Количественные параметры интенсивности колебаний

 

Интенсивность, балл	Интервалы максимальных ускорений грунта, см/с^2, при периоде 0,1 с и более	Интервалы максимальных скоростей колебаний грунта, см/с	Интервалы максимальных смещений центра тяжести маятника сейсмометра, мм
	30-60	3,0-6	1,5-3
	61-120	6,1-12	3,1-6
	121-240	12,1-24	6,1-12
	241-480	24,1-48	12,1-24

приобретает применение комплексного подхода к решению задач. Здесь развитие идет по следующим направлениям:

1. Построение алгоритмов и программ для идентификации сейсмических явлений (надо отметить, что выделение записи землетрясения из общей массы сейсмических событий - взрывов и техногенных помех - задача подчасдостаточно сложная, и, учитывая большие объемы получаемых сейсмологических материалов, целесообразно максимально формализовать подход к идентификации сейсмических событий).

2. Разработка систем невзрывного возбуждения и приема упругих волн для просвечивания отдельных массивов земной коры не только в наземном, но и в скважинном вариантах.

3. Применение лазерной техники и систем GPS при инструментальном измерении величины деформаций.

4. Исследование изменений несейсмических полей - теплового, электромагнитного, гравитационного.

5. Развитие геохимических и гидрогазохимических методов применительно к изучению изменений концентраций подземных газов, гидро-геодеформационного поля (или, говоря по другому - колебания уровня подземных вод). Эти методы позволяют, также, как и изучение геофизических полей, выходить на прогноз времени возникновения землетрясений и помогают при картировании разломных зон.

6. Развитие геологических методов изучения сейсмичности, например, тектонофизических представлений, палеоструктурного и других видов анализа. Это дает возможность провести реконструкции палеосейсмодислокаций, уточнить координаты исторических землетрясений и прогнозировать места возникновения новых.

С годами своего развития, сейсмология стала использовать широкий спектр разнообразных геолого-геофизических методов для прогнозирования землетрясений. В свою очередь, задачи, решаемые сейсмологией перестали ограничиваться лишь изучением собственно землетрясений. Теперь данные о землетрясениях используются также для изучения глубинного строения и прогноза месторождений полезных ископаемых. Хотя, конечно же, прогноз землетрясений - остается главной задачей сейсмологии.

Мы уже говорили, что землетрясения бывают естественной и искусственной природы. Кроме того, землетрясения классифицируются по эпицентральному расстоянию и подразделяются на удаленные (при расстоянии до точки наблюдения более 1000 км), близкие (расстояние от 100 до 1000 км) и местные (до 100 км).

Землетрясения с глубиной очага h < 70 км принято считать неглубокофокусными, или неглубокими; при глубине очага 70< h >300 км землетрясения считаются промежуточными, а при h >300 км - глубокофокусными, или глубокими.

Местные и близкие неглубокие землетрясения характеризуются небольшой длительностью эффективной фазы колебаний грунта и их

высокочастотным составом. При местных и близких землетрясениях наблюдаются, как правило, волны, распространяющиеся в земной коре.

Для местного землетрясения характерно наличие трех основных типов волн - прямых продольных Р, поперечных S и поверхностных L и R (рис.3). Р-волны имеют обычно четкое начало колебаний с довольно высокой частотой. S-волны существенно превышают по интенсивности Р-волны и являются более низкочастотными. Для близких землетрясений волны Р и S также отчетливо выражены на высокочастотных записях. Практически выделение фаз состоит в отыскании первого вступления Р-волн и начала группы на записях, которая соответствует волнам S.

Удаленные землетрясения отличаются от местных и близких более сложной волновой картиной (рис.4). Кроме перечисленных видов волн на записи присутствуют различные производные колебания от P- и S-волн, в частности – обменные волны. Записи удаленных землетрясений характеризуются достаточно продолжительной длительностью и низкочастотными колебаниями грунта.

