Тема 15

Геологічні процеси, пов’язані з внутрішньою енергією землі.

Моніторинг небезпечних геологічних процесів.

 

15.1. Сейсмічні процеси

Сейсмічні (від грецьк. „сейсмос” – коливання) процеси виникають у результаті розрядки внутрішніх напружень Землі. Вони відносяться до категорії найнебезпечніших геологічних процесів. На поверхні земної кори сейсмічні процеси проявляються у вигляді землетрусів (на суші) і моретрясінь (на дні океанів).

Землетруси – раптові підземні поштовхи й швидкі пружні коливання земної поверхні. За походженням розрізняють землетруси вулканічні, пов'язані з виверженням вулканів, денудаційні (обвальні й провальні), техногенні, що виникають у результаті підземних вибухів і інших видів діяльності людини. Однак найпоширенішими і руйнівними є тектонічні (95% всіх землетрусів у світі), пов'язані із внутрішньою енергією Землі.

Всі самі руйнівні землетруси у світі, число жертв яких у сукупності склало багато мільйонів чоловік, мають тектонічну природу. Такі землетруси в Китаї (1556 р. – Шаньсі, число жертв 830 тис. чол., 1976 р. – Тянь-Шань – 255 тис.), у Японії (1923 р. – Кванто, 143 тис.), у Португалії (1755 р. – Лісабон, 70 тис.) та ін.

Землетруси винятково небезпечні не тільки безпосередньою дією, але й негативними наслідками у вигляді зсувів, обвалів, снігових лавин, селів, цунамі й інших несприятливих процесів. Так, наприклад, у Таджикистані під час Хаітського землетрусу в липні 1949 р. у результаті виниклих зсувів, обвалів і селів загинуло й поранено більше 25 тис. чоловік.

Найбільша сейсмічна катастрофа відбулася у високогірній частині Тибету 15 серпня 1950 р. Учені підрахували, що енергія цього землетрусу була еквівалентна енергії вибуху 100 тис. атомних бомб. Деякі очевидці, що залишилися в живих, свідчили про величезні зміни в рельєфі, про оглушливий гуркіт, що супроводжував підземні поштовхи, про небо, що померкло від піднятого пилу.

Землетруси стирають із поверхні Землі цілі поселення, руйнують мости й дороги, викликають пожежі й повені при прориві гребель і приводять до інших згубних наслідків.

У середньому у світі щорічно відбувається 1 катастрофічний, 10 сильно руйнівних і 100 руйнівних землетрусів.

Поширення землетрусів. Місця прояву землетрусів збігаються із границями літосферних плит, районами вулканічної діяльності й горотворення. Виділяють два головних сейсмічних пояси – Середземноморсько-Гімалайський і Тихоокеанський (рис. 15.1).

Рис. 15.1. Географічний розподіл землетрусів: – епіцентри землетрусів; – епіцентри сейсмічних катастроф

 

Середземноморсько-Гімалайський пояс простягається через південь Євразії від берегів Португалії на заході до Малайського архіпелагу на сході (Піренеї, Альпи, Карпати, Крим, Кавказ, Копетдаг, Гімалаї, гірські ланцюги Бірми, острови Індонезії). До цього поясу приурочено 15% всіх землетрусів у світі.

Тихоокеанський „вогненний” пояс величезним кільцем охоплює береги Тихого океану. У його склад входять сейсмічні зони Аляски, Камчатки, Курильських островів, Японії, Філіппін, Кордильєр, Анд, узбереж Центральної й Північної Америки, Алеутські й Гавайські острови. Із цим поясом пов'язано близько 80% всіх найбільших землетрусів у світі.

За межами зазначених поясів залишаються деякі інші досить небезпечні сейсмічні зони: Тянь-Шань, гірські системи Монголії й Китаю, Прибайкалля в Росії, область великих озер в Африці.

На іншій частині поверхні суші (платформи й інші малорухомі ділянки земної кори), а також на великих просторах дна океанів (за винятком серединно-океанічних і глибоководних жолобів Тихого океану) землетруси рідкі й не досягають великої сили.

В рельєфі найнебезпечніші сейсмічні райони приурочені до молодих складчастих гірських споруд (рухливих геосинклінальних зон), для яких характери активні тектонічні рухи.

Механізм виникнення тектонічних землетрусів. Відповідно до сучасних уявлень землетруси тектонічного типу є наслідком блокових та глибових рухів гігантських літосферних плит. Тому не випадково 95% епіцентрів землетрусів зосереджені уздовж границь плит.

