Когда в густонаселенной местности происходит сильный подземный толчок, многие здания получают повреждения или разваливаются. Главная причина этого - низкое качество построек. Разрушительное воздействие землетрясений связано с неустойчивостью грунта, с использованием сырцового кирпича или непрочной каменной кладки, что приводит к падению крыш и печных труб, растрескиванию фундаментов и стен.

Потенциально опасны тяжелые выступающие части домов, стенки парапетов и ненужные лепные украшения. Старая известка, незакрепленная кровля и стропила, лишенные элементов жесткости лифтовые шахты и каркасы, неукрепленные лестничные колодцы и общие стены смежных домов разного размера - все это также представляет опасность. При дифференцированных движениях рвутся подземные трубопроводы всех видов.

Чтобы свести к минимуму возможные повреждения, строители должны учитывать все геологические факторы, определяющие устойчивость здания. Скальные породы идеальное основание для крупных сооружений. Следует избегать строительства на слабых грунтах, крутых склонах, насыпных землях. Нежелательно также возводить здания на морских утесах, на обрывистых берегах рек, вблизи глубоких котлованов и на участках с высоким уровнем грунтовых вод в рыхлых осадочных породах. При строительстве мостов и высоких зданий необходимо обращать особое внимание на их вес, устойчивость по отношению к горизонтальным силам и на внутреннюю уравновешенность. Доказано, что железобетонные здания сравнительно устойчивы, однако деревянные, стальные и укрепленные каменные дома также могут быть сейсмостойкими, если они хорошо сконструированы и добротно построены. Для этого применяются соответствующие элементы жесткости и крепления: связывающие скобы, подпорки и стойки, анкерные болты. Наиболее безопасной конструкцией является та, которая будет гибкой и сможет двигаться как единое целое, т. е. так, чтобы отдельные ее части не ударялись друг о друга.

Обеспечение сейсмостойкости - обязательное требование при строительстве в сейсмоопасных районах. Необходимое увеличение стоимости составляет, по инженерной оценке, менее 10%, если соответствующие проблемы решаются на стадии проектирования.

Чтобы избежать катастрофических последствий в особо сейсмоопасных районах могут быть приняты некоторые административные меры. Для контроля землепользования и типов построек, разрешенных в зонах высокой сейсмичности, должны быть обязательны ограничения, налагаемые сейсмическим районированием. Это относится, например, к районам с неустойчивыми насыпными грунтами и к районам, где развиты оползни. Строительные нормы и правила должны определять стандарты различных зданий. Учет различного уровня риска в связи с особенностями геологической обстановки, выполняемый с помощью карты сейсмической опасности должен стать обычной практикой строительных и страховых компаний. Все эти меры контроля путем районирования, совершенствования строительных норм и классификации зданий по уязвимости - особенно необходимы для предотвращения человеческих жертв и катастрофических разрушений при будущих подземных толчках в районах сейсмической опасности: по периферии Тихого океана и в Средиземноморском поясе. Серьезная проблема состоит в том, как привести ныне существующие здания в соответствие со стандартами сейсмостойкости; другая проблема - подготовка планов мероприятий по смягчению последствий разрушительных подземных толчков.

Энергетика геолого-геофизических процессов: оценка вклада радиогенной, гравигенной и др. видов энергии в общий энергетический баланс.

Рассмотрим внутриземные процессы, приводящие к выделению, трансформации или поглощению тепловой энергии. К первичным источникам энергии относятся: начальная внутренняя теплота Земли, обусловленная нагреванием при аккреции космических частиц из протопланетного облака, а также их начальным теплосодержанием; изменение потенциальной гравитационной энергии Земли в процессе плотностной дифференциации ее вещества; изменение кинетической энергии вращения Земли, что сопровождается превращением механической энергии в тепловую посредством приливного трения; высвобождение внутриатомной энергии при распаде радиоактивных элементов и поглощении Землей внешнего нейтринного потока. Помимо этих внутриземных источников энергии можно еще отметить энергию солнечного излучения, падающего на земную поверхность. Абсолютная величина этой энергии огромна: она в 10 тыс. раз превышает величину теплового потока из недр, составляя в среднем 340 Вт/м2, или 5, 5·1024Дж/год. Однако 40% этой энергии сразу же отражается от поверхности, остальная часть после ряда преобразований в атмосфере, гидросфере и биосфере преобразуется в более длинноволновое излучение, нагревающее эти геосферы, а затем практически полностью (98%) излучается обратно в космос. Лишь 2% этой энергии расходуется на разрушение коренных пород земной коры и превращение их в осадочные породы, а также накапливается в органическом веществе и в горючих полезных ископаемых. Таким образом, солнечная энергия в очень малой степени сохраняется на земной поверхности и в еще меньшей степени проникает в недра. Однако солнечная радиация определяет температуру поверхности и самого верхнего слоя земной коры, а это граничное условие для любых расчетов температурного состояния литосферы.

