6. Практическая работа — сейсмические явления (исходный и расчетный баллы, анализ карт сейсмического районирования).

Сейсмические процессы – это колебания упругих волн в земной коре, вызванные различными механическими импульсами и обусловливающие ее сотрясение и деформацию, то есть сейсмические явления. Наиболее яркой формой проявления природной сейсмичности являются землетрясения и моретрясения. Человечество за время своего существования было постоянно озабочено опасностью внезапных землетрясений. По данным сейсмологов, каждый год на земном шаре происходит до 100 тыc. землетрясений, из которых около 100 являются разрушительными и только одно — катастрофическим. В связи с ростом населения на земном шаре и ускорением процесса урбанизации территории материальный ущерб от землетрясений растет. По сведениям ЮНДРО и ЮНЕСКО, за последнее десятилетие сумма ущерба на одного жителя, проживающего в эпицентральной зоне, где произошло 8- балльное землетрясение, возросла в 20 раз. Если еще 10 лет назад этот средний показатель на каждого жителя равнялся 1500 долларах, то сейчас он составляет 30 000 долларов.

Изучение сейсмичности имеет важное научное и народнохозяйственное значение, особенно при освоении новых перспективных площадей, находящихся в зонах высокой сейсмичности. Поэтому условия строительства в таких районах определяются специальными нормативными документами, среди которых главным является СНиП 11-7-81 (1982). Сейчас в мире и у нас в России проблема оценки осваиваемых сейсмических районов одна из главных.

Природные сейсмические процессы представляют особый вид движения вещества, слагающего литосферу и подкорковые слои, и выражаются в упругих волновых колебаниях, вызывающих устойчивые деформации земной коры: разломы, трещины, волновые изгибы, сбросы и сдвиги и т. п., которые являются причиной разрушения на земной поверхности, в том числе и искусственных сооружений.

Область или точку зарождения землетрясения, находящуюся на некоторой глубине от поверхности, называют очагом, гипоцентром или фокусом, а проекцию этой области или точки на поверхность земли эпицентральной областью или эпицентром. Существует несколько классификаций очагов землетрясений. Большинство российских сейсмологов различают очаги поверхностные (с глубиной расположения до 10км), коровые, т.е. находящиеся в пределах земной коры (10-50км) и мантийные, располагающиеся в мантии (50-300 км). В. Д. Ломтадзе (1977) придерживаются несколько других глубинных критериев, выделяя очаги нормальные (мелкофокусные) — до 70 м, промежуточные — от 70 до 300 км и глубокофокусные — от 300 до 700км. Глубокофокусные землетрясения возникают в зонах субдукции, они ощущаются на значительных площадях и менее опасны, чем мелкофокусные землетрясения. Лишь 7 % всей выделяемой в очаге энергии достигает эпицентральной зоны, 

вся оставшаяся энергия, распространяясь во все стороны от очага, поглощается окружающим гипоцентр веществом. Поэтому, чем глубже очаг, тем больше энергии поглощают породы. Установлено, что при увеличении расстояния в два раза количество энергии убывает в 10-20 раз, а при возрастании глубины в 10 раз количество энергии уменьшается в тысячу раз. Это положение и объясняет тот факт, что наиболее разрушительными являются землетрясения с неглубоким положением гипоцентра. В качестве примера можно привести Читкальское землетрясение 1948 года с глубиной очага 30 км. Хотя в находившемся в 200км от эпицентральной зоны Ташкенте оно и ощущалось силой в 7— 8 баллов, фактически разрушений не было зафиксировано. В то же время при такой же балльности Ташкентских землетрясений 1966 года, когда глубина гипоцентров составляла 3-12 км, многие дома разрушились, также были и человеческие жертвы.

Область проявления разрушительных землетрясений, в пределах которой проявляются сейсмодеформации, то есть землетрясение угрожает сохранности сооружений, земной поверхности, жизни людей, называется плейстосейстовой областью. Наибольшая сила землетрясения характерна для эпицентра, при удалении от которого во все стороны сила толчков и сотрясения постепенно уменьшаются. Линии, соединяющие пункты с одинаковой силой проявления землетрясений, называются изосейстами.

При сильных землетрясениях после основного удара часто ощущаются повторные толчки (афтершоки), возникающие в результате перераспределения упругих напряжений в гипоцентральной области литосферы. Как правило, такие толчки по своей силе значительно слабее первого, главного сотрясения. Обычно таких толчков насчитывается два-три десятка, однако при Ташкентском землетрясении 1966 года их было более 700. Очень часто именно афтершоки являются причиной возникновения сейсмогенных обвалов и оползней, ибо первый удар нарушает устойчивость горных массивов, доводя ее до критического состояния предельного рав- новесия, а повторные толчки приводят к смещению пород по склонам.

При землетрясениях, эпицентр которых расположен на дне океанов или морей, возникает явление моретрясения, при которых в массе воды возникают эллиптические волны высотой в несколько десятков метров, распространяющиеся с большой скоростью. Эти волны получили название цунами. Образование волн цунами вызывается быстрыми поднятиями или опусканиями морского дна по падению разрывов (сбросы или взбросы). При этом, как показали исследования японских ученых, горизонтальные перемещения пород (сдвиги), как правило, не сопровождаются образованием таких волн. Так, при сильнейшем Сан-Францисском землетрясении 1906 года цунами не было, хотя горизонтальное смещение по разлому Сан- Андреас достигло 6 м. Резкий вертикальный подъем дна вблизи Аляски в 1946 году (Аляскинское землетрясение) привел к катастрофическим последствиям вследствие подхода цунами к Гавайским островах, находящимся от эпицентра более чем в 3000 км. Неоднократно цунами обрушивается на  

западное побережье Тихого океана. Начиная с XIV века Япония испытала не менее 10 катастрофических цунами. В России наиболее часто воздействию цунами подвергаются острова Курильской гряды и восточное побережье Камчатки.

В открытом океане длина волны цунами во много раз превосходит все другие морские волны. Расстояние между гребнями для волн цунами может превышать 100 км, однако их высота редко достигает 1 м. Практически в океане при больших глубинах такие волны незаметны. Скорость распространения цунами находится в прямой зависимости от глубины.

