Искусственное землетрясение. Землетрясения: причины, последствия

Землетрясение – это резкие импульсные сотрясения участков земной поверхности. Эти сотрясения могут быть вызваны разными причинами, что позволяет по происхождению землетрясения разделять на следующие главные группы:

• тектонические, обусловленные высвобождением энергии, возникающей вследствие деформаций толщ горных пород;
• вулканические, связанные с движением магмы, взрывом и обрушением вулканических аппаратов;
• денудационные, связанные с поверхностными процессами (крупными обвалами, обрушением сводов карстовых полостей);
• техногенные, связанные с деятельностью человека (добыча нефти и газа, ядерные взрывы и пр.).

Наиболее частыми и мощными являются землетрясения тектонического происхождения. Напряжения, вызванные тектоническими силами, накапливаются в течение некоторого времени. Затем, когда превышается предел прочности, происходит разрыв горных пород, сопровождающийся выделением энергии и деформацией в виде упругих колебаний (сейсмических волн). Область внутри Земли, где происходит образование разломов и возникновение сейсмических волн, называют очагом землетрясения ; очаг является областью зарождения землетрясения. Как правило, главному сейсмическому удару предшествуют предварительные более слабые точки – форшоки (англ. «fore» - впереди + «shock» - удар, толчок ), связанные с началом образовании разломов. Затем происходит главный сейсмический удар и следующие за ним афтершоки. Афтершоки – это подземные толчки, следующие за главным толчком из одной с ним очаговой области. Число афтершоков и продолжительность их возникновения возрастает с ростом энергии землетрясения, уменьшением глубины его очага и может достигать нескольких тысяч. Их образование связано с возникновением новых разломов в очаге. Таким образом, землетрясение обычно проявляется в виде группы сейсмических толчков, состоящей из форшоков, главного толчок (сильнейшего землетрясение в группе) и афтерошоков. Сила землетрясения определяется объёмом его очага: чем больше объём очага, тем сильнее землетрясение.

Условный центр очага землетрясения называют гипоцентром , или фокусом землетрясения. Его объём можно очертить по расположению гипоцентров афтершоков. Проекция гипоцентра на поверхность называется эпицентром землетрясения. Вблизи эпицентра колебания земной поверхности и связанные с ними разрушения проявляются с наибольшей силой. Территория, где землетрясение проявилось с максимальной силой, называется плейстосейстовой областью . По мере удаления от эпицентра интенсивность землетрясения и степень связанных с ним разрушений уменьшается. Условные линии, соединяющие территории с одинаковой интенсивностью землетрясения называются изосейстами . От очага землетрясения изосейсты вследствие разной плотности и типа грунтов расходятся в виде эллипсов или изогнутых линий.

По глубине гипоцентров землетрясения делятся на мелкофокусные (0-70 км от поверхности), среднефокуные (70-300 км) и глубокофокусные (300-700 км). Основанная часть землетрясений зарождается в очагах на глубине 10-30 км, т.е. относится к мелкофокусным.

Регистрация и измерение интенсивности землетрясений

Ежегодно на Земле регистрируется несколько сотен тысяч землетрясений, часть из них оказываются разрушительными, часть вообще не ощущается людьми. Интенсивность землетрясений может быть оценена с двух позиций: 1) внешнего эффекта землетрясения и 2) измерения физического параметра землетрясения – магнитуды.

Определение внешнего эффекта землетрясения основано на определении его интенсивности , представляющей собой меру величины сотрясения грунта. Она определяется степенью разрушения построек, характером изменения земной поверхности и ощущениями, которые испытывают люди во время землетрясений. Интенсивность землетрясений измеряется в баллах.

Разработано несколько шкал для определения интенсивности землетрясений. Первая из них была предложена в 1883-1884 гг. М. Росси и Ф. Форелем, интенсивность в соответствии с этой шкалой измерялась в интервале от 1 до 10 баллов. Позднее, в 1902 г. в США была разработана более совершенная 12-балльная шкала, получившая название шкалы Меркалли (по имени итальянского вулканолога). Этой шкалой, несколько видоизменённой, и в настоящее время широко пользуются сейсмологи США и ряда других стран. В нашей стране и некоторых европейских странах используется 12-балльная международная шкала интенсивности землетрясений (MSK-64), получившая название по первым буквам её авторов (Медведев –Шионхойер - Карник).

В соответствии с этой шкалой землетрясения подразделяются на слабые - от 1 до 4 баллов, сильные - от 5 до 7 баллов и сильнейшие - более 8 баллов.

Оценка интенсивности землетрясений, хотя и опирается на качественную оценку эффекта землетрясения (воздействие землетрясения на поверхность), но не позволяет проводить математически точное определение параметров землетрясения.

В 1935 г. американским сейсмологом Ч. Рихтером была предложена более объективная шкала, основанная на измерении магнитуды (эта шкала впоследствии стала широко известна как шкала Рихтера). Магнитуда (от лат. «magnitudo» – величина ), согласно определению Ч. Рихтера и Б. Гуттенберга, это величина, представляющая собой десятичный логарифм максимальной амплитуды сейсмической волны (в тысячных долях миллиметра), записанной стандартным сейсмографом на расстоянии 100 км от эпицентра землетрясения .

Хотя в этом определении не уточняется, какие из существующих волн надо принимать в расчет, стало общепринятым измерять максимальную амплитуду продольных волн (для землетрясений, очаг которых располагается вблизи поверхности, обычно измеряется амплитуда поверхностных волн). В целом, магнитуда характеризует степень смещения частиц грунта при землетрясениях: чем больше амплитуда, тем значительнее смещение частиц.

Шкала Рихтера теоретически не имеет верхнего предела. Чувствительные приборы регистрируют толчки с магнитудой 1,2, в то время как люди начинают ощущать толчки только с магнитудой 3 или 4. Наиболее сильные землетрясения, происшедшие в историческое время, достигали магнитуды 8,9 (печально знаменитое землетрясение в Лиссабоне в 1755 г.).

