Современные тектонические движения и сейсмические явления – землетрясения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Современные тектонические движения и сейсмические явления - землетрясения

Современные тектонические движения и сейсмичность - геологические процессы в верхней части земной коры, проявляющиеся на ее поверхности, в которых отражаются преобразования в литосфере и в астеносфере.

Сейсмология тесно связана с неотектоникой, что прослеживается при сопоставлении основных границ на картах неотектонического и сейсмического районирования, в приуроченности эпицентров землетрясений к тектоническим разломам, особенно подвижным в новейшее время.

Инженерно-геологическое изучение современных тектонических движений осуществляется в целях:

- оценки их влияния на напряженно-деформированное состояние массивов пород и изменение их свойств в зонах подвижек;

- оценки влияния региональных и дифференцированных разрывных и складчатых структур на современные геологические и инженерно-геологические процессы в связи с защитой устойчивости территорий и сооружений; сейсмичность геологический тектонический

- обоснования конструкций сооружений и инженерных мер, обеспечивающих их безаварийную эксплуатацию;

- увязки в проявлении сейсмичности с новейшими структурами и их дифференцированным движением.

Современные тектонические движения - последний этап геологической жизни района и их инженерно-геологический анализ необходимо выполнять на фоне новейшей истории развития, выявляя унаследованность и связь молодых структур с древними, с проектной детальностью.

Для изучения применяются геоморфологический, геодезический, геофизический, петрографический методы и инструментальные подземные наблюдения.

Наибольшие современные поднятия составляют 10--12 мм/год и наблюдаются в западной части Кавказского хребта и в Карпатах при общем поднятии за новейшее время Кавказа до 4 км. Впадины в устье Днепра, на северо-западе побережья Черного моря погружаются в голоцене со скоростями 2--4 мм в год; общая величина за новейшее время оценивается в 2 км и более. На объектах, расположенных в сейсмически активных районах, при проектировании и эксплуатации изучаются вопросы вероятности современных подвижек по разломам.

Сейсмические явления - это деформации пород земной коры и поверхности земли вследствие освобождения энергии тектонических процессов, подземных обвалов и других естественных сотрясений. Землетрясения - это резкие, внезапные подземные толчки и колебания земной коры и ее поверхности, угрожающие жизни и деятельности человека, обусловленные естественными причинами, гл. обр., тектоническими процессами. По частоте и интенсивности выделяют три типа землетрясений: тектонические, вулканические, обвальные, а кроме того, вызванные взрывами при строительных и горных работах и др.

Территории, подверженные землетрясениям, относятся к сейсмическим. Ежегодно суммарное число землетрясений на земном шаре достигает 100 тыс., из которых 10--20 разрушительных и примерно 1 катастрофическое; средних - 800, слабых - более 10 000. В 1999г.- 13, в 2000г. - 10 разрушительных.

Землетрясения приводят к значительным человеческим жертвам и большим экономическим убыткам. В течение XX в. в результате землетрясений погибло не менее 800 тыс. человек. Убытки от одного землетрясения в Турции в 2000 году составили 25 млрд.$, что превышает годовой бюджет Украины.

В табл. приведены сведения о жертвах сильнейших землетрясений:

Табл.№

№/№	Место	Время	Жертвы (тыс.чел.)
1	Китай	ХVII в.	830
2	Китай	1956г.	230
3	Токио	1929г.	130
4	Ашхабад	1948г.	110
5	Спитаки	1988г.	20
6	Индия	2001г.	100

Современные землетрясения связаны, главным образом, с геологическими структурами, испытывающими новейшие и современные тектонические движения и приуроченными к региональным тектоническим зонам разломов - активным подвижным поясам Земли, разделяющим крупные геоблоки - континенты и океаны. Это: срединные океанические хребты; трансформные разломы; островные дуги или глубоководные желоба; рифтовые зоны континентов; области вулканизма; молодые геосинклинали.

На территории СНГ прослеживаются 2 крупнейших тектонически активных пояса: Евроазиатский (Средиземноморский, простирающийся через юг Евразии до Малайского архипелага) и Тихоокеанский. С первым связаны Карпаты, Южный Крым, Кавказ, Южная Туркмения, высокогорная часть Средней Азии, горные сооружения Алтае-Саянской зоны и Прибайкалье. Ко второму относятся Южное Приморье, Сахалин, Курильская гряда островов, приморская часть Магаданской области и Камчатка. Это области альпийской складчатости с ярко выраженными новейшими (неоген-четвертичными) и современными тектоническими движениями, контрастным рельефом - зоны поднятий сопрягаются с зонами опусканий блоков земной коры палеозойского возраста, омоложенных альпийскими движениями.

