Землетрясения и атомная энергетика

^{Санкт-Петербургский  государственный  университет}

^{геологический факультет}

^{кафедра экологической  геологии}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^{КУРСОВАЯ РАБОТА}

 

^{«Землетрясения  и атомная энергетика»}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^{Научный руководитель:}

^{канд. геол.-мин. наук,}

^{доцент Лебедев  С.В.}

 

^{Зав. кафедрой:}

^{доктор геол.-мин. наук,}

^{проф. Куриленко  В.В.}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^{Санкт-Петербург}

^{2011 г.}

 

^{Оглавление}

 

^{Введение}

^{Одним из наиболее частых и страшных природных катастроф  является землетрясения. При сильных землетрясениях нарушается целостность  грунта, разрушаются  здания и сооружения, выводятся из строя  коммунально-энергетические сети, АЭС. Они уносят десятки и сотни тысяч человеческих жизней и вызывают опустошительные разрушения на огромных пространствах.}

^{Землетрясение представляет собой сейсмические явления, возникающие  в результате внезапных  смещений и разрывов в земной коре или  верхней части  мантии, передающиеся на большие расстояния в виде резких колебаний, приводящих к разрушению зданий, сооружений, пожарам и человеческим жертвам. Причины возникновения землетрясений бывают разные: тектонические, вулканические, представляющие наибольшую опасность, а также обвальные, наведенные и др.}

^{Отметим, что  землетрясения является причиной возникновения  огромных волн цунами, вызывающие страшные разрушения на суше. Тектонические процессы происходящие в океане образуют волны, длинна которых исчисляется десятками или сотнями километров. Защита от цунами в большей мере зависит от того как будет предсказано землетрясение.}

^{К сожалению, предсказать  место и время  землетрясения, за исключением  нескольких случаев, до сих пор еще  не удается, но ученые различных стран  прилагают большие  усилия в изучении природы землетрясений.}

 

^{1. Землетрясения}

^{Колебания Земли, вызванные внезапными изменениями в  состоянии недр планеты. Эти колебания  представляют собой  упругие волны, распространяющиеся с высокой скоростью  в толще горных пород. Наиболее сильные землетрясения иногда ощущаются на расстояниях более 1500 км от очага и могут быть зарегистрированы сейсмографами (специальными высокочувствительными приборами) даже в противоположном полушарии. Район, где зарождаются колебания, называется очагом землетрясения, а его проекция на поверхность Земли – эпицентром землетрясения. Очаги большей части землетрясений лежат в земной коре на глубинах не более 16 км, однако в некоторых районах глубины очагов достигают 700 км. Ежедневно происходят тысячи землетрясений, но лишь немногие из них ощущаются человеком.}

^{Упоминания о  землетрясениях встречаются  в Библии, в трактатах  античных ученых –  Геродота, Плиния и  Ливия, а также  в древних китайских  и японских письменных источниках. До 19 в. большинство  сообщений о землетрясениях содержало описания, обильно приправленные суевериями, и теории, основанные на скудных и недостоверных наблюдениях. Серию систематических описаний (каталогов) землетрясений в 1840 начал А.Перри (Франция). В 1850-х годах Р.Малле (Ирландия) составил большой каталог землетрясений, а его подробный отчет о землетрясении в Неаполе в 1857 стал одним из первых строго научных описаний сильных землетрясений.}

^{Географическое  распространение  землетрясений}

^{Большинство землетрясений  сосредоточено в  двух протяженных, узких зонах. Одна из них обрамляет Тихий океан, а вторая тянется от Азорских о-вов на восток до Юго-Восточной Азии.}

^{Тихоокеанская сейсмическая зона проходит вдоль  западного побережья  Южной Америки. В  Центральной Америке  она разделяется  на две ветви, одна из которых следует вдоль островной дуги Вест-Индии, а другая продолжается на север, расширяясь в пределах США, до западных хребтов Скалистых гор. Далее эта зона проходит через Алеутские о-ва до Камчатки и затем через Японские о-ва, Филиппины, Новую Гвинею и острова юго-западной части Тихого океана к Новой Зеландии и Антарктике.}

^{Вторая зона от Азорских о-вов простирается на восток через Альпы  и Турцию. На юге  Азии она расширяется, а затем сужается и меняет направление  на меридиональное, следует через  территорию Мьянмы, острова Суматра и Ява и соединяется с циркумтихоокеанской зоной в районе Новой Гвинеи.}

^{Выделяется также  зона меньшего размера  в центральной  части Атлантического океана, следующая  вдоль Срединно-Атлантического хребта.}

^{Существует ряд  районов, где землетрясения происходят довольно часто. К ним относятся Восточная Африка, Индийский океан и в Северной Америке долина р.Св. Лаврентия и северо-восток США.}