В глубоководных впадинах, где глубина равняется нескольким километрам, скорость перемещения волн цунами достигает сотен километров в час. Когда цунами подходит к мелководью, на шельфе или у островов, скорость резко падает, одновременно во много раз возрастает амплитуда волны, доходя до 30-40 м и более. Так, русский путешественник С. П. Крашенинников, посетивший в XVIII в. Камчатку во время прихода туда цунами, зафиксировал волну высотой 70м (Маслов, Котов, 1971).

Очень часто при подходе цунами к берегу уровень моря вдоль побережья несколько понижается, обнажая подводную часть пляжа. Между отдельными сериями волн могут быть промежутки от нескольких минут до часа и более. Высота подъема воды и осушенные расстояния значительно меняются вдоль побережья и зависят от глубины прибрежной зоны. При этом совсем не обязателен тот факт, что наиболее катастрофичные опустошение приноси первая волна При цунами, обрушившемся на Гавайи в 1946 году, наибольший ущерб принесла восьмая по счету волна.

Сейсмические волны, подобно звуковой волне, возникнув в недрах Земли, распространяются во все стороны. Путь упругой волны изменяется в зависимости от состава и свойств пород, через которые она проходит, при этом устойчивость колебаний пропорциональна их начальной энергии. Горные породы, слагающие земной шар, в принципе являются упругой средой, способной передавать эти колебания как внутри себя, так и по своей поверхности. Природные механические импульсы, вызывающие эти колебания, возникают:

- в процессе быстрой разрядки накопившихся напряжений внутри Земли в результате проявления тектонических явлений в виде толчков с образованием разрывов, вызывающих упругие колебания вещества;

- в процессе тепловых взрывов в верхней мантии и выделения громадного количества тепла, обусловленного пластическими перемещениями подкорковых масс и выходом их на земную поверхность в виде вулканических извержений;

- обвалов громадных масс горных пород, происходящих на поверхности и в подземных пустотах.

Кроме этих природных спусковых механизмов возникновения землетрясений могут иметь и чисто техногенные причины, также приводящие к сотрясению поверхности земли и обусловившие так 

называемую наведенную сейсмичность. K таким причинам, способствующим искусственному возбуждению сейсмического сотрясения, можно отнести крупные взрывы, в том числе и ядерные подземные и наземные и деформации в земной коре, вызванные созданием громадных водохранилищ.

И в том и в другом случае упругие волны вызывают сотрясения разного масштаба в верхней части мантии или на отдельных участках земной коры, обусловливая выделение определенных зон сейсмической активности.

Основной причиной природных землетрясений являются сейсмические колебания. Из очага землетрясений энергия передается в виде механических колебаний волн определенной частоты. Сейсмические волны делятся на два главных типа: глубинные и поверхностные.

Глубинные волны распространяются внутри земли и состоят из двух видов упругих волн - продольных (Р) и поперечных (S).

Продольные волны являются волнами сжатия, они передаются переменным увеличением или уменьшением объема, сжатием и разряжением напряжений вдоль направления распространения волны. Продольные волны подобны обычным звуковым волнам с той лишь разницей, что их частоты намного ниже тех, которое воспринимает человеческое ухо. Период их колебаний изменяется от 2-3 до 25 с и более. Эти волны проходят через все среды - газообразные, жидкие и твердые. Поперечные волны представляют собой колебания частиц, происходящих в направлении, перпендикулярном пути волны, Они сдвигают частицы твердого земного вещества, причем происходит изменение только формы, но не его объема. Поэтому эти волны не могут распространяться в жидкостях и газах.

Поверхностные волны, или волны Релея, также делятся на два вида. В одном случае это вертикальная волна, когда колебания направлены вертикально, в другом - это горизонтальная волна, когда колебания направлены горизонтально. Периоды: колебаний этих воли изменяются от нескольких секунд до нескольких минут. Эти волны распространяются вблизи свободной земной поверхности, а глубина их проникновения определяется их частотой. Перечные и продольные волны распространяются не по дугообразному пути вдоль земной поверхности и не по его прямолинейным глубинным хордам, а по изогнутым лучам (рис. 6.). Скорости этих волн могут возрастать при продвижении в более глубокие области планеты. Кроме того, на скорость распространения Р-волн и S-волн оказывают существенное влияние упругие свойства горных пород и их плотность.

Сила землетрясений в очаге оценивается магнитудой, а на поверхности измеряется интенсивностью баллах. Магнитуда – условная характеристика, оценивающая энергию в гипоцентре, приходящуюся на единицу площади. Магнитуда в зависимости от силы землетрясений изменяется от О до 8.8. Магнитуда Гоби-Алтайского (1957 г.), Аляскинского

 

(1964 г.) землетрясений составила 8,6 Ташкентского (1966 г.) – 5,3, Нефтегорского – 7

Для определения интенсивности землетрясения на поверхности Земли используют специальные шкалы сейсмической интенсивности. С 1964 года в CССР, а теперь и в России пользуются 12-балльной шкалой MSK-64 (табл.6.1), разработанной С. В. Медведевым в содружестве с В. Карником и В. Шпонхойером. Основой этой шкалы послужила 12-балльная шкала Меркалли-Канкани, применяемая в довоенные годы в Западной Европе. Шкала MSK-64 была рекомендована международными организациями бывшего СЭВ для использования во всех странах. Поскольку в принятой шкале для характеристики силы землетрясений используются такие признаки, как изменение рельефа, остаточные явления в горных породах, нарушение поверхностных и подземных вод, степень повреждения в зданиях и сооружениях, ощущения людей, С. В. Медведев предложил ряд табличных классификаций и характеристик, которые приведены в таблицах 6.2, 6.3, 6.4, 6.5.

