11.4: Вплив землетрусів

Last updated
Save as PDF

Page ID: 36298

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Деякі загальні наслідки землетрусів включають структурні пошкодження будівель, пожежі, пошкодження мостів, автомобільних доріг, трубопроводів та ліній електропередачі, ініціювання відмов схилів, зрідження та цунамі. Типи впливів значною мірою залежать від того, де знаходиться землетрус: будь то переважно міський чи сільський, густо чи малонаселений, високорозвинений або слаборозвинений, і звичайно від здатності інфраструктури протистояти трясці.

Як ми бачили на прикладі землетрусу в Мексиці 1985 року, геологічні основи, на яких будуються споруди, можуть мати значний вплив на землетрус. Коли відбувається землетрус, вироблені сейсмічні хвилі мають широкий діапазон частот. Енергія хвиль вищої частоти, як правило, поглинається твердою породою, тоді як хвилі нижчої частоти (з періодами повільніше однієї секунди) проходять через тверду породу, не поглинаючись, але врешті-решт поглинаються і посилюються м'якими відкладеннями. Тому дуже часто спостерігаються набагато гірші пошкодження землетрусу в районах, що підлягають м'яким відкладенням, ніж у районах твердих порід. Хорошим прикладом цього є район Окленда поблизу Сан-Франциско, де частини двошарової магістралі, побудованої на м'яких відкладах, обрушилися під час землетрусу Лома Пріета 1989 року (рис.\(\PageIndex{1}\)).

\(\PageIndex{1}\)Малюнок Частина автостради Кипарис в Окленді, Каліфорнія, яка обвалилася під час землетрусу Лома Пріета 1989 року.

Пошкодження будівель також найбільші в районах м'яких відкладень, а багатоповерхові будівлі, як правило, більш серйозно пошкоджуються, ніж менші. Будинки можуть бути спроектовані таким чином, щоб витримати більшість землетрусів, і ця практика все частіше застосовується в сейсмонебезпечних регіонах. Туреччина є одним з таких регіонів, і хоча Туреччина мала відносно сильний будівельний кодекс у 1990-х роках, дотримання кодексу було поганим, оскільки будівельники робили все можливе, щоб заощадити витрати, включаючи використання невідповідних матеріалів у бетоні та зменшення кількості арматури сталі. Результатом стало те, що було понад 17,000 смертей в 1999 M7.6 Ізміт землетрусу (рис.\(\PageIndex{2}\)). Після двох руйнівних землетрусів того року турецька влада ще більше посилила будівельний кодекс, але новий кодекс був застосований лише в декількох регіонах, і дотримання кодексу все ще слабке, про що свідчить сума збитків від землетрусу M7.1 на сході Туреччини в 2011 році.

Рисунок\(\PageIndex{2}\) Будинки, пошкоджені землетрусом 1999 року в районі Ізміт, Туреччина.

Пожежі зазвичай пов'язані з землетрусами, оскільки розриви паливних трубопроводів і електричні лінії пошкоджуються при струшуванні землі (рис.\(\PageIndex{3}\)). Велика частина збитків у великому землетрусі 1906 року в Сан-Франциско була завдана масовими пожежами в центрі міста (рис.\(\PageIndex{4}\)). Близько 25 тисяч будівель були зруйновані тими пожежами, які підживлювалися розбитими газовими трубами. Боротьба з пожежами була складною, оскільки водопровідні магістралі також розірвалися. Ризик виникнення пожеж може бути зменшений за допомогою систем раннього попередження P-хвилі, якщо комунальні оператори можуть знизити тиск в трубопроводі та закрити електричні ланцюги.

Рисунок\(\PageIndex{3}\) Деякі наслідки землетрусу Тохоку 2011 року в районі Сендай Японії. Горить нафтопереробний завод, а величезну територію затопило цунамі.

Малюнок\(\PageIndex{4}\) Пожежі в Сан-Франциско після землетрусу 1906 року.

