Сейсм микрорай ЗФИ

Аннотация

В пределах изученной территории по данным комплексных геолого-геофизических исследований, включающих магнито-электро- и сейсморазведку, инженерно-геологические и горные работы, выделены три типа участков по инженерно-геологическим условиям:

1) ненарушенные базальты,

2) зоны дробления базальтового массива,

3) мерзлые четвертичные отложения.

В качестве основного способа определения приращения балльности выбран способ акустической жесткости, позволяющий провести наблюдения в короткий срок с небольшими затратами. Метод акустической жесткости дает возможность охарактеризовать грунты на больших площадях и в узких зонах дробления базальтов. В качестве опытного и контрольного способов опробован метод стандартных измерений.

В результате проведенных исследований получены следующие значения приращения балльности относительно эталонного грунта: 1) мерзлые четвертичные отложения +1,0 балл, 2) зоны дробления базальтового массива от +0,2 до -0,5 балла, 3) ненарушенные базальты от -0,4 до -0,5 балла. 3а счет интерференционных явлений в слое ненарушенных базальтов возможно увеличение балльности на 0,5 балла.

Сейсмическое микрорайонирование - сравнительно новая область геолого-геофизических исследований. Теоретические основы сейсмического микрорайонирования были заложены в начале 50-х гг. (Медведев, 1952). Тогда же 6ыли получены первые практические результаты проведения такого рода работ. Однако широким фронтом работы по сейсмическому микрорайонированию развернулись в СССР в последнее десятилетие в связи с промышленным освоением новых районов, в том числе и расположенных на сейсмически-активных территориях. Опыт производства такого рода работ находится в стадии накопления и обобщения. Поэтому научный и практический интерес представляют не только результаты и выводы из работ по сейсмическому микрорайонированию в принципиально новых геологических условиях, но также сама методика и техника этих работ.

Для отработки методики сейсмического микрорайонирования в Арктике была выбрана площадка с хорошо изученными инженерно-геологическими условиями. Особенности методики работ связаны со специфическими условиями Арктики: сравнительно низкой повторяемостью землетрясений, высокой стоимостью полевых работ, коротким летним полевым сезоном, а также особенностями геологического строения - повсеместным развитием многолетней мерзлоты и др.

В пределах выбранной площадки обнажается толща вулканогенных образований нижнемелового возраста, мощностью 150-400 м. Вулканогенная толща включает покровы эффузивов (базальты), переслаивающиеся с редкими прослоями глин, бурых углей и туфов. Подстилающие отложения, по геолого-геофизическим данным, представлены триасовыми и юрскими терригенными породами мощностью свыше 2000 м. Покровные образования сложены в основном современными морскими, аллювиально-морскими и аллювиальными отложениями суммарной мощностью до 30 м.

Территория острова имеет блоковое тектоническое строение. Зоны разломов в базальтовом массиве наиболее четко и уверенно фиксируются по данным магниторазведки, хотя они отмечаются также по материалам сейсморазведки, дипольного электропрофилирования и ВЭЗ. Разрывные нарушения вытянуты в основном в северо-западном направлении (300-320°). Менее четко проявлены сопряженные с ними зоны разломов северо-восточного (40-50°) и меридионального простирания. Наиболее крупные разломы протягиваются через всю территорию острова, другие же выклиниваются, кулисообразно переходят одна в другую либо о6разуют сложные переплетения. Ширина зон дробления составляет от нескольких до 200 м. Наиболее часто встречаются зоны разломов шириной 20-50 м. По интенсивности разрушения базальтовых пород зоны разломов разделяются на две категории. В первой из них базальты находятся в сильно раздробленном и развальцованном состоянии. В магнитном поле зоны разломов первой категории отражаются отрицательными аномалиями интенсивностью 1500-3000 гамм В зонах нарушений второй категории базальты лишь интенсивно трещиноваты и фиксируются в магнитном поле отрицательными аномалиями 50~1000 гамм.

Амплитуды перемещений вдоль наиболее крупных разломов северо-западного простирания, разграничивающих отдельные блоки, составляют 5~100 м. В связи с наличием новейших движений вдоль разломов последние хорошо выделяются в рельефе и очертаниях современной береговой линии.

