Циклические и ациклические воздействии природной среды на антропоэкосистемы

Из-за возможности их возникновения здание Московского государственного университета, например, не было построено непосредственно над обрывом Воробьёвых гор - его пришлось возвести на расстоянии почти 1км от реки.

Большинство склонов на равнинах и в горах могут показаться совершенно неподвижными: об этом свидетельствует покрывающая их густая растительность. Однако это не совсем так - верхние слои грунта на склонах, особенно имеющих крутизну более 10°, как правило, движутся, правда очень медленно — от 0,2 до 1см в год. Эффект этого движения весьма незначителен, но за длительное время может повлиять на облик рельефа, если не помешают иные процессы. Холмы и долины Центральной России или дальневосточные сопки приобрели свои плавные, мягкие очертания благодаря сглаживающему влиянию крипа (от англ, creep — «ползти») — векового движения грунта по склонам.

Несколько иначе ведут себя грунты на склонах в областях вечной мерзлоты. Оттаивая и насыщаясь водой в тёплое время года, они начинают относительно быстро — от 3 до 10м в год — перемещаться в виде полужидкой массы и образуются так называемые сппывы. Особый вид имеют развалы крупных глыб в областях вечной мерзлоты — курумы. Они спускаются по склонам широкими — до 1км и более — «каменными реками», которые имеют скорость 0,2 — 1,5м в год. Движению их также способствуют резкие колебания температур и регулярное замерзание и оттаивание воды между глыбами, из-за чего камни поднимаются, опускаются и переворачиваются.

Оползни, образующиеся на естественных склонах и в откосах выемок принято подразделять на две группы.

1-я группа. Структурные оползни (структура - однородные связные глинистые породы: глины, суглинки, глинистые мергели).

Основными причинами образования оползней являются:

- чрезмерная крутизна склона (откоса);

- перегрузка верхней части склона различными отвалами и инженерными сооружениями;

- нарушение целостности пород склона траншеями, нагорными канавами или оврагами;

- подрезка склона и его подошвы;

- увлажнение подошвы склона.

Характерными местами (условиями) возникновения оползней могут быть:

- искусственные земляные сооружения с крутыми откосами;

- в выемках, образующихся в однородных глинистых грунтах на водораздельных участках возвышенности;

- в глубоких разрезах для открытой разработки месторождений полезных ископаемых;

- в насыпях, отсыпанных такими же породами при переувлажнении почвенно-растительного покрова и глинистых пород, залегающих у дневной поверхности.

2 группа. Контактные (соскальзывающие, срезающие, скалывающие) - связные глинистые породы, залегающие в виде пластов с хорошо выраженными плоскостями напластования (глины, суглинки, мергели, неплотные известняки, некрепкие глинистые сланцы, лесс, лессовидные суглинки и др.).

Основными причинами образования контактных оползней являются:

- чрезмерное крутое падение слоев;

- перегрузка склона отвалами или различными земляными сооружениями;

- нарушение целостности пород на склоне траншеями или нагорными канавами;

- подрезка склона;

- смачивание плоскостей напластывания (контактов) подземными водами.

Характерными местами (условиями) возникновения оползней могут быть: естественные склоны возвышенностей и долин рек (на косогорах), откосы выемок, состоящих из слоистых пород, у которых падение слоев направлено в сторону склона или по направлению к выемке.

Наиболее действенной защитой от оползней является их предупреждение. Из комплекса предупредительных мероприятий следует отметить собирание и отведение поверхностных вод, искусственное преобразование рельефа (в зоне возможного отрыва земли уменьшают нагрузку на склоны), фиксацию склона с помощью свай и строительства подпорных стенок.

1.4 Антропоэкологические районы, подвергающиеся воздействию землетрясений

ураган сель землетрясение наводнение

По мере того как накапливались знания о Земле, изменялись и представления людей о причинах, вызывающих её сотрясение.

Во второй половине XIX столетия, оформилась в самостоятельную науку сейсмология (от греч. «сейсмос» — «колебание», «землетрясение» и «логос» — «учение»), предмет исследования которой — землетрясения и связанные с ними явления. В XX в. сейсмологи доказали, что практически все сильные и 99 % слабых толчков относятся к категории тектонических: они возникают при резком смещении горных пород по разрывам. Сегодня специалисты умеют определять истинные причины подземных толчков, а кроме того, пытаются предсказывать и даже бороться с этим грозным явлением.

