» » Интенсивность землетрясения

Интенсивность землетрясения

15.08.2016

Под понятием интенсивности землетрясения обычно подразумевается величина силы землетрясения (вернее - степень его последствия) на определенном месте на поверхности Земли, находящемся на определенном от очага землетрясения расстоянии. Способ оценки силы землетрясения на определенном месте - это задание величины этой силы одним цифровым параметром, который называется интенсивностью. Сегодня, продолжая исторические традиции времен доинструментальной сейсмологии, степень последствия землетрясения или величина причиняемого им ущерба измеряется в баллах (от французского слова -ball) по специальной цифровой шкале. Хотя оценка такого сложного природного явления, каким является воздействие землетрясения на окружающую среду, одним параметром нелогична, так как уровень повреждений зданий и сооружений существенно зависит от их начальной сейсмовооруженности, качества строительства и грунтовых условий, тем не менее на практике еще действуют различные цифровые шкалы оценки силы землетрясения баллами. Для слабых землетрясений эта оценка связывается со степенью их восприятия человеком и животными.
Шкалы оценки интенсивности землетрясения возникли значительно раньше, чем первые инструментальные их записи - сейсмограммы и акселерограммы. Начиная с 18-го столетия появились более чем 50 шкал по оценке интенсивности землетрясения. Все шкалы интенсивности основываются на трех основных показателях:
- воздействие землетрясения на людей и па бытовые предметы,
- воздействие землетрясения на здания и сооружения различных типов (по их повреждениям),
- воздействие землетрясения на природную окружающую среду -остаточные явления в грунтах и изменение режима фунтовых и подземных вод.
В настоящее время в разных странах мира действуют различные шкалы интенсивности. Наиболее распространенные из них фи:
1. Международная шкала сейсмической интенсивности MSK-64 (Medvedev, Sponheuer, Karnik), явторами которой являются С.В. Медведев (Москва), У. Шпонхеер (Йена) и В. Карник (Прага). Шкала MSK-64 является усовершенствованным и объемным вариантом прежних шкал Меркалли, Канкани, Зиберга и Медведева. Шкала состоит из 12 единиц - баллов и обозначается римскими числами.
Интенсивность землетрясения
Интенсивность землетрясения

