Опасности землетрясений: подвижки грунта, разжижение, цунами и инфраструктурные последствия

Землетрясения порождают широкий спектр специфических опасностей, которые классифицируются как первичные, вторичные и третичные последствия. К основным опасностям относятся подвижки грунта, разрывы грунта (также называемые разломами), массовые обрушения и разжижение. Вторичные и третичные опасности представляют собой косвенные последствия, вызванные самим сейсмическим событием, такие как цунами в открытом океане и заливах, а также сейшевые волны, которые колеблются в замкнутых бассейнах. Дополнительные косвенные последствия включают пожары и взрывы, возникающие в результате сбоев инженерных сетей и трубопроводов, а также изменения уровня грунта, способные изменить среду обитания, уровень грунтовых вод, сместить береговые линии, привести к потере рабочих мест и вынужденному перемещению населения. Финансовые потери частных лиц, страховых компаний и предприятий часто достигают десятков миллиардов долларов даже при сейсмических событиях средней магнитуды.

Движение грунта как основная сейсмическая опасность. Движение грунта представляет собой одну из наиболее значительных первичных опасностей, связанных с землетрясениями, возникающую при прохождении сейсмических волн через населенные районы. Наиболее разрушительными сейсмическими волнами являются поверхностные волны, которые во время сильных землетрясений могут заметно деформировать поверхность Земли, образуя распространяющиеся колебания. Движение грунта обычно ощущается как сотрясение, вызывающее знакомый грохот и смещение предметов с полок, о чем обычно сообщают при незначительных сейсмических событиях. Степень разрушений, вызванных определенными уровнями подвижки грунта, в значительной степени зависит от стандартов проектирования и качества строительства зданий и инфраструктуры в соответствии с установленными сейсмическими нормами.

Обрушившийся 10-этажный жилой дом в Исламабаде, Пакистан, после землетрясения 8 октября 2005 года. Здание обрушилось на один этаж, в результате чего обрушились все нижние этажи (Фото AP).

Интенсивность колебаний грунта, связанных с землетрясением, обычно возрастает с увеличением магнитуды события, хотя она также в значительной степени зависит от характера подстилающего грунта. Рыхлый, неуплотненный грунт и искусственная насыпь, как правило, усиливают сотрясение по сравнению с основаниями из твердых пород. Землетрясение 1989 года в Лома-Приета (Калифорния) наглядно продемонстрировало это явление: районы, построенные на твердой породе, испытали минимальную вибрацию и разрушения, тогда как районы на рыхлой глине получили наиболее серьезные повреждения. Большая часть района залива Сан-Франциско расположена на рыхлой глине и грязевых отложениях, включая автостраду Нимиц, которая обрушилась во время этого события. Район Марина подвергся наибольшим разрушениям, несмотря на удаленность от эпицентра, поскольку был построен на неуплотненной свалке, усиливавшей сейсмические волны, что вызвало многочисленные обрушения зданий и разрывы газопроводов с последующими пожарами.

Дополнительные различия в интенсивности колебаний грунта возникают из-за различий в способах передачи сейсмических волн разными типами коренных пород. Землетрясения на западе Соединенных Штатов обычно затрагивают меньшие географические районы по сравнению с центральными и восточными регионами. Это несоответствие объясняется тем, что западные коренные породы (особенно в Калифорнии) состоят из относительно более мягких материалов, тогда как восточные регионы характеризуются более твердыми магматическими и метаморфическими породами. Более твердые и плотные породы пропускают сейсмические волны эффективнее мягких и менее плотных материалов, а значит, землетрясения эквивалентной магнитуды могут вызвать более сильные сотрясения на большей территории в восточной части США, чем в западном регионе.

