Классификация и география землетрясения

Конспекты лекции

По дисциплине

«Сейсмостойкое строительство»

для студентов специальности «Строительство»

Лекция 1

Тема лекции 1. Вводная лекция. Причины возникновения землетрясения.

План лекции

· Содержание курса. Цели и задачи предмета. Место предмета при подготовке специалистов строителей.

· О научных исследованиях в области сейсмологии и сейсмостойкого строительства в республике. Удорожание строительства в сейсмических районах страны.

· О причинах возникновения землетрясений. Строение Земли. Тектонические землетрясения. Задачи инженерной сейсмологии.

Тезисы лекции

Вводная лекция.

Причины возникновения землетрясений. Тектонические землетрясения. Литосферные плиты. Движение плит. Землетрясения по краям плит. Внутриплитные землетрясения.

Строение Земли. Многослойность Земного шара. Земная кора. Мантия (верхняя и нижняя мантия). Ядро и субъядро Земного шара. Характеристики слоев Земли (толщина слоев, физико-механический и минералогический состав слоев, плотность, температура, упругие свойства, давление).

Основное содержание лекций

Вводная лекция

Здания и сооружения, проектируемые для строительства в сейсмических районах должны удовлетворять требованиям норм сейсмостойкости. Проектирование сооружений для сейсмических районов является сложной задачей. Сложность проблемы определяется тем, что сейсмические воздействия относятся к категории динамических с существенным непостоянством их характеристик во время реализации. При этом неизвестно, где, когда и с какой интенсивностью проявятся эти воздействия.

Сейсмическая нагрузка является динамической, поскольку она быстро и непрерывно меняется в ходе землетрясения, причем не только по величине (от нуля до больших значений), но и по направлению. Невозможно предвидеть заранее, как будет меняться эта нагрузка, потому что каждое землетрясение индивидуально по своим характеристикам. Тем не менее, от инженеров-строителей требуется проектировать здания, способные противостоять сейсмическим силам, соответствующим расчетной сейсмичности площадки строительства.

Довольно легко спроектировать здания, способные выдержать собственный вес и вес находящегося в нем имущества, так как эту нагрузку можно оценить точно, и она не меняется произвольно, т.е. являются постоянными нагрузками.

В процессе эксплуатации здания на конструкции наряду с постоянными нагрузками действуют временные нагрузки.

Все нагрузки, кроме землетрясения, создают прямое физическое воздействие, тянущее или толкающие здания в вертикальном или горизонтальном направлении. Сейсмические нагрузки заметно отличаются от всех остальных. Строго говоря, это вовсе и не нагрузки.

Когда грунт под сооружением двигается, он заставляет шататься сооружения и колебаться самым беспорядочным образом.

В действительности, конечно, прямого непосредственного физического воздействия на сооружения не было. Просто имея массу, сооружения испытывало действие инерции, которая препятствовало движению грунта, пытаясь остаться на месте.

Во время землетрясения грунт смещается одновременно в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Более того, во всех трех направлениях случайным образом чередуются движения туда-обратно. И когда грунт колеблется таким исключительно сложным образом, в теле сооружения его масса порождает не менее сложные силы инерции. Именно эти силы заставляют здания сдвигаться, и вызывают его повреждения. Действие сил инерции похоже на действие горизонтальных сил, приложенных к сооружению, откуда и появляется выражение «сейсмические нагрузки».

Сейсмические нагрузки возникают в сооружениях в связи с колебаниями их основания при движении поверхности Земли во время землетрясения, и они относятся к категории случайных воздействий.

Наука, занимающаяся изучением землетрясений и внутреннего строения Земли, называется сейсмологией.

Та часть сейсмологии, в задачу которой входит изучение сейсмических явлений применительно к запросам сейсмостойкого строительства, называется инженерной сейсмологией. Инженерная сейсмология указывает сейсмически опасные территории и дает прогноз характеристик движений поверхности грунта, служащего основанием сооружений.

О причинах землетрясений

Познание причин возникновения землетрясений тесно связано с изучением строения Земли. Результаты многочисленных геологических исследований позволили получить исключительно ясную картину строения Земли и причин землетрясений. Установлено многослойность земного шара. Земля состоит из нескольких следующих одна за другой оболочек, отличающихся друг от друга минералогическим составом, плотностью, упругими свойствами, температурой, давлением.

