Тема практичного заняття 5. „Розрахунок та визначення основних параметрів при землетрусі”

1.Загальні положення

Землетруси – це підземні поштовхи та коливання поверхні Землі, які спричинені природними явищами (тектонічними процесами – рухом літосферних плит, який зумовлений тепловими процесами всередині Землі), зміною активності Сонця і діяльності людини (будівництво штучних водосховищ, видобуток нафти і газу, підземні ядерні вибухи тощо).

Землетруси – одне з грізних стихійних явищ, яке порушує нормальну життєдіяльність значної частини населення на великих територіях, викликає загибель людей і великі матеріальні збитки.

В Україні в зоні сейсмічної активності перебуває майже 120 тис. км² території (близько 20% площі країни), проживає близько 11 млн. осіб, тут знаходиться значна кількість об’єктів промисловості. Сила можливих землетрусів оцінюється на рівні від 6 до 8 балів (за 12-бальною шкалою MSK-64). Сейсмонебезпечна зона охоплює території Автономної Республіки Крим, Вінницької, Одеської, Закарпатської, Херсонської, Хмельницької областей.

Область виникнення підземного поштовху – осередок землетрусу – являє собою деякий об’єм у товщі Землі, в межах якого проходить процес вивільнення накопиченої енергії. Осередки землетрусу виникають на різних глибинах. Більша частина їх залягає в земній корі ( на глибині порядку 20 – 30 км). У деяких районах відмічається велика кількість поштовхів, які виходять із глибин у сотні кілометрів (верхня мантія Землі). У центрі осередку умовно виділяють точку, яку називають гіпоцентром. Проекція гіпоцентру на поверхню Землі називається епіцентром. Лінії, що з’єднують на поверхні Землі пункти з однаковою інтенсивністю коливань (у балах) називаються ізосейсмами.

Осередок ураження при землетрусі – це територія, на якій сталися руйнування будівель, споруд, комунально-енергетичних мереж. Тут можуть виникати пожежі, вибухи та людські жертви. Енергія землетрусу вивільняється у вигляді пружних сейсмічних хвиль, що поділяються на об’ємні (поздовжні й поперечні) та поверхневі. Об’ємні (поздовжні) розповсюджуються від гіпоцентру до поверхні Землі з великою швидкістю (6–8 км/с), поверхневі мають значно меншу швидкість, але визначають руйнівну силу землетрусу на значній відстані від епіцентру.

Територія осередку ураження має форму кола і умовно поділяється на чотири зони:

• зона повних руйнувань – 11...12 балів;

• сильних руйнувань – 9...10 балів;

• середніх руйнувань – 7...8 балів;

• слабких руйнувань – 5...6 балів.

Кількість землетрусів, які щорічно реєструються на земній кулі, нараховують сотні тисяч, але більшість із них відносяться до слабких, і лише незначна частина досягає масштабів катастрофи. Вважається, що при інтенсивності землетрусу в епіцентрі нижче 5 балів осередку ураження не утворюється.

2. Методика визначення основних параметрів землетрусу

Основними параметрами землетрусу, що визначають розміри осередку ураження, є магнітуда М, енергія Е, інтенсивність І землетрусу.

Магнітуда М – це потужність землетрусу в балах за шкалою Ч. Ріхтера (08,8 балів), що визначається як десятковий логарифм максимальної амплітуди зміщення ґрунту, виміряної на відстані 100 км від епіцентру.

Інтенсивність І характеризує ступінь руйнівної сили землетрусу, що залежить від глибини залягання осередку землетрусу і оцінюється за 12-бальною міжнародною сейсмічною шкалою MSK-64. Інтенсивність землетрусу визначається за формулами:

в епіцентрі:

I_e=1.5M-3.5lgh+3, бал;

на відстані R від епіцентру:

I_R=1.5M-3.5lg +3, бал,

де: М – магнітуда М за шкалою Ч.Ріхтера, бал;

R – відстань від об'єкта до епіцентру, км;

h – глибина гіпоцентру землетрусу, км.

Наслідки підземних поштовхів проявляються у двох фазах:

• перша фаза характеризується приходом поздовжньої хвилі, що рухається всередині землі, яка, досягнувши об'єкта, викликає часто не руйнівні, але відчутні поштовхи.

Час приходу попереджуючої хвилі землетрусу:

t₁= /_ng; с,

де: _ng - швидкість руху поздовжніх хвиль, км/с;

• друга фаза характеризується сумарним впливом сейсмічних хвиль на об’єкт: поздовжніх і поверхневих. Останні збуджуються поздовжніми хвилями і йдуть від епіцентру поверхнею землі. Сумарна хвиля, що утворюється, має велику амплітуду і може викликати значні руйнування.