Многолетнемерзлые породы под дном океана отсутствуют. Температура грунтов вблизи дна моря на небольшом расстоянии от берега -1°С, а на глубине 40-50 м -2,5°С. На побережье океана нижняя граница многолетнемерзлых пород залегает на 10-20 м ниже уровня океана и погружается при удалении от берега в глубь участка На расстоянии 120 м от берега мощность многолетнемерзлых пород достигает 85 м. Максимальная мощность многолетнемерзлых пород на участке, видимо, составляет 25-300 м.

Территория участка характеризуется довольно однородными инженерно-геологическими условиями, определяемыми сравнительной простотой геологического и геоморфологического строения. Простота геологического строения выражается в однородности и горизонтальном залегании базальтовой толщи, образующей скальное основание острова, малой мощности перекрывающих четвертичных отложений и относительной простоте рельефа.

В подобных условиях инженерно-геологические типы участков определяются главным образом строением скального основания и его рельефом, а также мощностью покрова четвертичных отложений. В соответствии с этим на территории полигона выделяются три основных типа инженерно-геологических участков, различающихся по сейсмогеологическим условиям разреза (рис.I):

1) слабо трещиноватые базальты с маломощным покровом четвертичных отложений (не более 1-2 м);

2) интенсивно разрушенные базальты зон дробления;

3) базальты, перекрытые покровом четвертичных отложений повышенной мощности (5-30 м).

Первый тип участков наиболее распространен в пределах полигона и занимает около 85% его площади. Его разрез характеризуется однородной толщей трещиноватых слабо выветрелых базальтов с редкими и маломощными горизонтами древних кор выветривания на отдельных покровах базальтов. Покров четвертичных отложений отсутствует или имеет незначительную (1-2 м) мощность. Участки, сложенные массивными базальтами, обладают относительно лучшими сейсмогеологическими свойствами. Однако эти участки весьма ограниченно распространены на территории полигона и поэтому они не выделяются в отдельный тип.

Второй тип инженерно-геологических условий соответствует участкам интенсивной трещиноватости и раздробленности пород в зонах разломов скального основания. Породы зон разломов, находящиеся в твердомерзлом состоянии, по инженерно-геологическим свойствам могут быть приравнены к полускальным породам. При отсутствии твердомерзлого состояния или его нарушении по тем или иным причинам свойства пород зон дробления (в особенности для первой категории) могут приближаться к рыхлым. Одной из причин нарушения твердомерзлого состояния пород зон дробления можно указать проникновение рассольных вод из подмерзлотного горизонта. К этому следует добавить, что свойствами рыхлых пород обладают базальты зон дробления, скрытые водами океана, поскольку нашими работами показано отсутствие мерзлоты под дном океана.

Третий тип инженерно-геологических условий связан с наличием четвертичных отложений повышенной мощности. Он характерен для участков речных долин, выполненных аллювиальными отложениями, и эрозионных котловин, заполненных морскими четвертичными отложениями. Один из участков такого рода обнаружен и изучен в северо-западной части полигона Он протягивается в виде клина, расширяющегося к дельте ручья. Максимальная ширина клина 1 км, его протяженность 5 км.

Третий тип инженерно-геологических участков включает два подтипа, различающихся состоянием четвертичных пород:

а) твердомерзлые четвертичные породы, развитые на высокой террасе, на абсолютных отметках 25-75 м над уровнем моря, мощностью до 5 м и температурой до -10°С;

б) талые четвертичные породы, развитые ниже уровня моря, засоленные, с температурой около -2 до -4°С, мощностью до I0 м.

Указанными основными тремя типами не исчерпывается все многообразие инженерно-геологических условий полигона. Разнообразие в первый тип грунтов вносит характер рельефа кровли скальных пород. При землетрясении степень разрушения может резко повыситься в результате оползания грунтов по склону скальных пород. Особенно опасным оползание может быть на подводных склонах, где распространены талые грунты. Существенным изменениям могут подвергнуться также высокольдистые мерзлые грунты в связи с возможностью растрескивания и просадки. Трудно предугадать поведение при землетрясении группы пород, переходных от твердомерзлого к талому состоянию, характерных для отложений дельт ручьев и эрозионных котловин на низких морских террасах. Они засолены с глубины 4-6 м и содержат прослои льда мощностью до 2 м.

