15. Сейсмические явления

Сейсмическими считаются территории, на которых происходят землетрясения с силой, угрожающей жизни и деятельности людей. Статистические данные свидетельствуют, что ежегодно на Земле чис­ло землетрясений достигает примерно 100 тыс., из которых 10—20 разрушительных и одно может быть катастрофическим. В течение XX века в результате землетрясений погибло не менее 1 млн. человек.

Землетрясения имеют техническое происхождение и обычно связаны с тектонически активными зонами Земли, где колебательные движения земной коры проявляют себя наиболее интенсивно Ярким проявлением недавних и современных активных тектониче­ских движений в сейсмических районах служит горный и высоко­горный рельеф. В результате тектонических движений в толще гор­ных пород литосферы в течение длительного времени накапливают­ся значительные напряжения. Если такие напряжения достигают предела прочности горных пород, то на определенной глубине про­исходит разрыв их сплошности и образуются разломы, вдоль кото­рых смещаются крупные блоки. При этом высвобождается упругая энергия, которая вызывает внезапные сотрясения и подвижки бло­ков земной коры. Расположенный на глубине непосредственный ис­точник колебательных движений земной коры называют очагом землетрясения или гипоцентром.

Разрушительная сила землетрясений зависит не только от коли­чества высвобождаемой энергии, но и от глубины расположения очага (гипоцентра). По глубине очагов землетрясения подразделяются на нормальные - с глубиной очага до 70 км, промежуточные от 70 до 300 км и глубокие (глубокофокусные) – более 300 м. По имеющимся данным очаги более 70 % землетрясений располагаются в пределах земной коры, т. е. в верхней части литосферы.

Проекция очага землетрясения на земную поверхность называется эпицентром. При удалении от эпицентра колебательные движения земной коры и сила вызывающих их толчков постепенно уменьшаются до едва заметных. Изолинии, соединяющие точки одинаковой силой землетрясения на поверхности Земли, называются изосейстами. Площадь, оконтуренная изосеистои в 6 баллов, представляет собой плейстосейстовую, или сейсмическую, область данного землетрясения, в пределах которой сила толчков угрожает жизни и деятельности людей и сохранности сооружений и коммуникаций. Сильные землетрясения обычно сопровождаются повторны­ми подземными толчками, или афтершоками, число которых может достигать нескольких сотен.

Колебательные движения, возникающие в очаге землетрясения, распространяются внутри Земли в толще горных пород литосферы в виде сейсмических волн. Скорости распространения этих волн довольно большие, что позволяет рассматривать толщи горных пород у литосферы как упругие среды, а сейсмические волны как упругие волны, передающие на значительные расстояния деформации в земной коре. По виду таких деформаций сейсмические волны подразделяются на продольные, поперечные и поверхностные, а по характеру распространения — на прямые, отраженные, преломленные волны и др.

Продольные волны отличаются самой высокой энергией, рас­пространяются с максимальной скоростью и вызывают наибольшие нарушения. Под влиянием этих объемных волн, вызывающих сжатия и растяжения, колебания частиц среды совершаются в направлении движения волн. Продольные волны распространяются как в твердых телах, так и в жидкостях и газах. Поперечные волны распространя­ются со скоростью в 1,7—1,8 раза меньшей скорости продольных волн. Колебания частиц среды происходят в направлении, перпенди­кулярном лучу продольной волны. Это волны сдвига и кручения, они вызывают изменение формы элемента среды без изменения его объе­ма и распространяются только в твердых породах, так как жидкости и газы не оказывают сопротивления изменению формы. При выходе на поверхность Земли продольные и поперечные волны образуют так называемые поверхностные волны, а при прохождении упругих волн через границы раздела среды возникают вторичные волны - отраженные, преломленными др. Все вторичные волны отличаются небольшой энергией и распространяются с меньшими скоростями по сравнению с образующими их первичными волнами. В связи с этим интенсивность землетрясений зависит главным образом от энергии продольных и поперечных волн. Как уже отмечалось, скорость их распространения зависит от физико-механических свойств пород. При этом чем выше плотность и упругость пород, тем больше скорость распространение в них продольных волн. Так, скорость распространения продольных волн в осадочных породах земной коры (осадочный слой) изменяется от 2,0 до 5,0 км/с, в породах типа грани­тов (гранитный слой) — 5,0—6,0, в базальтах (базальтовый слой) — 6,5—7,5 и в ультраосновных породах — гипербазитах (верхняя ман­тия) она превышает 8,0 км/с.