Между интенсивностью землетрясения в эпицентре (I 0), которая выражается в баллах, и величиной магнитуды (М) существует зависимость, описываемая формулами

I 0 = 1,7М-2,2 и М = 0,6I 0 +1,2 .

Соотношение между балльностью и магнитудой зависит от расстояния между очагом и точкой регистрации на поверхности земли. Чем меньше глубина очага, тем больше интенсивность сотрясения на поверхности при одной и той же магнитуде.

Следовательно, землетрясения с одинаковой магнитудой могут вызывать разные разрушения на поверхности в зависимости от глубины очага.

Регистрация землетрясений проводится на сейсмических станциях с помощью специальных приборов – сейсмографов, записывающих даже малейшие колебания грунта. Запись колебаний называют сейсмограммой. Сейсмограммы должны регистрировать колебания грунта в двух взаимоперпендикулярных направлениях в горизонтальной плоскости и колебания в вертикальной плоскости, для чего в состав сейсмографов включены три записывающих устройства (сейсмометра). На основании определения разницы во времени регистрации разных типов сейсмических волн, и зная скорость их распространения, можно определить положение гипоцентра землетрясения. Точность таких определений достаточно высока, особенно с учётом того, что к сегодняшнему дню действует развитая международная сеть сейсмических станций.

Для характеристики землетрясений важное значение имеют также их энергия и ускорение при сотрясении грунта.

Энергия, выделяемая при землетрясении, может быть рассчитана исходя из значения магнитуды по формуле

log Е = 11,5 M , где Е – энергия, М – магнитуда.

Величина ускорения показывает, с какой скоростью происходит сотрясение грунта. Ускорения, получаемые грунтом, передаются сооружениям, которые начинают раскачиваться и разрушаться. Для измерения ускорения пользуются показаниями специальных приборов - акселерографов, которыми оснащены современные сейсмографы. Ускорения в горизонтальном направлении всегда больше, чем в вертикальном. Так, максимально высокие из зарегистрированных горизонтальных ускорений составляют 1,15g, а максимально высокие вертикальные - до 0,7g. Именно поэтому наиболее опасными считаются горизонтальные толчки.

Размещение сейсмически активных зон

Подавляющее большинство землетрясений приурочены к тектонически активным зонам земной коры, связанным с границами литосферных плит. Так высокосейсмичным районом является обрамление Тихого океана, где океаническая литосферная плита поддвигается под континентальные или более древние океанические плиты (процесс поддвига океанической плиты называют субдукцией). Зоны поддвига плиты и её погружения в мантию трассируется положением очагов землетрясений, фиксируемых до поверхности нижней мантии (граница 670 км, связанная с возрастанием плотности вещества) и иногда глубже. Эти зоны получили название сейсмофокальных зон Беньофа. Ещё одна область активной сейсмичности связана с Альпийско-Гималайским поясом, протягивающимся от Гибралтара до Бирмы. Этот грандиозный складчатый пояс образован в результате столкновения континентальных литосферных плит. В пределах этого пояса очаги землетрясений приурочены главным образом к земной коре (глубинам до 40-50 км) и не образуют выраженных сейсофокальных зон. Их образование связано с процессами скучивания и раскалывания на надвигающиеся друг на друга пластины толщ континентальной литосферы. Очаги землетрясений приурочены и к зонам раздвижения и раскалывания плит. Процесс раздвижения литосферных, сопровождающийся формированием новой океанической коры за счёт мантийных расплавов, активно протекает в зонах срединно-океанических хребтов. Растяжение континентальных литосферных плит (происходящее, например, в Восточной Африке или в районе озера Байкал).

Рязанский государственный университет имени С. А. Есенина

Реферат на тему: «Землетрясения»

Студентки 1 курса

Группы ГМУ 12

Хамматовой Алины

• 1 Введение
• 2 Сейсмические волны и их измерение
• 2.1 Типы сейсмических волн
• 2.2 Измерение силы и воздействий землетрясений
• 2.2.1 Шкала магнитуд
• 2.2.2 Шкалы интенсивности
• 2.2.2.1 Шкала Медведева-Шпонхойера-Карника (MSK-64)
• 2.3 Происходящее при сильных землетрясениях
• 3 Причины землетрясений
• 4 Измерительные приборы
• 4.1 Cейсмограф
• 4.2 Cтанция прогнозирования землетрясений ATROPATENA
• 4.3 Тектометр
• 5 Другие виды землетрясений
• 5.1 Вулканические землетрясения
• 5.2 Техногенные землетрясения
• 5.3 Обвальные землетрясения
• 5.4 Землетрясения искусственного характера
• 6 Наиболее разрушительные землетрясения
• 7 Литература

Введение

Причиной землетрясения является быстрое смещение участка земной коры как целого в момент пластической (хрупкой) деформации упруго напряжённых пород в очаге землетрясения. Большинство очагов землетрясений возникает близ поверхности Земли

Землетрясе́ния - подземные толчки и колебания поверхности Земли, вызванные естественными причинами (главным образом тектоническими процессами) или искусственными процессами (взрывы, заполнение водохранилищ, обрушением подземных полостей горных выработок). Небольшие толчки могут вызывать также подъём лавы при вулканических извержениях.

Ежегодно на всей Земле происходит около миллиона землетрясений, но большинство из них так незначительны, что они остаются незамеченными. Действительно сильные землетрясения, способные вызвать обширные разрушения, случаются на планете примерно раз в две недели. К счастью, большая их часть приходится на дно океанов, и поэтому не сопровождается катастрофическими последствиями (если землетрясение под океаном обходится без цунами).

Землетрясения наиболее известны по тем опустошениям, которые они способны произвести. Разрушения зданий и сооружений вызываются колебаниями почвы или гигантскими приливными волнами (цунами), возникающими при сейсмических смещениях на морском дне.

Международная сеть наблюдений за землетрясениями регистрирует даже самые удалённые и маломощные из них.

Сейсмические волны и их измерение

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. Точка, в которой начинается подвижка пород называется фокусом , очагом или гипоцентром , а точка на земной поверхности над очагом - эпицентром землетрясения. 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 волны сжатия и волны сдвига .

