Интенсивность землетрясения

Интенсивность землетрясения определяется количеством энергии, выделяющейся при сейсмическом разрыве.Энергия землетрясения , Дж, по Б. Б. Голицыну, может быть вычислена по формуле:
Е=π²ρν(А/Т)²,

где ρ-плотность верхних слоев Земли, г/см³; ν-скорость распространения сейсмических волн, см/с; А-амплитуда смещения, см; Т-период колебаний, с.

Как показывают наблюдения, самые слабые из известных землетрясений, улавливаемых сейсмографами, излучают энергию около 10³ Дж(10¹º эрг), а самые сильные -10  ¹⁹Дж(10 ²⁶ эрг).Для того чтобы при таком диапазоне составить шкалу интенсивности землетрясений в количествах излучаемой энергии, удобнее пользоваться логарифмами этих количеств.

Читай также сейсмические явления

Полагая показатель интенсивности самого слабого землетрясения за 1, можно составить шкалу, приведенную в таблицу-1. По этой шкале интенсивности землетрясений составляют геометрическую прогрессию с множителем, равным 100.Последовательность чисел 1,2 и т.д. выражающую энергетические уровни ( интенсивность) землетрясений, называют магнитудой.Эти числа в данной шкале определяют количества упругой энергии колебаний, выделяемые очагом землетрясений.

Таблица-1. Шкала интенсивности землетрясений по количеству излучаемой энергии

Для расчетов силовых воздействий, оказываемых землетрясениями, используют понятия ускорения колебаний, коэффициента сейсмичности и максимального относительного смещения.Ускорением колебания называется величина α, определяемая из выражения:
α=4π²А/Т², где А-амплитуда колебания , мм; Т-период колебания, с. Коэффициентом сейсмичности или коэффициентом сотрясения называется, отношение ускорения колебания Ас к ускорению силы тяжести g: Кс=α/g

Максимальное относительное смещение определяется с помощью специального прибора -сейсмометра С.В. Медведева.Основной частью этого прибора является упругий сферический маятник с периодом собственных колебаний Т=0,25 с и логарифмическим декрементом затухания колебаний λ=0,50.На практике силу землетрясений измеряют в баллах в зависимости от величины Хо, представляющей собой максимальное относительное смещение сферического упругого маятника сейсмометра.

Для определения силы землетрясения в пределах от 6 до 9 баллов установлена специальная шкала ( таблица-2).

Таблица-2. Шкала силы землетрясений ( по ГОСТ 6249-52)

Применительно к этой шкале разработаны визуальные характеристики землетрясений, основанные на их восприятии и видимых результатах действия. В соответствии с этими характеристиками здания, возведенные без необходимых антисейсмических мероприятий, разделены на три группы: А-здания со стенами глинобитными, из кирпича сырца, самана и т.п.; Б-здания каменные; В-здания деревянные.

Установлена также характеристика степени повреждения и разрушения частей зданий :

1) легкие повреждения -тонкие трещины в штукатурке, в кладке печей  и т.п.

2) значительные повреждения трещины в штукатурке, откалывание кусков штукатурки, тонкие трещины в стенах, повреждения дымовых труб и другие.

3) разрушения-большие трещины в стенах, расслоение каменной кладки, обрушение отдельных участков стен, падение карнизов и парапетов, обвалы штукатурки, падение дымовых труб отопительных печей и другие.

4) обвалы-полные или частичные обрушения стен зданий, перекрытий и других частей.

Сила землетрясения в баллах в зависимости от степени повреждения и разрушения частей зданий и сооружений, а также в зависимости от остаточных деформаций в грунтах и наземных вод определяется согласно таблицы-3.

Таблица-3. Признаки землетрясений ( по ГОСТ 6249-52)

С.В. Медведев отмечает, что интенсивность проявления землетрясений в значительной мере зависит от свойств пород, в которых распространяются сейсмические волны. Основными сейсмическими характеристиками пород, по С.В.Медведеву, являются скорость распространения продольных сейсмических волн ν и сейсмическая жесткость, равная произведению скорости распространения продольных сейсмических волн ν=5,6 км/с, балльность землетрясения равна F,то в других породах, при меньших скоростях распространения продольных сейсмических волн, землетрясения будут проявляться более интенсивно  и их балльность будет составлять F+ΔF.

Наличие грунтовых вод в толщах пород до глубины 1-10 м увеличивает силу землетрясений.Воды, залегающие на глубине 10 м и более, практически не влияют на бальность землетрясений. Действие землетрясений на здания и сооружения вызывает необходимость учитывать их при проектировании и строительстве . С этой целью проведено сейсмическое районирование территории стран СНГ (СССР- смотри рисунок-1).

Рисунок-1. Схема сейсмического районирования СССР

Пользуясь этой картой, необходимо учитывать что указанная сейсмичность относится к участкам со средними грунтовыми условиями, характеризуемыми песчано-глинистыми отложениями и низким уровнем грунтовых вод ( на глубине 6 м и более).В условиях конкретного проектирования расчетная бальность строительной площадки должна быть уточнена в зависимости от слагающих ее грунтов и уровня грунтовых вод в соответствии с таблицей-4.

