Сейсмические явления

Сейсмические(от греческого — сотрясение) явления проявля­ются в виде упругих колебаний земной коры. Это грозное явле­ние природы типично районам геосинклиналей, где активно дей­ствуют современные горообразовательные процессы, а также зонам субдукции и обдукции.

Сотрясения сейсмического происхождения происходят почти непрерывно. Специальные приборы регистрируют в течение года более 100 тысяч землетрясений, но из них, к счастью, только около 100 приводят к разрушительным последствиям и отдель­ные — к катастрофам с гибелью людей, массовыми разрушения­ми зданий и сооружений (рис. 45).

Землетрясения возникают также в процессе извержения вулка­нов (в России, например, на Камчатке), возникновения провалов в связи с обрушением горных пород в крупные подземные пещеры, узкие глубокие долины, а также в результате мощных взры­вов, производимых, например, в строительных целях. Разрушите­льное действие таких землетрясений невелико и они имеют местное значение, а наиболее разрушительными являются текто­нические сейсмические явления, захватывающие, как правило, большие площади

История знает катастрофические землетрясения, когда погиба­ли десятки тысяч людей и разрушались целые города или их боль­шая часть (г. Лиссабон — 1755 г., г. Токио — 1923 г., г. Сан-Фран­циско — 1906 г., Чили и остров Сицилия — 1968 г.). Только в первой половине XX в. их было 3749, при этом только в Прибай­калье произошло 300 землетрясений. Наиболее разрушитель­ные — в городах Ашхабаде (1948) и Ташкенте (1966).

Исключительное по силе катастрофическое землетрясение про­изошло 4 декабря 1956 г в Монголии, зафиксированное также на территории Китая и России. Оно сопровождалось огромными раз­рушениями. Один из горных пиков раскололся пополам, часть го­ры высотой 400 м обрушилась в ущелье. Образовалась сбросовая впадина длиной до 18 км и шириной 800 м. На поверхности земли появились трещины шириной до 20 м. Главная из этих трещин протянулась до 250 км.

Наиболее катастрофическим было землетрясение 1976 г., про­исшедшее в г. Таншань (Китай), в результате которого погибло 250 тыс. человек в основном под обрушившимися зданиями из глины (сырцового кирпича).

Тектонические сейсмические явления возникают как на дне океанов, так и на суше. В связи с этим различают моретрясения и землетрясения.

Моретрясения возникают в глубоких океанических впадинах Тихого, реже Индийского и Атлантического океанов. Быстрые поднятия и опускания дна океанов вызывают смещение крупных масс горных пород и на поверхности океана порождают пологие волны (цунами) с расстоянием между гребнями до 150 км и очень небольшой высотой над большими глубинами океана. При подхо­де к берегу вместе с подъемом дна, а иногда сужением берегов в бухтах высота волн увеличивается до 15—20 м и даже 40 м.

Цунамиперемещаются на расстояния в сотни и тысячи кило­метров со скоростью 500—800 и даже более 1000 км/ч. По мере уменьшения глубины моря крутизна волн резко возрастает и они со страшной силой обрушиваются на берега, вызывая разруше­ния сооружений и гибель людей. При моретрясении 1896 г. в Японии были отмечены волны высотой 30 м. В результате уда­ра о берег они разрушили 10 500 домов, погибло более 27 тыс. человек.

От цунами чаще всего страдают Японские, Индонезийские, Филиппинские и Гавайские острова, а также тихоокеанское побе­режье Южной Америки. В России это явление наблюдается на восточных берегах Камчатки и Курильских островах. Последнее катастрофическое цунами в этом районе возникло в ноябре 1952 г. в Тихом океане, в 140 км от берега. Перед приходом волны море отступило от берега на расстояние 500 м, а через 40 мин на побе­режье обрушилось цунами с песком, илом и различными обломка­ми. Затем последовала вторая волна высотой до 10—15 м, которая довершила разрушение всех построек, расположенных ниже деся­тиметровой отметки.

Самая высокая сейсмическая волна — цунами поднялась у по­бережья Аляски в 1964 г.; высота ее достигла 66 м, а скорость 585 км/ч.

Частота возникновения цунами не столь велика, как у земле­трясений. Так, за 200 лет на побережье Камчатки и Курильских островов их наблюдалось всего 14, из которых четыре были ката­строфическими.

На побережье Тихого океана в России и других странах со­зданы специальные службы наблюдения, которые оповещают о приближении цунами. Это позволяет вовремя предупредить и укрыть людей от опасности. Для борьбы с цунами возводят ин­женерные сооружения в виде защитных насыпей, железобетон­ных молов, волноотбойных стенок, создают искусственные отме­ли. Здания размещают на высокой части рельефа.