Самый верхний слой – кора. Кора состоит из нескольких слоев: сверху слой из осадочных (т.е. в свою очередь слоистых) пород толщиной, в среднем, несколько километров, ниже которых расположен гранитный слой, иногда выходящий на поверхность коры. Толщина этого слоя на равнинах достигает 10км, а под горными хребтами 40км. Гранитный слой подстилается слоем базальтов толщиной под равнинами до 30км, под горными хребтами до 20км. Всего толщина коры в районе суши в среднем 35км, в районе горных хребтов достигает 60-70км. В отличие от континентальной коры, океаническая кора, имеет значительно меньшую толщину – 6-8км, ниже ее осадочного слоя расположен базальтовый слой (плотность 2800-3200кг/м³, прочность 260МПа).

Под корой располагается так называемая мантия, также состоящая из слоев. Граничная поверхность между корой и верхней мантией называется поверхностью Мохоровичича (по фамилии югославского сейсмолога, впервые ее обнаружившего в 1909г. при изучении прохождения сейсмических волн во время хорватского землетрясения). На этой границе имеет место заметное изменение скорости прохождения сейсмических волн, что указывает на различие плотности и упругих свойств материала коры и верхней мантии.

Мантия расположена между земной корой и ядром Земли. Занимает 83% Земли по объему и 67% по массе, в породах Земли, особенно в ее коре, содержатся радиоактивные элементы, которые выделяют тепло. На глубине 50-100км от поверхности Земли на протяжении 200км обозначен слой астеносферы, в пределах которого скорость поперечных волн резко снижается, что указывает на снижение жесткости вещества и на возможное присутствие некоторого количества расплавленного вещества. Глубже нижней мантии располагается ядро, верхняя часть которого предполагается в жидком расплавленном состоянии с переходом в твердое состояние в пределах центральной части – субъядра.

Наблюдение за поверхностью Земли показывает, что она находится в состоянии постоянного очень медленного движения с опусканием поверхности коры в одних и подъемах в других местах. Установлены и горизонтальные движения. Все эти движения называются тектоническими (тектоника –греческое слово –«строитель»).

О причинах тектонических движений существует ряд гипотез. Одно из них представляет собой теорию тектоники плит.

Согласно этой теории, верхняя оболочка Земли – кора и подстилающая ее верхняя мантия, образующие литосферу, вместе с расположенными на ней континентами и океанами разделена на несколько огромных плит. Плиты под воздействием конвенционных потоков постоянно перемещаются относительно друг от друга, «плавая» по разогретому слою астеносферы.

То есть под литосферой действуют силы, принуждающие плиты перемещаться со скоростью, как правило, нескольких сантиметров в год. Причина этих глубинных сил не вполне ясна. Они могут быть вызваны, например, медленными течениями горячего пластического вещества в недрах. Течение возникают в результате тепловой конвенции в сочетании с динамическими эффектами вращения Земли.

Непосредственно под литосферными плитами, в самой верхней части мантии находится тонкий слой горячего, местами расплавленного, вязкого вещества, называемый астеносферой; по нему и скользят плиты.

В отдельных местах расплавленный материал выравнивается из астеносферы вверх в литосферу, где остывает и образует новую кору. Этот процесс отодвигает одну плиту от другой. В результате процесса раздвигания, медленно движущиеся плиты сталкиваются друг с другом в других местах. В этих местах одна плита при встрече заталкивается под другую. В других местах плиты проскальзывают краями одна вдоль другой. Такие взаимные сдвиги плит приводят к трещинам - трансформным разломам.

Несогласованность в движении плит при любом его направлении заставляет каменную толщу растрескиваться, создавая таким образом землетрясения.

Большинство землетрясений (почти 95%) происходит по краям плит.