Движение грунта количественно определяется с помощью измерения ускорения — скорости изменения скорости. Этот тип силы напоминает ощущение при ускорении в автомобиле, когда водителя мягко прижимает к сиденью. Сила тяжести составляет 9,8 метра в секунду в квадрате (1 g). Людям трудно сохранять вертикальное положение, а здания начинают разрушаться при ускорении, достигающем одной десятой силы тяжести (0,1g). Сильные землетрясения могут вызвать ускорение, превышающее, удваивающее или утраивающее силу тяжести, способное вырывать с корнем большие деревья, продавливать предметы сквозь стены и приводить к обрушению практически любого сооружения.

Ущерб от сотрясения почвы и оползней в Инсю, провинция Сычуань, Китай, 12 мая 2008 года, землетрясение магнитудой 7,9.

Повреждения, обычно связанные с подвижками грунта и распространением сейсмических волн, включают раскачивание зданий. Во время землетрясений конструкции могут раскачиваться с характерной частотой, определяемой их высотой, размерами, строительными материалами, нижележащим основанием и интенсивностью сотрясения. Это движение приводит к быстрому перемещению тяжелых предметов внутри зданий и значительным разрушениям. Интенсивность сотрясений, как правило, возрастает с увеличением высоты здания, часто приводя к отделению бетонных перекрытий верхних этажей от стен и угловых креплений, что вызывает постепенное обрушение перекрытий или образование «крошки», сминающей все между последовательными уровнями.

Прорывы грунта и разломы поверхности. Разломы грунта (также называемые разрывами) образуются там, где разломы пересекают земную поверхность, и могут быть связаны с массовыми разрушениями — перемещением вниз по склону крупных блоков суши. Эти разломы имеют горизонтальные, вертикальные или комбинированные смещения по всей поверхности и способны приводить к значительным структурным повреждениям. Трещины, возникающие во время землетрясений, в основном связаны с массовым перемещением материала вниз по склонам, а не представляют собой прямой след разлома, выходящего на поверхность. Во время землетрясения на Аляске в 1964 году из-за прорыва грунта железнодорожные пути сместились на несколько метров, образовались трещины на улицах, в домах, витринах магазинов, что привело к значительному проседанию части объектов относительно соседних участков. Большинство прорывов грунта во время этого события были связаны с просадкой грунта — движением верхних слоев вниз по склону к морю, что в значительной степени способствовало разрывам трубопроводов и кабелей связи.

Вторая фотография разрушений от сотрясения почвы и оползней в Гонконге, провинция Сычуань, Китай, 12 мая 2008 года, землетрясение магнитудой 7,9.

Процессы массового разрушения во время землетрясений. Массовое разрушение относится к перемещению материала вниз по склону, которое обычно происходит в виде постепенного оползания грунта и горных пород в нормальных условиях. Однако во время землетрясений значительные объемы камня, почвы и строительных объектов могут внезапно обрушиться в результате оползней. Оползни, вызванные землетрясениями, происходят в регионах, характеризующихся крутыми склонами или скалами, включая районы Калифорнии, Аляски, Южной Америки, Турции и Китая. Один из самых разрушительных зарегистрированных оползней произошел во время землетрясения магнитудой 7,9 в Вэньчуане (Китай, 2008 год) , когда несколько деревень были полностью погребены под сотнями футов обломков от обвалов в соседних горах, что привело к гибели тысяч людей.

Во время землетрясения на Аляске магнитудой 9,2 в 1964 году оползни разрушили электростанции, дома, дороги и железнодорожную инфраструктуру. Некоторые оползни произошли под водой и вдоль прибрежных районов: значительные участки Сьюарда и Вальдеса располагались на подводных откосах, которые во время землетрясения соскользнули в море в результате массивных подводных оползней и оказались под водой. Жилой район Тернагейн-Хайтс близ Анкориджа, построенный на скалах с видом на Аляскинский хребет и Алеутские вулканы, спускался к морю вдоль ряда изогнутых разломов, пересекающих слой слабого сланца, известный как Бутлегерский сланец. Во время землетрясения этот сланцевый блок потерял всю прочность, став почти лишенным сцепления, а сотрясение вышележащего грунта привело к тому, что весь район соскользнул вдоль сланцевого блока, что вызвало полное разрушение.

