Опасные геологические процессы и явления

Опасными могут быть все рассмотренные геологические процессы, а степень катастрофичности их последствий зависит не только от масштаба, выделяющейся энергии, но и возможности предсказания, скоротечности развития и населенности территории в которых они происходят. Как и все в природе развитие катастрофических явлений - результат взаимодействия многих сил или факторов. Это касается не только таких комплексных явлений как тайфуны, наводнения, но и, казалось бы, полностью эндогенных процессов как землетрясения и извержения вулканов. Например, в настоящее время считается установленным факт влияния на инициацию землетрясения притяжения Луны и Солнца, крупных тайфунов, техногенеза и т.д. В свою очередь существует предположение о влиянии землетрясений на циклоническую активность (беспрецендентная оттепель в Европе после сильнейшего землетрясения в Азии 26 декабря 2004 года). Поэтому рассматривать катастрофические явления целесообразно в разделах характеризующих среду максимального развития и нанесения ущерба. Кроме того, многие крупные катастрофы только спровоцированы природными факторами и многократно усилены результатами техногенного преобразования биосферы. Изучению этих явлений и проектированию безопасных природно-техногенных систем необходимо уделять особое внимание при формировании техносферы и анализе безопасности жизнедеятельности. Наиболее масштабные катастрофы в истории человечества связаны с процессами в литосфере - извержениями вулканов и землетрясениями.

Извержения вулканов являются выражением внутренней энергии Земли, проявляющейся на поверхности излиянием лавы, выбросами газов, паров и пирокластического материала (от греческого pyr – огонь, klastikos - раздробленный). В зависимости от интенсивности и сочетания этих факторов выделяют десятки типов извержений вулканов. Однако нас интересует не столько их типизация и анализ особенностей строения и функционирования (это является предметом изучения вулканологии), а степень опасности сопровождающих извержения вулканов явлений. Их можно разделить на несколько групп: излияние лавы из жерла вулкана (при центральном извержении) или длинных трещин (при трещинных излияниях), образование палящих туч (лахаров), выбросы пирокластического материала на большое расстояние (вулканические бомбы, лапилли, вулканический песок, пепел), выделение газов (СО₂, СО, Н₂S, SO₂, SO и других), взрыв вулканической постройки и сопровождающие извержения вулканов землетрясения (см. рис. 1.4).

В первую очередь по интенсивности и характеру извержения вулканы можно разделить на эксплозивные (извержения взрывного типа) и эффузивные (со спокойным характером излияний). При эффузивных излияниях формируются, так называемые щитовые вулканы с пологими (до 10-15⁰) склонами. Как правило, они образованы менее вязкими и более высокотемпературными (1200-1300⁰С) лавами основного состава, которые разливаются по окружающей местности на десятки км, с образованием лавовых покровов. Ярким примером таких вулканов являются Гавайские острова. Но и в этом случае могут происходить выбросы лавы на высоту несколько км, а пеплового материала на расстояние 10-15 км.

Лавы кислого и среднего состава более вязкие и менее горячие (1100-1200⁰С). Их потоки короче и толще. При чередовании выбросов вулканами лавы и шлака образуются высокие и сложные конусы, или стратовулканы с крутыми склонами. Их высота может достигать нескольких км, а размер кратера 1 км. Если с момента предыдущих извержений прошло достаточно много времени, то в жерле вулкана образуется пробка из остывших и раскристаллизовавшихся пород. Они являются серьезной преградой для выхода лав следующего этапа извержения и способствуют накоплению большого количества энергии, что приводит к выходу лавы в другом месте и формированию нового кратера, либо взрывному характеру извержений и разлету крупных продуктов извержения (вулканические «бомбы» и лапилли) на десятки км. В ряде случаев это ведет к полному разрушению вулканической постройки и образованию на ее месте кальдеры – воронки взрыва.