• Волны сжатия, или продольные сейсмические волны, вызывают колебания частиц пород, сквозь которые они проходят, вдоль направления распространения волны, обуславливая чередование участков сжатия и разрежения в породах. Скорость распространения волн сжатия в 1,7 раза больше скорости волн сдвига, поэтому их первыми регистрируют сейсмические станции. Волны сжатия также называют первичными (P-волны). 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.
• Волны сдвига, или поперечные сейсмические волны, заставляют частицы пород колебаться перпендикулярно направлению распространения волны. Волны сдвига также называют вторичными (S-волны).

Существует ещё третий тип упругих волн - длинные или поверхностные волны (L-волны). Именно они вызывают самые сильные разрушения.

Измерение силы и воздействий землетрясений

Для оценки и сравнения землетрясений используются шкала магнитуд и шкала интенсивности.

Шкала магнитуд

Шкала магнитуд различает землетрясения по величине магнитуды, которая является относительной энергетической характеристикой землетрясения. Существует несколько магнитуд и соответственно магнитудных шкал: локальная магнитуда (ML); магнитуда, определяемая по поверхностным волнам (Ms); магнитуда, определяемая по объемным волнам (mb); моментная магнитуда (Mw).

Наиболее популярной шкалой для оценки энергии землетрясений является локальная шкала магнитуд Рихтера. По этой шкале возрастанию магнитуды на единицу соответствует 32-кратное увеличение освобождённой сейсмической энергии. Землетрясение с магнитудой 2 едва ощутимо, тогда как магнитуда 7 отвечает нижней границе разрушительных землетрясений, охватывающих большие территории. Интенсивность землетрясений (не может быть оценена магнитудой) оценивается по тем повреждениям, которые они причиняют в населённых районах.

Шкалы интенсивности

Интенсивность является качественной характеристикой землетрясения и указывает на характер и масштаб воздействия землетрясений на поверхность земли, на людей, животных, а также на естественные и искусственные сооружения в районе землетрясения. В мире используется несколько шкал интенсивности: в США - Модифицированная шкала Меркалли (MM), в Европе - Европейская макросейсмическая шкала (EMS), в Японии - шкала Шиндо (Shindo).

Шкала Медведева-Шпонхойера-Карника (MSK-64)

12-бальная шкала Медведева-Шпонхойера-Карника была разработана в 1964 году и получила широкое распространение в Европе и СССР. С 1996 года в странах Европейского союза применяется более современная Европейская макросейсмическая шкала (EMS). MSK-64 лежит в основе СНиП II-7-81 «Строительство в сейсмических районах» и продолжает использоваться в России и странах СНГ. В Казахстане в настоящее время используется СНиП РК 2.03-30-2006 «Строительство в сейсмических районах».

Причины землетрясений

Земные недра находятся в постоянном движении. В земной коре распространяются волны низкой частоты (период от секунд и выше). Можно называть колебания минутными, часовыми, суточными, годовыми. Волны, распространяющиеся по земной коре, огромны. Длина волны свыше 1000 км. Амплитуды колебаний составляют сотни метров. В этих волнах сосредоточена огромная энергия. Из-за неоднородностей в земной коре возникают колебания близкие по частоте, которые начинают интерферировать между собой, что приводит к образованию резонансных колебаний в одних точках земной коры и подавлению колебаний в других - «биения». Происходит перераспределение энергии колебаний по поверхности Земли.

Известно всем людям, и даже детям, а вот каковы причины того, что внезапно земля под ногами начинает двигаться и все вокруг рушится?

Прежде всего, нужно сказать, что землетрясения условно разделяются на несколько видов: тектонические, вулканические, обвальные, искусственные и техногенные. Все их мы кратко рассмотрим прямо сейчас. Если вам хочется знать , обязательно читайте до конца.

1. Тектонические причины землетрясений

Чаще всего землетрясения происходят по причине того, что находятся в постоянном движении. Верхний слой литосферных плит называют тектоническими плитами. Сами по себе платформы движутся неравномерно и постоянно давят друг на друга. Тем не менее, они долгое время остаются в покое.

Постепенно же давление нарастает, в результате чего тектоническая платформа совершает внезапный толчок. Именно он производит колебания окружающей породы, отчего и случается землетрясение.

Разлом Сан-Андреас

Трансформные разломы – это огромные трещины в Земле, где платформы «трутся» друг о друга. Многим читателям должно быть известно, что разлом Сан-Андреас является одним из самых известных и длинных трансформных разломов в мире. Он находится в в .

Платформы, движущиеся вдоль него, вызывают разрушительные землетрясения в городах Сан-Франциско и Лос-Анджелес. Интересный факт: в 2015 году в Голливуде выпустили фильм с названием «Разлом Сан-Андреас». Он рассказывает о соответствующей катастрофе.

1. Вулканически причины землетрясений

Одной из причин возникновения землетрясений являются . Они хоть и не производят сильные колебания земли, зато длятся достаточно долго. Причины толчков связаны с тем, что глубоко в недрах вулкана нарастает напряжение, образуемое лавой и вулканическими газами. Как правило, вулканические землетрясения продолжаются недели и даже месяцы.

Однако истории известны случаи трагических землетрясений этого типа. В качестве примера можно привести вулкан Кракатау, расположенный в Индонезии, извержение которого произошло в 1883 году.

Сила его взрыва как минимум в 10 тысяч раз превышала силу . Сама гора была почти полностью уничтожена, а остров распался на три маленькие части. Две трети суши исчезли под водой, а поднявшееся цунами уничтожило всех, кто еще имел шансы спастись. Погибло более 36 000 людей.

1. Обвальные причины землетрясений

Землетрясения, вызванные гигантскими оползнями, называются обвальными. Они имеют локальный характер, и сила их, как правило, невелика. Но и здесь бывают исключения. Например, в , в 1970 году, оползень, объемом 13 млн. кубометров, сошел с горы Уаскаран на скорости свыше 400 км/час. Погибло около 20 000 человек.

1. Техногенные причины землетрясений

Землетрясения данного типа обусловлены деятельностью человека. Например, искусственные водохранилища в местах, не предназначенных для этого природой, провоцируют своим весом давление на плиты, что служит к увеличению количества и силы землетрясений.

То же самое касается и нефтегазодобывающей промышленности, когда происходит извлечение большого количества природных материалов. Одним словом, техногенные землетрясения происходят тогда, когда человек взял что-то у природы из одного места, и переложил без спросу на другое.

1. Искусственные причины землетрясений

По названию этого типа землетрясений несложно догадаться, что вина за него целиком и полностью лежит на человеке.

К примеру, в 2006 году испытывала ядерную бомбу, что вызвало небольшое землетрясение, зафиксированное во многих странах. То есть всякая деятельность жителей земли, которая заведомо гарантированно повлечет за собой землетрясение, является искусственной причиной данного вида бедствий.

Можно ли предвидеть землетрясения?

Действительно это возможно. Так, например, в 1975 году китайские ученые предсказали землетрясение и спасли множество жизней. Но со стопроцентной гарантией это сделать невозможно даже в наши дни. Сверхчувствительный прибор, который регистрирует землетрясение, называется сейсмографом. На крутящемся барабане самописцем отмечаются колебания земли.

Животные перед землетрясениями также остро ощущают тревогу. Лошади начинают вставать на дыбы без видимых причин, собаки странно лают, а выползают из нор на поверхность.

Шкала землетрясений

Как правило, силу землетрясений измеряют по Шкале Землетрясений. Приведем все двенадцать пунктов, чтобы вы имели представление о том, что это такое.

• 1 балл (незаметное) - землетрясение фиксируется исключительно приборами;
• 2 балла (очень слабое) - может быть замечено лишь домашними животными;
• 3 балла (слабое) - ощутимо только в некоторых строениях. Ощущения, как от езды в машине по кочкам;
• 4 балла (умеренное) - замечается многими людьми, может вызвать движение окон и дверей;
• 5 баллов (довольно сильное) - дребезжат стекла, висячие предметы качаются, старая побелка может осыпаться;
• 6 баллов (сильное) - при этом землетрясении отмечаются уже легкие повреждения зданий и трещины в некачественных строениях;
• 7 баллов (очень сильное) - на данном этапе здания терпят значительные повреждения;
• 8 баллов (разрушительное) - наблюдаются разрушения в зданиях, падают дымоходы и карнизы, на склонах гор можно видеть трещины в несколько сантиметров;
• 9 баллов (опустошительное) - землетрясения вызывают обвалы некоторых зданий, рушатся старые стены, а скорость распространения трещин достигает 2 сантиметров в секунду;
• 10 баллов (уничтожающее) - во многих зданиях обвалы, в большинстве – серьезные разрушения. Грунт исполосован трещинами до 1 метра в ширину, кругом оползни и обвалы;
• 11 баллов (катастрофа) - большие обвалы в горной местности, многочисленные трещины и картина общего разрушения большинства зданий;
• 12 баллов (сильная катастрофа) - рельеф глобально видоизменяется практически на глазах. Огромные обвалы и тотальное разрушение всех зданий.

В принципе, по двенадцати бальной шкале землетрясений можно оценить любую катастрофу, вызванную толчками земной поверхности.

В конце следует добавить, что подлинные причины землетрясения установить достаточно трудно. Происходит это от того, что природные механизмы столь сложны, что не изучены в полной мере до сих пор.

Мы рассказали вам лишь самые , связанные с таким бедствием, как землетрясение..

Повинны ли водохранилища в землетрясениях?

В августе 1975 г. жители неболь­шого (около 20 тыс. жителей) го­родка Оровилл в Северной Кали­форнии испытали семибалльный толчок. В Калифорнии ежегодно происходит свыше 300 землетря­сений, и Оровиллское землетря­сение не должно было бы при­влечь особого внимания и вызвать беспокойства. Тем более что по­страдало всего 12 человек, а ма­териальный ущерб не превысил 6 млн. долл. Между тем обеспо­коились многие сейсмологи, ин­женеры и жители городка. Дело в том, что за семь лет до этого вблизи г. Оровилла была возве­дена самая высокая в США дамба (235 м) с водохранилищем объем ом 4,4 км 3 . Вопрос о том, естественным или спровоцирован­ным является Оровиллское зем­летрясение, служит предметом исследований и дискуссий специ­алистов. Действительно, мало ли территорий, где землетрясения без вмешательства человека возникали после сейсмического молчания десятки и даже сотни лет. Эпицентр землетрясения находится в 11 км от плотины, очаг определен на глубине 8 км, само землетрясение произошло спустя 7,5 года после постройки плотины и спустя 6 лет после на­чала подъема воды в водохрани­лище. Наконец, землетрясение сопровождалось оживлением ста­рого разлома на протяжении 3,8 км с вертикальным смещением по нему около 5 см (до 18 см через всю ширину зоны), как это бывает и при естественных земле­трясениях. Но с другой стороны, ряд чисто сейсмологических ха­рактеристик, таких, как соотноше­ние частоты и магнитуды афтершоков, продолжительность сильных колебаний и т. п., отли­чается от обычных в Калифорнии землетрясений. Слабые толчки начались сразу после заполнения водохранилища. Именно в течение предшествующих землетрясению четырех месяцев подъем воды в водохранилище происходил с наибольшей, чем когда-либо прежде, скоростью и на самую большую высоту - 45 м. Макси­мальный уровень был достигнут 24 июня, а 28 июня начались пер­вые толчки.

Расположение очага по отноше­нию центра нагрузки водной мас­сы не дает оснований говорить о непосредственном влиянии веса воды, накопленной в водохрани­лище, но и we позволяет исклю­чить факт изменения давления вод в трещинах в связи с запол­нением резервуара.

Описание явления возбужден­ной сейсмичности мы начали с наиболее-близкого нам по време­ни события и наиболее спорного примера. Но если говорить о наиболее раннем из установлен­ных случаев возбуждения сейсми­ческой активности при заполнении водохранилищ, то надо вернуться к 1935-1936 гг.

К 1935 г. в США, на границе штатов Невада и Аризона, было закончено сооружение крупней­шей по тем временам арочной плотины Гувер на р. Колорадо, и началось заполнение водохра­нилища Мид. В сентябре следую­щего года, т. е. примерно год спустя после начала заполнения, когда уровень воды поднялся на 100 м, возникли сейсмические толчки. Насколько они были не­ожиданны в этом районе, показы­вает тот факт, что установка сейс­мографов здесь даже не преду­сматривалась. Первые три сейсмо­графа были установлены лишь в 1937 г., а в 1938 и 1940 гг. местную сеть сейсмологических наблюдений пришлось расширить. Количество слабых землетрясе­ний в 1937-1947 гг. измерялось тысячами, глубина большинства из них не превышала 6-8 км. К 1939 г. водохранилище запол­нилось, достигнув объема 35 млрд. м 3 . 4 мая того же года область была потрясена сильным (магнитуда равная 5) толчком, вы­делившим столько энергии, сколь­ко все остальные, вместе взятые землетрясения.

Исследования установили со­ответствие между выделением сейсмической энергии и пиками водной нагрузки в 1938-1949 гг. С 1951 г. колебания уровня имели только сезонный характер, сходя на нет благодаря постройке выше по течению других плотин, и кор­реляция названных величин исчез­ла. В последние годы у плотины отмечаются только микроземле­трясения. На других строящихся водохранилищах американские исследователи уже заблаговре­менно устанавливали сейсмогра­фы. В результате на 10 из 68 во­дохранилищ была зарегистриро­вана возбужденная сейсмичность. В другом полушарии, на Индо-станском п-ве, люди, проживав­шие в окрестностях 12 крупных искусственных резервуаров, не испытывали никаких подземных толчков. Поэтому, когда в 1961 г. началось заполнение водохрани­лища на р. Койна с проектной вы­сотой плотины 103 м и объемом 2780 млн. м 3 , ничто, казалось бы, не предвещало беды. И однако именно здесь, в спокойной плат­форменной области, сложенной докембрийскими кристаллически­ми породами, в декабре 1967 г. произошло 8-9-балльное зем­летрясение, унесшее 180 челове­ческих жизней, оставившее 2,3 тыс. раненых и причинившее значительный материальный ущерб. Сама плотина была сильно повреждена. Землетрясение име­ло эпицентр в 3-5 км южнее плотины и захватило огромную область щита радиусом около 700 км (водохранилище занимало площадь всего 50 на 2-5 км). Среди значительного количества последующих толчков некоторые имели магнитуду 5-5,4. Такое сильное землетрясение было неожиданным, хотя слабые толчки начались вскоре после достижения 1/2 проектного уровня воды в водохранилище, и в дальней­шем их интенсивность и частота возрастали.

К этому времени уже были известны такие сильные землетря­сения, как у плотины Синьфенкан в Китае в 1962 г., у водохрани­лища Кариба на р. Замбези в 1963 г., у плотины Кремаста в Греции в 1966 г. В 6 случаях воз­бужденные землетрясения по интенсивности превосходили 5 баллов, в 12 случаях они были лишь немногим слабее. Много­численные значительно более слабые толчки отмечались в связи с заполнением водохранилищ «о многих других странах: во Фран­ции, Испании, Швейцарии, Италии, Югославии, Канаде, Бразилии, Японии, Австралии и др. Француз­ский сейсмолог Ж. Роте, кажется, был первым, кто еще 10 лет на­зад попытался обобщить извест­ные случаи и обнаружить главные закономерности. Одними из пер­вых были обобщения советских ученых И. Г. Кассина и Н. И. Ни­колаева.

Возбужденная сейсмичность наблюдается не только в преде­лах подвижных поясов Земли, она проявляется и на древних стабиль­ных платформах. Обычно земле­трясения имеют локальный и приповерхностный характер, кон­центрируются вдоль существо­вавших разломов, причем эпи­центры располагаются на расстоя­нии до 10-15 км от зеркала воды водохранилищ. Активность уси­ливается особенно явно после подъема уровня воды выше 100 м, хотя может появиться и при подъ­еме уровня на 40-80 м. Частота вызванных землетрясений в боль­шинстве случаев связана не столь­ко с высотой уровня воды, сколько с величиной и скоростью перепа­да уровней. При одном и том же удельном давлении столба воды вероятность толчков тем больше, чем большую площадь занимает водохранилище и на большую площадь воздействует.

Режим спровоцированных зем­летрясений нередко имеет специ­фический, отличный от обычных землетрясений, характер. Это проявляется в постепенном, по мере наполнения водохранилища, учащении и усилении сейсмиче­ских событий вплоть до макси­мального, после чего в соответ­ствии с общим уменьшением ко­лебаний водного уровня или даже при продолжающихся коле­баниях отмечается затухание сейс­мической активности. Периоды усиления и ослабления возбуж­денной сейсмичности могут про­должаться по нескольку лет (до 6-8 или даже 12-15 лет).

В нашей стране возбужденная сейсмичность лучше всего изуче­на в окрестностях Нурекского гид­роузла на р. Вахш в Таджикистане. Как известно, Таджикистан явля­ется одной из наиболее сейсми­чески активных областей в СССР. Это в данном случае давало сейсмологам то преимущество, что они могли подробно изучить специфику местных землетрясе­ний и особенности сейсмического режима задолго до начала запол­нения водохранилища и тем са­мым более надежно выделить возбужденную сейсмичность.