Особое место при оценке сейсмичности имеет проблема предсказания землетрясений, которая в настоящее время относится к числу важнейших. Исследования по прогнозу землетрясений проводятся в России, США, Японии и Китае. Объектами изучения природных условий в этом направлении являются статистика землетрясений, временное изменение скорости сейсмических волн, первые вступления сейсмических колебаний, электропроводность и местные изменения магнитного поля Земли, геодезические данные, аномалии наклона земной поверхности, флуктуации уровня воды в скважинах, поведение радона в подземных водах и др. Для получения сведений, позволяющих прогнозировать землетрясения, используются деформографы, наклономеры, различные лазерные дальномеры, система наблюдений по программам GPS, магнитомеры и прочее оборудование и методы. 

Прогноз землетрясений в общем виде включает в себя три вида: пространственный - определение места землетрясения; количественный расчет максимальной силы сотрясений земной поверхности и временной - установления времени катастрофического землетрясения.

Первые два вида в настоящее время оцениваются довольно точно. Существующие карты сейсмического районирования с оконтуриванием конкретных участков с возможным проявлением землетрясений определенной балльности и есть ответ на эти вопросы. Карты сейсмического районирования показывают исходный балл, присущий данной территории, учитывающий обобщенные геологические условия. В целом составление карт сейсмического районирования производится на основании совместного анализа сейсмологических и инженерно-геологических данных. При этом используются сведения о распределении очагов землетрясений в пространстве и времени, о повторяемости сотрясений, а также данные о разрушительных последствиях, происходящих ранее в пределах этих зон землетрясений наибольшей силы с их оценкой по сейсмической шкале балльности (MSK-64). Последовательность этих работ следующая - сначала оценивается сейсмичность очаговой зоны, затем дается прогноз сотрясаемости земной поверхности.

Изучив последствия катастрофического Гоби-Алтайского землетрясения (1957г.) В. П. Солоненко, Н. А. Флоренсов и А. А. Тресков предложили специальный палеосейсмогеологический метод для оценки исходного балла районов, в которых сейсмометрическая сеть очень редка или вообще отсутствует. Суть метода заключается в том, что по прямым сейсмогеологическим признакам морфологии, характеру, размерам, количеству остаточных деформаций (палеосейсмодислокаций) определяется возможная сила произошедших на данной территории землетрясений.

Вместе с тем необходимо подчеркнуть, что приводимый на картах сейсмического районирования исходный балл не устраивает проектировщиков и строителей, возводящих в сейсмических районах различные сооружения. В связи с этим на отдельных освоенных и осваиваемых участках (города, крупные поселки, промышленные объекты и т. д.) проводится сейсмическое микрорайонирование, конкретной задачей которого является установление расчетного балла, т. е. выделение в пределах данного сейсмического региона участков с существенно различными грунтовыми, морфометрическими и гидрогеологическими условиями. На практике достаточна оценка, при которой выделяются участки, отличающиеся по степени сейсмического эффекта при сильных землетрясениях на один балл по отношению к сейсмическому эффекту, ожидаемому в данном пункте в средних грунтовых условиях, т. е. при исходном балле. Основой сейсмического микрорайонирования являются, с одной стороны, сведения о сейсмическом районе и типах грунтовых условий, выделенных на основании проведенных инженерно-геологических исследований. С другой стороны, сейсмические свойства грунтов, определенные по результатам инструментальных сейсмометрических  

измерений и соответствующих расчетов, например, сравнение амплитуд смещений и колебаний грунтов на площадках с различными типами инженерно-геологических элементов или сравнение грунтов различных участков по их акустическим жесткостям с учетом резонансных свойств выделенного инженерно-геологического элемента, наличие пород с различными типами частотных характеристик и т. д.

На рис. 6.2 в качестве примера приведен фрагмент карты сейсмического микрорайонирования г. Иркутска, выполненной в масштабе 1:10000. Как видно из этой карты, на территории, характеризующейся исходным баллом 8, выделены 7- и 9-балльные участки. При этом сейсмическая интенсивность в баллах указывается цифрой, справа от которой размещаются следующие характеристики. Дробный показатель: в числителе номер грунтового комплекса (для данного фрагмента: 1- песчаники, алевролиты, полускальные, местами выветрелые, уровень подземных вод находится на глубине более 10м; 2 – песчаники и алевролиты сильно выветрелые, уровень подземных вод на глубине менее 5 м; 4 – суглинки мощностью до 12м, уровень подземных вод более 10 м). В знаменателе: римскими цифрами – номер сейсмической зоны: I – исходная сейсмичность 8 баллов. Вверху (степенной показатель) - индекс частотной характеристики, внизу - индекс повторяемости землетрясений (по СНиП).

Таким образом, карты сейсмического районирования являются своего рода прогнозными картами, указывающими место и возможную силу сотрясения этого участка земной поверхности.

Проблема прогноза времени землетрясения – самая сложная проблема. В то же время большинство людей ассоциируют прогноз землетрясений именно с этим показателем, и не просто прогноз любого землетрясения, а именно сильного, разрушительного, имеющего энергетический класс выше 10. Предсказание же слабых толчков, не влияющих на устойчивость сооружений, вряд ли имеет смысл. Необходимо отметить, что достоверный временной прогноз невозможен. С целью решения этой проблемы в настоящее время пытаются использовать различные косвенные показатели, или так называемые предвестники, среди которых, как считает Е. В. Пиннекер, наиболее представительными являются гидрогеологические.

В работах В. Г. Ясько, И. Г. Кисина, Д. Г. Осина и других среди гидрогеологических предвестников землетрясений выделяются три группы: гидрогеологические, гидрогеохимические и гидрогеотермические (Основы гидрогеологии…, 1982). Рассмотрим эти предпосылки более подробно.

Гидрогеодинамические предвестники землетрясений обусловлены упругими деформациями, приводящими к образованию и развитию трещин и изменению емкости пор. Сжатие и растяжение пород способствует возрастанию или ослаблению пластового давления, что сказывается на режиме подземных вод. В течение длительного периода перед землетрясением по мере развития упругих деформаций происходят постоянные изменения уровня напора или расхода подземных вод. Перед землетрясением происходят более резкие изменения этих показателей. 

