3.6. Разработка практических рекомендаций по снижению риска и уменьшению последствий рассматриваемых природных катастроф

3.6.1. Снижение риска и уменьшение негативных последствий землетрясений

3.6.1.1. Краткие сведения по физике землетрясений

Землетрясения — природные явления, с которыми связаны наиболее сильные катастрофы. Землетрясения – это толчки и колебания земной поверхности, обусловленные смещением горных пород и распространением по грунтовой среде упругих сейсмических волн. При землетрясении, как правило, формируется обширный очаг поражения, на территории которого разрушаются и повреждаются здания, сооружения, гибнут и получают травмы различной степени тяжести люди [1—2].

По механизму образования землетрясения подразделяются на обвальные, наведенные, тектонические, вулканические и вызванные падением космических тел [3].

Обвальные землетрясения происходят при разрушении сводов подземных карстовых пустот, заброшенных шахт, рудников, а также обвалах, сбросах горных пород. Возникающие при этом толчки и колебания земной поверхности относительно слабы.

Наведенные землетрясения связаны с дополнительным давлением на земную кору, создаваемым строящимися крупными плотинами на реках и водохранилищами, а также с изменением порового давления в грунтах при закачке воды в скважины и, наоборот, при интенсивном отборе воды с подземных горизонтов. Например, сильное землетрясение, вызванное заполнением водохранилища имело место в 1967г., в районе расположения плотины Койна в Индии.

Тектонические землетрясения обусловлены движением земной коры. Наша планета имеет сложную структуру. Земная кора и верхняя часть мантии (субстрат) представляют собой твердую наружную оболочку — литосферу. Литосфера не сплошная оболочка. Она состоит из плит, средние горизонтальные размеры которых варьируются от нескольких сотен до нескольких тысяч километров. Ниже литосферы находится горячая мантия. Под действием сил, обусловленных глубинными тепловыми процессами и вращением Земли, плиты движутся со скоростью, как правило, нескольких сантиметров в год. В результате на границах плит возникают огромные механические напряжения, сопровождающиеся разрушением земных пород, что приводит к тектоническим землетрясением, которые являются основным видом землетрясений на планете. Энергия землетрясений оценивается по девятибалльной шкале Рихтера. Балл шкалы — значение магнитуды, которая связана с энерговыделением определенным соотношением. Самые сильные тектонические землетрясения имеют магнитуду 9,0, что соответствует энерговыделению ~10¹⁸ Дж. К числу сильнейших землетрясений XX века относят землетрясение у берегов Эквадора (1906г., магнитуда 8,9), землетрясение у берегов Японии (1933г., магнитуда 8,9). К таким же сильным следует отнести землетрясение магнитудой 8,9 у берегов Японии 11.03.2011г., приведшее к образованию волны цунами, разрушившей атомную станцию Фукусима.

Вулканические извержения могут вызвать также тяжелые последствия, примером тому являются извержения вулканов Томборо в 1815г. и Кракатау в 1883г. в Индонезии. Энерговыделение при извержении и взрыве вулкана Кракатау оценивается величиной~10¹⁹Дж, а вулкана Томборо ~10²⁰Дж.

Землетрясения в результате падения крупных космических тел, хотя и представляют собой явления более редкие, но их последствия могут быть исключительно тяжелыми. Выполненные оценки показывают, что при взрыве космического тела средним диаметром 100 м при его ударе о земную поверхность энерговыделение составляет ~10¹⁷…10¹⁸Дж, диаметром 1км ~ 10²⁰…10²¹Дж, диаметром 10 км ~ 10²³…10²⁴Дж. При взрыве космического тела диаметром 1км в густо населенных районах нашей планеты может погибнуть ~ четверть населения Земли. Падение таких и еще более крупных тел нуждается в специальном исследовании.

На рисунке.1 приведена частота повторяемости различных природных катастроф с энерговыделением от 10¹³ Дж до 10²³…10²⁴ Дж.

Рисунок 1–Частота повторяемости природных катастроф

На этом рисунке область 1 отвечает случаям падений метеоритов и астероидов, 2 — вулканических взрывов, 3 — тектонических землетрясений. Границы областей указывают возможный временный интервал событий. Из рисунка видно, что в среднем катастрофа с энерговыделением 10¹⁸ Дж может быть вызвана землетрясением 1 раз в год, вулканическим взрывом 1 раз в 200…300 лет, падением метеорита 1 раз в ~(50…100) ∙10³ лет.

