CC BY
42
Глушко А. Я.
Опасность землетрясений в Южном федеральном округе
о Земле
ОПАСНОСТЬ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ В ЮЖНОМ ФЕДЕРАЛЬНОМ ОКРУГЕ
А. Я. Глушко
EARTHQUAKE DANGER IN SOUTHERN FEDERAL OKRUG
Glushko А. Y.
The article is devoted to the investigation of seismic activity zones and forecasting the damage scale and material loss level from possible earthquakes in the Southern Federal Okrug.
Статья посвящена исследованию зон сейсмической активности и прогнозированию масштабов разрушений и уровня материальных потерь от вероятных землетрясений в Южном федеральном округе.
Нлючевыэ1е слова: природная среда, сейсмическая активность, риск землетрясений, масштаб разрушений.
УДК 551.42
Опасность землетрясений связана с масштабами их воздействия на природную среду и отсутствием практических возможностей их предотвращения. Землетрясения представляют собой внезапное освобождение потенциальной энергии земных недр в виде упругих колебаний, которые приобретают форму ударных волн и распространяются во всех направлениях (1, с. 68).
Землетрясение - «подземные удары и колебания поверхности Земли, вызванные главным образом тектоническими процессами» (4, с. 62).
Землетрясения всесторонне рассмотрены в большом числе публикаций и карт, авторами которых являются С. В. Медведев, А. А. Никонов, С. В. Поляков, В. В. Перекрест, В. В. Разумов, Е. Ф. Саваренский, Г. А. Тазиев, В. И Уломов, Н. А. Флоренсов, Н. В. Шебалин, и другие видные ученые.
В земных недрах вещество находится в неравновесном состоянии по плотности и температуре, что является следствием процесса образования Земли как планеты и ее разогрева в результате распада радиоактивных элементов. Процессы течения горных масс обусловливают постоянное существование в глубинах Земли механических напряжений. Периодически происходит их внезапная разрядка, при этом выделяется энергия. Землетрясение есть следствие разрыва горных пород в земных недрах. В месте разрыва (т. е. по краям образовавшейся гигантской трещины) возникают упругие волны, которые при достижении земной
поверхности и производят разрушения. Сначала приходят волны сжатия-растяжения (продольные волны), скорость их распространения в горных породах при плотности 2,6-3,1 г/см3 изменяется от 5,5 до 6,3 м/с. Потом земной поверхности достигают волны сдвига (поперечные волны), перемещающиеся со скоростью в среднем в 1,7 раза ниже, чем продольные.
Далее распространяются поверхностные волны, которые при очень сильных землетрясениях могут несколько раз обогнуть земной шар, постепенно уменьшаясь по амплитуде. Высота поверхностных волн может быть весьма значительной. Достижение волнами земной поверхности проявляется в виде толчков (сейсмических ударов). Как правило, они происходят сериями. Сейсмические удары в соответствии с их хронологией подразделяются на три категории: 1) форшоки (толчки, предваряющие главное землетрясение); 2) главные толчки; 3) афтершоки, следующие за главными толчками. Форшоки происходят в начале сейсмических подвижек, обычно их сила нарастает с каждым очередным толчком. Главные толчки в соответствии с названием наиболее мощные, их число обычно невелико. Афтершоки завершают высвобождение сейсмической энергии. Их количество может достигать многих сотен, в большинстве случаев их сила постепенно убывает (7, с. 28).
Место в глубине Земли, где начинается образование трещины, именуется очагом землетрясения. Оно понимается не как геометрическая точка, а как некоторый объем литосферы. В отдельных случаях он может достигать сотен и даже тысяч кубических километров. Центр очага, условно точечный источник короткопериодных колебаний, называют гипоцентром землетрясения. Его вертикальная проекция на земную поверхность именуется эпицентром. Поэтому карты, показывающие распределение землетрясений, на самом деле являются картами их эпицентров.
При очень сильных землетрясениях вызвавшие их разрывы иногда достигают земной поверхности. В таких ситуациях говорят, что очаг вышел на поверхность. Протяженность образовавшихся трещин может быть очень значительной. По глубине гипоцентров (фокусов) землетрясения подразделяют на три группы: 1) мелкофокусные (0-60 км); 2) среднефокусные (60150 км); 3) глубокофокусные (150-700 км). В большинстве случаев гипоцентры землетрясений сосредоточены в верхней части земной коры на глубинах 10-30 км, где она отличается наибольшей жесткостью и хрупкостью.