И это в полной мере удалось ис­пользовать. К началу заполнения водохранилища исследователи располагали серией детальных наблюдений продолжительностью 12 лет, а ко времени интенсивного заполнения (1972 г.)-17 лет, че­го не было ни в одном другом районе мира. За это время прост­ранственное распределение зем­летрясений оставалось стабиль­ным. Изменение квартальных и годовых сумм землетрясений с 1955 по 1975 г. показало, что ко­личество землетрясений в районе водохранилища (в заранее вы­бранных и постоянных границах) начало увеличиваться с 1967 г., а максимума достигло в 1972 г. В 1967 г. водохранилище запол­нилось до 40-метрового, а в 1972 г.- до 100-метрового уров­ня. С 1960 по 1971 г. возникало 26 землетрясений в среднем за квартал, но с начала 1971 г. это число возросло до 40, а послед­ний квартал 1972 г. отмечен 133 землетрясениями, после чего произошел спад количества толч­ков. Но в более широком районе в те же годы количество земле­трясений, за вычетом толчков вокруг водохранилища, даже несколько уменьшилось. В 1972-1973 гг. очаги землетрясений, и без того преимущественно не­глубоких, стали еще мельче, т. е. сейсмическая деятельность в районе водохранилища как бы приблизилась к поверхности Зем­ли (95% толчков на глубине не свыше 5 км). При этом землетря­сения группировались под водо­хранилищем вблизи плотины и по мере его быстрого наполнения несколько смещались соответ­ственно перемещению центра на­грузки столба воды.

Второй этап интенсивного запол­нения начался в июле-августе 1976 г. И снова возросло число толчков. Усиление сейсмичности в районе Нурекского водохрани­лища произошло в связи с его заполнением. Слабые толчки в районе водохранилища продол­жаются и сейчас.

Плотина Токтогульской ГЭС на р. Нарын в горах Тянь-Шаня под­нялась уже на 215 м, и за ней пле­щутся волны нового водохрани­лища. После того как уровень воды превысил 100 м, приборы начали регистрировать усиление сейсмической деятельности. Ана­логично дело обстояло при запол­нении водохранилищ Чиркейской ГЭС в Дагестане и Чарвакского гидроузла в Узбекистане. Отме­чая отсутствие вблизи Нурекского и Токтогульского водохранилищ сколько-нибудь сильных возбуж­денных землетрясений, мы долж­ны сделать оговорку: «До сих пор». Ведь уровень воды должен подняться до 300 м, а спровоци­рованные сильные землетрясения могут отделяться от периода мак­симального подъема уровня не­сколькими годами.

Если говорить о сильных воз­бужденных землетрясениях в равнинно-платформенных районах страны, то нельзя не вспомнить землетрясения к югу от Новоси­бирска у г. Камень-на-Оби в 1963 г. Это землетрясение силой до 8 баллов было здесь неожи­данным. Лишь гораздо позднее стали связывать его с заполне­нием в 1957-1959 гг. Обского моря объемом 8,8 км 3 .

Конечно, заполнение далеко не каждого даже крупного водохра­нилища чревато сейсмическими событиями. Например, мы не знаем землетрясений в окрест­ностях Куйбышевского, Цимлян­ского, Красноярского, Братского и других морей. Никакой сейсми­ческой активности не отмечено после заполнения крупных водо­хранилищ Бхакра в Индии (высота плотины 225 м), Даниэль Джон­сон в Канаде (214 м), Глен Каньон в США (216 м), Гран Диксанс в Швейцарии (284 м) и др. Однако именно эта неоднозначность по­следствий предъявляет исследо­вателям, пожалуй, еще большие требования, так как необходимо научиться предвидеть, в каких именно случаях можно ожидать сейсмических последствий и каков может быть их максимальный эффект.

К началу 70-х годов в мире бы­ло известно 35 случаев усиления сейсмической активности в связи с наполнением водохранилищ. И хотя это составляет всего ‘/в от общего числа крупных водохра­нилищ, пренебречь этим заявле­нием нельзя, потому что земле­трясения, в том числе и разру­шительные, появились там, где их не ждали. А ведь в настоящее вре­мя в мире проектируется и стро­ится 135 значительных водохра­нилищ. Даже если только на 15 из них возникнут сейсмические не­приятности, необходимо сделать все возможное, чтобы предусмот­реть и предупредить их.

При знакомстве с каждым но­вым явлением специалисты не могут ограничиваться феномено­логией, но стремятся познать его причины. И возбужденная сей­смичность имеет несколько объяснений. Все они в той или иной мере гипотетичны. Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, не­обходимо рассмотреть предвари­тельно другие сходные проявле­ния оживления земной коры. Речь пойдет об искусственных землетрясениях вне зон возник­новения водохранилищ.

Подземные ядерные взрывы - возбудители сейсмичности

В сущности, сам ядерный взрыв, произведенный под землей,- это искусственное землетрясение. И воздействие его на поверхность Земли и земную кору, если не касаться специфических геофизи­ческих вопросов, подобно обыч­ному землетрясению соответст­вующей магнитуды.

Специалистам известно, что каждый из 8 сильных взрывов на полигоне в штате Невада (мощ­ностью от 0,1 до 1,2 Мт) соответ­ствовал землетрясению магнитудой от 5 до 6 и сопровождался оживлением существовавших вблизи разломов в земной коре. В этих случаях смещения по раз­ломам измерялись десятками сантиметров (до 1,2 м) в верти­кальной плоскости и сантиметра­ми (до 15 см) вдоль протяжения разлома. Смещения крыльев раз­ломов имели ту же направлен­ность, что и установленные геоло­гическими методами естественные смещения. Длина обновившихся в связи совзрывами разрывов на поверхности составляла иногда даже километры (максимально до 8 км). Длина обновившихся раз­рывов прямо зависит от магни­туды взрыва, подобно тому как это наблюдается и при землетря­сениях естественных.

