Природные катастрофы. Землетрясения

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат

 

по дисциплине   «Основы безопасности жизнедеятельности»

на тему  «Природные катастрофы. Землетрясения».

 

 

 

 

 

 

Содержание.

1. Введение……………………………………………………………………………….3
2. Механизм возникновения землетрясений……………………………………………….4.
3. Расчеты энергии землетрясений……………………………………………………..5.
4. Интенсивность проявления землетрясений…………………………………………7.
5. Землетрясение в Армении в 1988 году………………………………………………8.
6. Как действовать во время землетрясений…………………………………………...9.

 

 

 

 

 

Введение.

Одним из наиболее частых и  страшных природных катастроф является землетрясения. Землетрясение представляет собой сейсмические явления, возникающие в результате внезапных смещений и разрывов в земной коре или верхней части мантии, передающиеся на большие расстояния в виде резких колебаний, приводящих к разрушению зданий, сооружений, пожарам и человеческим жертвам.. Они уносят десятки и сотни тысяч человеческих жизней и вызывают опустошительные разрушения на огромных пространствах. Сильные землетрясения носят катастрофический характер, уступая по числу жертв только тайфунам и значительно (в десятки раз) опережая извержения вулканов. Материальный ущерб одного разрушительного землетрясения может составлять сотни миллионов долларов. Число слабых землетрясений гораздо больше, чем сильных. Так, из сотни тысяч землетрясений, ежегодно происходящих на Земле, только единицы катастрофических. Причины возникновения землетрясений бывают разные: тектонические, вулканические, представляющие наибольшую опасность, а также обвальные, наведенные и др. В горах во время землетрясения возможны обвалы и лавины. Под водой в это время возникают огромные волны, называемые цунами и вызывающие страшные разрушения на суше. К сожалению, предсказать место и время землетрясения, за исключением нескольких случаев, до сих пор еще не удается, но ученые различных стран прилагают большие усилия в изучении природы землетрясений. Единицей измерения землетрясений, а точнее их силы, является балл. Под угрозой землетрясений находятся обширные территории, многие густонаселенные области и даже целые страны, например Япония. Землетрясения – важная составная часть окружающей нас среды, и ни один район земного шара нельзя считать полностью от них избавленным.

 

 

 

 

Механизм возникновения  землетрясений.

Выяснение причин землетрясений и  объяснение их механизма - одна из важнейших задач сейсмологии. Общая картина происходящего представляется следующей.

 В очаге происходят разрывы  и интенсивные неупругие деформации  среды, приводящие к землетрясению.  Деформации в самом очаге носят  необратимый характер, а в области,  внешней к очагу, являются сплошными,  упругими и преимущественно обратимыми. Именно в этой области распространяются  сейсмические волны. Очаг может  либо выходить на поверхность,как при некоторых сильных землетрясениях, либо находиться под ней, как во всех случаях слабых землетрясений.

 Путем непосредственных измерений  были получены до сих пор  довольно немногочисленные данные  о величине подвижек и видимых  на поверхности разрывов при  катастрофических землетрясениях. Для слабых землетрясений непосредственные  измерения невозможны. Наиболее  полные измерения разрыва и  подвижек на поверхности были  проведены для землетрясения  1906г. в Сан-Франциско. На основании  этих измерений Дж.Рейд в 1910г. выдвинул гипотезу упругой отдачи. Она явилась отправной точкой для разработки различных теорий механизма землетрясений. Основные положения теории  Рейда следующие:

1. Разрыв сплошности горных пород, вызывающий землетрясение, наступает в результате накопления упругих деформаций выше предела, который может выдержать горная порода. Деформации возникают при перемещении блоков земной коры друг относительно друга.

2. Относительные перемещения блоков  нарастают постепенно.

3. Движение в момент землетрясения  является только упругой отдачей:  резкое смещение сторон разрыва  в положение, в котором отсутствуют  упругие деформации.

4. Сейсмические волны возникают  на поверхности разрыва - сначала  на ограниченном участке, затем  площадь поверхности, с которой  излучаются волны, растет, но скорость  ее роста не превосходит скорости  распространения сейсмических волн.

5. Энергия, освобожденная во  время землетрясения, перед ним  была энергией упругой деформации  горных пород. 

