6.5 Землетруси

Землетрус - це високочастотне в геологічному відношенні коливання земної кори, внаслідок якого виникають сейсми (грецьк. "сейсмос" – струс).

Щорічно на земній кулі відбувається більше мільйона землетрусів різної сили, в тому числі 100 тис. відчутних, 100 руйнівних та один катастрофічний. На сьогодні більше половини людства мешкає в зонах, де відбуваються землетруси, і якщо до 1976 р. при землетрусах на земній кулі з початку нашого століття щорічно гинуло 10 тис. чол., то за наступні 10 років землетруси внесли у цю моторошну середню статистику суттєві корективи, більш ніж подвоївши кількість жертв. За оцінкою сейсмологів за останні 4 тис. років від землетрусів загинуло понад 13 млн. чол., у тому числі - з часу ашхабадського землетрусу 1948 р. до наших днів у різних країнах світу від підземної стихії загинуло більше мільйона чол. Найбільш жахливі землетруси за кількістю жертв наведені в таблиці 6.1 (А. Аллісон, Д. Палмер).

Рисунок 6.11 - Рух континентів:

а - початок розпаду Пангеї (кінець тріасу, 180 млн. років тому); б - реконструкція лиця Землі під кінець крейдового періоду (65 млн. років тому)

За своєю природою землетруси можуть бути вулканічними, обвальними та тектонічними.

Вулканічні землетруси пов'язані з виверженням вулканів і приурочені до вулканічних поясів. Понад двох третин діючих та згаслих вулканів зосереджені в острівних дугах навколо Тихого океану або на континентальній стороні межі між плитами. Решта вулканів пов'язана з серединно-океанічними хребтами. Вулканічні землетруси слабосилі і носять локальний характер.

Рисунок 6.12 - Лице Землі через 50 млн. років. Стрілками показано напрям руху континентів

Таблиця 6.1 - Наслідки землетрусів минулого

Рік	Місце	Магнітуда	Примітки
1556	Провінція Шенсі (Китай)	-	830 тис. вбитих (оцінка)
1755	Лісабон (Португалія)	-	Знищена третина Лісабона, коливання відчувались на сході Північної Америки, загинуло 60 тис. чол.
1897	Ассам (Індія)	8,7	Область руйнувань – 390 тис. км.
1923	Токіо (Японія)	8,1	254 тис. будинків зруйновано або пошкоджено; І40 тис. загиблих.
1970	Чімботе (Перу)	7,8	Грязьо-камінна лавина схоронила 2 міста: загинуло 17 тис. чол.
1976	Таншань (Китай)	8,2	Загинуло 650 тис. чол. (оцінка), поранено 700 тис. чол.

Обвальні землетруси обумовлені обвалами гірських порід, які залягають над порожнечами, що утворились у земній корі. Частіше вони зустрічаються в породах, які розчиняються підземними водами (кам'яна сіль, гіпс, вапняк та ін.).

Вони утворюються також при розробці корисних копалин. Незважаючи на те, що порожнечі часто досягають великих розмірів, обвальні землетруси, як і вулканічні, відносяться до числа слабких.

Точка в земній корі, в якій виникає поштовх, називається гіпоцентром або фокусом землетрусу. Глибина залягання гіпоцентра змінюється в широких межах. У залежності від глибини його розташування виділяють землетруси поверхневі (до 10 км), нормальні (10- 70 км), проміжні (70-300 км) та глибоко фокусні (300-720 км). Проекція гіпоцентра на поверхню Землі за земним радіусом називається епіцентром. У тих випадках, коли епіцентр знаходиться на дні моря, це явище називають моретрусом.

Від епіцентру розповсюджуються два види хвиль: поздовжні та поперечні. Поздовжні хвилі викликають вертикальне переміщення частинок, а поперечні зсувають частинки твердої речовини Землі, при цьому змінюється тільки форма, а не об'єм. Ці хвилі не проходять через гази та рідини, оскільки тільки твердим речовинам властива міцність на зсув.