Однако данные по этим изменениям, как будет показано на примере ниже, пока еще отдельные разрозненные факты, не позволяющие точно предсказать

время основного сильного удара стихии. Так при Ташкентских землетрясениях 1966 - 1969 гг. не все толчки сопровождались уменьшением давления подземных вод. При землетрясении в Газли (1976 г.) за 12 часов до основного толчка резко понизился уровень воды в скважине глубиной 118м, расположенной в 200 км от эпицентра. Скважина фактически была полностью осушена, а вода вновь появилась в ней только через 24 часа. В Байкальской рифтовой зоне на одном из наблюдаемых термальных источников за несколько дней до толчка силой в б баллов происходило резкое изменение дебита (рис. 7.12). Подобное явление наблюдалось в мае 1974 года при землетрясении в Японии с магнитудой 6.9 на источнике, находящемся в 10 км от эпицентра. Сильнейшее землетрясение в Таншане (Китай) в 1976 году с магнитудой 7.6 сопровождалось многолетними изменениями уровней подземных вод, регистрируемыми системой наблюдательных скважин на протяжении 3- 4 лет, в Иеллоустонском парке (США) за 2 – 4 года до сильного землетрясения учащаются извержения гейзеров. Из приведенных примеров видно, что критерий времени изменения режима подземных вод очень неоднозначен, растягиваясь от нескольких часов до нескольких лет.

Гидрогеохимические предвестники землетрясений обусловлены изменением растворяющей способности вод в зависимости от давления и наличием различных флюидов, выделяемых из земных недр. Повышение давления в скелете породы сопровождается растворением минерального вещества и возрастанием общей минерализации. В связи с возрастающей миграцией подземных вод, происходящей при увеличении действия напорных градиентов, изменяется химический состав подземных вод верхних  горизонтов. Они обогащаются микрокомпонентами, характерными для глубинных вод. Весьма показательно в этот период и поведение газов – радона, гелия, углскислоты, мигрирующих снизу вместе с глубинными водами. Так, в районе г. Ташкента перед землетрясением 1966 года отмечено нарастание концентрации радона. В термальных водах в это время происходит повышение концентраций гелия. Максимум таких концентраций обычно наблюдается за несколько дней до сейсмического события.

Гидрогеохимические предвестники землетрясений основываются на факторе увеличения температуры подземных вод перед землетрясением, вызванным изменением направления переноса тепла от более нагретых (термальных) к холодным водам; температура, как правило, изменяется от 0.2 до 2.0° С при времени, предшествующем землетрясению, от 2 -3 до 15 -20 дней.

Предсказание времени землетрясений по гидрогеологическим предвестникам весьма перспективное, по далеко не единственное направление решения этой задачи.

К другим предвестникам времени землетрясений можно отнести факты изменения рельефа высот древних поверхностей, медленные вертикальные движения отдельных участков Земли, перекос поверхностей речных и морских террас и т. п. Так, было обнаружено, что незадолго до землетрясения 1964 года в Ниагате (Япония) произошло увеличение высоты древней поверхности. Участок земной поверхности, расположенный вдоль разрыва Сан-Андреас (Калифорния, США), - поднятие Палмдейл начиная с 1959 года поднялся на 5.5см, а перед Калифорнийским землетрясением 1971 года опустился на 2.5 м. Такие примеры можно продолжить, однако все это разноречивые данные. Делаются попытки предсказания времени сейсмических толчков по изучению перераспределений напряжений в земной коре, проводятся инструментальные наблюдения за смещениями по трещинам и перемещением отдельных блоков земной поверхности, анализируется повторяемость сильных землетрясений для отдельных участков Земли, однако все это разрозненные факты, которые пока трудно уместить в стройную теорию.

Различные виды сейсмического воздействия и вытекающие отсюда проблемы устойчивости можно подразделить на два вида: устойчивость самой геологической среды, т.e. эффекты геологического характера, и устойчивость зданий и сооружений - эффекты х деформаций и разрушений. В целом устойчивость территории и расположенных на ней сооружений при сейсмическом эффекте колебаний определяется многими факторами. К ним в первую очередь относятся морфологические и топографические характеристики рельефа и особенности геологического строения. Большую роль в уменьшении устойчивости земной поверхности играет расчлененный рельеф. Всегда более опасны в сейсмическом отношении территории с пересеченным рельефом, высокими и крутыми склонами, узкими и высокими гребнями вершин. Установлено, что в верхних частях крутых склонов землетрясение всегда проявляется сильнее, чем в их средней и нижней частях. С увеличением высоты на 200 м амплитуда колебаний возрастает в 1.5 2 раза, а повышению крутизны склонов с 10 до 48° соответствует увеличение амплитуды в 2.5 раза. Наиболее опасны и прибровочные участки с переходом от крутого к пологому склону. Установлено, что в таких местах сила толчка может увеличиваться на 1 балл. В пределах горных участков с альпинотипными формами рельефа - высокими узкогребневыми вершинами -также амплитуда колебаний больше. Здесь специфической сейсмогенной формой являются срывы вершин гор. Так, при сильнейшем Гоби-Алтайском землетрясении (1957 г.) с магнитудой более 8.0 многие горные вершины были сколоты и сброшены в долины либо сместились с поворотом вокруг оси. Поперечники плоскостей сколов колебались от 100м до 0.7 х 1.5 км, а высота смещенных вершин составила от десятков до 350 м.

Вторым существенным фактором, влияющим на увеличение или снижение балльности, является геологическое строенис. Многослойность пород и их наклонное залегание, наличие мощных зон выветрелых толщ, зоны тектонического дробления, мощные покровы рыхлых образований с наличием песков и лёссовых грунтов снижают устойчивость территории и повышают опасность деформации сооружений. В целом невыветрелые массивные скальные грунты довольно стойко переносят сейсмические удары, на них фактически не происходит приращения балльности. Однако при сильных землетрясениях (Магнитуда более 8.0) мгновенное воздействие сейсмических колебаний на горные породы сопровождается резким изменением пористости, тиксотропных свойств, уменьшением сил сцепления и ослабления внутренних структурных связей. В обводненных зонах появляются гидравлические удары, выбросы и фонтанирование грунтов, увеличиваются их плывунные свойства. В. П. Солоненко, изучая эпицентральную зону Гоби-Алтайского землетрясения, установил, что по зонам сейсмогенных разломов происходит дробление и перетирание горных пород вплоть до тектонической муки, тектонической глины и милонитов. Они образуются из разнообразных пород, но в основе имеют сходный гидрослюдисто-монтмориллонитовый состав. При землетрясении они возникли практически мгновенно, были выжаты из трещин и местами образовали стены высотой до 1.5 м при толщине до 1 м.

