Шкала интенсивности землетрясений Меркалли: описание и применение

Введение

Шкала сейсмической интенсивности, используемая для количественной оценки степени сотрясений во время землетрясений.

Модифицированная шкала сейсмической интенсивности Меркалли (ММ, ММИ или МКС) измеряет проявления землетрясения в конкретной точке. Это отличается от сейсмической магнитуды, обычно сообщаемой для землетрясения. Шкалы магнитуды измеряют внутреннюю силу или энергию землетрясения – события, происходящего на большей или меньшей глубине. (Шкала "" широко используется.) Шкала ММ измеряет интенсивность сотрясений в любой конкретной точке на поверхности. Она была разработана на основе шкалы интенсивности Меркалли, предложенной Джузеппе Меркалли в 1902 году. Хотя сотрясения, ощущаемые на поверхности, вызваны сейсмической энергией, высвобождаемой землетрясением, землетрясения различаются по тому, какая часть их энергии излучается в виде сейсмических волн. Они также различаются по глубине, на которой происходят; более глубокие землетрясения оказывают меньшее воздействие на поверхность, их энергия распределяется в большем объеме, а энергия, достигающая поверхности, рассеивается на большей площади. Интенсивность сотрясений является локальной. Как правило, она ослабевает с увеличением расстояния от эпицентра землетрясения, но может усиливаться в осадочных бассейнах и на определенных типах рыхлых грунтов. Шкалы интенсивности классифицируют интенсивность эмпирически, основываясь на эффектах, о которых сообщают необученные наблюдатели, и адаптируются к тем эффектам, которые могут наблюдаться в конкретном регионе. Поскольку они не требуют инструментальных измерений, они полезны для оценки магнитуды и местоположения исторических (доинструментальных) землетрясений: наибольшие интенсивности обычно соответствуют эпицентральной области, а их величина и протяженность (возможно, дополненные знанием местных геологических условий) могут быть сопоставлены с другими местными землетрясениями для оценки магнитуды.

История

Итальянский вулканолог Джузеппе Меркалли сформулировал свою первую шкалу интенсивности в 1883 году. Она включала шесть степеней или категорий, была описана как «лишь адаптация» тогдашней стандартной шкалы Росси–Фореля в 10 градусов и теперь «в значительной степени забыта». Вторая шкала Меркалли, опубликованная в 1902 году, также являлась адаптацией шкалы Росси–Фореля, сохранив 10 градусов и расширив описания каждой степени. Эта версия «нашла признание у пользователей» и была принята Итальянским центральным бюро метеорологии и геодинамики. В 1904 году Адольфо Канкани предложил добавить две дополнительные степени для очень сильных землетрясений – «катастрофа» и «огромная катастрофа», таким образом создав 12-градусную шкалу. Поскольку его описания были недостаточно полными, Август Генрих Зиберг дополнил их в 1912 и 1923 годах и указал пиковое ускорение грунта для каждой степени. Шкала широко использовалась в Европе и до сих пор применяется в Италии Национальным институтом геофизики и вулканологии (INGV). Когда Гарри О. Вуд и Фрэнк Нейман перевели эту шкалу на английский язык в 1931 году (вместе с модификацией и сокращением описаний, а также исключением критериев ускорения), они назвали её «модифицированной шкалой интенсивности Меркалли 1931 года» (MM31). Некоторые сейсмологи называют эту версию «шкалой Вуда–Неймана». Не желая, чтобы эта шкала интенсивности смешивалась со шкалой магнитуды Рихтера, разработанной им ранее, он предложил назвать её «модифицированной шкалой Меркалли 1956 года» (MM56). Карл Стовер и Джерри Коффман проигнорировали пересмотр Рихтера и присваивали интенсивности, основываясь на их слегка измененной интерпретации шкалы Вуда и Неймана 1931 года, фактически создав новую, но в основном не задокументированную версию шкалы. Геологическая служба США (и другие агентства) номинально использует MM31 Вуда и Неймана в качестве основы для присвоения интенсивностей. Однако это обычно интерпретируется с учетом модификаций, обобщенных Стовером и Коффманом, поскольку в десятилетиях, прошедших с 1931 года, «некоторые критерии более надежны, чем другие, как индикаторы уровня сотрясения». Кроме того, строительные нормы и методы эволюционировали, что сделало большую часть застроенной среды более прочной, из-за чего заданная интенсивность сотрясения кажется слабее. Также некоторые из первоначальных критериев наиболее интенсивных степеней (X и выше), такие как деформированные рельсы, трещины в земле, оползни и т. д., «в большей степени связаны с наличием грунта, склонного к разрушениям, чем с уровнем сотрясения».

