из книги А.Д. Потапова Землетрясения. Причины, последствия и обеспечение безопасности

Землетрясения всегда вызывали у людей страх и одновременно повышенный интерес. Описания многих древнейших землетрясений дошли до наших времен. Наиболее полный каталог — китайский, уходящий в прошлое почти на 2800 лет. В этом удивительном документе настолько подробно описаны все умеренные и сильные землетрясения, начиная с 780 г. до н.э. до наших дней, что в 50-х гг. XX в. совместный труд историков и сейсмологов позволил построить на этом материале карту сейсмического районирования Китая. В Японии имеется полный каталог разрушительных землетрясений начиная с 1600 г. Есть и другие примеры составления каталогов и многочисленных более или менее подробных описаний землетрясений.

Наука начинается с измерений и сопоставлений. Попытки классифицировать землетрясения можно найти еще у античных авторов и в трудах эпохи Возрождения. Начиная с XVII в., классификация становится более определенной, а в конце XVIII в. и в XIX в. появляется большое количество описательных шкал, составленных во время изучения последствий землетрясений. Одной из первых можно считать шкалу, составленную Д. Пигнаторо в 1783 г. по результатам обследования последствий землетрясения в Калабрии (Италия).

Выдающиеся ученые Р. Мале (Маллет), Монтессю де Баллор, И.В. Мушкетов, А. Зиберг, Ю. Шмидт, М. Неймайер и ряд других оставили превосходные образцы не только описания, но и анализа последствий обследованных землетрясений.

Английский ученый Р. Мале, обследуя Неаполитанское землетрясение, случившееся 16 декабря 1857 г., произвел детальное картирование территории, подвергшейся сотрясениям. Он систематизировал сведения об ощущениях людей, повреждениях и разрушениях зданий, сейсмических деформациях земной поверхности. На основании этих сведений Мале построил карту изосейст, выделив районы с одинаковой интенсивностью сотрясений, определил эпицентр землетрясения, выяснил, как уменьшалось воздействие сотрясений по мере удаления от эпицентра. Сейсмологи до настоящего времени используют интенсивность сотрясения как самую распространенную меру силы землетрясения.

Сила землетрясения на поверхности земли в пункте наблюдения, измеряемая в баллах макросейсмической шкалы, определяется по реакции на сотрясения людей, предметов быта, сооружений и объектов природной среды.

Как было отмечено выше, шкалы интенсивности вырабатывались постепенно. Они были основаны на описании повреждений построек, поведения людей при землетрясении, видимых изменений земной поверхности. Лучшие из этих шкал подчиняются известному закону Вебера — Фехнера, согласно которому наши органы чувств реагируют на внешние воздействия так, что увеличение воздействия в определенное число раз воспринимается как увеличение на одну ступень. Баллы — это и есть условные ступени шкалы интенсивности.

Первую современную макросейсмическую шкалу создали в 1883 г. М. Росси в Италии и Ф. Форель в Швейцарии, работая независимо. Эта 10-балльная шкала Росси — Фореля (приложение 1) получила в свое время большое распространение, но по мере общего прогресса науки и техники устаревала. В ней не учитывались вид и качество построек; иногда одно явление приведено как признак разных интенсивностей, например звон колоколов — признак V, VI и VII баллов; не было количественной оценки некоторых понятий.

Эти недостатки частично были устранены улучшенной 12-балльной шкалой, предложенной итальянским сейсмологом и вулканологом Д. Меркалли в 1902 году. А. Канкани и А. Зиберг детализировали шкалу Меркалли разнообразными проявлениями землетрясений. В 1917 г. она была принята Международной ассоциацией сейсмологии и физики недр Земли как шкала Меркалли - Канкани—Зиберга (шкала МКЗ-17). В европейских странах пользовались преимущественно этой шкалой.

Шкалу МКЗ использовали в свою очередь Г. Вуд и Ф. Ньюман (1931 г.) для разработки модернизированной шкалы Меркалли (ММ- 31). В шкале ММ-31, как и в предыдущих, не уточнялось, что понимается под качеством кладки, имелись некоторые повторы и неточности. В 1956 г. Ч. Рихтер частично устранил эти недостатки, и шкала стала называться «Модернизированная шкала Меркалли, вариант 1956 г.». Упрощенный и отредактированный вариант этой шкалы, широко используемый в США и в настоящее время, приведен в приложении 2. В этой шкале еще осталось много неопределенностей, например, неоднозначны понятия: «небольшие повреждения», «большие разрушения», «некоторые», «частично» и т.д.

В Японии в 1900 г. введена 7-балльная сейсмическая шкала, предложенная Ф. Омори. Эта шкала перерабатывалась три раза. В настоящее время применяется ее последний вариант 1950 г. (шкала JMA-1950, или АМ-50, приложение 3).

Модификация шкалы ММ-31, соответствовавшая условиям СССР, была разработана С. В. Медведевым в 1953 г. (шкала ИФЗ — Иинститута физики Земли). Для преодоления неопределенностей, имевших место в шкалах МКЗ-17 и ММ-31, Медведев использовал статистику. Анализ описаний сотен землетрясений позволил ему дать количественную оценку большинству ранее неоднозначных понятий.

В 1963-1964 гг. С. Медведевым (СССР), В. Шпонхойером (ГДР), В. Карником (Чехословакия) на основе шкалы ИФЗ была создана новая сейсмическая шкала MSK-64, получившая название по фамилиям ее авторов (приложение 4). MSK-64 представляет собой модификацию шкалы МКЗ и отличается от нее большей определенностью. Здесь уточнены типы сооружений, даны количественные оценки понятиям «отдельные», «многие», «большинство», впервые приведена классификация повреждений зданий, произведена группировка основных признаков интенсивности землетрясения. В качестве дополнения приведены условные характеристики колебаний (ускорение, скорость, амплитуда) при землетрясениях различной силы.

Шкала MSK-64 была рекомендована международными организациями для применения во всех странах. В СССР и преемственно в Российской Федерации эта шкала получила очень широкое распространение. В частности, она использовалась при составлении комплекта карт общего сейсмического районирования (ОСР-97) территории Северной Евразии, в том числе и России (СНиП 11-7-81*, 2000). Комплект карт ОСР-97 действует и в настоящее время. В приложении 6 приведено сопоставление шкалы MSK-64 с другими сейсмическими шкалами.

На основе шкалы MSK-64 группой европейских ученых разработана и издана под редакцией Г. Грюнтеля в 1998 г. единая Европейская макросейсмическая шкала (European Macroseismic Scale — EMS-98) — приложение 5 (используется для оценки сейсмической интенсивности в европейских и в ряде других стран за пределами Европы). Однако в нее не вошли инструментальные и инженерногеологические признаки (остаточные явления в грунтах, изменения режима грунтовых вод и земной поверхности и др.), имеющиеся в шкале MSK-64.

Шкала MSK-64, являясь в целом существенным шагом вперед в развитии сейсмологии, также не лишена недостатков. В частности, она не предусматривает использование сейсмостойких зданий для определения сейсмического балла, недостаточно обоснованы значения условных характеристик колебаний, приведенные в шкале в качестве дополнения, не использованы для идентификации сильных землетрясений сведения о длине, амплитуде разрывных сейсмотектонических дислокаций на поверхности земли.

Устойчивость здания (сооружения) и его элементов зависит в конечном итоге от максимального ускорения и колебания, которое это здание испытывает. Еще в 1904 г. А. Канкани предложил выразить баллы через ускорения, что нашло отражение уже в шкалах МКЗ, ММ и многих других (табл. 3.1). Широкого практического использования для определения интенсивности землетрясения этот показатель пока не нашел из-за большой трудности получения массового, пригодного для статистической обработки цифрового материала по ускорениям с места землетрясения и из-за большого разброса значений фактически замеряемых ускорений, что и требует массовости измерений во время землетрясения, что недоступно даже для населенных и богатых научными центрами местностей. Верхняя и нижняя оценка значений максимальных ускорений для одного и того же балла, по данным различных авторов (сводка Эйби, 1966), отличается в 11 и более раз (см. табл. 3.1). Но из той же таблицы видно, что во всех шкалах увеличение ускорения всего в 2—2,5 раза соответствует увеличению интенсивности на один балл.