У зонах взаємодії літосферних плит відбувається їхнє гальмування, накопичення величезних механічних напруг, а потім раптове вивільнення енергії, що дозволяє плитам відновити рух. Виникаючі при цьому розриви й зсуви порід супроводжуються підземними поштовхами й утворенням сейсмічних хвиль.

Багато вчених вважають, що інтенсивність вивільнення енергії залежить від тривалості припинення руху плит, звідси, приводиться часто афоризм: „Чим триваліше очікування, тим сильніший удар”.

Будова сейсмічного вогнища. Область виникнення підземного удару в товщі земної кори й верхньої мантії, де раптово вивільняється потенційна енергія, називається сейсмічним вогнищем. У центрі вогнища розташований гіпоцентр (фокус) землетрусу. Проекція гіпоцентру на земну поверхню називається епіцентром. Сила удару в епіцентрі землетрусу максимальна, тому що відстань від поверхні землі до вогнища тут найменша. Лінії однакової інтенсивності землетрусу називають ізосейтами.

Повторні сейсмічні поштовхи (афтершоки), які випливають після кожного сильного землетрусу, свідчать про тривалий процес вивільнення енергії. Згодом їх кількість і сила зменшуються. У деяких випадках райони залишаються сейсмічно активними протягом десятків років.

За глибиною залягання гіпоцентру (фокуса) розрізняють землетруси: 1) мілкофокусні – 0–60 км; 2) середньофокусні – 60- 150 км і 3) глибокофокусні – 150-700 км. Основна частина гіпоцентрів землетрусів приурочена до верхньої частини земної кори й залягає на глибинах порядку 20-30 км.

Від вогнища землетрусів в усі сторони розходяться пружні сейсмічні хвилі, які, досягаючи поверхні землі, проводять на ній руйнівну роботу. Їх поділяють на поздовжні, які викликають стиск і розтягання порід у напрямку їхнього руху, і поперечні, що викликають у твердих породах деформації зрушення. Руйнівну дію на споруди викликають і поверхневі хвилі, які розходяться в усі сторони від епіцентру.

Оцінка сили й інтенсивності землетрусів. Наука, що всебічно вивчає землетруси, називається сейсмологією. Основний об’єм спостережень виконується на сейсмічних станціях, оснащених досить чутливими приладами для запису коливань ґрунту – сейсмографами. Основним документом, що характеризує землетрус, є сейсмограма. За її допомогою визначають відстань до епіцентру землетрусу, глибину гіпоцентру, енергію у вогнищі й інші параметри.

Для кількісної оцінки сили землетрусу в його вогнищі широко використовується шкала магнітуд (М) за Ріхтером. Магнітуда землетрусів (М) визначається за амплітудою сейсмічних хвиль (А) записаних на сейсмограмі в мікрометрах на відстані 100 км від епіцентру, і являє собою десятковий логарифм максимальної амплітуди, тобто . При інших відстанях від епіцентру до сейсмостанції вводиться поправка.

Найбільш потужні із зареєстрованих землетрусів мали магнітуду 8,9-9,0. Так, землетрус у Сан-Рікю (Японія) в 1933 р. з М8,9 вивільнив енергію, еквівалентну 125 млн т тротилу. Атомна бомба, скинута на Хіросіму, була еквівалентна 20 тис т тротилу (А. Д. Говард, І. Ремсон, 1982).

Починаючи з М5,5 землетруси виявляються руйнівними, у межах М7 – досить руйнівними, а при М8 і більше – катастрофічними.

Якщо магнітуда характеризує силу землетрусу в його вогнищі, то на поверхні землі інтенсивність землетрусу оцінюється в балах. Бальність визначається реакцією людей, змінами в рельєфі, пошкодженнями споруд і ін. (табл. 15.1).

Прогноз землетрусів містить у собі передбачення місця, сили й часу його прояву. Для прогнозу місця й сили землетрусу використовуються карти загального сейсмічного районування і мікрорайонування. Передбачення моменту початку землетрусу перебуває в стадії розробки, хоча помітні успіхи в цьому напрямку вже є.

Таблиця 15.1

Сейсмічна шкала (схематизована)

Бал

Назва землетрусу

Коротка характеристика

1

Непомітний

Відмічається тільки сейсмічними приладами

2

Дуже слабкий

Відчувається окремими людьми, що перебувають у стані повного спокою

3

Слабкий

Відчувається лише незначною частиною населення

4

Помірний

Розпізнається за легким деренчанням та коливанням предметів, посуду й шибок, скрипу дверей та стін

5

Досить сильний

Загальний потрясіння будинків, коливання меблів. Тріщини у віконних шибках та штукатурці. Пробуджень тих, хто спить

6

Сильний

Відчувається всіма. Картини падають зі стін. Відколюються шматки штукатурки, легкі ушкодження будинків

7

Дуже сильний

Тріщини в стінах кам'яних будинків. Антисейсмічні, а також дерев'яні будівлі залишаються непошкодженими. Старі будівлі руйнуються.

