землетрясение с магнитудой 2 едва ощутимо, тогда как магнитуда 7 отвечает нижней границе разрушительных землетрясений, охватывающих большие территории. Интенсивность землетрясений (не может быть оценена магнитудой) оценивается по тем повреждениям, которые они причиняют в населённых районах.

Шкалы интенсивности

Интенсивность является качественной характеристикой землетрясения и указывает на характер и масштаб воздействия землетрясений на поверхность земли, на людей, животных, а также на естественные и искусственные сооружения в районе землетрясения. В мире используется несколько шкал интенсивности: в США -- Модифицированная шкала Меркалли (MM), в Европе -- Европейская макросейсмическая шкала (EMS), в Японии -- шкала Шиндо (Shindo).

Причины землетрясений

Земные недра находятся в постоянном движении. В земной коре распространяются волны низкой частоты (период от секунд и выше). Можно называть колебания минутными, часовыми, суточными, годовыми. Волны, распространяющиеся по земной коре, огромны. Длина волны свыше 1000 км. Амплитуды колебаний составляют сотни метров. В этих волнах сосредоточена огромная энергия. Из-за неоднородностей в земной коре возникают колебания близкие по частоте, которые начинают интерферировать между собой, что приводит к образованию резонансных колебаний в одних точках земной коры и подавлению колебаний в других -- «биения». Происходит перераспределение энергии колебаний по поверхности Земли.

Землетрясения происходят в тех точках, где поверхность земли не может пластично реагировать на многократное увеличение амплитуды колебаний.

Теория «накопления напряжений» не может объяснить механизм сохранения и удержания энергии перед землетрясением.

Очевидный способ прогнозирования, наблюдение за длиннопериодными колебаниями в разных частях планеты (в том числе с помощью гравиметров) и реагирование на многократное увеличение амплитуды колебаний в проблемных местах.

Наличие радиальных (а также тангенциальных) смещений земной коры, не катастрофических, «пластичных» (без разрушения земной коры) может стать причиной отказа навигационной системы на воздушном транспорте или внезапного выезда на встречную полосу автомобиля движущегося с большой скоростью

Измерительные приборы

Cейсмограф

Основная статья: сейсмограф

Для обнаружения и регистрации всех типов сейсмических волн используются специальные приборы -- сейсмографы. В большинстве случаев сейсмограф имеет груз с пружинным прикреплением, который при землетрясении остаётся неподвижным, тогда как остальная часть прибора (корпус, опора) приходит в движение и смещается относительно груза. Одни сейсмографы чувствительны к горизонтальным движениям, другие -- к вертикальным. Волны регистрируются вибрирующим пером на движущейся бумажной ленте. Существуют и электронные сейсмографы (без бумажной ленты).

3.2 Cтанция прогнозирования землетрясений ATROPATENA]

Землетрясение сейсмический волна

Станция Atropatena Кристалл (Kh10) -- Технологический бренд (Азербайджан)

Cтанция прогнозирования ATROPATENA, автоматически и автономно регистрирующая трехмерные изменения гравитационного поля и передающая эту информацию в Центральную Базу Данных, размещенную в США (La Habra). С 2007 года, после начала работы первой станции ATROPATENA-AZ, краткосрочные прогнозы землетрясений регулярно поступали в Президиум МАН (Международная Академия Наук (Здоровье и Экология)), Австрия, Инсбрук), в Пакистанскую Академию Наук (Исламабад, Пакистан) и Университет Гаджа Мада (Джокьякарта, Индонезия). В 2009 году Глобальная сеть по прогнозированию землетрясений (GNFE) начала полноценно функционировать в режиме краткосрочного прогнозирования землетрясений и оперативной передачи этой информации странам-участникам Глобальной Сети. Этот факт был широко освещён в российской и международной печати. Одним из принципиальных отличий новой технологии прогнозирования землетрясений является то, что во время прогноза указывается не только место, сила и время, но и число прогнозируемых сильных землетрясений. На основе анализа и интерпретации записей «гравитограмм» по специальной методике НИИ прогнозирования и изучения землетрясений выдает краткосрочный прогноз сильных землетрясений (за 3-7 дней до толчка), который помещается на сайте Центральной Базы Данных (GNFE)

Тектометр

Тектометр -- прибор, разработанный в России и запатентованный в Государственном патентном бюро Японии (регистрационный номер N 07РО369). Согласно патенту прибор позволяет регистрировать землетрясение за 40 часов до момента его начала. Прибор компактен (помещается в дипломат) и лёгок (около 1 кг) .