Землетрясения. Сейсмические волны. Очаг зарождения сейсми­ческих волн называют гипоцентром (рис. 46). По глубине залега­ния гипоцентра различают землетрясения: поверхностные — от 1 до 10 км глубины, коровью — 30—50 км и глубокие (или плуто­нические) — от 100—300 до 700 км. Последние находятся уже в мантии Земли и связаны с движениями, происходящими в глу­бинных зонах планеты. Такие землетрясения наблюдались на Да­льнем Востоке, в Испании и Афганистане. Наиболее разрушите­льными являются поверхностные и коровые землетрясения.

Непосредственно над гипоцентром на поверхности земли рас­полагается эпицентр.На этом участке сотрясение поверхности происходит в первую очередь и с наибольшей силой. Анализ землетрясений показал, что в сейсмически активных районах Земли 70 % очагов сейсмических явлений располагаются до глу­бины 60 км, но наиболее сейсмичной все же является глубина от 30 до 60 км.

От гипоцентра во все стороны расходятся сейсмические волны, по своей природе являющиеся упругими колебаниями. Различают продольные и поперечные сейсмические волны, как упругие коле­бания, распространяющиеся в земле от очагов землетрясений, взрывов, ударов и других источников возбуждения. Сейсмические волны — продольные,или /*-волны (лат.primae— первые), приходят к поверхности земли первыми, так как имеют скорость в 1,7 раза большую, чем поперечные волны;поперечные,или 5-волны (лат.secondae— вторые), иповерхностные,илиL-волны (лат.1оп- qeg— длинный). ДлиныL-волн больше, а скорости меньше, чем уР-и 5-волн. Продольные сейсмические волны — волны сжатия и растяжения среды в направлении сейсмических лучей (во все сто­роны от очага землетрясения или другого источника возбуждения); поперечные сейсмические волны — волны сдвига в направлении, перпендикулярном сейсмическим лучам; поверхностные сейсмиче­ские волны — волны, распространяющиеся вдоль поверхности земли.L-волны подразделяют на волны Лява (поперечные колеба­ния в горизонтальной плоскости, не имеющие вертикальной со­ставляющей) и волны Рэлея (сложные колебания, имеющие верти­кальную составляющую), названные так в честь открывших их ученых. Наибольший интерес для инженера-строителя имеют про­дольные и поперечные волны. Продольные волны вызывают рас­ширение и сжатие пород в направлении их движения. Они рас­пространяются во всех средах — твердых, жидких и газообразных. Скорость их зависит от вещества пород. Это можно видеть из при­меров, приведенных в табл. 11. Поперечные колебания перпенди­кулярны продольным, распространяются только в твердой среде и вызывают в породах деформации сдвига. Скорость поперечных волн примерно в 1,7 раза меньше, чем продольных.

На поверхности земли от эпицентра во все стороны расходятся волны особого рода — поверхностные, являющиеся по своей при­роде волнами тяжести (подобно морским валам). Скорость их рас­пространения более низкая, чем у поперечных, но они оказывают на сооружения не менее пагубное влияние.

Действие сейсмических волн или, иначе говоря, продолжитель­ность землетрясений, обычно проявляется в течение нескольких секунд, реже минут. Иногда наблюдаются длительные землетрясе­ния. Например, на Камчатке в 1923 г. землетрясение продолжалось с февраля по апрель месяц (195 толчков).

Таблица 11

Скорость распространения продольных (v_p) и поперечных (v_s) волн в различных породах и в воде, км/сек

Горные породы	^vr	^vs
Скальные (граниты, гнейсы, песчаники, известняки и др.)	1,5-5,6	0,9-3,6
Полускальные (гипсы, мергели, глини­стые сланцы)	1,4-3,0	0,9-1,8
Крупнообломочные (галечники, гравий и др.)	1,1-2,1	0,5-1,1
Песчаные (пески разной крупности)	0,7-1,6	0,35-0,85
Глинистые (глины, суглинки, супеси)	0,6-1,5	0,35-0,8
Насыпные грунты и почвы	0,2-0,5	0,1-0,27
Мерзлые (песчано-глинистые)	1,0-2,5	0,5-1,25
Вода	1,43-1,48	-
Лед	2,0	1,0

Оценка силы землетрясений. За землетрясениями ведут посто­янные наблюдения при помощи специальных приборов — сей­смографов, которые позволяют качественно и количественно оценивать силу землетрясений.