Сопутствующие и последующие тектонические явления были прослежены при взрыве мощ­ностью 1,1 Мт, произведенном в Неваде в конце 1968 г. Ядер­ное устройство было взорвано в скважине на глубине 1,4 км от поверхности земли среди плато, сложенного вулканическими по­родами плиоценового возраста. В момент взрыва на поверхности в радиусе до 450 м от эпицентра возникла масса мелких разрывов. Но гораздо важнее факт активи­зации существовавших разломов на расстоянии до 5,6 км от места взрыва, причем согласно геоло­гическим данным эти разломы не обнаруживали заметных смеще­ний в течение предшествующих нескольких миллионов лет. Взрыв инициировал десятки тысяч по­следующих толчков с магнитудой до 4,2 продолжавшихся в течение нескольких месяцев. За две не­дели, предшествовавшие взрыву, отмечено 3 слабых толчка, а в последующий за взрывом день - более тысячи; еще через две не­дели в сутки регистрировалось 15 толчков, в последующем их количество колебалось, пока спус­тя три месяца не установилось на том же уровне, что и до взры­ва. Возбужденные землетрясения группировались вдоль несколь­ких зон на глубине до 6 км, на расстоянии до 13 км от пункта взрыва. Специальные сейсмологи­ческие определения, как и не­посредственные наблюдения на поверхности, выявили правосто­роннее сдвигание и вертикальное перемещение по разломам. Раз­рывы на поверхности возникли большей частью вдоль или на продолжении разломов. Исследо­ватели пришли к выводу, что искусственное землетрясение высвободило накопленные при­родные тектонические напряже­ния, т. е. взрыв послужил как бы «спусковым механизмом» или «спусковым крючком» для сейсми­ческой разрядки накопившихся напряжений. Смещения по раз­ломам и возбужденные земле­трясения регулярно отмечались и при других взрывах в Неваде, причем максимально известное расстояние землетрясений от места взрыва достигало 20-40 км, толчки мигрировали от эпицентров взрывов, ни разу не отмечено землетрясений, более сильных, чем сами взрывы.

Другой вид смещений, относя­щихся только к приповерхност­ным слоям, обнаружен высоко­точными геодезическими изме­рениями. Над местами взрывов регулярно возникали концентри­ческие опускания, как бы «про­валы» на многие метры. На рас­стоянии свыше 2 км от пунктов взрыва эти оседания измерялись несколькими сантиметрами. А в нескольких случаях за такими во­ронками оседания повторными геодезическими измерениями об­наружены внешние компенса­ционные кольца поднятия, правда, на величину порядка всего 2 см.

Уже из этих примеров становит­ся ясно, сколь существенные на­рушения как на поверхности, так и в верхних частях земной коры связаны с подземными ядерными взрывами. Было бы неверно ду­мать, что все это относится толь­ко к Неваде и связано со специ­фикой ее напряженного состоя­ния, тектоникой и потенциальной сейсмичностью этой территории.

Существует еще один вид воз­бужденной сейсмичности. Это землетрясения, вызванные откачи­ванием и закачиванием жидкости в скважины. Такое явление обна­ружили случайно. На одном из заводов близ г. Денвер (штат Колорадо, США) отработанные воды с вредными примесями ре­шили закачивать глубоко под зем­лю через скважины. Была выбра­на отработанная скважина глуби­ной свыше 3,6 км, достигшая крис­таллического фундамента. В мар­те 1962 г. началась закачка отхо­дов. В конце апреля появились сведения о сейсмических толчках, ранее здесь не наблюдавшихся. Частота толчков возросла в апре­ле - июне 1962 г. и в феврале-марте следующего года. Именно в эти периоды в скважину зака­чивалась вода. Толчки возникали на глубине 4,5-5,5 км, с эпи­центрами не далее нескольких километров от скважины, их магнитуда достигала 3. После того как ученые высказали предполо­жение о связи локальной сейсми­ческой активности с закачкой воды в скважину, было решено повторить случайный эксперимент под строгим контролем. После­дующее сопоставление объема закачанной воды и количества толчков помесячно дало полное совпадение этих показателей. Толчки продолжались и даже ста­ли более сильными в 1967 г. (с магнитудой до 5,4) после прекра­щения закачивания вод в сква­жину. За всю предшествующую историю в Денвере произошло только одно землетрясение в 1882 г. Вероятность случайного возникновения 1500 толчков в ограниченной области вблизи забоя скважины согласно анали­зу столетней сейсмической ис­тории района оказалась ничтожно малой. И опять, как в случае с землетрясениями, возбужденны­ми заполнением водохранилищ и ядерными взрывами, подвижки в очагах землетрясений оказа­лись аналогичными таковым при обычных тектонических землетря­сениях в данном районе.

Позднее появились сообщения о связи между интенсивностью от­работки нефтяных месторожде­ний и местными землетрясения­ми. На известном нефтяном мес­торождении Уилмингтон к югу от Лос-Анджелеса в Калифорнии, разрабатываемом с конца 20-х годов, толчки отмечались в 1947, 1949, 1951, 1954, 1955 и 1961 гг. Сейсмологи связывают их с воз­никновением касательных напря­жений при оседании поверхност­ных слоев со скоростью 30- 70 см/год вследствие откачки нефти. Наиболее сильные толчки сопровождались сдвиганием пла­стов на глубине около 0,5 км и повреждением на этой глубине скважинных агрегатов.

В нашей стране сообщалось о семибалльном землетрясении в мае 1971 г. на северокавказских нефтяных месторождениях в райо­не г. Грозного. Очаг землетря­сения располагался на глубине 2,5 км, так что на поверхности оно вызвало семибалльный эф­фект, землетрясение сопровож­далось последующими толчками. Землетрясение связывают с от­качкой нефти из меловых извест­няков с глубины 4 км. Хотя добы­ча нефти ведется здесь 80 лет, но наиболее активная откачка пришлась на предшествующие со­бытию годы, так что за 7 лет давление в пластах упало на 250 атм, в том числе на 115 атм в 1969 г.

Особую группу искусственных толчков представляют горные удары в шахтах, которые, по су­ществу, являются микроземлетря­сениями. Несмотря на их незна­чительную в сравнении с настоя­щими землетрясениями интен­сивность, они имеют огромное зна­чение в практике подземных гор­ных работ, так как сопровожда­ются внезапным» выбросами газов и горных пород, завалами и разрушениями горных выработок, нарушениями нормальной эксплу­атации подземных месторожде­ний и даже человеческими жерт­вами. Например, в США отмечен случай, когда горный удар ощу­щался как землетрясение в ра­диусе 6 км. На одном из место­рождений Франции выбросы соли и газа случаются почти ежегодно в течение 50 лет.