Одно из величайших эксплозивных извержений произошло на острове Кракатау в 1883 году. Серией мощнейших взрывов в течение трех дней было снесено две трети острова и выброшена огромная масса пемзы (около 20 км³). На месте вулкана образовалась подводная кальдера размером 6,4 на 7,2 км. Даже на расстоянии 160 км воздух был насыщен удушающей вулканической пылью, после конденсации паров воды превратившейся в грязевой дождь. Более тонкие частицы поднялись в стратосферу на высоту в десятки км и в течение длительного времени придавали необычную окраску восходам и закатам Солнца на всем земном шаре.

Эксплозивные извержения являются следствием насыщенности магмы газами или проникновением в магматический очаг подземных или океанических вод. В этих случаях часто образуются палящие тучи или лахары. Будучи насыщенными парами воды и пеплом они обладают значительно большей плотностью по сравнению с воздухом и скатываются с вулкана с громадной скоростью. Например, при извержении вулкана Мон-Пеле 8 мая 1902 года горячее пепловое облако, имеющее температуру около 700^оС со скоростью урагана (150-160 км/ч) пронеслось над городом Сен-Пьер уничтожив всех жителей (около 28000). Та же участь постигла и 20000 жителей древней Помпеи, находящейся на расстоянии 10 км от Везувия.

Газы являются важным компонентов извержений. Они обеспечивают подъем давления до критической величины, после которой, следует взрыв и выброс на поверхность лавы и кусков твердых пород. Однако выброс газов на поверхность может привести к гибели людей и без взрывов или палящих туч. Поскольку многие газы тяжелее воздуха они медленно и неслышно скатываются к подножью вулкана отравляя и удушая все вокруг. Например, гибель в 1986 году около 2000 жителей небольшого поселка Несь в Камеруне связывается с его размещением у подножья потухшего вулкана. Ночное выделение газов вулканом (прежде всего углекислого и сернистого) застало их врасплох и привело к смерти от удушья во сне.

Неотъемлимой составляющей извержений вулканов являются землетрясения силой до 4-5 баллов. Обычно они возникают на глубине нескольких км, где формируются магматические расплавы. Под давлением магмы до ее прорыва в жерло вмещающие магматический очаг горные породы начинают «трещать» и деформироваться, порождая приповерхностные землетрясения. Более серьезные землетрясения – тектонические обязаны своим происхождением движению литосферных плит, то есть более глубинным и масштабным процессам.

Землетрясение является результатом внезапного высвобождения энергии упругой деформации в ограниченном пространстве земной коры, сопровождающейся подвижкой по какому-либо разрыву (разлому) или новым разрывом. Это порождает сейсмические волны на поверхности и в недрах земли.

Очаг – это пространство или объем, в котором заключены все сопровождающие землетрясение первичные деформации.

Гипоцентр или фокус землетрясения - место начала первичной деформации или разрыва горных пород. По глубине фокуса землетрясения выделяют:

- мелкофокусные или нормальные, с глубиной до 60 км от земной поверхности (иногда еще выделяют приповерхностные – менее 5 км);

- промежуточные, с глубиной от 60 до 300 км;

- глубокие или глубокофокусные, с размещением очага от 300 до 720 км от поверхности (последнее значение – максимальная зафиксированная глубина очага землетрясения).

Эпицентр - точка на поверхности Земли, расположенная непосредственно над гипоцентром землетрясения. Разновременное фиксирование землетрясения различными сейсмостанциями позволяет определить координаты его очага и эпицентра.

Сила землетрясения определяется по характеру разрушений на поверхности Земли и охваченной ими площади. Для этого используются различные шкалы, по которым определяется балльность землетрясения. В нашей стране используется международная (12 - балльная) шкала MSK-64, разработанная в Институте физики Земли (ИФЗ). В США - близкая ей ММ (шкала Меркалли). В Японии существует собственная шкала.