Чрезвычайно важным является вопрос количественной оценки силы землетрясений. Чаще всего для этого используется шкала магнитуд (так называемая шкала Рихтера). Она разработана профессором Калифорнийского технологического института в г. Пасадена Чарльзом Ф. Рихтером в 1935 г. В ее основе лежит прямая связь между величиной смещения почвы и амплитудой сейсмических волн. Магнитуда землетрясений вычисляется на основании измерений колебаний на сейсмических станциях. Величина колебаний измеряется в микронах (микрометрах); 1 мкм - это одна миллионная доля метра. По своей сути магнитуда - это приведенный к стандартному расстоянию десятичный логарифм максимальной амплитуды смещения почвы.
Таким образом, магнитуда землетрясения - это расчетная величина, причем на практике ее значения, вычисленные на разных сейсмостанциях, различаются на несколько десятых долей единицы. Например, на одной станции магнитуду какого-либо землетрясения могут определить как 6,4, на другой - 6,9, на третьей - 6,6. Этот разброс объясняется тем, что от гипоцентра до сейсмической станции волны распространяются разными путями, через многие различные типы пород и структур в земной коре.
Поскольку шкала магнитуд логарифмическая, ее увеличение на единицу означает десятикратное возрастание амплитуды смещения грунта на поверхности. Иными словами, землетрясение амплитудой 8,0 в десять раз сильнее, чем землетрясение с магнитудой 7,0, в сто раз сильнее, чем с магнитудой 6,0 и т. д. Нулевая магнитуда совершенно не означает, что землетрясения нет. Поскольку нуль - это логарифм единицы, такое землетрясение записывается стандартным сейсмографом на расстоянии 100 км с амплитудой 1 микрон. Наиболее чувствительные сейсмографы могут зафиксировать землетрясения с магнитудой до -3. Самое слабое землетрясение,
Н Агибова И. М.
Концепция формирования профессиональных компетентностей преподавателя физики...
которое может почувствовать человек, имеет магнитуду 1,5, а наименьшее землетрясение, способное причинить материальный ущерб, - около 4,5 (2, с. 87).
Важной особенностью шкалы Рихтера является то, что магнитуда характеризует энергию землетрясения в очаге, но не на поверхности Земли. Мелкофокусное землетрясение с небольшой магнитудой может иметь гораздо более серьезные последствия, чем сильное глубокофокусное землетрясение. В шкале Рихтера не предусмотрен верхний предел магнитуды, так как это расчетная величина. Максимальная сила землетрясений зависит также от глубины очага. Наиболее сильными являются мелкофокусные землетрясения. При глубине очага 150 км максимально возможная магнитуда снижается до 8,2, при глубине 350 км - до 8,0, 600 км - до 7,75, 700 км - до 6,9. Существует также прямая связь между силой землетрясения и его продолжительностью. Сильные землетрясения длятся гораздо дольше слабых, что вполне объяснимо. Поскольку в горных породах происходит образование трещин, на это требуется время. При слабом землетрясении вспарывание земных толщ занимает несколько секунд, но при сильнейших землетрясениях оно длится десятки секунд. Знать силу землетрясения в очаге очень важно, но гораздо актуальнее интенсивность его проявления на поверхности. Проблема заключается в том, что она не является непосредственно измеряемой величиной и ее определение полностью субъективно. Для этого необходимо обследование пострадавших районов, осмотр поврежденных сооружений, опрос очевидцев с целью выявления их реакции на сейсмическое воздействие и т. д. Существует несколько шкал интенсивности землетрясений: шкала Меркалли, предложенная в 1902 г. и позднее неоднократно пересматривавшаяся, шкала Японского метеорологического агентства, европейская шкала MSK, китайская шкала (7, с. 41).