Указанные выше два фактора (особенности рельефа и геологическое строение) при оценке сейсмической устойчивости местности, как правило, следует рассматривать совместно. В качестве примера можно привести Уоянское землетрясение, произошедшее в Северном Прибайкалье 2 ноября 1976 года (М - 5.2), во время которого морфологически одинаковые крутые горные склоны по-разному среагировали на сотрясение. Основная причина этого предопределена характером и свойствами рыхлообломочных скоплений. Сильно увлажненные осыпные скопления оказались настолько смерзшимися в момент сейсмического удара, что представляли монолит и не имели видимой реакции на сотрясение. На соседних участках с такими же уклонами, но сложенными крупноглыбовым материалом, произошли значительные смещения поверхностного слоя, в котором произошло возрастание интенсивности колебаний.

Существенно влияют на увеличение сотрясаемости поверхности и гидрологические условия. На участках неглубокого залегания грунтовых вод, болотистых и заболоченных землях, в зонах подпора и подтопления интенсивность землетрясений может быть увеличена на 1 балл. С. В. Медведев (1962) по сейсмическим свойствам выделил три категории грунтов, определив для каждой из них исходный и расчетный баллы (табл. 6.6). Эти данные обычно используются для общей оценки осваиваемых участков на стадиях, предшествующих сейсмическому микрорайонированию. Аналогичная таблица c более детальной характеристикой грунтов приведена в СНиПе II-7-81.

Особый интерес с точки зрения оценки устойчивости отдельных территорий представляют остаточные деформации различные виды экзогенных геологических процессов. Очень часто их воздействие проявляется не только в момент сейсмического удара, но и значительно позже. При этом большую роль здесь играют часто повторяющиеся слабые землетрясения, которые сами по себе не вызывают проявления на земной поверхности остаточных деформаций, но способствуют постоянному «растряхиванию» горных пород, в результате чего в них ослабляются внутренние структурные связи и уменьшается прочность, что в конце концов вызывает развитие обычных экзогенных геологических процессов, таких как обвалы, осыпи, оползни, сплывы, карстовые обрушения и т. п. По проложенной линии БАМа в пределах Байкальской рифтовой зоны участки с повышенной пораженностью экзогенными геологическими процессами совпадают с зонами высокой сейсмической активности. Особое место среди таких участков занимают межвпадинные горные перемычки. Постоянная частая сотрясаемость отдельных частей перемычек провоцирует возникновение на первый взгляд неожиданных явлений. Так, во время сейсмических наблюдений 1967 года за полгода в районе оз. Бол. Леприндо (Чаро-Муйская перемычка) зарегистрировано 85 землетрясений силой до 7 баллов. Постоянное сотрясение мерзлых высокольдистых отложений вызвало внезапное развитие термокарста, Образовался термокарстовый лог протяженностью 650 м, шириной 1015 и глубиной до бм. Одновременно с просадкой на бортах лога произошли солифлюкционные сплывы. За это же время на южном склоне Верхнеангарской впадины зарегистрировано 370 землетрясений силой менее 7 баллов. Этому же периоду соответствует активизация здесь сейсмогравитационных явлений.

Таким образом, завершая описание влияния сейсмичности на устойчивость земной поверхности, еще раз подчеркнем, что оценка этого влияния слагается из многих природных факторов.

Другой, наиболее важной стороной вопроса является устойчивость сооружений, находящихся на этой земной поверхности и представляющей собой единое целое: геологическая среда - сооружение. Правда, следует оговориться, что геологическая среда может сыграть определенную роль, как это было показано выше, с уменьшением или увеличением сотрясаемости конкретного участка поверхности.

При сильных землетрясениях происходит разрушение или деформация сооружений. Как считают Н. Н. Маслов, М. Ф. Котов, различные сооружения могут быть повреждены или разрушены в следующих случаях: а) когда нарушается устойчивость основания сооружения; б) когда на сооружение воздействуют сейсмические инерционные силы; в) когда существует явление резонанса, т. е. период сейсмической волны совпадает с периодом колебательного движения самого сооружения.

B СНиПе П-7-81 регламентируется последовательность расчета и конструирования антисейсмических мероприятий для сооружений различного типа к каждому элементу сооружения при выполнении этих расчетов.

В настоящее время народнохозяйственное освоение сейсмических районов требует соблюдения определенных правил и ограничений. Во-первых, это выбор строительных площадок, характеризующихся простыми инженерно-геологическими условиями. При проведении работ по составлению схем районных планировок экономических районов выбор площадок под новые города, поселки и промышленные предприятия следует проводить с наиболее благоприятными грунтовыми условиями (скальные, полускальные, плотные грубообломочные и т. п. породы), в пределах которых возможно минимальное приращение сейсмической балльности. Пригодность выбранной площадки рекомендуется обосновывать материалами сейсмических исследований, в особо ответственных случаях – путем проведения детального сейсмического микрорайонирования для каждого варианта размещения поселка или промышленного объекта. Во-вторых, при разработке или корректировке генерального плана города, поселка, крупного промышленного объекта, на основе выполненного детального сейсмического районирования, составляются схемы строительного зонирования по этажности, схемы застройки каждой сейсмической зоны, схемы компановки сооружений и схемы размещения улиц, площадей, зеленых зон. Последние размещаются в пределах участков, характеризующихся повышенной сейсмической опасностью.

