Геологические опасные явления



Природные виды опасностей; физический аспект

 

Природная чрезвычайная ситуация (ЧС) – это обстановка на определённой территории или акватории, сложившаяся в результате возникновения источника природной ЧС, которая может повлечь или повлекла за собой человеческие жертвы, ущерб здоровью людей или окружающей природной среде, значительные материальные потери и нарушение условий жизнедеятельности людей.

Источник природной ЧС (стихийное бедствие) – это опасное явление или процесс геофизического, геологического, гидрологического, атмосферного и другого природного происхождения.

По источникам природных ЧС классифицируются на:

– геологические опасные явления (землетрясение, оползни и др.)

– метеорологические и агрометеорологические опасные явления (ураганы, бури, смерчи, молнии, снежные заносы, гололед и др.)

– гидрологические опасные явления(цунами, наводнения и др.)

– космические опасные явления(падение астероидов, столкновение с кометами).

 

Таблица 3.1. Виды природных ЧС

 

Опасные природные явления – это природные явления с уровнями воздействий, оказывающими негативное влияние на жизнедеятельность людей и состояние объектов техносферы. Природное явление – это результат протекания природных процессов.

Опасные природные явления можно классифицировать по многим признакам: происхождению, виду, продолжительности и регулярности (по времени и месту) действия, механизму негативного влияния на территориальные комплексы населения и хозяйства и др.

Опасные природные явления геологического характера – это бедствия, вызванные состоянием литосферы планеты. К ним, прежде всего, относятся геофизические процессы – землетрясения и извержение вулканов. Бедствия геологического характера – это оползни и сели.

Опасные природные явления – это природные явления с уровнями воздействий, оказывающими негативное влияние на жизнедеятельность людей и состояние объектов техносферы. Природное явление – это результат протекания природных процессов.

Опасные природные явления можно классифицировать по многим признакам: происхождению, виду, продолжительности и регулярности (по времени и месту) действия, механизму негативного влияния на территориальные комплексы населения и хозяйства и др.

Геофизические опасные явления вызываются эндогенными геологическими процессами (магматизмом, тектоникой, метаморфизмом), вызванными энергией земных недр, т.е. их внутренней динамикой. К геофизическим опасным явлениям относятся землетрясения и извержения вулканов.

 

Землетрясения

 

Землетрясение – это подземные толчки, вызванные тектоническими процессами, происходящими внутри земли, это колебания земной поверхности, которые возникают в результате внезапных разрывов и смещений участков земной коры. Колебания от них в виде упругих – сейсмических волн передаются на огромные расстояния, а вблизи от очагов землетрясений они становятся причиной разрушения зданий и гибели людей. Землетрясения происходят в любой точке земного шара, в любое время года, определить, где и когда, и какой силы будет землетрясение фактически невозможно.

Землетрясение – это природное явление, обладающее разрушительной силой, это непредсказуемое стихийное бедствие, происходящее внезапно и неожиданно. Они не только разрушают наши дома и изменяют природный ландшафт, но и сносят с лица Земли города и уничтожают целые цивилизации, они приносят людям страх, горе и смерть.

Землетрясения происходят в любой точке земного шара, в любое время года, определить, где и когда, и какой силы будет землетрясение фактически невозможно

Землетрясения и связанные с ними явления изучает специальная наука – сейсмология.

Теория тектоники плит. Одним из крупных достижений современной науки, позволивших понять магматические процессы и землетрясения, является создание теории тектоники плит. Она стала основой для понимания целого ряда геофизических и геологических явлений – от магнитного поля планеты до дрейфа континентов.

На поверхности и внутри Земли происходит непрерывная трансформация огромных масс материи. Оказалось, что Земля полна движений, от медленных вековых смещений огромных масс суши и морского дна – так называемых брандисейсмических, и происходящих при землетрясениях, быстрых – сейсмических. Они воздействуют на земную кору, и вызывают непрерывные вертикальные и горизонтальные смещения отдельных ее участков и блоков. Эти внутренние процессы, связанные со столкновениями и расхождениями литосферных плит получило называние тектонических процессов (рис. 3.1). В результате столкновений земная кора сминается в складки, которые на поверхности планеты выглядят как горы. В зонах расхождения (разломах) образуются моря или озера.