Сейсмические шкалы (гр. seismos—землетрясение + лат.sca- la— лестница) используют для оценки интенсивности колебаний (сотрясений) на поверхности Земли при землетрясениях в баллах. Первую (из близких к современным) 10-балльную сейсмическую шкалу составили в 1883 г. совместно М. Росси (Италия) и Ф. Фо­рель (Швейцария). В настоящее время большинство стран мира используют 12-балльные сейсмические шкалы: «ММ» в США (усо­вершенствованная шкала Меркалли—Конкани—Зиберга); Между­народнаяMSK-64 (по фамилии авторов С. Медведева, В. Шпон- хойера, В. Карника, созданная в 1964 г.); Института физики Земли АН СССР и др. В Японии используется 7-балльная шкала, состав­ленная Ф. Омори (1900) и в последующем многократно пе­реработанная. Балльность по шкалеMSK-64 (уточненной и дополненной Межведомственным советом по сейсмологии и сей­смостойкому строительству в 1973 г.) устанавливается:

• по поведению людей и предметов (от 2 до 9 баллов);

• по степени повреждения или разрушения зданий и сооруже­ний (от 6до10баллов);

• по сейсмическим деформациям и возникновению других природных процессов и явлений (от 7 до 12 баллов).

Очень известной является шкала Рихтера,предложенная в 1935 г. американским сейсмологом Ч.Ф. Рихтером, теоретически обоснованная совместно с Б. Гутенбергом в 1941—1945 гг.шкала магнитуд(М); уточненная в 1962 г. (Московско-Пражская шкала) и рекомендованная Международной ассоциацией сейсмологии и физики недр Земли в качестве стандартной. По этой шкале маг­нитуда любого землетрясения определяется как десятичный лога­рифм максимальной амплитуды сейсмической волны (выражен­ной в микрометрах), записанной стандартным сейсмографом на расстоянии 100 км от эпицентра. При других расстояниях от эпицентра до сейсмостанции вводится поправка к замеренной амплитуде с целью приведения ее к той, которая соответствует стандартному расстоянию. Нуль шкалы Рихтера (М = 0) дает очаг, при котором амплитуда сейсмической волны на расстоянии 100 км от эпицентра будет равна 1 мкм, или 0,001 мм. При уве­личении амплитуды в10раз магнитуда возрастает на единицу. При амплитуде, меньшей 1 мкм, магнитуда имеет отрицатель­ные значения; известные максимальные значения магнитуд М =8,5...9.Магнитуда —расчетная величина, относительная ха­рактеристика сейсмического очага, не зависящая от места распо­ложения записывающей станции; используется для оценки общей энергии, выделившейся в очаге (установлена функциональная за­висимость между магнитудой и энергией).

Энергия, выделившаяся в очаге, может выражаться абсолют­ной величиной (Е, Дж), величиной энергетического класса(K = lgE)или условной величиной, называемой магнитудой,.

Магнитуда самых больших землетрясений М = 8,5...8,6, что соответствует выделению энергииили семнадцатому — восемнадцатому энергетическим классам. Интенсивность проявления землетрясений на поверхности земли (сотрясаемость на поверхности) определяется по шкалам сейсми­ческой интенсивности и оценивается в условных единицах — бал­лах. Балльность(I)является функцией магнитуды (М), глубины очага (h) и расстояния от рассматриваемой точки до эпицент­ра(L):

Ниже приводятся сравнительные характеристики разных групп землетрясений (табл, 12).

Для расчетов силовых воздействий (сейсмических нагрузок), оказываемых землетрясениями на здания и сооружения, исполь­зуют понятия: ускорение колебаний (а),коэффициент сейсмич­ности (к_с) и максимальное относительное смещение (0.

На практике силу землетрясений измеряют в баллах. В Рос­сии используется 12-балльная шкала. Каждому баллу соответству­ет определенное значение ускорения колебания а(мм/с²). В табл. 13 приведена современная 12-балльная шкала и дана крат­кая характеристика последствиям землетрясений.

Сейсмические районы территории России. Вся земная поверх­ность разделена на зоны: сейсмические, асейсмические и пене­сейсмические. Ксейсмическимотносят районы, которые располо­жены в геосинклинальных областях. Васейсмическихрайонах землетрясений не бывает (Русская равнина, Западная и Северная Сибирь). Впенесейсмическихрайонах землетрясения происходят сравнительно редко и бывают небольшой силы.

Для территории России составлена карта распространения землетрясений с указанием баллов. К сейсмическим районам от­носятся Кавказ, Алтай, Забайкалье, Дальний Восток, Сахалин, Курильские острова, Камчатка. Эти районы занимают пятую часть территории, на которой располагаются крупные города. В настоящее время эта карта обновляется и в ней будут содержать­ся сведения о повторяемости землетрясений во времени.