Изучать землетрясения и знать их особенности необходимо не только сейсмологам и жителям сейсмически опасных областей. Архитекторы, инженеры и строители при подготовке проектов и строительстве здании должны учитывать такой критерий, как сейсмостойкость — способность конструкций противостоять сейсмическим воздействиям. Однако строить везде железобетонные коробки, похожие на блиндажи, которые могут выдержать мощное землетрясение слишком дорого. Поэтому проектирование и строительство сейсмостойких сооружений проводят в соответствии с сейсмическим районированием: тех областях и районах Земли, где существует потенциальная опасность сильных землетрясений.

Над составлением карт сейсмического районирования работает целая армия специалистов. Так называемые «полевые» сейсмологи изучают событие и его последствия (а значит, причины) непосредственно на месте, а «кабинетные» — расшифровывают записи приборов, которые улавливают колебания, происходящие на расстоянии в несколько тысяч километров от станции.

Землетрясение — одно из самых древних катастрофических явлений на Земле.

Землетрясение – колебание земной поверхности, вызванное природными и антропогенными факторами; это прохождение серии колебаний через породы Земли, которые представляют собой упругую среду, способную передавать колебания внутри себя и на поверхности. В результате деятельности человека могут возникать искусственно вызванные, или техногенные, землетрясения. Их сила меняется от небольших колебаний грунта, связанных с движением транспорта, до заметных сотрясений, вызванных подземными ядерными испытаниями, созданием водохранилищ и закачкой вод в глубокие горизонты (закачивание зараженных радиоактивными отходами вод в специальные глубокие скважины в штате Колорадо (США) вызвало более 700 небольших землетрясений). Несравненно чаще и гораздо сильнее землетрясения, вызванные природными факторами, прежде всего выделением тепла в недрах Земли. А их непосредственными причинами являются образование разрывных нарушений в земной коре, вулканизм, суммарное воздействие различных факторов. Оно возникает при внезапном освобождении энергии, которая долгое время накапливается в результате тектонических процессов в относительно локализованных областях земной коры и верхней мантии. При этом происходит разрыв (разлом) сплошности горных пород, иногда на многие десятки километров.

Область, где возникает процесс разрушения, называется очагом, гипоцентром или гипоцентральной областью. Проекция очага или его области на земную поверхность называется эпицентром или эпицентральной областью. Если очагом является протяженный сброс вдоль вертикальной плоскости, то эпицентром будет длинная полоса; при наклонной плоскости сброса эпицентральная область будет представлена широкой полосой. Диаметрально противоположное эпицентру место на земном шаре называют антицентром; расстояние от эпицентра до какой-либо точки на земной поверхности — эпицентральным. Для удаленных землетрясений оно измеряется вдоль дуги большого круга, часто в градусах (1° = 111,1 км). Время возникновения землетрясения называют моментом землетрясения, или временем в очаге.

В зависимости от глубины очага землетрясения подразделяются на:

- нормальные – при глубине от 0 до 70 км;

- промежуточные – при глубине от 70 до 300 км;

- глубокофокусные – при глубине более 300 км.

Чувствительные сейсмографы ежегодно регистрируют около миллиона землетрясений, одно из них может быть катастрофическим, а около ста — разрушительной силы. Участки поверхности Земли, подверженные землетрясениям, распределены довольно неравномерно : до 90% их приходится на кольцевой тихоокеанский пояс. В год происходит более 20 сильных землетрясений, вызывающих большие разрушения, из них в среднем одно - катастрофическое. За год регистрируется около миллиона небольших толчков. Обычно землетрясения повторяются в одних и тех же районах, но закономерности в их повторяемости установить не удается. По внешним проявлениям последствий землетрясений на поверхности Земли определяется их интенсивность, выражаемая в баллах.

Большинство землетрясений происходит на глубине до 70 км, такие землетрясения называются поверхностными. Землетрясения, которые происходят на глубине от 70 до 300 км, называют промежуточными, а глубже 300 км — глубокими. До сих пор не было зарегистрировано ни одного землетрясения глубже 720 км.

Свыше 75% энергии, выделенной при землетрясениях, принадлежит поверхностным и только 3% — глубоким. Различают сильные и слабые землетрясения: слабые землетрясения возникают повсеместно, но их общая энергия незначительна. Некоторые из них связаны с вулканической деятельностью. К сильным относят землетрясения с магнитудой более 5,5. Анализ распределения сильных землетрясений по земному шару показывает, что примерно 75% поверхностных, 90% промежуточных и почти все глубокие землетрясения сосредоточены в Тихоокеанском кольце из островных дуг, глубоководных желобов и горных хребтов. Большая часть сильных землетрясений происходит также в Альпийско-Гималайском поясе. Так, очаги сильных промежуточных землетрясений были зарегистрированы в Румынии и на Гиндукуше.

Особенно много примеров связи поясов поверхностных, промежуточных и глубоких землетрясений непосредственно с тектонической деятельностью существует в Тихоокеанской области: поверхностные землетрясения обычно происходят между океаническими прогибами и ближайшей материковой или островной горной цепью, промежуточные возникают под островными горными цепями, очень же глубокие значительно удалены от океанических впадин. Арктическо-Атлантический пояс возникновения землетрясений и пояс Индийского океана, как и ответвление Тихоокеанского пояса к острову Пасхи, также совпадают с подводными горными цепями.

Распределение землетрясений по энергии, по географическим зонам, а также их связь со строением этих зон, т.е. вся эта совокупность характеристик, объединяются понятием сейсмичность.

Пояса сейсмической активности делят всю поверхность земного шара на блоки, внутренние части которых можно считать асейсмическими. Тихоокеанский бассейн является одним из таких блоков; остальные, наиболее крупные, имеют континентальный характер.

Механизм возникновения землетрясений

Выяснение причин землетрясений и объяснение их механизма — одна из важнейших задач сейсмологии. Общая картина происходящего представляется следующей.

В очаге происходят разрывы и интенсивные неупругие деформации среды, приводящие к землетрясению. Деформации в самом очаге носят необратимый характер, а в области, внешней к очагу, являются сплошными, упругими и преимущественно обратимыми. Именно в этой области распространяются сейсмические волны. Очаг может либо выходить на поверхность, как при некоторых сильных землетрясениях, либо находиться под ней, как во всех случаях слабых землетрясений.

До сих пор путем непосредственных измерений были получены довольно немногочисленные данные о величине подвижек и видимых на поверхности разрывов при катастрофических землетрясениях. Для слабых землетрясений непосредственные измерения невозможны. Наиболее полные измерения разрыва и подвижек на поверхности были проведены для землетрясения 1906 г. в Сан-Франциско. На основании этих измерений Дж. Рейд в 1910 г. выдвинул гипотезу упругой отдачи. Она явилась отправной точкой для разработки различных теорий механизма землетрясений. Основные положения теории Рейда следующие:

1. Разрыв сплошности горных пород, вызывающий землетрясение, наступает в результате накопления упругих деформаций выше предела, который может выдержать горная порода. Деформации возникают при перемещении блоков земной коры друг относительно друга.

2. Относительные перемещения блоков нарастают постепенно.

3. Движение в момент землетрясения является только упругой отдачей: резкое смещение сторон разрыва в положение, в котором отсутствуют упругие деформации.

4. Сейсмические волны возникают на поверхности разрыва — сначала на ограниченном участке, затем площадь поверхности, с которой излучаются волны, растет, но скорость ее роста не превосходит скорости распространения сейсмических волн.

5. Энергия, освобожденная во время землетрясения, перед ним была энергией упругой деформации горных пород.

В результате тектонических движений в очаге возникают касательные напряжения, система которых, в свою очередь, определяет действующие в очаге скалывающие напряжения. Положение этой системы в пространстве зависит от так называемых нодальных поверхностей в поле смещений(y = 0, z = 0).

В настоящее время для изучения механизма землетрясений используют записи сейсмических станций, размещенных в разных точках земной поверхности, определяя по ним направление первых движений среды при появлении продольных (P) и поперечных (S) волн.

В одной из нодальных плоскостей расположена площадка скольжения. Оси сжимающих и растягивающих напряжений перпендикулярны линии их пересечения и составляют с этими плоскостями углы в 45°. Так что, если на основе наблюдений найдено положение в пространстве двух нодальных плоскостей продольных волн, то этим самым будут установлены положение осей главных напряжений, действующих в очаге, и два возможных положения поверхности разрыва.