Хотя обычно землетрясения происходят на границах плит, все же небольшая доля их возникает внутри плит. Землетрясения во внутренних частях плит называются внутриплитовые землетрясениявероятнее всего, они возникают из-за развития деформации в плитах, вызванного давлением на их краях. Например территория Китая сравнивается в двух направлениях: с востока - тихоокеанской плитой, с юга- Индо-Австралийской. По всей вероятности, эти воздействия несут ответственность за землетрясения, возникающие в пределах страны, включая Тянь-шаньское землетрясение 1976г., которое привело к гибели огромного количества людей.

Схемы движения плит по Н.Кэльферу.

Лекция 2

Тема лекции 2.Зоны землетрясения Земного шара

План лекции

· Механизм землетрясения. Классификация и география землетрясения. Зоны землетрясений Земного шара. Тихоокеанский пояс, Средиземноморский или Трансазиатский, Арктико-Атлантический пояса сейсмичности.

· Сейсмическое районирование и микрорайонирование территории и площадки строительства. Карта сейсмического районирования. Сейсмичность площадки строительства.

Тезисы лекции

Механизм землетрясения. Гипоцентр и эпицентр землетрясения. Нормальные и глубокофокусные землетрясения. Классификация и география землетрясения. Зоны землетрясений Земного шара. Пояса сейсмичности. Тихоокеанский, Средиземноморский или Трансазиатский пояса. Второстепенные пояса.

Карта сейсмического районирования. Интенсивность землетрясений и категория повторяемости. Сейсмичность района строительства по списку населенных пунктов и по картам общего сейсмического районирования территории Республики Казахстан.

Сейсмичность площадки строительства. Сейсмичность площадки строительства по действующим картам сейсмического микрорайонирования. Уточнение карты сейсмического микрорайонирования. Условия применимости табл. 4.1 СНиП РК 2.03-30-2006 «Строительство в сейсмических районах» для определения сейсмичности площадки строительства исходя из сейсмичности района строительства и категории грунта по сейсмическим свойствам.

Основное содержание лекций

Механизм землетрясений.

Землетрясение происходит, когда в породах, слагающих земную кору, в результате избыточного напряжения, которое в свою очередь обычно является следованием движения литосферных плит, образуется разрыв.

При зарождении землетрясения имеет место разрушение породы на ограниченном участке, расположенном на некоторой глубине от поверхности Земли.

Длина разлома может быть от нескольких сотен километров при крупнейших землетрясениях. Трещина разлома может достичь поверхности Земли, но может и оставаться много глубже. В целом , чем больше длина трещины разлома, тем больше энергия, высвобождающейся при землетрясении.

Как бывает и при любой поломке, землетрясение начинается в некоторой точке и затем распространяется в стороны от нее. Место, в котором начинается вспарывание, называется гипоцентром (фокусом) землетрясения, а точке на поверхности Земли точно над гипоцентро-эпицентром. Потому карта, показывающая распределение землетрясений, на самом деле есть карта их эпицентров. Расстояние от поверхности Земли до гипоцентра, называемое глубиной очага, может быть от нескольких километров до нескольких сотен километров.

Классификация и география землетрясения

Землетрясения классифицируются в зависимости от глубины расположения их очагов. Нормальными называется землетрясения при глубине их очага до 70 км. Это основноеколичество землетрясений. При глубине очага более 300 км землетрясения называется глубокофокусными.

Также землетрясения редки, они происходят, отличаются большой величиной выделенной энергии. Глубины очагов промежуточных землетрясений относятся к пределам 70-300 км. К таким землетрясениям. Например, относятся карпатские землетрясения.

Место возникновения землетрясений приурочены к определенным географическим зонам-поясам сейсмичности.

Таких поясов три группы:

-Тихоокеанский,

-Среди Земноморский или Трансазиатский

-Второстепенные

В последнюю группу входят;

- арктический пояс,

-пояс западной части индийского океана

-Восточно-Африканский пояс.

