Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 9
Vesmír č. 9
Toto číslo vychází
1. 9. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Zářijové číslo Vesmíru
reklama

Jak se bránit zemětřesením?

 

Publikováno: Vesmír 96, 508, 2017/9
Obor: Geologie

Tuto otázku si položil asi nejeden z nás při sledování záběrů z oblastí posti­žených zemětřesením. Pokusme se na ni odpovědět. Nejprve krátce shrneme, čemu v případě silného zemětřesení čelíme. Tento jev vzniká podél tektonických zlomů v zemském nitru, kde čas od času dojde k náhlému uvolnění mechanické energie, která se postupně nahromadila při vzájemných pomalých posunech a deformacích litosfé­rických desek. Na zlomu tedy dojde k rychlé­mu a nevratnému posunu (až desítek metrů rychlostí jednotek metrů za sekundu), který budí mechanické vlnění – seismické vlny. Ty se šíří zemským nitrem a následně způsobují rozkmitání zemského povrchu, které může poškodit veřejnou infrastrukturu (budovy, silnice atp.). Čím blíže je pozorovatel k aktivovanému zlomu, tím jsou tyto kmitavé pohyby silnější. Někdy dosáhne posun na zlomu přímo zemského povrchu, což se v postižené oblasti projeví spektakulární­mi (a trvalými) změnami terénu. Například tam, kde před zemětřesením poklidně tekla řeka, může vzniknout terénní stupeň a na něm vodopád. To se ovšem týká pouze nejbližšího okolí zlomu. Naopak seismické vlny se šíří stovky kilometrů daleko, a ačkoliv jejich síla (amplituda) se vzdáleností od zlomu obecně slábne, může dojít k lokálnímu zesí­lení na méně zpevněných horninách (např. na říčních a jezerních usazeninách). Tak bylo například v roce 1985 těžce poškozeno Mexico City zemětřesením, které vzniklo na více než 200 km vzdáleném zlomu. Město totiž bylo vybudováno na nezpevněných usazeninách vysušeného jezera. Škody tedy primárně způsobují kmitavé pohyby (otřesy) zemského povrchu, popřípadě trvalé změny terénu v blízkosti zlomu. Další značné škody vznikají následkem sekundárních přírodních jevů, které jsou silnými otřesy spou­štěny (např. sesuvy půdy či vlny tsunami). Tyto sekundární jevy mohou způsobit škody větší než samotné otřesy, což se například stalo při velkých zemětřeseních v Indonésii v roce 2004 a v Japonsku v roce 2011. To je však jiné téma, kterým se v dnešním článku nebudeme zabývat.

Můžeme se bránit samotným otřesům? Velmi těžko. Teoreticky bychom mohli odstranit nebo ztužit nezpevněné horniny, a tím částečně snížit úroveň možných otřesů. Jde ovšem o řešení velmi neefektivní, které se v praxi příliš neuplatňuje (nezpevněné horniny mohou dosahovat mocnosti až stovek metrů), a uvádíme ho zde jen pro dokreslení problematiky. Ačkoliv se může zdát, že jsme proti zemětřesením bezbranní, není tomu tak. Víme totiž velmi dobře, jak zabránit škodám způsobeným zemětřesením, alespoň v případě nových staveb. Naprojektovat budovu odolnou velmi silným pohybům půdy nepředstavuje pro současné inženýry problém. Používají se přitom dvě rozdílné strategie. Buď se budova postaví velmi pevně, aby vydržela silné otřesy, nebo se mezi zemi a budovu vloží pružné prvky, díky kterým zůstane budova na místě, i když se země pod ní pohybuje. Jde však o problém ekonomický, odolnost vůči otřesům stavby prodražuje, což může být neúnosné zejména v rozvojových zemích. Jak se tedy realisticky bránit zemětřesením? Stavět na míru očekávaných otřesů v dané lokalitě, a tím snížit riziko škod. Někdy se může vyplatit v daném místě nestavět vůbec. Nutným předpokladem takových úvah je ovšem znalost úrovně očekávaných otřesů, což není vůbec triviální a výsledek je zpravidla zatížen velkou neurčitostí, proto hovoříme o odhadu. Odhad seismického ohrožení1) je nutnou podmínkou pro odhad rizika škod způsobených zemětřesením,který je pro danou úroveň otřesů tématem k řešení pro stavební inženýry.

