книги / Опасные природные процессы. Вводный курс

Гшва II. Геологические опасные природные процессы

Землетрясения чаше случаются тогда, когда уровень солнечной активно­ сти быстро и резко меняется. Больше всего сильных вспышек на Солнце на­ блюдают, как известно, в период, когда его активность (в пределах II-лет­ него цикла) идет на убыль. И в это же время на Земле чаше возникают зе­ млетрясения.

Интересно, что 15 июля 1959 г., в день, когда на Солнце наблюдалась мощная вспышка, на Земле было отмечено наибольшее количество землетря­ сений. Случайное ли это совпадение или тут есть какая-то связь?

Все большее число ученых приходит к мысли, что связь есть. При солнеч­ ной (ее еще называют хромосферной) вспышке во много раз возрастает излу­ чение, которое, взаимодействуя с магнитосферой Земли, вызывает ее возму­ щение — магнитную бурю. Магнитные бури, бушующие над Землей, могут в свою очередь влиять на скорость ее вращения и интенсивность тел!урических токов в литосфере, что и приводит к возрастанию физических напряжений в земной коре.

Более очевидна другая связь между Солнцем и Землей, а также между Землей и Луной. Давно уже установлено, что под влиянием сил притяжения Солнца и Луны, а также центробежных сил, которые возникают при враще­ нии космических систем Земля — Луна и Земля — Солнце, по поверхности нашей планеты периодически бегут приливные волны. На поверхности мы их не замечаем, только приборы способны их поймать, на воде — у морских и океанских берегов — они хорошо видны и без приборов: вода то отступа­ ет от берега, то наступает на него. В заливе Фанди в Атлантическом океане высота приливной волны достигает 18 м!

Приливы на суше, хотя и незаметны для нас, вызывают деформацию земной поверхности, всего твердого тела Земли. Земная поверхность при пробегании по ней приливной волны может подниматься на 50 см.

Грузинские ученые, изучив свидетельства исторических документов поч­ ти за 900 лет, обнаружили, что самые сильные и разрушительные землетря­ сения в Закавказье совпадали с полнолунием.

Ленинградский астроном Н. Козырев утверждает, что связь между Зем­ лей и Луной взаимная, не односторонняя. «Между тектоническими процес­ сами на Луне и на Земле, — пишет он, — существует такая тесная связь, словно Луна не самостоятельное небесное тело, а один из материков Земли. Например, происходит землетрясение в Японии или Египте, а день спустя в одном из кратеров Луны наблюдается свечение газов. Случайность? Не ду­ маю: многолетние наблюдения показывают, что, чуть ли не каждое землетря­ сение отзывается необычными явлениями на поверхности Луны. Предполо­ жить, что эти события никак между собой не связаны, было бы совершенно неправдоподобно».

Число лунных явлений — колебаний грунта — резко возрастает как на­ кануне, так и сразу же после землетрясений. Вероятно, наше ночное свети­ ло — это что-то вроде зеркала, чутко реагирующего на любые изменения гравитационного поля Земли.

491

Разде i II. Опасные природные процессы

Без внимания ученых, изучающих причины землетрясений, не остает­ ся все то, что предшествует или сопутствует землетрясению. Так, по мне­ нию японских исследователей, подземной непогоде предшествует непогода атмосферная — интенсивные осадки и большие перепады атмосферного да­ вления. Замечено, что сильные подземные толчки сопровождаются, как правило, грозовыми электрическими разрядами, причем нередко... при яс­ ном, безоблачном небе. А перед началом землетрясения как-то необычно, даже странно светится небо. На нем либо что-то яркое вспыхивает, либо появляются столбы света, иногда светящиеся шары. Очевидцы землетрясе­ ния 1930 г. в Японии, в Идзу, утверждали, что свечение неба напоминало как бы замедленную вспышку молнии. Многие видели светящиеся шары и светящиеся полосы, как при северном сиянии.

Печально известное землетрясение 1948 г. в Ашхабаде также сопровож­ далось «световыми эффектами». «Перед сном я вышел из дому подышать све­ жим воздухом, — рассказывает очевидец, причем не просто очевидец, а ме­ теоролог по роду занятий, т.е. специалист. — Вдруг появились ослепительно яркие электрические разряды. Они образовали дугу, которая надвигалась от гор в мою сторону и ушла в землю около водонапорной башни, в 30—40 м от меня. Затем последовал порыв ветра. Он прекратился мгновенно, и сра­ зу же задрожала земля».

