Magyarország földrengés-veszélyeztetettsége
Dr. Tóth László, Mónus Péter és Dr. Győri Erzsébet
Földünk egy aktív, élő bolygó, amelynek forró belsejében zajló nagymértékű anyagáramlások hozzák létre a földrengéseket és a vulkánkitöréseket is. A Földön kipattanó rengések több mint 90%-ának a fészke (hipocentruma) a lemezhatárokon található, bár a lemezhatárok nem vonalak, hanem gyakran több száz kilométer szélességű deformációs zónák.
Valójában állandóan reng a Föld, mert a kisenergiájú rengések száma évente több mint 1 millió. A rengés energiáját az egyszerűség kedvéért egy a méretre jellemző számmal, a magnitúdóval adjuk meg. A magnitúdó egyszerűen átszámítható fizikai energiaegységbe (Joule) és így jól összehasonlítható más természetes (vulkánkitörés, tornádó), vagy ember által előidézett katasztrófa (atombomba robbantások) során felszabaduló energiával. A földrengések száma drasztikusan csökken a méret növekedésével. Például 6-os magnitúdójú (közepes energiájú) földrengésből évente már csak kb. 200 pattan ki, míg igazán nagy (M=8) földrengésből átlagosan 3 fordul elő évente. Van még egy fontos megfigyelés is, miszerint a nagyobb földrengések döntő módon az ütköző lemezhatárokhoz kötődnek.
Magyarország tágabb környezetének, Európa déli részének nagytektonikáját az Afrikai- és az Európai lemez ütközése határozza meg. Fontos azonban tudni, hogy az Afrikai-lemez szegélye nem azonos a Földközi-tenger déli szélével, hanem azon túlmegy és annak részét képezi az Adriai-tenger alatt húzódó merev blokk is, amit Adriai-tüskének nevezünk. Ennek északias irányú mozgása és egyúttal óramutató járásával ellenkező irányú forgása határozza meg az Apenninek, az Alpok, a Dinaridák és a Kárpátok hegységíve által körülölelt Pannon-medence aktív tektonikai folyamatait, s ezúton földrengés tevékenységét is. Adria forgó mozgása következtében az olasz „csizma” mentén főleg húzófeszültségek gerjesztik a földrengéseket, az Alpok területén kontinens-kontinens ütközés történik, míg a Pannon-medencét főleg oldalelmozdulásos törések uralják [1].
Alapfogalmak, a földrengések mérete
Azt a Föld mélyében lévő pontot, ahol a kőzet törése megindul, hipocentrumnak vagy fészeknek nevezik. A földrengés fészke fölött a Föld felszínén elhelyezkedő pont az epicentrum. A hipocentrum és az epicentrum távolsága a fészekmélység.
A földrengések felszíni hatásának jellemzésére a XIX. század második felétől használják az úgynevezett intenzitás skálát, melyek közül egyik legelterjedtebb az olasz földrengéskutató, Giuseppe Mercalli által bevezetett skála, illetve ennek újabb változatai. Az Európában elfogadott 12 fokozatú EMS (European Macroseismic Scale) skála is ennek továbbfejlesztett változata. Az intenzitás skála fokozatai a földrengésnek az emberekre, az épített környezetre, illetve a természeti környezetre gyakorolt hatását írják le. Az I. fokozat az ember által nem érezhető rengést jellemzi, a II-IV. fokozatúakat, több ember már érzi. Az épületsérülések az V. fokozattól jelennek meg, a X-XII. fokozat a teljes pusztulást jelzi.
A földrengés erősségének műszeres megfigyelésén alapuló mérőszám a magnitúdó, vagy más szóval méret. A magnitúdót először Charles F. Richter amerikai szeizmológus 1935-ben a kaliforniai földrengések jellemzésére használta. A magnitúdó a földrengéskor a fészekben felszabaduló energiával arányos: egy magnitúdó fokozat növekedés mintegy 32-szeres energianövekedést jelent. Az eddig megfigyelt legnagyobb rengés magnitúdója 9,5 volt (Chile, 1960). A magnitúdót a regisztrált szeizmogramból, az epicentrum távolságának ismeretében, a hullám amplitúdója alapján lehet meghatározni. Attól függően, hogy a szeizmogram melyik hullámcsomagja alapján történik a számítás, különböző magnitúdóról beszélhetünk (Mb – térhullám magnitúdó, Ms – felületi hullám magnitúdó, Ml – lokális vagy Richter magnitúdó, Mw – momentum magnitúdó), melyek kissé, néhány tized értékben eltérhetnek egymástól. A különböző szeizmológiai obszervatóriumokban meghatározott magnitúdó értékek is kisebb eltérést mutathatnak, hiszen a rengéshullám adott esetben több ezer km-t tesz meg a Föld belsejében, s az ott található inhomogén terjedési közeg is hatással van a kialakuló szeizmogramra, befolyásolja a rezgéshullámok amplitúdóját.