В прошедшие века сделано много попыток предсказать землетрясение; большинство попыток были безуспешными. Наибольшей известностью пользуется предсказание времени и места землетрясения. Однако, существует и другой вид прогноза - это оценка интенсивности сейсмических сотрясений в отдельном районе. Этот фактор имеет большое значение при выборе участков для строительства объектов жилого назначения и, в первую очередь, объектов повышенной ответственности, таких, как плотины, ядерные реакторы, выборе мест захоронения токсических отходов и т.п. В этом параграфе рассматривается прогноз времени и места возникновения землетрясения, а к оценке интенсивности мы вернемся позже.

Существует три вида прогноза времени землетрясения: долгосрочный, среднесрочный и краткосрочный. Долгосрочный прогноз охватывает промежуток времени в годы и даже десятки лет. Среднесрочный - месяцы. Краткосрочный прогноз делается на период от нескольких дней до нескольких минут. В таблице 3 приводится список предвестников землетрясений. Конечно, надежность прогноза обусловливается использованием максимального количества предвестников. К сожалению, на практике мы редко имеем достаточный набор перечисленных признаков. И это связано не только с отсутствием аппаратуры для оценки изменения того или иного параметра, но и с необходимостью накопления достаточных статистических данных для определения характера изменения этих параметров, отличных для разных физико-геологических условий.

Как видно из таблицы 3, все типы предвестников подразделяются на геофизические, гидродинамические, геохимические и биологические. Геофизические и, в первую очередь, физико-механические предвестники наиболее тесно связаны с подготовкой землетрясений. Основными из этих предвестников являются изменения наклонов и деформаций земной поверхности, а также физико-механических свойств пород в области, прилегающей к очагу. Деформации поверхности связаны с деформационным расширением объема

горных пород при нарастании напряжений. Здесь следует отметить, что прогностическая значимость этого признака имеет наибольшее значение для землетрясений с магнитудой более 5 при относительно неглубоком очаге. Предвестник начинает проявляться за несколько лет до землетрясения.

Одними из наиболее распространенных сейсмических предвестников являются изменение скоростей P и S- волн и их отношение (Vp/Vs). По данным наблюдений в Китае, Японии, Таджикистане за несколько лет до сильного землетрясения происходит уменьшение значений соотношения Vp/Vs в ряде случаев на величину до 18%. Наряду с вариациями скоростей P и S- волн в период подготовки землетрясения меняются и другие характеристики сейсмической записи. В частности, за 2-5 месяцев до землетрясения уменьшается отношение длительности колебаний на вертикальной составляющей записи к горизонтальной. За несколько суток до землетрясения величина этого отношения резко возрастает.

Сейсмологические предвестники основаны на изучении пространственно-временного и энергетического распределения мелких очагов землетрясений. Выявлено, что относительно сильному землетрясению предшествует период сейсмического затишья. При этом продолжительность периода затишья возрастает с увеличением магнитуды следующего за затишьем землетрясения. Эта зависимость имеет вид lg T = 0,77 M - 1,65.

Вариации теплового поля свидетельствуют о наличии геодинамической активности. Следовательно, изменение теплового потока является одним из прогностических признаков.

Под воздействием растягивающих и сжимающих напряжений происходит изменение плотности горных пород. Это является физической предпосылкой использования гравитационных предвестников. Перед землетрясением наблюдается понижение значений силы тяжести.

Основой для использования электромагнитных предвестников служит возникновение диффузионных потоков в зоны микротрещиноватости, образующиеся вследствие релаксации напряжений. В процессе диффузии могут возникать электрические поля с величинами более 100 В/бар и до 200 А. При этом направление магнитного поля определяется направлением диффузии жидкости, что может позволить точнее локализовать очаг землетрясения. Также изменяется кажущееся сопротивление пород, что обусловлено миграцией минерализованных пластовых вод в зону подготовки землетрясения. Аномальные изменения электротелурического поля могут происходить за 1 - 2 недели до землетрясения.