Механизмы и воздействия разжижения. Разжижение (ликвафикация) представляет собой процесс, при котором внезапное встряхивание определенных типов водонасыщенных песков и илов превращает ранее твердые отложения в суспензию, обладающую жидкой консистенцией. Это явление возникает, когда при сотрясении отдельные частицы отложений отделяются друг от друга, позволяя воде перемещаться между зернами, в результате чего вся смесь воды и отложений начинает вести себя как жидкость. Землетрясения часто приводят к разжижению песков и илов, при этом сооружения, построенные на разжиженных отложениях, внезапно погружаются в них, как будто покоятся на густой жидкости. Разжижение привело к тому, что бутлегерские сланцы во время землетрясения на Аляске в 1964 году стали настолько слабыми, что разрушили район Тернагейн-Хайтс.

Разжижение во время землетрясений также приводит к проседанию тротуаров, телефонных столбов, фундаментов зданий и другой инфраструктуры. Примечательный пример произошел во время землетрясения в Японии в 1964 году, когда целые ряды многоквартирных домов перевернулись на бок при минимальных внутренних повреждениях. Разжижение также вызывает всплывание песка на поверхность, образуя насыпи высотой до нескольких десятков футов, известные как песчаные вулканы или песчаные гряды.

Изменения уровня грунта и геоморфологические изменения. Во время землетрясений смещение блоков грунта относительно друг друга может привести к изменениям уровня грунта, основания, уровня грунтовых вод и отметок прилива. Особенно существенные сдвиги зафиксированы в результате исторически значимых событий, включая землетрясение на Аляске магнитудой 9,2 (1964 год) и землетрясение на Суматре (2004 год) . В 1964 году на площади более 600 миль (1000 км) в юго-центральной части Аляски зафиксированы значительные изменения уровня грунта: поднятия до 12 ярдов (11 м), понижения более двух ярдов (2 м) и боковые сдвиги от нескольких до десятков ярдов.

В прибрежных районах, расположенных на возвышенностях, произошли значительные изменения морских экосистем: берега с моллюсками внезапно поднялись над водой и остались незащищенными. Города, построенные вокруг доков, оказались на много метров выше уровня береговой линии. На опустевших территориях наблюдались противоположные последствия: леса, зависящие от пресноводных корневых систем, были внезапно затоплены соленой водой и фактически утонули. Населенные пункты, ранее расположенные на безопасном расстоянии от линий приливов и штормовых нагонов, стали подвержены наводнениям, что потребовало переселения.

Внутренние районы также пострадали от изменений уровня грунтовых вод: в некоторых районах уровень грунтовых вод поднялся на многие десятки футов, что привело к относительному понижению уровня грунтовых вод относительно поверхности суши. В результате многие водные скважины стали недоступны и потребовали повторного бурения. Хотя изменения уровня грунта могут казаться незначительными по сравнению с другими опасностями землетрясений, они наносят значительный ущерб, требующий миллионов долларов на смягчение последствий.

Цунами и сейшевые волны. С землетрясениями связаны несколько типов крупных волн, в том числе цунами и сейшевые волны. Цунами (сейсмические морские волны) обычно образуются в результате подводных оползней, перемещающих значительные объемы горных пород и отложений на морском дне, которые, в свою очередь, вытесняют огромное количество воды. Цунами особенно разрушительны из-за их высокой скорости распространения (до сотен миль в час) и способности достигать высоты на много десятков метров выше нормального уровня прилива.

Самое разрушительное цунами в истории человечества произошло в 2004 году в сочетании с землетрясением магнитудой 9,0 на Суматре (Индонезия). Волна, достигавшая местной высоты 100 футов (30 м), прокатилась по Индийскому океану, унеся жизни примерно 283 000 человек, главным образом в Индонезии, Шри-Ланке и Индии. Два других заметных примера включают цунами, вызванное землетрясением магнитудой 8,7 в Атлантическом океане в 1775 году, которое, по оценкам, унесло жизни более 60 000 человек в Португалии. Другое цунами, возникшее на Алеутских островах (Аляска) в 1946 году, пересекло Тихий океан со скоростью 500 миль в час (800 км/ч) и обрушилось на Хило, Гавайи, достигнув высоты 18 ярдов (16 м) выше обычного уровня прилива, убив 159 человек, разрушив около 500 домов и повредив 1000 дополнительных сооружений.