В Карпатах зона наиболее сильных землетрясений приурочена к сочленению двух главных структурных единиц - складчатых Карпат и Закарпатского прогиба. Здесь установлен глубокий разлом. Землетрясения достигают силы 8 баллов. В Крыму сейсмически активной является полоса вдоль южного Черноморского побережья полуострова. Землетрясения силой до 8 баллов приурочены к зоне надвигов, по которым северное крыло Крымского антиклинория надвигается на опущенное южное.

Тектонические движения обусловливают накапливание напряжений в толще горных пород литосферы в течение длительного времени. Когда они достигают предела прочности пород, происходит разрыв литосферы или ее части (земной коры) и образуются разломы, ее блоки перемещаются, освобождается упругая энергия, которая обусловливает резкие внезапные колебательные движения земной коры - ее сотрясения.

Разрушительная сила землетрясений зависит от их интенсивности (количества освобождаемой энергии) и от глубины расположения очага, который у большинства землетрясений находится в пределах верхней части литосферы (сейсмические слои - осадочный, гранитный, базальтовый).

Сейсмичность характеризуется следующими понятиями:

- очаг - область возникновения подземных толчков, определенный объем в недрах земли, в пределах которого возникает высвобождение упругой энергии, которая накапливалась долгое время. С геологической точки зрения это область проявления разрыва или группы разрывов, по которым происходит почти внезапное перемещение масс горных пород;

- гипоцентр - это геометрический или весовой центр очага землетрясения;

- эпицентр - проекция гипоцентра на земную поверхность;

- изосейсты - линии одинаковой интенсивности землетрясения на поверхности Земли в баллах;

- плейстосейстовая область - это зона наибольших раз рушений; на плане эта площадь обычно оконтуривается изосейстой в 6 баллов.

Количественные показатели сейсмичности имеют эмпирические зависимости между собой и характеризуются следующими понятиями:

- энергия землетрясения - классом:

К= lgE, Дж

(1 дж = 107 эрг; 1 эрг = 1 дин/см). 17 классов. Для самых слабых землетрясений К = 0, для самых сильных К = 18. При разрушительных землетрясениях энергия 1012--1013 дж, а при катастрофических до 1017--1020 дж, что в несколько миллионов раз больше энергии атомной бомбы. В практике при оценке энергии часто пользуются не абсолютными ее значениями, а логарифмами этой величины.

- магнитуда - М, характеризует энергию в очаге землетрясения и связана с энергетическим классом зависимостью: К=1,8М+12 (по Пучкову, 1973). Величина энергии (в эргах) определяется по формуле lgЕ = К= а 1 - b1M, где а 1 4, b1 1.6; по шкале Рихтера магнитуда М изменяется от 0 при слабых землетрясениях до 9 при катастрофических.

Условная энергетическая характеристика

M = lg= lgA - lgA*,

где А - максимальная амплитуда смещения частицы породы, определяемая по сейсмограмме при данном землетрясении, мкм; А* - амплитуда смещения частицы породы при некотором, очень слабом землетрясении, избранном в качестве эталонного или стандартного, мкм.

Магнитуда Ашхабадского землетрясения (1948г.) - 7,3, Гоби-Алтайского (1957 г.) - 8,6, Ташкентского (1966 г.) - 5,3. Землетрясения с М = 0 образуют энергию около 105 дж; у наиболее сильных при М = 8,5, энергия достигает 1020 дж. Увеличение интенсивности землетрясения на 0,5 М соответствует увеличению энергии примерно в 10 раз.

Табл. . Соотношение между К и М (по Г.П. Горшкову и А.Ф. Якушовой)

к	м	к	м
9	3,1	13	5,6
10	3,7	14	6,2
11	4,4	15	7,0
12	5,5	16	7,5

В 1988 г. проф. И.П. Зелинский предложил формулу для определения энергии по материалам Карпатских землетрясений:

lgE = К = бМ + 2, где б = 2.25 - 1.85 при К от 9 до 17.

- балльность (интенсивность в эпицентре): J0=1,5M - 3,5lgh + 3, где h - глубина очага мелкофокусных землетрясений; при увеличении М на 2 единицы интенсивность возрастает на 3 балла; для ее определения пользуются специальными классификациями - шкалами сейсмической интенсивности.

Табл. Расчетные значения б в зависимости от изменений энергетического класса К и магнитуды М

К	М	б
9	3.1	2.25
10	3.7	2.15
11	4.4	2.08
12	5.0	2.00
13	5.6	1.97
14	6.2	1.94
15	6.8	1.91
16	7.5	1.87
17	8.0	1.85

Сила землетрясений в баллах устанавливается в зависимости от:

- величины Х 0 - максимального относительного смещения сферического упругого маятника сейсмометра (ГОСТ 6249--52) с периодом собственных колебаний Т = 0,25 сек и декрементом их затуханий л = 0,50;

- величины сейсмического ускорения горизонтальной составляющей а (мм/с 2) - смещения частиц пород на поверхности Земли под воздействием сейсмических волн в единицу времени, определяемого приборами аксельрометрами. а выражают через амплитуду А и период T колебаний сейсмических волн:

а = А - ;

- величины коэффициента сейсмичности Kc, показывающего угрожаемость землетрясений (при сравнении сейсмического ускорения а с ускорением свободного падения g):

Kc = а / g.

