Циклические и ациклические воздействии природной среды на антропоэкосистемы

Селевые катастрофы, еще более страшные, чем в нашей стране, происходили за рубежом. В 1792 г. в результате извержения вулкана Унзен на острове Кюсю (Япония) образовался громадный лахар, унесший 10 тысяч жизней. На земном шаре существует много мест, где сели в течение сотен лет постоянно приносили неисчислимые бедствия людям. Это остров Ява с его бушующими лахарами, Альпы, где даже небольшой сель превращается в серьезную угрозу жизни людей, гора Сан-Габриэль, чьи селевые потоки угрожают -- Лос-Анджелесу.

Широко известна Уаскаранская катастрофа 1970 г. (Перу). Толчком к началу этого стихийного бедствия послужило землетрясение, которое уже само по себе превратило в развалины не один десяток деревень и небольших городов. В результате землетрясения от вершины Уаскаран и ледника Хелмес откололся блок льда и горной породы общим объемом 8 млн. м³, которые рухнули на другой ледник, лежащий на 600 м ниже. Захватив 5 млн. м³ фирна с этого ледника, вся масса ринулась вниз, попутно увлекая с собой миллионы кубических метров рыхлообломочных, моренных и прочих отложений. Общий объем потока составил 43 млн. м³. Скорость движения фронта потока составляла в среднем 110 м/с. По свидетельству очевидцев высота вала была не менее 80 м. Сила этой лавины из камня, льда и грязи была настолько велика, что глыбы весом 3 т выбрасывались на 800 м. Через несколько минут вал высотой с 20-этажный дом достиг города Юнгай, еще через 2--3 минуты на месте города было коричневое месиво из грязи, льда, камня. Мощность отложений достигала 30 м. После этого поток прошел по руслу реки Рио-Санты, опустошив ее долину по обоим берегам. В этот день погибло более 18 тысяч человек. С древности до нас дошли следы еще более грандиозных селевых потоков. Пять тысяч лет назад со склонов вулкана Рейнир (Северная Америка) сошел селевой поток, получивший название Оцеола. Его объем составил 4 млрд м³, он покрыл 25-метровыми отложениями 170 км².

Можно ли вообще защищаться от селей? Можно и нужно. Человек не может позволить себе терпеливо наблюдать, как грязекаменные реки смешивают с землей плоды его деятельности. История борьбы с селевыми потоками насчитывает не один век. В Австрии еще в XVII в. Начали сооружать противоселевые плотины, некоторые из них и сейчас служат людям. С той поры пройден долгий и трудный путь. Во многих странах разработаны специальные противоселевые программы стоимостью в десятки миллионов рублей. Программа защиты Алма-Аты предусматривает затраты в 124 миллиона рублей, Тироля -- 60 миллионов долларов. Система селезащитных сооружений Лос-Анджелеса обошлась почти в миллиард долларов. Такие страны, как РФ, США, Австрия, Франция, Япония, Швейцария, переходят от пассивного сопротивления к активной селезащите, призванной предотвратить зарождение селевых потоков на наиболее опасных участках. И хочется думать, что в будущем о катастрофических селях можно будет прочитать только в книгах.

Оползни -- проявление гравитации на склонах. Оползни могут быть на всех склонах с крутизной 20° и более и в любое время года. Они различаются не только скоростью смещения пород (медленные, средние и быстрые), но и своими масштабами. Скорость медленных смещений пород составляет несколько десятков сантиметров в год, средних - несколько метров в час или в сутки и быстрых - десятки километров в час и более. Известно множество случаев, когда сползали дома и целые кварталы, исчезали дороги и «переезжали» с места на место горы. При оползнях вовлекаются в движение огромные массы горных пород, объём которых иногда достигает нескольких кубических километров. Они соскальзывают вниз по слою своеобразной «смазки», в качестве которой обычно выступает насыщенная водой глина, залегающая на некоторой глубине. При этом на склоне образуется понижение -- оползневый цирк. Тело оползня при движении часто разрушается, покрывается буграми и впадинами. Оползни возникают не только в горах, но и на равнинах, особенно на крутых берегах рек, озёр, морей.

Из-за возможности их возникновения здание Московского государственного университета, например, не было построено непосредственно над обрывом Воробьёвых гор - его пришлось возвести на расстоянии почти 1км от реки.

Большинство склонов на равнинах и в горах могут показаться совершенно неподвижными: об этом свидетельствует покрывающая их густая растительность. Однако это не совсем так - верхние слои грунта на склонах, особенно имеющих крутизну более 10°, как правило, движутся, правда очень медленно -- от 0,2 до 1см в год. Эффект этого движения весьма незначителен, но за длительное время может повлиять на облик рельефа, если не помешают иные процессы. Холмы и долины Центральной России или дальневосточные сопки приобрели свои плавные, мягкие очертания благодаря сглаживающему влиянию крипа (от англ, creep -- «ползти») -- векового движения грунта по склонам.

Несколько иначе ведут себя грунты на склонах в областях вечной мерзлоты. Оттаивая и насыщаясь водой в тёплое время года, они начинают относительно быстро -- от 3 до 10м в год -- перемещаться в виде полужидкой массы и образуются так называемые сппывы. Особый вид имеют развалы крупных глыб в областях вечной мерзлоты -- курумы. Они спускаются по склонам широкими -- до 1км и более -- «каменными реками», которые имеют скорость 0,2 -- 1,5м в год. Движению их также способствуют резкие колебания температур и регулярное замерзание и оттаивание воды между глыбами, из-за чего камни поднимаются, опускаются и переворачиваются.

Оползни, образующиеся на естественных склонах и в откосах выемок принято подразделять на две группы.

1-я группа. Структурные оползни (структура - однородные связные глинистые породы: глины, суглинки, глинистые мергели).

Основными причинами образования оползней являются:

- чрезмерная крутизна склона (откоса);

- перегрузка верхней части склона различными отвалами и инженерными сооружениями;

- нарушение целостности пород склона траншеями, нагорными канавами или оврагами;

- подрезка склона и его подошвы;

- увлажнение подошвы склона.