В результате тектонических движений в очаге возникают касательные  напряжения, система которых, в свою очередь, определяет действующие в  очаге скалывающие напряжения. Положение  этой системы в пространстве зависит  от так называемых нодальных поверхностей в поле смещений(y=0,z=0).

В настоящее время для изучения механизма землетрясений используют записи сейсмических станций, размещенных  в разных точках земной поверхности, определяя по ним направление  первых движений среды при появлении  продольных (P) и поперечных (S) волн. Поле смещений в волнах P на больших расстояниях от источника выражается формулой

U_P=-F_yzyzr/(pra²L^{2 2}-y²)

где F_yz  - сила действующая на площадке радиусом r; r - плотность горных пород; a - скорость P - волны; L расстояние до пункта наблюдения.

 

В одной из нодальных плоскостей расположена площадка скольжения. Оси сжимающих и растягивающих напряжений перпендикулярны линии их пересечения и составляют с этими плоскостями углы в 45^о . Так что, если на основе наблюдений найдено положение в пространстве двух нодальных плскостей продольных волн, то этим самым будут установлены положение осей главных напряжений, действующих в очаге, и два возможных положения поверхности разрыва.

Границу разрыва называют дислокацией  скольжения. Здесь главную роль играют дефекты кристаллической структуры  в процессе разрушения твердых тел. С лавинным нарастанием плотности  дислокации связаны не только механические эффекты, но и электрические и  магнитные явления, которые могут  служить предвестниками землетрясений. Поэтому главный подход к решению  проблемы предсказания землетрясений  исследователи видят в изучении и выявлении предвестников различной  природы.

В настоящее время общепринятыми  являются две качественные модели подготовки землетрясений, которые объясняют  возникновение предвестниковых явлений. В одной из них развитие очага землетрясения объясняется дилатансией, в основе которой лежит зависимость объемных деформаций от касательных усилий. В водонасыщенной пористой породе, как показали опыты, это явление наблюдается при напряжениях выше предела упругости. Возрастание дилатансии приводит к падению скоростей сейсмических волн и подъему земной поверхности в окрестности эпицентра. Затем в результате диффузии воды в очаговую зону происходит увеличение скоростей волн.

Согласно модели лавиноустойчивого трещинообразования явления предвестников могут быть объяснены без предположения о диффузии воды в очаговую зону. Изменение скоростей сейсмических волн можно объяснить развитием ориентированной системы трещин, которые взаимодействуют между собой и по мере роста нагрузок начинают сливаться. Процесс приобретает лавинный характер. На этой стадии материал неустойчив, происходит локализация растущих трещин в узких зонах, вне которых трещины закрываются. Эффективная жескость среды возрастает, что приводит к увеличению скоростей сейсмических волн. Изучение явления показало, что отношение скоростей продольных и поперечных волн перед землетрясением сначала уменьшается, а затем возрастает, и эта зависимость может являться одним из предвестников землетрясений.

 

Расчеты энергии  землетрясений 

 

Оценка энергии землетрясений  представляет большое значение для  выявления их взаимосвязи и причин возникновения. Такая связь существует: слабые землетрясения могут являться предвестниками сильных. Важно классифицировать землетрясения по величине энергии. Оценка их силы в баллах, требуя обследования на местности, может быть дана далеко не всегда (особенно в малонаселенных районах и на морях). Немаловажно, что балльная оценка делается, как правило, не для эпицентра, а для ближайшего к нему населенного пункта. Энергия же землетрясения может быть рассчитана по данным сейсмических станций для любого зарегистрированного колебания, причем это будет величина, характеризующая не эпи-, а гипоцентральную область землетрясения.

Остановимся на понятии "энергия  землетрясения". Причиной землетрясения  являются значительные деформацииземных слоев. С энергетической точки зрения землетрясение есть "освобождение" энергии деформации и переход ее в другие формы. Освобождающаяся энергия расходуется главным образом на разрушение горных пород в районе очага, часть ее переходит в тепло и лишь небольшая доля этой энергии идет на образование упругих волн, излучаемых очагом. Умение определять общую освобождаемую энергию позволило бы судить о величине потенциальной энергии деформаций, вызывающих землетрясение, оценивать по наблюдениям сейсмических станций силу сотрясения в эпиценральной области и т.п. Термин "энергия землетрясения" можно употреблять для обозначения суммарной энергии упругих волн, излученных в очаге.