Другие виды землетрясений

Вулканические землетрясения

Вулканические землетрясения -- разновидность землетрясений, при которых землетрясение возникает в результате высокого напряжения в недрах вулкана. Причина таких землетрясений -- лава, вулканический газ. Землетрясения этого типа слабы, но продолжаются долго, многократно -- недели и месяцы. Тем не менее, опасности для людей этого вида землетрясение не представляет.

Техногенные землетрясения

В последнее время появились сведения, что землетрясения могут вызываться деятельностью человека. Так, например, в районах затопления при строительстве крупных водохранилищ, усиливается тектоническая активность -- увеличивается частота землетрясений и их магнитуда. Это связано с тем, что масса воды, накопленная в водохранилищах, своим весом увеличивает давление в горных породах, а просачивающаяся вода понижает предел прочности горных пород. Аналогичные явления происходят при выемке больших количеств породы из шахт, карьеров, при строительстве крупных городов из привозных материалов.

№32 Интенсивность землетрясений

Интенсивность проявления землетрясений на поверхности измеряется в баллах и зависит от глубины очага и магнитуды землетрясения, служащей мерой его энергии. Максимальное известное значение магнитуды приближается к 9. Магнитуда связана с полной энергией землетрясения, но эта зависимость не прямая, а логарифмическая, с увеличением магнитуды на единицу энергия возрастает в 100 раз, т. е. при толчке с магнитудой 6 высвобождается в 100 раз больше энергии, чем при магнитуде 5, и в 10 000 больше, чем при магнитуде 4. Часто в средствах массовой информации, оповещающих о сейсмических катастрофах, отождествляется шкала магнитуд (Рихтера шкала) и сейсмическая шкала интенсивности, измеряемая в сейсмических баллах, т. к. журналисты, со-общающие о 12 баллах "по шкале Рихтера", путают магнитуду с интенсивностью. Интенсивность тем больше, чем ближе очаг расположен к поверхности, так, напр., если очаг землетрясения с магнитудой, равной 8, находится на глубине 10 км, то на поверхности интенсивность составит 11-12 баллов; при той же магнитуде, но на глубине 40-50 км воздействие на поверхности уменьшается до 9-10 баллов.

Сейсмические шкалы

Сейсмические движения сложны, но поддаются классификации. Существует большое число сейсмических шкал, которые можно свести к трем основным груп-пам. В России применяется наиболее широко используемая в мире 12-балльная шкала МSK-64 (Медведева-Шпонхойера-Карника), восходящая к шкале Меркали-Канкани (1902), в странах Латинской Америки принята 10-балльная шкала Росси-Фореля (1883), в Японии - 7-балльная шкала. Оценка интенсивности, в основу ко-торой положены бытовые последствия землетрясения, легко различаемые даже не-опытным наблюдателем, в сейсмических шкалах разных стран различна. Напр., в Австралии одну из степеней сотрясения сравнивают с тем "как лошадь трется о столб веранды", в Европе такой же сейсмический эффект описывается так - "на-чинают звонить колокола", в Японии фигурирует "опрокинутый каменный фона-рик". В наиболее простом и удобном виде ощущения и наблюдения представлены в схематизированной краткой описательной шкале (вариант MSK), которой может пользоваться каждый.

Горные породы Земли обладают упругими свойствами, и это заставляет их деформироваться и вибрировать под действием приложенных сил сжатия и растяжения. Исходя из этого существует только три типа сейсмических волн. Из них только два типа распространяются внутри объема горных пород. Более быстрые из этих объемных волн называются первичными (Р) или продольными волнами(рис. 11) . Их движение имеет тот же характер, что и у звуковых волн, т. е. при своем распространении они попеременно давят на горные породы - сжимают их или создают в них разрежение - растягивают их. Эти Р-волны, подобно звуковым волнам, способны проходить и через твердые породы, например гранитные горные массивы, и через жидкости, такие как вулканическая магма или вода океанов. Следует отметить, что из-за сходства этих волн со звуковыми часть Р-волн, выходя из глубин Земли к ее поверхности, может передаваться в атмосферу в виде звуковых волн, воспринимаемых животными и людьми, если частота их окажется в интервале слышимости. Более медленные волны, проходящие через горные породы, называются вторичными (S) или поперечными волнами(рис. 11). При своем распространении они сдвигают частицы вещества в стороны, под прямым углом к направлению своего пути. Простое наблюдение ясно показывает, что если какой-то объем жидкости сдвинуть в сторону или повернуть, то он не вернется затем на прежнее место. Из этого следует, что поперечные волны не могут проходить через те участки Земли, которые состоят из жидкости, например через океаны.