Величина Kc необходима для расчета добавочной горизонтальной силы Q при оценке прочности сооружения:

Q = Р Kc,

где Р - вес сооружения;

- Мо - сейсмический момент в очаге, обусловлен разностью напряжений в массиве до и после землетрясений, параметрами очага (длиной и шириной разрыва), смещениями в нем и показателями среды, lgM0=l,5M + 16;

- Т - период повторяемости, год;

- N - число землетрясений, зарегистрированных за год на площади 1000 км 2;

- остаточные деформации в породах (сейсмодислокации) - протяженность, амплитуда и ширина разрывов и т. п.

Землетрясения разделяются:

- по магнитудам на категории: 4.5 - 5.5; 5.5 - 6.5; 6.5 - 7.5 и 7.5 - 8.5;

- по глубинам очагов на группы: преобладающие мелкофокусные 3--10 км; среднефокусные 10--20; 20--40 км, Крымские землетрясения; глубокофокусные 40--100 км, Карпатские землетрясения зоны Вранча. Или: нормальные (до 70 км), промежуточные (от 70 до 300 км) и глубокие (более 300 км);

- по повторяемости на разряды: 3 - 30; 30 - 300; 300 - 3000 и 3000 - 30000 лет;

- по балльности (интенсивности) используются несколько шкал: MSК--1964, 12-балльная, принятая в СНиПе II-7-81(1982); 7-балльная (Японская, 1950).

На Земле за год высвобождается упругая энергия в виде землетрясений порядка 1019Дж, т. е. около 0,5% общей энергии эндогенных процессов.

Данные об энергии некоторых землетрясений приведены в табл.

№\№	Место	Время	Е, дж	По сравнению с АЭС мощностью 2 млн квт
1	Ашхабад	1948г.	1015	106, 1 млн АЭС
2	Сан-Франциско	1906г.	1016	107, 10 млн АЭС
3	Мехико	1985г.	1017	108, 100 млн АЭС
4	Аляска	1964г.	1018	109, 1 млрд АЭС

По мере удаления от эпицентра во все стороны колебательные движения (сотрясения) и сила толчков постепенно уменьшаются до едва заметных.

Сильные землетрясения могут повлечь за собой перераспределение упругих напряжений в очаге и прилегающих к нему толщах горных пород литосферы и возникновение повторных подземных толчков - афтершоков. В Ташкенте во время землетрясения 1966 г. их было более 700.

Землетрясения повторяются с определенной квазипериодичностью.

Сейсмические волны. Возникающие в очаге землетрясения колебательные движения частиц среды распространяются в толщах горных пород литосферы и в целом внутри Земли в виде сейсмических волн. Эти волны имеют большие скорости, что позволяет рассматривать толщи горных пород литосферы как идеально упругие среды, а сейсмические волны как упругие волны, т.е. как процесс передачи на расстояние деформаций, возникающих в упругих средах. Сейсмические волны подразделяются по виду деформаций на продольные, поперечные и поверхностные, а по характеру распространения - на прямые, отраженные, преломленные и др.

Продольные волны распространяются с максимальной скоростью, они переносят наибольшие запасы энергии и при землетрясениях вызывают наибольшие нарушения. Это волны объемные (сжатия и растяжения), колебания частиц среды при этом совершаются в направлении, совпадающем с направлением волны. Они распространяются в твердых телах, жидкостях и газах. Скорость распространения продольных упругих волн (м/сек):

vр=,

где Ед - модуль упругости динамический, кгс/см 2; - коэффициент поперечной деформации; - плотность горных пород, г/см 3.

Поперечные волны вызывают изменение формы элемента среды без изменения его объема, это волны сдвига и кручения. Колебания частиц среды происходят перпендикулярно к направлению луча волны. Распространяются только в твердых породах. Так как жидкости и газы не оказывают сопротивления изменению формы, в них не происходит распространения поперечных волн. Скорость распространения поперечных волн:

vs= .

Она в 1,7--1,8 раза меньше скорости распространения продольных волн.

При выходе продольных и поперечных волн на поверхность Земли на ней возникают колебательные движения в виде поверхностных волн, а при прохождении упругих волн через границы раздела среды в ней возникают вторичные волны - отраженные, преломленные и др. Все вторичные волны распространяются с меньшими скоростями по сравнению со скоростями вызвавших их упругих волн и несут малые запасы энергии.