Рис. 3.1. Тектонические процессы

Благодаря тектоническому процессу в недрах Земли непрерывно накапливаются механические напряжения. В момент превышения ими прочности горных пород происходят быстрые тектонические подвижки вещества, вызывающие на поверхности земли землетрясения. Они наиболее контрастны по границам тектонических плит. Происходящий здесь процесс накопления и сброса напряжений обуславливают их сейсмическую активность.

 

 

Отсюда стала ясна закономерность: землетрясения группируются в определенных зонах, т.н. сейсмических поясах, соответствующих границам крупных тектонических плит.

Точку, в которой начинается подвижка в земных недрах, принято называть фокусом или гипоцентром землетрясения. Её проекция на земную поверхность называется эпицентром, а кратчайшее расстояние между гипоцентром и дневной поверхностью принимается за глубину положения очага землетрясения. Она характеризуется максимальными разрушениями, причем многие предметы здесь смещаются вертикально (подпрыгивают) и трещины в домах располагаются вертикально. Область над очагом называется плейстосейстовой областью.Её размеры определяются глубиной положения очага и энергией землетрясения (рис. 3.1).

В глубинах Земли постоянно накапливаются упругие напряжения, и в тот момент, когда они достигают предела прочности горных пород, в последних возникает разрыв, потенциальная энергия переходит в кинетическую, напряжение снимается, а энергия в форме упругих волн распространяется во все стороны от разрыва (очага землетрясения), достигает поверхности Земли и там ощущается в форме подземного толчка или колебаний почвы.

Вблизи от места подвижки – очага землетрясения сейсмическое воздействие наиболее велико и земная поверхность деформируется. Если на ней расположены непрочные сооружения они могут быть повреждены или разрушены.

Чаще всего очаги землетрясений сосредоточены в земной коре на глубине 10–30 км. Как правило, главному подземному сейсмическому удару предшествуют локальные толчки – форшоки. Сейсмические толчки, возникающие после главного удара, называются афтершоками. Происходящие в течение значительного времени афтершоки способствуют разрядке напряжений в очаге и возникновению новых разрывов в толще горных пород, окружающих очаг.

Характеристики землетрясения. Энергия. Каждое землетрясение сопровождается освобождением упругой энергии за счет образования разрыва горных пород. И важно определить ее величину. Энергия землетрясения колеблется от 103 до 1018 Дж.

Энергетический класс землетрясения. К = lgE (Е в джоулях). Изменяется от 0 до 18.

Магнитуда M = lg A/A*,

где А – смещение частиц почвы при данном землетрясении;

А* – смещение частиц почвы при эталонном землетрясении.

Магнитуда изменяется от 0 до 8,8.

Основное различие между сильным и слабым землетрясением заключается не в величине напряжения (она постоянна и равна примерно 103 эрг/см3), а в объеме очага.

Интенсивность (I) землетрясения – внешний эффект его, т.е. проявление на поверхности Земли. Измеряется в баллах. В России (как и раньше в СССР) принята 12-балльная шкала интенсивности.

Развитие Интернет позволило оперативно сообщать о происходящих на планете землетрясениях. На специальных веб-сайтах благодаря машинной обработке очень быстро появляются сведения о каждом сильном землетрясении, где бы оно не произошло на планете. Подобные службы имеются в Европе, США, России и других странах.

Методы сейсмологии оказались востребованы после запрета испытаний ядерного оружия в воздухе и на земле. Подрывы ядерных зарядов начали проводить под землей, а поскольку от них сейсмические волны распространяются также так же как от землетрясений, поэтому по их записям можно точно определить место, время и мощность испытанного ядерного оружия. Основная проблема заключается в том, как отличить ядерные взрывы от землетрясений, происходящих на планете почти непрерывно. Тем более что для сокрытия мощности и особенностей ядерного заряда испытания проводятся там, где часто возникают обычные землетрясения.