Устойчивость сооружений в моменты сейсмического толчка во многом зависит от глубины заложения фундамента. Особенности проектирования оснований зданий и сооружений, возводимых в сейсмических районах, регламентируется СНиПом 2.02.01.83. Как следует из этих норм и правил, расчет основания с учетом сейсмических воздействий выполняется по несущей способности грунтов, которая должна быть достаточной для устойчивой работы фундамента. Поскольку несущая способность определяется такими показателями свойств горных пород, как угол внутреннего трения, сцепление, временное сопротивление сжатию, то при недостаточной их прочности монолитности рекомендовано применять специальные меры по искусственному укреплению свойств горных пород основания (цементация, силикатизация, обжиг и др.).

Все, что мы говорили об устойчивости сооружений выше, в большей степени относилось к жилым, общественным и производственным зданиям. Проектирование других объектов - железных и автомобильных дорог, мостов, тоннелей, линий электропередач и связи, различных гидротехнических сооружений - должно проводиться в строгом соответствии со всеми утвержденными нормативными документами, руководствами и правилами.

Исследование взаимодействия объектов человеческой деятельности и геологической среды является исключительно важным научным и практическим вопросом современности, так как геологические факторы все чаще становятся причинами крупных техногенных катастроф. Одной из таких серьезных причин является наведенная (техногенная, возбужденная) сейсмичность.

Так что же означает термин «наведенная сейсмичность»? В научной литературе под этим термином понимают два разных процесса «инициирование» и «возбуждение». «Инициирование» - это воздействие на очаг готового землетрясения. «Возбуждение» — это воздействие на определенную зону земной коры, вызывающее одно или, рой землетрясений, которые без такого воздействия не произошли бы. При этом могут проявляться как естественные, так и антропогенные воздействия. К природным факторам наведенной сейсмичности относятся такие, в настоящее время еще слабо изученные факторы, как приливные деформации, связанные с фазами Луны и Солнца, изменение скорости вращения Земли, солнечная активность, катастрофические погодные изменения и другое. К антропогенным или техногенным факторам наведенной сейсмичности относятся создание и эксплуатация крупных водохранилищ, мощные промышленные и атомные взрывы, добыча полезных ископаемых и даже запуски космических кораблей. При этом необходимо подчеркнуть, что в регионах с проявлением высокой сейсмической балльности наведенная сейсмичность является главным образом инициирующим фактором, а в асейсмичных регионах - возбуждающим фактором.

Одним из проявлений реакции природной среды на негативное техногенное вмешательство человека является проявление различных эндо- и экзогенных событий, связанных со строительством и эксплуатацией крупных водохранилищ. В первую очередь, это переработка берегов, включающая различные сопутствующие экзогенные геологические процессы на прилегающих территориях (оползни, обвалы, эрозия и др.), не маловажную роль при этом начинают играть и эндогенные события, а именно наведенная сейсмичность. На проблему генезиса и механизма возбужденной сейсмичности, связанной с крупными искусственными водоемами, имеются разные точки зрения. Вот лишь некоторые из них:

- влияние веса воды;

- изменения напряжений в элементах земной коры, вызванные водной нагрузкой и скоростью изменения уровня водохранилища;

- влияние порово-трещинного давления, которое нейтролизует геостатические нагрузки, уменьшает трение в горных породах, изменяет их прочность и т.д.

Особые осложнения в районах создания крупных водохранилищ возникают из-за необычных параметров этих землетрясений, так как частота повторения и интенсивность наведенных землетрясений часто оказывается выше нормальной для данного региона, а очаги землетрясений располагаются в непосредственной близости от водоема. По анализу опубликованных материалов, можно говорить о том, что глубины гипоцентров техногенных землетрясений и пики их распределений находятся в пределах 5-7 км, в редких случаях эта величина составляет 1 км.

Прослеживается определенная связь усиления сейсмической активности с колебанием уровня водоемов. Так же установлено, что с увеличением высоты плотин количество случаев наведенной сейсмичности растет следующим образом: для плотин более 100м - проявляется в 10 % случаев, для плотин с высотой более 140м - в 21 % случаев. В мировой практике известны случаи когда землетрясения, вызванные созданием водохранилищ, приводили к разрушению выстроенных объектов, в том числе и плотин, и вызывали человеческие жертвы.

Впервые человечество столкнулось с явлением наведенной сейсмичности в 1931 году в районе оз. Марафон (Греция), где после заполнения водохранилища произошло землетрясение с магнитудой более 5, которое носило разрушительный характер. Другой пример наведенной сейсмичности наблюдался в районе плотины Гувер на реке Колорадо (США), спустя год после наполнения в 1936 году. До этого события сейсмической активности в данном районе не наблюдалось. На этом водоеме установлена четкая корреляционная связь между колебаниями уровня и изменениями нагрузки, выделениями сейсмической энергии и зарегистрированными толчками. Магнитуда землетрясений равнялась 5 (по шкале Рихтера), а глубина очагов (положение гипоцентра) составляла 5 км.

На территории Восточной Сибири созданы и эксплуатируется ряд крупных водохранилищ - Ангарский каскад ГЭС. Он включает Иркутское водохранилище, созданное в 1956-1962 гг, Братское, наполненное в 1961- 1967 гг, и Усть-Илимское водохранилище (1976г). Самым крупным среди них, да и по отдельным параметрам в мире, является Братское водохранилище. Оно находится на втором месте по объему водной массы (169,3 км2) и на четвертом по площади акватории (около 5500 км2). Величина подпора у створа ГЭС в районе г. Братска составляет 105 м. Об ощутимых землетрясениях в пределах Иркутского амфитеатра свидетельствуют исторические сведения. Например, 5 июля 1908 г. в городе Братске ощущалось землетрясение, описываемое В.В. Поповым как «довольно сильный толчок, сопровождавшийся дребезжанием посуды». Это событие и С.И. Голенецким интерпретируется как местное. Вместе с тем, этим ученым детально проанализированы инструментальные данные о землетрясениях юга Сибирской платформы за период с начала 1960-х годов (1998, 1999. 2001). В результате был сделан вывод о значительной «засоренности» карты эпицентров землетрясений платформы событиями несейсмического происхождения, т.е. крупными промышленными взрывами. B пользу несейсмической природы большинства зарегистрированных событий, по мнению С.И. Голенецкого, говорит и их распределение по времени суток, поскольку основная их часть приходится на дневное местное время. Это утверждение, с нашей точки зрения, является в определенной мере условным. Точная привязка регистрируемых событий к определенным локальным участкам, в частности к местам проведения единичных взрывных работ, не всегда возможна, поскольку ошибки локализации эпицентров для рассматриваемой территории по оценке С. И. Голенецкого составляют 10-20 км. Таким образом, есть все основания утверждать, что территория платформы, в том числе и район водохранилища, характеризуется собственной сейсмической активностью, хотя и несопоставимой с соседними сейсмоактивными районами Байкальской рифтовой зоны.

