Содержание лекции
Вводная лекция.
Техногенный - связанный с технической и технологической деятельностью людей.
Известно, что любая деятельность потенциально опасна, а сами опасности носят перманентный характер (перманентный - постоянный, непрерывно продолжающийся, от латинского permaneo - остаюсь, продолжаюсь).
Потенциальная опасность - это опасность скрытая, неопределенная во времени и пространстве. Реализуется потенциальная опасность через причины и в случае, если нежелательные последствия будут значительные, то это событие классифицируется как чрезвычайная ситуация.
Чрезвычайная ситуация (ЧС) – это состояние, при котором в результате возникновения источника чрезвычайной ситуации на объекте, определенной территории или акватории нарушаются нормальные условия жизни и деятельности людей, возникает угроза их жизни и здоровью, наносится ущерб имуществу населения, народному хозяйству и окружающей природной среде.
Группы природных явлений:
Геологические явления (грунтовые воды, карстовые провалы, обвалы, оползни,
размывы береговых линий, разрушение горных пород, сели, смывы склонов).
Геофизические явления (землетрясения, извержения вулканов, разжижение грунтов, тектонические аэрозоли).
Гидрологические явления (тайфуны, цунами (нелинейная волна), ледоставы и ледоходы).
Метеорологические явления (атмосферные конвективные явления, атмосферные оптические явления, атмосферные электрические явления, необычные метеорологические явления; бури, гололёды, грады, засухи, ливни, метели, морозы, пыльные бури, смерчи, туманы, ураганы, циклоны).
Несмотря на мощное развитие наших знаний о нашей красивой планете, сущность и причины многих природных явлений и их причинно-следственные связи до конца не установлены и общей теории природных явлений пока нет. Эмпирических знаний о Земле и её явлений накоплено достаточно. Главная причина этому парадоксу - отсутствие единой теории природных явлений - состоит в разрозненности наук о Земле и дефицит ярких обобщающих идей по природным явлениям.
Изучением планеты и её природных явлений занимаются учёные и специалисты самых разных профессий. Часто им трудно найти общий язык между собой, поскольку эти науки пока разрознены и каждая наука о Земле изучает только свой предмет. Поэтому специалистам в области геофизики трудно найти общий язык с климатологами и сейсмологами, а метеорологам не понять магнитологов. Тем не менее, как ни парадоксально, сущность природных явлений одна и та же - это многогранная взаимосвязь Земли с Солнцем и всех известных полей между собой.
Лекция 1. Геофизические опасные процессы и явления
Геофизические опасные процессы и явления - события геофизического происхождения или результат процессов в литосфере, гидросфере, атмосфере Земли, возникающих под действием различных геофизических факторов или их сочетаний, оказывающих или могущих оказать поражающие воздействия на население, сельскохозяйственных животных и растения, объекты экономики и окружающую среду.
По виду природные явления классифицируются на:
- геофизические - землетрясения, извержения вулканов;
- геологические - оползни, сели, обвалы, осыпи, лавины, склоновый смыв, просадка лессовых пород, просадка (провал) земной поверхности в результате карста, абразия, эрозия, курумы, пыльные бури;
- морские гидрологические - тропические циклоны (тайфуны), цунами, сильное волнение (5 баллов и более), сильный тягун в портах, ранний ледовый покров и припай, напор льдов, интенсивный дрейф льдов, непроходимый лед, обледенение судов и портовых сооружений, отрыв прибрежных льдов;
- гидрологические - высокие уровни воды, половодье, дождевые паводки, заторы и зажоры, ветровые нагоны, низкие уровни волы ранний ледостав и появление льда на судоходных водоемах и реках;
- гидрогеологические - низкие уровни грунтовых вод высокие уровни грунтовых вод;
- метеорологические - бури, ураганы, смерчи, шквалы, вертикальные вихри, крупный град, сильный дождь (ливень), сильный снегопад, сильный гололед, сильный мороз, сильная метель, сильная жара, сильный туман, засуха, суховей, заморозки;
- природные пожары - лесные пожары, пожары степных и хлебных массивов, торфяные пожары, подземные пожары горючих ископаемых.