Скорость распространения продольных и поперечных волн зависит от механических (упругих) свойств горных пород и их плотности. Чем выше плотность и упругость пород, тем больше скорость распространения в них продольных волн: в осадочных горных породах ("осадочный" слой земной коры) изменяется от 2,0 до 5,0 км/сек; в породах типа гранитов ("гранитный" слой)-- 5,0 - 6,0 км/сек; в базальтах ("базальтовый" слой) еще выше - 6,5 - 7,5 км/сек; в ультраосновных породах - гипербазитах (верхняя мантия) более 8,0 км/сек.

Табл. Сейсмическая шкала ин-та Физики Земли АН СССР (по С.В. Медведеву)

Балл	Название землетрясения	Х 0, мм	а, мм/сек 2	Сейсмическсе ускорение, доли g
1	Незаметное		<2,5
2	Очень слабое	--	2,6-5	--
3	Слабое	--	5,1-10	--
4	Умеренное	<0,5	11-25	--
5	Довольно сильное	0,5--1	26-50	0,025
6	Сильное	1,1--2	51-100	0,025-0,05
7	Очень сильное	2,1-4	101--250	0,05-0,1
8	Разрушительное	4,1--8	251-500	0,1-0,2
9	Опустошительное	8,1-16	501-1000	0,2-0,4
10	Уничтожающее	16,1-32	1001-2500	>0,4
11	Катастрофа	>32	2501-5000
12	Сильная катастрофа	--	>5000	--

Наиболее важный для практики диапазон этой шкалы от 6 до 9 баллов утвержден в качестве госстандарта для обязательного применения с 1.01.1953 г. (ГОСТ 6249--52). В Советском Союзе с 1964 г. начали применять 12-балльную шкалу MSK-64, разработанную С.В. Медведевым (СССР), В. Шпонхойером (ГДР) и В. Карпиком (ЧССР), рекомендованную международными организациями для применения во всех странах. Эта шкала близка к шкале Института физики Земли АН СССР. Для характеристики по этой шкале силы землетрясения в баллах пользуются несколькими признаками:

- степень повреждения зданий и сооружений (тип зданий, количество);

- остаточные явления в горных породах;

- изменение режима поверхностных и подземных вод;

- нарушения рельефа и др.;

- ощущения людей.

На интенсивность землетрясений влияют:

- региональные факторы:

- мощность покровных рыхлых осадочных пород и состав подстилающих;

- условия залегания пород (простирание наклонно залегающих слоев, складок и разрывов);

Табл. Зависимость интенсивности землетрясений на поверхности земли в эпицентре от силы землетрясений в области очага и глубины его расположения (по Н.В. Шебалину)

Глубина расположения очага землетрясения h, км	Балльность 10 в эпицентре в зависимости от магнитуды М
	5	6	7	8
10	7	8-9	10	11-12
20	6	7-8	9	10-11
40	5	6-7	8	9-10
80	4-5	6	7-8	9
150	3-4	5	6-7	8
300	--	4	5-6	7
600			4-5	6

- условия залегания крупных глубинных зон и разрывов.

- местные инженерно-геологические условия:

- состав и физическое состояние горных пород;

- глубина залегания подземных вод;

- характер рельефа и расположение тектонических нарушений - разрывов.

Главными характеристиками горных пород при оценке их сейсмоустойчивости являются плотность, скорость распространения упругих воли и сейсмическая жесткость. Жесткость - свойство горных пород сопротивляться образованию деформаций; сейсмическая жесткость vг - сопротивление горных пород распространению возникающих в них деформаций: vг = vP y, где vp - скорость распространения продольных сейсмических волн; у - плотность горных пород. Понятие "жесткость" в известном смысле противоположно понятию "рыхлость".

Относительно балльности для гранита - типичного представителя твердых (скальных) горных пород - эталона - балльность других групп и разностей горных пород должна увеличиваться на 1 - 2 и даже на 3 балла. При этом обводненность пород во всех случаях значительно повышает балльность. Породы рыхлые, водонасыщенные, насыпные - сейсмонеустойчивы, сотрясения в них проявляются с наибольшей интенсивностью. Возведение сооружений на таких породах всегда опасно.

Если рассматриваемый участок сложен толщей пород, состоящей из слоев, разных по плотности и скорости распространения упругих волн, то при оценке его сейсмоустойчивости учитывают среднюю сейсмическую жесткость толщи пород до глубины h, равной 10 м:

(vP y)ср = .

Из местных факторов на интенсивность проявления сейсмичности значительное влияние оказывает обводненность горных пород.

При землетрясениях на поверхности Земли возникают остаточные деформации в виде осыпей, обвалов, оползней, щелей, наблюдается образование открытых зияющих трещин, вертикальных и горизонтальных перемещений масс горных пород. На интенсивность их проявления влияют геологическое строение участка, состав, физическое состояние и обводненность горных пород и особенно его рельеф. Участки с резкопересеченным, горным рельефом, высокие и крутые склоны особенно опасны в отношении возникновения различных геологических явлений, связанных с землетрясениями. Такие явления иногда называют сейсмогенными, подчеркивая этим влияние сейсмических усилий на их образование. При сильных, катастрофических землетрясениях, особенно в горных районах, нередко большая часть человеческих жертв и материальных потерь бывает связана не с самими землетрясениями, а с сопутствующими им явлениями - обвалами оползнями, селями и др.