Характерными местами (условиями) возникновения оползней могут быть:

- искусственные земляные сооружения с крутыми откосами;

- в выемках, образующихся в однородных глинистых грунтах на водораздельных участках возвышенности;

- в глубоких разрезах для открытой разработки месторождений полезных ископаемых;

- в насыпях, отсыпанных такими же породами при переувлажнении почвенно-растительного покрова и глинистых пород, залегающих у дневной поверхности.

2 группа. Контактные (соскальзывающие, срезающие, скалывающие) - связные глинистые породы, залегающие в виде пластов с хорошо выраженными плоскостями напластования (глины, суглинки, мергели, неплотные известняки, некрепкие глинистые сланцы, лесс, лессовидные суглинки и др.).

Основными причинами образования контактных оползней являются:

- чрезмерное крутое падение слоев;

- перегрузка склона отвалами или различными земляными сооружениями;

- нарушение целостности пород на склоне траншеями или нагорными канавами;

- подрезка склона;

- смачивание плоскостей напластывания (контактов) подземными водами.

Характерными местами (условиями) возникновения оползней могут быть: естественные склоны возвышенностей и долин рек (на косогорах), откосы выемок, состоящих из слоистых пород, у которых падение слоев направлено в сторону склона или по направлению к выемке.

Наиболее действенной защитой от оползней является их предупреждение. Из комплекса предупредительных мероприятий следует отметить собирание и отведение поверхностных вод, искусственное преобразование рельефа (в зоне возможного отрыва земли уменьшают нагрузку на склоны), фиксацию склона с помощью свай и строительства подпорных стенок.

1.4 Антропоэкологические районы, подвергающиеся воздействию землетрясений

ураган сель землетрясение наводнение

По мере того как накапливались знания о Земле, изменялись и представления людей о причинах, вызывающих её сотрясение.

Во второй половине XIX столетия, оформилась в самостоятельную науку сейсмология (от греч. «сейсмос» -- «колебание», «землетрясение» и «логос» -- «учение»), предмет исследования которой -- землетрясения и связанные с ними явления. В XX в. сейсмологи доказали, что практически все сильные и 99 % слабых толчков относятся к категории тектонических: они возникают при резком смещении горных пород по разрывам. Сегодня специалисты умеют определять истинные причины подземных толчков, а кроме того, пытаются предсказывать и даже бороться с этим грозным явлением.

Изучать землетрясения и знать их особенности необходимо не только сейсмологам и жителям сейсмически опасных областей. Архитекторы, инженеры и строители при подготовке проектов и строительстве здании должны учитывать такой критерий, как сейсмостойкость -- способность конструкций противостоять сейсмическим воздействиям. Однако строить везде железобетонные коробки, похожие на блиндажи, которые могут выдержать мощное землетрясение слишком дорого. Поэтому проектирование и строительство сейсмостойких сооружений проводят в соответствии с сейсмическим районированием: тех областях и районах Земли, где существует потенциальная опасность сильных землетрясений.

Над составлением карт сейсмического районирования работает целая армия специалистов. Так называемые «полевые» сейсмологи изучают событие и его последствия (а значит, причины) непосредственно на месте, а «кабинетные» -- расшифровывают записи приборов, которые улавливают колебания, происходящие на расстоянии в несколько тысяч километров от станции.

Землетрясение -- одно из самых древних катастрофических явлений на Земле.

Землетрясение - колебание земной поверхности, вызванное природными и антропогенными факторами; это прохождение серии колебаний через породы Земли, которые представляют собой упругую среду, способную передавать колебания внутри себя и на поверхности. В результате деятельности человека могут возникать искусственно вызванные, или техногенные, землетрясения. Их сила меняется от небольших колебаний грунта, связанных с движением транспорта, до заметных сотрясений, вызванных подземными ядерными испытаниями, созданием водохранилищ и закачкой вод в глубокие горизонты (закачивание зараженных радиоактивными отходами вод в специальные глубокие скважины в штате Колорадо (США) вызвало более 700 небольших землетрясений). Несравненно чаще и гораздо сильнее землетрясения, вызванные природными факторами, прежде всего выделением тепла в недрах Земли. А их непосредственными причинами являются образование разрывных нарушений в земной коре, вулканизм, суммарное воздействие различных факторов. Оно возникает при внезапном освобождении энергии, которая долгое время накапливается в результате тектонических процессов в относительно локализованных областях земной коры и верхней мантии. При этом происходит разрыв (разлом) сплошности горных пород, иногда на многие десятки километров.

Область, где возникает процесс разрушения, называется очагом, гипоцентром или гипоцентральной областью. Проекция очага или его области на земную поверхность называется эпицентром или эпицентральной областью. Если очагом является протяженный сброс вдоль вертикальной плоскости, то эпицентром будет длинная полоса; при наклонной плоскости сброса эпицентральная область будет представлена широкой полосой. Диаметрально противоположное эпицентру место на земном шаре называют антицентром; расстояние от эпицентра до какой-либо точки на земной поверхности -- эпицентральным. Для удаленных землетрясений оно измеряется вдоль дуги большого круга, часто в градусах (1° = 111,1 км). Время возникновения землетрясения называют моментом землетрясения, или временем в очаге.

В зависимости от глубины очага землетрясения подразделяются на:

- нормальные - при глубине от 0 до 70 км;

- промежуточные - при глубине от 70 до 300 км;

- глубокофокусные - при глубине более 300 км.

Чувствительные сейсмографы ежегодно регистрируют около миллиона землетрясений, одно из них может быть катастрофическим, а около ста -- разрушительной силы. Участки поверхности Земли, подверженные землетрясениям, распределены довольно неравномерно : до 90% их приходится на кольцевой тихоокеанский пояс. В год происходит более 20 сильных землетрясений, вызывающих большие разрушения, из них в среднем одно - катастрофическое. За год регистрируется около миллиона небольших толчков. Обычно землетрясения повторяются в одних и тех же районах, но закономерности в их повторяемости установить не удается. По внешним проявлениям последствий землетрясений на поверхности Земли определяется их интенсивность, выражаемая в баллах.