Землетрясения способствуют развитию чрезвычайно опасных гравитационных процессов — оползней, обвалов, осыпей. Как пра­вило, все землетрясения от семи баллов и выше сопровождаются этими явлениями, причем катастрофического характера. Повсеме­стное развитие оползней и обвалов наблюдалось, например, во время Ашхабадского землетрясения (1948), сильного землетрясе­ния в Дагестане (1970), в долине Чхалты на Кавказе (1963), в долине р. Нарын (1946), когда сейсмические колебания вывели из состояния равновесия крупные массивы выветрелых и разрушен­ных пород, которые располагались в верхних частях высоких скло­нов, что вызвало подпруживание рек и образование крупных гор­ных озер. Существенное влияние на развитие оползня оказывают и слабые землетрясения. В этих случаях они являются как бы тол­чком, спусковым механизмом уже подготовленного к обрушению массива. Так, на правом склоне долины р. Актуры в Киргизии по­сле землетрясения в октябре 1970 г. образовались три обширных оползня. Зачастую не столько сами землетрясения оказывают вли­яние на здания и сооружения, сколько вызванные ими оползневые и обвальные явления (Каратегинское, 1907 г., Сарезское, 1911 г., Файзабадское, 1943 г., Хаитское, 1949 г., землетрясения). Объем массы сейсмического обвала (обвал — обрушение), расположенно­го в сейсмоструктуре Бабха (северный склон хребта Хамар-Дабан, Восточная Сибирь), составляет около 20 млн м³. Сарезское земле­трясение силой 9 баллов, происшедшее в феврале 1911 г., сбросило с правого берега р. Мургаб в месте впадения в нее Усой-Дарьи2,2млрд м³горной массы, что привело к образованию плотины высотой 600—700 м, шириной 4 км, длиной6км и озера на высо­те 3329 м над уровнем моря объемом 17—18 км³, площадью зерка­ла 86,5 км², длиной 75 км, шириной до 3,4 км, глубиной 190 м. Под завалом оказалось небольшое селение, а под водой киш­лак Сарез.

В результате сейсмического воздействия при Хаитском земле­трясении (Таджикистан, 10 июля 1949 г.) силой 10 баллов большое развитие получили обвальные и оползневые явления на склоне хребта Тахти, после чего сформировались земляные лавины и се­левые потоки 70-метровой толщины со скоростью 30 м/с. Объем селевого потока — 140 млн м³, площадь разрушений — 1500 км².

Строительство в сейсмических районах (сейсмическое микрорай­онирование). При строительных работах в районах землетрясений необходимо помнить, что баллы сейсмических карт характеризу­ют только некоторые усредненные грунтовые условия района и поэтому не отражают конкретных геологических особенностей той или иной строительной площадки. Эти баллы подлежат уточ­нению на основе конкретного изучения геологических и гидроге­ологических условий строительной площадки (табл. 14). Это до­стигается увеличением исходных баллов, полученных по сейсмической карте, на единицу для участков, сложенных рых­лыми породами, в особенности увлажненными, и их уменьшени­ем на единицу для участков, сложенных прочными скальными породами. Породы II категории по сейсмическим свойствам свою исходную балльность сохраняют без изменения.

Корректировка баллов строительных участков справедлива, главным образом, для равнинных или холмистых территорий. Для горных районов необходимо принимать во внимание и дру­гие факторы. Опасными для строительства являются участки с сильно расчлененным рельефом, берега рек, склоны оврагов и ущелий, оползневые и карстовые участки. Крайне опасны участ­ки, расположенные вблизи тектонических разрывов. Весьма зат­руднительно строить при высоком залегании уровня грунтовых вод (1—3 м). Следует учитывать, что наибольшие разрушения при землетрясениях происходят на заболоченных территориях, на обводненных пылеватых, на лессовых недоуплотненных породах, которые при сейсмическом сотрясении энергично доуплотняют- ся, разрушая выстроенные на них здания и сооружения.

При ведении инженерно-геологических изысканий в сейсми­ческих районах требуется выполнять дополнительные работы, регламентированные соответствующим разделом СНиП 11.02—96 и СП 11.105-97.

На территориях, где сила землетрясений не превышает 7 бал­лов, основания зданий и сооружений проектируют без учета сей­смичности. В сейсмических районах, т. е. районах с расчетной сейсмичностью 7, 8и 9 баллов, проектирование оснований ведут в соответствии с главой специального СНиПа по проектирова­нию зданий и сооружений в сейсмических районах.

