Cutremurele de pamant. notiuni generale, caracteristici, marimi, intensitati.

CUTREMURELE DE PAMANT. NOTIUNI GENERALE, CARACTERISTICI, MARIMI, INTENSITATI.

Cunostinte privind cauzele si manifestarea cutremurelor de pamant in conditiile tarii noastre

Cutremurele de pamant (seismele) sunt zguduiri bruste si de foarte scurta durata ale unor portiuni din scoarta (crusta) terestra.

Cauzele interne (din interiorul Pamantului) sunt cele mai frecvente iar miscarea placilor tectonice reprezinta principala cauza a producerii seismelor. In cazul miscarilor convergente a doua placi tectonice si mai ales in procesele de subductie, se creeaza tensiuni enorme. Cand se produce detensionarea au loc cutremurele de pamant.

Eruptiile vulcanice pot de asemenea sa determine producerea cutremurelor. Dintre cauzele externe mentionam: prabusirile care pot avea loc in golurile subterane, prabusirea unor stanci etc.

Fig. 1. Placile tectonice si tipurile de cutremure la scara globala: 1 - cutremure de adancime mica (normale) majore (30-70 km); 3 - cutremure de adancime mijlocie (intermediare) (70-300 km); cutremure cu focare profunde (de adancime) (300-700 km).

Cele mai frecvente cutremure sunt de origine tectonica iar energia care se elibereaza se extinde pe zone intinse de la suprafata terestra.

Punctul teoretic in care se produce ruptura initiala (in realitate exista o zona de fracturare) se numeste focar sau hipocentru iar punctul situat la suprafata pamantului, pe verticala focarului, poarta denumirea de epicentrul cutremurului. Localizarea pozitiei focarului si epicentrului se obtine pe baza prelucrarii inregistrarilor miscarilor seismice in statii echipate cu aparatura specifica.

In orele sau zilele de dupa un seism puternic se produc de obicei miscari denumite replici sau post - socuri, care in principiu ar trebui sa indice descarcare energiei si o anumita linistire a zonei. In anumite cazuri activitatea seismica poate insa continua cu asa-numitele roiuri de cutremure.

Pe teritoriul Romaniei se manifesta, in functie de adancime, mai multe categorii de cutremure:

- superficiale (0≤H≤5 km);

- crustale (normale) (de regula 5≤H≤30 km, ajungand pana la 60 km in zona Vrancea);

- intermediare (60 . 70km≤H≤100 . 180 . 220) km), specifice numai zonei Vrancea.

Cele mai puternice si care afecteaza o arie intinsa sunt cutremurele de tip intermediar, localizate la curbura muntilor Carpati, in zona Vrancea, cu placi tectonice care au fost intr-un proces de coliziune intre Platforma Est - Europeana si blocul intra - Carpatic, cu 16 milioane de ani mai inainte, in contact la diferite adancimi, si unde se considera ca de aproape 10 milioane de ani procesul de subductie activa s-a blocat.

Zona epicentrala a cutremurelor intermediare poate fi formal incadrata intr-o arie avand dimensiuni de cca. 30 x 80 km) orientat oarecum oblic in planul vertical, care, ipotetic, ar fi ultima parte ramasa suspendata in adancime, in contact cu mantaua inferioara, si al carei proces de fragmentare, faliere pe contur si/sau scufundare ar fi la originea seismelor intermediare.

Cutremurele intermediare produse la aceasta adancime, cu magnitudini M de peste 7 (pe scara Richter) pot sa conduca la intensitati seismice de VII-VIII grade pe scara MSK pe o arie de peste o treime din teritoriul tarii, fiind un factor major de risc, seismele sunt resimtite si la mari distante (Moscova, St. Petersburg, Atena, Istanbul);

Datele statistice istorice arata o asa-numita "ciclicitate", in ultimul mileniu, marile seisme din zona Vrancea producandu-se, in medie, de cca. 3 ori pe secol. Adancimea mare a acestor seisme face ca aria afectata sa fie extinsa, Bucurestiul fiind apropiat de aceasta zona.

In celelalte zone epicentrale ale Romaniei se produc doar cutremure normale, legate direct de fracturi intracrustale:

- seismele sunt moderate si de joasa energie, evenimentele distructive producandu-se la intervale de peste un secol, perioadele de revenire sunt mai mari decat pentru Vrancea, dar in intervalele de intensificare a activitatii efectele pot fi repetate in roiuri de seisme;

- intensitatile de 7- 8 grade MSK se pot extinde pe arii de cateva sute de kilometri patrati afectand cateva zeci de localitati rurale si unele localitati urbane; pe plan local efectele pot fi deosebit de puternice.

