ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 02.12.2023
Просмотров: 28
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Сейсмическая опасность (опасность землетрясений)
Землетрясение является следствием акта разрушения напряженных земных недр, в результате которого часть полной высвобождаемой упругой потенциальной энергии среды превращается в энергию сейсмических колебаний. Подчеркнем, что энергия не выделяется в очаге, а высвобождается в окружающем пространстве; очаг землетрясения не содержит энергии, не является ее источником, а является причиной ее высвобождения, источником волн. Очаг землетрясения характеризуется большим числом параметров, но важнейшими, характеризующими его с приемлемой полнотой являются три – положение гипоцентра, магнитуда и время возникновения разрыва. В прогнозе достаточно найти три эти характеристики, решив тем самым три независимых задачи прогноза. Введение
В России в зонах сейсмической опасности проживают 20 млн человек, причем около 2 млн — в зонах, где интенсивность землетрясений достигает 8–9 баллов [3]. Несмотря на значительные научнотехнические достижения в области сейсмологии и сейсмостойкого строительства, сегодня не до конца решены проблемы оценки «сейсмической опасности»: оперативного прогноза сильных событий, оценки (контроля) опасности разрушения зданий при землетрясениях. Методология анализа сейсмического риска
Математическая модель сейсмического риска (рис. 1) слишком абстрактна и недостаточно информативна, поскольку в ней не представлены типы зданий, виды негативных последствий для зданий и для людей, находящихся в них. Поэтому при анализе риска модель следует заменить «деревом» событий, содержащим характеристики по возможным сценариям развития чрезвычайной ситуации. В структуре сейсмического риска под «опасностью» следует понимать вероятность образования обломков здания при событии интенсивностью I баллов. Указанные обломки (при условии нахождения людей в здании и отсутствии эвакуации из здания) представляют опасность для людей, находящихся в здании. «Дерево» событий для отдельного здания с выделением в нем основных сценариев развития катастрофического события представлено на рис. 2.
О регистрации сейсмических событий и их картографировании.
Создание к началу XX в. сейсмографов, методов отображения на картах сейсмических событий и открытие способов экспериментального измерения параметров сейсмической волны создало новые возможности для изучения землетрясений. Анализ сейсмограммы заключается в определении моментов наступления отдельных фаз, природы волн и их причины в пространстве и времени (эпицентр, глубина очага, время в очаге), в оценке ориентировочных путей и времени прохождения сейсмических волн. При анализе важно выделить на сейсмограмме типы сейсмических волн: продольные короткие волны Р; поперечные волны с большей длиной и амплитудой S; поверхностные волны L (волны Релея LR и волны Лява LQ) гораздо большей длины, их амплитуда так велика, что зигзаги превышают 10 сантиметров. Примеры сейсмограмм близкого и дальнего землетрясений представлены на рис. 7 [6, 9]. Классификация землетрясений
В 1935 г. в США Ч. Рихтер разработал 10-балльную шкалу магнитуд [6, 9, 10, 11], основанную на оценке энергии сейсмического события. Магнитуда землетрясения — условная величина, характеризующая общую энергию упругих колебаний (Е), вызванных землетрясением или взрывом, пропорциональна логарифму энергии землетрясения. Для магнитуды как функции от энергии Гутенберг (совместно с Рихтером) предложил следующую зависимость[10]: где: E — энергия, Дж; M — магнитуда.
Классификация землетрясений
В 1964 г. Межправительственное совещание ЮНЕСКО по сейсмологии и сейсмостойкому строительству рекомендовало к временному использованию международную 12-балльную шкалу землетрясений МSK-64 [4], разработанную Медведевым (СССР), Шпонхойером (ГДР) и Карникой (Чехословакия). По шкале MSK-64 землетрясения по интенсивности их проявления на поверхности подразделяются на 12 баллов. I–IV балла — слабые землетрясения: III балльные земные колебания ощущаются немногими людьми в помещении. •
V–VII баллов — сильные землетрясения: при V баллах — качаются висячие предметы, в помещениях его замечают все люди. При VI баллах появляются повреждения в зданиях. • VIII–XII баллов — сильнейшие землетрясения: при VIII баллах — серьезные повреждения в зданиях с обрушением. Люди впадают в состояние испуга и паники. При X баллах — всеобщее разрушение зданий, нарушение поверхности почвы. Для сильнейших землетрясений применяется более детальная классификация в зависимости от их интенсивности: разрушительные (VIII баллов), опустошительные (IX баллов), уничтожающие (X баллов), катастрофически
Классификация землетрясений
Интенсивность землетрясения может оцениваться в ускорениях движения грунта, для этого существует следующая эмпирическая зависимо
где а — ускорение движения грунта, в см/с^2.