Водохранилище, особенно его северная часть, находится в центре Иркутского амфитеатра на территории, которая в середине прошлого века считалась асейсмичной. Вместе с тем, начиная с семидесятых годов двадцатого века, произошло около пятидесяти сейсмических событий, энергетический класс которых колеблется от 8 до 11.6. Причем последние события являются самыми сильными землетрясениями в данном конкретном районе за все время. Это землетрясения 1996 (с интенсивностью 3 балла в городе Братске, и 2 балла - в городе Иркутске) и примерно такое же по интенсивности в 2002 году. Кроме того, очевидна тенденция к увеличению количества землетрясений по годам и повышение энергетических классов этих событий.

Эпицентры землетрясений сосредоточены на севере водоема, в зоне развития трапповых интрузий. В северной части расположен ряд оползневых участков, входящих в мониторинговую сеть института земной коры СО РАН по наблюдению за развитием экзогенных процессов. Проанализировав динамику оползневых участков с позиций роли сейсмичности в развитие береговых склонов, видно что, эти сотрясения сказались на темпах развития гравитационных деформаций и отступания кромки берега.

Природа техногенной сейсмичности района Братского водохранилища не вызывает сомнений. Землетрясения рассматриваемой территории спровоцированы заполнением Братского водоема громадным объемом воды и, как следствие, перераспределением напряжений в земной коре. По его мнению, здесь под гидросистемой происходит постоянное медленное проседание основания с выдавливанием из нижних горизонтов разреза залежей соли. Изучение динамики этого процесса показало, что часть «платформенного плаща» в этом месте ежегодно прогибается с амплитудой 8 мм/год. Это оказывает значительное влияние на геодинамическое равновесное состояние платформы и приводит к изменению напряжений в верхней части земной коры, что вполне может проявляться в виде техногенной (наведенной) сейсмичности.

Безусловно, водохранилище сыграло заметную роль в изменении сейсмической ситуации в этой части платформы. Однако, нельзя не согласиться с мнением В.А. Павленова, который в принципе поддерживая нашу точку зрения, считал, что для инструментального подтверждения наших взглядов в этом районе необходима сеть локальных сейсмических станций, производящих регистрацию слабых землетрясений (Кр-5-7), которые могли бы дать ответ на этот вопрос. Но с другой стороны, ряд косвенных показателей подтверждают эту гипотезу, В частности, одним из таких доказательств может служить возрастающее количество землетрясений в последнее время в северной части водохранилища. Здесь, начиная с семидесятых годов двадцатого века, произошло около сорока землетрясений, энергетический класс которых варьирует от 8 до 11,6 (та. Причем события, зарегистрированные в 1996 и 2002 гг. являются самыми сильными землетрясениями в данном конретном районе за все время инструментальной регистрации. Землетрясение 26 февраля 1996 г. (Кр=11.6) достигало в некоторых лежащих на побережье водохранилища пунктах интенсивности 5-6 баллов; сопоставимым по энергетическому уровню было и землетрясение 9 августа 2002 году (Кр=11.2), проявившееся с интенсивностью 3 балла в городе Братске и 2 балла - в городе Иркутске. Кроме того, очевидна тенденция к увеличению количества землетрясений по годам и повышение энергетических классов этих событий. Необычны и параметры этих землетрясений: частота их повторения и интенсивность часто оказывается выше нормальной для данного региона, а эпицентры расположены в непосредственной близости от водоема или в его акватории. К сожалению, из-за неблагоприятных условий регистрации и отсутствия близких сейсмических станций, распределение гипоцентров землетрясений по глубине оценке не поддается. Можно лишь предполагать, что они сосредоточены в пределах верхних 10 км земной коры. В мировой практике известны случаи проявления землетрясений, вызванных созданием водохранилищ. Согласно опубликованным работам , глубины гипоцентров наведенных (спровоцированных) землетрясений и пики их распределений находятся в пределах 5-7 км, в редких случаях эта величина составляет 11 км. Явления техногенной (наведенной) сейсмичности зафиксированы на водоемах Марафон и Кремаста в Греции, в районе плотины Гувер на реке Колорадо в США, Синьфынцзянь в Китае, Кариба в Замбии, на крупных водохранилищах Средней Азии и ряде других мест.

Безусловно, есть и другие причины техногенной активизации наведенной сейсмичности. Так, профессор К.Г. Леви одним из факторов считает солнечную активность и некоторые ес производные - числа Вольфа;  

температура приземного слоя атмосферы и уровень зеркала водохранилища. Если рассматривать последний с момента начала его заполнения, то абсолютно четко прослеживается тенденция небольших по амплитуде, но крайне регулярных понижений-повышений уровня за счет наполнения и последующей сработки воды в процессе эксплуатации ГЭС. Но все это происходит на фоне более длительной 11-12 летней гармоники, которая связана с общими гидродинамическими условиями, а длительность периодов схожая с длительностью периодов изменения солнечной активности, влияющей, прежде всего, на состояние атмосферы - температуру ее приземного слоя, давление воздуха, тесно связанное с температурой, влажности, значения которой обратно пропорциональны температуре. B результате анализа сопоставлений этих трех характеристик установлено следующее:

- колебания уровня Братского водохранилища противофазно вариациям солнечной активности;

- вариации температуры приземного слоя атмосферы сложно согласуются с вариациями солнечной активности, но замечено, что максимальные среднегодовые температуры смещены относительно максимумов солнечной активности вправо, что говорит о запаздывании атмосферных температурных эффектов относительно максимумов солнечной активности. Однако температурные циклы имеют продолжительность около 10 лет и разделены периодами похолоданий продолжительностью 2-3 года;