Таким образом, любое землетрясение – это мгновенное высвобождение энергии за счет образования разрыва горных пород, возникающего в некотором объеме, называемом очагом землетрясения, границы которого не могут быть определены достаточно строго и зависят от структуры и напряженно-деформированного состояния горных пород в данном конкретном месте.

Деформация горных пород, происходящая скачкообразно, излучает упругие волны. Объем деформируемых пород играет важную роль, определяя силу сейсмического толчка и выделившуюся энергию.

Большие пространства земной коры или верхней мантии Земли, в которых происходят разрывы и возникают неупругие тектонические деформации, порождают сильные землетрясения: чем меньше объем очага, тем слабее сейсмические толчки.

 

Сейсмические волны

 

Скольжению пород вдоль разлома вначале препятствует трение. Вследствие этого, энергия, вызывающая движение, накапливается в форме упругих напряжений пород. Когда напряжение достигает критической точки, превышающей силу трения, происходит резкий разрыв пород с их взаимным смещением. Накопленная энергия, освобождаясь, вызывает волновые колебания поверхности земли – землетрясения. Землетрясения могут возникать также при смятии пород в складки, когда величина упругого напряжения превосходит предел прочности пород, и они раскалываются, образуя разлом.

Сейсмические волны, порождаемые землетрясениями, распространяются во все стороны от очага подобно звуковым волнам. Ударные волны распространяются во все стороны от очага, по мере удаления от него их интенсивность уменьшается. Скорости сейсмических волн могут достигать 8 км/с.

Типы сейсмических волн.Сейсмические волны делятся на три типа.Волны сжатия или продольные сейсмические волны (первичные P-волны). Продольные волны (Р-волны) или волны сжатия или разрежения среды заставляют частицы среды колебаться подобно спиральной пружине. Они вызывают колебания вдоль направления распространения волны путем чередования участков сжатия и разрежения, Поэтому они называются продольными. Благодаря этому свойству P-волны способны распространятся почти в любых средах: твердых, жидких и газообразных (рис. 3.2а и 3.3).

 

Рис. 3.2а. Продольные P-волны Рис. 3.2б. Поперечные S-волны

 

Из-за того, что Р-волны вблизи от очага землетрясения имеют большую скорость, чем S-волны, они регистрируются первыми, отсюда их наименование первые – Primary (P).

Волны сдвига или поперечные сейсмические волны (вторичные, S–волны).Поперечные S-волны результат реакции среды на изменение формы, следовательно, они не могут распространяться в жидких и газообразных средах. Частицы вещества в них колеблются направлении, поперечном к направлению движения волн. Они распространяются с меньшей скоростью и приходят следом за P-волнами. Соответственно их назвали вторичными волнами – Secondary (S). Чем дальше от очага землетрясения расположена сейсмическая станция, тем больший интервал времени между моментами вступления на сейсмограмме P и S волн. Это свойство используется для определения дистанции от станции до очага землетрясения.

Теоретически существование в твердых телах объёмных Р и S волн предсказано в 1829 году Пуассоном, но до 1900 года сейсмологам не удавалось их однозначно распознавать на сейсмограммах.

Часть энергии Р-волн, выходя из недр Земли на ее поверхность, передается в атмосферу в виде звуковых волн, которые воспринимаются людьми при частоте более 15 Гц. Р-волны являются самыми быстрыми из объемных волн. Скорость распространения Р-волн составляет 3 – 8 км/с, что в 1,7 раза больше скорости волн сдвига (2–5 км/с), поэтому их первыми регистрируют сейсмические станции. Скорость P-волны равна скорости звука в соответствующей горной породе. При частотах P-волн, больших 15 Гц, эти волны могут быть восприняты на слух как подземный гул и грохот.

 

Рис. 3.3. Типы сейсмических волн

 

Волны сдвига или поперечные сейсмические волны (вторичные, S–волны) заставляют частицы пород колебаться перпендикулярно направлению распространения волны (рис. 3.2б и 3.3). Волнам сдвига подвержены тектонические плиты, которые просто плавают на жидком слое мантии нашей планеты. Плавая, плиты периодически растягивают верхний слой Земли. В местах наиболее сильного натяжения между плитами накапливается огромное количество энергии, которая вызывает колебания земных пород и они разрываются.

Поперечные волны при своем распространении сдвигают частицы вещества под прямым углом к направлению своего пути. Они не распространяются в жидкой среде, так как модуль сдвига в жидкости равен нулю. Скорость поперечных волн меньше продольных. Эти сейсмические волны раскачивают и смещают поверхность грунта как по вертикали, так и по горизонтали.

Помимо P и S волн к основным относятся поверхностные волны Рэлея и Лява (R и L). Они названы по именам ученых разработавших математическую теорию их распространения. Распространение поверхностных сейсмических волн ограничено зоной, близкой к поверхности Земли. Они подобно ряби, расходящейся по глади озера.

Длинные или поверхностные упругие волны (L-волны) заставляют частицы грунта колебаться из стороны в сторону в горизонтальной плоскости, параллельной земной поверхности под прямым углом к направлению своего распространения. Волны Лява (L) распространяются вдоль земной поверхности или параллельно ей (рис. 3.4). Они вызывают самые сильные разрушения. Скорость их распространения до 1,4 км/с.

Волны Рэлея (R) возникают на границе раздела двух сред и воздействуют на частицы среды, заставляя их двигаться по вертикали и горизонтали в вертикальной плоскости, ориентированной по направлению распространения волн (рис. 3.4). Скорость волн Рэлея меньше, чем волн Лява, и обе они распространяются медленнее, чем продольные и поперечные сейсмические волны и довольно быстро затухают с глубиной, а также с удалением от эпицентра землетрясения.

Эти поверхностные волны относят к поверхностным акустическим упругим (ПАВ) волнам, распространяющимся вдоль поверхности твёрдого тела или вдоль границы с другими средами. ПАВ подразделяются на два типа: с вертикальной поляризацией – волны Релея (рис. 3.4 внизу) и с горизонтальной поляризацией – волны Лява (рис. 3.4 вверху).

Волны Рэлея, теоретически открытые Рэлеем в 1885 году, могут существовать в твердом теле вблизи его свободной поверхности, граничащей с вакуумом. Фазовая скорость таких волн направлена параллельно поверхности, а колеблющиеся вблизи неё частицы среды имеют как поперечную, перпендикулярную поверхности, так и продольную составляющие вектора смещения. При прохождении волн Рэлея частицы среды описывают вертикальные эллипсы вдоль направления, что указывает на то, что поверхностные волны являются результатом сложения продольного и поперечного движения частиц среды.

В поверхностных волнах Лява частицы среды колеблются перпендикулярно направлению своего распространения. Эти типы волн распространяются по земной поверхности подобно волнам в водоемах со скоростью 3,2 – 4,4 км/с.

Рассмотрим причины землетрясений. Существуют две основные причины землетрясений.Одной из них являются процессы поверхностного характера, которые вызывают незначительные землетрясения. Эти процессы заключаются в том, что плиты, дрейфующие вдоль таких великих разломов, как, например, разлом Сан-Андреас в Калифорнии или Альпийский разлом в Новой Зеландии, действуют подобно ножницам, круша края друг друга.

 

Рис. 3.4. Волны Лява (вверху) и волны Рэлея ( внизу)

 

 Вторая причина отражает более глубокие процессы, происходящие в зонах вдоль краёв смещающихся плит, где рёбра этих масс земной коры погружаются в земную мантию и на глубине около 500 километров повторно всасываются, поглощаются. По этой причине происходят уже более крупные землетрясения.

Почему столь многочисленны жертвы землетрясений? Несмотря на достижения современной науки и развитие технологий, никто до сих пор не может предсказать точное время, когда стихия нанесёт удар, поэтому часто становится невозможной быстрая и своевременная эвакуация людей.

Механизм землетрясений – весьма сложный процесс, к пониманию которого сейсмологи только приближаются. Очаг сильного землетрясения представляет собой некоторое внезапное смещение в определенном объеме пород по относительно обширной плоскости разрыва, поэтому механизм землетрясения представляет собой кинематику движения в очаге. Существуют несколько наиболее распространенных моделей механизма очага землетрясений. На рис. 3.5 представлен механизм образования землетрясений:

– трение препятствует скольжению пород вдоль разлома;

– накапливается энергия противодействия:

– напряжение достигает критической точки, превышающей силу трения;

– накопленная энергия вызывает волновые колебания поверхности земли;

– происходит резкий разрыв пород.

 

Рис. 3.5.Механизм образования землетрясений

 

Последствиями землетрясений могут быть (рис. 3.6):

 

– сотрясения,

– разрушение зданий и сооружений;

Рис. 3.7. Последствия землетрясений

– разрушение потенциально опасных объектов, нефте- и газопров– одов;

– образование завалов, разрушение систем жизнеобеспечения и разломы земной коры;

– оползни

– разжижение грунтов, оседание грунтов;

– разрушение плотин;

– возникновение цунами (рис. 3.7).

Рассмотрим пример. Если землетрясение происходит в океане, над его эпицентром при внезапном вертикальном смещении дна во всей массе воды возникают своеобразные подводные волны, двигающиеся со скоростью до 800 км/ч во все стороны от эпицентра.

Рис. 3.7. Возникновения цунами после землетрясения

В открытом океане эти длинные волны практически неощутимы, но с приближением к пологому берегу, в заливах, бухтах высота волн многократно увеличивается, образуется крутая водяная стена высотой до 10-15 м, а нередко и более, с колоссальной силой и грохотом обрушивающаяся на берег, сметая все на своем пути.

Области проявления землетрясений в основном совпадают с областями вулканизма. Замечено, что в одних случаях землетрясения как бы оживляли вулканическую деятельность, а в других – извержения вулканов прекращались после землетрясения. Например, после Лиссабонского землетрясения перестал действовать Везувий. Все это свидетельствует об их связи, общности процессов движения вещества в подкоровом слое.

На Земле в год происходит примерно одно катастрофическое землетрясение, около 100 разрушительных и около 1 млн. ощутимых в населенной местности. Можно ли предвидеть землетрясение?

Существуют сейсмические предвестники землетрясений, которые включают

– рассмотрение группирования роев землетрясений;

– уменьшение землетрясений вблизи эпицентра будущего сильного землетрясения;

– миграции очагов землетрясений вдоль крупного сейсмоактивного разрыва;

– асейсмические скольжения по плоскости разрыва на глубине, возникающие перед будущим внезапным сдвигом;

– ускорение вязкого течения в очаговой области; образование трещин и подвижек по ним в области концентрации напряжений;

– неоднородность строения земной коры в зоне сейсмичных разрывов.

Особый интерес в качестве предвестников представляют форшоки, предваряющие, как правило, основной сейсмический удар. Однако главная непреодоленная сложность заключается в трудности распознавания настоящих форшоков на фоне рутинных сейсмических событий.

В качестве геофизических предвестников используют точные измерения деформаций и наклонов земной поверхности с помощью специальных приборов – деформаторов.

Предвестниками землетрясения являются:

- искрение проводов линий электропередачи;

- резкое изменение поведения животных (беспокойство);

- вспышки в виде рассеянного света, голубоватое свечение внутренней поверхности домов;

- ощущение запаха газа в тех районах, где его раньше не было;

- резкое изменение атмосферного давления.