Сейшевые волны могут возникать в результате возвратно-поступательного движения, связанного с землетрясениями, когда водные объекты (обычно озера или заливы) колеблются с возрастающей амплитудой и разбрызгиваются до уровней, превышающих нормальные. Этот эффект напоминает встряхивание стакана с водой и наблюдение за тем, как рябь превращается в большие волны, выплескивающиеся из емкости. Дополнительные сейшевые волны могут образовываться при оползнях или камнепадах, когда большие объемы грунта попадают в водоемы. Самая крупная зарегистрированная сейшевая волна такого типа внезапно образовалась 9 июля 1958 года, когда сильный камнепад, вызванный землетрясением, вызвал сейшевую волну высотой 1700 футов (518 м) , которая прокатилась по заливу Литуя на Аляске, уничтожив леса и убив несколько человек.

Ущерб инфраструктуре и перебои в подаче коммунальных услуг. Значительная часть ущерба и жертв, вызванных землетрясениями, связана с повреждениями инфраструктуры и систем коммунального хозяйства. Во время землетрясения в Сан-Франциско в 1906 году значительный ущерб был причинен не самим землетрясением, а массовым пожаром, вызванным многочисленными повреждениями газопроводов, опрокинутыми дровяными и угольными печами и преднамеренными поджогами владельцами недвижимости, добивавшимися страховой компенсации за частично поврежденные здания. Во время землетрясения в Кобе (Япония) в 1995 году в результате неконтролируемых пожаров был нанесен значительный ущерб, причем пожарные и спасательные команды не смогли добраться до наиболее пострадавших районов. Водопроводы были повреждены, что не позволило тушить пламя даже в доступных местах.

Эти примеры демонстрируют критическую важность создания путей эвакуации в сейсмоопасных зонах в ожидании последствий землетрясения, включая пожары, повторные толчки и голод. В идеале на таких маршрутах не должно быть препятствий (эстакад и зданий), которые могут затруднить доступ, и усилия следует сосредоточить на оперативной расчистке этих маршрутов после стихийных бедствий для эвакуации и экстренного доступа в наиболее пострадавшие районы.

Источники: Болт, Б. А. Землетрясения. 4-е изд. Нью-Йорк: У. Х. Фримен, 1999.
Коберн, А. и Р. Спенс. Защита от землетрясений. Чичестер, Великобритания: John Wiley & Sons, 1992.
Эриксон, Джон. Землетрясения, извержения вулканов и другие геологические катаклизмы: раскрытие опасностей Земли. Новое издание. Нью-Йорк: Факты в архиве, 2001.

Домашняя страница Федерального агентства по чрезвычайным ситуациям. Доступно онлайн. URL: http://www.fema.gov. Дата обращения: 10 октября 2008 г. Обновляется ежедневно.
Гилберт, Карл Гроув, Ричард Л. Хамфри, Джон С. Сьюэлл и Фрэнк Соул. *Землетрясение и пожар в Сан-Франциско 18 апреля 1906 года и их последствия для сооружений и конструкционных материалов*. Вашингтон, округ Колумбия: Бюллетень геологической службы США, 324, 1907.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Тимоти Куски

Источник: Энциклопедия наук о Земле и космосе

Данные публикации будут полезны студентам и аспирантам естественнонаучных направлений (геологии, географии, геофизики, астрофизики и космологии), начинающим специалистам в области структурной геологии, тектоники, космологии и астрофизики, а также всем, кто интересуется фундаментальными загадками устройства Вселенной и процессами формирования Земли.