Максимальное энерговыделение вулканической катастрофы примерно в 100 раз больше, чем при самом сильном тектоническом землетрясении, но периодичность таких событий менее 1 за 1000 лет. Астероиды, крупные метеориты могут вызвать самую крупную на Земле катастрофу, но эти события происходят еще реже. Тем более неожиданным было прохождение в 2004г. вблизи Земли крупного астероида размерами 40×20×15 км, не входящего в Солнечную систему. Такое событие можно объяснить только тем, что двигаясь со скоростью 250км/с вокруг центра нашей галактики Млечный путь по круговой орбите радиусом~30 000 световых лет, то есть~28,4∙10¹⁶км, Солнце проходит за 1 год путь S=7,85∙10⁹ км, за 1000 лет S=7,85∙10¹²км. На таком пути возможны встречи с космическими телами, которые астрономами не наблюдаются.

.1.2. Сейсмический риск

Сейсмический риск — это опасность повреждений зданий, сооружений от землетрясений в данном регионе. Он определяется как вероятность реализации не менее одного землетрясения, наносящего ущерб различным объектам [1,2].

Поражающее действие землетрясения зависит от его интенсивности в районе расположения рассматриваемого объекта. ЮНЕСКО рекомендовано для оценки интенсивности землетрясений использовать двенадцати балльную шкалу MSK—64. Балл этой шкалы соответствует определенным значениям параметров движения грунта (ускорение, скорость, смещение грунта) при распространении сейсмических волн.

Первые пять баллов шкалы отвечают относительно слабым землетрясениям. Землетрясение интенсивностью J=1 балл называется незаметным, J=2 балла – очень слабым, J=3 балла – слабым, J=4 балла – умеренным, J=5 баллов – средним. Повреждения и разрушения зданий имеют место при значении J>5 баллов. Землетрясение интенсивностью J=6 баллов называется сильным, J=7 баллов – очень сильным, J=8 баллов – разрушительным, J=9 баллов – опустошительным, J=10 баллов – уничтожающим, J=11 баллов – катастрофа, J=12 баллов – сильная катастрофа. Определенное представление о характере повреждений и разрушений зданий в зависимости от величин J дают данные таблицы 1. Эти данные можно рассматривать как критерии поражения [4,5].

Таблица 1 — Зависимость степени разрушения зданий от интенсивности землетрясения

Объект	Интенсивность землетрясения J, балл
	Степень разрушения объекта
	Полное	Сильное	Среднее	Слабое	Повреждения	Сейсмо—стойкость
Промышленное здание с тяжелым металлическим или железобетонным каркасом	10-11	9-10	8-9	7 — 8	>6,5	6,5
Промышленное здание с легким металлическим каркасом и здание бескаркасной конструкции	9,5	8-9	7-8	6-7	>6	6
Многоэтажное кирпичное здание (≥3 этажа)	8,5	7-8	6-7	6	>5,5	5,5
Малоэтажное кирпичное здание (1÷2 этажа)	8,5	7- 8	7	6-7	>6	6

Интенсивность землетрясения в эпицентре J_о, балл, определяется по формуле

(3.1)

где Н – глубина очага землетрясения, км; M – магнитуда. Магнитуда связана с энергией землетрясения Q, Дж, соотношением

(3.2)

Интенсивность землетрясения J, балл, на расстоянии L, км, от эпицентра находится по формуле

,

(3.3)

где ∆ — поправка на местные геологические условия. Значения этой поправки: ∆=0 – скальный грунт, ∆=0…1 балл – песчаники или известняки, ∆=1 балл – умеренно прочные породы, ∆=1…2 балла – песчаный грунт и глинистые толщи, ∆=2…3 балла – рыхлые насыпные грунты.

В случаях, когда характер грунта не известен, допускается использовать соотношение

(3.4)

При оценке опасности повреждений зданий, сооружений, то есть определении сейсмического риска, обычно пользуются распределением Пуассона, учитывающего дискретный характер распределения случайной величины.