8

Руйнівний

Тріщини на крутих схилах і на сирому ґрунті. Пам'ятники зрушуються з місця або перекидаються. Будинки сильно пошкоджуються

9

Спустошливий

Сильне ушкодження та руйнування кам'яних будинків.

10

Нищівний

Великі тріщини в землі. Зсуви й обвали. Руйнування кам'яних будівель. Викривлення залізничних рейок. Водопровідні й каналізаційні труби розриваються.

11

Катастрофа

Широкі тріщини в землі. Численні зсуви й обвали. Кам'яні будинки зовсім руйнуються. Руйнуються мости, греблі, насипи.

12

Сильна катастрофа

Жодна споруда не витримує. Значні зміни в рельєфі. Помітні поверхневі хвилі. Утворюються водоспади. Змінюються русла рік.

 

Розрізняють наступні стадії прогнозу сильного землетрусу: довгостроковий (від десятків до декількох років), середньостроковий (від декількох років до декількох місяців), короткостроковий (від декількох місяців до декількох днів, а іноді й годин) і оперативний (від декількох годин до секунд).

Прогноз часу землетрусу ґрунтується на зборі й аналізі різних його провісників: зміні геомагнітного поля й вмісту радону в підземних водах і газах, деформації й русі земної кори, зміні рівня підземних вод і дебіту джерел і багатьох інших.

Будівництво в сейсмічних районах. Умови будівництва в сейсмічних районах, а до них відносяться райони із прогнозованою силою землетрусу 7,8 і 9 балів, регламентуються спеціальними будівельними нормами і правилами.

При виборі будівельних майданчиків у сейсмічних районах перевагу варто віддавати ділянкам зі спокійним горизонтальним рельєфом, складеним скельними, напівскельними й щільними великоуламковими, піщаними й глинистими ґрунтами із глибиною залягання ґрунтових вод не менше 10 м від поверхні землі, віддаленим від зон тектонічних порушень і вогнищ розвитку небезпечних геологічних процесів.

Загальний принцип забезпечення сейсмостійкості споруд – монолітність і рівноміцність всіх елементів будівель і споруд, застосування антисейсмічних швів, тверді каркаси, фундаментні опори, що гойдаються й ін.

Досвід Ташкентського та інших землетрусів показав, що для забудови міст найбільш доцільні сучасні каркасні, каркасно-панельні й великопанельні будинки переважно зі збірного залізобетону на суцільній плиті.

Великі мости варто розташовувати поза зонами тектонічних порушень, на ділянках річкових долин зі стійкими схилами. Аркові мости допускається застосовувати тільки при наявності скельної основи. При трасуванні доріг у районах сейсмічністю 7 і більше балів особливо несприятливі в інженерно-геологічному відношенні ділянки (обвали, зсуви, лавини й ін.), як правило, варто обходити. При проектуванні систем водопостачання варто передбачати використання не менше двох джерел водопостачання.

На закінчення коротко зупинимося на характеристиці землетрусів, епіцентри яких розташовуються не на суші, а на дні океанів. Виникаючі моретрясіння можуть приводити до утворення величезних океанських хвиль – цунамі.

Поширюючись в усі сторони від епіцентру на дні океану, хвилі проходять відстані в сотні й тисячі кілометрів зі швидкістю до 800 км/ч. На мілководді за рахунок тертя швидкість хвилі зменшується, але її висота різко збільшується – до 10-30 м, а на узбережжі Аляски в 1964 р. – до 66 м. Багатометрова стіна води всією силою обрушується на берег, змітаючи на своєму шляху будівлі, різні споруди, величезні дерева та ін.

У світі відомо понад 900 випадків виникнення цунамі, з них близько 100 мали катастрофічні наслідки.

Найбільша в новітній історії природна катастрофа, викликана землетрусом біля о. Суматра з магнітудою 8,9 за шкалою Ріхтера, відбулася 26 грудня 2004 р. Утворилися гігантські хвилі цунамі, які змили села й курорти в низинних районах Індонезії, Таїланду, Малайзії, Індії та інших країн. Від хвиль цунамі загинуло понад 150 тис. чоловік, десятки тисяч пропали безвісти або поранені.