Сколько же землетрясений происходит в год на Земле? Подсчитано, что приборами фиксируется около 100 тыс. слабых толчков в течение года. Силь­ ных землетрясений бывает около 100 по всему земному шару (1 — катастро­ фическое, а остальные — разрушительные). Сильнейшие землетрясения силой 7,8 балла и более по Рихтеру сотрясают планету 1 раз в 10 лет. Они поражают местность в радиусе сотен километров, а ощущаются в радиусе 500—700 км.

Ежегодно в мире число жертв землетрясений составляет около 10 тыс. человек. Число жертв зависит не только от силы землетрясения, но и от плотности населения, сейсмостойкости построек, оперативности спасатель­ ных мер.

К сожалению, численность населения в сейсмоопасных районах посто­ янно растет, увеличивается также число уязвимых сооружений и опасных производств.

Большая часть земного шара сейсмически безопасна. Местности, наибо­ лее подверженные землетрясениям, называются сейсмическими областями.

В строительстве существуют специальные нормы в зависимости от балль­ ности возможных землетрясений. Объекты, построенные с соблюдением всех норм для районов с повышенной сейсмичностью, при землетрясениях стра­ дают мало.

Поражающ ие факторы землетрясений. Масштабы разрушений при круп­

ных землетрясениях огромны. В земной коре возникают крупные дизъюнк­ тивные дислокации. Так, при катастрофическом землетрясении 4 декабря 1957 г. в Монгольском Алтае возник разлом Богдо длиной около 270 км, а

492

Pasdei //. Опасные природные процессы

грядами и подгруженными озерами, грунт становится неровным с участ­ ками просадки и вспучивания, на озерах возникают сейши (стоячие волны и волны у берегов); нарушается режим приливов и отливов, активизирует­ ся вулканическая и гидротермальная деятельность.

Землетрясения — это социальное явление, так как их действию под­ вержено более 10% суши, на которой проживает половина человечества. Землетрясения являются наиболее губительными из природных катастроф — самые крупные из них уносят сотни тысяч жизней и оставляют следы раз­ рушительной деятельности на площади в несколько тысяч квадратных ки­ лометров.

Из исторических данных известно, что при землетрясении 1556 г. в Шаньси погибло 830 тыс. человек. Уже в наши дни — 28 июля 1976 г. в результате катастрофического землетрясения был разрушен г. Таньшань (в 150 км к востоку от Пекина), при этом погибло 655 тыс. человек. Земле­ трясения вызываются внезапными, быстрыми смещениями крыльев суще­ ствующих или вновь образующихся тектонических разломов; напряжения, которые при этом возникают, способны передаваться на большие рассто­ яния. Возникновение землетрясений на крупных разломах происходит при длительном смещении в противоположные стороны тектонических блоков или плит, контактирующих по разлому. При этом силы сцепления удержи­ вают крылья разлома от проскальзывания, и зона разлома испытывает посте­ пенно возрастающую сдвиговую деформацию. При достижении ею некото­ рого предела происходит «вспарывание» разлома и смещение его крыльев. Землетрясения на вновь образующихся разломах рассматриваются как ре­ зультат закономерного развития систем взаимодействующих трещин, объеди­ няющихся в зону повышенной концентрации разрывов, в которой формиру­ ется магистральный разрыв. Объем среды, где снимается часть тектонических напряжений и высвобождается некоторая доля накопленной потенциальной энергии деформации, называется очагом землетрясения. Количество энер­ гии, выделяющееся при одном землетрясении, зависит главным образом от размеров сдвинувшейся поверхности разлома. Максимально известная длина разломов, вспарывающихся при землетрясении, находится в диапа­ зоне 500—1000 км (камчатское — 1952 г., чилийское — 1960 г. и др.), кры­ лья разломов смещались при этом в стороны до Юм. Пространственная ори­ ентация разлома и направление смещения его крыльев составляют механизм очага землетрясения. Центр возникновения землетрясения, т.е. то место, где началось «вспарывание» разлома, называется его фокусом или гипоцентром. Расчеты параметров гипоцентра реальных землетрясений показывают, что в первом приближении очаг представляет собой сферу, радиус которой может измеряться десятками километров. Таким образом, обычно очаг землетрясе­ ния представляет собой не точку, а некоторый объем, размер которого для сильных землетрясений значителен.