В табл. 1.5 приводится краткое описание шкалы. Более подробное описание шкалы приводится и Приложении 3. В таблице приводятся также пределы значений максимальных ускорений и скоростей грунта и показания сейсмометра СБМ, зарегистрированные при землетрясениях, которые дают возможность оценить интенсивность землетрясения и с помощью инструментальных записей.
Дать оценку интенсивности слабых землетрясений в пределах I-V баллов, и особенно очень сильных землетрясений в пределах X-XII баллов, по зарегистрированным величинам максимальных ускорений и скоростей грунта, очень неоднозначная и сложная задача. Поэтому в табл. 1.5 авторы шкалы, во избежание больших погрешностей, назвав их условными характеристиками, сознательно не приводят значения этих параметров для очень слабых и очень сильных землетрясений.
2. Модифицированная шкала Меркалли MM (Modificein Mercalli). Первоначальный вариант, широко применяемый в США, шкалы MM был разработан в 1902 году в Италии Дж. Меркалли. В 1931 году шкала была переработана Г. Вудом и Ф. Ньюменом из Калифорнийского технологического института и названа “Модифицированной шкалой Меркалли”. В 1956 году Ч. Рихтер, заново пересмотрел шкалу, которая действует в такой редакции по настоящее время. По шкале MM интенсивность как по MSK-64, определяется 12 баллами и обозначается римскими числами. Сокращенное содержание шкалы MM по баллам.
I. He ощущается населением.
II. Ощущается лишь немногими, находящимися в покое, особенно на верхних этажах зданий.
III. Ощущается многими в зданиях, но большинством не воспринимается как землетрясение.
IV. Ощущается большинством людей внутри зданий и некоторыми вне зданий. Похоже на сотрясение от проходящего тяжелого грузовика. Окна, посуда и двери дребезжат, висячие предметы колеблются.
V. Ощущается большинством людей как внутри, так и вне здания; спящие просыпаются. Небольшие предметы опрокидываются.
VI. Ощущается всеми: многие люди пугаются и выбегают наружу. Трещины в штукатурке, небольшие повреждения в каменных и кирпичных зданиях.
VII. Население пугается: трудно устоять на месте. Незначительные повреждения зданий и умеренные - в плохо запроектированных и построенных. Падение дымовых труб.
VIII. Общий страх, признаки паники. Обрушивается кладка кирпичных и каменных стен. Панели стен отделяются от элементов каркасов. Смещаются с поворотом и падают печные и заводские трубы и башни. В сырых грунтах и на крутых склонах появляются трещины.
IX. Всеобщая паника. Повреждение зданий хорошей постройки. Отрыв сооружений от фундамента. Серьезные повреждения водохранилищ, трубопроводов. На аллювиальных почвах выбросы песка и ила, грунт фантанирует (разжижается). Заметные трещины в грунте.
X. Большинство кирпичных, каменных и каркасных зданий разрушается вместе с фундаментами. Разрушаются деревянные дома и мосты. Большой ущерб наносится платанам, дамбам и причалам. Большие оползни. Рельсы слегка искривляются. Поднятие уровня воды.
XI. Обрушивается большинство кирпичных, каменных и деревянных зданий и некоторые мосты. В грунте появляются большие трещины. Подземные трубопроводы полностью выходят из строя. Сильно искривляются рельсы.
XII. Всеобщее разрушение. Смещаются большие массы горных пород. На поверхности видны “земные волны”. Видимые изменения ландшафта. Предметы подбрасываются в воздух.
3. Шкала сейсмической интенсивности JMA (Japan Meterological Agesty). Японская шкала JMA принята в 1949 году. Она состоит из 8 единиц (баллов) включая 0, которые обозначаются арабскими цифрами:
0. He ощущается: регистрируется приборами, но не ощущается людьми.
1. Незначительное: ощущается людьми в состоянии покоя или лицами, исключительно восприимчивыми к землетрясениям.
2. Слабое: ощущается большинством людей; легкое дребезжание обычных и японских задвижных решетчатых дверей.
3. Достаточно сильное: раскачивание домов и строений, сильное дребезжание обычных и японских дверей, раскачивание люстр и других подвешенных предметов, колебание жидкостей в сосудах.
4. Сильное: сильное раскачивание домов и строений, опрокидывание неустойчивых предметов, выплескивание жидкостей из сосудов.
5. Очень сильное: растрескивание штукатурки на стенах, опрокидывание каменных надгробий, повреждение кирпичных дымовых труб.
6. Разрушительное: обрушение до 30% японских деревянных домов, многочисленные оползни грунта и разрушение откосов, трещины на пологих участках грунта.
7. Опустошительное: обрушение более 30% японских деревянных домов.
В 1992 году XXVIll Генеральная Ассамблея Европейской Сейсмологической Комиссии (ESC) рекомендовала для широкого использования новую Европейскую Макросейсмическую Шкалу EMS’92, которая по существу является усовершенствованным и дополненным вариантом шкалы MSK.-64. Базой для развития уточненного варианта шкалы послужила так называемая шкала MSK-81 специальной комиссии экспертов и более ранние предложения С. Медведева. Авторами шкалы EMS’92 являются Г. Грюнталь (Потсдам), Р. Муссон (Эдинбург), Дж. Шварц (Веймар) и М. Стуччи (Милан). Шкала EMS’92 переведена на русский язык и издана отдельной брошюрой под редакцией М.А. Клячко в С. Петербурге в 1996 году. Авторы новой шкалы старались не внести в нее существенные изменения по сравнению с основными положениями шкалы MSK-64 во избежание искажения результатов ранее приведенных оценок интенсивности прошлых землетрясений с применением шкалы MSK-64. В отличие от шкалы MSK-64 в EMS’92 введены новые типы зданий (в том числе высоких), особенно те, которые имеют антисейсмические мероприятия. В новой шкале вместе трех типов зданий (А, Б, В по MSK-64 без антисейсмических мероприятий) введены шесть классов А, В, С, D, Е, F по уязвимости, в том числе с антисейсмическими мероприятиями различного уровня. В шкале EMS’92 повреждения во время землетрясения разделены на пять степеней, причем отдельно для каменных и кирпичных зданий и зданий из железобетона. Шкала снабжена тремя приложениями: по оценке интенсивности наиболее крупных прошлых землетрясений, по возможности распространения шкалы на здания с антисейсмическими мероприятиями и по сейсмическим эффектам (оползни, обвалы, разрушения скал во время землетрясения), которые признаны обеспечить дополнительную информацию для более доверительного установления интенсивности землетрясения.
Внимательной читатель заметит, что в отличие от вышеприведенных других шкал, шкала EMS’92 в самом оглавлении называется “Макросейсмическая шкала”. Нам кажется это не случайно, так как авторы шкалы считают, что “Макросейсмическая интенсивность является средством классификации силы землетрясения на основе эффектов, наблюдаемых на ограниченной территории”. Другими словами, по этой шкале определяется не сила самого землетрясения, а уровень его последствий на определенной территории.
Глинный недостаток всех микросейсмических шкал, по нашему мнению, заключается и том, что определение интенсивности по ним связано со множеством субъективных факторов и большим диапазоном признаков, служащими основой для установления одной и той же интенсивности. Это даст возможность специалистам, привлеченным к изучению последствий землетрясений, пользоваться теми положениями шкалы, которые удовлетворяют их желаниям, особенно в тех случаях, когда интенсивность землетрясения (степень повреждения) служит основанием для возмещения ущерба владельцам домов со стороны государственных организаций и страховых компаний.
Кроме того, несмотря на старание авторов шкал включить в нее все основные типы зданий и сооружений, в действительности эти типы в сейсмоактивных странах мира встречаются в таком множестве, что всегда возникает естественный вопрос об их идентичности с типами, приведенными в действующей шкале. Другие, не менее важные факторы, оказывающие существенное влияние на степень повреждений зданий и сооружений и игнорированные шкалами, это влияния грунтовых условий и вертикального компонента сейсмического воздействия (в зависимости от эпицентрального расстояния). Поэтому после каждого сильного землетрясения начинаются дискуссии о приемлемости основных положений шкал при оценках степеней повреждений зданий данной страны. В частности, такая ситуация сложилась после Спитакского землетрясения 1988 года в Армении, Эрзрумского - 1939 года и Измитского - 1999 года в Турции. Поэтому не случайно, что каждая страна старается иметь свою собственную шкалу интенсивности. Любопытно заметить, что по японской шкале “разрушительное” и “опустошительное” землетрясения в основном характеризуются по количеству обрушения традиционных японских деревянных домов. Это еще раз косвенно подтверждает тот факт, что 1-2-этажные деревянные дома являются наиболее сейсмостойкими по сравнению с аналогичными из других материалов. Сравнительные оценки интенсивности по MSK-64 и других шкал приводятся в табл. 1.6.
Между интенсивностью IJ по японской шкале JMA и интенсивностью IM по шкалам MSK и MM имеется следующее соотношение:
Интенсивность землетрясения

