Землетрясения

Землетрясение - это подземные толчки и колебания земной коры, вызываемые чаще всего (в 95 % случаев) тектонической деятельностью. Согласно используемой в мире 12-балльной шкалы Рихтера и MSK землетрясения интенсивностью 6-7 баллов и выше приводят к возникновению опасности для здоровья и жизни людей. Людские потери и материальный ущерб при землетрясениях обусловлены прежде всего степенью разрушения зданий.

Ежегодно на Земле регистрируется приблизительно 10 тыс. землетрясений, около 4 тыс. событий - ощутимые землетрясения, для которых скорость движения частиц в волне или массовая скорость достигает более 10 см/с. Из этого количества примерно половина приходится на подводные землетрясения. Сильные землетрясения приводят к появлению у побережья гигантских, разрушительных волн цунами, а в районе эпицентра землетрясения наблюдаются необычные гидродинамические явления, известные у мореплавателей под названием моретрясения. На земле появляются гигантские трещины и разломы.

На рис. 2.3 схематично показан очаг землетрясения, расположенный в земной коре, называемый гипоцентром, от которого расходятся сейсмические волны, вызывающие повреждения строительных объектов, пожары, обвалы, оползни и разрывы в земной поверхности. Точку прямо над гипоцентром на поверхности Земли называют эпицентром. Сейсмическая вибрация может вызвать разжижение влажных песчаных грунтов и, как следствие, деформацию плотин, смешение и осадку фундаментов, деформацию подземных сооружений и коммуникаций.

Районами наиболее вероятных катастрофических землетрясений (8 баллов и выше в границах бывшего СССР) являются юго-запад Молдовы, территория Кавказа, Прибайкалье, Камчатка, Курильские острова. Средняя Азия, Казахстан. При интенсивности землетрясения 9-10 баллов массовые людские потери могут возникнуть в течение нескольких десятков секунд.

Рис. 2.3. Схема распространения землетрясения и его последствия:

1 - гипоцентр; 2 - разлом; 3 - эпицентр; 4 - участок разжижения грунта; 5 - оползни и обвалы; 6 - разрывы; 7 - территория разрушения, пожары, паники; 8 - зона сотрясения; 9 - цунами

Сотрясения и смешения земной поверхности иногда бывают настолько сильными, что деформируются, например, железнодорожные пути и разрушаются современные здания и сооружения (рис. 2.4).

Наиболее мощным за последние 80 лет на Кавказе было землетрясение 7 декабря 1988 г. в Армении. Сила его в эпицентре составила более 9 баллов. Пострадали 21 город, 342 села, многие сотни производственных и сельскохозяйственных объектов. Из-под развалин извлечены 40 тыс. человек, из них около 25 тыс. погибших, свыше 500 тыс. человек остались без крова.

В результате катастрофического землетрясения интенсивностью 8 баллов по шкале Рихтера 21 июня 1990 г. на севере Ирана в провинции Гилян погибли свыше 50 тыс. человек и около 1 млн человек были ранены и лишились крова. Разрушены полторы тысячи деревень. Значительно пострадали 12 городов, три из которых полностью уничтожены.

Землетрясения вызывают и другие стихийные бедствия, такие как оползни, лавины, сели, цунами, наводнения (из-за прорыва плотин), пожары (при повреждении нефтехранилищ и разрыва газопроводов), повреждения коммуникаций, линий энерго-, водоснабжения и канализации, аварии на химических предприятиях с истечением (разливом), а также на АЭС с утечкой (выбросом) радиоактивных веществ в атмосферу и др.

Рис. 2.4. Характерные разрушения зданий и сооружений: а - деформации рельсовых путей вследствие продольного сжатия и поперечного растяжения земной поверхности во время Ниигатского землетрясения в Японии (1964 г.); б - разрушение зданий и сооружений городской инфраструктуры при землетрясении в Китае (2008 г.)

На слабых водонасышенных песчаных грунтах и при неправильно запроектированном фундаменте при землетрясении возможна потеря устойчивости строительных объектов. Известны случаи, когда опоры мостов и здания при сейсмической вибрации проседали в грунт и даже опрокидывались. В г. Ниигата (Япония) монолитные железобетонные здания получили серьезные повреждения из-за разжижения песчаных грунтов оснований (рис. 2.5).

Основными характеристиками землетрясений являются глубина очага, магнитуда и интенсивность энергии на поверхности Земли.

Глубина очага землетрясения обычно находится в пределах от 10 до 30 км, в ряде случаев она может быть значительно больше. Магнитуда характеризует общую энергию землетрясения и представляет собой логарифм максимальной амплитуды смещения почвы в микронах, измеренной по сейсмограмме на расстоянии 100 км от эпицентра. Магнитуда (М) по Рихтеру изменяется от 0 до 9 (самое сильное землетрясение). Увеличение ее на единицу означает десятикратное возрастание амплитуды колебаний в почве (или смещение грунта) и увеличение энергии землетрясения в 30 раз. Так, амплитуда смещения почвы землетрясения с М = 7 в 100 раз больше, чем с М = 5, при этом общая энергия землетрясения увеличивается в 900 раз. Интенсивность энергии на поверхности Земли измеряется в баллах. Она зависит от глубины очага, магнитуды, расстояния от эпицентра, геологического строения грунтов и других факторов.

Рис. 2.5. Вид на город Ниигата (Япония) после землетрясения

Краткая характеристика интенсивности проявления землетрясения на поверхности Земли по шкале MSK, принятой в России и странах СНГ, приведена в табл. 2.1.