Геофизические опасные явления вызываются эндогенными геологическими процессами (магматизмом, тектоникой, метаморфизмом), вызванными энергией земных недр, т. е. их внутренней динамикой. К геофизическим опасным явлениям относятся землетрясения и извержения вулканов.
Землетрясение - это подземные толчки и колебания земной поверхности, возникающие в результате внезапных быстрых смещений и деформаций некоторого объема пород в земной коре или верхней части.
Геологическое опасное явление - это результат деятельности геологических процессов, возникающих в земной коре под действием различных природных и геодинамических факторов или их сочетаний. К опасным геологическим процессам и явлениям относятся современные (быстротекущие) геологические процессы и явления, оказывающие негативное воздействие на людей, сельскохозяйственных животных, растения и объекты экономики.
Различают эндогенные и экзогенные геологические процессы и явления. Под эндогенными понимают процессы, возникающие под воздействием внутренних (литосферы) геологических факторов, как, например, землетрясения, извержение вулканов.
Экзогенные процессы — это поверхностные геологические процессы, вызванные внешними по отношению к Земле природными и техногенными факторами.
Опасное гидрологическое явление — это событие гидрологического происхождения или результат гидрологических процессов, возникающих под действием различных природных или гидродинамических факторов или их сочетаний, оказывающих поражающее воздействие на людей, сельскохозяйственных животных, растения и объекты экономики. Часто из гидрологических, геофизических и метеорологических явлений выделяют морские гидрологические явления, включая в них тайфуны, цунами, сильное волнение и другие опасные природные явления.
Лекция 2. Подверженность территории РК стихийным бедствиям
Казахстан расположен в Евразии между 40°56/ и 55°26/ с. ш. и 45°27/ и 87°18/ в. д, и простирается с севера на юг на 1600 км, с запада на восток - на 2900 км, занимает площадь около 2725 тыс. км2 или 2,7% суши Земли, граничит с Российской Федерацией, Китайской Народной Республикой, Кыргызской Республикой, Республиками Узбекистан и Туркменистан. Для Казахстана характерно широкое разнообразие природных ландшафтов: высокие с оледенением горы, низменности и равнины, степи, пустыни, оазисы, лесные массивы, крупные и малые водоемы, в том числе Каспийское и Аральское моря. Климат резко континентальный, засушливый, со скудным, неравномерным распределением водных ресурсов и преобладанием аридных форм ландшафтов.
Характерные черты географического положения Казахстана - большая подверженность территории разнообразным природным катастрофам (землетрясения, наводнения, селевые потоки, снежные лавины, обвалы и оползни, затопление прибрежной зоны Каспийского моря, опасные метеорологические явления, лесные и степные пожары, эпидемические заболевания людей, эпизоотические заболевания животных, заболевания и подверженность растений вредителям и др.). Около 75% территории подвержены повышенному риску природных катастроф.
Рельеф. В Казахстане сочетаются разнообразные типы и формы рельефа. На западе огромные территории заняты низменностями, поверхность которых расположена на уровне моря, а местами - ниже, на юге и востоке - высокие горы с вечными снегами и ледниками. Наивысшая вершина Казахстана - пик Хан-Тенгри (Северный Тянь-Шаньм над уровнем моря, самая низкая абсолютная отметка поверхности - во впадине Карагие (полуостров Мангистаум ниже уровня моря. Большую часть территории Казахстана занимают равнины, низкие горы и мелкосопочник (Сарыарка).
Климат. Главные черты климата Казахстана - засушливость и резкая континентальность. Удаленность от океанов и незащищенность территории с севера и юго-запада делает ее доступной для вторжения как холодных, так и теплых воздушных масс, что приводит к резким колебаниям температуры воздуха.
В термическом режиме характерно преобладание теплого периода, продолжительность которого последовательно возрастает с севера на юг. Зима на севере Республики продолжительная и холодная. В отдельные сутки температура может опускаться до минус 45-50°С. Зимой возможны оттепели, иногда до плюс 3-5°С, обусловленные выносом теплых масс воздуха из районов Передней Азии, Лето в северных областях умеренно жаркое, но сравнительно непродолжительное с возможным повышением температуры воздуха до 36-41°. Средняя месячная температура воздуха июля колеблется от 19 до 24°.