Большинство землетрясений происходит на глубине до 70 км, такие землетрясения называются поверхностными. Землетрясения, которые происходят на глубине от 70 до 300 км, называют промежуточными, а глубже 300 км -- глубокими. До сих пор не было зарегистрировано ни одного землетрясения глубже 720 км.

Свыше 75% энергии, выделенной при землетрясениях, принадлежит поверхностным и только 3% -- глубоким. Различают сильные и слабые землетрясения: слабые землетрясения возникают повсеместно, но их общая энергия незначительна. Некоторые из них связаны с вулканической деятельностью. К сильным относят землетрясения с магнитудой более 5,5. Анализ распределения сильных землетрясений по земному шару показывает, что примерно 75% поверхностных, 90% промежуточных и почти все глубокие землетрясения сосредоточены в Тихоокеанском кольце из островных дуг, глубоководных желобов и горных хребтов. Большая часть сильных землетрясений происходит также в Альпийско-Гималайском поясе. Так, очаги сильных промежуточных землетрясений были зарегистрированы в Румынии и на Гиндукуше.

Особенно много примеров связи поясов поверхностных, промежуточных и глубоких землетрясений непосредственно с тектонической деятельностью существует в Тихоокеанской области: поверхностные землетрясения обычно происходят между океаническими прогибами и ближайшей материковой или островной горной цепью, промежуточные возникают под островными горными цепями, очень же глубокие значительно удалены от океанических впадин. Арктическо-Атлантический пояс возникновения землетрясений и пояс Индийского океана, как и ответвление Тихоокеанского пояса к острову Пасхи, также совпадают с подводными горными цепями.

Распределение землетрясений по энергии, по географическим зонам, а также их связь со строением этих зон, т.е. вся эта совокупность характеристик, объединяются понятием сейсмичность.

Пояса сейсмической активности делят всю поверхность земного шара на блоки, внутренние части которых можно считать асейсмическими. Тихоокеанский бассейн является одним из таких блоков; остальные, наиболее крупные, имеют континентальный характер.



Механизм возникновения землетрясений

Выяснение причин землетрясений и объяснение их механизма -- одна из важнейших задач сейсмологии. Общая картина происходящего представляется следующей.

В очаге происходят разрывы и интенсивные неупругие деформации среды, приводящие к землетрясению. Деформации в самом очаге носят необратимый характер, а в области, внешней к очагу, являются сплошными, упругими и преимущественно обратимыми. Именно в этой области распространяются сейсмические волны. Очаг может либо выходить на поверхность, как при некоторых сильных землетрясениях, либо находиться под ней, как во всех случаях слабых землетрясений.

До сих пор путем непосредственных измерений были получены довольно немногочисленные данные о величине подвижек и видимых на поверхности разрывов при катастрофических землетрясениях. Для слабых землетрясений непосредственные измерения невозможны. Наиболее полные измерения разрыва и подвижек на поверхности были проведены для землетрясения 1906 г. в Сан-Франциско. На основании этих измерений Дж. Рейд в 1910 г. выдвинул гипотезу упругой отдачи. Она явилась отправной точкой для разработки различных теорий механизма землетрясений. Основные положения теории Рейда следующие:

1. Разрыв сплошности горных пород, вызывающий землетрясение, наступает в результате накопления упругих деформаций выше предела, который может выдержать горная порода. Деформации возникают при перемещении блоков земной коры друг относительно друга.

2. Относительные перемещения блоков нарастают постепенно.

3. Движение в момент землетрясения является только упругой отдачей: резкое смещение сторон разрыва в положение, в котором отсутствуют упругие деформации.

4. Сейсмические волны возникают на поверхности разрыва -- сначала на ограниченном участке, затем площадь поверхности, с которой излучаются волны, растет, но скорость ее роста не превосходит скорости распространения сейсмических волн.

5. Энергия, освобожденная во время землетрясения, перед ним была энергией упругой деформации горных пород.

В результате тектонических движений в очаге возникают касательные напряжения, система которых, в свою очередь, определяет действующие в очаге скалывающие напряжения. Положение этой системы в пространстве зависит от так называемых нодальных поверхностей в поле смещений(y = 0, z = 0).

В настоящее время для изучения механизма землетрясений используют записи сейсмических станций, размещенных в разных точках земной поверхности, определяя по ним направление первых движений среды при появлении продольных (P) и поперечных (S) волн.

В одной из нодальных плоскостей расположена площадка скольжения. Оси сжимающих и растягивающих напряжений перпендикулярны линии их пересечения и составляют с этими плоскостями углы в 45°. Так что, если на основе наблюдений найдено положение в пространстве двух нодальных плоскостей продольных волн, то этим самым будут установлены положение осей главных напряжений, действующих в очаге, и два возможных положения поверхности разрыва.

Границу разрыва называют дислокацией скольжения. Здесь главную роль играют дефекты кристаллической структуры в процессе разрушения твердых тел. С лавинным нарастанием плотности дислокации связаны не только механические эффекты, но и электрические и магнитные явления, которые могут служить предвестниками землетрясений. Поэтому главный подход к решению проблемы предсказания землетрясений исследователи видят в изучении и выявлении предвестников различной природы.

В настоящее время общепринятыми являются две качественные модели подготовки землетрясений, которые объясняют возникновение предвестниковых явлений. В одной из них развитие очага землетрясения объясняется дилатансией, в основе которой лежит зависимость объемных деформаций от касательных усилий. В водонасыщенной пористой породе, как показали опыты, это явление наблюдается при напряжениях выше предела упругости. Возрастание дилатансии приводит к падению скоростей сейсмических волн и подъему земной поверхности в окрестности эпицентра. Затем, в результате диффузии воды в очаговую зону, происходит увеличение скоростей волн.