Тихоокеанский пояс с ответ велениями, котором происходят до 80% всех землетрясений (включая и большинство катастрофических). Этот пояс проходит через Курильские острова , Юго-восток Камчатки, Командорские и Амутские острова, Аляску, по Тихоокеанскому побережью Северной Америки до Мексики, где от этого пояса ответвляются Карибская или Антильская пояса. Затем пояс проходит по Тихоокеанскому побережью Южной Америки до ее южной оконечности, образуя Южно-Антильскую петлю, включающую Фальклендские острова и Новую Георгию. С южной стороны от Курильских островов, пояс проходит через Японию и восточное побережье Азии, разветвляясь здесь на западную и восточную ветви. Западная ветвь пересекает Филиппинские и малайские острова, огибает море Бонда, проходит через Зондские острова и заканчивается у Андоманских островов. Восточная ветвь, огибая Австралию, проходит через Новую Зеландию и замыкает пояс у южной оконечности Америки.

2. Средиземноморский, или Трансазиатский, пояс начинается с Бирмы, идет к Памиру, проходит Иран, бассейны Черного и Средиземного морей и входит в Атлантический океан в районе Азорских островов. В зоне этого пояса происходит примерно 15% всех землетрясений земного шара, причем наиболее сильные и частые землетрясения наблюдается вдоль горных целей Испании, Альп, Балкан, Карпат, Крыма, Кавказа, Гималаев.

Активная ветвь этого пояса начинается на территории Средиземноморских республик бывшего СССР и через Казахстан проходит к Байкалу.

3. Второстепенные пояса, куда входят арктический пояс, пояс западной части Индийского океана и восточно-африканский пояс.

Карта общего сейсмического районирования РК приводится в СНиП РК 2.03.-30-2006 «Строительство в сейсмических районах».

В зависимости от эффекта проявления на поверхности Земли землетрясения классифицируется по их интенсивности в баллах, которая определяются по шкале ГОСТ 6249-52 . Ожидаемая для каждого района максимальная величина интенсивности – сейсмичность различна.

Сейсмичность территорий РК, приуроченная к некоторым средним горно-геологическим условиям устанавливается по схеме сейсмического районирования (или по списку сейсмичности населенных пунктов ) РК.

Карта сейсмического районирования РК приводится в СниП РК 2.03-30-2006 «Строительство в сейсмических районах».

При горно-геологических условиях, отличных от средних, сейсмичность конкретной площадки строительства, принятая на карте, уточняется на основании данных микрорайонирования.

Микрорайонирование осуществляется непосредственно в районе строительства на основании подробных исследований его горно-геологических условий.

На основании микрорайонирования может быть установлено, что в одном и том же городе, но в разных его районах сейсмичность существенно различна.

В тех случаях, когда карты микрорайонирования отсутствуют, разрешается уточнять бальность по данным изысканий, ограниченных только характеристиками грунтовых условии, в соответствии с указаниями спец. таблиц СНиП.

Лекция 3

Тема лекции 3.Сейсмические волны и приборы для записи колебаний

План лекции

· Сейсмические волны.

· Приборы для записи колебаний. Сейсмографы, акселерографы, велосиграфы.

Тезисы лекции

Сейсмические волны. Объемные (продольные P-волны и поперечные S-волны) и поверхностные волны. Волны Рэлея (LR-волны) и волны Лява (LQ-волны). Характеристики сейсмических волн.

Приборы для записи колебаний. Сейсмографы, акселерографы, велосиграфы. Сейсмограммы, акселерограммы, велосиграммы.

Основное содержание лекции

Сейсмические волны

При землетрясении большая часть выделившейся упругой энергии расходуется на разламывание и дробление пород, на вертикальные и горизонтальные смещение примыкающих блоков земной коры и на образование тепла. Небольшая часть энергии излучается во всех направлениях в окружающее пространство в виде сейсмических волн, которые распространяются в теле Земли. Когда волны достигают земной поверхности, они порождают те колебания почвы, которые мы воспринимаем как землетрясение.

Существующие два основных типа сейсмических волн – объемные волны, распространяющиеся в объеме (или теле) Земли и подобные звуковым волнам, и поверхностные волны, идущие вдоль Земной поверхности, подобно морским волнам.

Объемные волны излучаются в окружающую среду во всех направлениях, ослабевая по мере удаления от источника. Два основных типа объемных волн – это волны Р и S. Волны Р, бегущие быстрее волн S, приходят в точку наблюдения первыми и вызывают там первый толчок, сигнализирующий о том, что произошло землетрясение. Волны Sобычно запаздывают на несколько секунд, вызывая следующий, обычно более резкий удар.