Odhad seismického ohrožení

Odhad seismického ohrožení se tedy zabývá silou, dobou trvání a frekvenčním složením otřesů půdy (dále už jen stručně silou otřesů) pro danou lokalitu. Jak už jsme naznačili, síla otřesů pro dané zemětřesení závisí obecně na jeho velikosti (tj. míře rychlého posunu na zlomu – udáváno zpravidla magnitudem), na vzdálenosti dané lokality od aktivovaného zlomu a typu podloží (např. tvrdá skála vs. sedimenty). Na základě těchto tří parametrů (magnitudo, vzdálenost, index podloží2)) lze odhadnout průměrnou sílu otřesů. Jak budou otřesy na dané lokalitě přesně probíhat, lze však detailně modelovat jen nesmírně obtíž­ně. Museli bychom znát všechny fyzikální podmínky podél zlomu a detaily prostředí, kudy se seismické vlny šíří. To je ovšem v současnosti (a pravděpodobně i v budoucnosti) nemožné. Proto se musíme spokojit se zjednodušenými modely (i když víme, že jsou to jen hrubé aproximace) a akceptovat z toho vyplývající neurčitosti. Ty se snažíme charakterizovat pomocí statistických metod, např. systematickým porovnáváním s pozorovanými otřesy.

Odhad síly otřesů pak provádíme na základě pravděpodobnostního modelu. To představuje určitou komplikaci, protože pro dané zemětřesení není výsledkem jedna přesně daná úroveň síly otřesu, ale celá škála, byť hodnocená různými pravděpodobnostmi. Pro snadnější pochopení podstaty problé­mu si pomůžeme analogií. Jistě každý bude souhlasit, že je užitečnější při hře v kostky uplatnit statistické metody, než se snažit výsledek hodů odhadnout z pohybu házející ruky, počátečního natočení kostky atp. Ačkoliv je hod kostkou poměrně jednoduchý mechanický jev (dobře známe fyzikální podstatu), výsledek lze jen velmi těžko deterministicky předpovědět (museli bychom znát velmi mnoho detailů ohledně přesného tvaru kostky, materiálu podložky atd.).

V předchozím odstavci jsme naznačili, jak odhadnout úroveň otřesů pro konkrétní zemětřesení. Při odhadu seismického ohrožení pro danou lokalitu nás ovšem nezajímá konkrétní jedno zemětřesení, ale všechna zemětřesení, která naši lokalitu potenciálně ohrožují (to mohou být i jevy stovky kilometrů vzdálené, připomeňme již zmíněné zemětřesení v Mexiku). Musíme tedy vědět, kde jsou nebezpečné zlomy generující zemětřesení, jak často a jak velká zemětřesení mohou na těchto zlomech vzniknout. To odhadujeme na základě jejich výskytu v minulosti, zemětřesení se totiž zpravidla opakují na stejných místech (stejných zlomech). Slabší zemětřesení se přitom vyskytují častěji než silná (zemětřesení o magnitudu menší o jednotku se vyskytuje zhruba desetkrát častěji). Pokud tedy známe historii zemětřesení v minulosti, můžeme v principu odhadnout, jaká zemětřesení se zde vyskytnou v budoucnosti. V praxi je však tento odhad velmi složitý, protože silná zemětřesení se na zlomu mohou opakovat až po velmi dlouhé době a jejich výskyt je značně nepravidelný. Navíc ne všechny zlomy dosahují zemského povrchu. Například doposud z hlediska ekonomických ztrát nejničivější zemětřesení v Kalifornii – Northridge 1994, magnitudo 6,7 – neproběhlo na světoznámém Svatoondřejském zlomu (San Andreas), ale na zlomu tehdy neznámém. I s touto variantou je nutné při odhadu seismického ohrožení počítat.