Согласно модели лавиноустойчивого трещинообразования явления предвестников могут быть объяснены без предположения о диффузии воды в очаговую зону. Изменение скоростей сейсмических волн можно объяснить развитием ориентированной системы трещин, которые взаимодействуют между собой и по мере роста нагрузок начинают сливаться. Процесс приобретает лавинный характер. На этой стадии материал неустойчив, происходит локализация растущих трещин в узких зонах, вне которых трещины закрываются. Эффективная жесткость среды возрастает, что приводит к увеличению скоростей сейсмических волн. Изучение явления показало, что отношение скоростей продольных и поперечных волн перед землетрясением сначала уменьшается, а затем возрастает, и эта зависимость может являться одним из предвестников землетрясений.

Расчеты энергии землетрясений

Оценка энергии землетрясений представляет большое значение для выявления их взаимосвязи и причин возникновения. Такая связь существует: слабые землетрясения могут являться предвестниками сильных. Важно классифицировать землетрясения по величине энергии. Оценка их силы в баллах требует обследования на местности и может быть дана далеко не всегда (особенно в малонаселенных районах и на морях). Немаловажно, что балльная оценка делается, как правило, не для эпицентра, а для ближайшего к нему населенного пункта. Энергия же землетрясения может быть рассчитана по данным сейсмических станций для любого зарегистрированного колебания, причем это будет величина, характеризующая не эпи-, а гипоцентральную область землетрясения.

Остановимся на понятии «энергия землетрясения». Причиной землетрясения являются значительные деформации земных слоев. С энергетической точки зрения землетрясение есть «освобождение» энергии деформации и ее переход в другие формы. Освобождающаяся энергия расходуется главным образом на разрушение горных пород в районе очага, часть ее переходит в тепло и лишь небольшая доля этой энергии идет на образование упругих волн, излучаемых очагом. Умение определять общую освобождаемую энергию позволило бы судить о величине потенциальной энергии деформаций, вызывающих землетрясение, оценивать по наблюдениям сейсмических станций силу сотрясения в эпицентральной области и т. п. К сожалению, пока возможно непосредственно измерить лишь энергию различных упругих волн, вызываемых землетрясением в толще Земли. В связи с этим термин «энергия землетрясения» можно употреблять для обозначения суммарной энергии упругих волн, излученных в очаге. Учитывая вышесказанное, можно ставить задачу о классификации землетрясений по величине суммарной энергии упругих волн.

Землетрясения очень различаются по величине энергии, это заставляет нас сравнивать энергию разных по силе землетрясений по логарифмической шкале. Обычно достаточно определить значение энергии с точностью до порядка.

Следует отметить, что оценка силы землетрясений в баллах имеет существенный недостаток, обусловленный многообразием индивидуальных особенностей конструкций любых сооружений.

Поиск предвестников

Одним из методов поиска предвестников землетрясений является мониторинг электрического сопротивления земной коры. Физическим основанием для этого является высокая чувствительность удельного электрического сопротивления горных пород к изменениям их напряженного состояния, которая объясняется тем, что в условиях естественного залегания горных пород в земных недрах их удельное электрическое сопротивление практически не зависит от сопротивления минерального скелета, а определяется количеством и минерализацией воды в порах и трещинах породы, «трещиноватостью» и пористостью этой породы, ее структурой и текстурой, температурой и давлением, т.е. теми факторами, которые могут претерпевать существенные изменения при изменениях характера напряженно-деформированного состояния горных пород в процессе подготовки землетрясений.

Источником зондирующего поля служит магнитогидродинамический генератор -- энергетическая машина, непосредственно преобразующая химическую энергию в электрическую.

Годовая периодичность

При исследованиях природы временных вариаций геофизических явлений, в частности режима микроземлетрясений, исследователями отмечались их регулярные изменения с годовой периодичностью.

Сейсмические предвестники

Изучение сейсмического режима и его изменений во времени в целях поиска возможных предвестников сильных землетрясений занимает особое место среди других методов прогноза землетрясений. Пространственно-временная картина сейсмичности непосредственно отражает развитие под действием тектонических напряжений процесса разрушения материала земных недр и подготовки магистрального разрыва, каковым является сильное землетрясение. Количество слабых землетрясений, их расположение в пространстве, механизмы их очагов могут служить основой для определения напряженно-деформированного состояния отдельных блоков среды, картирования свойств отдельных участков глубинных разломов и их изменений во времени, выявления неоднородностей и зон повышенной концентрации локальных напряжений, которые играют важную роль в возникновении предвестников землетрясений. Очень важно, что при этом обеспечивается возможность изучения процессов на больших глубинах, непосредственно в очаговых зонах землетрясений. Причем информацию о том или ином пункте можно получить даже в тех случаях, когда непосредственно в этом пункте сейсмические станции отсутствуют, хотя, конечно, точность определения параметров землетрясений, в первую очередь глубины гипоцентра, ухудшается.

С точки зрения организации массовых наблюдений важно отметить, что сейсмические наблюдения в различных регионах мира проводятся и независимо от задач прогноза землетрясений. В частности, они являются неотъемлемой частью системы мониторинга подземных ядерных взрывов, поэтому многие задачи поиска предвестников землетрясений могут решаться на основании сейсмических данных без установки дополнительных сейсмических станций.

Имеются обширные каталоги землетрясений отдельных регионов, материалы мировой сети сейсмических наблюдений, а также сведения об исторических землетрясениях, полученные как из письменных источников, так и с помощью исследований палеосейсмодислокаций. Все это позволяет сопоставлять особенности развития сейсмического процесса как в различных (с точки зрения геолого-тектонического строения) регионах мира, так и в различные периоды времени, оценивать значимость тех или иных эффектов прогностического характера и количество ложных тревог.