Согласно рекомендациям [4,5] вероятность P(N,T) появления N рассматриваемых событий за период времени Т определяется в зависимости от среднего числа µ=N_o/T_o таких событий в единицу времени (значения N_o и Т_о считаются известными) по формуле

(3.5)

Из соотношения (3.5) нетрудно определить вероятность того, что произойдет ровно одно событие

(3.6)

Вероятность того, что не произойдет ни одного события

(3.7)

Сейсмический риск, как отмечалось ранее, определяется как вероятность хотя бы одного (не менее одного) рассматриваемого события (землетрясения, наносящего ущерб зданиям, сооружениям)

(3.8)

Видно, что риск R→0 за время T=const тогда, когда µ→0. Снижение риска – сложная инженерная задача.

Применительно к обвальным землетрясениям, происходящим при обрушении сводов шахт, рудников, проводится комплекс мероприятий, включающих в себя выбор строительной площадки, на которой предусматривается строительство зданий, сооружений, укрепление сводов, постоянное за ними наблюдение; применительно к землетрясениям, происходящим при обрушении склонов, — комплекс мероприятий, устраняющих (полностью или частично) причины их возникновения. К числу последних относятся: чрезмерная крутизна склонов, перегрузка верхней части склона инженерными сооружениями, нарушение целостности пород склона оврагами, траншеями, подрезка склона у его подошвы, увлажнение подошвы, смачивание плоскостей напластования подземными водами в результате обильных дождевых осадков и бурного таяния снега. К числу эффективных инженерных решений относятся: разгрузка склонов и их террасирование, отвод поверхностных и подземных вод (устройство подземных галерей, дренажа), посадка древесной и кустарниковой растительности в сочетании с посевом многолетних трав на поверхности склона и др.

Применительно к наведенным землетрясениям, происходящим при неправильном заполнении водохранилищ и, наоборот, при массовом сбросе воды при сильных половодьях и паводках, а также при несанкционированной закачке больших количеств воды в скважины и, наоборот, при интенсивном отборе воды с подземных горизонтов – проведение комплекса организационных и технических мероприятий, исключающих данные негативные явления.

Снизить риск тектонических и вулканических землетрясений в настоящее время не представляется возможным.

Отдельно необходимо остановиться на снижении риска землетрясений, обусловленных падением космических тел. Создание системы защиты Земли от опасных космических объектов (ОКО) – чрезвычайно сложная задача. Прежде всего, необходимо создание глобальной сети телескопов для постоянного наблюдения за крупными астероидами и кометами, а также создание при обсерваториях вычислительных центров, оснащенных мощными ЭВМ для расчетов траекторий движения ОКО.

С целью изменения траектории ОКО представляются необходимыми встречными пуски ракет с ядерными зарядами, достижение ими заданных точек пространства в точно рассчитанное время и осуществление необходимого количества контактных на поверхности ОКО или заглубленных ядерных взрывов. Не исключены и другие способы воздействия на такие объекты, например, использование лазерного оружия. Несмотря на чрезвычайную сложность, поставленная задача должна быть решена.

Следует иметь ввиду, что из космоса возможно появление объектов с такими свойствами, которые до настоящего времени не известны человечеству, и которые не могут быть заранее спрогнозированы. Но чем больше люди будут изучать ОКО, тем меньше будет неопределенность в их свойствах, тем выше будет эффективность мер противодействия.

3.6.1.3. Прогноз землетрясений

Известно, что число землетрясений, происходящих в определенный интервал времени в данном районе, снижается с увеличением их магнитуд

,

(3.9)

где N – число землетрясений магнитудой M, К1 – коэффициент сейсмической активности района, К2 – тектоническая константа.

Подтверждением этого соотношения могут служить данные табл.2, в которой проводится сопоставление числа землетрясений на нашей планете в зависимости от их магнитуд.

Таблица 2—Число землетрясений в течение года и их магнитуды

Магнитуда землетрясения, М	Число землетрясений в год, N
8	1…2
7…8	15…20
6…7	100…150
5…6	750…1000
4…5	5000…7000

Установив коэффициенты К1 и К2, можно оценить возможность сильного землетрясения в конкретном районе по наблюдениям за слабыми землетрясениями в определенный период времени. Соотношение (3.9) справедливо при M≤M_max для данного региона.

Коэффициент k₁ учитывает местные геологические условия и определяется по результатам наблюдений землетрясений в рассматриваемом районе. Для этого размеры района и интервал времени должны быть стандартизированы (например, 1000км² и 50 лет).

