Основы общей и инженерной геологии. Лекции

ТЕМА  5.

Геологические процессы.

1. Землетрясения: причины, оценка силы, районирование территорий.

2. Выветривание (физическое, химическое, биологическое).

3. Геологическая деятельность ветра. Эоловые отложения.

4. Геологическая     деятельность     поверхностных     текучих вод. Образование оврагов. Сели (грязекаменные потоки). 

1. Землетрясения: причины, оценка силы, районирование территорий. 

      Землетрясения – одно из наиболее страшных природных катастроф, уносящих десятки и сотни тысяч человеческих жизней и приносящих огромный материальный ущерб. От землетрясений за историческое время погибло 13 млн. человек (что намного меньше погибших в войнах).Примеры: Ашхабад (5.10.1948 г.) – более 100 тыс. чел.; Спитак (7.12.1988) – 28854 чел. (неофициально 55 тыс. чел.); Нефтегорск на Сахалине (1995) – 2 тыс. чел. Для сравнения: Китай (1920) – 200 тыс. чел, Токио и Иокогама (1923) – 150 тыс. чел., Токио (1703) – 200 тыс. чел., японский город Неддо (1730) – 137 тыс. чел., Италия (1980) – 3100 чел., Иран (1981) – 2500 чел.

      Продолжительность землетрясений от 5-6 сек до 5-6 мин. Ежегодно регистрируются сотни тысяч землетрясений, но только около 100 из них можно отнести к разрушительным.

   Причины землетрясений. Любое землетрясение – это мгновенное высвобождение энергии за счет образования разрыва горных пород, возникающего в некотором объеме, границы которого не могут быть определены достаточно строго и зависят от структуры и напряженно-деформированного состояния горных пород в данном конкретном месте. Деформация пород происходит скачкообразно с образованием упругих волн. Объем пород определяет силу сейсмического толчка и выделившуюся энергию. Чем меньше объем очага, тем слабее толчки. Гипоцентром, или фокусом землетрясения называют условный центр очага на глубине, а эпицентром – проекцию гипоцентра на поверхность земли.

   В зависимости от глубины гипоцентра различают: 1) мелкофокусные землетрясения – до 70 км, 2) среднефокусные – 70-300 км, 3) глубокофокусные – 300-700 км. Чаще очаги землетрясений находятся на глубине 10-30 км, т.е. в нижней части литосферы. Главному толчку часто предшествуют локальные форшоки, а после главного удара следуют афтершоки.

   Из  гипоцентра распространяются упругие колебания – продольные и поперечные волны. Продольные называются Р-волны (primary – первоначальный, т.к. они приходят первыми). Это волны сжатия, они распространяются в любой среде со  скоростью от 500-1000 м/сек в песках до 5-7 км/сек в гранитах, в воде – 1,5 км/сек, в воздухе – 330 м /сек. Р-волны при выходе на поверхность земли создают звуковые волны при частоте более 15 Гц.

   Поперечные волны при своем распространении сдвигают частицы под прямым углом к направлению своего пути. Они не распространяются в жидкостях и газах, т.к. их модуль сдвига  равен 0. Скорость Vs в 1,7 раза меньше Vp. Период волн от долей сек до 5 сек.

   Кроме этих объемных волн, на поверхности земли возникают поверхностные волны, они подобны ряби на поверхности воды, скорость их в 2 раза ниже Vs. Они затухают быстрее на расстоянии, но не менее опасны. Все эти волны не всегда понятным образом воздействуют на сооружения. Очаг излучает широкий спектр колебаний с периодами от долей секунды до десятков сек. Колебания распространяются во все стороны в недрах Земли и быстрее спутника (примерно за 20 мин) достигают противоположной точки Земного шара. Колебания сильно ослабевают при удалении от очага. Удаление в 2 раза снижает энергию в 10-20 раз, а удаление в 10 раз снижает энергию в тысячи раз. Соответственно, с расстоянием убывает и амплитуда колебаний. Даже при очень сильных землетрясениях (10-12 баллов) на расстоянии 200-500 км нет угрозы зданиям и населению.