Magyarország földrengés története
Magyarország területén évente 100-120 kisebb, mint 2,5 magnitúdójú földrengést regisztrálunk az érzékeny szeizmológiai hálózat segítségével [2]. Ezek nagy része nem éri el az érezhetőség határát. A nagyobbak ritkábban, de jellemző visszatérési idővel fordulnak elő. Az ország területén évente négy-öt 2,5-3 magnitúdójú, az epicentrum környékén már jól érezhető, de károkat még nem okozó földrengésre kell számítani. Jelentősebb károkat okozó rengés 15-20 évenként, míg erős, nagyon nagy károkat okozó, 5,5 - 6 magnitúdójú földrengés 40-50 éves visszatérési idővel pattan ki [3].
Az első ismert rengés Attila korából való
Az első ismert földrengés Magyarország területén, melyről feljegyzés maradt fenn, 456. szeptember 7-én Savariában, a mai Szombathely környékén volt. A földrengés keletkezési helyét nem tudjuk pontosan rekonstruálni, de valószínű fészke Szombathelytől 35 km-re, északnyugatra tehető. A leírások alapján rekonstruálható a rengés nagysága, mely kb. M=6,1 magnitúdó lehetett [4].
A legnagyobbak
Ismereteink szerint az egyik legnagyobb, a mai Magyarország területén kipattant földrengés Komáromban keletkezett Mária Terézia uralkodása idején, 1763. június 28-án, magnitúdója 6,3 érték körülire becsülhető. A földrengés során a város harmada elpusztult, több mint hatvanan meghaltak, sok volt a sebesült. A rengés erősségéhez képest viszonylag kevés volt az áldozat, melynek oka a korabeli vertfalú, „könnyű szerkezetes” építkezési módszerekben keresendő [5,6]. Komáromtól a Balaton északi végéig húzódó terület szeizmikusan jelenleg is az ország egyik legaktívabb területe. Az ország keleti részén, a jelenlegi magyar-román határ közelében található az érmelléki szeizmikus terület, melynek aktivitása 1829-től ismert. Az 1834. október 15-én kipattant földrengés epicentrális intenzitását a kárleírások újraértékelése alapján a legújabb kutatások az EMS skálán 9 fokra becsülik. A rengés fészekmélysége 23–28 km, a magnitúdója pedig 6,5–6,6 körüli volt. A károk nyomai több helyen (pl. a máriapócsi templomban) a mai napig láthatók.
Az első tudományosan feldolgozott földrengés
Szintén a Komáromtól a Balaton északi végéig húzódó területhez köthető a 200 éve, 1810. január 14-én Mór környezetében kipattant, az egyik legjelentősebb károkat okozó magyarországi földrengés is. A Vértes és Bakony közé kapcsolódik az a törésvonal, melyen az 5,5 magnitúdójú földrengés keletkezett. A nagy rengést közel ezer kisebb utórengés követte. A feldolgozást a kor nagy természettudósa Kitaibel Pál egy munkatársával együtt végezte.
A legutóbbi évszázad nagyobb rengései
A XX. században öt olyan nagyobb földrengést jegyeztek fel a mai Magyarország területén, melyek jelentős károkat okoztak: Kecskeméten 1908 és 1911-ben, Egerben 1925-ben, Dunaharasztin 1956-ban és Berhidán 1985-ben.