Разрушительный эффект от землетрясения определяется энергией и глубиной его очага, амплитудой и периодом колебаний сейсмических волн, расстоянием от эпицентра и т. п. Интенсивность землетрясений на оцениваемом участке отличается от фоновой и зависит от конкретных инженерно-геологических факторов.

"Остаточные деформации" возникают в толщах пород, потенциально подготовленных к смещениям другими процессами, и при наличии зон ослабления (разрывы, трещины, выветрелость, обводненность, очаги высоких тангенциальных напряжений и др.). Среди "остаточных деформаций" необходимо различать: а) собственно сейсмогенные, например, обновленные или вновь образованные разрывы большой протяженности и с вертикальными перемещениями (Гоби-Алтайские и др.) и б) сейсмогравитационные оползни, осыпи, обвалы, провалы над подземными пустотами, прорывы запруд возникшими волнами и др.



1 0 000

7 7 8 9 10 77 12 13 14 15 К

Энергетические классы

Зависимости числа землетрясений за 1 год на площади 1000 км 2, их повторяемость и энергетический класс на примере района Токтогульской ГЭС Киргизии

Строительство в сейсмических районах

СНиПом устанавливаются требования к проектированию и строительству зданий и сооружений на сейсмоопасных территориях. При сейсмичности более 9 баллов, возводить здания и сооружения, как правило, не допускается.

Главными задачами являются правильные выбор строительной площадки (территории с благоприятными в сейсмическом отношении инженерно-геологическими условиями), основанный на детальном сейсмическом микрорайонировании, и компоновка на ней сооружений.

Территории с расчетной сейсмичностью 7, 8, 9 баллов, имеющие неоднородные инженерно-геологические условия, должны расчленяться на отдельные части незастраиваемыми участками (бульвары, парки, проезды, площади и др.).

Глубина заложения фундаментов зданий и сооружений в соответствии со СНиП П-А. 12--69 принимается такой же, как и в несейсмических районах. При недостаточной плотности, прочности и монолитности пород оснований рекомендуется применять меры по искусственному улучшению их свойств и регуляции поверхностного стока, предупреждения увлажнения, обводнения и подтопления). Для зданий повышенной этажности глубину заложения фундаментов рекомендуется увеличивать путем устройства подвальных помещений.

Расчет оснований и фундаментов зданий и сооружений должен производиться с учетом сейсмических воздействий по первому предельному состоянию - по несущей способности (обеспечение его прочности и устойчивости и недопущение сдвига фундамента по подошве и опрокидывания). Основными характеристиками свойств горных пород при этом являются показатели их прочности (угол внутреннего трения и сцепление, для скальных и полускальных - временное их сопротивление одноосному сжатию).

Расчет оснований по несущей способности для сейсмических районов выполняется по условию

NB = ,

где NB - вертикальная составляющая от нагрузки, передаваемой фундаментом; Ф - несущая способность горных пород основания; Кн -коэффициент надежности, принимаемый равным не менее 1,5; Тс -сейсмический коэффициент условий работы, принимаемый равным 1,2 для скальных, полускальных, плотных маловлажных грубообломочных, песчаных и глинистых пород; 0,7 - для водоносных песков рыхлого сложения и глинистых пород неустойчивой консистенции и 1,0 - для остальных пород.

Для обеспечения устойчивости сооружений осуществляют конструктивные мероприятия, определяемые их размерами, этажностью, формами в плане, конструкцией и т. д.: соблюдение симметричности сооружений относительно их осей, придание им прочности и жесткости армированием, антисейсмическими швами, разделяющими сооружения на отдельные отсеки, и др. Для особо ответственных сооружений принимают расчетную сейсмичность NB на 1 балл выше, чем по сейсмическому микрорайонированию.

При проектировании линейных сооружений внимание следует обращать на выбор их трасс и на условия строительства (принимать более пологие углы заложения откосов насыпей, выемок и полувыемок; площадку земляного полотна дорог, прокладываемых вдоль склонов, размещать в полувыемках либо на полунасыпях; откосы укреплять подпорными сооружениями и т. д.).

Сейсмическое микрорайонирование и прогноз

Анализ сейсмических, геологических и геофизических данных позволяет предварительно выделить области ожидаемых землетрясений и оценить их возможную максимальную интенсивность. В этом состоит суть сейсмического районирования, согласно которому, все сейсмические районы на карте разделены на крупные области и зоны, для каждой из которых указана средняя возможная интенсивность землетрясений (сейсмичность) в баллах от 6 до 9. Она установлена для средних геологических условий: наличия песчано-глинистых отложений и низкого расположения уровня подземных вод (6 м и глубже от поверхности земли).