Гидрография. В Казахстане имеется около 85 тысяч рек и временных одотоков, в том числе рек длиной более 10 км - 8386, и их общая протяженность лизка к 223 тыс. км. Речная сеть лучше развита в хорошо увлажненных горных районах Алтая, Джунгарского и Заилийского Алатау, расположенных на восточных и юго-восточных окраинах Республики.
Население. В Казахстане на начало 1999 года, по данным переписи, население составило около 15 млн. человек, средняя плотность - около 5,5 человек на 1 км2, а в пустынных и горных районах - не более 1 человека на 1 км2. Городское население составило около 55%.
Населенные пункты. По административно-территориальному делению на 1999 г. в республике было 14 областей, 220 районов, 2496 аульных округов. На их территории располагались 83 города, 200 поселков, 8188 сельских населенных пунктов. Наиболее крупные города - это административные центры областей, где проживает 34% всего населения Казахстана.
Лекция 3. О некоторых механизмах техногенных катастроф
В течение последних нескольких лет был обнаружен ряд новых, неизвестных ранее физических эффектов и явлений, знание которых позволяет прогнозировать многие из известных техногенных катастроф. Вот эти эффекты в хронологическом порядке, но отнюдь не по степени их важности:
1-й эффект. В 1977 году было выявлено, что сейсмосигналы представляют собой гармонические затухающие сигналы [1]. Это указывает на то, что земная толща и Земля в целом представляют собой колебательные системы. В простейшем случае, плоскопараллельный породный слой толщиной h [м] является колебательной системой с собственной частотой f0 [Гц], определяемой следующим выражением:
f0 = 2500 / h (1)
В общем случае, при многослойности осадочных пород выражение (1) приобретает следующий вид:
f0i = 2500 / hi (1')
2-й эффект. В 1993 году было обнаружено, что в зонах тектонических нарушений (ЗТН) добротность гармонических затухающих сейсмосигналов имеет повышенные значения. Из этого следует, что в этих зонах возникновение резонансных явлений может иметь катастрофические последствия [2]. Как показали исследования, добротность в зонах тектонических нарушений может достигать значения, равного 100 и даже превышать его.
3-й эффект. В 1998 году было выявлено, что в ЗТН имеют место колебания грунта. Эти колебания имеют планетарное происхождение. Они имеют очень низкую частоту и очень большую амплитуду [3]. Период этих колебаний - минуты и более, а амплитуда - до 10см. Наличие планетарной пульсации не позволяет считать грунт безусловно неподвижным, что заставляет изменить отношение к общим принципам строительного дела [4].
В порядке реализации 1-го и 2-го эффектов был создан геофизический метод спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП), с помощью которого оказалось возможным выявлять зоны тектонических нарушений.
Лекция 4. Проблема техногенной сейсмичности
Для обозначения одного и того же явления – усиления сейсмичности, связанной с инженерной деятельностью человека, используется разная терминология: искусственные землетрясения, наведенные, вызванные, генерированные, индуцированные, возбужденные и т. д. В последние годы появились термин техногенные, который и широко используется в мировой практике.
Понятие техногенной сейсмичности включает два разных процесса: "возбуждение" и "инициирование" землетрясений. Возбуждение - это воздействие на определенную зону земной коры, вызывающее землетрясения, которые бы без такого воздействия не произошли, т. е. "вынуждение" землетрясений (по-английски -induce). Инициирование - воздействие на очаг готового землетрясения, ускорение события, "запуск" его (по-английски - trigger). Например, инициирование землетрясения земным приливом, землетрясением, взрывом; а возбуждение землетрясения или сейсмичности созданием искусственного водохранилища, разработкой нефтегазового месторождения, закачкой в пласт воды.
Термин же «техногенный» включает в себя оба понятия: и "инициированный" и "возбужденный".
Техногенные землетрясения возникают в результате:
А. Естественных экзогенных процессов:
Б. Искусственных воздействий.
Лекция 5. Разработка нефтегазовых месторождений и техногенные землетрясения
Сведения о возбужденных землетрясениях, связанных с добьгчей нефти и других полезных ископаемых, немногочисленны по сравнению с водохранилищами. В имеющихся публикациях отмечается о значительной активизации местной сейсмичности в связи с добычей нефти: сначала сейсмическая активность снижается, а потом, по мере отбора, резко возрастает.