Földrengések elleni védekezés stratégiája, hazai helyzetkép
Általánosan elfogadott vélemény a földrengéskutatók körében, hogy a földrengések előrejelzése ma még nem lehetséges [7]. Sokat tudunk a földrengések keletkezési mechanizmusáról, elég jól ismerjük azokat a folyamatokat, amelyek a földrengéseket kiváltják, sok adatunk van arról, hogy a Föld különböző területén mekkora földrengés milyen gyakorisággal keletkezik. Nem tudjuk azonban előre jelezni a földrengések kipattanási idejét, és a belátható jövőben nincs is sok remény ennek megoldására. Nem lehet megfelelő pontossággal prognosztizálni ugyanis, hogy egy lassú, több évtizedig, gyakran évszázadig tartó, centiméter/év sebességű elmozdulást kísérő feszültség-felhalmozódás hatására mikor következik be a törés az igen változatos földkéregben. Lehetőség van azonban a földrengésveszély valószínűségi alapú meghatározására, vagyis annak kiszámítására, hogy valamely területen megadott méretű talajrázkódás adott időszak alatt milyen valószínűséggel várható [8]. Ilyen módon - bár a földrengést elhárítani nem lehet - a földrengés veszély ismeretében, előzetes felkészüléssel a földrengés által okozott károk és veszteségek csökkenthetők. A legfontosabb ilyen felkészülés az, hogy földrengésnek kitett területeken úgy kell építkezni, hogy az építmények nagyobb károsodás nélkül kibírják az ott bekövetkező földrengéseket. Azon országokban, ahol az effajta prevenciót hosszabb ideje alkalmazzák (pl. Japán, USA), lényegesen csökkentek a földrengések okozta károk, tízezres nagyságrendű áldozatok inkább a szegénységük, vagy más okok miatt erre nem figyelő országokban fordulnak elő. Az Európai Unió országaiban egységes földrengés szabvány (Eurocode 8) van érvényben, mely részletesen meghatározza a földrengésbiztos tervezés módszereit különböző építmények esetében.
Az EU tagországaként Magyarországon is érvényben van az Unió egységes földrengés szabványa az Eurocode-8 (MSZ EN 1998-1). Ez a szabvány egységes tervezési metodikát ír elő az Unió egész területén. Röviden úgy lehetne a követelményeket összefoglalni, hogy minden építményt úgy kell tervezni, hogy az élettartama (általában 50 év) alatt 10% valószínűséggel előforduló földrengést komolyabb szerkezeti károsodás, összeomlás nélkül kibírjon. Az egyes országok eltérő földrengéses viszonyai miatt minden ország saját Nemzeti Mellékletében adja meg a helyi szeizmikus zónákat, a tervezéshez szükséges alapadatokat.
Különlegesen veszélyes létesítmények földrengés biztonsága
Nagyon fontos a földrengésállóság az olyan veszélyes ipari létesítmények esetében, melyek sérülése a környezetet különlegesen nagymértékben veszélyezteti. Ezek között első helyen a nukleáris létesítmények (atomerőművek, radioaktív hulladéktárolók) vannak. Ezekre az Eurocode 8-nál sokkal szigorúbb előírások vonatkoznak, amelyeket a Nemzetközi Atomenergia Ügynökség (NAÜ), a hazai Nukleáris Biztonsági Szabályzat (NBSz), továbbá törvények és kormányrendeletek kodifikálnak. Általában jellemző a nukleáris objektumok esetén, hogy a biztonságot nagyon kis valószínűséggel (évente 10-4 – 10-6) előforduló földrengésekre is megkövetelik. A kis valószínűség azt jelenti, hogy a csak nagyon ritkán előforduló nagy magnitúdójú földrengések elviselésére is fel kell készíteni a létesítményt [10].
Tervezési válaszspektrum meghatározása az Eurocode-8 szerint
A földrengés elleni mérnöki tervezés alapja az úgynevezett tervezési válaszspektrum, mely a frekvencia (vagy periódus) függvényében adja meg az adott frekvencián várható földrengés hatást, jellemzően a gyorsulást.