Гидродинамические и геохимические предвестники связаны с флюидом, заполняющим поры в горных породах. Эти предвестники выявляются на основе режимных наблюдений за изменением уровня подземных вод и их минерализации, концентрацией определенных химических элементов и газов. В случае, когда исследуемый водоносный горизонт подвергается сжимающим напряжениям, в период подготовки землетрясения происходит подъем уровня грунтовых вод; если действуют растягивающие напряжения, то перед землетрясением уровень подземных вод падает. Время возникновения предвестника зависит от расстояния до эпицентра, магнитуды и особенностей глубинного строения региона. Например, для сильных землетрясений сейсмоактивных областей (в частности, Северный Кавказ и Киргизия) за 10-30 дней до землетрясения наблюдается резкое увеличение дебитов в результате роста пластового давления за счет увеличения напряжений в горных породах. Затем, за 1-3 дня до землетрясения уровень вод падает из-за увеличения тектнической трещиноватости и, как следствие, интенсивного перетока в перекрывающие породы. То же самое отмечается не только с подземными водами, но и с углеводородными флюидами. Высокой информативностью при изучении сейсмичности недр обладают измерения концентраций во времени таких элементов, как радон, гелий, фтор, водород, аргон. В период, предшествующий землетрясению, концентрации этих элементов многократно возрастают. Непосредственно перед сильным землетрясением молекулярный водород из подземных вод исчезает. Информацию о готовящемся землетрясении несет в себе изменение химического состава вод: в них увеличивается содержание хлоридов щелочных металлов, увеличивается общая минерализация. Это связано с вертикальной миграцией вод, имеющих повышенную минерализацию. Также предвестником землетрясения служит изменение изотопных отношений урана и других радиоактивных элементов.

В области биологических предвестников имеются многочисленные свидетельства необычного поведения животных перед сильными землетрясениями. Домашние животные, как правило, стремятся покинуть жилища. Выделено 58 видов домашних и диких животных, обнаруживающих аномалии в своем поведении перед землетрясением. В Китае зарегистрировано более 3000 таких случаев. С ростом энергии землетрясения возрастает число случаев необычного поведения животных перед ним. Максимальное количество аномалий в поведении животных приходится на 3-10 сутки и за 8-24 часа до землетрясения. Более чем за 100 суток аномалий в поведении животных не отмечено.

Можно проследить некоторые общие закономерности в предвестниках землетрясений. В большинстве предвестников (за исключением биологических) время их проявления прямо зависит от магнитуды. В биологических предвестниках магнитуда коррелируется с количеством животных, реагирующих на приближение землетрясения.

Площадь распространения предвестников также прямо зависит от магнитуды в большинстве случаев.

Изменение каждого геофизического, геохимического, гидродинамического или биологического показателя отражает часть изменения термодинамической обстановки в зоне, окружающей очаг будущего землетрясения. Поэтому, для случая, когда за внешнюю термодинамическую силу принят градиент давления, обстановка в целом может быть описана, исходя из законов термодинамики необратимых процессов, следующим математическим выражением.

 

 

где - соответственно потоки тепла, вещества, акустической и электрической энергий; y_ik – множители при градиенте потенциалов, зависящие от тепловых, массопроводных, акустических и электропроводящих свойств среды; ÑТ - градиент температуры, ÑU - градиент массосодержания, ÑР - градиент давления, ÑF_а - градиент акустической энергии, Ñj - градиент электрического потенциала.

Приведенные уравнения иллюстрируют жесткую взаимосвязь законов распространения сейсмоакустических полей с полями градиентов давления, температуры, насыщенности и электрического потенциала. Видна связь названных полей с полем градиентов химического потенциала.