Выделение участков с различными инженерно-геологическими условиями уже само по себе позволяет дать приблизительную оценку приращения балльности на этих участках (Инструкция по проведению сейсмического микрорайонирования, I962; СНИП Н-А I2-69). Однако невозможно предусмотреть в нормах и правилах все многообразие встречающихся на практике грунтовых условий, а также сложную зависимость приращения балльности от этих условий. Поэтому для получения более достоверных данных необходимо использовать инструментальные наблюдения.

Существует два основных способа инструментальных наблюдений. Первый способ основан на регистрации землетрясений, мощных взрывов или микросейсм идентичными станциями, установленными на различных грунтах, и сравнении амплитуд смещений (скоростей, ускорений) и спектров колебаний. Второй способ заключается в измерении акустических жесткостей грунтов и определении по ним приращений балльности по отношению к эталонному грунту. В случае двухслойного разреза при этом способе необходим учет резонансных явлений в верхнем слое. Преимущество первого способа в том, что он позволяет непосредственно определить и увидеть влияние грунта на интенсивность и частотный спектр сотрясения. Однако регистрация землетрясений требует длительных сроков наблюдения, что особенно существенно для районов со сравнительно низкой сейсмической активностью, к которым, в частности, относится и район нашего полигона. Использование же мощных взрывов значительно усложняет и удорожает работы. Кроме того, эти наблюдения целесообразны только в том случае, когда мощность отложений, определяющих грунтовые условия, соизмерима с длиной подходящей волны. При толщине слоя меньшей 1/20 длины волны запись землетрясения станцией, стоящей на слое, не будет отличаться от записи станции, стоящей на участие, где этот слой отсутствует, или на участке, имеющем маломощный слой других пород. Однако при сотрясении эти грунты поведут себя по-разному и дадут различное приращение балльности, которое будет определяться акустическими жесткостями пород. Наблюдения микросейсм возможны лишь в городах и промышленных центрах, где имеется устойчивый фон микроколебаний с широким диапазоном частот. Важным преимуществом способа акустической жесткости является то, что он позволяет охарактеризовать грунты на больших площадях, а не в отдельных точках, причем в короткий срок.

Анализ инженерно-геологических условий, а также оценка возможностей инструментальных методов микрорайонирования привели к решению использовать способ акустической жесткости. В этом способе подсчет приращения балльности ведется по формуле С. В. Медведева (1952)

Определение скоростей сейсмических волн велось по методу первых вступлений. Длина расстановки была равна 50 м, что позволяло осветить верхние 10-15 м разреза. Возбуждение колебаний велось с помощью удара. Сейсмические наблюдения сопровождались отбором образцов и последующим определением их плотностей на денситометре. Выбор участков наблюдений определялся необходимостью изучить все имеющиеся типы грунтовых условий.

В результате работ были получены следующие сведения о скоростях продольных волн и плотностях пород, представленных на изучаемой территории (табл. 1).

Существенным вопросом при проведении сейсмического микрорайонирования в районах Крайнего Севера является учет влияния многолетней мерзлоты. Для того чтобы учесть увеличение приращения балльности в результате возможного таяния льда при строительстве, мы приравняли влияние мерзлоты к влиянию грунтовых вод с глубиной залегания в пределах 1 м. Однако учитывая различный характер грунтов, мы для четвертичных пород взяли a = 1, а для базальтов зон дробления a = 0,5. Для четвертичных пород это дало повышение балльности на 1 балл, для базальтов - на 0,5 балла. За эталонный грунт были взяты слабо трещиноватые базальты с Vp = 4,5-5,0 км/сек и r = 2,7 г/см³. Относительно этого грунта получены следующие приращения балльности (табл. 2).

Необходимо отметить, что значения приращения балльности для случаев нарушения мерзлоты являются несколько заниженными, так как при расчетах необходимо брать скорости в сухих грунтах.