При известных координатах гипоцентра землетрясения и магнитуде М интенсивность сейсмического воздействия I в известной зоне возможных землетрясений можно оценить, используя эмпирическую зависимость, предложенную Н.В. Шебалиным [4]: где: Δ — эпицентральное расстояние, км; h — глубина очага землетрясения, км; b, ν, c — региональные константы. Для территории России: b = 1,5; ν = 3,5; с = 3,0.
Прогнозирование сейсмической опасности
Под сейсмической опасностью понимается вероятность появления сейсмического воздействия определенной силы на заданной площади в течение заданного интервала времени. Сейсмическая опасность характеризуются частотой H возникновения землетрясения и интенсивностью I (или ускорениями колебаний грунта) на заданной площади. Понятие прогнозирования сейсмической опасности включает предсказание места, энергии и времени землетрясения. В зависимости от периода времени, на который осуществляется прогноз, различают следующие его виды: оперативный (от часа до суток); краткосрочный (от одних суток до года); среднесрочный (от года до 10 лет); долгосрочный (на десятилетия). Оперативный и краткосрочный прогнозы
Наиболее сложно прогнозировать сейсмическое событие за часы или минуты до времени его возникновения. Известно несколько катастрофических землетрясений, от которых население городов не погибло благодаря реализации успешного оперативного прогноза. Одно из таких событий — это катастрофическое землетрясение 04.02.1975 г. в г. Хайчэн (Китай). Население города (100 тыс. человек) было выведено из города за 5 часов до события. Прогноз был основан только на наблюдении аномального поведения животных за несколько часов до возникновения сейсмического события. Для мониторинга концентрации повышенных сейсмических напряжений при взаимных смещениях тектонических плит используются высокочувствительные спутниковые радары и высокоточные геодезические «Глонасс–GPS”-системы.
Краткосрочный прогноз
Краткосрочный прогноз строится на комплексном анализе геофизических и сейсмологических предвестников, закономерностях поведения слабых землетрясений в разные периоды подготовки более сильного сейсмического события. Один из эффективных признаков — изменение наклона зависимости Гутенберга–Рихтера [11]: где: N — число событий с магнитудой равной или больше M; a, b — региональные константы. Константа a обычно равняется 1,0 для сейсмически активных регионов. В зависимости от тектонической структуры региона константа b может лежать в пределах от 0,5 до 1,5. При большом числе событий зависимость представляется прямой линией (рис. 10). Краткосрочный прогноз
В период подготовки сильного землетрясения график проявляет себя как случайная величина. Как только напряжения в гипоцентре будущего землетрясения приблизятся к значению, при котором произойдет землетрясение, слабая сейсмичность станет более упорядоченной, наклон графика повторяемости изменится. Чем ближе по времени момент сильного сейсмического воздействия, тем больше возникает сильных событий, в результате чего наклон графика повторяемости уменьшится. Среднесрочный и долгосрочный прогноз
Функции распределения F(I) интенсивности землетрясения I для сейсмоактивных регионов свидетельствуют о том, что интенсивность сейсмических событий для сейсмоопасного региона в основном распределена в интервале от 5 до 7 баллов (рис. 11). Понимание сейсмического риска было официально оформлено в 1972 г. на Шестом Европейском конгрессе по сейсмическому строительству. Ученые впервые пришли к классическому пониманию риска. Впервые понятие «риск» перестало отождествляться с понятием «опасность», эти понятия были разделены и получили новые определения. Сейсмический риск — это результат пересечения двух событий для реципиента риска: возникновения на определенной территории землетрясения интенсивностью I баллов за определённой период и негативных потерь от возникшей опасности интенсивностью I. Следовательно, под риском понимается частота определенных негативных потерь для реципиента риска. Определяется как суперпозиция сейсмической опасности и уязвимости различных элементов риска (людей, объектов жизнеобеспечения и т.д.). Уязвимость — вероятность потерь (разрушения зданий, причинения вреда здоровью или гибели людей, ущерба окружающей среде и т.п.) от воздействия интенсивности I.