Фактическая скорость продольных и поперечных сейсмических волн зависит от плотности и упругих свойств горных пород и грунтов, через которые эти волны проходят. В большинстве случаев при землетрясениях продольные волны ощущаются первыми. Их действие похоже на удар воздушной волны, которая создает грохот и треск стекол в окнах. Спустя несколько секунд приходят поперечные волны, которые раскачивают все на своем пути вверх-вниз и из стороны в сторону и смещают поверхность грунта как по вертикали, так и по горизонтали. Именно эти колебания и приводят к наибольшему повреждению построек.

Сейсмические волны третьего типа называются поверхностными волнами(рис. 11), поскольку их распространение ограничено зоной, близкой к поверхности грунта. Такие волны подобны ряби, расходящейся по поверхности озера. Наибольшие колебания происходят на самой поверхности, а с глубиной амплитуда волн становится меньше и меньше. Поверхностные волны, создаваемые землетрясениями, делятся на два вида. Первый называется волнами Лява. Эти волны в сущности то же самое, что поперечные волны без вертикальных смещений; они заставляют частицы грунта колебаться из стороны в сторону в горизонтальной плоскости, параллельной поверхности Земли, но под прямым углом к направлению своего распространения. Воздействие волн Лява состоит в горизонтальных колебаниях, которые передаются основаниям построек и, следовательно, могут вызвать разрушения. Второй вид поверхностных волн известен под названием волн Рэлея. Как и в обычных морских волнах, частицы материала, захваченного волнами Рэлея, движутся по вертикали и по горизонтали в вертикальной плоскости, ориентированной по направлению распространения волн. Как показано каждая частица породы при прохождении волны движется по эллипсу. Поверхностные волны распространяются медленнее, чем объемные, и из двух видов поверхностных волн обычно волны Лява приходят быстрее, чем Рэлея. Таким образом, когда из очага землетрясения волны расходятся в разные стороны в земной коре, то можно предсказать, каким именно образом отделятся друг от друга разные типы волн. Волны Лява вертикальными приборами не записываются. Поскольку волны Рэлея содержат вертикальную составляющую, они могут воздействовать на воду, например в озерах, тогда как волны Лява, которые не про ходят через воду, действуют только на прибрежные части озер и океанских заливов, заставляя воду смещаться взад-вперед и перемешиваться, как у стенок вибрирующего бака.

Объемные волны обладают и другим свойством, влияющим на производимые ими сотрясения: при распространении через пласты горных пород земной коры они отражаются от границ между породами разного типа или преломляются на этих границах. Кроме того, какая бы волна ни испытывала отражения или преломления, часть энергии волн одного типа идет на образование волн другого типа. Возьмем простой пример: продольная волна подходит снизу к подошве слоя аллювия; при этом часть энергии будет передаваться вверх в виде продольной волны (Р), а часть превратится в поперечные колебания (S) (еще одна часть энергии отразится обратно вниз в виде Р и S волн). Из сказанного становится понятно, почему на суше после первых толчков при сильных колебаниях грунта обычно ощущают волны двух видов. Но если во время землетрясения вы окажетесь в море, то почувствуете, что судно воспринимает только один вид колебаний, передаваемый Р-волнами, так как S-волны не проходят через воду. Тот же эффект возникает, когда при сейсмических колебаниях в песчаных слоях происходит разжижение. Энергия поперечных волн, проходящих через разжиженные слои, постепенно уменьшается, и в конце концов проходят только продольные волны. Когда Р- и S-волны достигают поверхности грунта, большая часть их энергии отражается обратно в земную кору, так что на поверхность почти одновременно воздействуют волны, движущиеся и вверх, и вниз. Поэтому вблизи поверхности, как правило, происходит значительное усиление колебаний: иногда их амплитуда вдвое превышает амплитуду приходящих волн. Это при поверхностное увеличение амплитуды усиливает разрушения, производимые на поверхности Земли. В самом деле, при многих землетрясениях горнорабочие отмечали в подземных выработках колебания более слабые, чем ощущали люди на поверхности. И последнее, что стоит сказать здесь по поводу сейсмических волн. Имеются убедительные доказательства - как наблюдавшиеся на практике, так и теоретические, - что на сейсмические волны действуют и грунтовые условия, и рельеф местности(рис. 12).

Землетрясения - это подземные толчки и колебания земной поверхности.

Большей части России разрушительные землетрясения не угрожают - они происходят, главным образом, в горных районах, где земная кора более подвижна и неустойчива, так как горные хребты являются молодыми формированиями, поэтому в таких районах придается важное значение антисейсмическому строительству.