Важным требованием к используемым для анализа сейсмологическим данным (которое, к сожалению, не всегда выполняется) является однородность каталога землетрясений, поскольку в противном случае возможно возникновение целого ряда «аномальных» изменений сейсмического режима, обусловленных не реальными изменениями в земных недрах, а неоднородностью анализируемых данных, т.е. неоднородность каталогов приводит к ложным аномалиям. Один из наиболее распространенных видов такого рода ложных аномалий связан с изменениями нижнего порога энергии землетрясений, регистрируемых той или иной сетью сейсмических станций. Это может быть обусловлено изменениями количества станций в сети, конфигурации их расположения; сменой типа аппаратуры или изменением ее чувствительности; изменениями методики обработки данных. Те же самые причины могут вызывать и другой, более сложный с точки зрения его выявления, эффект, связанный с систематическими изменениями в определении энергетических характеристик землетрясений. Следует отметить, что при малом количестве станций в сети эффекты могут возникать, например, из-за того, что отдельные землетрясения не удается регистрировать с достаточной точностью на всех станциях сети.

Повторяемость землетрясений и сейсмические бреши

Землетрясение представляет собой разрушение материала земных недр под воздействием тектонических напряжений. По теории упругой отдачи Дж. Рейда, можно предположить, что следующее землетрясение в том или ином сегменте разлома произойдет лишь после того, как уровень накопленных напряжений достигнет некоторого порогового уровня, превышающего предел прочности материала. Скорость накопления тектонических напряжений определяет период повторяемости землетрясений, и при постоянной скорости этот период должен быть достаточно стабильным. Анализируя данные о сильных землетрясениях Камчатки, Курильских островов и северной части Японии, С.А. Федотов в 1965 г. заметил периодичность сильных землетрясений и, развивая идею Дж. Рейда, ввел понятие сейсмического цикла, которое сейчас широко используется многими исследователями. С.А. Федотову (1965 г.) принадлежит также понятие «сейсмическая брешь», которое непосредственно вытекает из представлений о повторяемости землетрясений в результате медленного накопления напряжений и хорошо согласуется с основными представлениями о тектонике плит.

Было установлено, что сильные землетрясения в одном и том же сегменте границы плит обычно повторяются не чаще, чем через несколько десятилетий, а во многих местах еще реже. Период повторяемости, как уже отмечалось, определяется скоростью накопления напряжений. Сегменты, в которых не происходило сильных землетрясений в течение нескольких последних десятилетий, стали называть сейсмическими брешами. Имеется множество примеров использования сейсмических брешей для предсказания мест сильных землетрясений на границах тектонических плит. Всего с 1968 г. только в Тихоокеанском сейсмическом поясе в зонах выделенных сейсмических брешей произошло 13 сильных землетрясений. В результате анализа данных о сильных землетрясениях за последние 100 лет в окрестностях о. Хоккайдо (Япония) была уверенно выделена зона сейсмической бреши. К тому времени в этой зоне не было сильных землетрясений почти 80 лет при повторяемости сильных землетрясений в этом регионе от нескольких десятков до 100 лет и более. Во всех других зонах рассматриваемого участка сильные землетрясения произошли за последние 20 лет до рассматриваемого момента времени. Магнитуда рассматриваемого землетрясения оценивалась как М = 8,0. Автор работы изложил свои соображения на заседании координационного комитета Японии по прогнозу землетрясений. В июне 1973 г. в выявленной им зоне сейсмической бреши произошло землетрясение с М = 7,4, афтершоки которого заполнили зону сейсмической бреши.

К. Моги (1988 г.), проанализировав ту же последовательность землетрясений, пришел к выводу, что можно было предсказать не только место, но и примерное время возникновения землетрясения 1973 г. с М = 7,4. Он заметил, что интервалы времени между последовательными событиями от начала цикла до его конца постепенно и закономерно уменьшаются.

Для описания повторяемости землетрясений и объяснения феномена сейсмической бреши существует много моделей. В уже упоминавшейся работе К. Моги (1988 г.) предложена и проанализирована простая модель (состоящая из нескольких пружинок, сжимаемых между двумя пластинами), которая объясняет отмеченную им закономерность изменения временных интервалов между последовательными событиями в цикле. Небольшое усложнение этой модели приводит к возникновению, наряду с циклами, детерминированного хаоса.

Деформационные предвестники

К деформационным обычно относят предвестники землетрясений, выявленные на основании данных наблюдений за медленными движениями земной поверхности. Такие наблюдения представляют собой один из основных методов поиска предвестников различных геодинамических явлений, в том числе землетрясений. Это объясняется тем, что они позволяют фактически непосредственно контролировать процесс изменения напряженного состояния и деформирования земной коры.

Для мониторинга медленных движений земной коры при изучении тектонических процессов и поиске возможных предвестников землетрясений используется большое количество методов, обеспечивающих измерения на разных масштабных уровнях. Интегральные характеристики перемещений литосферных плит и крупных блоков земной коры изучаются с помощью повторных геодезических съемок и светодальномерных измерений, методов космической геодезии. Поскольку неоднородные горные массивы характеризуются резкой неоднородностью деформаций и изменений физико-механических свойств горных пород, значительный интерес представляют изменения на малых базах. Для их проведения разработан ряд деформографов и наклономеров различных типов. К настоящему времени наибольшее распространение получили кварцевые деформографы. В этом случае базы измерений составляют, как правило, десятки метров, а между точками крепления кварцевой трубы могут находиться отдельные неоднородности и тектонические нарушения различной ориентации. Идеальной реализацией стремления осуществлять локальные наблюдения является, по-видимому, мониторинг смещений по отдельным тектоническим нарушениям и трещинам.

Перечисленные методы обеспечивают прямые измерения деформаций горных массивов. Однако объемное деформирование горных пород приводит и к изменениям уровня подземных вод, что послужило основанием для развития гидрогеодеформационного метода прогноза землетрясений.