В пределах каждой зоны и области могут изменяться состав, условия залегания и физ-мех. свойства пород, распространение тектонических нарушений и глубина залегания подземных вод. Для решения проектно-строительных задач в районах, подверженных землетрясениям с шестью и выше баллами необходимы карты сейсмического районирования масштаба 1:100 000--1:200 000, составляемые на основе карты 1:2 500 000 для территории СССР.

Сейсмическое микрорайонирование территории начинается с уточнения общей сейсмичности района, установления связей между интенсивностью, магнитудой, энергетическим классом и глубиной очага в конкретных геологических условиях и составления карт сейсмического микрорайонирования указанного масштаба и детального микрорайонирования м-ба 1 : 25 000 - 1 : 2 000 в зависимости от вида сооружений и стадии проектирования с учетом основных инженерно-геологических факторов, изменения состава, строения и водонасыщенности, трещиноватости, выветрелости и физико-механических свойств пород, рельефа территории.

Эти карты должны быть по содержанию разными для наземных сооружений с неглубоким заложением фундаментов, для высоких плотин и других ответственных сооружений, для объектов, проектируемых на обвально-оползневых склонах.

Детальное сейсмическое микрорайонирование предполагает в первую очередь оценку изменчивости геолого-литологического разреза, разломов и свойств пород на приращение интенсивности землетрясения на разных участках. Изменения параметров сейсмических волн (скорость, период, амплитуда, ускорение и др.) по мере их движения отражает поглощение потока сейсмической энергии и интенсивность воздействия на массив пород. На контактах различных геологических сред, например, прочных слаботрещиноватых пород и зоны крупного тектонического разлома, высвобождается энергия сейсмических колебаний за счет трансформации параметров волн. Это приводит к скачкообразному росту напряжений и интенсивности и балльности землетрясения. Особо важны при этом литологическая неоднородность, обводненность, рельеф, крутые высокие склоны, обусловливая "контурный эффект" с возрастанием ускорения у вершин в 2--3 раза и более, что имеет важное значение для возникновения грандиозных оползней и обвалов.

Для приближенных оценок изменения интенсивности по сравнению со средними (эталонными) породами пользуются рекомендациями СНиПа Н-7--81 (1982); В.В. Попова (1959), основанными на типизации и анализе геологического строения территории; С.В. Медведева (1962), предложившего расчетную эмпирическую формулу:

,

где vрэ и vp0 - скорости сейсмических волн, км/с, эталонной и оцениваемой для данного участка; Дэ и ?0 - в плотность (объемная масса) эталонной и оцениваемой породы. Если участок сложен слоистой толщей, то в формулу подставляются средневзвешенные значения Дэ и ?0.

В книге "Сейсмическое микрорайонирование" (С.В. Медведев, 1977) предлагается упрощенная формула для расчета приращения интенсивности землетрясения:

ДIП = 3,3(lgA0 - lgAэ),

где Аэ и Ао - максимальные амплитуды колебаний на поверхности пород эталонного участка и оцениваемого.

На интенсивности землетрясения отражаются состав, текстура, плотность пород, соотношения мощности, условия залегания отдельных слоев и степени их обводненности. При водонасыщении существенно изменяется скорость продольных волн (напр., у галечников со слабой влажностью vр = 400 м/с, а у водонасыщенных vрв = 2100 м/с; аналогично у трещиноватых долеритов vр = 2100 м/с, vрв = 4900 м/с), а скорости поперечных волн vs у мало и полностью обводненных пород близки, поэтому вместо формулы С.В. Медведева ДI в =- 0,04, где h - глубина уровня грунтовых вод, предлагается формула:

ДI в = (2,9 - 0,91 lg vs) (e- 0,04 - e0,04),

где hb и hbn - глубины УГВ и подошвы обводненной толщи. Наибольший эффект от грунтовых вод достигает 1 балла при малой мощности слоя; при глубине УГВ более 5--10 м их влияние значительно уменьшается.

Для оценки скорости продольных и поперечных волн с учетом физико-механических свойств пород, для последующего использования в расчетах ДI, используются формулы:

vp(30) = 31 lg fK + 1,5 (км/с), vs(100) = 2,05 lg fK + 0,95 (км/с),

где vp - скорости волн продольных; vp(30) - для глубины 30 м; vs(100) - поперечных для 100м; fK - коэффициент крепости по М.М. Протодьяконову.

Для оценки снижения величин скоростей упругих волн из-за трещиноватости пород при отсутствии данных натурных экспериментов рекомендуется применять коэффициент КТ, по величинам которого (от 0,9 до 0,1) породы разделены на пять классов в зависимости от ширины и заполнителя трещин, расстояния между ними и общей пустотности.

По данным сейсморазведочных и инженерно-геологических изысканий устанавливаются зависимости между динамическими модулями упругости Еd и модулями деформаций для конкретных типов пород.