Для оценки последствий землетрясения недостаточно знать интенсивность сотрясений в баллах, необходимо понимать, как строительный объект будет взаимодействовать с трясущимся основанием, предвидеть последствия возможных толчков для зданий различных типов. В 1986 г. международная модернизированная шкала землетрясений ММSK-86 нормативно закрепила классификацию зданий (сооружений) по сейсмостойкости и степени их разрушения. • A — здания со стенами из местных строительных материалов (глинобитные, саманные, из рваного камня на глиняном растворе). Такие здания характерны для сельских районов Северного Кавказа и юга Урала; • Б — здания из кирпича, крупных блоков, тесаного камня на цементном растворе;
• В — здания железобетонные, каркасные, крупнопанельные и армированные крупноблочные дома;
• С — здания всех видов с антисейсмическими мероприятиями (С7, С8, С9 — здания сейсмостойкостью соответственно 7, 8, 9
В шкале ММSK-86 учитываются пять степеней (d = 1, 2, 3, 4, 5) разрушения (повреждения) зданий при сейсмическом воздействии, рассматриваемых в совокупности как полная группа несовместимых событий. Вероятность наступления определенной степени d повреждения представлена в табл. 2. При известном семействе функций распределения (рис. 13) можно вычислить вероятность наступления d степени поражения здания Pd (I) по формуле:
На основе анализа статистических данных об общих, безвозвратных и санитарных потерях во время разрушительных землетрясений определена для каждого типа зданий вероятность получения людьми соответствующей степени поражения при условии, что наступила соответствующая степень поражения здания. Пример функции распределения вероятности поражения людей представлен на рис. 14. При прогнозировании поражения людей в жилом здании учитывается функция распределения людей в здании в течение времени суток. Для жилых зданий можно принять, что во время сна эта функция равна 1, в рабочее время — 0,75, во время поездки людей к месту работы — 0,60…0,70 (рис. 15) Уязвимость населения Vs(I), проживающего в здании, равна отношению математического ожидания числа пораженных людей с летальным исходом M(N) в результате сейсмического воздействия интенсивностью I к числу людей N, находившихся в здании, т. е
Землетрясение является следствием акта разрушения напряженных земных недр, в результате которого часть полной высвобождаемой упругой потенциальной энергии среды превращается в энергию сейсмических колебаний. Подчеркнем, что энергия не выделяется в очаге, а высвобождается в окружающем пространстве; очаг землетрясения не содержит энергии, не является ее источником, а является причиной ее высвобождения, источником волн. Очаг землетрясения характеризуется большим числом параметров, но важнейшими, характеризующими его с приемлемой полнотой являются три – положение гипоцентра, магнитуда и время возникновения разрыва. В прогнозе достаточно найти три эти характеристики, решив тем самым три независимых задачи прогноза. Введение
В России в зонах сейсмической опасности проживают 20 млн человек, причем около 2 млн — в зонах, где интенсивность землетрясений достигает 8–9 баллов [3]. Несмотря на значительные научнотехнические достижения в области сейсмологии и сейсмостойкого строительства, сегодня не до конца решены проблемы оценки «сейсмической опасности»: оперативного прогноза сильных событий, оценки (контроля) опасности разрушения зданий при землетрясениях. Методология анализа сейсмического риска
Математическая модель сейсмического риска (рис. 1) слишком абстрактна и недостаточно информативна, поскольку в ней не представлены типы зданий, виды негативных последствий для зданий и для людей, находящихся в них. Поэтому при анализе риска модель следует заменить «деревом» событий, содержащим характеристики по возможным сценариям развития чрезвычайной ситуации. В структуре сейсмического риска под «опасностью» следует понимать вероятность образования обломков здания при событии интенсивностью I баллов. Указанные обломки (при условии нахождения людей в здании и отсутствии эвакуации из здания) представляют опасность для людей, находящихся в здании. «Дерево» событий для отдельного здания с выделением в нем основных сценариев развития катастрофического события представлено на рис. 2.
О регистрации сейсмических событий и их картографировании.