K sestavení seismického katalogu použí­váme tři druhy informací. Nejspolehlivější údaje nám poskytují přístrojové záznamy zemětřesení pomocí seismografů. Seismograf byl ale vynalezen až v roce 1880, takže přístrojové záznamy máme pouze za dobu o něco delší než jedno století. Druhým zdrojem údajů o zemětřesení jsou písemné historické záznamy. V některých zemích existují písemné záznamy dokonce několik tisíc let staré. U nás máme spolehlivé písemné zprávy o velkých zemětřeseních přibližně od roku 1200. Ve velké části světa (například v Tichomoří nebo v Americe) existují písemné záznamy pouze za několik posledních století. Historické zprávy bývají často velmi nepřesné a jen omezeně nám dovolují určit velikost (magnitudo) zemětřesení. Zprávy pocházejí obvykle z měst, takže není možné určit přesně ani epicentrum zemětřesení. Často je třeba zkušených historiků, aby poznali, jestli zpráva ve staré kronice skutečně popisuje zemětřesení, nebo jestli se dají popsané události (například zkáza historického města) vysvětlit jiným způsobem. Konečně třetím pramenem našich znalostí o minulých zemětřeseních jsou geologické doklady o účincích pradávných zemětřesení (např. náhlé porušení geologických vrstev, zvýšené množství sesuvů v krátkém časovém období, sedimentární vrstvy typické pro vlny tsunami atp.). Tímto tématem se zabývá paleoseismologie a jde o činnost téměř detektivní. Paleoseismologie pracuje s údaji zatíženými velkými chybami (např. při určení velikosti zemětřesení a jeho datování), a tak je nutné sestavit a vyhodnotit co nejrozmanitější mozaiku nezávislých pozorování. Navíc ne každé zemětřesení se nutně projeví na povrchu a zanechá svůj otisk v přípovrchových geologických vrstvách.

Nakonec se všechny dostupné informace zkombinují a provede se výpočet pravděpodobnosti, s jakou bude překročena daná úroveň otřesů v dané lokalitě. Výpočet se provádí pro různé úrovně otřesů. V běžné praxi pak například počítáme, jaká úroveň otřesů bude překročena během padesáti let s pravděpodobností 10 procent (frekvence relevantní pro běžné stavby). Mapa seismického ohrožení Evropy (obr. 1) je výsledkem mezinárodního projektu SHARE, který skončil v roce 2013. Jeho cílem byla harmonizace modelů seismického ohrožení napříč Evropou. V minulosti totiž docházelo k velkým rozdílům odhadů na hranicích národních států, které ústily ve spory (např. švýcarský odhad seismického ohrožení pro francouzskou jadernou elektrárnu Fessenheim blízko švýcarských hranic se od francouzského lišil).

Může dojít v Česku k silnému zemětřesení?

S touto otázkou se setkal téměř každý český seismolog a nikdo na ni nedokáže jednoduše odpovědět. I když na první pohled vypadá rozumně, nemá velký smysl. Záleží totiž na tom, o jakém časovém měřítku hovoříme. Pokud uvažujeme v řádech milionů let, pak je odpověď jasná – ano, může. I v Českém masivu existuje velké množství tektonických zlomů, jejichž vznik kdysi dávno provázela velká zemětřesení. A naše představa je taková, že geologické procesy pokračují dále, takže v geologické budoucnosti jistě přijde opět etapa, kdy u nás budou velká zemětřesení běžným jevem. Pokud však máme na mysli budoucnost srovnatelnou s délkou lidského života, pak musíme konstatovat, že silné otřesy jsou u nás velmi nepravděpodobné, i když ne zcela vyloučené.