Сміттєва гірка, яка знищила велику ділянку житлового району. — \(\PageIndex{5}\)Малюнок Потік сміття Лас-Колінас в Санта-Текла (передмістя столиці Сан-Сальвадор) викликаний землетрусом в січні 2001 в Сальвадорі. Це лише одна з багатьох сотень невдач схилів, що виникли внаслідок цього землетрусу. Понад 500 людей загинули в районі, ураженому цим слайдом.

Землетруси є важливими тригерами для невдач на схилах, які вже слабкі. Прикладом може служити слайд Лас-Колінас в місті Санта-Текла, Сальвадор, який був спровокований морським землетрусом M7.6 в січні 2001 року (рис.\(\PageIndex{5}\)).

Струшування грунту під час землетрусу може бути достатньо, щоб послабити гірські породи та неконсолідовані матеріали до моменту відмови, але в багатьох випадках струшування також сприяє процесу, відомому як зрідження, при якому тверде тіло осаду перетворюється в рідку масу, яка може текти. Коли насичені водою відкладення струшуються, зерна перебудовуються до того моменту, коли вони більше не підтримують один одного. Натомість вода між зернами тримає їх окремо, і матеріал може текти. Зрідження може призвести до обвалення будівель та інших споруд, які в іншому випадку можуть бути неушкоджені. Хорошим прикладом є обвал багатоквартирних будинків під час землетрусу 1964 року в Ніїгаті (M7.6) в Японії (рис.\(\PageIndex{6}\)). Зрідження також може сприяти руйнуванню схилів та фонтанів піщаної грязі (піщаних вулканів) в районах, де під шаром більш згуртованої глини є пухкий насичений пісок.

\(\PageIndex{6}\)Малюнок Обвалені багатоквартирні будинки в районі Ніїгата Японії. Матеріал під будівлями був зріджений в різному ступені землетрусом 1964 року.

Частини дельти річки Фрейзер схильні до пошкоджень, пов'язаних зі зрідженням, оскільки регіон характеризується шаром річного мулу та глини товщиною від 2 метрів до 3 метрів над вершиною щонайменше 10 метрів водонасиченого річного піску (рис.\(\PageIndex{7}\)). За цих умов можна очікувати, що сейсмічне струшування буде посилено і що піщані відкладення розрідяться. Це може призвести до просідання і нахилу будівель, а також до руйнування і ковзання мулового і глиняного шару. Діючі правила будівельного кодексу в дельті Фрейзера вимагають вжити заходів для зміцнення грунту під багатоповерховими будівлями до початку будівництва.

Малюнок\(\PageIndex{7}\) Останні неконсолідовані осадові шари в дельті річки Фрейзер (зверху) та потенційні наслідки у разі руйнівного землетрусу.

Вправа 11.4 Створення зрідження і виявлення гармонічної частоти

Є кілька способів, якими можна продемонструвати процес розрідження для себе. Найпростіший - піти на піщаний пляж (озеро, океан або річка) і знайти місце біля краю води, де пісок мокрий. Це найкраще робити зі знятим взуттям, так що будемо сподіватися, що це не дуже холодно! Стоячи на одному місці на мокрій частині пляжу, починайте рухати ногами вгору і вниз з частотою приблизно раз в секунду. Протягом декількох секунд раніше твердий пісок почне втрачати силу, і ви будете поступово занурюватися до щиколоток.

Якщо ви не можете дістатися до пляжу, або якщо погода не співпрацює, покладіть трохи піску (пісочниця підійде) в невелику ємність, наситіть його водою, а потім злийте зайву воду. Ви можете обережно струсити його, щоб вода відокремилася, а потім вилити зайву воду, і вам, можливо, доведеться робити це не один раз. Помістіть невелику породу на поверхню піску; він повинен сидіти там годинами, не занурюючись. Тепер, тримаючи ємність в одній руці, обережно пробийте бічну або нижню частину іншою рукою, приблизно два рази на секунду. Скеля повинна поступово занурюватися в міру того, як пісок навколо неї стає зрідженим.