Под прогнозом землетрясения обычно подразумевают предсказание энергии, места и времени его возникновения. Однако ограничение только этими параметрами ожидаемого сейсмического события изначально предполагает ориентацию на чисто эмпирический подход в исследованиях по прогнозу землетрясений. С методологической точки зрения уже сейчас необходимо в качестве одной из главнейших ставить задачу предсказания не только энергии, места и времени возникновения землетрясения, но и его фокального механизма. Для этого нужно пересмотреть требования к системам прогностических наблюдений и применяемым методам интерпретации данных, более целенаправленно изучать природу процессов в очаговых зонах. С практической точки зрения, предсказание фокального механизма землетрясения позволит более точно оценивать характер сильных движений земной поверхности в различных пунктах. Только на пути глубоких фундаментальных исследований природы тектонических сил и характера накапливаемых в регионе упругих деформаций можно ожидать реального продвижения вперед в решении столь сложной и важной проблемы, как прогноз землетрясений.

Экспериментальной основой таких исследований являются данные геодезических наблюдений, предоставляющие возможность слежения за развитием процесса накопления упругих деформаций в больших объемах земной коры. Они могут использоваться для определения размеров и пространственного положения зон с аномальным характером движений земной поверхности, оценок скоростей этих движений. Важность результатов повторных геодезических измерений для понимания процессов подготовки землетрясений была убедительно продемонстрирована еще в начале века, когда именно на их основе была разработана теория упругой отдачи Дж. Рейда. По мнению А.К. Певнева (1988 г.), основанному на результатах многочисленных полевых данных наблюдений, геодезические наблюдения являются единственным методом, способным обеспечить детерминированный прогноз места и энергии ожидаемых сильных коровых землетрясений. Он считает, что при накоплении сдвиговых деформаций появляется экспоненциальное распределение упругих смещений в породах сейсмогенного слоя, которое может быть измерено геодезическими методами.

Электромагнитные предвестники

Одним из возможных механизмов электризации горных пород при их деформировании и разрушении может быть пьезоэффект кварцсодержащих пород. Однако электромеханические явления наблюдаются и в горных породах, не обладающих пьезоэлектрическими свойствами.

Электризация возникает при неоднородном поле напряжений в образце, причем появление электрического поля и его изменения отражает наличие динамических процессов в очаге готовящегося разрушения независимо от характера развития механических напряжений в массиве горных пород.

Наблюдения за вариациями естественных электрических полей широко и весьма успешно используются для изучения напряженного состояния массивов в горных выработках. С помощью этого метода определяют расположение и размеры нарушенных зон массива и их развитие. При этом появление в некоторые моменты времени в массиве структурно-нарушенных участков четко отмечается по локальным изменениям электрического потенциала, что позволяет оценивать опасность возникновения горных ударов. Установленные общие закономерности и диапазон изменений потенциала в пределах зоны опорного давления применительно к различным породам позволили разработать автоматизированную систему оповещения об опасных проявлениях горного давления.

Таким образом, и в горных выработках метод измерения электрических полей оказывается информативным средством изучения изменений напряженного состояния массивов, что также находит применение в решении проблемы прогноза землетрясений.

Самые разрушительные землетрясения:

- в Китае в 1556 г. погибло 830 тысяч человек;

- в Италии в 1908 г. погибло 83 тысячи человек;

- в Китае в 1920 г. погибло 100 тысяч человек;

- в Японии в 1923 г. погибло 137 тысяч человек;

- в Ашхабаде в 1948 г. погибло 110 тысяч человек;

- в Таджикистане в 1949 г. погибло 20 тысяч человек;

- Тянь-шаньское в Китае 1976 г. погибло 255 тысяч человек;

- в Иране в 856 г. погибло 200 тысяч человек;

- в Сирии в 1138 г. погибло 230 тысяч человек.

Как измеряют силу подземных толчков

Простейший и наиболее распространенный способ оценки интенсивности землетрясения -- в сейсмических баллах. Баллы не являются физическими единицами и служат для определения силы подземных толчков и колебаний по внешним проявлениям: ощущениям людей, перемещению предметов, степени разрушения строений, изменению рельефа. Чаще всего для оценки землетрясения используется балльная шкала. Это означает, что зависимости от интенсивности все возможные землетрясения разбиты 12 рангов по нарастающей. (См. приложение 3)

Силу подземных толчков без присутствия свидетелей или все они погибли определяют по Шкале интенсивности, которую разработали сейсмологи, предусматривает разные случаи и разные признаки. Например, 10--12-балльные землетрясения оцениваются в основном по изменениям местности, а при 7--9-балльных больше сведений поступает о повреждениях и разрушениях домов, мостов и т. п. И только об умеренных и слабых землетрясениях обычно судят по поведению людей. (См. табл. 3)

Чтобы составить полную картину событий, лучше учитывать все группы признаков, ведь очевидцы преувеличивают силу землетрясения. Однако главный недостаток балльной шкалы интенсивности заключается в том, что инженеры и строители не могут ею пользоваться. Им нужны физические данные о колебаниях земной коры -- ускорение, амплитуда, спектр. Поэтому одновременно разрабатываются такие шкалы, в которых удаётся соединить оценки в баллах с физическими величинами, определяемыми с помощью приборов.

Таблица 3

Краткая характеристика результатов землетрясений и их оценка в баллах (по шкале МSK--64) (по Алексеенко В.А., 2005)

Интенсивность, баллы	Характеристика землетрясения	Внешний эффект
1	Незаметное	Колебание почвы отмечается приборами
2	Очень слабое	Ощущается в отдельных случаях людьми, находящимися в спокойном состоянии
3	Слабое	Колебания отмечаются немногими людьми
4	Умеренное	Отмечается многими людьми, возможно дребезжание стекол, колебанию предметов, посуды, скипу дверей и стен.
5	Довольно сильное	Качание висячих предметов, многие спящие просыпаются
6	Сильное	Легкие повреждения в зданиях, тонкие трещины на штукатурке
7	Очень сильное	Трещины в штукатурке и откалывание отдельных кусков, тонкие трещины в стенах
8	Разрушительное	Большие трещины в стенах, падение карнизов, дымовых труб. Трещины на кpутых склонах и на сырой почве. Памятники сдвигаются с места или опрокидываются. Строения сильно повреждаются.
9	Опустошительное	Обвалы в некоторых зданиях: обрушение стен, перекрытий, кровли
10	Уничтожающее	Обвалы во многих зданиях. Трещины в грунтах до 1 м шириной. Оползни и обвалы. Разрушение каменных построек. Искривление ж/д рельсов.
11	Катастрофа	Многочисленные трещины на поверхности Земли, большие обвалы в горах. Каменные дома совершенно pазpушаются.
12	Сильная катастрофа	Изменение рельефа и почвы в больших размерах. Многочисленные трещины, обвалы и оползни. Возникновение водопадов, подпруд на озерах, отклонение течения pек. Ни одно сооружение не выдерживает.