Оценка мощности землетрясения или высвободившейся энергии в гипоцентре производится с помощью шкалы Рихтера, в которой мерой интенсивности является магнитуда. Магнитуда землетрясения – это величина, пропорциональная выделенной при землетрясении энергии, определяемая как десятичный логарифм амплитуды наибольшего колебания горных пород на основании показаний стандартного сейсмографа Вуда-Андерсона. Соответственно, землетрясения с разницей в одну магнитуду по выделившейся энергии отличаются в 30 раз, а в две магнитуды 900 раз. Мощность землетрясения по шкале Рихтера может изменяться от 0 до 8,8. Для сопоставления балльности различных шкал можно пользоваться таблицей Н.В.Шебалина (табл. 1.5).

 

Таблица 1.5 – Сопоставление мощности и силы землетрясений в зависимости от глубины расположения очага

 

Магнитуда землетрясения по шкале Рихтера
Глубина очага землетрясения, км		5-10
Сила сотрясений на поверхности по шкале MSK-64, баллы					8-9	7-8	9-10	8-9	10-11	9-10

 

На Земле каждый год происходит одно землетрясение с магнитудой 8 и более, около 20 землетрясений с магнитудой свыше 7 и сотни тысяч более мелких землетрясений. Линии, соединяющие точки на поверхности Земли с одинаковой интенсивностью землетрясения называются изосейстами. Область наиболее сильных разрушений и колебаний называют плейстосейстовой. В зависимости от магнитуды и близости гипоцентра к поверхности она может составлять от нескольких км² до нескольких тысяч км².

Ежегодно от землетрясений гибнет около 10000 тысяч человек. Материальный ущерб в среднегодовом исчислении составляет около 500 млн долларов. Отдельные наиболее катастрофические землетрясения (как, например, в Китае в 1976 и 2008 годах) уносят жизни сотен тысяч человек, а самое страшное землетрясение, также происшедшее в Китае (1556 год, провинция Шанси) унесло жизни около 860000 человек.

Резкие деформации горных пород порождают в недрах Земли сейсмические волны – объемные и поверхностные. Именно они являются носителями разрушительной силы землетрясений. Объемные волны бывают двух типов – продольные и поперечные. Продольные волны распространяются благодаря сжатию и растяжению вещества в направлении движения (аналог звуковые волны в воздухе). Поперечные волны колеблют среду поперек направления движения. Выходя на поверхность Земли, они раскачивают все находящееся на ней вверх-вниз и в стороны, приводя к вертикальной и горизонтальной деформации горных пород и разрушениям. Сильные землетрясения оставляют на поверхности следы в виде рвов, трещин, воронок, обвалов и т.д.

Основные пути ослабления сейсмической опасности это разработка прогноза землетрясений (места, времени, силы) и строительство объектов с учетом силы возможного землетрясения и особенностей горных пород в основаниях инженерных сооружений.

Разработка прогноза землетрясений опирается на изучение строения земных недр и анализ силы и частоты землетрясений в прошлом (в том числе достаточно далеком на основе анализа этнографических, исторических, археологических и геологических данных). Так как участок, где произошло землетрясение определенной силы не может считаться безопасным в отношении будущих землетрясений (по крайней мере, той же силы). Время между двумя землетрясениями максимальной силы на определенной территории называется сейсмическим циклом. Все это служит основанием для создания карты сейсмического районирования, в соответствии с которыми определяется максимальная балльность возможного землетрясения и требования к созданию инженерных сооружений (рис. 1.11).

 

 

 

Рис. 1.11. Карта общего сейсмического районирования Северной Евразии (в границах бывшего СССР) - ОСР-97, отражающая 5% вероятность возможного превышения расчетной сейсмической интенсивности в течение 50 лет.

 

При мониторинге литосферы и разработке прогноза землетрясений в разных районах Земли используют более 300 предвестников. Из них наиболее универсальными и точными являются 10-15. Они основаны на выявлении аномалий различных геофизических полей: гравитационного, теплового, сейсмического, магнитного, электрического, скорости распространения упругих волн, газохимического и гидрогеологического режима, деформаций земной поверхности и других. Чем длительнее предсейсмические аномальные явления и шире площадь их проявления, тем выше магнитуда возможного землетрясения. Слабые толчки, предшествующие основному землетрясению называются форшоки. Слабые толчки после основного землетрясения называются афтершоки.