Температура земной поверхности периодически меняется, что связано с изменением интенсивности инсоляции. Например, в течение суток происходят суточные колебания температуры, в течение года - сезонные колебания, в течение геологических эпох - климатические колебания. Толщина слоя суточных колебаний составляет 0, 9-1, 2 м, т. е. распространяется только на почвенный слой, а сезонных - достигает 18-40 м. Подошва слоя сезонных колебаний называется "нейтральным слоем", а сам слой, где проявляется влияние солнечной радиации, названгелиотермозоной. Ниже гелиотермозоны располагается геотермозона- это слой, в котором проведены экспериментальные геотермические измерения. На глубинах ниже "нейтрального слоя" температура остается практически постоянной и не зависит от перемен, происходящих на поверхности под влиянием солнечной радиации.

Следует помнить, что представление об инвариантности температуры верно только для принятой точности нашей измерительной аппаратуры. Если точность аппаратуры увеличится на порядок, то толщину гелиотермозоны тоже придется пересматривать. Для проблемы определения внутренней температуры Земли и глубинных теплопотерь инсоляционные процессы не имеют значения. Можно принять, что в исторических масштабах времени температура оставалась неизменной, а в геологических менялась не более чем на 50°С.

На протопланетной стадии основным источником энергии являлась энергия аккреции холодного вещества протопланетного газо-пылевого облака. Высказанная в конце 40-х годов О. Ю. Шмидтом и Ф. Хойлом, эта гипотеза оказалась на редкость плодотворной не только при объяснении механизма образования планет, но также и при рассмотрении эволюции Земли на планетной стадии ее развития. Величина энергии аккреции огромна - 23·1031Дж. Часть этой энергии (примерно 15%) ушла на упругое сжатие вещества в земных недрах, но и оставшейся энергии было достаточно для разогрева Земли. По оценкам В. С. Сафронова, процесс формирования Земли длился 108лет, поэтому энергия аккреции не расплавила земное вещество полностью. Температура недр повышалась постепенно и достигла к концу протопланетного периода 1500°С на глубине 500 км в мантии. Таким образом, первичная энергия сыграла свою главную роль в младенческом возрасте планеты.

Вклад радиогенной энергии в общий энергетический баланс также оценивается по-разному. За первые 200 млн лет существования Земли практически полностью распались короткоживущие радиоактивные изотопы, выделяющие заметную долю тепла при распаде: 26Al, 10Be, 60Fe, 36Cl, имеющие период полураспада 106-107 лет. Заметно уменьшилось и количество долгоживущих изотопов: 87Rb, 115In, 148Sm, 235U, 238U, 232Th и 40К. Из перечисленных изотопов три последних дают основной вклад в современный тепловой режим, так как их энергия спонтанного распада в 103-104раз выше энергии распада остальных изотопов. Общий вклад радиогенной энергии составляет (0, 4-2, 0)·1031Дж. Выделение радиогенного тепла спровоцировало процесс гравитационной дифференциации геосфер, т. е. формирование внешнего и внутреннего ядра, мантии и земной коры.

Наибольшая энергия, выделившаяся за геологический период развития Земли, связана с процессом образования земного ядра. По оценкам разных авторов она составляет (1, 45-4, 60)·1031Дж. Пик выделения гравигенной энергии приходится, по-видимому, на период (2-3)·109лет тому назад, когда сформировались протоконтинентальные блоки, а затем доля гравигенной энергии падала, хотя сейчас, вероятно, она превышает величину радиогенной энергии.