Землетрясения большой силы происходили во все века. В частности, есть довольно детальные документальные данные о землетрясении в Китае в 1556 г. - 830 000 убитых; в Португалии в 1755 г. полностью уничтожена треть Лиссабона, 60 000 погибших. В районе Верного (ныне Алма-Аты) в 1887 г. за 15 минут были разрушены до основания сам город и ряд селений, расположенных в десятках километров от него. Из многочисленных провалов и трещин до метра шириной (они отмечались на расстоянии до 15 км от города) высоко вылетали струи воды. Это землетрясение распространилось не менее чем на 400 км по радиусу от Верного, вызвав оползни в горах, образование новых озер, гибель многих людей и скота.

В 1976 г. произошло сильное землетрясение в Китае (провинция Таншань). С лица Земли были стерты город с миллионным населением и ближайшие поселки. Погибло 650 000 человек и более 700 000 получили ранения.

По подсчетам сейсмологов, землетрясения привели в сумме к гибели более 13 млн. человек. По мере развития цивилизации и концентрирования населения в крупных городах последствия землетрясений становятся все более ужасными: гибнут люди, рушатся здания, рвутся самые различные трубопроводы. Прогнозировать точно время, место и интенсивность землетрясений пока невозможно, поэтому в сейсмоопасных районах просто необходимо проведение ряда мероприятий для защиты от трагических последствий землетрясений.

Во-первых, целесообразно составлять карты изосейст. Для этого интенсивности землетрясений, определенные в каждом пункте, наносятся на карту и по ним проводятся изосейсты - линии, разделяющие участки с разной интенсивностью. Главная ценность такой карты в том, что она привлекает внимание к участкам с недостаточно прочными постройками, особенно при плохих грунтах основания. Это должно уменьшать разрушительные последствия будущих землетрясений.

Во-вторых, обязательно обеспечивать сейсмостойкость построек. Особое внимание следует уделять предприятиям, аварии на которых могут привести к выбросам отравляющих веществ. По данным американских специалистов, стоимость строительства сейсмостойких сооружений возрастает менее чем на 10%, если все учесть на стадии проектирования.

В-третьих, учитывать, что при выборе строительных конструкций наиболее безопасны те, которые способны двигаться как единое целое, т.е. так, чтобы отдельные их части не ударялись друг о друга.

В-четвертых, не возводить постройки на неустойчивых грунтах: лучшим основанием для крупных построек оказываются скальные выходы коренных горных пород, не имеющие разрывных нарушений.

В-пятых, учитывать различный уровень риска, для чего создавать карты сейсмической опасности с конкретными особенностями геологической ситуации.

В-шестых, привести ныне существующие постройки в соответствие со стандартами сейсмостойкости, что является серьезной проблемой.

В-седьмых, составлять планы мероприятий по смягчению последствий подземных толчков.

Чем отличается балл от магнитуды

В средствах массовой информации часто появляются подобные сообщения: «Вчера в 17 часов 30 минут по местному времени произошло сильное землетрясение на Филиппинах. Сила землетрясения составила 6,5 балла по шкале Рихтера. Имеются жертвы и разрушения». В такой информации есть явная путаница. Дело в том, что крупнейший американский сейсмолог Чарлз Рихтер разработал в 1935 г. классификацию землетрясений, основанную на оценке энергии, выделяющейся в очаге. Ведь для того чтобы получить объективную информацию о каком-либо землетрясении и других процессах, происходящих в глубоких оболочках Земли, нужны не приблизительные оценки в баллах, а точные -- в физических единицах. В первой половине XX столетия сейсмологи научились определять энергию землетрясения, выделившуюся в его очаге, как бы глубоко и далеко он ни находился. Рихтер для удобства использовал не собственно величины колебаний, которые записываются на ленте сейсмографа, а их десятичные логарифмы. Получилась шкала с градацией от 1 до 9- Условная единица этой шкалы называется магнитудой (от лат. magnitude --«величина»). Шкала быстро нашла применение у сейсмологов. Только важно помнить, что магнитуда -- это не сама энергия землетрясения, а величина, пропорциональная ей.

Находится в пределах от 0 до 9,0 и рассчитывается через амплитуду поверхностной волны Zm (мкм) и расстояния R (км) до эпицентра по формуле:

М = lg Zm + 1,32 *lg R.

Теперь, если где-нибудь в глубинах Тихого океана или в азиатских пустынях произойдёт сильное землетрясение, через полчаса - час сейсмологи во многих странах мира уже будут знать его магнитуду. Поскольку существует тесная связь между магнитудой, глубиной очага и интенсивностью в баллах, то эти параметры также можно оценить теоретически, не выходя из кабинета. Но именно оценить, а не установить, так как отклонения на месте события могут оказаться довольно значительными.

Степень разрушений зависит и от того, на какой глубине возникли толчки. Например, Ташкентское землетрясение имело магнитуду 5,3, а его очаг находился на глубине всего 5-- 8 км. Это вызвало сотрясения в 8 баллов, и центральная часть города была разрушена. Если бы при той же магнитуде очаг землетрясения оказался на глубине 15--25 км, единственным его последствием стала бы лёгкая паника среди жителей.

При увеличении магнитуды всего лишь на единицу энергия землетрясения возрастает в 30 раз. Поэтому во время подземных толчков в Рачинске (Грузия, 1991 г.) с магнитудой 7,1 энергии выделилась в 900 раз больше, чем в Ташкенте, хотя сила их была одинаковой -- 8 баллов.