1. Продольные или Р-волны, вызывающие в породах, по которым они приходят, последовательно меняющиеся информации сжатия –растяжения. Это наиболее быстро распространяющиеся волны (их средняя скорость ≈ 8 км/сек), они первыми приходят в пункт наблюдения на поверхности Земли. Эти волны распространяются в твердых телах, жидкостях и воздуха.

2. Поперечные или S-волны,имеют меньшую, чем волны Р, скорость (в среднем ≈ 5 км/сек) и поэтому фиксируются сейсмостанцией позже. Эти волны вызывают в среде, через которую они проходят, деформации сдвига.

Амплитуды колебаний на поверхности Земли, вызванных поперечными волнами, больше вызванных продольными. Волны Sвызывают и наибольшее ускорение и поэтому особенно опасны для сооружений.

3. Поверхностные волны (L и R -волны)

Скорость этих волн меньше, чем у волн Р и S. Они имеют большие периоды и распространяются только по поверхности Земли, вызывая наибольшее по величине смещение, однако они не создают больших ускорений.

Рис. Сейсмические волны. Волны Р и S - объемные волны, излучаемые во все стороны от места, где происходит вспарывание трещины.

Хотя объемные волны непрерывно разбегаются от источника, образуя сферический волновой фронт, отдельные частицы вещества Земли движутся возвратно-поступательно, заканчивая свое движение примерно там же, где они его начали. В волнах Р частицы среды движутся вперед и назад вдоль направления распространения волны, поэтому для этой волны подошло бы название «тяни-толкай». Когда частицы движутся вперед-назад, они по очереди то сжимают, то растягивают вещество совсем как в подводной звуковой волне.

Волны S совсем иные, так как в них отдельные частицы вещества колеблются перпендикулярно направлению распространения волн, но по этой причине волны Sчасто называют поперечными (поскольку волны S создают в веществе не сжатия, а сдвигового напряжения, их называют также сдвиговыми волнами).

Наглядную модель волны S можно получить, встряхнув вверх-вниз горизонтально натянутую веревку (рис.)

Рис. Движение грунта при прохождении волн S похоже на движение веревки при смещении ее конца вверх-вниз. Хотя волна распространяется вдоль длины веревки, отдельные частицы веревки движутся только вверх и вниз перпендикулярно направлению распространения волны.

Волна побежит вправо вдоль веревки, хотя отдельные участки веревки будут двигаться только вверх-вниз перпендикулярно длине веревки.

Все части Земли и твердые породы в земной коре, и расплавленные породы земного ядра – могут передавать сжатие; поэтому волны Р могут двигаться, пересекая все тело Земли. Расплавленные части Земли не могут, однако, передавать сдвиговые напряжения, и поэтому распространение волн S ограничено твердыми частями Земли.

Поверхностные волны распространяются вдоль земной поверхности, захватывая лишь неглубокую зону под ней. В некоторых случаях разрушительные движения почвы могут вызываться этими волнами, которые распространяются с меньшей скоростью и имеют более длинные периоды (или более низкие частоты), чем объемные волны.

Разные типы известны и у поверхностных волн. Два из них наиболее важны – это волны LR (Рэлея) и LQ (Лява), названные по именам исследовавших их английских ученых – Лорда Рэлея и А.Э. Лява.

Волны Рэлея ведут себя как водяные волны, безостановочно бегущие вперед, в то время как отдельные частицы среды движутся по эллипсу в вертикальной плоскости. Если бросить камень в пруд, то корка или прутик, качаясь на волнах, продемонстрирует нам этот тип движения, волны, прибегая, заставляют плавающий предмет смещаться вверх-вниз и одновременно вперед-назад, но он всегда остается почти на том же месте.

Волны LQ так же безостановочно бегут вперед, но в них отдельные частицы вещества качаются туда-сюда по горизонтали в направлении, перпендикулярном направлению распространения этих волн.

Движение, которое мы ощущаем в любой точке земной поверхности, являются результатом положения волн разных типов. Измерение этого движения – нелегкая задача, но именно такие измерения служат нам для определения магнитуды и других характеристик землетрясения.