Pe o harta de zonare seismica se pot observa zonele seismice din teritoriu, dintre care zona afectata de cutremurele de Vrancea este cea mai intinsa, iar cele afectate de cutremurele superficiale sunt in Banat, Crisana, Maramures, Fagaras, Tarnave.

Putem constata ca aproape tot teritoriul tarii este puternic seismic, zonele seismice afectand peste 60 % din populatie, prin urmare este foarte important sa stim sa ne protejam in cazurile de incidenta a unor astfel de fenomene naturale.

Unde seismice

Energia eliberata brusc din focar in momentul producerii unui dezechilibru tectonic se propaga in toate directiile sub forma undelor seismice, care sunt :

. unde de adancime care pot fi :

- de tip longitudinal sau de dilatatie (numite unde primare sau prime - P, deoarece ajung primele la un eventual observator), constau in dilatari si comprimari succesive pe directia de propagare ;

- de tip transversal sau de forfecare (numite unde secundare sau secunde - S), cu oscilatii intr-un plan perpendicular pe directia propagarii.

. unde superficiale de tip Rayleigh (R) si Lowe (Q) si unde lungi (L).

Undele seismice de adancime se produc in interiorul pamantului si se transmit din focar spre suprafata libera a terenului. Vitezele de propagare ale acestor unde, depind de caracteristicile geologice ale mediului si cresc cu adancimea.

Intrucat directia de propagare devine aproape verticala in vecinatatea suprafetei libere a terenului, undele S (transversale) produc cele mai importante efecte inertiale asupra constructiilor.

Amplitudinea miscarii terenului scade pe masura departarii de epicentru, dar poate creste de la roca de baza pana la suprafata in cazul depozitelor geologice aluvionare si afanate. Energia corespunzatoare perioadelor scurte se disipeaza (se preia de catre mediu), iar energia componentelor cu perioade lungi devine predominanta, avand in vedere si rolul de filtru dinamic pe care il are mediul superficial de propagare.

In multe cazuri, in orele sau zilele de dupa socul principal se mai produc treptat si alte miscari, denumite replici sau post-socuri, care, de regula, sunt mai putin puternice.

Marimea oscilatiilor produse de cutremure se determina cu aparate denumite seismografe sau accelerografe dar informatiile minime obisnuite transmise populatiei se refera la magnitudinea si intensitatea miscarilor produse.

Magnitudine si intensitate

Magnitudinea este o marime care se exprima printr-o valoare adimensionala (numar) determinata prin calcul, pe baza unor masuratori ale semnalului seismic inregistrat pe durata unui anumit cutremur.

Ca semnificatie fizica, magnitudinea este considerata ca o masura obiectiva a energiei eliberate in focar la producerea seismului. Pe baza corelatiilor logaritmice dintre magnitudine si amplitudine, repectiv energia radiata sub forma undelor seismice, rezulta ca de fiecare data cand magnitudinea creste cu o unitate, amplitudinea undelor seismice inregistrate creste de 10 ori, iar energia totala de cca. 32 de ori.

Scari de magnitudini

Scara de magnitudini seismice este o scara relativa care ierarhizeaza cutremurele intr-o maniera comparativa, pe baza amplitudinilor maxime reduse la conditii identice. Aceasta "scara" initiala (de fapt o suita de valori) introdusa de Richter in 1935, este scara de magnitudini locale (ML), definita pentru sudul Californiei, SUA, cutremure superficiale si distante epicentrale mai mici decat cca. 600 km; utilizarea ei pentru alte regiuni sau distante trebuie facuta cu precautie, avand in vedere posibilele si probabilele diferente in procesul de atenuare a undelor seismice.

Din definitia magnitudinii reiese ca aceasta nu are din punct de vedere teoretic limita inferioara sau superioara, dar marimea cutremurului este limitata la partea superioara a scarii de rezistenta rocilor din crusta terestra, astfel incat domeniul scarii este cuprins intre aproximativ -3 si 9,5. In afara de scara initiala Richter, au fost dezvoltate si alte scari de magnitudine (MB, MS, MW ).

Scari de intensitate seismica

Intensitatea este o masura a severitatii miscarii terenului pe baza evaluarii marimii (amplorii) efectelor observate intr-o zona de intindere redusa in care se presupune ca acestea sunt relativ uniforme. Efectele observate se refera la mediul natural, constructii, obiecte din acestea si ocupanti.

