Исследование проявления землетрясений

Землетрясения проявляются не только в простом сотрясении Земли, а сопровождаются различными другими явлениями. К важным с инженерной точки зрения явлениям относятся сейсмические толчки, движения земной коры, образование разломов и сбросов, цунами. Происходят также изменения в геомагнетизме и электрическом поле Земли, которые представляют большой интерес для геофизиков, но не оказывают в настоящее время прямого влияния на решение вопросов сейсмостойкого строительства.

Сейсмические толчки. Для процессов колебаний земной поверхности характерны начальные слабые толчки небольшой продолжительности, за которыми следуют интенсивные колебания в течение определенного промежутка времени, после чего колебания затухают.

Коровые движения. Благодаря съемкам до и после землетрясений иногда обнаруживают, что поверхность грунта получает перемещения по горизонтальному и вертикальному направлениям в пределах большой площади. Если съемку удается выполнить непосредственно перед землетрясением и сразу после него, то можно определить точно изменения, вызванные землетрясением. Методы измерения перемещений земной коры включают в себя прецизионную триангуляцию с использованием триангуляционных станций и прецизионное нивелирование с использованием реперов (методы высшей геодезии). Однако эти методы в связи с их сложностью и высокой стоимостью могут применяться не всегда.

В последние годы для ежедневных наблюдений начинают применять оборудование по измерению наклонов и деформаций земной коры. Оно состоит из группы трех наклономеров в виде труб с водой длиной около30 м, размещенных во взаимно пересекающихся тоннелях. Эти приборы позволяют регистрировать изменения углов наклона с точностью до минуты и служат для решения задач по прогнозу землетрясений.

Движения земной коры наиболее часто проявляются при землетрясениях с неглубокими гипоцентрами, энергия которых превышает определенный предел. Например, для землетрясения с глубиной очага менее 20 км этот предел равен примерно 10¹⁵ Дж. Здесь можно заметить, что направление движения при землетрясении часто совпадает с направлением движения этих же участков поверхности, имевшим место при землетрясениях, происходивших ранее.

Разломы. Во время сильных землетрясений иногда возникают разрывы движений по двум сторонам от граничной линии, охватывающей узкий участок поверхности. Пересечение плоскости разрыва с этой поверхностью называется разломом. При горизонтальной дислокации разлом называется горизонтальным, при дислокации в вертикальном направлении- вертикальным разломом. Некоторые разломы не выходят на поверхность грунта и их наличие может быть обнаружено только после проведения геодезических съемок. Длина и раскрытие разломов могут быть вычислены в зависимости от силы землетрясения.

Цунами. Это морские волны большой длины, затапливающие прибрежные районы. Они возникают в том случае, когда очаг землетрясения располагается под дном океана. Слово "цунами" имеет японское происхождение.

Цунами возникают тогда, когда при землетрясении происходит опускание или поднятие дна океана. Такие нарушения поверхности дна в результате тектонических движений происходят одновременно на большой территории эпицентральной области.

Высота волны достигает 30 м, длина волны- около 100 км, скорость распространения- приблизительно 500-700 км/ч. Период одной волны составляет 10-30 мин. Наибольшие размеры волн цунами бывают при землетрясениях в пределах тихоокеанского сейсмического пояса. Цунами начинаются с понижения уровня воды у океанического побережья в виде своеобразного отсоса, за которым следует подъем воды. На величину волны цунами очень влияет глубина океана и рельеф береговой линии. Сейсмические волны. Объемные волны. Энергия, высвобождаемая на глубине, распространяется в форме колебательного движения, достигая поверхности земли. В слоях грунта могут передаваться два вида волн разной природы- продольные и поперечные. При прохождении продольных волн (Р) направление движения части грунта совпадает с направлением движения фронта волны. Среда, в которой распространяется этот вид волн, испытывает напряжения растяжения-сжатия с изменением своего объема.