   Оценка  силы землетрясения производится при помощи сейсмографов. Первые сейсмографы появились более 100 лет назад. Большой вклад в сейсмологию (науку о землетрясениях) внес Б.Б.Голицын. Принцип работы сейсмографа основан на неподвижности маятника, который подвешен на тонкой пружине. Маятник имеет рамку, которая находится в поле постоянного магнита, и чувствительный гальванометр-самописец, колебания которого записывает самописец. Получается непрерывная сейсмограмма, отражающая перемещения грунта в какой-то одной плоскости. Для записи колебаний в 3-х направлениях нужны 3 сейсмографа с разными рамками. Расшифровка сейсмограмм заключается в фиксировании точного времени прихода различных волн P, S, L, R (Лява и Релея) и их интерпретации, т.к. они приходят не только с разной скоростью, но и с разных сторон. Определив время прихода разных волн и зная скорость их распространения, можно определить расстояние до очага-гипоцентра землетрясения. Существующая мировая сеть сейсмостанций со многими сотнями сейсмографов позволяет немедленно регистрировать землетрясения в любой точке Земли.

   Но  случались  и казусы. Самое сильное землетрясение в истории человечества произошло в Индии (г. Ассам) 15 августа 1950 года – 9 баллов по шкале Рихтера, при этом погибло 1000 человек. Но мощь землетрясения вызвала путаницу: американцы решили, что землетрясение произошло в Японии, а японцы – в Америке. У нас тоже не установили очаг землетрясения 1996 года, указав очаг от Армавира до Светлограда.

   Интенсивность сейсмического эффекта  выражают в баллах или в магнитуде. Для строительных целей в России с 1952 года применяют 12- балльную шкалу MSK-64 (Медведев – Шпонхойнер - Карник). До недавнего времени действовал ГОСТ 6249-52 для оценки силы землетрясений в баллах. Каждый балл шкалы соответствует определенному сейсмическому ускорению α:

   Сейсмическое  ускорение определят по формуле:

α = А·4π²/Т², где

   α – сейсмическое ускорение, мм/сек²; А - амплитуда колебаний, мм; Т – период колебаний сейсмической волны, сек. По величине α вычисляют коэффициент сейсмичности К_S = α/g, где     g - ускорение силы тяжести, мм/сек².

   Коэффициент сейсмичности К_S необходим для расчета добавочных горизонтальных сил Q  при оценке прочности сооружения: Q = K_S·P, где Р - вес сооружения.

   Землетрясения 1-3 балла считаются слабыми, 4-5 баллов – ощутимыми, 6-7 баллов – сильными (разрушаются ветхие постройки), 8 баллов - разрушительными (частично разрушаются прочные здания, падают фабричные трубы), 9 баллов – опустошительными, разрушается большинство зданий, в грунтах образуются трещины до 10 см, 10 баллов – уничтожительными, разрушаются мосты, образуются большие оползни, обвалы, трещины в грунтах до 1 м, 11 баллов, катастрофическими, разрушаются все сооружения, изменяется ландшафт, 12 баллов – сильная катастрофа, то же, но на более обширной территории.

   Магнитуда характеризует энергию в центре землетрясения. Для этого Чарльз Рихтер в 1935 г. предложил шкалу энергии землетрясений, которую пользуют сейсмические службы. Шкала балльности служит для строительных расчетов и при районировании территорий. Идея Рихтера состоит в том, что принято «стандартное» (эталонное), очень слабое землетрясение с амплитудой А*=1мк, которое еще фиксируют сейсмографы. Затем определяют амплитуду А, мк любого землетрясения, превышающего минимальное, и рассчитывают его магнитуду по формуле:

   М=lg А/А*. 

   Землетрясения с М=1-3 очень слабые, т.к. их амплитуда всего в 10-1000 раз больше минимального. Сильнейшие землетрясения – Чилийское (1960) и Аляскинское (1964) имели магнитуду – 8,5-8,6. Это значит, что при таких землетрясениях амплитуда превышала стандартное почти в 1 млрд. раз. Землетрясения с магнитудой более 9 не известны. Атомная бомба имеет магнитуду М=6,5, водородная бомба – М=8,5, т.е. энергия водородной бомбы в 100 раз больше атомной.

   Районирование территорий. Землетрясения происходят только в районах геосинклиналей, точнее в зонах, где литосферные плиты либо сталкиваются друг с другом, либо расходятся, наращивая образование новой океанической коры.

   Первый  высокосейсмичный регион – активные окраины Тихого океана, где океанические плиты погружаются под континентальные и напряжения, возникающие в холодной и тяжелой плите, разряжаются в виде многочисленных землетрясений, гипоцентры которых образуют наклонную сейсмофокальную зону, уходящую в верхнюю мантию до глубин в 600-700 км.