Italian volcanologist Giuseppe Mercalli formulated his first intensity scale in 1883. It had six degrees or categories, has been described as "merely an adaptation" of the then standard Rossi–Forel scale of 10 degrees, and is now "more or less forgotten". Mercalli's second scale, published in 1902, was also an adaptation of the Rossi–Forel scale, retaining the 10 degrees and expanding the descriptions of each degree. This version "found favour with the users", and was adopted by the Italian Central Office of Meteorology and Geodynamics. In 1904, Adolfo Cancani proposed adding two additional degrees for very strong earthquakes, "catastrophe" and "enormous catastrophe", thus creating a 12 degree scale. His descriptions being deficient, August Heinrich Sieberg augmented them during 1912 and 1923, and indicated a peak ground acceleration for each degree. and was used extensively in Europe and remains in use in Italy by the National Institute of Geophysics and Volcanology (INGV). When Harry O. Wood and Frank Neumann translated this into English in 1931 (along with modification and condensation of the descriptions, and removal of the acceleration criteria), they named it the "modified Mercalli intensity scale of 1931" (MM31). Some seismologists refer to this version the "Wood–Neumann scale". Not wanting to have this intensity scale confused with the Richter magnitude scale he had developed, he proposed calling it the "modified Mercalli scale of 1956" (MM56). Carl Stover and Jerry Coffman ignored Richter's revision, and assigned intensities according to their slightly modified interpretation of Wood and Neumann's 1931 scale, effectively creating a new, but largely undocumented version of the scale. The basis by which the U. S. Geological Survey (and other agencies) assigns intensities is nominally Wood and Neumann's MM31. However, this is generally interpreted with the modifications summarized by Stover and Coffman because in the decades since 1931, "some criteria are more reliable than others as indicators of the level of ground shaking". Also, construction codes and methods have evolved, making much of built environment stronger; these make a given intensity of ground shaking seem weaker. Also, some of the original criteria of the most intense degrees (X and above), such as bent rails, ground fissures, landslides, etc., are "related less to the level of ground shaking than to the presence of ground conditions susceptible to spectacular failure".

Модифицированная шкала интенсивности Меркалли

Меньшие степени шкалы MMI обычно описывают, как люди ощущают землетрясение. Более высокие числа шкалы основаны на наблюдаемых структурных повреждениях. В этой таблице приведены значения MMI, которые обычно наблюдаются в местах, близких к эпицентру землетрясения.