В сейсмических районах не рекомендуется прокладывать во­доводы, магистральные линии и канализационные коллекторы в водонасыщенных грунтах (кроме скальных, полускальных и круп­нообломочных), в насыпных грунтах независимо от их влажно­сти, а также на участках с тектоническими нарушениями. Если основным источником водоснабжения являются подземные воды трещиноватых и карстовых пород, дополнительным источником всегда должны служить поверхностные водоемы.

Большое практическое значение для жизни и производствен­ной деятельности человека имеет предсказание момента начала землетрясения и его силы. В этой работе уже имеются заметные успехи, но в целом проблема прогнозирования землетрясений еще находится на стадии разработки.

Вулканизм — это процесс прорыва магмы из глубин земной коры на поверхность земли.Вулканы —геологические образова­ния в виде гор и возвышений конусовидной, овальной и других форм, возникшие в местах прорыва магмы на земную поверх­ность.

Вулканизм проявляется в районах субдукций и обдукций, а внутри литосферных плит — в зонах геосинклиналей. Наибольшее количество вулканов расположено вдоль побережья Азии и Амери­ки, на островах Тихого и Индийского океанов. Вулканы имеются также на некоторых островах Атлантического океана (у побережья Америки), в Антарктиде и Африке, в Европе (Италия и Ислан­дия). Различают вулканы действующие и потухшие. Действующими называют те вулканы, которые постоянно или периодически из­вергаются;потухшими— те, которые прекратили свое действие, и об их извержениях нет данных. В ряде случаев потухшие вулканы снова возобновляют свою деятельность. Так было с Везувием, нео­жиданное извержение которого произошло в 79 г. н. э.

На территории России вулканы известны на Камчатке и на Ку­рильских островах (рис. 47). На Камчатке расположено 129 вулка­нов, из них 28 действующих. Наибольшую известность получил вулкан Ключевская сопка (высота 4850 м), извержение которого повторяется приблизительно через каждые 7—8 лет. Активно дей­ствуют вулканы Авачинский, Карымский, Безымянский. На Кури­льских островах насчитывают до 20вулканов, из которых около половины действующих.

Потухшие вулканы на Кавказе — Казбек, Эльбрус, Арарат. Казбек, например, еще действовал в начале четвертичного перио­да. Его лавы во многих местах покрывают район Военно-Грузин­ской дороги.

В Сибири в пределах Витимского нагорья также обнаружены потухшие вулканы. Извержения вулканов происходят по-разному. Это в большой мере зависит от типа магмы, которая извергается. Кислая и сред­няя магмы, будучи очень вязкими, дают извержения со взрыва­ми, выбросом камней и пепла. Излияние магмы основного со­става обычно происходит спокойно, без взрывов. На Камчатке и Курильских островах извержения вулканов начинаются с подзем­ных толчков, далее следуют взрывы с выбросом водяных паров и излиянием раскаленной лавы.

Извержение, например, Ключевской сопки в 1944—1945 гг. сопровождалось образованием над кратером раскаленного конуса высотой до 1500 м, выбросом раскаленных газов и обломков по­род. После этого произошло излияние лавы. Извержение сопро­вождалось землетрясением в 5 баллов. При извержении вулканов типа Везувия характерно выпадение обильных дождей за счет конденсации водяных паров. Возникают исключительные по силе и грандиозности грязевые потоки, которые, устремляясь вниз по склонам, приносят огромные разрушения и опустошения. Так же может действовать вода, образовавшаяся в результате таяния сне­гов на вулканических склонах кратеров; и вода озер, сформиро­вавшихся на месте кратера.

Строительство зданий и сооружений в вулканических районах имеет определенные трудности. Землетрясения обычно не дости­гают разрушительной силы, но продукты, выделяемые вулканом, могут пагубно сказаться на целостности зданий и сооружений и их устойчивости. Многие газы, выделяемые при извержениях, например серни­стые, опасны для людей. Конденсация паров воды вызывает ка­тастрофические ливни и грязевые потоки. Лава образует потоки, ширина и длина которых зависят от уклона и рельефа местности. Известны случаи, когда длина лавового потока достигала 80 км (Исландия), а мощность — 10—50 м. Скорость течения основных лав составляет 30 км/ч, кислых — 5—7 км/ч, из вулканов взлета­ют вулканические пеплы (пылеватые частицы), песок, лапилли (частицы 1—3 см в диаметре), бомбы (от сантиметров до не­скольких метров). Все они представляют собой застывшую лаву и при извержении вулкана разлетаются на различные расстояния, засыпают поверхность земли многометровым слоем обломков, обрушивают кровли зданий.