1. 5. Вулканизм и сейсмические явления

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

Ежегодно регистрируются сотни тысяч землетрясений, но только около 100 из них можно отнести к разрушительным.

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.

Причины: извержение вулканов, обрушение пород над горными выработками, в результате искусственных взрывов и тектонические.

Тектонические землетрясения – это мгновенное высвобождение энергии за счет образования разрыва горных пород. Деформация пород происходит скачкообразно с образованием упругих волн. Объем пород определяет силу сейсмического толчка и выделившуюся энергию. Чем меньше объем очага, тем слабее толчки.

Цунами – возникновение пологих волн (L = 150 км, Н =20–40 м) в результате подводного землетрясения.

Гипоцентр – очаг зарождения землетрясения, различают (поверхностные – гипоцентр находится от 1–10 км от поверхности земли, коровые от 30 до 50 км и плутонические – более 100 км).

Эпицентр – проекция 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.

Из гипоцентра распространяются упругие колебания в виде продольных и поперечных волн.

Продольные называются Р-волны (primary – первые, т.к. они приходят первыми к поверхности земли). Продольные волны вызывают сжатие и растяжение среды в направлении их движения. Распространяются в любой среде, скорость зависит от вещества породы (в песках 0,7–1,6 км/сек, в гранитах 1,5–5,6 км/сек, в воде – 1,5 км/сек.

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

Поверхностные сейсмические волны L наблюдаются на поверхности земли, скорость их в 2 раза ниже V_s. Они затухают быстрее на расстоянии, но не менее опасны.

Оценка силы землетрясения производится при помощи сейсмографов. 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 трех направлениях нужны три сейсмографа с разными рамками. Расшифровка сейсмограмм заключается в фиксировании точного времени прихода различных волн P, S, L, R (Лява и Рэлея) 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.

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

Таблица 5

Баллы землетрясений , сейсмическое ускорение

Сейсмическое ускорение определят по формуле:

α=А·4π²/Т², (1)

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_SP, где Р – вес сооружения.

Землетрясения 1–3 балла слабые, 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 году предложил шкалу энергии землетрясений, которую пользуют сейсмические службы. Шкала балльности служит для строительных расчетов и при районировании территорий.

Сильнейшие землетрясения – Чилийское (1960) и Аляскинское (1964) имели магнитуду – 8,5-8,6. Атомная бомба имеет магнитуду М=6,5, водородная бомба – М=8,5.

В пределах СНГ наиболее сейсмически активными регионами являются Восточные Карпаты, Горный Крым, Кавказ, Копетдаг, Тянь-Шань, Памир, Алтай, р-н оз. Байкал, Камчатка, Курильские о-ва, о-в Сахалин).

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 сейсмических районах выполняются дополнительные работы, согласно СНиП 11.02–96 «Инженерные изыскания» и СП 11.105–97 «Инженерные изыскания для строительства».

Территории с силой землетрясений меньше 7 баллов – проектируют без учета сейсмичности, с расчетной сейсмичностью 7,8,9 баллов – проектирование по СНиП 11.7–81.

Корректировка баллов по сейсмическим картам.

Исходный балл увеличивается на 1 – для участков, сложенными дисперсными (рыхлыми) грунтами, при высоком уроне залегания грунтовых вод (3–4 м).

Балл не изменяют – для участков сложенных твердыми и полутвердыми пластичными и обломочными грунтами, при УГВ более 8 м.

Исходный балл уменьшаем на 1 для участков сложенных скальными и полускальными породами при глубине залегания УГВ более 15 м.

Вулканизм

Вулканы образуются, когда магма, сформированная во внутренней части Земли (астеносфере) выливается на поверхность. Магма формируется в результате частичного плавления горных пород либо в нижней части мантии, либо в нижней части земной коры. Плотность магмы меньше, чем плотность горных пород, поэтому сформировавшаяся магма поднимается на поверхность.

Магма – расплавленная горная порода, содержащая или не содержащая какое-либо количество кристаллов, находящихся на глубине.

Лава – излившаяся на поверхность магма.

Вязкость – мера сопротивления течению, зависит:

– химический состав расплава (кислый – высокое содержание SO₂, ультраосновные – низкая вязкость);

– температура, чем меньше Тº, тем больше вязкость;

– содержание газов, большое количество газов – низкая вязкость.

Низкой вязкостью обладает магма базальтового (основного) состава, скорость течения более 30 км/час, до 50 км/час.

Высокой вязкостью обладает магма кислого состава (комковатая лава) – взрывные извержения, эксплозивный вулканизм (Св. Елена в 1980 г).

Продукты извержения – расплав и твердый материал.

Расплав: магма кристаллизуется на поверхности → риолит или базальт

магма кристаллизуется под водой → обсидиан.

Твердые: пирокластический материал, тонкий пепел в результате консолидации → вулканический туф, крупный материал → вулканические брекчии.

Типы вулканизма.

1. Вулканические островные дуги (Япония). Сближаются две океанических плиты (магма базальтового состава).

2. Океаническая кора и литосферная плита (плита Наска и Южно-Американская плита) – субдукция океанической под континентальную, плавление нижней континентальной плиты – кислый состав магмы.

3. Граница между двумя дивергентными (удаляющимися плитами) – СОХ. Магма основного состава.

4. Континентальные рифты – граница между Африканской и Сомалийской плитой (Восточно-Африканский рифт). Вулканизм базальтового состава.

5. Вулканизм горячих точек – представляет плюмы (или струи) горячего твердого вещества, поднимающегося из глубины мантии, базальтовый состав (Архипелаги Гавайские острова).

Вулканы центрального типа – трубкообразный подводящий канал, по которому магма поднимается из мантии.

3 типа центральных вулканов:

– стратовулканы – перемежение пирокластического и лавового материала (Фудзияма, Св. Елены, верхние 400 м разрушены за счет взрывного эксплозивного извержения);

– щитовые – Мауна Лоа, Гавайи диаметр 120 км;

– вулканические (шлаковые конусы – только пирокластический материал, диаметр менее 4 км.

Трещинные извержения – цепь вулканов образует плато базальтов площадью до 100 тыс. км² (Деккан, Индия).

СОХ – срединно-океанический хребет, цепь подводных вулканов.