Следовательно, интенсивность сейсмических явлений определяется как количеством энергии, выделяющейся в очаге землетрясения, так и энергией упругих сейсмических волн. В сейсмологии энергия землетрясений оценивается в эргах и джоулях (1 эрг = 1 дин/см; 1 Дж = 107 эрг). Энергия разрушительных землетрясений составляет 10¹² - 10¹³ Дж, а при катастрофических она достигает 10²⁰ Дж. Следует подчеркнуть, что энергия таких землетрясений в несколько миллионов раз превышает энергию атомной бомбы. Для практических целей энергию землетрясений Е измеряют не абсолютными ее значениями, а логарифмами этой величины: K = lg E, где К характеризует энергетический класс землетрясения. Для самых слабых землетрясений К=0, для самых сильных К=18.

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

Энергию в очаге землетрясения определить трудно, поэтому в мировой практике ее оценивают условной энергетической характе­ристикой — магнитудой М: М=lgА/А*=lgА-lgА*,
где А — максимальная амплитуда смещения частицы породы, опре­деляемая по сейсмограмме при данном землетрясении, мкм; А* —амплитуда смещения частицы породы при очень слабом землетрясе­нии, выбранном в качестве эталонного или стандартного,мкм.

При самых слабых землетрясениях М=О, а при очень сильных, катастрофических, магнитуда достигает 8,8. Так, магнитуда Ашхабадского землетрясения (1948г.) — 7,3, Гоби-Алтайского (1957г.) - 8,6, Ташкентского (1966г.) — 5,3, Спитакского (1988г.) — 8,1. Увеличение интенсивности землетрясения на 0,5 М соответствует увеличению энергии примерно в 10 раз. Величину энергии E в очаге землятресения (в эргах) при известной его магнитуде M можно определить по формуле: lgE=12+1,8M.

Соотношение между энергетическим классом землетрясения К и его магнитудой М приведено в табл 6.5:

Интенсивность (сила) землетрясения на поверхности Земли оценивается в баллах — для этого разработано несколько близких по принципам и содержанию специальных шкал и классификаций сейсмической интенсивности. В бывшем Советском Союзе и ныне в России с 1964 г. применяют 12-балльную шкалу MSK – 64, разрабо­танную СВ. Медведевым (Россия), В. Шпонхойером (Германия) и В. Карпиком (Чехия). Для оценки силы землетрясения в баллах по этой шкале используют целый ряд признаков, среди которых глав­ными являются характер и степень повреждения сооружений, оста­точные явления в горных породах и изменения в рельефе, наруше­ния режима поверхностных и подземных вод, а также ощущения людей. В соответствии с этой шкалой землетрясения с силой в 6 баллов и меньше не опасны для жизни людей и не снижают прочно­сти обычных зданий и сооружений, а при землетрясениях свыше 6 баллов появляются серьезные повреждения и разрушения строи­тельных конструкций и жизни людей угрожает реальная опасность.

Соотношение между магнитудой М и балльностью (интенсивно­стью) землетрясения в эпицентре I₀ при разной глубине расположения его очага h (км) выражается эмпирической зависимостью: Iо=1,5M-3,5lgh + 3.

При увеличении магнитуды на 2 единицы сила землетрясения возрастает на 3 балла.