Таблица-4.Изменение интенсивности землетрясения на основании инженерно-геологических и гидрологических данных

Практически воздействие землетрясений на здания и сооружения учитывается при балльности 7 и более. Возможность проявления землетрясений с балльностью от 1 до 6 включительно в строительном проектировании не учитывается. Влияние землетрясений на здания и сооружения учитывается как особое силовое воздействие-сейсмическая нагрузка, определяемая специальными расчетами.

Было установлено, что с большей или меньшей регулярностью землетрясения происходят в двух сравнительно узких зонах, пересекающих Землю в виде двух кругов под углом 67° один к другому.Первый круг -тихоокеанский или индо-японо-малайский-проходит по берегам Тихого океана от Антарктики через Австралию, Зондские острова, по по восточному побережью Азии и Японские острова к камчатке и далее по западному побережью Северной и Южной Америки к Антарктиде.

На эту зону приходится 41,8% всех землетрясений. Второй круг-альпийско-кавказско-гималайский -идет по берегам Средиземного моря , через кавказский и Гималайский горные хребты, пересекается с Тихоокеанским кругом и продолжается далее через вулканические острова Тихого и Атлантического океанов к побережью Средиземного моря.

Рисунок-2. Схема сейсмического районирования Туркменской ССР.

Изолинии оконтуривают зоны землетрясений различной бальности

На эту зону приходится 53,5 % всех землетрясений. Вне указанных кольцевых зон отмечается только 4,7 % землетрясений. Как видно из рисунка -2 на территории стран СНГ очаги землетрясений отмечены в Крыму, на Кавказе, в Туркмении, Средней Азии, Прибайкалье, Восточной Сибири, на Сахалине и Камчатке. Большинство из них приурочено к альпийско-кавказско-гималайскому кольцу и некоторое количество к тихоокеанскому.

За первую половину ХХ века на территории СССР отмечено 3749 землетрясений, распределенных следующим образом:

Крым-55; Кавказ-150; Закавказье-1050; Туркмения-150; Северный Тянь-Шань-395; Фергана-328; Южный Тянь-Шань-284; Центральный Таджикистан-345; Памир-126; Западная Сибирь-170; Прибайкалье-315;Восточная Сибирь-75; Камчатка-351.

Установление определенной закономерности в распределении очагов землетрясений оказалось весьма плодотворным.На его основе можно разделить всю земную поверхность на зоны сейсмические, асейсмические и пенесейсмические. К сейсмическим зонам относят такие, которые можно считать областями периодически происходящих землетрясений.

Асейсмическими называют области, где землетрясения не происходят или являются редчайшими исключениями.К таким областям относятся Северо-Германская низменность, Русская равнина, Финляндия, степные районы Западной Сибири, вся Северная Сибирь, Восточная Канада, Бразилия. Пенесейсмическими называют районы, в которых землетрясения происходят сравнительно редко и не достигают большой силы.

◊ Изучение землетрясений

Сейсмические явления изучает наука-сейсмология. На территории бывшего СССР и в других странах была создана сеть сейсмических станций, которые ведут непрерывные наблюдения за сейсмическими толчками.Изучение силы землетрясений ведется с помощью приборов -сейсмографов и сейсмометров. Существует несколько конструкций сейсмографов, но все они основаны на одном принципе: колебания земной коры передаются корпусу прибора, который получает при этом смещения относительно инертного груза.

Простейший сейсмограф представляет собой корпус, на котором укреплен горизонтальный или вертикальный маятник.При сейсмических колебаниях маятник начинает качаться и его острие делает записи на движущейся ленте. На практике пользуются одним из наиболее совершенных сейсмографов конструкции Б.Б. Голицына.

Рисунок-3. Схемы сейсмографов

1-схема сейсмографа с вертикальным маятником; 2-схема сейсмографа с горизонтальным маятником;

М-маятник; S-пишущий рычаг;R-барабан с бумагой; U-часы.

 

Прибор этот, несколько более сложный, позволяет отмечать самые незначительные толчки( смотри рисунок-3).Сейсмограф позволяет определить силу землетрясения по амплитуде и периоду записанных колебаний и расстояние до очага землетрясения.Сопоставление сейсмограмм ( графиков колебаний), записанных сейсмографами разных сейсмических станций  с учетом географических координат , позволяет достаточно точно найти гипоцентр и эпицентр землетрясения.

Более совершенный сейсмометр предложил С.В. Медведев. Основной частью этого прибора является упругий сферический маятник с определенным периодом затухания колебаний. Относительное смещение этого маятника позволяет определить силу землетрясения. Изучение сейсмических явлений имеет целью не только установление очагов землетрясений и их интенсивности.

На основе полученных данных, используя выражения скорости распределения сейсмических волн, удалось внести значительные уточнения в сведения о внутреннем строении Земли.Сейсмические наблюдения позволили также создать сейсмический метод разведки недр Земли.Производя в какой-либо точке вблизи земной поверхности искусственный взрыв, можно по наблюдениям в других точках установить характер слагающих толщ на значительных глубинах.