Přestože území České republiky patří ve světovém i evropském srovnání mezi klidné seismické zóny, má hodnocení zemětřesného ohrožení i zde svůj význam. Jde nejen o lokality kritických infrastruktur, jako jsou jaderné elektrárny nebo úložiště jaderné­ ho odpadu, ale i o další významné stavby z hlediska hospodářského nebo společenského. Odhady zemětřesného ohrožení jsou přitom v oblastech, kde je zemětřesní řídkým jevem, obecně zatíženy větší nejistotou než v místech vysoké aktivity vlivem nedostatku dat a nutnosti různých extrapolací. Speciálně pro jaderné elektrárny se provádějí pravdě­ podobnostní výpočty seismického ohrožení i pro velmi malé roční četnosti, až 10–5, tedy uvažují se i seismické otřesy, které nastávají v průměru jednou za sto tisíc let. Opatrnosti není nikdy dost, jak ukázala havárie jaderné elektrárny Fukušima v roce 2011 v důsledku vln tsunami, vyvolaných velkým zemětřesením o magnitudu 9. S tak velkým magnitudem odhad seismického ohrožení v Japonsku nepočítal, což se ukázalo jako chyba. Proto je nutné tyto odhady stále zdokonalovat, včetně jejich nezávislého testování.

Zajímavou možností je hledat geologické důkazy o tom, že se silné otřesy v určité lokalitě nevyskytly. Takovými důkazy mohou být nestabilní skalní útvary, které by se v případě zemětřesení o určité síle zřítily. Tímto výzkumem se v poslední době zabýváme i v rámci strategie AV21, kterou organizuje Akademie věd ČR. Zkoumáme například skalní viklany, které se v terénu vyskytují. Výsledkem výpočtu je síla otřesů, při nichž by se viklan zřítil. Protože však viklan stále stojí, máme jistotu, že se takto silné otřesy v daném místě nevyskytly po dobu existence viklanu, která může být i mnoho tisíc let. Příkladem je viklan Husova kazatelna u Sedlčan (obr. 2). Pro výpočet je třeba pořídit přesný digitální model viklanu (obr. 3). Na základě numerického modelování je pak zjištěno, jaké průběhy seismického zrychlení dokážou viklan převrátit. Ty jsou porovnány s pravděpodobnostním odhadem. Tento výpočet má přímou praktickou aplikaci. Zjednodušeně řečeno, pokud postavíme naše stavby alespoň tak pevně, jako je zkoumaný viklan, máme dobrou šanci, že je zemětřesení nezboří.

Odhad seismického ohrožení a odpovídající stavební opatření jsou a budou nejdůležitějším způsobem, jak se bránit zemětřesením. I přes tato opatření se však počet obětí (v rozvojových zemích) a škody způsobené země­ třeseními (v zemích vyspělých) v posledních desetiletích zvýšily. Stalo se tak v důsledku růstu světové populace a větší urbanizace i v místech s velkým seismickým ohrožením. Částečným řešením by byla krátkodobá předpověď zemětřesení, kdy by lidé byli varováni před blížícím se zemětřesením a mohli by se včas evakuovat. To by však nevyřešilo poškozenou infrastrukturu. Navíc i přes značné úsilí mnoha seismologů po celém světě se krátkodobé předpovědi zemětřesení daří jen ve výjimečných případech. Zdá se, že potrvá ještě nejméně několik desetiletí, než budeme schopni předpovídat zemětřesení podobně, jako dnes předpovídáme počasí. Proto se musíme spolehnout na to, že stavbaři postaví dostatečně odolné budovy, které se při země­ třesení nezřítí.

Poděkování: Článek čerpá z výzkumu, který je prováděn v rámci projektu Strategie AV21 Akademie věd ČR. Děkujeme Jakubovi Stemberkovi za poskytnutí fotografie a modelu viklanu. V článku byly použity také výsledky evropského projektu SHARE.

Poznámky

1) Seismické ohrožení je termín pro sílu otřesů, které nás obecně ohrožují.

2) Relevantní charakteristika podloží vyjádřená číslem (např. průměrná rychlost střižných vln v prvních 30 metrech).

Soubory

článek ve formátu pdf: V201709_508-510.pdf (452 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky