Изменение интенсивности землетрясений в баллах на основании

Инженерно-геологических и гидрогеологических условий

(по С.В.Медведеву, 1962)

 

Категория грунта по сейсмичес- ким призна­ кам	Описание грунтов	Уточнения интенсивности в баллах в зависимости от сейсмичности района
		7	8	9
I	а) Скальные породы, трещиноватые — из­верженные, метаморфические и осадочные (граниты, гнейсы, известняки, песчаники, кон­гломераты и т. п.) б) Полускальные породы (мергели, окаме­невшие глины, глинистые песчаники, туфы, ракушечники и т. д.) в) Курпнообломочные, особо плотные фун­ты при глубине залегания грунтовых вод от поверхности на глубине более 15 м	6	7	8
II	а) Глины, находящиеся в твердом состоя­нии б) Пески, супеси, суглинки при залегании уровня грунтовых вод более 8 м в) Крупнообломочные грунты при залега­нии уровня грунтовых вод от б до 10 м	7	8	9
III	а) Глины, находящиеся в пластическом со­стоянии б) Пески, супеси, суглинки при глубине залегания грунтовых вод менее 4 м в) Крупнообломочные грунты при глубине залегания грунтовых вод менее 3 м	8	9	10

 

Наиболее разработаны методы оценки относительных резонансных характеристик грунта, позволяющие проводить непосредственные инструментальные наблюдения на различных участках изучаемой территории. Большое влияние на величину сейсмического балла оказывает обводнённость пород (уровень грунтовых вод), их литологический состав (для многолетнемёрзлых грунтов — их температура), однородность и условия залегания грунтов, а также характер рельефа (наличие крутых склонов также увеличивает сейсмический эффект). Как правило, на скальных и многолетнемёрзлых грунтах сейсмический эффект на один балл понижается, на рыхлых, особенно увлажнённых грунтах, — на 1 балл повышается. В соответствии со строительными нормами и правилами (СНиП 11-А. 12—69) схемы сейсмического микрорайонирования застраиваемых территорий должны учитываться при проектировании сейсмостойких сооружений.

 

Учет сейсмичности при строительстве

 

Различные виды сейсмического воздействия и вытекающие от­сюда проблемы устойчивости можно подразделить на два вида: ус­тойчивость самой геологической среды, т. е. эффекты геологичес­кого характера, и устойчивость зданий и сооружений — эффекты их 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 (Иванов, Тржцинский, 2001).

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 100 м 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 строение. 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 (см. инж.-геол. карту Гиссарского землетрясения).

В целом невыветрелые массивные скальные грунты до­вольно стойко переносят сейсмические удары, на них фактически не происходит приращения балльности. Однако при сильных зем­летрясениях (М 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 (Инженерная геодинамика...,)

 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 (Инженерная геодинамика...,1989

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 (см. табл. выше). Эти данные обычно ис­пользуются для общей оценки осваиваемых участков на стадиях, предшествующих сейсмическому микрорайонированию. Анало­гичная таблица с более детальной характеристикой грунтов приве­дена в СНиПе П-7-81 (Иванов, Тржцинский, 2001).

Согласно СНиП 22-01-95 основным количественным параметром при оценке опасности от землетрясений является интенсивность в баллах, а для цунами:

 

Площадная пораженность территории, %

Протяженность берега, в пределах которого относительно одновременно происходит развитие процесса, км

Продолжительность проявления, ч

Скорость, км/ч

Повторяемость, ед. в год

 

Землетрясения и цунами относятся к категории катастрофических процессов, их развитие на той или иной территории может вызывать катастрофическое разрушение различных инженерных сооружений. Согласно СНиП 22-01-95 по количественным параметрам опасности проявления землетрясений или цунами изучаемые территории подразделяют на четыре категории (см. табл. ниже):

 

Показатели, используемые при оценке степени опасности природного процесса (ОПП)	Категории опасности процессов
	чрезвычайно опасные (катастро-фические)	весьма опасные		опасные		умеренно опасные
Землетрясения
Интенсивность, баллы	Более 9	8 - 9		6 - 7		Менее 6
Цунами
Площадная пораженность территории, %	>20		8-20		1-8	<1
Протяженность берега в пределах которого относительно одновременно происходит развитие процесса, км	30-40		10-30		5-10	<5
Продолжительность проявления,ч	48-60		7-48		2-7	<2
Скорость, км/ч	>500		200-500		20-200	<20
Повторяемость, ед. в год	0,05-0,1		0,02-0,05		0,01-0,02	<0,01

 

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 за­снимают 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 10—15 и глубиной до 6 м. 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 (Геология и сейсмичность..., 1985). 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 (Иванов, Тржцинский, 2001).

