Город как экосистема

РАЙОНИРОВАНИЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА ПО ВЕЛИЧИНЕ РАСЧЕТНОЙ СИЛЫ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

УДК: 551+72
Шифр научной специальности: 26.3+85.11

Аннотация

По результатам Общего сейсмического районирования территории Российской Федерации ОСР-97 Средний Урал был отнесен к регионам, в которых при проектировании и строительстве инженерных объектов необходимо учитывать сейсмичность [1]. На картах «А» и «В» из комплекта ОСР-97, использующихся при проектировании объектов основного (массового) строительства и объектов повышенной ответственности, Средний Урал показан как область, где величина расчетной силы сейсмического воздействия для условий грунтов второй категории по сейсмическим свойствам по классификации СН и П II -7-81* принята в 6 баллов по шкале MSK-64. На карте «С» из комплекта ОСР-97, использующейся для проектирования особо ответственных объектов, Средний Урал и прилегающие к нему области Южного и Северного Урала показаны как область, где величина расчетной силы сейсмического воздействия для условий грунтов второй категории по сейсмическим свойствам по классификации СН и П II -7-81* принята в 6 - 8 баллов по шкале MSK-64. Отметим, что согласно [2] к грунтам второй категории относятся: скальные выветрелые и сильновыветрелые грунты, пески разной крупности маловлажные и влажные, глинистые нетекучие грунты твердой консистенции. Фоновая величина расчетной силы сейсмического воздействия на участках развития грунтов первой категории уменьшается на один балл по отношению к участкам с грунтами второй категории. А на участках развития грунтов третьей категории она на один балл увеличивается относительно участков с грунтами второй категории.

В пределах центральной части Уральского региона развиты грунты разных типов, поэтому возникла необходимость детального районирования по сейсмогрунтовым условиям и, соответственно, по величине расчетной силы сейсмического воздействия на объекты разной степени ответственности в рамках детализации карт ОСР-97. В данной статье приводятся результаты этой работы.

Сейсмогрунтовые условия в центральной части Уральского региона

Для отнесения грунтов в основании фундаментов объектов к определенной категории по сейсмическим свойствам по классификации СН и П II -7-81* необходимо, чтобы их мощность в разрезе пород верхней части земной коры под основанием фундамента была 5 м и более [2]. Исходя из этого, выполнено районирование центральной части Уральского региона по сейсмогрунтовым условиям.

Согласно нему, верхняя часть земной коры Предуралья и «обнаженного» Урала сложена скальными и полускальными породами палеозойского возраста [3], физико-механические свойства которых позволяют отнести их к грунтам наиболее благоприятной в инженерно-сейсмическом отношении первой категории по сейсмическим свойствам по классификации СН и П -7-81* (рис.1).

Эти породы перекрыты относительно небольшой (в среднем менее 8-10 м) мощности чехлом коры выветривания и кайнозойских, в основном четвертичных, отложений. Грунты этого чехла по своим физико-механическим свойствам могут быть отнесены к грунтам второй категории по сейсмическим свойствам по классификации СН и П -7-81*. В чехле коры выветривания имеются крупные и глубокие (до десятков и первых сотен метров) карманы, развившиеся в мезо-кайнозойское время по региональным разломам [4,5] (рис. 1). Площадь развития грунтов второй категории в пределах Предуралья и «обнаженного» Урала составляет приблизительно половину всей площади этой территории. Вторую половину (а возможно и несколько больше) площади Предуралья и «обнаженного» Урала слагают участки развития грунтов первой категории.

В Предуралье и на восточном склоне «обнаженного» Урала в пределах развития мощных толщ карбонатных пород и эвапоритов осложняющим инженерно-сейсмическую обстановку фактором является карст. Во время ощутимых землетрясений возможно обрушение карстовых пустот, как это произошло в Андроновской ледяной пещере (Пермский край, район Пермь-Серга) во время сейсмического события 28 июля 1956 г. [8].

В Зауралье скальные палеозойские породы перекрыты мощным (от нескольких десятков метров до более километра) чехлом мезо-кайнозойских песчано-глинистых отложений, физико-механические свойства которых позволяют отнести их к грунтам преимущественно второй по сейсмическим свойствам по классификации СН и П -7-81*.

В пределах области развития этих грунтов выделяются заболоченные участки и поймы рек, грунты в пределах которых могут быть отнесены к грунтам преимущественно наименее благоприятной третьей категории по сейсмическим свойствам по классификации СН и П -7-81*.