Прогноз считается полным в случае определения места, мощности землетрясения (магнитуды) и времени. Последнее, является самым сложным. При этом выделяют три типа прогноза: краткосрочный, среднесрочный и долгосрочный. Непосредственно перед землетрясением наблюдаются аномалии и в поведении животных и насекомых, покидающих свои норы и проявляющих повышенное беспокойство. Российскому геологу А.А.Никонову удалось выделить около 70 видов животных зарекомендовавших себя хорошими прогнозистами []. Из них явными лидерами являются собаки, крупный рогатый скот, крысы и мыши, что впрочем, может быть обусловлено не их повышенной чувствительностью, а близостью к человеку. В Японии используется более 20 надежных примеров аномального поведения морских животных (в основном рыб) перед сильными землетрясениями. Достоверное биологическое упреждение землетрясений составляет не более 24 часов, с резким усилением активности за 1-2 часа.

Создание инженерных объектов в сейсмически активной зоне предъявляет особые требования к несущим грунтам и конструкции сооружений. Бороться с сейсмической опасностью нужно не только посредством больших затрат материалов на увеличение прочности и жесткости конструкций, что ведет к удорожанию строительства, но и применением правильных инженерных решений при проектировании. Обычные здания и сооружения устойчивы к землетрясениям силой менее 6 баллов. Строительство в районах с силой возможного землетрясения более 9 баллов разрешается только в исключительных случаях.

По результатам инженерно-геологических работ проводится сейсмическое микрорайонирование территорий, учитывающее состояние грунтов. Установлено, что разрушительное действие землетрясений (интенсивность землетрясения) увеличивается с уменьшением плотности грунта и увеличением влажности. Наиболее неблагоприятными грунтами в основании инженерных сооружений являются насыщенные водой пески. Поверхностные волны на них достигают наибольшей амплитуды (вертикальной деформации), а кроме того, при сейсмических воздействиях они разжижаются, что способствует провальным осадкам. Наиболее предпочтительными для строительства являются скальные или крупнообломочные водоненасыщенные грунты.

Строительство в сейсмически активных районах предусматривает комплекс архитектурно-планировочных решений и повышение сейсмостойкости зданий. Архитектурно-планировочные решения предусматривают ограничение этажности и увеличение расстояний между зданиями, повышенные требования к функциональному назначению и величине пролетов в зданиях и так далее. Следует избегать строительства на слабых и насыпных грунтах, крутых склонах. Мероприятия по увеличению сейсмостойкости зданий разделяют на активные и пассивные. Активные мероприятие направлены на снижение величины сейсмических воздействий на само здание путем создания различных амортизирующих конструкций. Пассивные используются значительно шире и предполагают уменьшение веса сооружения (для снижение инерции) и равномерное распределение масс, монолитность и равнопрочность зданий, способность к обратимым пластическим деформациям и другие. Наиболее безопасной конструкцией является та, которая будет наиболее гибкой и сможет двигаться как единое целое.

В последние десятилетия резко увеличилось число землетрясений спровоцированных человеком или, как их называют, наведенных землетрясений. Считается, что около 70% современных землетрясений силой до 7 баллов являются следствием техногенеза. Усилению сейсмичности земной коры способствуют создание водохранилищ, подземная разработка полезных ископаемых, подземные взрывы (особенно атомные), закачка жидкостей в скважины, военные бомбардировки. Все эти действия изменяют напряженное состояние горного массива, порово-трещинное и пластовое давление, перераспределяют гравитационную нагрузку. Американские сейсмологи даже предложили использовать подземные атомные взрывы мощностью 1-10 мегатонн, на глубине 3-5 км для снятия напряженного состояния горных пород и предотвращения разрушительных землетрясений. Это может быть действительно эффективным, но допустимо только в случае глубокого изучения и мониторинга ситуации.

Катастрофические последствия эндогенных процессов часто провоцируют экзогенные или усиливаются ими. Ярким примером взаимодействия геологических, геоморфологических и климатических факторов является сход в Северной Осетии пульсирующего ледника Колка в 2002 году.

