Исследование влияния почвы при землетрясении 11 марта в Японии может улучшить проектирование зданий
Японское землетрясение Тохоку 11 марта является одним из сильнейших из когда-либо зарегистрированных. Поскольку оно произошло в одной из самых оснащенных приборами сейсмических зон мира, эта природная катастрофа предоставила ученым уникальный массив данных о редких землетрясениях магнитудой 9. Среди новой информации — первое исследование о том, как толчок такой силы влияет на горные породы и почву под поверхностью.
Анализируя данные с нескольких измерительных станций, ученые из Технологического института Джорджии обнаружили, что землетрясение ослабило подповерхностные материалы до 70%. Этот нелинейный отклик верхнего слоя земной коры повлиял на то, как движение разломов глубоко под поверхностью передавалось зданиям, мостам и другим сооружениям.
Понимание реакции грунта на мощные землетрясения может быть важно для инженеров и архитекторов, проектирующих будущие здания, способные выдержать уровень ускорения, измеренный при этом толчке. Информация также поможет сейсмологам разработать новые модели для прогнозирования последствий этих редких и чрезвычайно мощных событий.
«Степень нелинейности в прочности грунта была одной из самых больших из когда-либо наблюдавшихся», — сказал Чжиган Пэн, доцент Школы наук о Земле и атмосфере Технологического института Джорджии. «Это, пожалуй, не слишком удивительно, потому что сотрясение грунта, вызванное этим землетрясением — ускорение до трех раз превышающее земную гравитацию — также является одним из самых высоких из когда-либо наблюдавшихся».
Результаты были опубликованы в специальном выпуске журнала Earth, Planets and Space (EPS). Исследование было поддержано Национальным научным фондом (NSF) и Центром изучения землетрясений Южной Калифорнии (SCEC).
Пэн и аспирант Чуньцюань У были одними из первых ученых, изучивших данные, записанные высококачественными сейсмометрами японской сети сильных движений KIK-Net. На станциях есть акселерометры как на поверхности, так и в скважинах, расположенных на коренной породе глубоко под ней. Исследователи выбрали для изучения данные шести станций, где наблюдается сильный контраст скоростей между поверхностными слоями почвы и подстилающей коренной породой.
В этом исследовании мы пытались понять взаимосвязь между нелинейностью грунта и пиковым ускорением грунта (PGA), которое является мерой сотрясения грунта, — сказал У. — Мы хотим понять, какие параметры контролируют такую реакцию.
Сравнивая данные об ускорении движения с датчиков на коренной породе с аналогичной информацией с поверхностных датчиков, они смогли изучить, как свойства грунта изменились в ответ на сотрясение. Исследователи вычислили спектральные отношения для каждой пары измерений станций, а затем использовали эти отношения для отслеживания временных изменений реакции грунта на разных участках при различных уровнях пикового ускорения грунта.
«Модуль сдвига грунта уменьшался до 70% во время самых сильных сотрясений», — пояснил У. — Обычно у поверхности находится почва и несколько слоев осадочных пород. Под ними — коренная порода, которая намного тверже поверхностного материала. Когда распространяются сейсмические волны, верхние слои почвы могут усиливать их.
Нелинейный отклик грунтов — не редкость, хотя он варьируется в зависимости от их состава. Подобные, но меньшие эффекты наблюдались в других сейсмоопасных районах, таких как Калифорния и Турция, сказал У. Неглубокие слои верхней коры Земли могут быть сложными, состоящими из различных типов почвы, частиц глины, гравия и более крупных пород, залегающих в осадках.
Поскольку землетрясение 11 марта длилось необычно долго и вызвало широкий спектр движений грунта сильно различающейся силы, оно предоставило беспрецедентный набор данных ученым, интересующимся нелинейным поведением грунта.
Помимо непосредственного эффекта самого сильного толчка, исследователей интересовало, как грунты восстанавливают свою прочность после прекращения сотрясения. Это время восстановления может варьироваться от долей секунды до нескольких лет, сказал У.
Также изучалась реакция грунта на афтершоки, которые после основного землетрясения Тохоку достигали магнитуды 7,9.
Информация, полученная исследователями из Технологического института Джорджии, будет передана сейсмологам, разрабатывающим новые модели опасности очень мощных землетрясений. Знание того, как грунты реагируют на сильное сотрясение, также важно для прогнозирования того, как движение глубоко внутри Земли будет передаваться сооружениям, построенным на поверхности.
«Понимание того, как грунт теряет и восстанавливает свою прочность во время и после крупных землетрясений, имеет решающее значение для лучшего понимания и прогнозирования сильных движений грунта, — отметил Пэн. — Это, в свою очередь, поможет инженерам-сейсмологам улучшить проектирование зданий и фундаментов и в конечном итоге может помочь защитить людей в будущих землетрясениях».