Оценки энергии приливного трения дают значения (0, 3-0, 4)·1031 Дж. и согласуются в большинстве публикаций. Интенсивность выделения энергии каждым из источников менялась во времени. Так, выделение энергии за счет радиоактивного распада и приливного трения преобладало над энергией гравитационной дифференциации лишь на самых ранних этапах развития Земли. Но уже через миллиард лет после образования планеты ведущим энергетическим процессом становится процесс образования земного ядра и подчиненный ему процесс плотностной дифференциации мантии.

Эволюция термической истории Земли в начальный период представляется следующим образом. Интенсивное выделение аккреционной, приливной и радиогенной энергии, а также замедленность конвективного теплообмена привели к разогреву недр планеты, что могло вызвать плавление окислов железа. Они интенсивно начали тонуть в силу своей большей плотности по сравнению с силикатным веществом и образовали ядро Земли. Дифференциация ядра еще больше повысила температуру в недрах, что привело уже к плавлению базальтов и излиянию их на поверхность Земли, а также внедрению в верхние геосферы, где продолжился процесс дифференциации. Это обусловило расслоение мантии и образование литосферы, астеносферы, а в дальнейшем и земной коры.

Таким образом, в начальный период жизни планеты происходил ее разогрев, но с началом активных геологических процессов, т. е. 3, 7 млрд лет, гораздо интенсивнее стали происходить теплопотери, что привело к выравниванию скоростей теплогенерации и теплопотерь.

Генерируемая Землей энергия не сразу излучается в космос. Земля - это низкотеплопроводное тело, поэтому энергия с поверхности ядра, распространяемая кондуктивным путем, еще до сих пор не достигла поверхности Земли. Скорость распространения тепла, генерируемого в мантии, соизмерима со скоростью протекания геологических процессов, поэтому очевидно, что энергия излучается после многочисленных трансформаций в геологических процессах, которые она, собственно, и вызывает.

Процессы трансформации представляют собой работу деформаций скалывания и сжатия (растяжения), а также работу фазовых и физико-химических преобразований вещества. Часть этой энергии, непосредственно преобразующейся в тепло, затем теряется Землей, а другая часть аккумулируется, переходит в так называемый латентный запас. Этот запас тоже может выделиться при изменении геологических условий.

Деформации скалывающего типа реализуются в виде пластического течения и нарушения сплошности среды, оро- и эпейрогенеза, складчатости, т. е. практически всех типов тектонических деформаций. В процессе этих деформаций питающая их энергия частично переходит в свободную энергию возникающих поверхностей разрыва, частично - в скрытую теплоту образования в разломных зонах новых минералов, например руд. Главный же вид трансформации - это переход энергии в тепло тектонического трения (фрикционное тепло). Фрикционное тепло не может вызвать тектонические движения, но является их обязательным следствием и вызывает нагревание и даже плавление твердых земных пород. Некоторые исследователи придавали фрикционному теплу главную роль как энергетическому источнику тектонических процессов. Однако следует помнить, что этот вид тепла является лишь реакцией на деформацию земных масс, происходящую под действием первичного тепловыделения.

Самый яркий вид реакции земных масс на напряжения - это землетрясения. Почти вся энергия землетрясений выделяется в верхних 100 км Земли, т. е. в тонкой "поверхностной пленке". Упругие сейсмические колебания постепенно затухают, вызывая нагревание поглощающей пластичной среды и трение во вновь образующихся разломах. Оба эти эффекта вызывают некоторое увеличение теплового потока через поверхность Земли, что учитывается в балансовых расчетах.

Энергетический эффект сейсмической деятельности проявляется неравномерно в пространстве и во времени. Мы хорошо знаем, что 95% этой энергии выделяется в двух подвижных поясах Земли: в Тихоокеанском и Альпийско-Гималайском, занимающих лишь 5% территории планеты. Средняя мощность сейсмических явлений на протяжении длительного геологического периода на несколько порядков ниже, чем в течение отдельных отрезков времени. Поэтому оценки эффекта сейсмичности на основании инструментальных наблюдений за исторический период, составляющие от 3·1017 (Б. Гутенберг и К. Рихтер) до 1019Дж/год (Л. Кнопофф), могут быть сильно завышенными и не должны безоговорочно включаться в геоэнергетический баланс.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12