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 (Иванов, Тржцинский, 2001).

Теоретически из всех перечисленных систем наиболее хорошо разработаны адаптивные системы, сущность которых заключается в том, что они в процессе землетрясений могут менять свои дина­мические характеристики в регулируемых пределах и избегать ре­зонансных явлений

Наведенная сейсмичность

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 (Иванов, Тржцинский, 2001).

Изучением вопросов природы наведенной сейсмичности занимались В.В.Адушкин (1994), В.Л.Барабанов (1994), М.Г.Дубиня (1994), Г.С.Золотарев (1983), А.В.Николаев (1994), Н.И.Николаев (1977), И.В.Померанцева (1994), В.С.Пономарев (1994), А.Н.Ромашов (1994), С.И.Рыбников (1994), Л.Н.Солодилов (1994), А.А.Спивак (1994), С.Б.Турунтаев (1994) и многие другие ученые.

Что означает термин «наведенная сейсмичность»? В нашей на­учной литературе иногда под этим термином понимают два разных процесса «инициирование» и «возбуждение» (Николаев, 1994). «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. Причем это могут быть как природные, так и антропогенные (или техногенные) воздействия. К природным факторам наведенной сейсмичности относятся такие, в настоящее время еще не достаточно глубоко изучены такие факторы, как приливные деформации, связанные с фазами Луны и Солнца, изменение скорости вращения Земли, солнечная активность, инициирование землетрясений землетрясениями, погодные явления. К антропогенным или техногенным факторам наведенной сейсмичности относятся возведение и эксплуатация крупных водохранилищ, мощные промышленные и атомные взрывы, добыча полезных ископаемых и даже запуски тяжелых космических ракет. В настоящей главе речь пойдет о наведенной сейсмичности, связанной с антропогенными (техногенными) факторами. Причем в данном случае этот термин будет носить двоякий смысл, о кото­ром говорилось раньше, то есть будут рассмотрены как сейсмич­ные районы, так и асейсмичные. В первом случае наведенная сей­смичность является главным образом инициирующим фактором, а во втором случае — возбуждающим фактором (Иванов, Тржцинский, 2001).

До сих пор нет единой и законченной физической и математи­ческой теории или модели, которые бы удовлетворительно объяс­няли механизм наведенной сейсмичности. В случае строительства и заполнения крупных водохранилищ на проблему генезиса и ме­ханизма возбужденной сейсмичности имеются разные точки зре­ния. Перечислим некоторые из них:

· влияние веса воды,

· изме­нение напряжений в элементах земной коры, вызванные водной нагрузкой и скоростью изменения уровня водохранилища,

· влия­ние порово-трещинного давления, которое нейтрализует геостатическую нагрузку, уменьшает трение в горных породах, изменяет их прочность, нагрузку и т. д.

 

В случае разработки нефтяных и газовых месторождений при­чиной возбуждения тектонического землетрясения может стать:

· извлечение и закачка флюида (жидкости),

· изменение пласто­вого давления и пластовой температуры,

· прямая просадка (осе­дание) поверхности и т. д.

 

При добыче твердых полезных иско­паемых, при проходке шахт наблюдаются горные удары, то есть внезапное взрывоподобное разрушение горных выработок, сопро­вождающееся излучением сейсмических волн. Но кроме горных ударов наблюдаются сейсмические события, которые не сопро­вождаются разрушением выработок, но происходит излучение сей­смических волн. Эти события называются толчками. Например, на шахтах Североуральского бокситового рудника ежегодно, начиная с 1981 года (год установки сейсмометрической аппаратуры), реги­стрируются около тысячи сейсмических событий с энергией от 10² до 10⁹ Дж. Согласно представлениям ряда исследователей, появление наведенной сейсмичности при добыче твердых полезных ис­копаемых обусловлено техногенным внедрением в сильно энерго­насыщенные горные породы (Пономарев и др., 1994). В этом слу­чае вводится новое понятие об активной и пассивной геологичес­кой среде.