Найбільш радикальний захист від хвиль цунамі – зведення високих захисних насипів, хвилевідбійний стінок і ін. Будівлі й споруди варто розміщувати на високих відмітках рельєфу. Дуже важливо зберігати стійкість і захисні властивості природних водних екосистем. На думку вчених, величезні масштаби руйнувань в Індонезії й інших країнах у грудні 2004 р. були багато в чому визначені знищенням мангрових заростей і руйнуванням бар'єрних коралових рифів у цих районах.

 

15.2. Моніторинг небезпечних геологічних процесів.

Порушення надійності особливо відповідальних будівель і споруд у період їхнього зведення й експлуатації вимагало створення нового напрямку в інженерно-геологічних дослідженнях – моніторингу геологічного середовища. Складовою його частиною є моніторинг небезпечних геологічних процесів, проведений у складних інженерно-геологічних умовах.

Моніторинг небезпечних геологічних процесів (НГП) – це єдина система регулярних спостережень і контролю за їхнім розвитком. До складу моніторингу НГП входить також: 1) аналіз результатів спостережень, розрахунків і моделювання, рекомендацій з інженерного захисту території, будівель і споруд; 2) проектування й здійснення додаткових заходів щодо забезпечення надійності споруд і ефективності інженерного захисту від небезпечних геологічних процесів.

Об'єктами моніторингу є території активного прояву НГП, виділені за даними інженерно-геологічних вишукувань. При будівництві й експлуатації будівель і споруд I і IІ рівнів відповідальності (греблі, гідро-, тепло- і атомні електростанції, споруди баштового типу, магістральні трубопроводи й ін.) моніторинг НГП проводиться в обов'язковому порядку.

В завдання моніторингу небезпечних геологічних процесів входить своєчасне виявлення й прогнозування розвитку НГП, контроль і діагностика технічного стану споруд інженерного захисту, порівняння отриманих при спостереженнях даних із допустимими параметрами для забезпечення геоекологічно безпечної експлуатації будівельного об'єкта й забезпечення безпеки людей.

До складу моніторингу НГП включають наступні види робіт:

1.                                    вимірювання осідання, зсувів, осідань та інших деформацій поверхні масиву ґрунтів під впливом зсувних, карстових, селевих, мерзлотних, абразійних та інших геологічних процесів;

2.                                    вимірювання деформацій будівель і споруд, включаючи і споруди інженерного захисту;

3.                                    спостереження за зміною напруженого стану в масиві ґрунтів і супутніх явищ (обвалення покрівлі й стінок підземних виробок, гірські удари та ін.);

4.                                    спостереження за зміною рівневого, температурного (для  багаторічної мерзлоти) і гідрохімічного режиму підземних вод;

5.                                    спостереження за зміною геофізичних полів (гравітаційних, електричних, магнітних і ін.);

6.                                                                                                                                                                                                                                                                      спостереження за  аномальними деформаціями земної кори, зміною режиму, дебіту, температури, хімічного складу підземних вод у сейсмоактивних зонах;

7.                 система автоматичної сигналізації на випадок появи неприпустимих деформацій (карстових, мерзлотних та ін.).

Моніторинг НГП здійснюють із використанням широкого спектру методів: високоточних геодезичних спостережень, геофізичних методів (геоелектричних, сейсмічних, гравімагнітних та ін.), бурових і гірничопрохідних робіт, фізичного моделювання процесів і т.д.

Основою моніторингу є спостережлива мережа. Для довгострокових спостережень використовується контрольно-вимірювальна апаратура, до складу якої входять ґрунтові й глибинні репери, деформаційні марки, а також датчики, сполучні й реєстраційні пристрої (датчики порового тиску в ґрунті, сейсмодатчики, інклінометри та ін.) для виміру напруг у ґрунтах і горизонтальних переміщеннях. Загальна модель моніторингу, комплекс технічних засобів, методи спостережень і обробка даних регламентуються діючим ДЕРЖСТАНДАРТом.

Дані спостережень є основою для прийняття оперативних, короткострокових, середньострокових і довгострокових прогнозів.

Моніторинг НГП завершується прийняттям керуючих рішень по застосуванню заходів, спрямованих на попередження й запобігання подальшого розвитку НГП у процесі будівництва й експлуатації об'єкта.

В інженерно-геологічній і будівельній практиці є багато прикладів ефективного проведення моніторингу небезпечних геологічних процесів, у результаті якого був відвернений або зведений до мінімуму збиток від їхнього впливу.

Спостереження за НГП здійснюються спеціалізованими організаціями в рамках Державного моніторингу геологічного середовища, що, у свою чергу, є складовою частиною Єдиної державної системи екологічного моніторингу.

Необхідність організації й проведення моніторингу небезпечних геологічних процесів відбита у всіх діючих будівельних нормах і правилах.