Геологический и геоморфологический факторы, формирующие период пульсации заключаются в тектоническом давлении с юга и надвиговых явлениях на Центральном Кавказе, что приводит к увеличению крутизны северных склонов и возникновению обвалов при достижении критически неустойчивых углов подвижными бортами долин. Медленное перемещение крупных блоков сопровождается слабыми (до 3,5 баллов) мелкофокусными и близповерхностными землетрясениями, характерными для движения по поверхностям смещения надвигового и сбросового характера.

Климатический фактор является следствием глобального изменения климата, заключающегося в повышении температуры и увеличении количества твердых атмосферных осадков в нивальной зоне. Это приводит к ускорению движения гляциальных масс и интенсивному разрушению подстилающих горных пород, деградации оледенения, увеличению числа мелких ледников при уменьшении общей площади оледенения, отчленению боковых притоков от долинных ледников, появлению новых висячих и каровых ледников. Все это способствует разрушению нижней части ледового покрова, повышению его неустойчивости, увеличению числа гляциальных селей и обвалов.

Прежние подвижки ледника Колка происходили в 1834, 1902, 1969 годах, что позволяло оценивать его как пульсирующий ледник с периодом в 65-70 лет. Однако 20 сентября 2002 года гигантский гляциально-селевой поток вновь пронесся по долине реки Геналдон, унеся жизни 126 человек. Началом катастрофы стало падение висячего ледника (2-3 млн м³) с высоты 3800-4350 м на тыловую часть ледника Колка (относительное превышение около 1 км). Сила удара была настолько велика, что значительная часть долинного глетчера была разбита, выбита из ложа и гляциальная масса образованная льдом, водой и обломками горных пород (объем 70-100 млн м³, масса более 100 млн т) со скоростью, по разным оценкам от 150 до 220 км/ч пронеслась по долинам рек Колка и Геналдон 17-19 км, полностью изменив ландшафт на высоту до 150 м от дна долины. Наиболее скоростная, насыщенная водой часть селя продвинулась еще более 10 км, разрушив несколько баз отдыха.

Спусковым крючком этого события могло явиться слабое землетрясение, произошедшее в начале сентября и имевшее трагические последствия ввиду перегрузки склонов после больших атмосферных осадков 2001-2002 годов. Такое взаимодействие климатического и геологического факторов повлияло на период пульсации ледника и привело к катастрофическому развитию событий при сравнительно небольшой площади оледенения. Аналогичные явления в Гималаях или в других крупных горных странах могут иметь неизмеримо более серьезные последствия. В настоящее время деградация оледенения в Гималаях приняла угрожающие масштабы. Если в 70-х годах они «худели» на 60 см в год, в 80-х – до 2 м год, то к началу нынешнего века около 10 м ежегодно. Учитывая, что в Гималаях зафиксировано более 5000 озер гигантские гляциально-селевые потоки могут накрыть Непал, Бирму, Бутан, Индию, Китай, а в виде наводнений достигнут Пакистан и Афганистан.

Избыточное увлажнение провоцирует развитие в литосфере и широкую группу склоновых явлений - обвалы, осыпи и оползни, которые под влиянием гравитации смещаются вниз по рельефу, поэтому объединяются в единую категорию процессов. Они относятся к геологическим процессам внешней геодинамики. Сюда включают гравитационные процессы и явления:

1. Обвалы – разрушение горных пород выветриванием с потерей сцепления на крутых склонах в связи с подработкой, землетрясением, падением и т.д.

2. Осыпь – накопление щебенистого кристаллического материала у подножия или на склоне за счет скатывания разрушенного материала (диаметр 2-10 см) с заполнением эрозионных канав на склонах. Длина достигает 300 – 400м. Укладывается под углом естественного откоса.

3. Осова – практически то же самое, что осыпь, только материал представлен мелкоизмельченным и глинистым грунтом в твердом состоянии. При замачивании грунт ползет под малым углом.