Создание к началу XX в. сейсмографов, методов отображения на картах сейсмических событий и открытие способов экспериментального измерения параметров сейсмической волны создало новые возможности для изучения землетрясений. Анализ сейсмограммы заключается в определении моментов наступления отдельных фаз, природы волн и их причины в пространстве и времени (эпицентр, глубина очага, время в очаге), в оценке ориентировочных путей и времени прохождения сейсмических волн. При анализе важно выделить на сейсмограмме типы сейсмических волн: продольные короткие волны Р; поперечные волны с большей длиной и амплитудой S; поверхностные волны L (волны Релея LR и волны Лява LQ) гораздо большей длины, их амплитуда так велика, что зигзаги превышают 10 сантиметров. Примеры сейсмограмм близкого и дальнего землетрясений представлены на рис. 7 [6, 9]. Классификация землетрясений
В 1935 г. в США Ч. Рихтер разработал 10-балльную шкалу магнитуд [6, 9, 10, 11], основанную на оценке энергии сейсмического события. Магнитуда землетрясения — условная величина, характеризующая общую энергию упругих колебаний (Е), вызванных землетрясением или взрывом, пропорциональна логарифму энергии землетрясения. Для магнитуды как функции от энергии Гутенберг (совместно с Рихтером) предложил следующую зависимость[10]: где: E — энергия, Дж; M — магнитуда.
Классификация землетрясений
В 1964 г. Межправительственное совещание ЮНЕСКО по сейсмологии и сейсмостойкому строительству рекомендовало к временному использованию международную 12-балльную шкалу землетрясений МSK-64 [4], разработанную Медведевым (СССР), Шпонхойером (ГДР) и Карникой (Чехословакия). По шкале MSK-64 землетрясения по интенсивности их проявления на поверхности подразделяются на 12 баллов. I–IV балла — слабые землетрясения: III балльные земные колебания ощущаются немногими людьми в помещении. •
V–VII баллов — сильные землетрясения: при V баллах — качаются висячие предметы, в помещениях его замечают все люди. При VI баллах появляются повреждения в зданиях. • VIII–XII баллов — сильнейшие землетрясения: при VIII баллах — серьезные повреждения в зданиях с обрушением. Люди впадают в состояние испуга и паники. При X баллах — всеобщее разрушение зданий, нарушение поверхности почвы. Для сильнейших землетрясений применяется более детальная классификация в зависимости от их интенсивности: разрушительные (VIII баллов), опустошительные (IX баллов), уничтожающие (X баллов), катастрофически
Классификация землетрясений
Интенсивность землетрясения может оцениваться в ускорениях движения грунта, для этого существует следующая эмпирическая зависимо
где а — ускорение движения грунта, в см/с^2.
При известных координатах гипоцентра землетрясения и магнитуде М интенсивность сейсмического воздействия I в известной зоне возможных землетрясений можно оценить, используя эмпирическую зависимость, предложенную Н.В. Шебалиным [4]: где: Δ — эпицентральное расстояние, км; h — глубина очага землетрясения, км; b, ν, c — региональные константы. Для территории России: b = 1,5; ν = 3,5; с = 3,0.
Прогнозирование сейсмической опасности
Под сейсмической опасностью понимается вероятность появления сейсмического воздействия определенной силы на заданной площади в течение заданного интервала времени. Сейсмическая опасность характеризуются частотой H возникновения землетрясения и интенсивностью I (или ускорениями колебаний грунта) на заданной площади. Понятие прогнозирования сейсмической опасности включает предсказание места, энергии и времени землетрясения. В зависимости от периода времени, на который осуществляется прогноз, различают следующие его виды: оперативный (от часа до суток); краткосрочный (от одних суток до года); среднесрочный (от года до 10 лет); долгосрочный (на десятилетия). Оперативный и краткосрочный прогнозы
Наиболее сложно прогнозировать сейсмическое событие за часы или минуты до времени его возникновения. Известно несколько катастрофических землетрясений, от которых население городов не погибло благодаря реализации успешного оперативного прогноза. Одно из таких событий — это катастрофическое землетрясение 04.02.1975 г. в г. Хайчэн (Китай). Население города (100 тыс. человек) было выведено из города за 5 часов до события. Прогноз был основан только на наблюдении аномального поведения животных за несколько часов до возникновения сейсмического события. Для мониторинга концентрации повышенных сейсмических напряжений при взаимных смещениях тектонических плит используются высокочувствительные спутниковые радары и высокоточные геодезические «Глонасс–GPS”-системы.