В России используется 12-балльная шкала MSK, названная так по имени предложивших ее в 1964 г. исследователей С. В. Медведева из СССР, В. Шпонхойера из ГДР и В. Карника из Чехословакии. Она очень детальная. В зависимости от строительных материалов все здания разделены на 3 типа, степень их повреждения ранжирована по 5 категориям, определены количественные характеристики терминов: «отдельные» - около 10%, «многие» - около 50%, «большинство» - около 75%. Унифицированный вариант этой шкалы приведен в таблице 1 (2, с. 134).
Таблица 1
Характеристика интенсивности сейсмических сотрясений (J)
Характер зем- J Интенсивность сотрясений
летрясения
Неощутимое 1 Колебание грунта отмечается только приборами
Едва заметное 2 Ощущается в отдельных случаях людьми, находящимися в спокойном состоянии
Слабое 3 Колебания отмечаются немногими людьми на первых этажах зданий, не замечаются людьми вне зданий
Ощутимое 4 Колебания отмечаются многими людьми на первых этажах зданий, похоже на колебания, вызываемые тяжелым транспортом; не замечается большинством спящих (просыпаются отдельные люди), не замечается при ходьбе вне помещений. Возможно дребезжание стекол
Умеренное 5 Качание висячих предметов; многие спящие просыпаются; ощущается сотрясение здания в целом; небольшое осыпание побелки, пыли из щелей; многие не замечают при ходьбе вне помещений
Значительное 6 Замечается многими людьми вне помещений; в помещениях многие пугаются, выбегают; трещины в штукатурке и перегородках во многих зданиях
Сильное 7 Замечают многие за рулем движущейся по асфальту автомашины; сильный звон больших колоколов; во многих домах повреждаются трубы, в
Характер землетрясения 3 Интенсивность сотрясений
капитальных стенах возникают тонкие трещины
Очень сильное 8 Сквозные трещины в капитальных стенах, падение многих дымовых труб
Разрушительное 9 В некоторых зданиях хорошей постройки обвалы, обрушение стен, перекрытий, кровли
Опустошительное 10 Обвалы многих зданий хорошей постройки; трещины в грунтах, оползни
Катастрофическое 11 Обвалы подавляющего числа зданий хорошей постройки; повреждения железных дорог, мостов, плотин; многочисленные трещины на поверхности Земли, большие обвалы в горах
Сильнейшая сейсмическая катастрофа 12 Полное разрушение всех сооружений; большие изменения в рельефе
Наибольшая сила сотрясений характерна для эпицентральных зон. По мере удаления от них сила сотрясений быстро уменьшается: при увеличении расстояния в два раза количество сейсмической энергии, приходящейся на единицу поверхности, снижается в 10—12 раз.
Эти факторы связаны с различиями инженерно-геологических условий. Наиболее важными из них являются: 1) несущая способность грунтов; 2) их водонасыщенность; 3) наличие выступов твердых коренных пород под покровом рыхлых грунтов; 4) рельеф (6, с. 36).
Несущая способность грунтов зависит от двух факторов: 1) литологии; 2) уплотнения. Грунты в порядке убывания их несущей способности располагаются следующим образом: твердые коренные породы, галечные и песчано-гравийные сухие плотные породы, суглинистые и глинистые плотные породы, тонкослойные рыхлые илистые и торфяные грунты. Разница в литологии грунтов может обусловить различия в интенсивности сотрясений в 1-2 балла. Роль уплотнения грунтов также важна. Максимальная интенсивность сотрясений характерна для насыпного неуплотненного субстрата.
Водонасыщенность грунтов и наличие под ними выступов коренных пород также могут быть причиной усиления сотрясений на 1-2 балла. В первом случае причина кроется в тиксо-тропии грунтов, т. е. снижении их прочности при ритмически повторяющихся толчках. Усиливающее влияние выступов связано с резким замедлением скорости сейсмических волн при их выходе из плотных коренных пород в рыхлые покровные толщи. Происходящее уменьшение в несколько раз скорости сопровождается таким же увеличением амплитуды колебаний частиц рыхлой породы. Роль рельефа также существенна. Сотрясения усиливаются на крутых перегибах склонов и гребнях, глубокие же долины как бы гасят сотрясения.
