Общая Геология 2

Если землетрясения возникают в результате наведенной сейсмичности, это означает, что верхняя часть земной коры находится в неустойчивом состоянии или, как говорят, в метастабильном, и достаточно некоторого воздействия на нее, чтобы вызвать разрядку накопившихся напряжений, т.е. землетрясение.

Рис. 18.2.4. Распределение эпицентров землетрясений в Кавказском регионе. Глубины эпицентров в км: 1 – 0 –10; 2 – 10-25; 3 – 25-50; 4 – глубже 50

В качестве техногенных причин выступают такие, которые создают избыточную нагрузку или, наоборот, недостаток давления. В качестве первых особенно характерны крупные водохранилища. Первое такое землетрясение с М=6,1 произошло в США в 1936 г. в районе плотины Гувер, где раньше землетрясения не были зафиксированы. В Калифорнии в 1975 г. произошло землетрясение силой около 7 баллов, после того, как была построена высокая (235 м) плотина и создано большое водохранилище вблизи города Оровилл. В 1967 г. в районе плотины Койна в Индии, через 4 года после создания водохранилища произошло разрушительное землетрясение с М=6,3. В середине 60-х годов довольно сильное землетрясение (М=6,2) имели место вблизи плотины Крамаста в Греции.

Чем больше водохранилище, тем выше вероятность возбужденного землетрясения. Отмечается, что в подобных землетрясениях наблюдается значительное число форшоков и афтершоков (Сейсмические опасности, 2000). Кроме массы воды, как избыточного

нагружения земной коры, важную роль играет снижение прочностных свойств горных пород ввиду проникновения по трещинам воды.

Добыча нефти и газа, откачка воды из земных недр, приводит к изменению пластового давления воды, что, в свою очередь, влияет на перераспределение напряжений, оживлению подвижек по разломам, возникновению новых трещин. Как правило, землетрясения, вызванные этими явлениями невелики по своей силе. Однако, очень сильные землетрясения с М=7,0 и 7,3 произошли в 1976 и 1984 гг. в Узбекистане, в районе гигантского месторождения газа в Газли. Раньше в этой местности прогнозировались лишь слабые сейсмогенные подвижки. После начала эксплуатации в 1962 г. до 1976 г. было откачано 300 млрд. м3 газа и пластовое давление стало неравномерно изменяться. Наблюдалась форшоковая активность. Главные толчки произошли в тех зонах, где изменение гидродинамических условий было сильнее всего. Влияние добычи нефти на активизацию сейсмических событий имело место на севере Сахалина; в Западной Туркмении (Кумдагское землетрясение 1983 г. с М=6,0) и другие.

Возбужденные землетрясения могут происходить также в результате закачки внутрь пластов каких-либо жидких промышленных отходов, как это произошло в районе г.Денвер в 1962 г. с М>5,0, когда на глубине около 5 км резко возросло пластовое давление. Сейсмический отклик находят и подземные ядерные взрывы, интенсивно проводившиеся в недавнем времени.

Естественные геологические процессы, такие как земные приливы, изменение скорости вращения Земли, далекие землетрясения, солнечная активность, даже изменение атмосферного давления и фазы Луны влияют на сейсмическую активность, особенно мелкофокусную. Интересны в этом отношении приливные деформации поверхности Земли, связанные с гравитационным взаимодействием Земли, Луны и Солнца. Интенсивность этого взаимодействия минимальна у полюсов и максимальная на экваторе. Волны, вызванные этим явлением, постоянно перемещаются по поверхности Земли с востока на запад.

Проблема наведенной сейсмичности в наши дни становится одной из важнейших и ей уделяется много внимания как в прикладной, так и в фундаментальной сейсмологии. Это особенно актуально в связи с быстро растущими городскими агломерациями, колоссальным отбором нефти, газа и воды из месторождений, строительством плотин и водохранилищ, что приводит к возрастанию сейсмического риска.

18.3. Прогноз землетрясений.