494

Гшва II. Геологические опасные природные процессы

Примеры землетрясений с магнитудой около 7 баллов: Шаньси в 1556 г., погибло 830 тыс. человек;

Никарагуа в декабре 1972 г. 80% столицы Манагуа разрушено, 6 тыс. че­ ловек погибло, 50 тыс. человек ранено. 200 тыс. остались без крова;

лиссабонское в 1755 г. — ощущалось на юге Скандинавии; красноводское в 1895 г. в Туркмении — достигло Саратова и Пензы; землетрясение в Тань-Шэне в 1911 г. достигло Южного Урала; сотрясения в 1940, 1977 и 1990 гг. в Москве (центральной России) были

отголосками землетрясений в Карпатских горах, где на глубине 100—150 км располагался очаг, рождавший сильнейшие землетрясения. В Румынии они принесли сильные разрушения;

Армения — Спитак в 1988 г., погибло не менее 25 тыс. человек, стали без­ домными от 340 до 500 тыс. человек:

Калифорния в 1989 г. погибло 65 тыс. человек, стали бездомными 14 гыс. человек;

28 июля 1976 г. в 3 ч 42 мин произошло землетрясение с М = 7.8 вблизи г. Тань-Шзн с населением около 1 млн человек. Весь город сравнялся с зем­ лей, погибло 243 тыс. человек. Экономический ущерб составил 62 млн долл.

11.1.2

Профилактические мероприятия и ликвидация последствий

Различают две группы антисейсмических мероприятий: предупредительные, профилактические мероприятия, осуществляемые

до предполагаемого землетрясения; мероприятия, выполняемые перед землетрясением, во время и после

землетрясения, — действия в чрезвычайных ситуациях.

Мероприятия первой группы: изучается природа землетрясения, рас­ крывается его механизм, идентифицируются предвестники, разрабатыва­ ются методы прогноза и др. Это позволяет осуществить правильный выбор места расположения населенных пунктов и предприятий с учетом сейсмо­ стойкости района.

Профилактические мероприятия включают:

1)создание прогнозных региональных комиссий;

2)строительство зданий и сооружений на основе нормативных карт сейсмического районирования;

3)организацию специальных служб (спасатели, медицинская помощь, пожарные);

495

Pcudei //. Опасные природные процессы

4)создание запасов материальных ресурсов, продовольствия, медикамен­ тов, одежды, палаток, отопительных приборов, питьевой воды и др.;

5)просвещение и обучение правилам поведения в условиях сейсмо­ опасности.

Н аселение сейсмоопасны х зон долж но знать, что:

сильнейшие землетрясения силой 9 баллов и более повторяются в од­ ном и том же месте не чаще 200—400 лет;

повторение катастрофических землетрясений силой 7—8 баллов возмож­ но и через год, а минимальное расстояние между эпицентрами повторных зе­ млетрясений может составлять 10 км.

При выборе места строительства дома следует избегать: близости крутых склонов и откосов; слишком рыхлых и водонасыщенных грунтов:

пойменных и болотистых участков с глинистым основанием.

Дом должен иметь глубокий каменный или цементный фундамент и не разупрочненный гаражом 1-й этаж, необходимо использовать стягивающие пояса и металлическую арматуру. В глинобитных зданиях нужен деревянный прочно связанный каркас. Следует учесть, что опасны глинобитные потолки, черепичные крыши; дымовые трубы желательно делать железными. Тяжелая мебель должна быть закреплена. Каждый житель должен знать, где перекры­ вать газ и электрические вводы в дом.

Косвенные признаки землетрясения, которые долж ен знать каждый:

резкое изменение уровня воды в водоемах и колодцах; изменение дебита источников и скважин; изменение температуры воды и ее помутнение; появление необычных запахов;

за несколько часов до землетрясения устанавливается необычайная тишина;

нарушения в работе радио, телевизора, электромагнитных приборов, компаса;

самопроизвольное свечение люминесцентных ламп; аномальное поведение животных.

После главных толчков могут последовать другие не менее опасные. Меры защиты распределены по фазам землетрясения. Эти меры вклю­

чают от архитектурных и строительных норм до действий, связанных с предохранением плотин от повреждений, приостановкой опасных про­ изводств.

До землетрясения необходимо иметь дома батарейный радиоприемник, карманный фонарик и аптечку; знать расположение всех основных выклю­ чателей, не хранить в шкафах тяжелые предметы.

Во время землетрясения: сохранять спокойствие, оставаться на месте, сто­ ять у опорных стенок или в дверном проеме, на улице быть дальше от элек­

496

Гwea 11. Геологические опасные природные процессы

тропроводов, встать под воротами или порталом, машину остановить, не пользоваться открытым огнем, не входить в лифт и на лестницы.