Сейсмическое ускорение сегодня, не будучи средством идентификации балла совершившегося землетрясения, является важнейшей прогностической характеристикой для расчета сейсмостойкости здания и сооружения. Расчетчику прежде всего требуется знать, какое сейсмическое ускорение получит масса здания или сооружения при землетрясении. Расчетный балл, ожидаемый на строительной площадке по результатам сейсмологических и инженерно-геологических исследований, должен быть переведен в расчетное ускорение.

Таблица 3.7

Максимальные ускорения колебаний грунтов при землетрясениях, а, см/с²

В последнем выпуске строительных норм и правил по строительству в сейсмических районах (СНиП Н-7-81*), как и в предыдущем 1982 г., принято «максимальные амплитуды ускорений основания принимать не менее 100, 200 или 400 см/с² при сейсмичности 7, 8 и 9 баллов соответственно» (СНиП 11-7-81* Строительство в сейсмических районах, 2004).

Для более объективной инструментальной оценки интенсивности С.В. Медведев изобрел специальный прибор СБМ (сейсмометр балльности системы Медведева), имитирующий колебания здания. Прибор устроен так, что, если его толкнуть, он колеблется с той же амплитудой, что и небольшой кирпичный дом; после толчка эти колебания затухают так же быстро, как и колебания дома. Использование показаний прибора СБМ (и других аналогичных) для установления сейсмического балла рекомендовано всеми шкалами типа MS К.

Как указывает автор СБМ (Медведев, Шебалин, 1967), используя только показания приборов, можно выиграть в точности локального определения интенсивности, но проиграть в суммарной ее оценке. В самом деле, материалы хорошо изученного землетрясения — это систематизированные обследования многих тысяч домов в десятках населенных пунктов на площади в тысячи и десятки тысяч квадратных километров. А сейсмометр — это одна точка. Неизвестно, будь в поселке сотня сейсмометров, каким было бы их среднее показание и насколько оно отличалось бы от единственного полученного измерения.

По этой причине количественные данные сейсмометра СБМ могут использоваться лишь как опорные при сопоставлении с материалами обследования, но в широкой практике для определения балльности пока используется описательная часть шкалы.

Предложения по совершенствованию сейсмических шкал продолжались. Бюро Межведомственного совета по сейсмологии и сейсмостойкому строительству (СССР) одобрило 16.11.1973 г. проект под названием «Шкала и система измерения сейсмической интенсивности в баллах» (Сейсмическая шкала... 1975). Приоритет в этой шкале отдается инструментальным данным, и совершенно игнорируются ощущения людей и реакции предметов. Эта шкала мало эффективна для оценки силы землетрясений прошлых столетий и районов с редкой сетью сейсмических станций. Проект так и не был утвержден, но вошел в справочник (Курмаев, 1979).

В 1984 г. И. Ершов и Н. Шебалин опубликовали проект модернизированной шкалы MSK-64, названный MMSK-84. В этом проекте для установления балльности предусмотрен (дополнительно к базовой шкале) учет реакции сейсмостойких зданий и предметов быта, приведена формула для расчета интенсивности землетрясения по сейсмологическим данным, уточнены значения характеристик колебаний. В последующем были разработаны и другие модификации шкалы: MMSK-86 (Шебалин) и MMSK-92 (Шебалин, Аптикаев). На основе шкал MSK-64, MMSK-86 и MMSK-92 Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии разрабатывает новый национальный стандарт РФ «Шкала интенсивности землетрясений», проект которого опубликован в интернете.

Ф.Ф. Аптикаев предложил также новые пределы значений максимальных ускорений и смещений грунта, соответствующих баллам шкал типа MSK (см. табл. 3.1), и вероятностный подход для их однозначного установления. Он же приводит пределы скоростей и резонансных смещений для интенсивности сотрясений от II до IX баллов (Аптикаев, 2000).

Многообразие шкал сейсмической интенсивности (ШСИ) объясняется сложностью создания единой шкалы. Это связано прежде всего с существенным отличием в различных сейсмических поясах геодинамических и климатических условий, вида и качества применяемых строительных материалов и изделий, планировочных и конструктивных решений зданий (зависящих, в частности, от народных традиций и уровня развития техники и технологий), инженерногеологических условий и других факторов.

В качестве альтернативы общепланетарным шкалам сейсмической интенсивности предложено создание принципиально новых шкал — региональных шкал сейсмической интенсивности (РШСИ) для территорий с примерно одинаковым геодинамическим режимом, сходными климатическими и инженерно-геологическими условиями и относительно небольшим разнообразием видов и типов застройки.

На основе шкалы MMSK-92 разработана (Шерман и др., 2003) применительно к Прибайкалью шкала РШСИ-2002, которая базируется в равной степени на микросейсмических, инструментальных и геодинамических факторах. Макросейсмические данные позволяют оценить балльность произошедшего сейсмического события по результатам его воздействия на объекты и субъектов. На основании этих сведений можно впоследствии корректировать региональные строительные нормы и правила. Инструментальные характеристики наиболее важны на стадии проектирования конструкций. Геодинамические факторы, призванные оценивать геодинамический режим, геолого-структурную обстановку и инженерно-геологические условия региона, дают основания для прогноза вероятной сейсмической ситуации при возникновении сейсмического события.

По мнению авторов шкалы РШСИ-2002, сочетание трех групп факторов расширяет возможности РСШИ, превращая ее из экспертного измерительного инструмента еще и в прогнозный. Разработанная конструкция РШСИ-2002 является комплексной, сочетающей в себе реакции антропогенной и геологической сред, числовые характеристики движения грунта или скального основания и геоди- намические факторы, способные их усилить или ослабить. В этом плане геодинамические составляющие выполняют прогнозную роль, позволяют прогнозировать воздействия на сооружения при том или ином балле.

Подводя итог, можно сказать, что для характеристики силы землетрясения (интенсивности сотрясения, балльности) по всем современным шкалам можно использовать несколько признаков. Главным из них пока остается степень повреждения зданий и сооружений. Для слабых землетрясений, когда повреждений зданий нет, основными признаками являются поведения людей, реакции предметов, показания приборов. При катастрофических землетрясениях, когда большинство несейсмостойких зданий разрушается, главными критериями для установления балла являются реакции сейсмостойких зданий, сейсмические деформации поверхности, изменения гидрогеологического режима подземных вод, показания приборов, сейсмологические данные.

Шкалы и в обозримом будущем сохранят свое значение, так как, во-первых, не во всех районах имеются сейсмостанции и, во- вторых, длительная история землетрясений до начала XX в. отражена в форме описаний, которые позволяют через шкалу сейсмической балльности включить событие в современные каталоги. По этим описаниям иногда, пользуясь шкалами, можно с той или иной степенью точности построить карты изосейст, определить эпицентры, магнитуды и балльность далеких от нас по времени сейсмических катастроф. Для ненаселенных районов, где были землетрясения, но нет письменной информации, балльность прошлых сейсмических событий можно оценить по оставленным ими сейсмотектоническим дислокациям (Солоненко, 1962). Это было сделано, например, при детальном сейсмическом районировании территории медно-молибденового месторождения и г. Эрденет в Монголии (Сейсмическое районирование в северной Монголии, 1980), где авторы по сейсмотектоническим дислокациям реконструировали балл и магнитуду для 34 землетрясений. Информация об интенсивности прошлых землетрясений, как будет сказано далее, имеет важное значение при сейсмическом районировании территорий.