Прогноз силы, места или очага землетрясений является по своей сложности и актуальности одной из важнейших научных и практических задач, особенно для сейсмического районирования территорий и определения условии строительства сооружений Сила землетрясений в очаге и на поверхности Земли зависит от региональных и местных геологических условий, а также от инженерно-геологических особенностей конкретной территории. Повышенная сейсмическая активность отмечается в зонах:

1) сочленения структур с разным геолого-тектоническим строе­нием и вертикальными движениями разной интенсивности:

2) участков геологических структур с высокими градиентами скоростей вертикальных движений;

3) неоднократного изменения направленности вертикальных движений;

4) разрывных нарушений с интенсивными дифференцирован­ными тектоническими движениями.

На распространение сейсмических волн и колебаний земной ко­ры могут оказывать влияние следующие региональные факторы:

1) мощность и обводненность покровных рыхлых осадочных пород, а также состав подстилающих коренных пород, так как они обладают разной способностью поглощать сейсмическую энергию;

2) условия залегания слоев и структурных элементов горных по­род (сила землетрясений вдоль простирания структур обычно на 1 балл больше, чем на том же расстоянии от очага вкрест их простирания).

При прогнозной оценке сейсмической активности различных генетических групп горных пород следует иметь в виду, что балль­ность полускальных, рыхлых связных и несвязных пород и их разновидностей быть увеличена на 1—2 и даже на 3 балла по сравнению с балльностью типичных скальных твердых пород, обычно гранитов. При этом обводненность горных пород практиче­ски во всех случаях приводит к повышению их балльности.

Для оценки сейсмоустойчивости горных пород главной их ха­рактеристикой служит сейсмическая жесткость. Из инженерной петрологии известно, что обычная жесткость торных пород — их свойство сопротивляться образованию деформаций, а сейсмическая жесткость характеризует их сопротивление распространению возникающих сейсмических деформаций. Сейсмическая жесткость Vу определяется как произведение плотности горных пород  на скорость распространения в них продольных сейсмических волн Vр: V_y=V_p

Очевидно что чем выше плотность горных пород и соответствен. и« скорость распространения упругих сейсмических волн, тем выше проявление пород распространению сейсмических деформаций. В этом случае породы рыхлые, насыпные и водонасыщенные являются чрезвычайно сейсмонеустойчивыми. Сейсмические явления в них проявляются с наибольшей интенсивностью, а сопротивление деформаци­ям в рыхлых породах в десятки раз меньше, чем в скальных. Поэтому в сейсмических районах строительство сооружений на таких породах особенно опасно. Если же участок будущего строительства сложен слоями пород, разных по плотности и скорости распространения упру­гих волн, то при оценке его сеисмоустоичивости учитывают среднюю сейсмическую жесткость толщи пород до глубины 10 м. В связи с этим обводненность верхних слоев является одним из ведущих местных факторов, влияющих на балльность территории (табл. 6.6). При катаст­рофических землетрясениях, особенно в горных районах, нередко че­ловеческие жертвы и основные разрушения связаны не с самими зем­летрясениями, а с вызванными ими селями, оползнями, обвалами и др.

Глубина залегании уровня подземных вод, м	Повышение сейсмической балльности
0—1 1—4 10	1 0,5 0

Таблица 6.6. Повышение сейсмической балльности в зависимости от глубины залегания уровня подземных вод в супесях, суглинках и мелкозернистых песках, по С. В. Медведеву

Искусственное обводнение горных пород в верхних и более глу­боких горизонтах земной коры, связанное главным образом со строи­тельством крупных и глубоких водохранилищ в горных районах, не­редко вызывает заметное изменение исторически сложившейся при­родной сейсмической активности территорий. При этом интенсивность землетрясений и частота повторных толчков при строительстве и за­полнении водохранилищ во многих районах земного шара оказались выше нормальных. Сила землетрясений постепенно увеличивается в течении довольно длительного периода, продолжительность которого зависит от предшествующей строительству тектонической активности территории. Чем более тектонически спокоен район, тем дольше длится этот период. Сейсмическая активность при этом поступает между первым и максимальным заполнениями водохранилища, а затем может затухать в течение нескольких лет. Более интенсивному проявлению локальной или наведенной сейсмичности способе геолого-гидрогеологические условия, облегчающие инфильтрацию последующее движение воды в горных породах: 1) наличие тектониче­ских разломов; 2) развитие экзогенной и эндогенной трещиноватости с глубоким ее проникновением; 3) неоднородный состав и повышенная фильтрационная проницаемость подстилающих водохранилище пород.