Succesiunea descrierii crescatoare a efectelor observate ale seismelor alcatuieste o scara de intensitati, cu elemente conventionale, uneori statistice, de apreciere comparativa. In istoria seismologiei sunt cunoscute scarile Rossi-Forel (1873), Mercalli (1883), Mercalli Cancani-Sieberg (MCS 1903-1923), Mercalli Modificata (MM; 1931-1935), Medvedev-Sponheuer-Karnik (MSK 1964), avand cate 12 grade, Scara japoneza JMA-Agentia Meteorologica Japoneza, noua Scara Europeana de Intensitati - EMS - 1998 etc. La unele scari s-au adaugat si valori ale unor parametri masurabili instrumental pentru acceleratii, viteze si deplasari.

Majoritatea acestor scari cu 12 grade sunt, in mare, reciproc echivalente in ceea ce priveste valorile efective, dar variaza din punctul de vedere al complexitatii formularilor.

Prezentarea in paralel a descrierilor pe grade nu semnifica insa suprapunerea exacta, deoarece fiecare scara are metodologia sa de cuantificare.

Zonele seismice din Romania

Studiile de inginerie seismica si experienta cutremurelor precedente au condus la elaborarea de metode de calcul al constructiilor la cutremur si harti de zonare seismica.

Zonarea seismica presupune identificarea ariilor expuse seismelor, la nivelul unor tari  sau regiuni, potrivit unor criterii faptice - istorice, geologice, geofizice, cu reprezentarea marimii miscarilor terenului in corelatie cu reprezentarea geografica, potrivit unor parametri seismologici sau de inginerie seismica (intensitati, acceleratii, viteze, deplasari).

Intensitatile seismice probabile pe teritoriul Romaniei sunt redate in figura 2.a prin harta de zonare exprimata in grade de intensitate seismica pe scara MSK (STAS 11100/1-93), asemanatoare cu scara Mercalli, la care face referinta in mod uzual.

Fig. 2. a. Zonarea seismica a teritoriului Romaniei - intensitati pe scara MSK , conf. SR

11100 - 1: 93 Zonarea seismica. Macrozonarea teritoriului Romaniei (indicele 1 indica o

perioada medie de revenire de minimum 50 de ani iar indicele 2 indica o perioada medie de

revenire de minimum 100 de ani a intensitatilor respective)

Pe acea harta, cifrele intre 6 si 9 exprima grade de intensitate MSK (si nu magnitudini) iar indicele 1 exprima o perioada medie de revenire de minimum 50 de ani, iar indicele 2 o perioada medie de revenire de minimum 100 de ani a intensitatilor respective, in sens statistic-probabilistic (Nota: aceste cifre cu indici nu vor fi confundate cu valorile de magnitudini!!!).

Forma scurta a scarilor de intensitate MM si MSK

Forma scurta a scarii EMS-98

Intensitatea seismelor se apreciaza dupa gravitatea distrugerii cladirilor, constructiilor, dupa tipul si amploarea deformarilor suprafetei terestre si dupa reactiile populatiei la socul seismic. Efectele socului se diminueaza proportional cu cresterea distantei fata de epicentru. Cea mai utilizata scara de intensitate este scara Mercalli Modificat CMMD (sau MM) si prezinta urmatoarele caracteristici:

Trebuie retinut deci ca:

-magnitudinea se refera numai la marimea conventionala a seismului, energia declansata de socul seismic, in zona epicentrala.

-intensitatea se refera la marimea efectelor seismului in diferite amplasamente, fiind diferita in diferite locuri si descrescand in general cu distanta fata de epicentru (fenomenul de atenuare).

Pentru proiectarea antiseismica constructiilor exista harti speciale, cum este cea prezentata in fig. 2.b., preluata din Codul P.100-1/2006, care reda zonarea teritoriului Romaniei in termeni de valoare de varf a acceleratiei orizontale a terenului.

Sistemele de alerta seismica si inchidere preventiva a retelelor si surselor de mare risc

Sistemul de alerta sau alarmare seismica pentru Bucuresti, se bazeaza pe observatiile referitoare la cutremure de adancime intermediara de Vrancea, la care pentru magnitudini de pana la Mw=8.0, si o distanta epicentrala de 130-150 km, diferenta de timp intre sosirea undelor longitudinale P in zona epicentrala si a undelor transversale S in Bucuresti, ar fi intotdeauna mai mare de 25 s, cea ce ar reprezenta timpul maxim posibil de alarmare. Clientii firmei furnizoare primesc anticipat pe pager anuntul, prin semnal sonor, dar in acel moment nu se stie ce marime va avea cutremurul. Utilizarea extinsa, in special in conditii publice, pune problema instruirii utilizatorilor pentru o utilizare corecta si eficienta a informatiilor oferite de acest sistem, avand in vedere ca reactia acestora poate avea un impact social potential deosebit.