^{Иногда в районах, которые принято  считать неактивными, происходят сильные  землетрясения, как, например, в Чарльстоне (шт. Южная Каролина) в 1886.}

^{По сравнению  с мелкофокусными глубокофокусные  землетрясения имеют  более ограниченное распространение. Они  не были зарегистрированы в пределах Тихоокеанской  зоны от южной Мексики  до Алеутских о-вов, а в Средиземноморской зоне  к западу от Карпат. Глубокофокусные землетрясения характерны для западной окраины Тихого океана, Юго-Восточной Азии и западного побережья Южной Америки. Зона с глубокофокусными очагами обычно располагается вдоль зоны мелкофокусных землетрясений со стороны материка.}

^{1.1. Типы землетрясений}

^{Хотя уже с  давних времен ведутся  многочисленные исследования, нельзя сказать, что  причины возникновения  землетрясений полностью  изучены. По характеру  процессов в их очагах выделяют несколько  типов землетрясений, основными из которых являются тектонические, вулканические и техногенные.}

^{Тектонические землетрясения.}

^{Возникают вследствие внезапного снятия напряжения, например, при подвижках  по разлому в земной коре (исследования последних лет  показывают, что причиной глубоких землетрясений могут быть и фазовые переходы в мантии Земли, происходящие при определенных температурах и давлениях). Иногда глубинные разломы выходят на поверхность. Во время катастрофического землетрясения в Сан-Франциско 18 апреля 1906 общая протяженность поверхностных разрывов в зоне разлома Сан-Андреас составила более 430 км, максимальное горизонтальное смещение – 6 м. Максимальная зарегистрированная величина сейсмогенных смещений по разлому 15 м.}

^{Вулканические землетрясения}

^{Происходят вследствие резких перемещений  магматического расплава в недрах Земли  или в результате возникновения разрывов под влиянием этих перемещений.}

^{Техногенные землетрясения}

^{Могут быть вызваны  подземными ядерными испытаниями, заполнением  водохранилищ, добычей нефти и газа методом нагнетания жидкости в скважины, взрывными работами при добыче полезных ископаемых и пр. Менее сильные землетрясения происходят при обвале сводов пещер или горных выработок.}

^{1.2. Сейсмические  волны}

^{Колебания, распространяющиеся из очага землетрясения, представляют собой упругие волны, характер и скорость распространения которых зависят от упругих свойств и плотности пород. К упругим свойствам относятся модуль объемной деформации, характеризующий сопротивление сжатию без изменения формы, и модуль сдвига, определяющий сопротивление усилиям сдвига. Скорость распространения упругих волн увеличивается прямо пропорционально квадратному корню значений параметров упругости и плотности среды.}

^{Продольные  и поперечные волны}

^{На сейсмограммах эти волны появляются первыми. Раньше всего регистрируются продольные волны, при прохождении которых каждая частица среды подвергается сначала сжатию, а затем снова расширяется, испытывая при этом возвратно-поступательное движение в продольном направлении (т.е. в направлении распространения волны). Эти волны называются также Р-волнами, или первичными волнами. Их скорость зависит от модуля упругости и жесткости породы. Вблизи земной поверхности скорость Р-волн составляет 6 км/с, а на очень большой глубине около 13 км/с. Следующими регистрируются поперечные сейсмические волны, называемые также S-волнами, или вторичными волнами. При их прохождении каждая частица породы колеблется перпендикулярно направлению распространения волны. Их скорость зависит от сопротивления породы сдвигу и составляет примерно 7/12 от скорости распространения Р-волн.}

^{Поверхностные волны}

  ^{Распространяются вдоль земной поверхности или параллельно ей. В этой группе выделяются волны Рэлея и волны Лява (названные по именам ученых, разработавших математическую теорию распространения таких волн). При прохождении волн Рэлея частицы породы описывают вертикальные эллипсы, лежащие в очаговой плоскости. В волнах Лява частицы породы колеблются перпендикулярно направлению распространения волн. Поверхностные волны часто обозначаются сокращенно как L-волны. Скорость их распространения составляет 3,2 - 4,4 км/с. При глубокофокусных землетрясениях поверхностные волны очень слабые.}

^{1.3. Амплитуда  и период волн}

^{Амплитуда и период характеризуют колебательные движения сейсмических волн. Амплитудой называется величина, на которую изменяется положение частицы грунта при прохождении волны по сравнению с предшествовавшим состоянием покоя. Период колебаний промежуток времени, за который совершается одно полное колебание частицы. Вблизи очага землетрясения наблюдаются колебания с различными периодами – от долей секунды до нескольких секунд. Однако на больших расстояниях от центра (сотни километров) короткопериодные колебания выражены слабее: для Р-волн характерны периоды от 1 до 10 с, а для S-волн – немного больше. Периоды поверхностных волн составляют от нескольких секунд до нескольких сотен секунд. Амплитуды колебаний могут быть значительными вблизи очага, однако на расстояниях 1500 км и более они очень малы менее нескольких микрон для волн Р и S и менее 1 см – для поверхностных волн.}