Исходя из полученных результатов, становится очевидной общая природа всех предвестников землетрясений. Например, изменение концентрации газов можно объяснить тем, что под действием знакопеременных полей напряжений происходит усиленное выделение газа в свободную фазу, увеличивается проницаемость горных пород.

 

Сила землетрясения зависит от высвободившейся энергии упругих деформаций в очаге, глубины и расстояния до эпицентра. Сейсмическую энергию определяют по уровню амплитуд сейсмических колебаний. Первые исследования такого рода были предприняты Б.Б.Голициным, а первая шкала классификации была предложена в 1935 г. Ч.Рихтером. Мера сейсмической энергии в очаге получила название магнитуда. Существуют магнитудные шкалы трех основных типов – локальных магнитуд (M_L), по поверхностным волнам с периодом около 20 с (M_LH) и для объемных волн типа PS (m_PV).

В шкале локальных магнитуд за магнитуду толчка принимается логарифм максимальной амплитуды по записи стандартного сейсмографа на эпицентральном расстоянии 100 км. Для оценки магнитуд на других расстояниях вводятся поправки в соответствии с калибровочной кривой. Шкала локальных магнитуд используется в США при изучении местных землетрясений.

Магнитуда по поверхностным волнам, получившая наибольшее распространение, используется для классификации удаленных землетрясений. Т.к. амплитуда поверхностных волн зависит не только от энергии землетрясений, но и от глубины очага, вводится поправка по формуле:

DM = 0,01 h – 0,2,

где h – глубина.

При классификации землетрясений по объемным волнам вместо амплитуды используется максимальное значение отношения амплитуды к соответствующему видимому периоду колебаний:

m_PV = lg(A/T)_max + d(D, h) + ådm_PV,

где А – максимальная амплитуда смещения почвы в микронах; Т - соответствующий период в секундах; d(D, h) – калибровочная функция, выражающая изменение величины lg(A/T)_max с расстоянием и глубиной очага, и соответствующая нулевой магнитуде; ådm_PV – сумма поправок за счет расположения очага и станции, механизма очага землетрясения и др. (в повседневной практике ее обычно принимают равной нулю или вводят станционные или региональные поправки).

Магнитуда по объемным волнам может рассчитываться по вертикальной, по одной из горизонтальных составляющих записи сейсмограммы или по записям обеих составляющих в один и тот же момент времени с вычислением (в последнем случае) полного горизонтального вектора смещения почвы. Связь между магнитудой по вертикальной составляющей и магнитудой по обеим горизонтальным составляющим выражается формулой:

m_PV =2,5 + 0,63 m_PH,

где m_PV – магнитуда, вычисленная по вертикальной составляющей сейсмограммы; m_PH – магнитуда, вычисленная по обеим составляющим сейсмограммы.

Между локальной магнитудой, магнитудой по поверхностным волнам и магнитудой по объемным волнам существуют различия. Для сильных толчков разница между M_L и M_LH незначительна, но при М <5 оценки по записям на больших расстояниях могут быть занижены в два раза. При работе со шкалой магнитуд по поверхностным волнам возникают две трудности. Во-первых, глубокофокусные толчки не порождают таких волн; во-вторых, их амплитуды значительно уменьшаются в тех случаях, когда их путь до регистрирующей станции осложнен неоднородностью строения земной коры. Магнитуда по объемным волнам позволяет более корректно решать задачу оценки энергии упругих колебаний для далеких землетрясений. Для землетрясений с М<5 магнитуда по объемным волнам несколько ниже локальной магнитуды; для М=6,6 сходимость шкал достаточно близкая; для больших значений магнитуда по объемным волнам становится все меньше по сравнению с локальной магнитудой; толчок с магнитудой 8 по объемным волнам будет соответствовать 8,7 по шкале локальных магнитуд.

Хотя магнитуда землетрясения связана с его полной энергией, связь эта не вполне прямая, т.к. используется логарифмическая шкала. С увеличением магнитуды на единицу энергия возрастает в 27 раз.Следовательно, при толчке с М =6 высвобождается в 27 раз больше энергии, чем при М =5 и в 27*27=729 раз больше, чем при М =4.