Смещение вдоль возбуждения вызывает вторую волну, перпендикулярную первой. Эта волна, называемая поперечной (S), сопровождается изменением формы среды, но при этом сохраняется ее объем. Продольная волна распространяется быстрее поперечной и поэтому раньше достигает поверхности земли. Скорость распространения продольных волн в земной коре- 7-8 км/c, поперечных- 4-4,5 км/с.

Поверхностные волны. Вблизи поверхности Земли возникают колебания грунта, которые проявляются только в поверхностных слоях и быстро затухают в более глубоких. Эти колебания вызываются поверхностными волнами (R). Поверхностная волна, возникающая в однородном грунте, называется волной Рэлея- по имени открывшего ее лорда Рэлея. В этом случае частицы грунта при движении описывают эллипс в вертикальной плоскости, параллельной направлению распространения волн. Причем большая ось эллипса вблизи эпицентра направлена вертикально, а меньшая- горизонтально. Схема распространения поверхностных волн аналогична схеме распространения гравитационных волн в воде. Различие в том, что в жидкости волны распространяются за счет сил тяжести, а в твердом теле- за счет сил упругости. Отметим, что по мере удаления от эпицентра вертикальная составляющая смещения грунта уменьшается, а горизонтальная - увеличивается.

Регистрация сейсмических колебаний. Для научного анализа процессов сейсмических колебаний необходимы инструментальные измерения. Многолетними инструментальными наблюдениями в разных сейсмических зонах было установлено, что закономерности сейсмических колебаний имеют региональный характер, т.е. колебания грунта в разных сейсмических областях различны.

Для получения записей землетрясений необходима густая сеть инженерно-сейсмических станций, снабженных аппаратурой для регистрации сильных землетрясений. Такая служба в России уже создана, ее называют инженерно-сейсмометрической службой (ИСС). Записи сильных землетрясений позволяют получить более полную и подробную информацию о колебаниях грунта, величинах его скоростей, смещений, ускорений, деформаций и т.п. Эти величины требуются для разработки методов проектирования в сейсмических районах ответственных сооружений: плотин, шлюзов, дамб, атомных электростанций, тоннелей и т.п.

Получение записей сильных землетрясений связано с определенными материальными и организационными трудностями. Для регистрации смещений, скоростей и ускорений грунта существуют специальные приборы маятникового типа, а их принципиальные отличия друг от друга заключаются в следующем.

Сейсмограф. Регистрирует смещения грунта. Собственный период колебаний его маятника больше периода сейсмических колебаний. Осциллограмму землетрясения, полученную с помощью сейсмографа, называют сейсмограммой.

Велосиграф. Этот прибор регистрирует скорости смещений грунта. Период колебаний его маятника примерно равен периоду колебаний грунта. С помощью этого прибора получают велосиграмму.

Акселерограф. Регистрирует ускорения, возникающие при колебаниях грунта. Здесь период собственных колебаний маятника прибора меньше периода колебаний грунта. Получаемую с помощью акселерографа осциллограмму называют акселерограммой.

Полученные с помощью названных приборов осциллограммы должны сопровождаться следующими данными: датой, временем по Гринвичу, названием населенного пункта, номером станции, эпицентральным расстоянием, глубиной очага, азимутом эпицентра, балльностью землетрясения, масштабами времени и измерения. Регистрация колебаний осуществляется в горизонтальном и вертикальном направлениях, причем, начало записи расположено слева.

В момент начала землетрясения приборы включаются автоматически пускателями, а через несколько минут ими же отключаются. Многоканальные исследования колебаний сооружений. При изучении колебаний сооружений ставят разные задачи: анализ совместной работы сооружения с основанием, обоснование расчетных схем сооружений, изучение конструкции и материала сооружения, анализ динамических характеристик зданий и сооружений. Перечисленные аспекты имеют непосредственное отношение к проектированию сейсмостойких зданий и сооружений.

Разработкой методики измерений и соответствующей аппаратуры длительное время занимался институт физики Земли РАН. Результатом этих работ явился метод МИКС (многоканальное исследование колебаний сооружений). Измерение колебаний сооружений по методу МИКС производится с помощью электродинамических вибрографов и осциллографа с гальванометрической регистрацией. При этом запись производится на одну ленту синхронно.