Основываясь на записях землетрясений на территории Калифорнии, Канкани и Рихтер для величины интенсивности I по шкале MM и максимальным ускорением грунта а получили следующую эмпирическую связь:
Интенсивность землетрясения

где а - ускорение грунта в см/сек2, I - интенсивность в баллах шкалы ММ.
Интенсивность землетрясения

По формуле (1.89), как указывает сам Рихтер, можно получить две заманчивые предельные оценки. Так, если принять
I = 1 1/2,

то по формуле (1.89) получим Ig а = 0, откуда a = 1cм/ceк2.
Различного рода исследования показывают, что пороговое значение ускорения грунта (между баллами I и II), при котором люди начинают ощущать сотрясение, действительно равно 1 см/сек2. Если же принимать
I = 7 1/2,

то получим Ig а = 2, откуда а = 100 см/сек2, которое соответствует ускорениям грунта при семибалльных землетрясениях по шкале MM и MSK. При таких ускорениях грунта в зданиях, построенных без антисейсмических мероприятий, во время землетрясений в действительности возникают легкие повреждения.
Формула (1.89) особенно не приемлема для очень сильных землетрясений. Так, например, при интенсивности I = 10 1/2 значение а становится равным 1000см/сек2 (один g), что, по утверждению Рихтера, является слишком низким. Очевидно, что наибольшая интенсивность землетрясения должна иметь место и эпицентре землетрясения. Обычно гак и бывает, если очаг землетрясения не находится мод океаном. Удаляясь от эпицентра, интенсивность снижается. Для установления степени снижения интенсивности по результатам последствий землетрясения строят карту так называемых изосейст землетрясения замкнутые площадки территорий одинаковой интенсивности вокруг эпицентра. Они разделяют территорию на юны с различной интенсивностью. Изосейсты редко бывают круглыми. Обычно, если их строят по повреждениям зданий, возведенных на скальных грунтах, они имеют эллипсообразную форму - вытянутые по длине очага (разрыв на поверхности Земли). В действительности изосейсты имеют чрезмерно сложный характер, как показано на рис. 1.42, для сильнейшего Китайского землетрясения с магнитудой М=8.6 1920 года.
Интенсивность землетрясения

Наблюдения показывают, что при двойном увеличении эпицентрального расстояния интенсивность землетрясения снижается на одну единицу. Ho снижение интенсивности зависит также от глубины очага землетрясения. Чем ближе очаг к поверхности Земли, тем быстрее снижается интенсивность по мере удаления от эпицентра. Отсюда важный практический вывод - чем плотнее изосейсты, тем очаг ближе к поверхности Земли. Таким образом, карты изосейстов а какой-то мере удобный способ обозначить место землетрясения, размеры и положения пострадавшей территории и влияние геологического строения на данном месте. Так как карты изосейсты составляют по описательным сводкам шкал и в многих случаях без учета местных грунтовых условий, они также страдают вышеуказанными для макросейсмических шкал недостатками. И не случайно, что карты изосейст, построенные для одного и того же землетрясения различными авторами, часто сильно расходятся друг от друга.