Безусловно, не стоит пренебрегать биологическими предвестниками, т.к. животные более чувствительны к изменяющимся параметрам, к постоянству которых они привыкли. Подтверждением сказанного, являются рыбы, которые весьма чувствительны к изменению электрического поля. Например, кефаль сбивается в стаи головами в сторону эпицентра. Из многих сообщений дайверов известно, что кефаль, в случае опасности, собирается в плотную стаю.

Выводы. В давние времена землетрясения считали наказанием, которое посылают людям разгневанные боги. Теперь мы знаем, как и где происходят землетрясения, знаем все параметры этого стихийного бедствия, умеем защищаться от него и уменьшить катастрофические последствия, хотя бы частично. На земном шаре очерчены области и зоны, в которых может случиться землетрясение той или иной силы. Тысячи сейсмографов, деформометров, акселерографов круглосуточно вслушиваются в пульс Земли.

Но так же, как и тысячи лет назад, мы не в состоянии предвидеть, где, какой силы и, главное, когда произойдет очередной удар подземной стихии. В настоящее время степень предсказуемости долго- и среднесрочного прогноза имеет вероятность 0,7–0,8. Хуже обстоит дело с краткосрочными прогнозами, для которых пока не установлены значимые связи с предвестниками. Любой прогноз землетрясений носит вероятностный характер, и главная цель сейсмологии еще не достигнута.

 

Новые понятия и термины

Землетрясение, механизм землетрясений, сейсмология, теория тектоники плит, волны Релея, волны Лява, предвестники землетрясения

Новые идеи

– любое землетрясение – это мгновенное высвобождение энергии за счет образования разрыва горных пород, возникающего в некотором объеме, называемом очагом землетрясения, границы которого не могут быть определены достаточно строго и зависят от структуры и напряженно-деформированного состояния горных пород в данном конкретном месте;

– деформация горных пород, происходящая скачкообразно, излучает упругие волны. Объем деформируемых пород играет важную роль, определяя силу сейсмического толчка и выделившуюся энергию;

– большие пространства земной коры или верхней мантии Земли, в которых происходят разрывы и возникают неупругие тектонические деформации, порождают сильные землетрясения: чем меньше объем очага, тем слабее сейсмические толчки.

Новые имена

Симеон Дени Пуассон (21 июня 1781 – 25 апреля 1840) – выдающийся  французский ученый, которого по праву считают одним из создателей современной математической физики. Его имя часто встречается в учебниках по математическому анализу и электромагнетизму, теории вероятностей и акустики, квантовой механики и теории упругости.

 

Рэлей Рейли (Rayleigh) Джон Уильям (12.11.1842 – 30.6.1919) – английский физик, один из основоположников теории колебаний. Член Лондонского королевского общества (1873), директор Кавендишской лаборатории. С 1887 профессор Британского королевского института (Лондон). Диапазон научных интересов Р. очень широк: акустика, теория колебаний, оптика, электричество и другие области физики. Р. исследовал акустические колебания (колебания струн, стержней, пластинок и др.). В 1873 он сформулировал ряд фундаментальных теорем линейной теории колебаний,

Литература

1. Юнга С.Л. Методы и результаты изучения сейсмотектонических деформаций. М.: Наука, 1990. 191 с.

2. Мячкин В.И. Процессы подготовки землетрясения. М.: Наука, 1978. 232 с.

3. Болт Б.А. Землетрясения. М.: Мир, 1981. 256 с.

4. Землетрясения в СССР. М.: Наука, 1990. 323 с.

5. Соболев Г.А. Основы прогноза землетрясений. М.: Наука, 1993. 312 с.

6. Моги К. Предсказание землетрясений. М.: Мир, 1988. 382 с.

7. Землетрясения: причины, последствия и возможность прогнозирования. http://earth-chronicles.ru/news/2012-02-26-17881.

8. Земные катастрофы. Землетрясения. http://katastrofa.h12.ru/earthquakes.htm.

 


 


Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 4281; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!