Разрушительное воздействие землетрясений обусловлено в основном четырьмя группами факторов: 1) сотрясение, а также последующие изменения свойств грунтов; 2) изменение высотных отметок отдельных участков поверхности; 3) возникновение опасных природных процессов; 4) разрушения как результат последствий землетрясений (пожары, взрывы и т. д.). В первую группу можно включить непосредственно сотрясение земли, нарушения сплошности грунта, проседания и разжижение грунта.
Негативный эффект сотрясений сильно связан с продолжительностью колебаний. Каждый добавочный толчок вызывает новые разрушения в стенах, балках перекрытий, фундаментах и т. д. По мере усугубления растрескивания и разламывания прочность сооружений все уменьшается, и они постепенно рушатся.
Подземные толчки являются наиболее очевидным проявлением землетрясений, но они ответственны лишь за часть разрушений и потерь. Нарушения сплошности грунта (трещины, смещения) также достаточно известны. Они приводят к деформации и разрушению сооружений. Разрушительная роль трещин и смещений многократно возрастает, когда верхняя кромка
Н Агибова И. М.
Концепция формирования профессиональных компетентностей преподавателя физики...
разрыва пересекает застроенную территорию. Тогда непосредственно на разрыве происходят локальные повреждения фундаментов зданий, нарушения полотна дорог, разрывы подземных коммуникаций, водопроводных и газовых труб и т. д. Другие факторы этой группы менее известны.
Проседание земной поверхности - серьезная и довольно частая угроза землетрясений. Вследствие вибрации при землетрясениях происходит уплотнение грунта , что приводит к уменьшению объема почвы и образованию провалов и, в свою очередь, вызывает повреждение сооружений (здания, трубопроводы, мосты, дороги и т. д.). В этом отношении наиболее опасны насыпные грунты, особенно там, где прежде были заболоченные участки. Частота и величина проседания поверхности зависит от характера грунтов. Разжижение грунта при землетрясениях происходит при следующих условиях: 1) достаточная продолжительность землетрясения (1020 сек); 2) определенная частота сотрясений; 3) определенный состав грунта (обычно песок); 4) насыщенность водой. Вследствие вибрации почва переходит из твердого в вязкое полужидкое состояние, напоминающее зыбучий песок. Разжижение грунтов в первую очередь характерно для прибрежных низменностей. Изменение высотных отметок происходит в результате опускания или воздымания отдельных участков. Наиболее опасны случаи опускания, когда застроенная территория уходит под воду. Отрицательный эффект имеют также поднятия отдельных участков. Их неблагоприятное воздействие может выразиться в выводе из строя дренажной сети и ирригационных каналов вследствие изменения направления стока, в приведении в негодность портовых сооружений из-за подъема на высоту, исключающую их эксплуатацию, и т. д.
Третья группа факторов, обусловливающих разрушения, это опасные природные процессы, вызываемые землетрясениями (цунами, оползни, сели, лавины, обвалы, осыпи, сейши). Активизация катастрофических природных процессов - достаточно типичное следствие землетрясений. Чаще всего это гравитационные склоновые процессы. Четвертая группа факторов - это разрушения, обусловленные последствиями землетрясений. Сюда входят пожары, наводнения из-за прорывов плотин и водоводов, взрывы и т. д. В ряде случаев с точки зрения ущерба эти последствия становятся преобладающими. Ранжирование факторов землетрясений по тяжести разрушений и числу жертв весьма затруднительно, но очевидно, что первенство здесь принадлежит оползням. На второе место (с учетом тяжелораненых, умерших позднее), видимо, следует поставить группу факторов, связанную с изменением свойств грунтов. Далее, по всей видимости, идут цунами, затем сели и лавины. Следом, скорее всего, можно поместить разрушения и жертвы, вызванные последствиями землетрясений.
Землетрясения влияют практически на все виды человеческой деятельности. Наиболее очевидным выглядит воздействие на сельскохозяйственные отрасли. Воздействие на растение -водство прежде всего проявляется в выводе из строя ирригационных каналов. Нередко при землетрясениях происходит массовая гибель скота. Помимо воздействия на человеческую деятельность землетрясения имеют последствия для ряда природных компонентов. Основными из них являются: 1) поверхностные воды; 2) подземные воды; 3) геоморфологическая среда; 4) геологическая среда; 5) животный мир (10, с. 94).