Несмотря на все усилия различных исследователей, предсказать десятилетие, год, месяц, день, час и место, где произойдет землетрясение, пока невозможно. Сейсмический

удар происходит внезапно и застигает врасплох. Созданные в нашей стране силы МЧС призваны не только оказывать помощь после катастрофы, но содействовать тому, чтобы ущерб от них был максимально снижен. Сейсмическое районирование (СР) территории России как раз и предназначено для этого. Когда мы говорим о прогнозировании землетрясений следует различать прогнозирование сейсмичности как режима, т.е. сейсморайонирование и прогнозирование отдельных землетрясений по предвестникам, т.е.

собственно сейсмопрогнозирование.

Сейсмическое районирование.

В настоящее время 20% площади России подвержено землетрясениям силой до 7 баллов, что требует специальных антисейсмических мер в строительстве. Более 15% территории находится в зоне разрушительных землетрясений, силой 8-10 баллов. Это Камчатка, Курильские острова и, по существу, весь Дальний Восток, Северный Кавказ и Байкальский регион.

Сейсмическое районирование – это составление разномасштабных специальных карт сейсмической опасности, на которых показывается возможность землетрясения определенной интенсивности в определенном районе в течение некоторого временного интервала. Карты обладают различным масштабом и разной нагрузкой.

Рис. 18.3.1. Сейсмическое районирование территории бывшего СССР. 1-6 – районы с различной бальностью, показанной цифрами. Белый цвет бальность от 0 до 5

Общее сейсмическое районирование (ОСР) составляется в масштабе от 1:5000000 до 1:2500000; детальное сейсмическое районирование (ДСР) – 1:500000-1:100000; сейсмическое микрорайонирование (СМР) – 1:50000 и крупнее. ОСР является основным документом, а СМР используется для отдельных городов, населенных пунктов, крупных промышленных объектов. Карты ОСР используются в экономических целях, для строительства и землепользования. Первая карта ОСР, составленная в 1937 г. Г.П.Горшковым все время совершенствовалась и последнее ее издание было в 1997 г. Балльность, выделенных опасных в сейсмическом отношении зон, непрерывно уточняется и в карту вносятся коррективы. Работа над картой ОСР России продолжается и в наши дни, т.к. необходимость долгосрочного прогноза и оценки сейсмического риска возрастает.

Сейсмопрогнозирование.

Прогнозирование землетрясений использует много факторов, в которые включаются различные модели подготовки землетрясения и разные предвестники: сейсмологические, геофизические, гидродинамические, геохимические.

Согласно дилатантно-диффузионной модели, процесс подготовки землетрясения разделяется на 3 стадии. 1-ая характеризуется увеличением тектонического напряжения; 2-ая-возникновением микротрещин отрыва, т.к. напряжение практически равно пределу прочности пород. При этом происходит некоторое увеличение и упрочнение объема пород, называемое дилатансией. Если напряжения продолжают возрастать, то это приводит к макроразрушению объема пород, т.е. к землетрясению.

Модель лавинно-неустойчивого трещинообразования была предложена в 1975 г.

Мячкиным. Она предполагает процесс взаимодействия полей напряжений трещин и локализации трещинообразования. Напряжения, действующие длительное время в горных породах, вызывают постепенное образование трещин. Когда достигается некоторая критическая плотность трещин, начинается лавинообразный процесс их объединения, что сопровождается концентрацией трещин в одной узкой зоне, в которой и происходит макроразрыв, т.е. землетрясение. Существуют также модели неустойсивого скольжения, консолидации и др.

Предвестники землетрясений весьма разнообразны. Например, предвестники электросопротивления, когда за пару месяцев перед землетрясением наблюдается понижение электросопротивления глубоких слоев земной коры, что связано с изменением парового давления подземных вод. Электротеллурические предвестники свидетельствуют о том, что перед землетрясением начинается рост электротеллурических аномалий, что связывается с изменением меняющегося поля напряжений. Гидродинамические

предвестники связаны с изменением уровня вод в скважинах. Обычно за несколько лет до сильного землетрясения наблюдается падение уровня вод, а перед землетрясением – резкий подъем. Геохимические предвестники указывают на аномальное увеличение содержания радона перед землетрясениями.