В случаях резонансных явлений при близких землетрясениях, когда длина сейсмических волн мала и амплитуды относительных колебаний велики, в толщах неоднородных пород на глубине могут возникать большие напряжения и сдвиговые деформации. Интенсивность землетрясений за счет резонансных свойств неоднородной толщи пород надо увеличивать на 0,1--1,0 и до 1,7--2,5 балла в зависимости от скоростей сейсмических волн, периодов колебаний, плотности и мощностей сопряженных пород ("Рекомендации по сейсмическому микрорайонированию", 1973).

Для большинства городов, расположенных в сейсмических областях, - Ялты, Алма-Аты, Фрунзе, Ташкента, Душанбе, Ашхабада, Тбилиси, Еревана, и других, составлены детальные карты сейсмического микрорайонирования: изменение интенсивности землетрясений по сравнению с фоновой (районной) составило ±0,5 и 1 балл, а на отдельных участках 1,5 и даже 2 балла. Происходит суммирование положительных и отрицательных приращений интенсивности землетрясений.

По инженерно-геологической карте масштаба 1 : 25 000--1 : 2 000 выполняется типизация территории - выделение участков с разными литологическими разрезами, глубиной и режимом грунтовых вод; механическими и сейсмическими свойствами пород, рельефом и развитием современных геологических и инженерно-геологических процессов. Для типовых участков определяется изменение интенсивности сейсмичности по сравнению с выбранным эталонным для каждого инженерно-геологического фактора путем расчета по эмпирическим формулам или на основе натурных опытов. Устанавливается изменение балльности в разных породах в зависимости от эпицентра. Затем составляется сводная таблица изменения интенсивности землетрясений для типовых условий и определяется суммарная характеристика, по которой выполняется районирование территории и составляется детальная карта сейсмического микрорайонирования с разрезами в масштабе более крупном, чем сама карта.

Прогноз

Определение местоположения очагов и эпицентров, балльности и других характеристик землетрясений можно приближенно количественно установить, используя в сочетании геологические и сейсмологические методы, уточняя их для отдельных участков путем сейсмического микрорайонирования. Для временного прогноза применяются косвенные признаки и условные приемы; к ним относятся:

1 - прогноз повторяемости Т сильных землетрясений по наблюдениям за слабыми путем экстраполяции;

2 - гидрогеологические наблюдения за уровневым, химическим и газовым режимом глубоких напорных и минеральных вод. Так, в районе Ташкента (1966р.) в подземных водах возросло содержимое радона до выхода кривой на уровень насыщения, после чего состоялось сильное разрушительное землетрясение. Этот принцип прогноза предложил ак. Г.А. Мавлянов и др. Подобные графики полезно строить для анализа и выявления слабых предварительных толчков (форшоков) с помощью сейсмографов; скорости прохождения сейсмических волн на стационарных участках; акустических изменений мощности пьезоэлектрического эффекта (U), деформаций земной поверхности (изменение значений модуля деформации Е, Мпа) и др.;

3 - изучение изменений естественных полей (звукового, электрического, магнитного, теплового) и построение прогнозных графиков;

4 - изучение влияния изменения интенсивности естественных полей при подготовке землетрясения на поведение животных и микроорганизмов (И.П. Зелинский и др.), причем в данном случае биологические объекты (бактерии, дрожжи, рыбы) используются в качестве биосенсоры;

5 - инструментальные наблюдения в подземных камерах за развитием деформаций и смещений по разломам, наклону блоков пород и др. (в районах, где создаются высокие плотины и на геодинамических полигонах);

6 - проведение постоянных наблюдений на сейсмостанциях и выявление закономерностей проявлений землетрясений.

Анализ графика (рис.) позволяет установить, что сильные землетрясения в Одессе происходили в 1701, 1802, 1903 годах, а аномально сильное (8 баллов) в 1802 году. Частота проявлений землетрясений в ХХ столетии возросла: 1903; 1940; 1977; их период стал равным 37 годам. Статистически вероятное землетрясение в Одессе интенсивностью 6 баллов (интенсивностью 10.11.1940 года и 4.03.1977 года) можно ожидать в 2014 году.

"Возбужденная сейсмичность"

Активизация сейсмичности под влиянием техногенеза получила термин "возбужденной". На напряженно-деформированное состояние и активизацию сейсмичности верхней части земной коры влияют:

создание в горно-сейсмических областях глубоких водохранилищ до 200--300 м (Ингурское, Саянское и др.) с большими объемами (Токтогульское--19 км 3, Кариба в Родезии-- 175 км 3 и др.), со сработкой уровня до 60--90 м;

извлечение со снижением пластового давления подземных вод, нефти и газа в больших количествах (до 0,9 млн. м 3/сут подземных вод в Москве; 1,2 млн. м 3/сут в районе КМА и т. д.);

закачивание под высокими давлениями на большие глубины промышленных стоков и вод при разработке нефтяных месторождений;

производство мощных взрывов - подземных и поверхностных - с энергией, превышающей 7-8-балльные землетрясения.