Sistemul de Avertizare Seismica in Timp Real INCDFP, lansat experimental in 2005, ar permite ca in maximum 0,9 - 1,2 secunde (din cele 20-28 secunde pana la sosirea undelor seismice distrugatoare) sa se poata bloca automat obiectivelor si retelele de interes national cu risc major la cutremure puternice si activa mijloacele de salvare, protectie si interventie.

Efectele cutremurelor asupra mediului

In principiu, seismele pot actiona asupra mediului inconjurator prin modificarea starii de echilibru a structurilor superficiale ale terenului prin:

v    rupturi in scoarta insotite de prabusiri sau procese de faliere;

v    alunecari de teren cu antrenarea unor versanti;

v    tasari si lichefieri de depozite nisipoase saturate.

Efectele cutremurelor asupra constructiilor si a ansamblurilor de constructii

Cutremurele pot produce asupra constructiilor si a ansamblurilor de constructii efecte negative, uneori cu caracter de dezastru, prin:

v    distrugerea (prabusirea) totala sau partiala a unor cladiri vulnerabile;

v    distrugerea unor elemente (structurale sau nestructurale) componente ale unor cladiri sau avarierea lor;

v    distrugerea/avarierea unor echipamente si instalatii din cladiri a unor retele publice de utilitate vitala (de alimentare cu apa,gaze, energie electrica, energie termica, transport, comunicatii) si izolarea unor zone;

v    incendii si explozii in cladiri sau in cartiere, localitati;

v    blocarea unor intersectii de strazi principale, ca urmare a prabusirii unor cladiri si impiedicarea operatiunilor de salvare-ajutorare.

Fig. 3. Prabusirea unei parti dintr-o cladire veche din Bucuresti, insuficient de

rezistenta la seisme. Ca urmare a cutremurului vrancean din 4 martie 1977, peretii din zidarie s-au prabusit in strada si au pus in pericol trecatorii

Fig. 4. Cladiri construite inainte de 1940, fara a fi proiectate sa reziste la seisme,

prabusite la cutremurul din 4 martie 1977.

Stanga Complex Nestor, Calea Victoriei; dreapta Bloc Casata, Bd. Gh. Magheru, Bucuresti

Experienta cutremurului de Vrancea din 4 martie 1977 a demonstrat ca in zonele unde miscarea seismica a fost mai puternica, multe scoli vechi cu structura din zidarie portanta au avut de suferit. In tara noastra s-au inregistrat circa 15 % prabusiri si avarii grave si 10 % avarii usoare (procente raportate la suprafata construita).

Ca o caracteristica generala cladirile au prezentat fisurarea si ruperea stalpilor de beton armat sau a spaletilor de zidarie, fisurarea si dislocarea unor pereti transversali. S-au produs dislocari de ziduri in special in zonele cu neregularitati in plan, rupturi in pereti si deplasarile acestora pe orizontala iar la casele scarilor zidaria s-a crapat si desprins la colturi urmand linia rampelor. Datorita caderii unor cosuri s-au produs si prabusiri locale de plansee; la planseele de lemn s-a produs desprinderea de pe reazemele perimetrale si au cazut portiuni mari de tencuiala.

Riscul seismic reprezinta probabilitatea de a se produce efecte negative, avarii si pierderi in cazul unui seism, considerand o anumita perioada de timp de referinta.

Riscul seismic referitor la constructii depinde de:

-hazardul seismic (factorul cauzal, seismicitatea, in expresie matematica, probabilistica, prin modul in care se repeta fenomenele puternice de-a lungul timpului istoric);

-expunerea la risc a unor elemente (prezenta lor in zona seismica - constructiile vor fi mereu expuse riscului in timp ce unele persoane pot pleca un timp din zonele neseismice in zonele seismice ori invers, sau din cladiri, si astfel isi schimba expunerea);

-vulnerabilitatea (susceptibilitatea unor constructii de a suferi avarii la seisme (depinzand de calitatile lor antiseismice, avarierea la seisme precedente, deteriorarea in timp, etc.

Trebuie retinut ca in timp ce hazardul seismic nu poate fi modificat de oameni, si in general nici expunerea constructiilor, care sunt fixe, vulnerabilitatea acestora poate fi redusa prin interventii (consolidari), astfel incat sa fie redus riscul.

Legile in vigoare se refera la reducerea riscului seismic ca prioritate nationala. In prezent exista legi care obliga la consolidari, ca si la masuri de pregatire, inclusiv in unitatile de invatamant, pentru a face fata situatiilor de urgenta in caz de seisme. In ultimii ani au fost consolidate numeroase cladiri de scoli si licee.

Cheia prevenirii ranirilor este ca sa avem o cladire sigura, mobilerul, obiectele si echipamentele sa fie fixate iar persoanele sa fie instruite sa se protejeze.