Найбільшою руйнівною силою відзначаються тектонічні землетруси. Доказано, що вони виникають у результаті деформації міцної літосфери, коли під впливом прикладених до неї напружень границя міцності виявляється перевищеною і літосфера розколюється, катастрофічно звільняючи велику кількість енергії.

Переважна більшість неглибоких (мілко фокусних) землетрусів розташовується уздовж осьової лінії серединно-океанічиих хребтів, а глибокофокусні землетруси приурочені до глибоководних океанічних жолобів, острівних дуг та молодих гірських систем (рис. 6.13).

Рисунок 6.13 - Карта сейсмічності Землі. Крапками показані епіцентри

землетрусів

Як показали сейсмологічні дослідження, під глибоководними жолобами з боку океану гіпоцентри землетрусів лежать на глибині 70 - 80 км, а в напрямку до континенту їх глибина поступово збільшується до 700 км. Лінія, яка з'єднує гіпоцентри землетрусів, круто падає униз під кутом 45⁰ від глибоководного жолоба в сторону материка. Це пов'язується з існуванням тут похилого глибинного розлому, який іде під материк. Припускається, що саме тут уздовж його поверхні пластина океанічної кори занурюється в мантію до глибини 700 км. При насуванні однієї плити на іншу, яка занурюється в астеносферу, уздовж контактної площини накопичується пружна сейсмічна енергія. Вона звільняється під час землетрусів, які супроводжують насування.

Сила землетрусу оцінюється в балах. У нашій країні прийнята 12-бальна шкала, в основу якої покладене прискорення коливань під час землетрусу

,                                             (6.1)

де   - прискорення коливань, м/с²;

А - амплітуда коливань, м;

Т - період коливань, с.

Так, при значенні  до 2,5 м/с² - 1 бал; 2,51 ÷ 5 мм/с² – 2 бали; 5,1 ÷  10 мм/с² – 3 бали; 50 ÷ 100 мм/с² – 6 балів; 0,25 ÷  0,5 м/с² – 8 балів; 1,01 ÷  2,5 м/с² – 10 балів;  більше 5 м/с² - 12 балів.

За кордоном розповсюджена так звана шкала Ріхтера, де сила землетрусу визначається за його енергією в ергах, яка обчислюється за амплітудою сейсмічних хвиль і називається магнітудою. Магнітуду визначають у залежності від величини амплітуди коливань грунту та відстані до епіцентру. Наприклад, при амплітуді 2 см і відстані 100 км М = 7. Максимальне значення - 9 балів.

Знаючи один із основних параметрів землетрусу – інтенсивність (бальність) або магнітуду, можна визначити інший, оскільки існує наближена формула, яка зв'язує інтенсивність (І) з магнітудою землетрусу

І = 1,7М - 2,2.                                 (6.2)

На базі багаторічних досліджень сейсмічних явищ розроблені візуальні характеристики землетрусів, які основані на їх сприйманні та видимих наслідках. Відповідно до цих характеристик будівлі, які зведені без необхідних антисейсмічних заходів розподілені на 4 групи: А - будинки зі стінами глинобитними, з цегли-сирцю, саману; Б - цегляні та кам’яні будинки; В - крупноблочні та крупнопанельні будинки; Г - дерев'яні будинки (табл. 6.2).

Встановлені також характеристики ступенів пошкодження та руйнування споруд: 1) легкі пошкодження - тонкі тріщини в штукатурці, на кладці печей і т.і.; 2) значні пошкодження - відколювання кусків штукатурки, тонкі тріщини в стінах, пошкодження димових труб і т.і.;

3) руйнування - великі тріщини в стінах, розшаровування кам'яної кладки, падіння окремих ділянок стін, димових труб, карнизів, парапетів і т.і.;

4) обвали - повне або часткове падіння стін, перекриттів і т.і.