Районирование центральной части Уральского региона по величине расчетной силы сейсмического воздействия

В Предуралье и в пределах «обнаженного» Урала на участках развития грунтов первой категории в пределах потенциально сейсмичных областей ОСР-97 на картах «А» и «В» эта величина оценивается в 5 баллов, за пределами областей ОСР-97 – в 4 балла по шкале MSK-64 (рис. 2 и 3). В пределах этих же потенциально сейсмичных областей в зонах развития грунтов второй категории (в основном в пределах карманов выветривания) эта величина равняется фоновой и оценивается в 6 баллов. За пределами потенциально сейсмичных областей она оценивается в 5 баллов по шкале MSK-64. В Зауралье на картах «А» и «В» выделяются области, где величина расчетной силы сейсмического воздействия оценивается в среднем в 5 баллов, а в поймах рек и на заболоченных участках она может быть принята в 6 баллов по шкале MSK-64.

На карте «С» в пределах Предуралья и «обнаженного» Урала в пределах 8- балльной области ОСР-97 наибольшая величина расчетной силы сейсмического воздействия в 8 баллов может быть принята на участках развития грунтов второй категории (рис. 4). Эти участки представляют собой карманы выветривания, развившиеся по зонам региональных и крупных разломов, образующих при пересечении и сочленении Билимбаевский тектонический потенциально сейсмичный узел, в пределах которого 17.08.1914 года возник очаг самого сильного на Урале за период инструментальных сейсмологических наблюдений землетрясения, магнитуда которого оценивается в 4,5-5,0, а сила сотрясения в эпицентре в 6-7 баллов по шкале MSK-64. В пределах 8-балльной области ОСР-97, но за пределами зон развития грунтов второй категории величина расчетной силы сейсмического воздействия оценивается в 7 баллов.

В 6 и 7-балльных зонах карты «С» ОСР-97 в области Предуралья и «обнаженного» Урала к участкам с величиной расчетной силы сейсмического воздействия на особо ответственные объекты в 6 и 7 баллов также могут быть отнесены участки развития грунтов второй категории, представленные карманами выветривания, развившимися в мезо-кайнозойское время по региональным разломам. За пределами этих участков, но в пределах 6 и 7-балльной области ОСР-97 на участках развития скальных грунтов первой категории эта величина оценивается в 5 и 6 баллов, соответственно.

В Зауралье в пределах 6 и 7-балльных областей карты «С» ОСР-97 в пределах развития грунтов второй категории средние значения величины расчетной силы сейсмического воздействия на особо ответственные объекты оцениваются в 6 и 7 баллов, соответственно. А в этих же областях на участках развития грунтов третьей категории эти величины оцениваются в 7 и 8 баллов. За пределами 6 балльной области карты «С» ОСР-97 в пределах развития грунтов второй категории Зауралья величина расчетной силы сейсмического воздействия оценивается в 5 баллов, а поймах рек и на заболоченных участках – до 6 баллов по шкале MSK-64.

Анализируя полученные карты детального районирования центральной части Уральского региона по величине расчетной силы сейсмического воздействия, можно видеть, что площадь участков с наибольшей величиной расчетной силы сейсмического воздействия по результатам выполненной детализации приблизительно вдвое меньше площади 6–8-балльных потенциально сейсмичных областей на картах «А», «В», «С» ОСР-97.

Сейсмическая и геодинамическая активность земной коры центральной части Уральского региона

Фоновая величина расчетной силы сейсмического воздействия, кроме грунтовых условий, определяется магнитудой (энергией) землетрясений. На Среднем Урале ощутимые землетрясения происходят редко и их сила невелика [6,7,8]. Магнитуда двух самых сильных событий оценивается в 4,5-5,0 (Билимбаевское землетрясение 17.08.1914 года) и 5,3 (землетрясение 23.05.1798 г.) [8]. Временной интервал между этими события 114 лет сопоставим с временным интервалом возникновения очагов наиболее сильных землетрясений в сейсмоактивных регионах. Сила сотрясения в эпицентрах наиболее сильных землетрясений Среднего Урала составляет 5-6 баллов по шкале MSK-64. Хотя в расположенной в эпицентральной зоне Билимбаевского землетрясения деревне Трека сотрясения предположительно могли достигать 7 баллов [8].

Эпицентры практически всех наиболее сильных ощутимых землетрясений центральной части Уральского региона локализованы в пределах Предуралья и «обнаженного» Урала в области развития наиболее благоприятных сейсмогрунтовых условий. Они приурочены к крупным тектоническим узлам, образованным сближением и пересечением региональных омоложенных палеозойских разломов. Узлами, в которых возможно возникновение наиболее сильных для нашего региона сейсмических явлений с магнитудой 4,5 – 5,0 и силой сотрясения в эпицентре 6 баллов, являются Билимбаевский, Серебрянский, Висимо-Тагильский, Нязепетровский, Каслинско-В.Уфалейский, Златоуст-Миасс-Кыштымский.

В пределах Зауралья, где сейсмогрунтовые условия менее благоприятны, возникновения очагов сильных ощутимых землетрясений не отмечено и не предполагается их возникновения в обозримом будущем.