The lesser degrees of the MMI scale generally describe the manner in which the earthquake is felt by people. The greater numbers of the scale are based on observed structural damage. This table gives MMIs that are typically observed at locations near the epicenter of the earthquake. Scale level Peak ground acceleration (approx.) Ground conditions Notable Examples I. Not felt < Not felt except by very few under especially favorable conditions. II. Weak Felt only by a few people at rest, especially on upper floors of buildings. Delicately suspended objects may swing. III. Weak Felt quite noticeably by people indoors, especially on upper floors of buildings: Many people do not recognize it as an earthquake. Standing vehicles may rock slightly. Vibrations are similar to the passing of a truck, with duration estimated. IV. Light Felt indoors by many, outdoors by few during the day: At night, some are awakened. Dishes, windows, and doors are disturbed; walls make cracking sounds. Sensations are like a heavy truck striking a building. Standing vehicles are rocked noticeably. 2006 Pangandaran earthquake and tsunami V. Moderate Felt by nearly everyone; many awakened: Some dishes and windows are broken. Unstable objects are overturned. Pendulum clocks may stop. 2010 Mentawai earthquake and tsunami VI. Strong Felt by all, and many are frightened. Some heavy furniture is moved; a few instances of fallen plaster occur. Damage is slight. 2021 West Sulawesi earthquake VII. Very strong Damage is negligible in buildings of good design and construction; but slight to moderate in well built ordinary structures; damage is considerable in poorly built or badly designed structures; some chimneys are broken. Noticed by motorists. May 1998 Afghanistan earthquake,2002 Hindu Kush earthquakes,and 2009 Sumatra earthquakes VIII. Severe Damage slight in specially designed structures; considerable damage in ordinary substantial buildings with partial collapse. Damage great in poorly built structures. Fall of chimneys, factory stacks, columns, monuments, walls. Heavy furniture overturned. Sand and mud ejected in small amounts. Changes in well water. Motorists are disturbed. 2011 Tōhoku earthquake and tsunami,2021 Haiti earthquake,and 2023 Herat earthquakes IX. Violent Damage is considerable in specially designed structures; well designed frame structures are thrown off kilter. Damage is great in substantial buildings, with partial collapse. Buildings are shifted off foundations. Liquefaction occurs. Underground pipes are broken. 2006 Yogyakarta earthquake,June 2022 Afghanistan earthquake,and 2023 Al Haouz earthquake X. Extreme > Some well built wooden structures are destroyed; most masonry and frame structures are destroyed with foundations. Rails are bent. Landslides considerable from river banks and steep slopes. Shifted sand and mud. Water splashed over banks. 2010 Haiti earthquake,April 2015 Nepal earthquake,and 2018 Sulawesi earthquake and tsunami XI. Extreme Few, if any, (masonry) structures remain standing. Bridges are destroyed. Broad fissures erupt in the ground. Underground pipelines are rendered completely out of service. Earth slumps and land slips in soft ground. Rails are bent greatly. 1995 Kobe earthquake,2005 Kashmir earthquake,and 2008 Sichuan earthquake XII. Extreme Damage is total. Waves are seen on ground surfaces. Lines of sight and level are distorted. Objects are thrown upward into the air. 1939 Erzincan earthquake,1960 Valdivia earthquake,and 2023 Turkey–Syria earthquakes

Уровень шкалы | Пиковое ускорение грунта (приблизительно) | Условия грунта | Примечательные примеры
---|---|---|---
I. Не ощущается | < Не ощущается, за исключением очень немногих людей в особенно благоприятных условиях. | |
II. Слабое | Ощущается лишь немногими людьми в состоянии покоя, особенно на верхних этажах зданий. Деликатно подвешенные предметы могут раскачиваться. | |
III. Слабое | Довольно заметно ощущается людьми в помещении, особенно на верхних этажах зданий: многие не осознают это как землетрясение. Стоящие транспортные средства могут слегка покачиваться. Вибрации похожи на проезд грузовика, с примерной оценкой продолжительности. | |
IV. Умеренное | Ощущается многими в помещении, немногими на улице днем: ночью некоторых будит. Посуда, окна и двери дребезжат; в стенах слышны треск. Ощущения похожи на удар тяжелого грузовика о здание. Стоящие транспортные средства заметно раскачиваются. | | 2006 Пангандаранское землетрясение и цунами
V. Умеренное | Ощущается почти всеми; многие просыпаются: разбивается некоторая посуда и окна. Неустойчивые предметы опрокидываются. Маятниковые часы могут остановиться. | | 2010 Землетрясение и цунами в Ментауи
VI. Сильное | Ощущается всеми, многие пугаются. Перемещается некоторая тяжелая мебель; в отдельных случаях осыпается штукатурка. Повреждения незначительны. | | 2021 Землетрясение в Западном Сулавеси
VII. Очень сильное | Повреждения незначительны в зданиях хорошего проектирования и строительства; незначительные или умеренные – в хорошо построенных обычных зданиях; значительные – в плохо построенных или неправильно спроектированных зданиях; некоторые дымоходы разрушаются. Замечают автомобилисты. | | Май 1998 Афганское землетрясение, 2002 Землетрясения в Индукуше, и 2009 Суматранское землетрясение
VIII. Сильное | Незначительные повреждения в специально спроектированных зданиях; значительные повреждения в обычных капитальных зданиях с частичным обрушением. Значительные повреждения в плохо построенных зданиях. Обрушение дымоходов, заводских труб, колонн, памятников, стен. Переворачивается тяжелая мебель. Небольшое количество песка и грязи выбрасывается наружу. Изменения в уровне воды в скважинах. Автомобилистам становится неудобно. | | 2011 Землетрясение и цунами в Тохоку, 2021 Землетрясение на Гаити и 2023 Землетрясения в Герате
IX. Разрушительное | Значительные повреждения в специально спроектированных зданиях; хорошо спроектированные каркасные здания сдвигаются с опор. Значительные повреждения в капитальных зданиях с частичным обрушением. Здания сдвигаются с фундаментов. Происходит разжижение грунта. Разрушаются подземные трубопроводы. | | 2006 Землетрясение в Йогьякарте, июнь 2022 Афганское землетрясение, и 2023 Землетрясение в Аль-Хаузе
X. Интенсивное | Некоторые хорошо построенные деревянные здания разрушаются; большинство каменных и каркасных зданий разрушаются вместе с фундаментом. Изгибаются рельсы. Значительные оползни с берегов рек и крутых склонов. Перемещаются песок и грязь. Вода переливается через берега. | | 2010 Землетрясение на Гаити, апрель 2015 Непальское землетрясение, и 2018 Землетрясение и цунами в Сулавеси
XI. Интенсивное | Остается мало, если вообще, (каменных) зданий. Разрушаются мосты. В земле образуются широкие трещины. Подземные трубопроводы полностью выходят из строя. Земля оседает и сползает на мягких грунтах. Рельсы сильно изгибаются. | | 1995 Землетрясение в Кобе, 2005 Землетрясение в Кашмире, и 2008 Землетрясение в Сычуани
XII. Интенсивное | Повреждения полные. На поверхности земли видны волны. Искажаются линии обзора и горизонт. Предметы поднимаются в воздух. | | 1939 Эрзинканское землетрясение, 1960 Вальдивское землетрясение, и 2023 Землетрясения в Турции и Сирии