^{1.4. Отражение  и преломление волн}

  ^{Встречая на своем пути слои пород с отличающимися свойствами, сейсмические волны отражаются или преломляются подобно тому, как луч света отражается от зеркальной поверхности или преломляется, переходя из воздуха в воду. Любые изменения упругих характеристик или плотности материала на пути распространения сейсмических волн заставляют их преломляться, а при резких изменениях свойств среды часть энергии волн отражается (рис.1).}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

^{Рис. 1. Схема распространения  сейсмических волн при  землетрясении.}

^{1.5. Пути сейсмических  волн}

^{Продольные и  поперечные волны  распространяются в  толще Земли, при  этом непрерывно увеличивается  объем среды, вовлекаемой в колебательный процесс. Поверхность, соответствующая максимальному продвижению волн определенного типа в данный момент, называется фронтом этих волн. Поскольку модуль упругости среды возрастает с глубиной быстрее, чем ее плотность (до глубины 2900 км), скорость распространения волн на глубине выше, чем вблизи поверхности, и фронт волны оказывается более продвинутым вглубь, чем в латеральном (боковом) направлении. Траекторией волны называется линия, соединяющая точку, находящуюся на фронте волны, с источником волны. Направления распространения волн Р и S представляют собой кривые, обращенные выпуклостью вниз (из-за того, что скорость движения волн больше на глубине). Траектории волн Р и S совпадают, хотя первые распространяются быстрее.}

^{Сейсмические станции, находящиеся вдали от эпицентра землетрясения, регистрируют не только прямые волны Р и S, но также волны этих типов, уже отраженные один раз от поверхности Земли - РР и SS (или РR₁ и SR₁), а иногда - отраженные дважды - РРР и SSS (или РR₂ и SR₂). Существуют также отраженные волны, которые проходят один отрезок пути как Р-волна, а второй, после отражения, - как S-волна. Образующиеся обменные волны обозначаются как РS или SР. На сейсмограммах глубокофокусных землетрясений наблюдаются также и другие типы отраженных волн, например, волны, которые прежде, чем достичь регистрирующей станции, отразились от поверхности Земли. Их принято обозначать маленькой буквой, за которой следует заглавная (например, рR). Эти волны очень удобно использовать для определения глубины очага землетрясения.}

^{На глубине 2900 км скорость P-волн резко  снижается от >13 км/с до примерно 8 км/с; а S-волны не распространяются ниже этого уровня, соответствующего границе земного ядра и мантии. Оба типа волн частично отражаются от этой поверхности, и некоторое количество их энергии возвращается к поверхности в виде волн, обозначаемых как РсР и SсS. Р-волны проходят сквозь ядро, но их траектория при этом резко отклоняется и на поверхности Земли возникает теневая зона, в пределах которой регистрируются только очень слабые Р-волны. Эта зона начинается на расстоянии около 11 тыс. км от сейсмического источника, а уже на расстоянии 16 тыс. км Р-волны снова появляются, причем их амплитуда значительно возрастает из-за фокусирующего влияния ядра, где скорости волн низкие. Р-волны, прошедшие сквозь земное ядро, обозначаются РКР. На сейсмограммах хорошо выделяются также волны, которые по пути от источника к ядру идут как волны S, затем проходят сквозь ядро как волны Р, а при выходе волны снова преобразуются в тип S. В самом центре Земли, на глубине более 5150 км, существует внутреннее ядро, находящееся предположительно в твердом состоянии, но природа его пока не вполне ясна. Волны, проникающие сквозь это внутреннее ядро, обозначаются как РКIКР или SКIКS (рис. 1).}

 

^{2. Цунами}

^{Разрушительные  волны, вызываемые подводными землетрясениями, а  иногда вулканическими извержениями или  подводными оползнями, принято называть японским термином “цунами”, что в переводе означает “волна гавани”.}

^{Горное движение провоцирует движение воды тем самым активизирует сейсмическую морскую волну, известную как цунами. Волны ,произведенные землетрясением, часто называют периодическими. Эти волны не имеют отношения к приливным волнам по своему происхождению. Мощность волны существенно зависит от особенностей очага их зарождения, силы землетрясения его геометрических характеристик. Основной причиной разрушительных волн является резкие вертикальные смещения отдельных участков дна океана в следствии сесмотектонических подвижек, сдвиг крутых и протяженных подводных склонов в горизонтальном направлении.}