Выделяющаяся во время землетрясения энергия измеряется в эргах (от греч. «эргон» -- «работа»; 1 эрг =10-7 Дж). Самое слабое землетрясение, которое могут зарегистрировать сейсмографы, даёт 2-Ю4 эрг; едва ощутимое людьми с магнитудой около 3 высвобождает энергию 2-1010 эрг. Разрушительное землетрясение с магнитудой порядка 7, подобное Спитакскому, излучает 2-1015 эрг. А энергия самого крупного из зарегистрированных приборами землетрясений с магнитудой 8,9 была равна 2-Ю18 эрг. Вот какую энергию выделяет Земля, всего лишь ослабляя напряжения в своей каменной оболочке!

Спитак

7 декабря 1988 года весь мир узнал о страшной трагедии, когда был разрушен целый город, а под его развалинами погибли десятки тысяч жителей.

В развалины полностью обратился город Спитак, наполовину разрушился Ленинакан и Кировакан и другие города и села Армении.

Землетрясение 1988г. нанесло большой урон экономике республики. Оно охватило более 40% территории республики. Пострадал 21 город и район, 342 деревни, 58 из которых полностью были разрушены.

Армянское нагорье имеет более чем 600 больших и малых вулканических центра, оно является одним из сейсмоактивных центров земли, то есть здесь очень часты землетрясения. За последние 1500 лет на Армянском нагорье произошло более 300 землетрясений.

Многие помнят, какое мощное движение было развернуто по оказанию помощи пострадавшим. Все республики, входившие в состав Советского союза, откликнулись на беду, направляя на место трагедии людей, технику, все необходимое. Ежегодно 7 декабря в Армении поминают жертв землетрясения 1988 года. См. приложение 2

Нефтегорск

В ряду сравнительно недавних мощных землетрясений можно назвать и катастрофу в Нефтегорске на Сахалине. Прежде этот небольшой город, как и тысячи ему подобных, был известен очень немногим. После страшной ночи на 28 мая 1995 г. о нём узнала практически вся страна.

В ту ночь на Северном Сахалине 9-балльное землетрясение. Нефтегорск оказался ближайшим к эпицентру населённым пунктом и попал в 8-- 9-балльную зону. Погибло около 2 тыс. человек, ущерб составил триллионы рублей.

Раньше на карте сейсмического районирования город помешали в зону 7-балльных сотрясений, поскольку более сильных толчков там не отмечалось и не прогнозировалось. Это была ошибка сейсмологов. Теперь, после специальных палеосейсмогеологических исследований на севере Сахалина, установлено, что землетрясения, подобные нефтегорскому, происходили там и прежде -- с интервалом в несколько сот лет. Но ошибки допускали и строители. Большинство разрушенных в Нефтегорске домов не выдержало бы и менее сильных толчков: их строили вообще безо всяких антисейсмических приёмов, вопреки законам.

Столь мощных землетрясений и с такими жестокими последствиями в России давно уже не было. Поэтому ему уделили особое внимание, в том числе при проведении спасательных и восстановительных работ, при выработке рекомендаций на будущее.

Широко распространено мнение, что в последние годы землетрясений и связанных с ними несчастий стало больше. О тяжёлых последствиях слышно всё чаше, но совсем не потому, что растёт число землетрясений или они становятся сильнее. Если бы точно такое же землетрясение произошло на Сахалине, например, в начале XX в., его, скорее всего, заметили бы только рыбаки, моряки да случайные охотники.

В наши дни род человеческий расселился по всей планете, но быстрое освоение территорий не всегда сопровождается соответствующими защитными мероприятиями, многие постройки и коммуникации уязвимы, действия сил моментального реагирования на опасность недостаточно отработаны или не выполняются в нужный момент. Именно поэтому люди, особенно в развивающихся и экономически слабых странах, всё чаше становятся жертвами разбушевавшихся стихий, не всегда могут им противостоять, не успевают выработать и использовать меры предупреждения и борьбы со стихийными бедствиями.

Последствия землетрясения на Сахалине 1995 г. Город Нефтегорск практически перестал существовать.

Сверимся с картой

Среди всех известных карт -- физических, политико-административных, карт минеральных ресурсов -- есть и такие, которые составляют сейсмологи. Это карты эпицентров землетрясений, сейсмической активности, выделенной сейсмической энергии и др. Самая важная из них -- карта сейсмического районирования. Её утверждают как государственный документ, и она становится законом для проектировщиков и строителей.

Такие карты начали составлять ещё в первой половине XX столетия. На них показывали зоны балльности, т. е. области, в которых интенсивность сотрясений на поверхности была одинаковой. Сначала отмечали только те районы, где уже произошли сильные землетрясения. Учёные полагали, что равные по силе толчки могут здесь повториться. Но мощные подземные колебания наблюдались и в других местах.

Тогда на картах стали выделять сравнительно однородные геологические зоны, где и землетрясения ожидались примерно одинаковой силы. Однако и это не избавляло от ошибок в прогнозировании. Сильные землетрясения время от времени случались совсем не в той зоне, в которой они считались наиболее вероятными. Например, такие разрушительные землетрясения, как Спитакское в Армении (1988 г.), Корякское на Дальнем Востоке (1990 г.), Зайсанское в Казахстане (1990 г.), Рачинское на Кавказе (1991 г.), наконец, Нефтегорское на Сахалине (1995 г.), произошли в местах, где карта сейсмического районирования СССР, утверждённая в 1980 г., предусматривала в качестве максимальных сотрясения на 1,5-- 2 балла ниже.

Что же делать? Учиться на ошибках можно до бесконечности. И в 1991 г. российские сейсмологи взялись за решение проблемы иначе. Раньше на карте отмечали зоны максимально возможной балльности и указывали, как часто подобные события могут здесь повторяться (с периодичностью от 100 до нескольких тысяч лет). А теперь решили сделать карту, которая отвечала бы на вопрос: какова вероятность того, что в данной зоне балльности в ближайшие 50 лет случится более сильное землетрясение?