К числу возможных причин возбуждения тектонического землетрясения, связанного с разработкой нефтяных месторождений, исследователи относят:
1. Отбор нефти,
2. просадку пород (оседания поверхности),
3. закачку жидкости (воды) в скважины под давлением,
4. разрушение коллектора и др.
Предварительный анализ каждой из этих причин показывает, что наиболее существенными из них являются отбор нефти и закачка жидкости.
Таким образом, связь между разработкой нефтяных месторождений и возбужденными землетрясениями очевидна. Достаточно сказать, что разным аспектам этой проблемы были посвящены специальные Международные совещания в Англии (Лондон, 1973 г.) и Канаде (Банф, 1975 г.).
При длительной разработке месторождений углеводородов нарушаются равновесные условия в пласте, что может вызвать критическое перераспределение напряжений в разрабатываемом пласте и вмещающих породах. Нагнетаемая жидкость может проникать в трещины, приводить к избыточному порово-трещинному давлению, может своеобразной смазкой в зонах нарушения сплошности среды. Техногенные землетрясения, обусловленные фильтрационными процессами, вызываются подвижками по разломам.
Лекция 6. Подземные ядерные взрывы и техногенные землетрясения
Подземные и поверхностные ядерные взрывы проводились на Невадском ядерном полигоне с 1940 г., после 1963 г. поверхностные были исключены.
Невадский полигон, находясь на юге одноименного штата, в 120 км от Лас-Вегаса (рис. 1), располагается в активной зоне разломов юго-западной оконечности Провинции Бассейнов и Хребтов, представляющей собой обширную территорию блоковых гор и котловин. В одной из этих котловин - Юкка Флет - в результате подземных ядерных взрывов образовались многочисленные трещины.
Подземные взрывы в Юкка Флет производятся обычно на дне скважины, на глубине от 120 до 760 м, в рыхлых породах или подстилающих вулканических туфах и карбонатах. В результате взрыва в его окрестностях происходит выпаривание материала и образуется полость. Обычно менее чем за минуту крыша полости обрушивается, а на земной поверхности образуется обвальная яма, диаметр которой может иметь от 12 до 457 м. Грунт вблизи и вокруг обвальной ямы оказывается сильно трещиноватым. При картировании трещин было обнаружено много разрывов вдоль разлома Юкка, пересекающего долину, которые, как предполагалось вначале, возникли в результате уплотнения аллювия.
В западной части происходят многочисленные землетрясения. Так, в 1872 г. в 190 км западнее полигона [3] случилось землетрясение силой 10-11 баллов (рис. 2). На территории самого Невадского полигона, несмотря на длительную (150 лет) инструментальную регистрацию, зафиксированы лишь слабые землетрясения.
Лекция 7. Геофизическое оружие
В последние годы во многих отечественных и зарубежных СМИ появился целый ряд сенсационных сообщений о так называемом геофизическом оружии. Предсказывается, что его использование приведет к изменениям погоды и даже климата на Земле, истощению озонового слоя, служащего естественным щитом от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца, к наводнениям или засухам, тайфунам, цунами, землетрясениям и другим катастрофическим явлениям.
С одной стороны, многие из членов научного сообщества относятся к этим публикациям весьма скептически, с другой – определенная часть общественности воспринимает их в качестве аксиомы, в результате чего возникает неприятие тех или иных новых научных достижений и выдвигаются во многом спекулятивные и нереальные требования по охране окружающей природной среды. Последнее особенно относится к различным аспектам военной деятельности.
Лекция 8. Мониторинг и прогноз стихийных и техногенных явлений:
перспективы создания международной аэрокосмической системы
Прогноз возникновения и развития стихийных природных и техногенных явлений на Земле в настоящее время приобретает все большую актуальность. Наиболее распространенными и опасными стихийными явлениями являются землетрясения, цунами, извержения вулканов, оползни, наводнения. Ежегодно на Земле от катастрофических землетрясений гибнет в среднем около 30 тыс. человек. Экономический ущерб от сейсмических катастроф достигает сотни миллиардов долларов США или, в отдельных случаях, до 40 % национального достояния страны.