- вариации всплесков наведенной сейсмичности относительно периодов высокой солнечной активности более или менее определенны и приходятся на моменты перехода от минимума солнечной активности к максимуму и наоборот. Влияние солнечной активности на сейсмический процесс опосредовано через атмосферу и гидросферу и показано в работах К.Г. Леви соавторами, изучавших микросейсмы от штормов на Тихом и Атлантическом океанах;

- некоторые закономерности совместных вариаций температур приземного слоя атмосферы и уровня наведенной сейсмичности просматриваются хорошо, хотя и выборка по Т°С кратковременна. Таким образом, есть основания считать, что в районе Братского водохранилища после его заполнения создались условия для активизации сейсмической деятельности. При этом уровень сейсмической активности в настоящее время, по-видимому, превышает уровень периода, предшествующего заполнению водоема. В это же время существенно увеличилось и количество сейсмических событий. Хотя справедливости ради, следует заметить, что сравнивать этот показатель необходимо с большой осторожностью, так как все современные землетрясения обоснованы инструментальными данными, чего в XIX и начале XX веков не было.

 

Задание студентам

1. Произвести анализ шкал сейсмической интенсивности (таблицы 6.1, 6.2, 6.3, 6.4, 6.5) и сопоставить факторы, влияющие на увеличение- уменьшение балльности.

2. Охарактеризовать принципы установления исходного и расчетного балла и по карте СНиПа II-7-81 - карта массового строительства ОСР- А дать характеристику исходного балла районов Сибирской платформы и Забайкалья.

3.Для районов Восточной Сибири произвести оценку изменения интенсивности землетрясений в зависимости от инженерно-геологических условий (таблица :\6.6, карты сейсмического микрорайонирования).

Таблица 6.1

Шкалы сейсмической интенсивности msk-64 Землетрясение, оценка в баллах и характеристика

1 балл. Неощутимое. Интенсивность колебаний лежит ниже предела чувствительности людей: сотрясения почвы обнаруживаются н регистрируются только сейсмографами.

2 балла. Едва ощутимое. Колебания ощущаются только отдельными людьми, находящимися в покое внутри помещений, особенно на верхних этажах.

3 балла. Слабое. Ощущается немногими людьми, находящимися внутри помещений: под открытым небом — только в благоприятных условиях. Колебания схожи с сотрясением, создаваемым проезжающим легким грузовиком. Внимательные наблюдатели замечают легкое раскачивание висячих предметов, несколько более сильное на верхних этажах.

4 балла. Заметное. Ощущается внутри зданий многими людьми, под открытым небом — немногими. Кое-где спящие просыпаются, но никто не пугается. Колебания схожи с сотрясениями, создаваемыми проезжающим тяжело нагруженным грузовиком. Дребезжание окон, дверей, посуды. Скрип полов и стен. Начинается дрожание мебели. Висячие предметы слегка раскачиваются. Жидкость в открытых сосудах слегка колеблется. В стоящих на месте автомашинах толчок заметен.

5 баллов. Довольно сильное. Пробуждение. Ощущается всеми людьми внутри помещения: под открытым небом — немногими. Многие спящие просыпаются. Немногие лица выбегают из помещений. Животные беспокоятся. Сотрясения зданий в целом. Висячие предметы сильно качаются. Картины сдвигаются с места. В редких случаях останавливаются маятниковые часы. Некоторые неустойчивые предметы опрокидываются или сдвигаются. Незапертые двери и окна распахиваются и снова захлопываются. Из неполных открытых сосудов в небольших количествах выплескивается жидкость. Ощущаемые колебания схожи с колебаниями, создаваемыми падением тяжелых предметов внутри здания.

6 баллов. Сильное. Ощущается большинством людей как внутри помещений, так и под открытым небом. Многие люди, находящиеся в зданиях, пугаются и выбегают на улицу. Немногие лица теряют равновесие. Домашние животные выбегают из укрытий. В немногих случаях могут разбиться посуда и другие стеклянные изделия: падают книги. Возможно движение тяжелой мебели: может быть слышен звон малых колоколов на колокольнях.

7 баллов. Очень сильное. Повреждение зданий. Большинство людей испуганы и выбегают из помещений. Многие люди с трудом удерживаются на ногах. Колебания отмечаются лицами, ведущими автомашины. Звонят большие колокола.

8 баллов. Сильные повреждения зданий. Испуг и паника: испытывают беспокойства даже лица, ведущие автомашины. Кое-где обламываются ветви деревьев. Сдвигается и иногда опрокидывается тяжелая мебель. Часть висячих ламп повреждается.

9 баллов. Всеобщее повреждение зданий. Всеобщая паника: большие повреждения мебели. Животные мечутся и кричат.

10 баллов. Всеобщее разрушение зданий.

11 баллов. Катастрофа.

12 баллов. Изменение рельефа.

Таблица 6.2

Классификации повреждений зданий и сооружений в результате землетрясений (по с.В. Медведеву, 1962)

Тип зданий	Степень повреждения зданий и сооружений	Количество зданий, получивших повреждения, %
А. Здания из рваного камня, сельские постройки, дома из кирпича-сырца, глинобитные дома Б. Обычные кирпичные дома, здания крупноблочного и панельного типа из естественного камня B. Каркасные железобетонные здания, деревянные дома хорошей постройки	1. Легкие повреждения — тонкие трещины в штукатурке и откалывание небольших кусков штукатурки 2. Умеренные повреждения — небольшие трещины в стенах, откалывание довольно больших кусков штукатурки, падение кровельных черепиц, трещины в дымовых трубах, падение частей дымовых труб 3. Тяжелые повреждения — большие и глубокие трещины в стенах, падение дымовых труб 4. Разрушения — сквозные трещины и проломы в стенах, обрушение частей зданий, разрушение связей между отдельными частями зданий, обрушение внутренних стен и стен заполнения каркаса 5. Обвалы — полное разрушение зданий	1. Отдельные (около 5) 2. Многие (около 50) 3. Большинство (около 75)

Таблица 6.3