Краткосрочный прогноз
Краткосрочный прогноз строится на комплексном анализе геофизических и сейсмологических предвестников, закономерностях поведения слабых землетрясений в разные периоды подготовки более сильного сейсмического события. Один из эффективных признаков — изменение наклона зависимости Гутенберга–Рихтера [11]: где: N — число событий с магнитудой равной или больше M; a, b — региональные константы. Константа a обычно равняется 1,0 для сейсмически активных регионов. В зависимости от тектонической структуры региона константа b может лежать в пределах от 0,5 до 1,5. При большом числе событий зависимость представляется прямой линией (рис. 10). Краткосрочный прогноз
В период подготовки сильного землетрясения график проявляет себя как случайная величина. Как только напряжения в гипоцентре будущего землетрясения приблизятся к значению, при котором произойдет землетрясение, слабая сейсмичность станет более упорядоченной, наклон графика повторяемости изменится. Чем ближе по времени момент сильного сейсмического воздействия, тем больше возникает сильных событий, в результате чего наклон графика повторяемости уменьшится. Среднесрочный и долгосрочный прогноз
Функции распределения F(I) интенсивности землетрясения I для сейсмоактивных регионов свидетельствуют о том, что интенсивность сейсмических событий для сейсмоопасного региона в основном распределена в интервале от 5 до 7 баллов (рис. 11). Понимание сейсмического риска было официально оформлено в 1972 г. на Шестом Европейском конгрессе по сейсмическому строительству. Ученые впервые пришли к классическому пониманию риска. Впервые понятие «риск» перестало отождествляться с понятием «опасность», эти понятия были разделены и получили новые определения. Сейсмический риск — это результат пересечения двух событий для реципиента риска: возникновения на определенной территории землетрясения интенсивностью I баллов за определённой период и негативных потерь от возникшей опасности интенсивностью I. Следовательно, под риском понимается частота определенных негативных потерь для реципиента риска. Определяется как суперпозиция сейсмической опасности и уязвимости различных элементов риска (людей, объектов жизнеобеспечения и т.д.). Уязвимость — вероятность потерь (разрушения зданий, причинения вреда здоровью или гибели людей, ущерба окружающей среде и т.п.) от воздействия интенсивности I.
Для оценки последствий землетрясения недостаточно знать интенсивность сотрясений в баллах, необходимо понимать, как строительный объект будет взаимодействовать с трясущимся основанием, предвидеть последствия возможных толчков для зданий различных типов. В 1986 г. международная модернизированная шкала землетрясений ММSK-86 нормативно закрепила классификацию зданий (сооружений) по сейсмостойкости и степени их разрушения. • A — здания со стенами из местных строительных материалов (глинобитные, саманные, из рваного камня на глиняном растворе). Такие здания характерны для сельских районов Северного Кавказа и юга Урала; • Б — здания из кирпича, крупных блоков, тесаного камня на цементном растворе;
• В — здания железобетонные, каркасные, крупнопанельные и армированные крупноблочные дома;
• С — здания всех видов с антисейсмическими мероприятиями (С7, С8, С9 — здания сейсмостойкостью соответственно 7, 8, 9
В шкале ММSK-86 учитываются пять степеней (d = 1, 2, 3, 4, 5) разрушения (повреждения) зданий при сейсмическом воздействии, рассматриваемых в совокупности как полная группа несовместимых событий. Вероятность наступления определенной степени d повреждения представлена в табл. 2. При известном семействе функций распределения (рис. 13) можно вычислить вероятность наступления d степени поражения здания Pd (I) по формуле:
На основе анализа статистических данных об общих, безвозвратных и санитарных потерях во время разрушительных землетрясений определена для каждого типа зданий вероятность получения людьми соответствующей степени поражения при условии, что наступила соответствующая степень поражения здания. Пример функции распределения вероятности поражения людей представлен на рис. 14. При прогнозировании поражения людей в жилом здании учитывается функция распределения людей в здании в течение времени суток. Для жилых зданий можно принять, что во время сна эта функция равна 1, в рабочее время — 0,75, во время поездки людей к месту работы — 0,60…0,70 (рис. 15) Уязвимость населения Vs(I), проживающего в здании, равна отношению математического ожидания числа пораженных людей с летальным исходом M(N) в результате сейсмического воздействия интенсивностью I к числу людей N, находившихся в здании, т. е