Прямой ежегодный ущерб от всех видов чрезвычайных явлений природы и техногенных катастроф составляет величину свыше триллиона долларов США, что, по нашим оценкам, на два порядка превышает затраты на создание аэрокосмической системы, обеспечивающей краткосрочный прогноз их возникновения. Предупреждать стихийные явления и техногенные катастрофы, на основе мониторинга их предвестников ослаблять их последствия и быть готовыми к ним – экономически более выгодно, чем реагировать на их последствия.
Аэрокосмические средства наблюдения, обладая возможностью глобального мониторинга поверхности Земли, атмосферы, околоземного пространства, обеспечивают выявление краткосрочных предвестников и надежный прогноз землетрясений, цунами и других глобальных геофизических явлений и оперативную передачу данных мониторинга практически в любую точку земного шара.
Лекция 9. Закачка жидкости в скважины под давлением и разработка твердых полезных ископаемых
В практике известны случаи возрастания сейсмической активности вследствие закачки воды в скважину для восстановления пластового давления в процессе нефтедобычи. Так, на промысле Рейнджли (США) в результате таких операций за 13 месяцев (с октября 1969 г. по ноябрь 1970 г.) местной сетью сейсмических станций было зарегистрировано около 1000 землетрясений с магнитудой от -0,5 до 3,5. Аналогичный случай усиления сейсмической активности с ростом объема закачиваемой в пласт жидкости обнаружен на Старогрозненском нефтепромысле.
Землетрясения, связанные с работами в шахтах, обычно называют горными ударами. Иногда их называют горно-тектоническими ударами. Горно-тектонические удары вызывают разрушения горных выработок и целиков на больших площадях, вследствие чего приносят ущерб оборудованию рудников и приводят к жертвам среди их персонала. На рудниках Ловозерского месторождения горно-тектонические удары происходили неоднократно. Достаточно отметить, что горно-тектонический удар на руднике «Умбозеро», происшедший 17.08.1999 г., явился сильнейшим событием такого родя за всю историю эксплуатации рудников в России [3]. Площадь разрушенных выработок на руднике во время этого события составила около 650 тыс. м2.
Лекция 10. Сейсмичность и сейсмическая опасность нефтегазодобывающих регионов Казахстана
В последние несколько десятилетий техногенная деятельность во многих отраслях промышленности достигла таких масштабов, что способна радикально изменить состояние земной коры и вызвать серьезные изменения искусственного происхождения в виде техногенных землетрясений. Первенство в провоцировании техногенных землетрясений утвердилось за гидротехническими сооружениями, затем проявила себя добыча нефти и газа. В последние годы сигналы опасности техногенных катастроф уверенно заявили о себе при добыче полезных ископаемых в виде мощных горнотехнических ударов.
Увеличение объемов добычи нефти и газа и концентрации горного производства оказывает грандиозное воздействие на верхнюю часть литосферы. При этом нарушается нормальное функционирование геологической среды, она приходит в неустойчивое состояние, которые реализуются в виде различного рода техногенных катастроф.
Опасность техногенных землетрясений, вызванных добычей полезных ископаемых, усугубляется их проявлением в экономически освоенных районах с экологически опасными объектами. В этом отношении особую тревогу вызывают интенсивные горные разработки в восточном и центральном Казахстане, всевозрастающая разработка и эксплуатация нефтегазовых месторождений на западе республики. По прогнозным оценкам сложившаяся ситуация в ряде регионов перешагнула критический уровень воздействия, за которым может последовать техногенная катастрофа.
4. Содержание лабораторных занятий
1. Расчет теоретических изосейст: формула расчета радиусов теоретических изосейст; учет размера очага землетрясений; учет тектонических особенностей района; учет затуханий сейсмических сотрясений; практический расчет радиусов для 9, 8 и 7 баллов.
2. Расчет и построение гистограмм: составление таблицы распределения исходных данных; построение гистограмму по таблицам.
3. Реферат на тему «Землетрясения и разработка нефтегазовых месторождений».
4. Контрольная работа по первому модулю лекционных занятий.
5. Принцип и основные правила построения схем изосейст: основные требования; схема «пункты-баллы»; правила проведения изолинии.
6. Карты эпицентров землетрясений Прикаспийского региона: выбор границы района в соответствии с тектонической особенностью региона; составление каталога землетрясений; эпицентры сильных и слабых землетрясений.