Возбужденные землетрясения обладают особенностями: мелкофокусные; интенсивность и магнитуда не превышают фоновую сейсмичность, типичную для района; более продолжительное время действия и иное распределение большего количества форшоков и афтершоков; меньшие величины отношений vp/vs и размеры площадей возникновения сейсмических волн.

Факторами, определяющими условия образования возбужденных землетрясений, являются: геолого-структурное строение - комплексы пород; сеть глубоких разломов с зонами оперяющих трещин с большой возможностью проникновения воды вглубь и гетерогенные подстилающие породы, облегчающие движение воды под давлением; глубинные тектонические процессы; высокое напряженно-деформированное состояние земной коры, близкое к критическому, при котором техногенное воздействие вызывает разрядку напряжений.

Факторы причины: снижение прочности массива по разломам и зонам ослабления в результате возрастания поро-трещинного давления при передаче напора от техногенных объектов и относительное увеличение тангенциальных напряжений; фильтрация воды в потенциальные очаги землетрясений при небольших расстояниях и соответствующей водопроницаемости:

1) воздействие нагрузки от водохранилища на изменение напряженного состояния горных пород и концентрацией напряжений в зонах разрывных нарушений;

2) воздействие возрастающего гидростатического давления подземных вод, вызывающих снижение эффективного напряжения вдоль зон ослабления и снижение прочности пород;

3) нарушение равновесия между внутренним давлением перегретых подземных вод на глубине и давлением вышележащих масс горных пород в зонах тектонических нарушений.

Возбужденная сейсмичность снимает часть напряжений в земной коре, предотвращая или отодвигая появление максимального разрушительного землетрясения. Если достоверно установить природу и механизм развития таких землетрясений, то появится возможность управления процессами роста напряжений, определятся способы рационального режима их разгрузки.

Методы изучения: геоморфологический и геодезический (на специальных полигонах, длительно, высокоточным нивелированием и светодальномерами определяются деформации земной поверхности по реперам, установленным на различных структурных блоках и на геоморфологических элементах).

От гипоцентра во все стороны расходятся сейсмические волны, по своей природе являющиеся упругими колебаниями. Различают продольные и поперечные сейсмические волны, как упругие колебания, распространяющиеся в земле от очагов землетрясений, взрывов, ударов и других источников возбуждения. Сейсмические волны - продольные, или Р-волны (лат. primae - первые), приходят к поверхности земли первыми, так как имеют скорость в 1,7 раза большую, чем поперечные волны; поперечные, или 5-волны (лат. secondae - вторые), и поверхностные, или L-волны (лат. lon-qeg - длинный). Длины L-волн больше, а скорости меньше, чем у Р- и 5-волн. Продольные сейсмические волны - волны сжатия и растяжения среды в направлении сейсмических лучей (во все стороны от очага землетрясения или другого источника возбуждения); поперечные сейсмические волны - волны сдвига в направлении, перпендикулярном сейсмическим лучам; поверхностные сейсмические волны - волны, распространяющиеся вдоль поверхности земли. L-ьоятл подразделяют на волны Лява (поперечные колебания в горизонтальной плоскости, не имеющие вертикальной составляющей) и волны Рэлея (сложные колебания, имеющие вертикальную составляющую), названные так в честь открывших их ученых. Очень известной является шкала Рихтера, предложенная в 1935 г. американским сейсмологом Ч.Ф. Рихтером, теоретически обоснованная совместно с Б. Гутенбергом в 1941--1945 гг. шкала магнитуд (М); уточненная в 1962 г. (Московско-Пражская шкала) и рекомендованная Международной ассоциацией сейсмологии и физики недр Земли в качестве стандартной. По этой шкале магнитуда любого землетрясения определяется как десятичный логарифм максимальной амплитуды сейсмической волны (выраженной в микрометрах), записанной стандартным сейсмографом на расстоянии 100 км от эпицентра. При других расстояниях от эпицентра до сейсмостанции вводится поправка к замеренной амплитуде с целью приведения ее к той, которая соответствует стандартному расстоянию. Нуль шкалы Рихтера (М = 0) дает очаг, при котором амплитуда сейсмической волны на расстоянии 100 км от эпицентра будет равна 1 мкм, или 0,001 мм. При увеличении амплитуды в 10 раз магнитуда возрастает на единицу. При амплитуде, меньшей 1 мкм, магнитуда имеет отрицательные значения; известные максимальные значения магнитуд М = 8,5...9. Магнитуда - расчетная величина, относительная характеристика сейсмического очага, не зависящая от места расположения записывающей станции; используется для оценки общей энергии, выделившейся в очаге (установлена функциональная зависимость между магнитудой и энергией).

Размещено на Allbest.ru

...