Час приходу руйнівної хвилі визначається за формулою:

t₂=h/_ng +R/_пов ; с,

де: _пов - швидкість розповсюдження поверхневих хвиль, км/с.

Проміжок часу, потрібний для вжиття екстрених заходів захисту, визначається як різниця:

t= t₂-t₁ , с.

Приклад – розв’язання

На практиці для швидкої оцінки параметрів землетрусу доцільно користуватися номограмами. Наприклад, потрібно визначити параметри землетрусу і час для вжиття екстрених заходів захисту при таких умовах:

• глибина гіпоцентру землетрусу h = 4 км;

• амплітуда запису сейсмографом коливань ґрунту a = 20 мм;

• відстань від об’єкта А до епіцентру R = 25 км;

• швидкість поздовжніх хвиль v_ng = 6,2 км/с;

• швидкість поверхневих хвиль v_пов = 0,9 км/с.

1. За номограмою рис. 1 визначаємо магнітуду в епіцентрі землетрусу за умови заданого розташування сейсмостанції від епіцентру (300 км).

Поєднавши дані двох крайніх шкал, на перетинанні з середньою шкалою знаходимо М = 5,3 б.

2. За номограмою рис. 2 визначаємо інтенсивність землетрусу в епіцентрі:

І_е = 9 б.

Для визначення інтенсивності землетрусу на об’єкті А знаходимо відстань:

.

Тоді:

І_R = 6,2 б.

Таким чином, будівля потрапляє в зону слабких руйнувань, які характеризуються пошкодженням стін (тріщини, осипання штукатурки), дверей (перекоси коробів), вікон (перекоси блоків і вибиті шибки).

3. Визначаємо площу осередку ураження.

Для цього потрібно спочатку знайти відстань R₅ від епіцентру, що обумовлює межу з інтенсивністю землетрусу в 5 балів.

Поєднавши на номограмі рис. 1. величини на шкалах бальності (5б) і магнітуди (5,3 б), одержуємо, що . Тоді .

Площа осередку ураження:

S = πR₅² = 3,14 · 54,8² = 9448 км².

4. Визначаємо час приходу першої хвилі землетрусу (попереджуючої):

Рис. 1. Номограма шкали бальності

5. Час приходу другої хвилі землетрусу (руйнівної):

6. Час для вжиття екстрених заходів захисту:

Δt = t₂ - t₁ = 28,4 – 4,1 = 24,3 с.

Таблиця 1

Характеристика землетрусу за дванадцятибальною шкалою MSK-64

Бал	Назва землетрусу	Коротка характеристика
1	Непомітний струс ґрунту	Відмічається тільки сейсмічними приладами.
2	Дуже слабкий	Відмічається сейсмічними приладами. Відчувають тільки окремі люди, які знаходяться в повному спокої.
3	Слабкий	Відчуває лише невелика частина населення.
4	Помірний	Розпізнається за легким дрижанням віконних шибок, скрипом дверей і стін.
5	Досить сильний	Під відкритим небом відчувають багато людей, усередині будинків – всі. Загальний струс будівлі, коливання меблів. Маятники годинників часто зупиняються. Тріщини віконного скла і штукатурки. Прокидаються ті, хто спав.
6	Сильний	Відчувають усі. Картини падають зі стін. Окремі шматки штукатурки відколюються.
7	Дуже сильний	Пошкодження (тріщини) в стінах кам’яних будинків. Антисейсмічні, а також дерев’яні будови не пошкоджуються.
8	Руйнівний	Тріщини на схилах і на сирому ґрунті. Пам’ятники зрушують з місця або падають. Будинки сильно пошкоджуються.
9	Спустошливий	Сильне пошкодження і руйнування кам’яних будинків. Старі дерев’яні будинки перекошуються.
10	Нищівний	Тріщини в ґрунті, інколи до метра шириною. Зсуви, обвали зі схилів. Руйнування кам’яних будівель.
11	Катастрофічний	Широкі тріщини в поверхневих шарах землі. Численні зсуви й обвали. Кам’яні будинки майже повністю руйнуються. Сильне викривлення залізничних рейок.
12	Сильно катастрофічний	Зміни в ґрунті досягають великих розмірів. Численні тріщини, обвали, зсуви. Виникнення водоспадів, відхилення течії річок, утворення загат на річках, озерах. Жодна споруда не витримує.

Таблиця 2