Корреляция с величиной

Типичная максимальная модифицированная интенсивность по шкале Меркалли 1.0–3.0 I3.0–3.9 II–III4.0–4.9 IV–V5.0–5.9 VI–VII6.0–6.9 VII–IX7.0 и выше VIII или выше''' Сравнение магнитуды и интенсивности, USGS

Магнитуда и интенсивность, хотя и связаны, – это совершенно разные понятия. Магнитуда является функцией энергии, высвобожденной землетрясением, в то время как интенсивность – это степень сотрясения, ощущаемая в определенной точке на поверхности, и изменяется от максимальной интенсивности в эпицентре или вблизи него до нуля на расстоянии. Она зависит от множества факторов, включая глубину гипоцентра, рельеф местности, расстояние от эпицентра, способность нижележащих слоев усиливать колебания поверхности, а также направленность, обусловленную механизмом землетрясения. Например, землетрясение магнитудой 7,0 в Сальте (Аргентина) в 2011 году, произошедшее на глубине 576,8 км, имело максимальную ощущаемую интенсивность V, в то время как событие магнитудой 2,2 в Барроу-ин-Фурнессе (Англия) в 1865 году, с глубиной около 1 км, вызвало максимальную ощущаемую интенсивность VIII. Небольшая таблица представляет собой приблизительное руководство по степеням шкалы MMI. Цвета и описательные названия, представленные здесь, могут отличаться от используемых на некоторых картах сотрясений в других статьях.

Оценка интенсивности местности и ее использование в оценке сейсмической опасности

Опубликованы десятки уравнений для прогнозирования интенсивности, позволяющих оценить макросейсмическую интенсивность в определенной точке, исходя из величины землетрясения, расстояния от источника до точки наблюдения и, возможно, других параметров (например, местных геологических условий). Эти уравнения аналогичны уравнениям прогнозирования движения грунта, используемым для оценки инструментальных параметров сильного сотрясения, таких как максимальное ускорение грунта. Существует обзор уравнений прогнозирования интенсивности. Такие уравнения могут применяться для оценки сейсмической опасности в терминах макросейсмической интенсивности, что имеет преимущество – более тесная связь с сейсмическим риском по сравнению с инструментальными параметрами сильного сотрясения.

Корреляция с физическими величинами

Шкала MMI не определяется на основе более точных, объективно измеримых параметров, таких как амплитуда колебаний, частота колебаний, максимальная скорость или максимальное ускорение. Восприятие сотрясений людьми и повреждения зданий лучше всего коррелируют с максимальным ускорением при событиях низкой интенсивности и с максимальной скоростью при событиях высокой интенсивности.

Сравнение со шкалой величины момента

Влияние каждого отдельного землетрясения может значительно различаться в разных местах, поэтому для одного и того же землетрясения может быть измерено множество значений MMI. Наиболее наглядно эти значения представить на контурной карте равной интенсивности, называемой изосейсмической картой. Однако каждое землетрясение имеет только одну магнитуду.