Нередко, напоминая о трех-четырех удачных предсказаниях, заявляют: прогноз возможен. Подобный вывод совершенно неправомерен. Ибо подлинный прогноз – это вовсе не любые, сбывающиеся впоследствии предсказания, а лишь те, которые достаточно

надежно, устойчиво сбываются, когда их делают по некоторым определенным правилам

(алгоритмам). Естественно, что несколько удачных попаданий на фоне сотен ошибок типов «пропуска цели» или «ложная тревога» никаких оснований для вывода о возможности прогноза не дают.

В проблеме прогноза главное открытие последних лет: непредсказуемость землетрясений вызвана вовсе не недостатком наблюдательных данных, как полагали еще недавно, а особенностями механизма разрушения, порождающими хаотичность сейсмического процесса.

18.4. Сейсмостойкое строительство и поведение грунтов при землетрясениях.

Все строительство в сейсмоопасных районах осуществляется по специальным требованиям, направленным на повышение прочности зданий. Это и специальные фундаменты; и способы крепления стен зданий; и металлические «обручи», которыми, как бочку, опоясывают здание, предотвращая, тем самым, развал панелей стен дома; это и ограничение этажности и еще много других специальных антисейсмических приемов, направленных на усиление конструкции в уязвимых местах. Колебание сооружения зависит от многих факторов: от формы и глубины заложения фундамента, от жесткости конструкции, от типа грунтов, от резонансных частот и пиковых амплитуд предельно допустимого смещения. Дело в том, что возникновение резонансных колебаний влияет на контакт фундамента с грунтом. По мнению Е.А.Вознесенского, особую опасность представляют маятниковые колебания, резонансное усиление которых, при расположении у центра тяжести сооружения далеко от его фундамента, например, трубы, высотные здания, высокие мостовые опоры, телебашни и др. Раскачивание таких сооружений приводит к их разрушению (рис. 18.4.1; 18.4.2). Чрезвычайно важно знать некоторые важные характеристики грунтов, такие как модуль сжатия, модуль сдвига, коэффициент затухания колебаний, вязкость грунтов, их слоистость, степень изотропности, влажность. Рыхлые увлажненные грунты – глины, пески, суглинки меняют свои механические свойства, когда через них проходят упругие сейсмические волны. Особенно опасно разжижение водонасыщенного грунта, когда при колебаниях исчезают контакты между

зернами, слагающими грунт, и последние оказываются как бы «взвешенными» в воде, которая содержалась в порах (рис. 18.4.3).

При этом прочность грунта резко снижается и сооружения либо разрушаются, либо наклоняются, перекашиваются или даже «тонут». Подобное катастрофическое разжижение грунтов наблюдалось во время землетрясений 1964 г. 27 марта у берегов Аляски около г.Анкоридж (М=8,4) и 16 июня в Ниигате, Япония (М=7,5).

Землетрясения приводят к активизации оползней и оползней-потоков в горных районах. Во время Хаитского землетрясения в Таджикистане в 1949 г. с М=8,0, сорвавшиеся со склонов гор оползниобвалы привели к гибели 25000 человек.

Таким образом, избирательное усиление колебаний грунта определенных частот, потеря прочности грунтов и их разжижение, а также возникновение оползней – потоков и обвалов – вот что приводит к разрушению жилых зданий и промышленных сооружений во время землетрясений.

Рис. 18.4.1. Землетрясение 1954 г. Алжир

Рис. 18.4.3. Разжижение грунта при землетрясении ( по Е.А.Вознесенскому). а – рыхлые водонасыщенные пески с крупными порами до землетрясения, б – фрагмент сейсмограммы, в – момент разжижения ( связи между частицами грунта разорваны и они оказываются взвешенными в воде), г - уплотненный песок после отжатия воды и оседания частиц

18.5. Цунами

Термин «цунами» в переводе с японского означает «большая волна в заливе». В нашей стране он стал известен после трагедии на Курильских островах, когда в 1952 г. в результате огромной волны до 12 м высотой, был полностью разрушен г.Северо-Курильск на о.Парамушир.