В целом анализ сейсмичности Среднего Урала свидетельствует о невысоком сейсмопотенциале земной коры региона и ее низкой сейсмической активности [9]. Эти параметры определяются низкой средней скоростью деформации земной коры Урала на новейшем и современном этапах [10,11]. Несмотря на это, в пределах региона происходят повреждения инженерных объектов, обусловленные воздействием на них со стороны геологической среды – разрывы магистральных газопроводов, аварии на линиях подземных коммуникаций в городах, повреждения наземных объектов. Характер некоторых повреждений такой же, как после 6–7-балльных землетрясений, хотя таковых после Билимбаевского землетрясения на Урале не отмечалось. Все это позволяет предположить, что в верхней части земной коры постоянно действует неблагоприятный в инженерно-геологическом отношении фактор, который можно условно назвать геодинамическим. Предполагается, что действие этого фактора в виде микроподвижек грунтов и пород верхней части земной коры, не сопровождающихся ощутимыми землетрясениями, неблагоприятно отражается на состоянии подземных и наземных инженерных объектов. В свою очередь, вышеупомянутые микроподвижки могут быть обусловлены согласованным воздействием на земную кору эндогенных, экзогенных и техногенных факторов [10]. О возможной связи аварий на линиях городского водопровода Екатеринбурга с действием геодинамического фактора свидетельствуют результаты GPS-мониторинга расстояния между зданием Института Горного дела в Екатеринбурге и геофизической обсерваторией «Арти» в одноименном поселке за период 1999–2009 гг. Наблюдающийся каждую осень пик числа водопроводных аварий в Екатеринбурге приходится на период уменьшения расстояния между этими пунктами [10]. Не исключено, что это может быть обусловлено сезонным сжатием земной коры, вызывающим деформации и повреждения стальных и чугунных труб екатеринбургского водопровода.

Изучение современной геодинамики земной коры центральной части Уральского региона с использованием GPS- технологий начато Институтом Горного дела УрО РАН и Институтом геофизики УрО РАН сравнительно недавно. Первые результаты этих исследований позволяют предположить наличие в пределах центральной части Уральского региона участков с разным характером, направлением и скоростью изменения координат пунктов наблюдения (мониторинга) [11]. Это может свидетельствовать о различии характера и скорости деформации верхней части земной коры. Пограничные зоны таких участков могут являться потенциально аварийными для магистральных трубопроводов, наземных сооружений. В пределах них может происходить ускоренный износ дорожного покрытия.

Выводы

1. Инженерно-сейсмические условия в пределах центральной части Уральского региона оцениваются в целом как благоприятные и безопасные для большей части инженерных объектов, за исключением аварийных, ветхих, а также особо ответственных сооружений. Это обусловлено благоприятными сейсмогрунтовыми условиями Предуралья и «обнаженного» Урала, в пределах которых сосредоточены эпицентры всех наиболее сильных уральских землетрясений. В Зауралье, где сейсмогрунтовые условия менее благоприятные, возникновения очагов сильных ощутимых землетрясений с магнитудой 4,5 и более за последние 250 лет не отмечалось и не предполагается в будущем. Кроме того, мощная толща мезо-кайнозойских песчано-глинистых отложений Зауралья может сыграть роль демпфера, гася сейсмические колебания от возможных очагов в палеозойском фундаменте. Этот вывод совпадает с выводом, сделанным в 1940 году З.Г. Вейс-Ксенофонтовой и В.В. Поповым [7].

2. Наиболее малоблагоприятными в инженерно-сейсмическом отношении участками являются потенциально-сейсмичные тектонические узлы, локализованные в Предуралье и в области «обнаженного» Урала. Здесь могут отмечаться наиболее сильные сейсмические сотрясения в рассматриваемом регионе силой до 6-7 баллов по шкале MSK-64. Эти участки относительно небольшие по площади. Их размеры составляют от километров до первых десятков километров.

3. По результатам выполненной детализации площадь зон с наибольшей величиной расчетной силы сейсмического воздействия в пределах центральной части Уральского региона приблизительно вдвое меньше площадей потенциально сейсмичных областей, показанных для Урала на картах ОСР-97.

4. На фоне редко происходящих и несильных природных землетрясений в земной коре Среднего Урала постоянно действует малоблагоприятный в инженерно-геологическом отношении фактор, который можно назвать геодинамическим. Его действие подобно действию сверхнизкочастоного медленного землетрясения силой до 6-7 баллов по шкале MSK-64.

Рекомендации

1. Так как антисейсмические инженерные мероприятия при проектировании и строительстве объектов начинают применяться начиная с величины расчетной силы сейсмического воздействия в 7 баллов по шкале MSK-64, то, следовательно, в условиях центральной части Уральского региона это актуально лишь для особо ответственных и уникальных объектов. На площадках планируемого строительства таких объектов необходимо выполнение микросейсмического районирования. Эти работы выполняются соответствующим подразделением Института геофизики УрО РАН. По желанию проектировщиков и застройщиков оценка величины расчетной силы сейсмического воздействия может быть выполнена соответствующим подразделением Института геофизики УрО РАН и для объектов с меньшей степенью ответственности в плане сейсмобезопасности.