Таблиця 6.2 - Характеристика будівель при землетрусах

Інтенсив-ність, бали	Приско-рення, см/с^2	Сприймання та характеристики пошкоджень будівель
1-2	до 0,5	Коливання Землі відмічаються приладами
3	0,51-1,0	Коливання відчувають окремі люди
4	1,1-2,5	Землетруси відчувають майже всі люди
5	2,6-5,0	Гойдання висячих предметів, багато сплячих просипаються; пошкодження першого ступеня в будівлях групи А
6	5,1-10,0	Пошкодження першого ступеня у багатьох будинках, а в деяких будівлях груп А, Б та В - значні
7	10,1-25,0	У більшості будівель групи А пошкодження другого ступеня;  груп Б, В, Г - першого, а в окремих – другого. Змінюється дебіт джерел та рівень ґрунтових вод
8	25,1-50,0	У багатьох будинках групи А пошкодження тре-тього та четвертого ступенів. У більшості буді-вель груп Б і В - другого, а в окремих-третього ступеня. Руйнування стиків трубопроводів, вода в водоймищах стає каламутною
9	50,1-100,0	Пошкодження четвертої групи у величезної біль-шості будівель групи А. У більшості будинків груп Б, В та Г - третьої, а в окремих четвертої. Тріщини в грунтах до 10 см
10	100,1-250,0	У більшості будівель усіх груп пошкодження четвертої групи. Тріщини в грунтах до 1м шириною
11	250,1-500,0	Руйнуються усі споруди. Змінюється рельєф місцевості
12	Більше 500	Зміна рельєфу місцевості у великих розмірах

Руйнівні дії землетрусу на будівлі та споруди викликають необхідність враховувати їх при проектуванні та будівництві. Інженер повинен вміти передбачити місце, силу та час землетрусу. Перші два фактори на сьогоднішній день достатньо вивчені. Проведено сейсмічне районування території країни, яке дозволило виділити зони, в яких відбуваються землетруси тієї чи іншої інтенсивності, та складено сейсмічні карти України. На цих картах виділені зони з інтенсивністю 6 і більше балів. Це Південний берег Криму (8), Південна Буковина та Закарпаття (7 балів). Сусідні з ними райони мають інтенсивність 6 і менше балів.

Відомо, що місцева сила землетрусу залежить від рельєфу місцевості, властивостей гірських порід, які її складають, та водного режиму. Так, на ділянках, складених крихкотілими водонасиченими ґрунтами, сейсмічне прискорення може бути у 1,5-2 рази більше, ніж на тих ділянках, де залягають більш щільні ґрунти.

Сейсмічну інтенсивність майданчику будівництва визначають з урахуванням сейсмічного мікрорайонування, що виконується для районів з сейсмічністю більше 6 балів з урахуванням тих чи інших гірських порід. У тих районах, де немає таких карт, допускається визначення сейсмічності майданчика за нормативними документами (табл. 6.3).

Таблиця 6.3 – Сейсмічність майданчику будівництва в залежності від категорії грунтів [4]

Категорія грунту за сейсмічними властивостями	Грунти	Сейсмічність майданчика будівництва при сейсмічності району, бали
		6	7	8	9
І	Скельні ґрунти усіх видів невивітрілі та слабовивітрілі, крупноуламкові ґрунти щільні та маловологі з магматичних порід, які містять до 30% піщано-глинистого заповнювача	5	6	7	8
ІІ	Скельні ґрунти вивітрілі та сильновивітрілі; крупноуламкові грунти крім віднесених до І категорії; піски гравелисті, крупні та середньої крупності щільні та середньої щільності маловологі і вологі; піски дрібні та пилуваті щільні та середньої щільності маловологі; пилувато-глинисті ґрунти від твердих до тугопластичних (ІL ≤ 0,5) при коефіцієнті пористості e < 0,9 для глин і суглинків і e < 0,7 для супісків	6	7	8	9
ІІІ	Піски крихкотілі незалежно від крупності та вологості; піски гравелисті, крупні та середньої крупності, щільні та середньої щільності водонасичені; дрібні і пилуваті піски щільні та середньої щільності вологі та водонасичені; пилувато-глинисті ґрунти з показником текучості ІL > 0,5; пилувато-глинисті ґрунти з показником текучості ІL ≤ 0,5 при коефіцієнті пористості e ≥ 0,9 для глин і суглинків і e ≥ 0,7 для супісків	7	8	9	10
ІV	Піски крихкотілі водонасичені, схильні до розрідження; насипні грунти; пливуни, біогенні грунти і мули	За результатами спеціальних досліджень

Будівництво в сейсмічних районах ведеться за нормативними документами, затвердженими урядовими установами. Ці норми гарантують стійкість споруд у районах сейсмічністю 6, 7, 8 та 10 балів. На підставі цих документів приймаються симетричні конструктивні схеми, забезпечується рівномірне розподілення жорсткостей, конструкцій, мас та ін.