В результате подводного землетрясения, происходящего в открытом океане, возникает зона локального возмущения уровня водной поверхности, как правило, над эпицентральной областью. Это возмущение обусловлено быстрым поднятием или опусканием морского дна, которое приводит к возникновению на поверхности океана длинных гравитационных волн, называемых волнами цунами. Длина волн цунами определяется площадью эпицентральной области и может достигать сотни и даже больше км. Если где-то в океане происходит мгновенное поднятие дна, то на поверхности воды возникает как бы водяная «шляпка гриба» высотой в 5-8 м. Затем она распадается с образованием круговых волн, разбегающихся в разные стороны. Иногда в этой водяной «шляпе» наблюдаются всплески, небольшие фонтаны, брызги, появляются кавитационные пузырьки. Если какое-нибудь судно попадает в такую зону, то оно подвергается мощным ударам, вибрации и звуковому воздействию, причиной которой являются сейсмоакустические волны сжатия с амплитудой до 15 Мпа.

Рис. 18.5.1. Образование цунами. 1 – до землетрясения, светлое – вода, точки – океаническое дно; 2 – землетрясение вследствие сброса на дне, на поверхности океана возникает впадина; 3 – на месте впадины образуется купол воды; 4 – купол распадается на круговые волны

Распространяясь во все стороны от эпицентральной области, волны проходят очень большие расстояния. Например, после сильного землетрясения 4 октября 1994 г. вблизи

о.Шикотан Курильской островной дуги с М=8,0 по шкале Рихтера, волны достигали побережья Южной Америки через 20-21 час. Чаще всего скорость распространения волн цунами не превышает 200 км/час, в то время как скорость сейсмических волн составляет несколько км/сек, что позволяет выдать прогноз возникновения цунами после землетрясения, которое регистрируется почти мгновенно, и оповестить население о приближающейся опасности. Скорость, с которой волна цунами подходит к берегу равна:

С = gH

где Н – глубина океана g = 9,81 м/сек2 - гравитационное ускорение. Например, если землетрясение происходит вблизи Курильской гряды и Восточной Камчатки, то время пробега волны цунами составляет всего 10-60 минут, что очень мало для принятия срочных мер по эвакуации населения.

Когда волна цунами высотой в 5-6 м подходит к отмелому берегу, ее высота начинает возрастать до нескольких десятков метров в силу различных причин. Явление увеличения высоты волны на пологом берегу хорошо известно, особенно любителям поплавать на доске перед гребнем волны. «Выросшая» в своей высоте волна цунами всей мощью обрушивается на пологий берег, сметая все на своем пути и проникает вглубь побережий иногда на десятки км.

Цунами чаще всего происходят в Тихом океане, где за последние 10 лет их произошло более 70. Так, 02.09.1992 волна высотой в 10 м на побережье Никарагуа привела к гибели около 170 человек. 12.12.1992 г. цунами высотой до 26 м в Индонезии погубило более 1000 человек. 17.08.1998 г. цунами высотой до 15 м обрушилось на ПапуаНовую Гвинею, во время которого более 2000 человек оказались смытыми волной в лагуну, в которой они утонули или были съедены крокодилами.

На Тихоокеанском побережье России цунами за последние 300 лет наблюдались 70 раз, причем самое разрушительное цунами произошло 04.11.1952 г.. когда волной около 10 м был сильно разрушен г.Северо-Курильск на о.Парамушир. Остальные цунами, хоть и вызывали сильные разрушения, но человеческих жертв не было.

Цунами возникают не только в результате землетрясений. Известен случай на Аляске 09.07.1958 г., когда в бухту Литуя со склонов горы Фейруэзер сошел огромный оползень в 80 млн. м3, вызвавший волну в 524 м высотой, что почти равно Останкинской телевизионнной башне в Москве! Такая высота установлена по заплеску волн на склонах гор.

К появлению цунами приводят и взрывы вулканических островов. Например, цунами, возникшее при гигантском взрыве вулкана Кракатау в Зондском проливе 26 августа 1883 г., привело к гибели 36 000 человек, а волны достигли Африки и обогнули ее,

так какв Англии был зарегистрирован подъем воды на 15 см. Под воздействием цунами, по-видимому, погибла Минойская цивилизация на о.Крит в Эгейском море, когда в XV в. до н.э. произошло мощное взрывное извержение вулкана Санторин.