A tervezési válaszspektrum meghatározása a következő lépésekből áll:
1. a telephely szeizmikus zóna besorolása
2. az altalaj típusának meghatározása
3. szeizmikus együtthatók meghatározása
4. a tervezési válaszspektrum megszerkesztése
Alapesetben a telephely szeizmikus zóna besorolását leolvashatjuk a szabvány mellékletében szereplő szeizmikus zónatérképről [11]. Amennyiben kiemelt létesítményről van szó, esetleg a szabványban meghatározott biztonsági szintnél (50 év, 10% meghaladási valószínűség) nagyobb biztonság elérése a kívánalom, a szeizmikus zónaérték meghatározásához szeizmológus segítségét kell kérnünk. Az így kapott agR érték a nulla periódushoz tartozó, alapkőzeten várható gyorsulás. A szeizmológusok ezt gyakran PGA (Peak Ground Acceleration) értéknek nevezik.
A telephelyünk nem feltétlenül alapkőzeten van, ezért a következő lépésként, a helyi hatás figyelembe vételéhez meg kell állapítani az altalaj típusát. Az MSZ EN 1998-1/ EUROCODE 8 szabvány hét talaj kategóriát definiál, melyet a felső 30 m-es összlet S-hullám átlagsebessége alapján lehet meghatározni.
A talajviszonyok osztályozása
(az MSZ EN 1998-1/ EUROCODE 8 szabvány 3.1. táblázata)
Talaj típus |
A rétegsor leírása |
Jellemző paraméterek |
||
vs,30 (m/s) |
NSPT (ütés/30cm) |
cu (kPa) |
||
A |
kőzet vagy kőzetszerű geológiai formáció, beleértve legfeljebb 5 m gyengébb anyagot a felszínen |
> 800 |
- |
- |
B |
konszolidált, nagyon szilárd homok, kavics vagy agyag rétegek legalább több tíz méter vastagságban; a szilárdsági tulajdonságok a mélységgel fokozatosan javulnak |
360 – 800 |
> 50 |
> 250 |
C |
szilárd és közepesen szilárd homokos, kavicsos, agyagos rétegek, melyek vastagsága néhányszor tíz métertől több száz méterig terjed |
180 – 360 |
15 – 50 |
70 – 250 |
D |
laza, közepes tartóképességű talaj rétegek |
< 180 |
< 15 |
< 70 |
E |
Olyan talaj profil, ahol a felső 5-20 méteren a vs sebesség a C vagy a D talaj típusnak megfelelő, alatta pedig szilárdabb (vs> 800 m/s) anyag található |
|
|
|
S1 |
A felső rétegek között egy legalább 10 m vastag puha, képlékeny (PI>40), nagy víztartalmú agyag réteg található |
< 100 |
- |
10 – 20 |
S2 |
Talajfolyósodásra hajlamos réteg(ek) fordulnak elő; minden olyan profil, mely nem sorolható az A-E vagy S1 kategóriák valamelyikébe |
|
|
|
Amennyiben területünk az A, B, C, D, E talajkategóriák valamelyikébe besorolható, az ezekhez tartozó szeizmikus együtthatók – S, TB(s), TC(s), TD(s) – a szabvány 3.2. Táblázatából leolvashatók. S1 és S2 speciális talajok esetében további geotechnikai, geofizikai vizsgálatra van szükség.
Az ajánlott 1. típusú rugalmas válaszspektrumot leíró paraméterértékek
(az MSZ EN 1998-1/ EUROCODE 8 szabvány 3.2. táblázata)
Altalajosztály |
S |
TB(s) |
TC (s) |
TD (s) |
A |
1,0 |
0,15 |
0,4 |
2,0 |
B |
1,2 |
0,15 |
0,5 |
2,0 |
C |
1,15 |
0,20 |
0,6 |
2,0 |
D |
1,35 |
0,20 |
0,8 |
2,0 |
E |
1,4 |
0,15 |
0,5 |
2,0 |
Az MSZ EN 1998-1/ EUROCODE 8 tervezési válaszspektruma, a vízszintes rugalmas válaszspektrum Se(T) a fenti adatok alapján az alábbiak szerint van definiálva:
ahol
Se(T) rugalmas válaszspektrum;
T az egy szabadságfokú lineáris rendszer rezgési periódusideje;
ag az A osztályú talaj tervezési gyorsulása (ag = gI×agR);
TB az állandó spektrális gyorsulású szakasz alsó határa;
TC a gyorsulási spektrum állandó szakaszának felső határához tartozó periódusidő;
TD a spektrum állandó elmozdulási választartományának kezdetét meghatározó érték;
S talajtényező;
h a csillapítás korrekciós tényezője, h= 1 referenciaértékkel 5%-os viszkózus csillapítás mellett.