Коли ви рухали ноги вгору і вниз або стукали горщик, цілком ймовірно, що ви незабаром виявили найбільш ефективну швидкість отримання піску для зрідження; це було б близько до природної гармонійної частоти для цього тіла матеріалу. Крок вгору і вниз так швидко, як ви можете (кілька разів на секунду) на мокрому пляжі не був би ефективним, і ви не досягли б багато чого, крокуючи раз на кілька секунд. Тіло піску найбільш легко вібрує у відповідь на струшування, близьке до його природної гармонійної частоти, і зрідження також, швидше за все, відбувається на цій частоті.

Див Додаток 3 для вправ 11.4 відповіді.

Землетруси, які відбуваються під океаном, можуть породжувати цунамі. (Цунамі - це японське слово, що позначає гавань хвилі. Вона однакова як в однині, так і у множині.) Найбільш вірогідною ситуацією для значного цунамі є великий (М7 або більше) землетрус, пов'язаний з субдукцією. Як показано на малюнку\(\PageIndex{9}\), протягом часу між землетрусами переважна пластина спотворюється пружною деформацією; вона стискається збоку (рис.\(\PageIndex{9}\) Б) і штовхається вгору.

Малюнок\(\PageIndex{9}\) Пружна деформація та відскок перевизначення пластини при налаштуванні субдукції (B). Вивільнення замкненої зони під час землетрусу (С) призводить як до підняття, так і просідання на морському дні, і це передається на воду над головою, в результаті чого виникає цунамі.

Коли відбувається землетрус (рис.\(\PageIndex{9}\) С), плита відскакує, і на морському дні відбувається як підйом, так і просідання, в деяких випадках на цілих кілька метрів по вертикалі на площі в тисячі квадратних кілометрів. Цей вертикальний рух передається через товщу води, де він генерує серію хвиль, які потім поширюються по океану.

Субдукційні землетруси магнітудою менше 7 зазвичай не породжують значного цунамі, оскільки величина вертикального зміщення морського дна мінімальна. Землетруси з перетворенням морського дна, навіть великі (від M7 до M8), зазвичай не породжують цунамі, оскільки рух переважно збоку в бік, а не вертикальний.

Хвилі цунамі подорожують зі швидкістю кілька сотень кілометрів на годину і легко добираються до дальньої сторони океану приблизно за той же час, що і пасажирський реактивний літак. Імітований, показаний на малюнку\(\PageIndex{10}\), схожий на той, який створив землетрус Каскадія 1700 року біля узбережжя Британської Колумбії, Вашингтона та Орегону, який був зафіксований в Японії через дев'ять годин.

Малюнок\(\PageIndex{10}\) Модель цунамі від землетрусу 1700 Cascadia (навколо M9) показує висоту (кольори) відкритого океану хвилі (кольори) та контури часу подорожі. Амплітуди хвиль цунамі зазвичай збільшуються на мілководді.

Цунамі обговорюються далі в главі 17 під темою хвиль і узбережжя.

Атрибуції ЗМІ

Малюнок\(\PageIndex{1}\): «Кипарис звалився» USGS. Публічне надбання.
Малюнок\(\PageIndex{2}\): «Ізміт, Туреччина землетрус» USGS. Публічне надбання.
Малюнок\(\PageIndex{3}\): «Вертоліт SH-60B летить над Сендаєм» ВМС США. Публічне надбання.
Ілюстрація\(\PageIndex{4}\): «Пожежа в Сан-Франциско 1906» з Бібліотеки Конгресу. Публічне надбання.
Малюнок\(\PageIndex{5}\): «Ель-Сальвадорслайд» USGS. Публічне надбання.
Малюнок\(\PageIndex{6}\): «Зрідження в Ніїгаті». Публічне надбання.
Малюнок\(\PageIndex{10}\): «Максимальна амплітуда цунамі» від NOAA/PMEL/Центр досліджень цунамі. Публічне надбання.