В очаге цунами нередко происходит быстрый подъем к поверхности холодных глубинных вод и при этом температура поверхностной воды в диаметре до 500 км понижается на 5-6°С и подобная аномалия держится более суток. Такие аномалии уже много раз зафиксированы со спутников в океанах вблизи Тихоокеанского побережья Америки, в Охотском море и других местах.

Существует специальная служба оповещения о приближающемся цунами. Однако, ее эффективность не очень высока, т.к. не каждое землетрясение в океане вызывает цунами. Поэтому большой процент ложных тревог. На побережье Японии вдоль дорог установлены плакаты, на которых написано: «Путник, помни о землетрясении; услышав землетрясение, помни о цунами; увидев цунами, беги в гору». И это, нередко, единственная возможность спастись от разрушающей волны.

Сейсмические колебания океанического дна вызывают такое явление, как моретрясение, при котором море мгновенно «вскипает», образуются стоячие волны высотой до 5-6 м, водяные бугры, остающиеся на одном месте. Все это напоминает кипящее масло на сковородке. Нередко моретрясение сопровождается сильным гулом. Это явление зафиксировано экипажами кораблей, подвергавшихся жуткой тряске, ударам по корпусу и вибрации, вызывавших даже разрушения на палубах. Моретрясения возникают при особом типе колебания океанического дна, когда образуются высокоэнергетические акустические волны. Если колебания дна происходят со скоростью 1 м/с, то на фронте волны сжатия скачок давления достигает 15 атмосфер. Именно такая волна воспринимается судном как удар.

Глава 19.0. ГЛАВНЫЕ СТРУКТУРЫ ЛИТОСФЕРЫ

Континенты и океаны обладают различным строением и возрастом земной коры. Континентальная кеора имеет мощность до 7,5 км, в среднем 40 км и состоит из 3-х слоев (сверху вниз): 1 0 осадочного, 2 – гранитно-метаморфического и 3 – гранулитобазитового. Возраст континентальной коры древний – до 4 млрд. лет. Океаническая кора также 3-х слойная (сверху вниз): 1 – осадочный слой, 2 – базальтовый с параллельными дайками, 3 – габброидный. Мощность океанской коры до 6 км и возраст не древнее 180 млн. лет.

Континенты и океаны – это наиболее крупные структурные элементы литосферы, причем к континентам относятся обширные пространства шельфовых (мелководных) морей и поэтому граница структуры «континент» не совпадает с береговой линией.

В пределах этих самых крупных структур выделяются структуры меньшего размера – подвижные пояса и стабильные устойчивые площади. В океанах к 1-м из них относятся протяженные срединно-океанические хребты с рифтовой зоной в осевой части и поперечными трастформными разломами, а ко 2-м – глубоководные равнины или плиты. На еконтинентах подвижные структуры представлены горно-складчатыми поясами, а стабильные – платформами. Срединно-океанические хребты обладают высокой, хотя и не очень сильной сейсмичностью и активным вулканизмом, в противоположность глубоководным плитам. На континентах стабильные участки представлены платформами, имеющими двухэтажное строение (рис. 19.1).

Рис. 19.1. Схема строения платформы: I – фундамент; II – чехол: 1 – щит, 2 – синеклиза, 3 - антеклиза, 4 – свод, 5 – впадина

Нижний этаж сложен дислоцированными, метаморфизованными и прорванными разнообразными интрузиями толщами пород различного возраста, называемыми фундаментом, выше которого резко несогласно и почти горизонтально залегает верхний этаж – чехол, сложенный осадочными породами и местами базальтовыми покровами. В зависимости от возраста толщ, слагающих фундамент, платформы подразделяются на древние, с докембрийским фундаментом и молодые с палеозойским фундаментом. Все крупные платформы – Восточно-Европейская, Сибирская, Африканская, СевероАмериканская, Южно-Американская и др. имеют докембрийский возраст фундамента, в основном, дорифейский, а молодые платформы, например, Западно-Сибирская, Средне-