Таблица 2.1. Инженерные характеристики проявления землетрясений

Балл	Сила землетрясения	Краткая характеристика землетрясения
1	Незаметное	Отмечается только сейсмическими приборами
2	Очень слабое	Ощущается отдельными людьми, находящимися в состоянии полного покоя
3	Слабое	Ощущается лишь небольшой частью населения
4	Умеренное	Распознается по мелкому дребезжанию и колебанию предметов, посуды, оконных стекол, скрипу дверей и стен
5	Довольно сильное	Общее сотрясение зданий, колебание мебели. Трещины в оконных стеклах и штукатурке. Пробуждение спящих
6	Сильное	Ощущается всеми. Падают со стен картины, откалываются куски штукатурки. Легкое повреждение зданий
7	Очень сильное	Трещины в стенах каменных домов. Антисейсмические, а также деревянные постройки остаются невредимыми
8	Разрушительное	Трещины на крутых склонах и на сырой почве. Памятники сдвигаются с места или опрокидываются. Строения сильно повреждаются
9	Опустошительное	Сильное повреждение и разрушение каменных домов
10	Уничтожающее	Крупные трещины в почве. Оползни и обвалы. Разрушение каменных построек. Искривление ж/д рельсов
11	Катастрофическое	Широкие трещины в земле. Многочисленные оползни и обвалы. Каменные дома совершенно разрушаются
12	Сильно катастрофическое	Изменения в почве достигают огромных размеров. Многочисленные трещины, обвалы и оползни. Возникновение водопадов, подпруд на озерах, отклонение течения рек. Ни одно сооружение не выдерживает

Для иллюстрации влияния сильных землетрясений на состояние городских и сельских поселений приведем результаты последствий нескольких сильных землетрясений за последние 500 лет:

o в Китае в 1556 г. погибли 830 тыс. человек;

o в Италии в 1908 г. погибли 83 тыс. человек;

o в Китае в 1920 г. погибли 100 тыс. человек;

o в Японии в 1923 г. погибли 137 тыс. человек;

o в Ашхабаде в 1948 г. погибли 110 тыс. человек;

o в Таджикистане в 1949 г. погибли 20 тыс. человек;

o в Армении в 1988 г. погибли 25 тыс. человек;

o на о. Сахалин в 1995 г. полностью был стерт с лица земли пос. Нефтегорск, в котором из 3 тыс. жителей погибли 2 тыс.;

o в Турции в 1999 г. количество погибших составляло 40 тыс. человек;

o на юге Китая в провинции Гуйчжоу при землетрясении в мае 2008 г. погибли 65 тыс. человек, было разрушено большое число зданий и сооружений (рис. 2.6). Экономический ущерб только этого землетрясения составил миллиарды долларов.

В августе 2008 г. в провинциях Сычуань и Юньнань в результате серии землетрясений было обрушено 258 тыс. домов, пострадало 800 тыс. человек, из них 150 тыс. эвакуировано в безопасные места.

Следует отметить, что катастрофические последствия сильных землетрясений вызваны заниженной сейсмической опасностью, предсказываемой сейсмологами, и отсутствием инженерных мероприятий по обеспечению сейсмостойкости возводимых зданий и сооружений.

Чарлз Дарвин, путешествуя на корабле Бигл, описывая последствия Чилийского землетрясения 1835 г., писал: "Горько и унизительно видеть, что дела человеческие, стоившие столького времени и труда, уничтожены в одно мгновение".

Рис. 2.6. Повреждение зданий и сооружений при землетрясении в провинции Гуйчжоу (Китай, 2008 г.): а - разрушенный мост на криволинейном участке автодороги; б - разбор завалов в жилом микрорайоне силами подразделений спасательных отрядов

Нас потрясают, но уже не удивляют растущие с каждым часом и днем после землетрясения цифры выявленного числа погибших, пропавших без вести и лишившихся крова, потому что землетрясения обладают страшной способностью приносить смерть, разорения и разрушения. Однако сами сотрясения земли ответственны лишь за часть потерь. Землетрясения вызывают и другие геологические эффекты, такие как оползни и разжижение грунта, способные убивать людей и животных, опустошать поля и разрушать здания. Землетрясения в морях и океанах порождают цунами, которые устремляются через водное пространство, проходят тысячи километров и опустошают прибрежные города, удаленные от эпицентра.

Поперечный размер возмущенной области морской поверхности при моретрясении обычно превышает 50-100 км, а продолжительность действия сильного моретрясения может достигать 10 мин. Во время моретрясения на поверхности акватории образуются системы стоячих волн большой крутизны, возникают отдельные вертикальные столбы воды, формируются уединенные волновые образования, отмечаются сильные акустические эффекты. Возможно появление брызговых султанов, откол и разлет кавитационных слоев воды. Корабль, попавший в зону действия моретрясения, оказывается в окружении гигантских, стоячих волн, заполняющих все видимое пространство. Ужасный грохот и гул дополняются резкими ударами по днищу, сильнейшим сотрясением судна и разрушениями палубных надстроек, выдержавших в прошлом немало штормовых ситуаций. Однако наибольшие разрушения природной среде и постройкам приносят волны цунами, которые, набегая на побережье, смывают все на своем пути.

Сейсмологи разделяют опасные последствии землетрясений на природные:

o сотрясения грунта;

o трещины, оседания, смешения грунта;

o оползни, лавины, сели;

o разжижение фунта;

o цунами;

o сейши,

и связанные с человеческой деятельностью:

o разрушения или обрушения зданий, мостов и других сооружений;

o наводнения при прорывах плотин и водоводов;

o пожары при повреждениях нефтехранилищ и разрывах газопроводов;

o повреждение транспортных средств, коммуникаций, линий энерго- и водоснабжения, а также канализационных труб;

o радиоактивные утечки из ядерных реакторов;

o падение и опрокидывание предметов внутри и вне зданий.