Разрушения зданий и сооружений вызываются как колебаниями почвы, так

Возникающие колебания распространяются в Земле, и, через основания, передаются на сооружения. Разрушительны и гигантские приливные волны (цунами), возникающие при сейсмических смещениях на морском дне. Опасны также и последствия землетрясений – паника, пожары, нарушение транспортного сообщения.

Ежегодно на Земле происходит до ста тысяч землетрясений, фиксируемых приборами; из них люди ощущают около десяти тысяч, причем примерно сто землетрясений приводят к большим землетрясениям, и, в среднем, одно землетрясение в год носит катастрофический характер.

Примером их возможной разрушительной силы может являться землетрясение, произошедшее в Японии 1 сентября 1923 г. Землетрясение охватило площадь около 56 тыс. км². В течение нескольких секунд были практически полностью уничтожены Токио, Йокогама, Йокосука и ещё 8 менее крупных городов. В Токио только пожаром было уничтожено свыше 300 тысяч зданий (из миллиона), в Йокогаме подземными толчками было разрушено 11 тысяч зданий и ещё 59 тысяч сгорело. Ещё 11 городов пострадали менее серьёзно. Из 675 мостов 360 было уничтожено огнём. Токио лишился всех каменных зданий, устоял только отель «Империал», возведенный за год до этого знаменитым Фрэнком Ллойдом Райтом. Этот отель был первым в Японии сейсмоустойчивым каменным зданием. Официальное число погибших — 174 тысячи, ещё 542 тысячи числятся пропавшими без вести, свыше миллиона остались без крова. Общее число пострадавших составило около 4 миллионов. Материальный ущерб, понесённый Японией от землетрясения Канто, оценивается в 4,5 миллиарда долларов, что составляло на тот момент два годовых бюджета страны.

Согласно научной классификации, по глубине возникновения землетрясения делятся на 3 группы: «нормальные» — 33 — 70 км, «промежуточные» — до 300 км, «глубокофокусные» — свыше 300 км.

К последней группе относится землетрясение, которое произошло 24 мая 2013 года в Охотском море, тогда сейсмические волны достигли многих уголков России, в том числе и Москвы. Глубина этого землетрясения достигала 600 км.

ПРИЧИНЫ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Одной из причин землетрясений является быстрое смещение участка литосферы (литосферных плит) как целого в момент релаксации (разрядки) упругой деформации напряжённых пород в очаге землетрясения.

Большинство очагов землетрясений возникает близ поверхности Земли.

При землетрясении в результате перемещения частиц горных пород возникают упругие волны, называемые сейсмическими. Они распространяются в поверхностных слоях Земли с огромной скоростью: продольные – от 5 до 8 км\сек, поперечные – от 3 до 5 км/сек.

Землетрясения могут возникать также при смятии пород в складки, когда величина упругого напряжения превосходит предел прочности пород, и они раскалываются, образуя разлом.

Сейсмические волны, порождаемые землетрясениями, распространяются во все стороны от очага подобно звуковым волнам. Точка, в которой начинается подвижка пород, называется фокусом, очагом или гипоцентром, а точка на земной поверхности над очагом — эпицентром землетрясения. Ударные волны распространяются во все стороны от очага, по мере удаления от него их интенсивность уменьшается.

Сейсмические волны делятся на волны сжатия и волны сдвига.

Волны сжатия, или продольные сейсмические волны, вызывают колебания частиц пород, сквозь которые они проходят, вдоль направления распространения волны, обуславливая чередование участков сжатия и разрежения в породах. Скорость распространения волн сжатия в 1,7 раза больше скорости волн сдвига, поэтому их первыми регистрируют сейсмические станции. Волны сжатия также называют первичными (P-волны). Скорость P-волны равна скорости звука в соответствующей горной породе. При частотах P-волн, больших 15 Гц, эти волны могут быть восприняты на слух как подземный гул и грохот.

Волны сдвига, или поперечные сейсмические волны, заставляют частицы пород колебаться перпендикулярно направлению распространения волны. Волны сдвига также называют вторичными (S-волны).

Существует ещё третий тип упругих волн — длинные или поверхностные волны (L-волны). Именно они вызывают самые сильные разрушения.

Скорости сейсмических волн могут достигать 8 км/с.

Сила землетрясения, испытываемая сооружением, зависит от удаления и глубины очага, от геологии местности и гидрогеологии участка застройки.

ВОЗДЕЙСТВИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН НА СООРУЖЕНИЯ

Последствия землетрясений зависят от пространственной жесткости, размеров, формы и веса зданий, а также от количества и характера толчков. Наиболее опасны для зданий горизонтальные составляющие колебаний почвы, поскольку при землетрясении здания работают как вертикальный брус или пластина, консольно заделанные в грунт. Возникающие в районе эпицентра вертикальные сейсмические нагрузки более опасны для горизонтальных конструкций – перекрытий, карнизов и т.п.

Степень разрушения зданий и сооружений в одном сейсмическом районе может быть неодинаковой вследствие разных конструктивных типов сооружений, различного качества строительных материалов (к примеру, п ри одной и той же интенсивности землетрясения одни здания могут подвергнуться большим повреждениям, чем другие, если у них плохое сцепление камня с раствором) , специфики производства работ и характера оснований, (например, на слабых основаниях разрушения всегда больше, чем на прочных).

ОЦЕНКА И ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ И ВОЗДЕЙСТВИЙ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Для оценки и сравнения землетрясений используются шкала магнитуд (например, шкала Рихтера) и различные шкалы интенсивности.

Шкала магнитуд различает землетрясения по величине магнитуды, которая является относительной энергетической характеристикой землетрясения. Существует несколько магнитуд и соответственно магнитудных шкал: локальная магнитуда (ML); магнитуда, определяемая по поверхностным волнам (Ms); магнитуда, определяемая по объемным волнам (mb); моментная магнитуда (Mw). Наиболее популярной шкалой для оценки энергии землетрясений является локальная шкала магнитуд Рихтера. По этой шкале возрастанию магнитуды на единицу соответствует 32-кратное увеличение освобождённой сейсмической энергии.

Интенсивность землетрясений (не может быть оценена магнитудой) оценивается по тем повреждениям, которые они причиняют в населённых районах.

Интенсивность является качественной характеристикой землетрясения и указывает на характер и масштаб воздействия землетрясения на поверхность земли, на людей, животных, а также на естественные и искусственные сооружения в районе землетрясения. В мире используется несколько шкал интенсивности: в Европе — европейская макросейсмическая шкала (EMS), в Японии — шкала Японского метеорологического агентства (Shindo), в США и России — модифицированная шкала Меркалли (MM):

1 балл (незаметное) — отмечается только специальными приборами

2 балла (очень слабое) — ощущается только очень чуткими домашними животными и некоторыми людьми в верхних этажах зданий

3 балла (слабое) — ощущается только внутри некоторых зданий, как сотрясение от грузовика

4 балла (умеренное) — землетрясение отмечается многими людьми; возможно колебание окон и дверей;

5 баллов (довольно сильное) — качание висячих предметов, скрип полов, дребезжание стекол, осыпание побелки;

6 баллов (сильное) — легкое повреждение зданий: тонкие трещины в штукатурке, трещины в печах и т. п.;

7 баллов (очень сильное) — значительное повреждение зданий; трещины в штукатурке и отламывание отдельных кусков, тонкие трещины в стенах, повреждение дымовых труб; трещины в сырых грунтах;

8 баллов (разрушительное) — разрушения в зданиях: большие трещины в стенах, падение карнизов, дымовых труб. Оползни и трещины шириной до нескольких сантиметров на склонах гор;

9 баллов (опустошительное) — обвалы в некоторых зданиях, обрушение стен, перегородок, кровли. Обвалы, осыпи и оползни в горах. Скорость продвижения трещин может достигать 2 см/с;

10 баллов (уничтожающее) — обвалы во многих зданиях; в остальных — серьёзные повреждения. Трещины в грунте до 1 м шириной, обвалы, оползни. За счет завалов речных долин возникают озёра;

11 баллов (катастрофа) — многочисленные трещины на поверхности Земли, большие обвалы в горах. Общее разрушение зданий;

12 баллов (сильная катастрофа) — изменение рельефа в больших размерах. Огромные обвалы и оползни. Общее разрушение зданий и сооружений.

Землетрясения силой в 6 баллов и менее не вызывают опасных повреждений, а землетрясения силой в 10 баллов и более настолько разрушительны, что противодействовать им обычными способами повышения сейсмостойкости не представляется возможным, а потому в районах, где вероятны такие землетрясения, строительство обычно не ведется. Следовательно, здания могут быть защищены от землетрясений силой 7-9 баллов. В районах с сейсмичностью в 9 баллов возведение сооружений первой категории сопровождается дополнительными антисейсмическими мероприятиями.

Не без использования материалов книги М. Бойко "Диагностика повреждений и методы восстановления эксплуатационных качеств зданий" и wikipedia.org