Часть зарегистрированных землетрясений, связанных с гидротехни­ческим строительством, сопровождались человеческими жертвами и ка­тастрофическими разрушениями в Греции, Италии, США, Алжире, Ис­пании, Франции, Швейцарии, Индии, Пакистане, Южной Африке и ряде других стран. Основные причины данного типа землетрясений, по-видимому, связаны с рядом факторов: 1) с изменением напряженного состояния горных пород, особенно в зонах разрывных нарушений, под воздействием нагрузки от водохранилища; 2) с ростом гидростатическо­го давления подземных вод, вызывающим снижение прочностных ха­рактеристик пород, особенно вдоль ослабленных зон; 3) с влиянием вос­ходящих потоков глубинных термальных подземных вод в зонах текто­нических нарушений. В связи с этим при инженерно-геологическим обосновании проектов сооружений крупных водохранилищ в горных странах необходимо обращать особое внимание на возможность образо­вания «искусственных» землетрясений и повышение сейсмической ак­тивности прилегающих территорий.

В соответствии с сейсмическим макрорайонированием на кар­тах мелкого и среднего масштаба России выделены крупные области или зоны, для каждой из которых указана средняя сила землетрясе­ний, или возможная сейсмичность данной территории, в баллах от 6 до 9. Она установлена для типовых в значительной степени осредненных геолого-тектонических условий, которые характеризуются зале­ганием с поверхности песчано-глинистьгх отложений и расположени­ем уровня подземных вод глубже 6 м от поверхности земли. Очевид­но, что в пределах каждой из выделенных на карте крупных сейсми­ческих областей могут существенно изменяться условия залегания горных пород, их состав и физико-механические свойства, тектонические и гидрогеологические особенности. В связи с этим при решении конкретных практических задач по проектированию и строительству городов, различных сооружений и зданий возникает необходимость в уточнении и детализации сейсмичности каждой территории в соответствии с ее реальными геолого-тектоническими условиями.

С этой целью выполняют специальное сейсмическое микрорайонирование масштабах 1:10 000 и 1 : 25 000 с составлением соот­ветствующих карт. Следовательно, сейсмическое микрорайонирование — это уточнение сейсмичности (балльности) конкретной терри­тории на основе более полного изучения и отражения ее геологотектонических и инженерно-геологических условий [18, 29]. В результате детального изучения геологического строения и инструментальных наблюдений за свойствами слагающих территорию горных пород можно рассчитать приращение ее балльности I₀ в зависимости от изменения средней сейсмической жесткости толщ пород I ре­альной глубины залегания уровня подземных вод Iугв и резонансных явлений в исследуемых породах Iрез. Иными словами, полное при­ращение сейсмической балльности на исследуемом участке в зависи­мости от свойств слагающих его пород определяется по уравнению

I₀ = I + Iугв + Iрез.

Таким образом, сейсмическое микрорайонирование и уточнение балльности территорий можно производить на основании результатов детальной инженерно-геологической съемки с использованием обыч­но качественных показателей, а также по данным специальных инст­рументальных наблюдений за сейсмическими и механическими ха­рактеристиками горных пород. При проектировании и строительстве городов, ответственных зданий и сооружений, хозяйственном освое­нии важных территорий должны использоваться оба метода — для получения более обоснованных результатов.

Выше отмечалось, что землетрясения интенсивностью 7—9 баллов опасны для жизни людей и сохранности зданий и сооружений. Строительными нормами и правилами устанавливаются специальные требования к проектированию и строительству сооружений на таких территориях. Этими требованиями предусматривается необходимость соблюдения симметричности сооружений относительно их осей, при­дания им большей жесткости и прочности различными способами армирования конструкций, устройства антисейсмических швов и многое другое. На участках, сейсмичность которых превышает 9 бал­лов, возводить здания и сооружения, как правило, не допускается.