После землетрясения: оказать помощь пострадавшим, проверить газ, элек­ тричество, водопровод, слушать радио, не занимать телефон, не ходить без обуви, так как много осколков, остерегаться поврежденных зданий и кирпич­ ных кладок, не приближаться к морю из-за возможного цунами, сохранять спокойствие.

Чтобы свести к минимуму возможные повреждения, строители должны учитывать все геологические факторы, определяющие устойчивость здания. Скальные породы — идеальное основание для крупных сооружений. Следует избегать строительства на слабых грунтах, крутых склонах, насыпных землях. Нежелательно также возводить здания на морских утесах, на обрывистых бе­ регах рек, вблизи глубоких котлованов и на участках с высоким уровнем грунтовых вод в рыхлых осадочных породах.

При строительстве мостов и высоких зданий необходимо обращать особое внимание на их вес, устойчивость по отношению к горизонтальным силам и на внутреннюю уравновешенность. Доказано, что железобетонные здания сравнительно устойчивы, однако деревянные, стальные и укреплен­ ные каменные дома также могут быть сейсмостойкими, если они хорошо сконструированы и добротно построены. Для этого применяются соответ­ ствующие элементы жесткости и крепления: связывающие скобы, подпор­ ки и стойки, анкерные болты. Наиболее безопасной является та конструк­ ция, которая будет гибкой и сможет двигаться как единое целое, т.е. так, чтобы отдельные ее части не ударялись друг о друга. Обеспечение сейсмо­ стойкости — обязательное требование при строительстве в сейсмоопасных районах. Необходимое увеличение стоимости строительства составляет, по инженерной оценке, менее 10%, если соответствующие проблемы решают­ ся на стадии проектирования. Для недопущения катастрофических послед­ ствий в особо сейсмоопасных районах могут быть приняты некоторые ад­ министративные меры.

Для контроля за землепользованием и использованием построек, разре­ шенных в зонах высокой сейсмичности, учитываются ограничения, налагае­ мые сейсмическим районированием. Это относится, например, к районам с неустойчивыми насыпными грунтами и к районам, где развиты оползни. Строительные нормы и правила должны определять стандарты различных зданий. Строительные и страховые компании должны учитывать разный уро­ вень риска в связи с особенностями геологической обстановки с помощью карты сейсмической опасности. Все эти меры контроля — путем райониро­ вания, совершенствования строительных норм и классификации зданий по уязвимости — необходимо применять для предотвращения человеческих жертв и катастрофических разрушений при ожидаемых подземных толчках в районах сейсмической опасности. Серьезная проблема состоит в том, как

497

Раздел II. Опасные природные процессы

11.2

Опасные геолого-геофизические следствия тектонических напряжений в земной коре

Процессы разжижения грунта часто сопровождают сильные и мелкофокусные землетрясения. Это нелинейный отклик рыхлого грунта на сильные колебательные воздействия. Горные удары напоминают локальные землетрясения в местах выемки горных пород, вызывающих пе­ рераспределение общего для данной территории распределения напряжения. При горном ударе, например, из угольного пласта толщиной I м за 10 с мо­ жет выбрасываться 10 000 т угля и 1 млн м' газа. Геопатогенные зоны непо­ средственно связаны с зонами тектонических нарушений, палеомаркерами областей прошлых землетрясений.

11.2.1

Разжижение грунта, горные удары

Давление, возникающее в жидкой и газообразной фазах грунта, при приложении к нему внешней нагрузки называется норовым. Поровое давление измеряют в теле земляных сооружений или в грунтовых основаниях сооружений при их строительстве и в начальный период эксплу­ атации, когда избыточное поровое давление не рассеялось, а прочность по­ род снижена.

Интенсивность внутренних усилий, приходящуюся на единицу сече­ ния площади, называют напряжением.

Полное напряжение состоит из двух компонент:

эффективного напряжения, действующего на скелет грунта и вызываю­ щего изменение его объема;

нейтрального напряжения, действующего на поровую воду и являюще­ гося гидростатическим.

Причины разжижения грунтов и его последствия. Если вследствие разви­

тия высокого порового давления в большей части грунтовой массы сущест­ венно уменьшается сопротивление сдвигу и под действием напряжений не­ ожиданно начинаются большие деформации, считается, что происходит разжижение грунта. Такое поведение типично для водонасыщенных песков в оползнях-потоках: грунт течет до тех пор, пока сдвиговые напряжения

500