Наблюдения по методу стандартных наблюдений были проведены в незначительном объеме, поэтому результаты не приводятся в таблице. 3начения Dn, полученные данным способом на скальных грунтах, имеют довольно большой разброс, обусловленный тем, что на скальных породах трудно создать идентичные условия возбуждения и приема колебаний. Этот фактор в большей степени сказывается на амплитуде колебаний и в значительно меньшей степени на периоде колебаний.

При переходе от базальтов к четвертичным отложениям метод стандартных наблюдений дал уверенное повышение балльности, хорошо согласующееся с данными способа акустической жесткости. Несмотря на малый объем наблюдений, очевидно, можно определить область применения метода стандартных измерений: рекогносцировочное определение приращения балльности на довольно мягких, сравнительно однородных грунтах.

Как уже указывалось, оценка приращения балльности по способу акустической жесткости, является неполной без учета возможных резонансных явлений в слое, зависящих от соотношения мощности слоев и длин сейсмических волн. Как известно (Кац А. 3., 1959, 1960; Саваренский Е.Ф., 1959), в случае слоя, залегающего на полупространстве с большей акустической жесткостью, явление резонанса возможно при выполнении условия

При Н = nλ/2 будет иметь место амортизация. Поэтому часто сооружения, построенные на мощной толще четвертичных отложений, оказывались в более благоприятных условиях, чем сооружения, построенные на более плотных породах. На нашем участке слой четвертичных отложений имеет мощность не более 25-30 м. Наиболее опасными при землетрясении являются поперечные волны SH с периодами 0.1-0,6 сек. Взяв скорость Vр для мерзлых четвертичных отложений 1,9-2,2 км/сек., получим λ волн 190-1300 м, т.е. в слое четвертичных отложений невозможно выполнение условия резонанса.

Остается рассмотреть возможность резонанса в слое базальта, имеющего Vр,>:3,5-4,0 км/сек и r = 2,8 г/см³. Эти базальты залегают на мощной толще терригенных пород с меньшей скоростью и плотностью. Для таких пород можно взять Vр = 2 км/сек. и . r = 2,3 г/см^3.В этом случае условие резонанса будет, очевидно, при

Мощность базальтов на нашем участке, по данным ВЭ3, колеблется в пределах 150-400 м. Длина интересующих нас волн будет порядка 350-2000 м. Следовательно, возможен случай выполнения условия резонанса для λ = 350-800 м. Амплитуду интерференционной волны можно выразить

Величина отношения Арез/k_I/A₀, а следовательно, и величина приращения балльности за счет резонанса зависят от изменения отношения r₁v₁/ r₂v₂. Чем ближе ‘то значение к единице, тем слабее резонансные свойства грунта (рис. 2). В нашем случае возможны значении r₁v₁/r₂v₂ в диапазоне 1,5-2, что дает увеличение балльности до 0,5 балла. Таким образом, балльность слабо трещиноватых базальтов может доходить до балльности зон дробления.

Итак, основными особенностями методики работ, обусловливающими успешное решение поставленной задачи, являются следующие:

а) применение комплекса геофизических методов при инженерно-геологическом районировании территории;

б) использование «активных» инструментальных методов (акустической жесткости и стандартных измерений) при определении приращения балльности участков с различными инженерно-геологическими условиями;

в) учет региональных геофизических и геологических данных при оценке приращении балльности вследствие резонансных явлений в слое.

Использованная методика позволяет проводить работы в короткий срок летнего полевого сезона в Арктике с относительно небольшими затратами и с наиболее полным учетом инженерно-геологических факторов.

Л и т е р а т у р а

Кац А. 3. Некоторые вопросы методики сейсмического микрорайонирования. Тр. Ин-та физ. 3емли АН СССР, № 5 (172), 1959.

Медведев С. В. Оценка сейсмической балльности в зависимости от грунтовых условий. Тр. Геоф. ин-та, № 14, М., 1952.

Саваренский Е. Ф. Элементарная оценка влияния слоя на колебание земной поверхности. Изв. АН СССР. сер. геофиз., № 10, 1959.