Найголовніша проблема сейсмічних районів - визначення часу землетрусів - залишається на сьогодні невирішеною, хоч деякі їх провісники відомі з давніх часів. Стародавні греки не раз спостерігали помутніння води в колодязях та незвичну поведінку тварин перед землетрусом. Декілька історичних фактів.

Італія, Калабрія, 5 лютого 1783 р. Перед землетрусом гегекали гуси та вили собаки. Забобонні люди вирішили, що їх незвичайна поведінка може накликати біду. Почали стріляти в собак. Водночас на поверхню моря сплила велика кількість риби.

Росія, Камчатка, 23 серпня 1792 р. За 12 годин до землетрусу дуже сильне хвилювання виявили птахи, особливо ластівки. Перед першим поштовхом вони зникли зовсім.

Японія, Еддо, 11 листопада 1855 р. За три місяці до біди усі села покинули горобці. За десять днів кури не хотіли іти в курники, а за три дні із загонів вирвались усі корови. Перед самим землетрусом на берег повилазили краби, а із нір виповзли змії. Таких фактів відомо більше трьохсот.

Вчені вважають, що реакція тварин на зміни в навколишньому середовищі носить захисний характер і набута в тривалій еволюції, коли на Землі виживали в незліченних катаклізмах лише ті, хто здатний був вчасно реагувати та рятуватись. Наприклад, звуки, які породжуються землетрусом, що наближається, людина почути не здатна, але їх чують тварини.

Що стосується науково обґрунтованих методів прогнозу часу землетрусів, то вони поки не розроблені, а дослідження знаходяться на стадії пошуків. Так, геохіміками виявлено, що в періоди перед землетрусом і під час його змінюється хімічний та компонентний склад підземних вод у районах, які територіально пов'язані з епіцентральною зоною. Помічено, наприклад, що перед Ташкентським землетрусом 1966 року, концентрація радону в термомінеральній воді зросла більш ніж у три рази, причому максимальне значення вмісту радону одержано за 5 діб до першого поштовху. Різкі коливання в складі підземних вод спостерігались безпосередньо під час поштовхів силою більш 3 балів. Концентрація гелію під час сильних поштовхів збільшується в 10-12 разів, фтору та аргону в 2-3 рази. Виявлені також аномальні відхилення від норми перед землетрусом сили земного тяжіння та електропровідності гірських порід. Відомі й інші діагностичні методи, які базуються на вимірах горизонтальних та вертикальних напружень у гірських породах. Зміна геодинамічної обстановки перед землетрусом є безперечним фактом.

Усі ці та інші методи вимагають буріння глибоких свердловин поблизу літосферних розломів, які далеко не завжди можуть бути виявлені та і технічно не зовсім досконалі. Тому достовірних методів прогнозу часу землетрусу поки що немає.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Які види руху властиві земній корі? Їх коротка характеристика.

2. Що таке геосинклиналі та платформи?

3. Опишіть головні форми й елементи складок та розривних порушень масивів гірських порід.

4. Що покладено в основу теорії тектоніки літосферних плит? Назвіть основні складові частини цієї теорії.

5. Назвіть причини дрейфу материків.

6. Які причини землетрусів? Де переважно виникають землетруси?

7. Що таке гіпоцентр та епіцентр землетрусу і як вимірюється інтенсивність землетрусу?

8. Які зовнішні ознаки землетрусів?

9. Назвіть сейсмічні райони України та загальні положення будівництва в цих районах.