Практика и специальные иссле­дования на месторождениях СССР, ГДР и Польши показали, что выбросоопасными являются отдельные участки и зоны, пре­имущественно тяготеющие к участкам современного поднятия и резкого изменения скорости со­временных движений земной ко­ры или непосредственно к актив­ным тектоническим зонам, т. е. наиболее напряженным участ­кам в поле современной текто­нической активности.

Заметный толчок и свыше 100 последующих толчков были заре­гистрированы в июне 1974 г- в окрестностях Нью-Йорка на глу­бине всего 0-1,5 км в известня­ковых штольнях. В других мес­тах сейсмографы, установленные вблизи глубоких шахт, фиксиро­вали усиление сейсмической ак­тивности в рабочие дни и спо­койствие в воскресенье. Поэтому необычные события резонно свя­зываются с разгрузкой земной ко­ры в результате изъятия породы из штолен. Хотя случаи возбуж­денных в результате добычи по­лезных ископаемых землетрясе­ний единичны и сами толчки име­ют небольшую магнитуду, их нельзя недооценивать хотя бы потому, что, будучи неглубокими, они сильнее соответствующих по магнитуде обычных землетрясе­ний сказываются на поверхности, могут поражать густонаселенные территории и нарушить эксплуата­цию месторождений.

О причинах и механизме возбужденных землетрясений

Если суммировать известные случаи такого рода событий, то можно выделить следующие основные факторы человеческой деятельности, которые приводят к возбужденным движениям зем­ной коры и землетрясениям: 1) изменение гидростатических и гидродинамических условий (рав­новесия) в недрах в процессе изъятия или внедрения флюидов; 2) выемка горных пород в твер­дой фазе при разного рода под­земных работах; 3) перераспре­деление нагрузок на поверхности земной коры в связи с созданием водохранилищ, городов, крупных отвалов или созданием крупных котлованов и карьеров; 4) влия­ние динамических нагрузок, преж­де всего сильных взрывов.

Назвать факторы, конечно, еще не значит определить причины явления. Казалось бы, самой прос­той и естественной причиной можно было бы считать воздейст­вие на земную кору дополни­тельной нагрузки водохранилищ. Но связь этих двух явлений не проста, а кроме того, и смещения, и землетрясения возникают не только при создании водохрани­лищ, но и при других видах чело­веческой деятельности.

В настоящее время исследова­ния по этой проблеме находятся в такой стадии, что ученые могут только наметить несколько веро­ятных причин или возможных механизмов возбужденных земле­трясений и смещений по раз­рывам.

Назовем главные из них.

1. Влияние дополнительной со­средоточенной нагрузки водных масс водохранилищ, или, иными словами, нарушение гравитацион­ного равновесия в земной коре.
2. Увеличение давления порово-трещинных вод, в результате чего снижается трение (сопротивление сдвигу) в зонах разрыва и облег­чается возникновение сейсмиче­ских подвижек.
3. Увеличение трещиноватости и ослабление прочности массива пород при возрастающем давле­нии порово-трещинных вод (осо­бенно в случае закачки флюидов в породы).
4. Снижение прочности пород за счет расклинивающего действия поверхностно-активных слоев

породы в мельчайших трещинах и порах, куда попадает вода.

Большинство исследователей склоняется теперь к признанию того, что именно перераспреде­ление и изменение давления порово-трещинных вод играют ре­шающую роль в механизме воз­бужденных землетрясений. Со­ветский исследователь И. Г. Киссин развитие процесса представ­ляет следующим образом:

«В зоне будущего очага суще­ствуют тектонические напряжения, однако величина их в естествен­ных условиях недостаточна, что­бы вызвать разрыв. По мере того как в результате инженерной дея­тельности возрастает давление порово-трещинных вод, в этой зоне уменьшается фракционное сопротивление деформациям ска­лывания. Когда величина давле­ния достигнет определенного предела, начинаются акты гидрав­лического разрыва. Распростра­нению трещин способствует также влияние адсорбционных слоев поровой жидкости.

Вследствие развития ориенти­рованных трещин повышается ска­лывающее напряжение по пло­щади сохранившихся связей. При увеличении площади нарушенных связей (вновь образовавшихся трещин) должно возрасти сопро­тивление сдвигающим силам за счет трения. Однако этому пре­пятствует воздействие порово-трещинной жидкости, уменьшаю­щей трение на плоскости сдви­га… при увеличении давления жидкости относительный рост напряжений сдвига по площади сохранившихся связей также уве­личится. Под влиянием возрастающего давления жидкости происхо­дят индивидуальные разрывы и сколы, приводящие к ослабле­нию массива и регистрируемые в виде форшоков. При этом скалы­вающее напряжение увеличивает­ся до предела, когда становится возможным основной разрыв. Раз­витие дислокаций при вызванных землетрясениях, начинающееся с повышения давления флюидов, в дальнейшем может привести к вспарыванию зоны очага на зна­чительные глубины, где жидкость уже не влияет на деформацион­ные процессы».

Тот факт, что возбужденные землетрясения возникают не во всех случаях воздействия челове­ка на земную кору, лишь под­черкивает отсутствие достаточ­ного естественного уровня на­пряжений в одних местах земной коры и как бы подготовленность земной коры к разрывам и земле­трясениям в других. Для участ­ков повышенной тектонической активности или длительно накап­ливающихся тектонических на­пряжений дополнительные на­грузки или перераспределение напряжений в связи с человече­ской деятельностью могут слу­жить как бы своего рода «спуско­вым крючком» для уже подго­товленных естественным путем землетрясений. Весьма благопри­ятным условием для проявления возбужденных землетрясений служит наличие прочных кристал­лических пород, разбитых разло­мами, или контактов пород с различной прочностью и другими свойствами. С другой стороны, да­же в районах проявления естест­венных землетрясений, но с однородными сравнительно плас­тичными породами в припо­верхностных частях земной ко­ры, возбужденные землетрясения при дополнительных воздействиях не возникают.