2. Предпочтительнее размещать особо ответственные объекты за пределами потенциально сейсмичных тектонических узлов.

3. Если инструментальное изучение сейсмичности Среднего Урала геофизическими обсерваториями, в том числе, обсерваторией «Арти» Института геофизики УрО РАН, ведется на протяжении последних ста лет и ее учет предусмотрен действующими СНиПами, то геодинамический фактор инструментально GPS-технологиями начал изучаться недавно, около 10 лет назад, и действующими СНиПами его учет практически не предусмотрен. Поэтому рекомендуется:
а) инструментальное изучение геодинамического фактора с использованием GPS-технологий;
б) районирование территории Среднего Урала по степени и характеру подвижности верхней части земной коры;
в) разработка территориальных норм учета этого фактора при проектировании и строительстве инженерных объектов.

Заключение

Средний Урал является в целом безопасным и благоприятным в инженерно-сейсмическом отношении регионом, но в верхней части земной коры действует малоблагоприятный в инженерно-геологическом отношении геодинамический фактор, который необходимо инструментально изучать и учитывать при проектировании и строительстве инженерных объектов.

Рис.1

Рис.2

Рис.3

Рис.4

Библиография

1. Комплект карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации ОСР-7: объяснительная записка и список населенных пунктов, расположенных в сейсмоопасных районах / гл. ред.: В.Н.Страхов, В.И.Уломов; Объединенный ин-тут физики Земли им. О.Ю. Шмидта. – М., 1999. – 56 С.

2. Строительные нормы и правила: СНиП II -7-81*: Госстрой России. Строительство в сейсмичных районах. Госстрой России. – Москва, 2000. – 28 с.

3. Геология СССР в 12 т., том XII, ч. 1, кн. 2. – М.: Недра, 1969. – 304 с.

4. Буданов Н.Д. Гидрогеология Урала / Н.Д.Буданов. – М.: Недра, 1964. – 304 с.

5. Гузовский Л.А. Распространение древних кор выветривания на Урале / Л.А.Гузовский // Материалы по геоморфологии Урала. Вып. 2. – М.: Недра, 1971. – С.100-112.

6. Кашубин С.Н. Сейсмичность и сейсмическое районирование Уральского региона / С.Н.Кашубин, В.С. Дружинин, А.Н. Гуляев и др. – Екатеринбург, УрО РАН, 2001. – 124 с.

7. Вейс-Ксенофонтова З.Г., Попов В.В. К вопросу о сейсмической характеристике Урала. // Труды Сейсмологического института АН СССР. –М., 1940. – № 104.– 12 с.

8. Степанов В.В. Землетрясения Урала и сильнейшие землетрясения прилегающих территорий Западной Сибири и Восточно-Европейской платформы / В.В.Степанов, А.А. Годзиковская, В.С. Ломакин и др. – М.: ЦСГНЭО, 2002. – 135 с.

9. Гуляев А.Н. Оценка сейсмопотенциала центральной части Уральского региона // IV научные чтения памяти Ю.П. Булашевича: мат. конф. «Глубинное строение. Геодинамика, тепловое поле Земли, интерпретация геофизических полей». – Екатеринбург, 2007. – С. 38-41.

10. Гуляев А.Н., Сенин Л.Н., Овчаренко А.В. Сейсмические и геодинамические условия на территории Среднего Урала / А.Н. Гуляев, Л.Н. Сенин, А.В. Овчаренко // Стройкомплекс Среднего Урала. – 2009. – №5 (128) – С. 30-34.

11. Овчаренко А.В., Баландин Д.В. Первые результаты площадного высокоточного GPS – мониторинга на Среднем Урале / А.В. Овчаренко, Д.В. Баландин // V научные чтения памяти Ю.П. Булашевича: мат. конф. «Геодинамика. Глубинное строение. Тепловое поле Земли. Интерпретация геофизических полей», Пятые научные чтения памяти Ю.П. Булашевича. – Екатеринбург, 2009. – С. 375-378.

Ссылка для цитирования статьи

Гуляев А.Н. РАЙОНИРОВАНИЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА ПО ВЕЛИЧИНЕ РАСЧЕТНОЙ СИЛЫ СЕЙСМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ [Электронный ресурс] /А.Н. Гуляев //Архитектон: известия вузов. – 2009. – №4(28). – URL: http://archvuz.ru/2009_4/13 

Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons "Attrubution-ShareALike" ("Атрибуция - на тех же условиях"). 4.0 Всемирная