Границу разрыва называют дислокацией скольжения. Здесь главную роль играют дефекты кристаллической структуры в процессе разрушения твердых тел. С лавинным нарастанием плотности дислокации связаны не только механические эффекты, но и электрические и магнитные явления, которые могут служить предвестниками землетрясений. Поэтому главный подход к решению проблемы предсказания землетрясений исследователи видят в изучении и выявлении предвестников различной природы.

В настоящее время общепринятыми являются две качественные модели подготовки землетрясений, которые объясняют возникновение предвестниковых явлений. В одной из них развитие очага землетрясения объясняется дилатансией, в основе которой лежит зависимость объемных деформаций от касательных усилий. В водонасыщенной пористой породе, как показали опыты, это явление наблюдается при напряжениях выше предела упругости. Возрастание дилатансии приводит к падению скоростей сейсмических волн и подъему земной поверхности в окрестности эпицентра. Затем, в результате диффузии воды в очаговую зону, происходит увеличение скоростей волн.

Согласно модели лавиноустойчивого трещинообразования явления предвестников могут быть объяснены без предположения о диффузии воды в очаговую зону. Изменение скоростей сейсмических волн можно объяснить развитием ориентированной системы трещин, которые взаимодействуют между собой и по мере роста нагрузок начинают сливаться. Процесс приобретает лавинный характер. На этой стадии материал неустойчив, происходит локализация растущих трещин в узких зонах, вне которых трещины закрываются. Эффективная жесткость среды возрастает, что приводит к увеличению скоростей сейсмических волн. Изучение явления показало, что отношение скоростей продольных и поперечных волн перед землетрясением сначала уменьшается, а затем возрастает, и эта зависимость может являться одним из предвестников землетрясений.

Расчеты энергии землетрясений

Оценка энергии землетрясений представляет большое значение для выявления их взаимосвязи и причин возникновения. Такая связь существует: слабые землетрясения могут являться предвестниками сильных. Важно классифицировать землетрясения по величине энергии. Оценка их силы в баллах требует обследования на местности и может быть дана далеко не всегда (особенно в малонаселенных районах и на морях). Немаловажно, что балльная оценка делается, как правило, не для эпицентра, а для ближайшего к нему населенного пункта. Энергия же землетрясения может быть рассчитана по данным сейсмических станций для любого зарегистрированного колебания, причем это будет величина, характеризующая не эпи-, а гипоцентральную область землетрясения.

Остановимся на понятии «энергия землетрясения». Причиной землетрясения являются значительные деформации земных слоев. С энергетической точки зрения землетрясение есть «освобождение» энергии деформации и ее переход в другие формы. Освобождающаяся энергия расходуется главным образом на разрушение горных пород в районе очага, часть ее переходит в тепло и лишь небольшая доля этой энергии идет на образование упругих волн, излучаемых очагом. Умение определять общую освобождаемую энергию позволило бы судить о величине потенциальной энергии деформаций, вызывающих землетрясение, оценивать по наблюдениям сейсмических станций силу сотрясения в эпицентральной области и т. п. К сожалению, пока возможно непосредственно измерить лишь энергию различных упругих волн, вызываемых землетрясением в толще Земли. В связи с этим термин «энергия землетрясения» можно употреблять для обозначения суммарной энергии упругих волн, излученных в очаге. Учитывая вышесказанное, можно ставить задачу о классификации землетрясений по величине суммарной энергии упругих волн.

Землетрясения очень различаются по величине энергии, это заставляет нас сравнивать энергию разных по силе землетрясений по логарифмической шкале. Обычно достаточно определить значение энергии с точностью до порядка.

Следует отметить, что оценка силы землетрясений в баллах имеет существенный недостаток, обусловленный многообразием индивидуальных особенностей конструкций любых сооружений.

Поиск предвестников

Одним из методов поиска предвестников землетрясений является мониторинг электрического сопротивления земной коры. Физическим основанием для этого является высокая чувствительность удельного электрического сопротивления горных пород к изменениям их напряженного состояния, которая объясняется тем, что в условиях естественного залегания горных пород в земных недрах их удельное электрическое сопротивление практически не зависит от сопротивления минерального скелета, а определяется количеством и минерализацией воды в порах и трещинах породы, «трещиноватостью» и пористостью этой породы, ее структурой и текстурой, температурой и давлением, т.е. теми факторами, которые могут претерпевать существенные изменения при изменениях характера напряженно-деформированного состояния горных пород в процессе подготовки землетрясений.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8