7. Контрольная работа по второму модулю лекционных занятий.
5. Содержание самостоятельной работы магистрантов
5.1. Планы занятий в рамках самостоятельной работы магистрантов под руководством преподавателя (СРМП).
1. Проблемы техногенной сейсмичности.
Задание. Актуальность и важность изучения техногенной сейсмичности.
Форма проведения. Реферат.
Методические рекомендации. В последние годы значительно увеличилось число случаев, когда в определенных условиях инженерная деятельность человека приводит к возникновению землетрясений. К таким видам деятельности человека относятся: строительство и заполнение крупных водохранилищ, разработка нефтегазового месторождения, закачка воды в скважины под давлением, горные работы, подземные ядерные взрывы и другие. Своей инженерной деятельностью человек как бы «возбуждает» землетрясения в природе.
Техногенные землетрясения известны во многих странах мира, в том числе и в Казахстане. Они зарегистрированы в связи со строительством крупных водохранилищ и гидростанций – Нурекской в Таджикистане, Чарвакской в Узбекистане, Бартогайской в Казахстане и других, при эксплуатации нефтяных месторождений в России, Узбекистане, Дагестане и других регионах, при проведении подземных ядерных взрывов на полигоне в Неваде (США) и т. д.
Указанная проблема имеет непосредственное отношение к Казахстану, где на территории пяти областей (Актюбинская, Атырауская, Мангыстауская, Западно-Казахстанская и Кзыл-Ординская) ведутся интенсивные разработки нефтяных и газовых месторождений, планируется соорудить крупные гидротехнические сооружения и т. д. В этих регионах построены крупные промышленные, энергетические и химические объекты, разрушение которых по своим экономическим, социальным, экологическим и иным последствиям может обернуться крупными бедствиями.
Литература:
4 осн. [12-21], 9 осн. [5-446],
9 осн.[5-7, 29-69], 10 осн [5-15]
2. Запуск крупнейших ракетных комплексов и сильные землетрясения.
Задание. Влияние запуска крупнейших ракетных комплексов на сейсмическую обстановку.
Форма проведения. Реферат.
Методические рекомендации. Запуск крупной ракеты сопровождается выбросом облака продуктов сгорания ракетных топлив, взаимодействие которого с атмосферой, провоцирующее реализацию неустойчивости ее участков, вызывает крупномасштабные колебания атмосферного давления, в свою очередь способные воздействовать на формирование землетрясений. Запуск является импульсом, при определенных геофизических условиях включающим последовательность спусковых, триггерных катастрофообразующих природных механизмов.
Литература: 10 осн. [92-103]
3. Газлийские землетрясения 1976 г. и 1984 г.
Задание. Охарактеризуйте условия возникновения и последствия землетрясений.
Форма проведения. Реферат.
Методические рекомендации. 8 апреля и 17 мая 1976 г. на территории Западного Узбекистана в пределах активизированной части Туранской плиты к северо-западу от г. Бухары, на территории, ранее считавшейся малосейсмичной, произошло два крупных землетрясения с магнитудой соответственно 7,0 и 7,3, вызвавших сотрясения почвы в эпицентральной области силой 9 и 10 баллы. Расположенный примерно в 40 км от эпицентральной области пос. Газли оказался практически полностью разрушенным.
Спустя 8 лет, 20 марта 1984 г. здесь же произошло еще одно разрушительное землетрясение с магнитудой 7,1 и интенсивностью в эпицентре 9 баллов.
Трехкратное повторение землетрясений с магнитудой свыше 7 в течение 8 лет – редкое явление в мировой сейсмологической практике.
Литература.
10 осн. [148-157], 7 доп. [3-316].
4. Техногенная сейсмичность в районах крупных водохранилищ.
Задание. Техногенные землетрясения, связанные с заполнением крупных водохранилищ.
Форма проведения. Реферат.
Методические рекомендации. Связь землетрясений с нагрузкой от воды крупных водохранилищ на сегодняшний день известна на всех континентах и во многих странах мира. Проявление техногенных землетрясений выражается не только в увеличении количества зарегистрированных слабых толчков, но иногда вызывает сильные землетрясения, которые приводят к повреждениям плотин.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 |