Тектоническая константа k₂ учитывает особенности тектонических плит или особенности геологии относительно больших регионов. Примеры таких регионов: Крым, Кавказ, Прибайкалье, Камчатка и др.

На основании соотношения (3.9) разработаны методики по определению максимально возможной интенсивности землетрясения в различных районах, на базе которых составлены сейсмические карты.

На территории СНГ районы возможных 9—ти бальных землетрясений находятся в Средней Азии, Прибайкалье, Камчатке, Курильских островах; 8—ми бальных — на Кавказе, в Молдавии, в Южной Сибири. Русская равнина и Урал — почти вся территория относится к 5—ти бальной зоне; Среднерусская возвышенность — к 4-х бальной. В районе среднего течения р.Ками и среднего Урала, включая район г.Екатеринбурга, выделяется 6—ти бальная зона. Она продлевается по р.Мезень до северного побережбя Кольского полуострова (землетрясения 1936 и 1937г.г интенсивностью 6...7 баллов в бассейне р.Мезень).

Действующая нормативная карта утверждена в 1969г. — СНиП П—А 12—69. На карте выделены районы 6,7,8,9-ти балльных землетрясений, а так же районы, где возможны землетрясения более 9-ти баллов. Определенное представление о размерах этих районов можно составить по данной таблицы 3.

Таблица 3—Зоны различной интенсивности сейсмических воздействий

Регион	Площадь (тыс.км2) при интенсивности землетрясения в баллах
	6	7	8	9
Алтай и Саяны	330	176	96	17
Восточная Сибирь	738	620	187	182
Якутия и район Магадана	903	233	124
Чукотка	114	26
Камчатка и Командорские о—ва	148	63	53	41
Курильские острова				16
Сахалин	30	46
Приморье	155	9
Крым	11	3	1

Несомненно, что важно спрогнозировать время возникновения, положение эпицентра и интенсивность землетрясения. Если землетрясение нельзя предотвратить, то, по крайней мере, необходимо вовремя предупредить население, чтобы люди покинули дома и вышли на открытое место (на удаление, равное или больше высоты здания) и вдали от линий электропередач и тем самым снизить до минимума число возможных жертв.

На чем основывается возможность предсказания землетрясений?

Следует отметить способ, который заключается в экстраполяции на будущее данных наблюдений за землетрясениями в прошлом. Это основа долгосрочного прогноза. Обобщаются сведения о землетрясениях за несколько десятков или сотен лет, оценивается по сейсмическим риск. Места возможных землетрясений оцениваются по сейсмическим картам.

Эффективным средством краткосрочного прогноза является комплексная оценка предвестников землетрясения, к которым относятся предварительные толчки — форштоки, изменение параметров геофизических полей, изменение состава подземных вод, изменение поведения животных.

Не останавливаясь подробно на всех предвестниках, следует отметить, что перед началом землетрясения подземные породы находятся в сильно напряженном состоянии. Возникновение значительных механических напряжений заметно изменяет свойства пород, они становятся аномальными, то есть необычными. Наблюдаются аномалии разного рода: электрические, магнитные и т.д. Аномальные отклонения геофизических полей обнаруживают с помощью соответствующих приборов, устанавливаемых на сейсмических станциях. Высокоэффективными оказываются наблюдения за геофизическими аномалиями с помощью приборов, устанавливаемых на искусственных спутниках Земли.

Нарастание механических напряжений приводит также к увеличению концентраций в подземных водах радона, гелия, неона, аргона, криптон. Растут их концентрации и в газовых потоках, которые давление в недрах Земли «выжимает» к земной поверхности. Проводя химически анализ воды или газа в существующих и специально пробуренных скважинах, можно выявить назревающее землетрясение.

К необычному поведению животных перед землетрясением следует отнести беспокойство рыб в аквариумах, мелких домашних животных, пресмыкающих в горах. Так успешное предсказание Хайченского землетрясения 1975г. в немалой степени основывалось на сообщениях о необычном поведении животных.

На территории нашей страны развернута сеть постоянно действующих сейсмических станций, входящих в единую систему сейсмических наблюдений(ЕССН). Данные наблюдений об угрозе землетрясений докладываются в центр срочных сообщений в г. Обнинске. После обработки данных заключение передается в систему оповещения Гражданской обороны и другим заинтересованным организациям.