1.2. Основные понятия сейсмологии

Сейсмология, как наука, сформировалась значительно позднее, чем того требовали запросы времени. Будучи наукой о причинах возникновения землетрясений и их регистрации, она вобрала в себя сведения из различных наук - геофизики, геомеханики, теории сплошной среды, и в том числе, теории упругости.

В результате многочисленных исследований в сейсмологии сложилась модель схемы землетрясения, показанная на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Модель схемы землетрясения:
1 - гипоцентр (фокус); 2 - эпицентр;
h - глубина очага; Δ - эпицентральное расстояние;
с - гипоцентральное расстояние С = √Δ² + h²

В соответствии с существующими воззрениями сейсмологии землетрясение, вызванное разрывами, сдвижками или трещинами в литосфере, зарождается в некоторой ограниченной её области, размеры которой могут составлять от нескольких километров до нескольких десятков или сотен километров. Эту область зарождения землетрясений, характеризуемую максимальным значением выделяемой энергии, принято называть очагом землетрясения. Учитывая, что размеры очага обычно на несколько порядков меньше размеров области, где ощущается воздействие данного землетрясения, для удобства и простоты очаг землетрясения можно отождествлять с некоторой точкой - точка 1 на рис. 1.4., называется гипоцентром или фокусом землетрясения. Проекция этой точки на дневную поверхность называется эпицентром землетрясения (точка 2). Соответствующее расстояние между этими точками h будем называть глубиной очага землетрясения.

12

В зависимости от глубины очага землетрясения подразделяют на мелкофокусные (h≤7 км), нормальные (7 <h< 30 км) и глубокофокусные (h > 30 км).

Один из основоположников сейсмологии Б. Гутенберг считал, что глубина очагов землетрясений не превышает 50км [1]. Однако некоторые позднейшие исследования [8] указывают на возможность расположения очагов и на бóльших глубинах - 100-150 км и более.

Расстояние от рассматриваемой точки наблюдения до эпицентра называется эпицентральным расстоянием Δ, а до фокуса - гипоцентральным расстоянием с. Очевидно, что С = √Δ² + h².

Теоретически в точках земной поверхности с равными гипоцентральными расстояниями параметры, определяемые воздействием землетрясения (смещения, ускорения), должны иметь одинаковые значения. Совокупность этих точек образует кривую, называемую изосейстой. Таким образом, теоретически изосейсты должны были быть концентрическими кривыми, близкими к окружности. В действительности изосейсты землетрясений существенно отличаются от теоретической формы. Объясняется это, во-первых, тем обстоятельством, что источником распространяющихся волн является не гипотетическая точка - фокус, а область, имеющая сложную форму, а, во вторых, тем, что интенсивность проявления землетрясений на поверхности в значительной степени зависит от гидрологических особенностей верхних пластов, которые могут либо уменьшать, либо увеличивать сейсмические эффекты.

Основной характеристикой землетрясения является его интенсивность, определяющая оценку мощности очага. В настоящее время для оценки мощности, или интенсивности землетрясения, используются два подхода: инструментальный и описательный, основанный на регистрации повреждений зданий, остаточных явлений в грунтах, изменений гидрогеологического режима и прочих признаков.

В основе инструментального подхода лежит понятие магнитуды, предложенное Ч. Рихтером и в дальнейшем теоретически обоснованное Б. Гутенбергом.

Магнитуда землетрясения вычисляется по формуле:

где A₀ - значение максимальной амплитуды (мкм) смещения, измеренное на поверхности Земли какой-либо сейсмической волны (чаще всего поверхностной) при некотором слабом землетрясении на некотором удалении Δ (км) от эпицентра; А - то же, для рассматриваемого землетрясения.

Очень удобной является формула, предложенная Н.В. Шебалиным [19] при использовании поверхностных волн:

13

Понятие магнитуды положено в основу шкалы Рихтера оценки интенсивности землетрясений, фрагмент которой приведен в таблице во введении (см. табл. 1).

Для оценки энергии упругих волн, излучаемых очагом, используется эмпирическая формула:

где Е - энергия упругих волн, эрг; коэффициенты а и b принимаются равными:

a = 1,8; b=11 - для слабых землетрясений;

а= 1,5; b= 12 - для сильных землетрясений.

Между числом землетрясений, происходящих в данном районе за один год, и энергией Е выявлена зависимость:

где постоянные γ и С устанавливаются в зависимости от района.

Эта зависимость называется законом повторяемости, из которого следует, что землетрясения с малой энергией происходят намного чаще, чем с большой.

Оценку интенсивности землетрясений принято производить с помощью сейсмических шкал, при разработке которых учитываются как инструментально фиксируемые параметры сейсмического воздействия, так и описательная часть.

Первая шкала Росси-Фореля, появившаяся в 1883г. и имеющая 10-и балльную градацию, нашла широкое применение во многих европейских странах. Много позже, в 1917г. Международной сейсмической ассоциацией была принята 12-и балльная шкала Меркалли-Канкани-Зибера, которая и по сей день используется в ряде европейских стран. Такая же шкала, но несколько модифицированная (шкала ММ - "Меркалли модифицированная") применяется в США с 1934г.

Первая отечественная сейсмическая шкала ИФЗ (Института физики Земли) была предложена в 1954г. Для оценки интенсивности землетрясения тоже использовалась 12-и балльная градация. Инструментальная часть содержала параметры максимального относительного смещения (x₀, мм), фиксируемые сейсмометром СБМ. Описательная часть включала характеристики повреждения зданий без антисейсмических мероприятий, подразделенные на три группы: А - одноэтажные дома со стенами из рваного камня, кирпича-сырца, самана и т.п.; Б - кирпичные и каменные здания; В - деревянные сооружения.

В 1964г. была разработана шкала MSK (С.В. Медведев, В. Шпонхоер, В Карник), являющаяся усовершенствованием предыдущей за счет снижения в описательной части доли признаков, допускающих субъективную оценку, и введения в инструментальную часть скоростей и ускорений основания, характеризующих балльность землетрясения.

14

Следует отметить, что шкалы MSK, ИФЗ, а также американская шкала ММ и европейская шкала Меркалли-Канкани-Зиберга близки между собой [9].

В настоящее время в России используется рекомендованная Бюро межведомственного совета по сейсмологии и сейсмостойкому строительству (МСССС) АН РФ шкала ИФЗ, положенная в основу норм СНиП II-7-81. Согласно этой шкале интенсивность землетрясений 6-9 баллов оценивается параметрами смещений, скоростей и ускорений грунта основания, приведенными в таблице 2 [20].

Таблица 2

Для приближенной оценки интенсивности землетрясения в эпицентре можно использовать следующие соотношения, связывающие магнитуду М (по Рихтеру) и балльность J по сейсмической шкале:

- при мелкофокусных и нормальных землетрясениях:

- при глубокофокусных землетрясениях:

В заключение укажем, что наряду с нормативным способом определения сейсмичности района застройки, регламентированном СНиП II-7-81, имеет место принцип микрорайонирования, в силу которого расчетная сейсмичность площадки строительства может быть повышена на 1-2 балла из-за неблагоприятных геологических или гидрогеологических условий.

15