Слабых землетрясений гораздо больше, чем сильных. В интервале М от 2 до 8 с каждым уменьшением магнитуды на единицу число толчков возрастает примерно в 8 раз. Во всем мире ежегодно происходит около 20 землетрясений с М >7, примерно 1000 с М >5 и свыше 100 000 ощутимых толчков вообще.

Существует верхний предел силы землетрясения, который обусловлен прочностью пород, ограничивающей возможность накопления упругой энергии. Максимальная магнитуда зарегистрированного землетрясения составила 8,9. Минимальные регистрируемые сейсмографами магнитуды могут иметь значения менее 2. В таких случаях выделяется столько же энергии, как при падении кирпича с высоты стола на землю. Вообще говоря, для того, чтобы вблизи источника сейсмических волн возникли серьезные разрушения, магнитуда неглубокого землетрясения должна быть не менее 5,5.

Вместо магнитуды при изучении сейсмичности может использоваться величина, называемая энергетическим классом землетрясения, представляющим собой логарифм энергии сейсмических волн на расстоянии 10 км от гипоцентра:

K = lgE.

Оценка энергетического класса, так же как и оценка магнитуды, производится на основании измеренных максимальных амплитуд и калибровочной кривой, учитывающей затухание амплитуд с расстоянием. Отличие шкалы классов от шкалы магнитуд заключается только в выборе шага. По типу используемых волн и диапазону эпицентральных расстояний шкала классов соответствует шкале локальных магнитуд.

Связь между магнитудой и энергетическим классом приближенно выражается формулой:

К = 4 + 1,8 М.

Глубина очага оказывает непосредственное влияние на вид изосейст и характеристики колебаний, возникающих на Земной поверхности. Неглубокий толчок может ощущаться на небольшой территории как сильный, но на больших расстояниях его последствия незаметны; от глубокого толчка происходят более умеренные сотрясения, но на гораздо большей площади. С увеличением глубины очага уменьшается доля высокочастотной составляющей сейсмических колебаний, происходящих на поверхности, а для глубокофокусных землетрясений изменяется и состав волн, регистрируемых на поверхности.

С увеличением эпицентрального расстояния также происходит изменение частотного спектра на сейсмической записи с уменьшением доли высокочастотной составляющей.

Зная магнитуду, глубину очага и расстояние до эпицентра, можно судить о его последствиях в конкретной точке территории. Однако, одно и то же количество энергии высвобождается по-разному. Оно может накопиться в виде высоких напряжений в пределах небольшого участка или в виде меньших напряжений на большей площади. От этого зависит спектр сейсмических волн, т.е. доля энергии, приходящейся на ту или иную частоту. Характеристика, связанная с величиной сброшенного напряжения, количеством движения по разлому и отображающая геометрию очага землетрясения, называется сейсмическим моментом:

М₀ = mSD,

где m - модуль сдвига, S – площадь разрыва, D – смещение по разрыву.

Главными параметрами собственно землетрясения (с точки зрения степени воздействия на здания и сооружения) являются: интенсивность землетрясения, его спектральный состав и длительность эффективной фазы колебаний. Интенсивность землетрясения в данном случае оценивается динамическими параметрами колебаний грунта - величинами смещений, скоростей и ускорений колебаний почвы. Пользуясь соотношениями между интенсивностью в баллах и динамическими параметрами можно оценить интенсивность землетрясения на данном участке наблюдения. Длительность эффективной фазы колебаний грунта измеряется от момента вступления продольной Р-волны tp до уменьшения максимальной амплитуды в 3-5 раз, или до того момента, когда амплитуды уже не будут превышать уровня двойной амплитуды помех. Спектральный состав и длительность колебаний грунта во многом определяются типом землетрясения.