Типичным случаем воздействия на поверхностные воды является запруживание рек вследствие спровоцированных землетрясением оползней, селей и т. д. Такие факты весьма многочисленны. Иногда происходят изменения гидрографической сети. Образование озер связано в основном с затоплением опустившихся участков. Их площадь может быть весьма значительна. Известны случаи образования на реках водопадов.
Влияние землетрясений на подземные воды связано с раскрытием одних и закрытием других трещин в породах по мере распространения через них импульсов сжатия и растяжения. Часто перед землетрясением происходит скачкообразное изменение уровней воды в скважинах и колодцах. Очень часто перед землетрясением меняется химический состав подземных вод за счет поступления в них глубинных газов (обычно гелия и радона). Общеизвестно влияние землетрясений на рельеф. Оно выражается в активизации рельефообразующих процессов, изменении высотных отметок вследствие воздымания одних и опускания других участков и т. д. Мас-
штабы преобразования рельефа могут быть очень велики. Землетрясения имеют значительное негативное воздействие на фауну, порой они приводят к значительной смертности среди животных. Подобное явление имеет место и при моретрясениях. Подводные толчки приводят к возникновению мощных акустических волн. Нередко после них обнаруживают большое количество мертвых рыб и морских животных (9, с. 73).
Цифры общего количества жертв от землетрясений в разных источниках отличаются более чем на порядок. Видимо, с начала цивилизации их число составило 13-15 млн чел. Из ста наиболее губительных стихийных бедствий XX в. на долю землетрясений приходится четвертая часть жертв с суммарным количеством 1,525 млн чел. Следует отметить, что с точки зрения числа погибших землетрясения занимают отнюдь не лидирующие позиции.
В качестве мер профилактики последствий землетрясений можно назвать заблаговременные прогноз и эвакуацию населения, сейсмостойкое строительство, отказ от использования для застройки опасных участков (разломы, крутые склоны, заболоченная местность и т. д.), для чего необходимо проведение сейсмического микрорайонирования, правильное планирование землепользования и т. д. Прогнозированию землетрясений посвящено большое число работ, но можно сказать, что до решения этой проблемы еще очень далеко. Хотя предвестники землетрясений в значительной степени выявлены (деформация земной поверхности, изменения состава и режима подземных вод, параметров геофизических полей - магнетизм, электричество и т. д.; беспокойное поведение животных и т. д.), их контроль и интерпретация проблематичны. Случаи удачного прогноза землетрясений пока крайне немногочисленны и их число намного меньше количества неудачных попыток. Так, в Южном федеральном округе за последнее десятилетие землетрясения интенсивностью менее 5 баллов происходили неоднократно, о чем смотри диаграмму (рис. 1).
Количество случаев 70 ~
60 ~ 50 ~ 40 ~ 30 ~
20' 10'
1 ,
1 1 1 , 1
тэ -о ^г го
о с з:
=3,5»
\о ^ а о ^ Э-
О; «;
0 3
1 I
О.СЗ О) с^ Со -чг
.4)
С =5 О С
О) ?
Рисунок 1. Землетрясения в ЮФО за период 1997-2006 гг.
Агибова И. М.
Концепция формирования профессиональных компетентностей преподавателя физики...
Что касается определения сейсмичности территории Южного федерального округа относительно времени, когда произойдет землетрясение, то здесь большую важность имеют палео-сейсмологические исследования. Материалы инструментальных наблюдений и исторические данные характеризуют сейсмическую активность региона лишь за ничтожно малый отрезок геологического времени. Поэтому отсутствие информации о сильных землетрясениях на той или иной территории не означает их невозможности в будущем. Палеосейсмологический метод основан на поиске и изучении следов древних землетрясений на поверхности Земли. Обнаружение на ней остаточных деформаций (палеосейсмодислокаций) позволяет более достоверно определить сейсмичность территории. На территории Южного федерального округа высокой сейсмичностью характеризуются все объекты, расположенные в пределах северного склона Большого Кавказа (1, с. 69).
Данные сейсмологических исследований на территории Южного федерального округа свидетельствуют о различной сейсмической активности республик, краев и областей Черноморского региона и Северного Кавказа.