4. Оплывины – сползание со склонов разжиженных глинисто-земляных масс после водонасыщения (снеготаяния). Образуются при замачивании лёссов и лёссоподобных грунтов.

5. Плывуны – образуются за счет водонасыщеных песков, особенно с коллоидными частицами (измельченными до микронов и образующих текучую массу).

6. Сель – это грязекаменный поток на горных склонах.

7. Оползень – это отрыв и сдвижение больших масс грунта за счет сил гравитации.

Оползень – наиболее часто встречающийся геологический процесс, весьма разрушительный для зданий и сооружений. Возникает при увеличении удельного веса грунтов на склонах за счет водонасыщения от продолжительных дождей, или при механическом нагружении склона. При этом возрастают сдвигающие усилия, а силы сцепления уменьшаются. Борьба с оползнями во многих случаях оказывается чрезвычайно сложной, дорогостоящей и зачастую неэффективной. Для успешного применения противооползневых мероприятий необходимо высококачественное выполнение инженерно-геологических изысканий для оценки фактической степени устойчивости склона. Противооползневые мероприятия подразделяют на 2 вида:

Активные - способные воздействовать на основную причину оползня путем полного пресечения или некоторого ослабления ее действия, в частности, снятие перенапряжении грунтовой толщи за счет разгрузки любого вида.

Пассивные - направленные на повышение значимости факторов сопротивления, влияющих положительных образом на степень устойчивости, например, пригрузка, закрепление любыми способами.

Мероприятия по обеспечению охранной обстановки касаются в основном ограничений в деятельности человека в районе склона:

- по земному поясу (запрещение рубки леса, корчевание и разработки участков под огороды, уничтожение кустарников, травянистого покрова);

- по строительству (установление границы предельной застройки, типа и веса сооружения, замедление темпов строительства);

- по земляным работам (запрещение любых разработок грунта в пассивной зоне - у подножья склона, загрузки склона в активной зоне - у бровки, увеличение крутизны откоса, вскрытие неустойчивых грунтов);

- в области водного хозяйства (запрещение спуска поверхностных вод и поливов, содержание в порядке водоотводящих и осушительных устройств, водопроводно-канализационной систем, разделки ям, трещин, установление уровней и темпов сработки вод, омывающих откос);

- по динамическим воздействиям (запрещение применение взрывных работ, забивки свай, работы транспортных средств). Более 60% оползней, происходящих на городских территориях, вызваны инженерной деятельностью человека поэтому значительной опасностью для инженерных сооружений обладает и широкая группа антропогенных процессов.

К антропогенным процессам относятся: формирование и проходка горных выработок, заборы подземных вод скважинами, прокладка линий метро и железных дорог, проведение взрывных работ. Такие процессы приводят к просадке почвы, вибрациям, обвалам и т.п. Кроме того, при открытых разработках в виде отвалов горных пород, в виде гидроотвалов при очистке речных русел для углубления реки, за счет накопления различного мусора в пределах городских территорий на специально отведенных площадках под свалки твердых отходов и строительного мусора, на полях фильтрации жидких отходов, за счет накоплений отходов золы на ТЭЦ и шлаков металлургических заводов образуются антропогенные отложения. По способу накопления их разделяют на насыпные, намывные, уплотненные и физико-химически преобразованные. Строительные свойства антропогенных отложений неоднозначны и зависят от способов образования, в результате которых произошло коренное изменение состава, структуры и текстуры природного минерального или органического сырья.

 

Контрольные вопросы к лекции 4

1. Чем отличается сила землетрясения от его мощности?

2. В каких условиях формируется солифлюкция?

3. Что изучает геоморфология?

4. Какими условными знаками показывают рельеф на карте?

5. Назовите типы вулканов.

6. Что такое магнитуда?

7. Расскажите о способах борьбы с оползнями.

8. Что такое гравитационные процессы?

9. В чем разница между гипоцентром и эпицентром?

10. На основании каких материалов осуществляется сейсмическое и микросейсмическое районирование?