Подземные ядерные взрывы (ПЯВ), с одной стороны, могут инициировать тектонические землетрясения, являющиеся резуль­татом триггерного (эффект спускового крючка) высвобождения напряжений, накопленных геологической средой, с другой — под­земные ядерные взрывы могут вызывать обвальные землетрясения, связанные с обрушением подземных полостей, образующихся при взрыве (Николаев А.В., Аниколенко В.А. и др.).

Наконец, несколько слов следует сказать о появившихся в пос­леднее время сведениях о влиянии запусков тяжелых ракет на воз­никновение сильных землетрясений. По приближенным оценкам, справедливость которых уже подтверждена частично эксперимен­тальными данными (Рыбников, 1994), при определенных геофизи­ческих условиях техногенно спровоцированные вариации атмо­сферного давления над литосферными плитами могут послужить триггерным, спусковым фактором на их напряженно-деформиро­ванные границы и спровоцировать сейсмические толчки.

 

Наведенная сейсмичность, обусловленная гидротехническими объектами. Накопленные материалы о проявлении наведенной сейсмич­ности, связанной со строительством крупных гидроэлектростан­ций, сопровождающихся заполнением больших водохранилищ, ставят особенно остро проблему возникновения сейсмичности в связи с инженерной деятельностью человека. Особые осложнения при этом 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 водохранилищ. При этом в мировой практике извест­но несколько случаев, когда землетрясения, вызванные заполнени­ем водохранилищ, приводили к разрушению строительных объек­тов, плотин, вызывали человеческие жертвы (Иванов, Тржцинский, 2001).

Проблема возникновения землетрясений в связи с нагрузкой на геологическую среду от водных масс крупных водохранилищ в разных частях мира стала предметом озабоченности различных исследователей и вызвала значительный международный интерес. В США ей уделяют внимание такие влиятельные правительствен­ные учреждения, как Национальная океаническая служба, Геоло­гическая служба и т. д. В бывшем СССР были построены такие крупные водохранилища и гидроэлектростанции, как: Ингурская на реке Ингури в Грузии, высота плотины 271 м; Саяно-Шушенская на Енисее высотой плотины 245 м и др.

В некоторых случаях, особенно в сейсмических районах, очень трудно отличить природную сейсмичность от наведенной, что при­водит некоторых исследователей к определенному пессимизму в изучении причин наведенной сейсмичности. В настоящее время выделяют три типа сейсмической активности, связанной с водо­хранилищами, по величине выделяемой сейсмической энергии.

Первый тип — это микросейсмичность, которая регистрируется высокочувствительными сейсмическими приборами, если они были вставлены в момент строительства и заполнения водохрани­лища. В этом случае регистрируются в основном землетрясения с магнитудой М < 2. Как правило, процесс проявления такой сей­смичности коррелируется с колебаниями уровня воды в водохра­нилище.

Ко второму типу относится усиление локальной сейсмич­ности во время заполнения водохранилища с проявлением уже достаточно ощутимых землетрясений с магнитудами М = 3—5. Землетрясения такой силы до заполнения водохранилища не про­исходили.

К третьему типу относятся случаи возникновения силь­ных, разрушительных землетрясений, способных вызвать ката­строфические последствия и людские жертвы. Как правило, эти события сопровождаются длительной серией форшоков и афтершоков, связанных с заполнением водохранилища. В целом накоп­ленный к настоящему времени статистический материал говорит о том, что наведенная сейсмичность в большинстве случаев — ес­тественный процесс разрядки напряжений, и водохранилище может его усилить и ускорить или ослабит. В мягких грунтах, спокойно залегающих осадочных горных пород, не накапливаются напряжения, и это не приводит к выде­лению сейсмической энергии при заполнении водохранилищ во­дой. Подтверждением этому выводу является пример водохранили­ща Серре-Понсон во Французских Альпах. Плотина водохранили­ща располагается в зоне распространения сжимаемых грунтов, накопление напряжений в которых незначительно. После заполне­ния водохранилища здесь не произошло ни одного землетрясения. В отличие от ситуации в районе плотины Серре-Понсон водохра­нилище Койна (Индия) располагается на базальтовых лавах, кото­рые способны накапливать значительное количество скрытой уп­ругой энергии, готовой выделиться в виде землетрясений. Распрос­транение в пределах зон водохранилищ трещиноватых пород с блоковой тектоникой, разломами, с гетерогенными подстилающи­ми породами также способствует возникновению сотрясений зем­ной поверхности. Необходимое условие для проявления землетря­сений в районах водохранилищ — наличие ранее существовавших разломов. Отсутствие таковых в определенной степени объясняет асейсмичность многих эксплуатируемых в настоящее время водо­хранилищ.