   Второй регион сильных и частых землетрясений – Альпийский горно-складчатый пояс, простирающийся от Гибралтара через Альпы, Балканы, Анатолию, Кавказ, Иран, Гималаи в Бирму и возникший всего 10-15 млн. лет тому назад в результате столкновения грандиозных литосферных плит: Афро-Аравийской и Индостанской, с одной стороны, и Евразийской, с другой. Процесс сжатия (смятия) продолжается и в настоящее время, поэтому постоянно накапливающиеся напряжения непрерывно разряжаются в виде землетрясений. В пределах СНГ наиболее сейсмически активными регионами являются Восточные Карпаты, Горный Крым, Кавказ, Копетдаг, Тянь-Шань, Памир, Алтай, р-н оз. Байкал, Дальний Восток (особенно Камчатка, Курильские о-ва, о-в Сахалин). Все эти регионы обладают горным, часто высокогорным рельефом, свидетельствующим о том, что они в настоящее время испытывают активные тектонические движения, а вертикальный подъем превышает скорость эрозии (их разрушения).  Подавляющая часть землетрясений относится к зонам сжатия (85%) и только 15% к зонам растяжения.

   Карты сейсморайонирования в СССР впервые приведены в СНиП 1962 года. Методика их составления учитывает: 1) геологическое строение, тектонику, разломы и другие нарушения земной коры, 2) сведения о прошлых землетрясениях (в г. Ставрополе – с 1688 г.). Карты сейсморайонирования составляет Институт Физики Земли РАН. Кроме этих карт для отдельных территорий составлены карты ДСР (детального сейсморайонирования) масштаба 1:100000 – 1:500000 с выделением активных зон региона. И, наконец, для отдельных городов (КМВ, Ставрополь) составлены карты СМР (сейсмомикрорайонирования) м-ба 1:10000.

   При СМР вводят понятие «среднего» грунта (плотные глины, плотные пески). Для слабых грунтов (плывунов, просадочных лессов, рыхлых песков и т. д.) добавляют 1 балл к среднему, фоновому баллу. Для прочных грунтов (скальных, галечников, мерзлых) уменьшают 1 балл. Балл строительной площадки можно снизить также укреплением грунтов основания.

   Прогноз землетрясений  включает в себя три элемента: место, величину и время землетрясения. Место сильных землетрясений сейчас определяют довольно точно. Величина (балл) также прогнозируются сравнительно хорошо. Нельзя дать прогноз времени землетрясения, хотя это и очень важно. Предвестниками землетрясений могут быть: изменение деформаций и наклонов земной поверхности  (есть специальные деформаторы), изменение электросопротивления горных пород, которое можно измерять до глубины 20 км, вариации магнитного поля, колебания уровня грунтовых вод (УГВ), изменение содержания радона в подземных водах, беспокойство животных (в т. ч. рыбок в аквариумах) и т.д.

   Надо помнить вывод академика Н.В.Короновского: «Пока не установлены значимые связи с предвестниками землетрясений. Любой прогноз землетрясений носит вероятностный характер, и главная цель сейсмологии еще не достигнута».

   Строительство в сейсмических районах. Антисейсмическое усиление зданий начинается с 7-ми баллов. Большинство ученых считает, что основную опасность для зданий представляет явление резонанса, когда совпадают периоды колебаний здания и сейсмических волн. Новый взгляд на природу разрушения зданий высказал профессор МГСУ Сергей Борисович Смирнов, который считает, что модель резонанса придумали сейсмологи. По С.Б.Смирнову, характер разрушений не соответствует тем безобидным разрушениям грунта с малыми скоростями и ускорениями, которые сейсмики пытаются выдать за причины всех сейсмических разрушений. Фактическая величина энергии в тысячи раз больше. Маятники сейсмографов и сейсмограммы замеряют не все колебания грунта. Реальные остаточные сейсмические смещения на огромных площадях достигают нескольких метров, а в сейсмограммах остаточные смещения всегда равны нулю. Импульсные сейсмические воздействия подобны выдергиванию ковра из-под ног. Волны сдвига не измеряются сейсмографами. Поэтому не должно быть жесткого контакта фундамента с грунтом. Это уже другая идея сейсмозащиты.