Распределение площадей с различной интенсивностью землетрясений в Южной федеральном округе представлено на круговых диаграммах.
Интенсивность землетрясений Кабардино-Балкарская (в баллах)
Рисунок 2. Распределение площадей (%) ЮФО по интенсивности землетрясений
Согласно результатам анализа, в Южном федеральном округе имеются три основные сейсмоактивные зоны - Махачкалинская, Грозненская и Сочинская. В последнее время наибольшим выделением сейсмической энергии характеризуется Махачкалинская зона. Так, только в 1987 г. в районе Грозный - Махачкала - Буйнакск произошло 9 землетрясений значительной интенсивности. Позднее зона активности расширилась в западном направлении и захватила район г. Нальчика. При этом активизировался и расположенный южнее Владикавказский разлом (1, с. 70).
По мнению авторитетных ученых, в Кавказском регионе отмечается постепенное смещение процесса сейсмической активности к северу от Турецкой и Иранской плит и Малого Кавказа в сторону Большого Кавказа. Подтверждением этому являются произошедшие в Закавказье за последние 25 лет сильные землетрясения (Чалдыранское, Параванское, Спитакское и Рачин-ское), что позволяет говорить о сейсмической активизации всего Транскавказского поперечного поднятия. Если эта тенденция подтвердится, то не исключена возможность в будущем сильных землетрясений на северном склоне Большого Кавказа и на северном окончании Транскавказского поперечного поднятия (районы Кавказских Минеральных Вод и Ставропольского сводового поднятия) (1, с. 71). Достаточно высокая сейсмичность является одним из показателей тектонической деятельности, охватывающей значительную часть территории Южного федерального округа. Ситуация осложняется тем, что территория региона в сильной степени подвержена целому комплексу опасных природных процессов (лавины, сели, оползни, обвалы, осыпи, и др.), которые в последнее время значительно активизировались. Даже умеренное по интенсивности землетрясение способно инициировать и усиливать эти процессы, в результате чего урон хозяйственному комплексу и населению, особенно в предгорной и горной части округа, может многократно превысить потери от собственно сейсмических толчков. Опыт геологического изучения особенностей развития сильных землетрясений в Закавказье позволяет прогнозировать такую перспективу развития склоновых процессов и в Южном федеральном округе.
1. Атлас природных и техногенных опасностей и рисков чрезвычайных ситуаций в Российской Федерации /Под общ. ред. С. К. Шойгу. -М.: ИПЦ «Дизайн. Информация. Картография», 2007. - 382 с.
2. Апродов, В. А. Зоны землетрясений /В. А. Апродов. -М.: Мысль, 2000. - 461 с. (Природа мира).
3. Географический атлас мира. - М.: Росмэн, 1998. - 96 с.
4. Географический энциклопедический словарь: Понятия и термины. - М.: Сов. энциклопедия, 1988. - 431 с.
5. Географический энциклопедический словарь: Географические названия. - М.: Сов. энциклопедия,
6. Говорушко, С. М. Влияние природных процессов на человеческую деятельность / С. М. Говорушко. -Владивосток : ДВО РАН, 1999. - 185 с.
7. Говорушко, С. М. Количественные аспекты оценки взаимодействия природы и общества / С. М. Говорушко // Взаимодействие общества и окружающей среды в условиях глобальных и региональных изменений. -М.: ИПК «Желдориздат», 2003.
8. Гущенко, И. И. Закономерности размещения центров вулканической активности по земному шару / И. И. Гущенко // Вулканология и сейсмология. - 1983. - № 6.
9. Природные опасности России. Оценка и управление природными рисками /Под ред. А. Л. Рагозина. -М.: Крук, 2003.
10. Природные опасности России. Природные опасности и общество / Под ред. В. А. Владимирова, Ю. Л. Воробьева, В. И. Осипова. - М.: Крук, 2003.
Глушко Анатолий Яковлевич, Невинномысский государственный гуманитарно-технический институт, кандидат экономических наук, доцент кафедры экономики и управления. Сфера научных интересов -физическая география, региональная экономика, безопасность жизнедеятельности. [email protected]
ЛИТЕРАТУРА
1989. - 591 с.
Об авторе