Наведенная сейсмичность, обусловленная ядерными взрывами. Сейсмические явления, наведенные подземными или подводными ядерными взрывами (ПЯВ), обнаруживаются в виде толчков разной интенсивнос­ти — роя землетрясений. При этом источником роя землетрясе­ний могут служить, как тектонические процессы, связанные с под­вижкой отдельных структурных блоков геологической среды, так и процессы, сопутствующие обрушению камуфлетной плоскости так называемые коллапсы. Коллапсом во взрывной сейсмологии называется частичное обрушение пород еЬ свода подземной каме­ры, образовавшейся при камуфлетном подземном ядерном взрыве (Иванов, Тржцинский, 2001).

Наведенная сейсмичность, обусловленная добычей полезных ископаемых. Согласно В.Л.Барабанову (1994) выделяют четыре типа техногенных землетрясений (А, Б, В, и Г), вызванных разработкой полезных ископаемых.

К наведенным землетрясениям типа А относятся такие, которые возникают при добыче (откачке) жидких полезных ископаемых когда отбор флюида из пласта приводит к нарушению геостатического равновесия

Наведенные землетрясения типа Б связаны непосредственно с продуктивным пластом. Классические случаи техногенных земле­трясений - это горные удары, а также гидроразрыв пласта при увеличении порового давления в пласте, при нагнетании в пласт жидкости

Землетрясения типа В происходят в зоне, которая располагает­ся ниже залежи полезного ископаемого, как правило, между резко дифференцированными по образованию и залеганию горными по­родами. Эта Зона характеризуется повышенной концентрацией дизъюнктивных нарушений различного типа по сравнению с ниже­лежащими кристаллическими породами

Землетрясения типа Г связаны с сейсмогенными зонами, рас­положенными на глубинах 10—20 км, и их в какой-то степени можно условно отнести к типу наведенных землетрясений. Зем­летрясения, произошедшие на глубине 1-0-—20 км, относятся к на­веденным землетрясениям по факту Совпадения времени их проис­хождения с техногенным воздействием на вышележащие пласты. Большинство Исследователей считают, что техногенные воздейст­вия в данном сдучае выполняют роль «триггера» или «спускового крючка» сильного тектонического землетрясения, связанного с не­обратимыми тектоническими процессами.

Так как землетрясения по существу представляют собой про­цесс разрядки накопляющихся в течение длительного времени тек­тонических напряжений, то в принципе возможна борьба с земле­трясениями путем закачки воды под давлением в глубокие скважины или производства серии глубоких взрывов, вызываемых в сейсми­ческом очаге с таким расчетом, чтобы препятствовать чрезмерному накоплению напряжений, способных создать разрушительные земле­трясения, и своевременно разряжать сейсмическую область путем ряда слабых толчков. Уже в настоящее время человек располагает возможностью создавать такие толчки. «Мощность крупных ядерных взрывов всего в тысячу раз меньше таких крупнейших землетрясений, как Чилийское (1960 г.) и Аляскинское (1964 г.), мощность которых оценивалась в 10²⁵ эрг» (Сергеев, 1982), поскольку от искусственно вызываемых толчков требуется не выделение энергии крупнейших землетрясений, а лишь оказание триггерного действия, то уже в настоящее время можно провоцировать несильные землетрясения, имеющие целью разрядку накопившихся тектонических напряжений; надо только знать, где и когда они должны быть осуществлены. Понятно, что таким работам должны предшествовать серьезные ис­следования естественного процесса накопления и разрядки текто­нических напряжений, однако решение этой задачи - вопрос только времени (Тер-Степанян, 1985).           

 

 

---

Дата добавления: 2022-01-22; просмотров: 56; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!