Magyarországon az MSZ EN 1998-1/ EUROCODE 8 szabvány Nemzeti Melléklete az 1-es típusú spektrum használatát javasolja. Ennek megfelelően az A, B, C, D, E talajok esetén a tervezési válaszspektrum a 6. ábra szerint alakul.
A szeizmikus hatás függőleges összetevőjét leíró Sve(T) rugalmas válaszspektrumot az alábbiak szerint kell meghatározni:
a paraméterek értékei 1. típusú spektrum esetén:
avg/ag = 0,90; TB (s) = 0,05; TC (s) = 0,15; TD (s) = 1,0
A szeizmikus hatást leíró rugalmas válaszspektrum (tervezési spektrum) meghatározásához az MSZ EN 1998-1/ EUROCODE 8 szabvány szerint tehát mindössze a telephely szeizmikus zóna besorolását és az altalaj típusát kell ismerni.
Hivatkozások jegyzéke
[1] Bada G, Horváth F, Tóth L, Fodor L, Timár G, Cloetingh S, 2006. Societal Aspects of Ongoing Deformation in the Pannonian Region. In: Pinter, N., Grenerczy, Gy., Weber, J., Stein, S., Medak, D., (eds.), The Adria Microplate: GPS Geodesy, Tectonics, and Hazards. Springer Verlag, NATO ARW Series, Vol. 61, p. 385-402.
[2] Tóth L, Mónus P, Zsíros T, Bus Z, Kiszely M, Czifra T. Magyarországi földrengések évkönyve 1995-2010 - Hungarian Earthquake Bulletin 1995-2010. GeoRisk - MTA GGKI, Budapest, HU ISSN: 1589-8326 (magyar); HU ISSN 1219-963X (English)
[3] Tóth L, Mónus P, Zsíros T, Kiszely M, 2002. A Pannon-medence szeizmicitása, Földtani Közlöny 132/különszám, 327-337
[4] Tóth L, 2005. Földrengések Magyarországon, História, XXVII.évf. 8. szám, 15-19.
[5] Szeidovitz Gy, 1990. Komárom és Mór környezetében keletkezett történelmi rengések epicentrális intenzitásának és fészekmélységének meghatározása. Kandidátusi értekezés, 137 old.
[6] Bus Z, Tóth L, 2007. Az elképzelhető legnagyobb földrengés magnitúdójának (Mmax) meghatározása a Kárpát-medencére, In: Conference on Earthquake Safety, Széchenyi István Egyetem, Győr, 2007, ISBN 978-963-7175-33-6, 255 oldal (28-36)
[7] Horváth F, Tóth L, 2009. Előrejelezhetők-e a földrengések? Természet Világa, Természettudományi Közlöny, 140. évfolyam, 7. füzet, 313-316.
[8] Tóth L, Győri E, Mónus P, Zsíros T, 2006. Seismic Hazard in the Pannonian Region. In: Pinter, N., Grenerczy, Gy., Weber, J., Stein, S., Medak, D., (eds.), The Adria Microplate: GPS Geodesy, Tectonics, and Hazards. Springer Verlag, NATO ARW Series, Vol. 61, p. 369-384.
[9] Tóth L, Győri E, Mónus P, Zsíros T, 2004. Mitől függ a földrengéskockázat? A földrengéskockázat meghatározás bizonytalanságai, In: "Magyarország földrengésbiztonsága", Mérnökszeizmológiai Konferencia, Széchenyi István Egyetem, Szerkezetépítési Tanszék, Győr, 2004, 422 oldal (209-218)
[10] Tóth L, Győri E, Katona T, 2009. Current Hungarian Practice of Seismic Hazard Assessment: Methodology and Examples. OECD NEA Workshop: Recent Findings and Developments in Probabilistic Seismic Hazard Analysis (PSHA) Methodologies and Applications, WORKSHOP PROCEEDINGS, NEA/CSNI/R(2009)1, p. 313-344.
[11] Tóth L, Mónus P, Zsíros T, Kiszely M, Bus Z, Győri E, 2001. Földrengés.hu - Magyarország Földrengés Információs Rendszere. www.földrengés.hu