.

Определение энергии по методу Б.Б. Голицина сводится к нахождению полного потока энергии сейсмической волны в окрестности очага по плотности потока энергии в точке наблюдения. Из анализа сейсмограмм удаленных сейсмических станций видно, что главная часть энергии приходится всегда на так называемую главную фазу землетрясения, т.е. на долю сейсмических волн, распространяющихся вдоль поверхности Земли. Если бы волны не затухали, то общее количество энергии E, прошедшей через площадь сечения в 1 см² на расстоянии L, равным эпицентральному, было бы равно E_^=E/(2pL²). Но так как в реальном случае мы имеем дело с затухающими волнами, то E_^=Ee^-KL/(2pL²). (K - коэффициент затухания поверхностной сейсмической волны). Полная энергия, выделившаяся при образовании поверхностной волны). Полная энергия выделившаяся при преобразовании поверхностной волны, оказывается равной E=2p L²e^KL E_^.

Определим E_^ - энергию в точке наблюдения. Для определения энергии, протекающей через единицу поверхности, нормальной к распространению волны, мысленно вырежем в среде вдолб нормали к фронту цилиндр с основанием 1 см² и длинной dn. Его масса будет равна rdn (r - плотность породы). При прохождении волны цилиндр отклоняется от положения равновесия. Если скорость движения цилиндра относительно  положения равновесия X=dx/dt ( X - смещение от положения), то кинетическая энергия цилиндра dE_^кин=rdnX²/2 или E_^кин=rcX²dt/2. Заменим dn на cdt, где c - скорость распространения поверхностной волны. Чтобы получить значение всей кинетической энергии, протекшей через точку наблюдения, достаточно проинтегрировать эту формулу по времени прохождения волны через точку наблюдения: E_^кин=(rc/2) X²dt

Необходимо учесть также потенциальную эергию прошедшей упругой волны. Известно, что средняя потенциальная эергия равна средней кинетической. Следовательно, полную энергию E_^, прошедшую через точку наблюдения, получим, удвоив значение E_^кин:

E_^кин=rc X²dt

Вычисление этого интервала  представляет значительные технические  трудности ввиду сложной зависимости  X от t. Обычно считают, что приходящую волну можно разбить на ряд последовательных интевалов, в пределах которых колебания почвы синусоидальны. Это раносиль предположению о том, что запись землетрясения можно разбить на n  участков продолжительностью dt_i с постоянными амплитудами и периодами T_i. Для гармонических колебаний X=Acos(2pt/T), следовательно X²dt=2p²A²t/T², если t>> T. Здесь A=X_max - максимальное смещение почвы; T период колебаний. Тогда

E_^=2p²rc (A/T²)(Dt_i),

E=4p²rcL²e^KL (A/T²)(Dt_i).

Если исходить из физической объемных и поверхностных волн, то правильно  определять энергию землетрясений  как сумму энергий продольной и поперечной волн: E=E_P + E_S или E_P,S= 4p²L² E_^. Коэффициент поглощения K  для объемных волн в среднем составляет 0.00024 км^-1.

Однако выделение участков записи ос постоянными амплитудами и  периодами для объемных волн обычно оказывается невозможным, и приходится разбивать запись на интервалы с  относительно постоянным периодом и  подставлять в формулу для  E_^ средние значения смещений в выбранных интервалах. Приведенные формулы для определения полной энергии не учитывают искривления сейсмических лучей и являются поэтому приближенными; в частности, при определении энергии по объемным волнам  возможна ошибка на три порядка. Более точная формула должна учитывать действительную форму сейсмических лучей. Тогда формула имеет следующий вид:

E_P,S=4pR²sinL sinf₀/(df_n/dL) cosf_n) e^KL E_^,

где f₀, f_n - угол выхода волны в точке наблюдения и в очаге; R - средний радиус Земли. При использавании этой формулы нужно в каждом отдельном случае определять угол выхода или знать углы выхода в функции расстояния от источника.

При выводе формул для энергии землетрясения  было сделано предположение об однородности излучения энергии из очага. наблюдения, однако, показывают, что это предположение не соответствует действительности, так как очаг всегда характеризуется направленностью излучения. поэтому для получения истинной величины энергии нужно усреднять значения, полученные по данным сейсмических станций, лежащих в разных азимутах от эпицентра.