CC BY
40EARTH SCIENCES
SEISMIC PLUSES AND MINUSES OF CITIES (Dushanbe as an example)
Ospanova N.
The doctor of geological-mineralogical sciences; associated professor; the main scientific research;
Institute of Geology, Earthquake Engineering and Seismology of the Academy of Sciences
of the Republic of Tajikistan Urunov B.
The senior research; Institute of Geology, Earthquake Engineering and Seismology of the Academy
of Sciences of the Republic of Tajikistan
СЕЙСМИЧЕСКИЕ ПЛЮСЫ И МИНУСЫ ГОРОДОВ (на примере Душанбе)
Оспанова Н.
Доктор геолого-минералогических наук; доцент; главный научный сотрудник; Институт геологии, сейсмостойкого строительства и сейсмологии Академии наук Республики Таджикистан
Урунов Б.
Старший научный сотрудник; Институт геологии, сейсмостойкого строительства и сейсмологии Академии наук Республики Таджикистан
Abstract
For the first time, a complex of the seismic risks operating in the conditions of Dushanbe is being considered. For the first time postulated the possibility of the existence of local underground sound channels, where the oscillations generated by microseisms are concentrated. Thermal characteristics of the seismic process suggest that the semi-liquid viscous-plastic properties of the asthenosphere are a consequence not only of heating up due to radioactive decay and impact events, but also due to seismo-tectonic processes. The study of the influence of the ancient man on nature gives an understanding that not only transport, but also pedestrian flows can enhance the seismic risks of cities.
Аннотация
Впервые рассматривается комплекс сейсмических рисков, действующих в условиях Душанбе. Впервые постулируется возможность существования местных ПЗК - подземных звуковых каналов, где концентрируются колебания, генерируемые микросейсмами. Термические характеристики сейсмического процесса позволяют предположить, что полужидкостные вязко-пластические свойства астеносферы являются следствием не только разогрева из-за радиоактивного распада и импакт-событий, но обусловлены также сейсмотектоническими процессами. Изучение влияния древнего человека на природу даёт понимание того, что не только транспортные, но и пешеходные потоки способны усиливать сейсмические риски городов.
Keywords: earthquake, lithosphere, microseisms, isostasy, loess, technogenesis.
Ключевые слова: землетрясение, литосфера, микросейсмы, изостазия, лёссы, техногенез.
Введение
От угрожающих геологических явлений, среди которых землетрясения считаются наиболее опасными и разрушительными, не застрахован ни один город, поэтому строительство городов ведётся обычно с учётом местных инженерно-геологических условий. Однако сам процесс строительства сопровождается увеличением давления на уже существующие естественные ландшафты, что выражается в изменении гидрографических условий, свойств поверхностных грунтов, перераспределении изостатической нагрузки на литосферу из-за перемещения масс строительного материала и создания гигантских сооружений, нивелировки ландшафта и строительства туннелей, скопления на ограниченной территории большого количества людей, техники и т.д. Изменение нагрузки на земную кору является одной из причин создания
напряжений в земной коре, которые могут вылиться в землетрясения, тем самым город порождает вторичные факторы потенциальной сейсмической опасности (искусственные, в отличие от первичных естественных). Учёные подчёркивают важность городской планировки «в полном соответствии с местными инженерно-геологическими условиями» [1], но влиянию сейсмичности подвержен любой участок города независимо от геологического строения.
Мы живём в сейсмически опасной зоне, и нас не могут не волновать те изменения, которые происходят в условиях города на наших глазах. В статье предпринята попытка объективно-субъективного анализа некоторых свойств города с позиций сейсмической уязвимости. Поскольку авторы про-
живают в Душанбе, естественно, что основное внимание уделено процессам, происходящим в этом городе.
Факторы, противодействующие сейсмичности
Можно принять, что города со своими постройками и покрытиями дорог представляют собою гигантские искусственные платформы, обладающие определённой степенью консолидации (уплотнение грунтов; большая прочность асфальтовых и бетонных покрытий по сравнению с окружающими породами; единая система дорог; замена части рыхлых грунтов более стойкими искусственными наполнителями; высокая плотность застройки; «заякоривание» с помощью свай в скальные грунты, коренные породы). Протяжённость дорог Москвы, например, по данным из Интернета, составляет 3600 км, занимая 8% площади; на периферии этот показатель снижается до 2-3% при европейской норме 15-20%. В Душанбе дорожные покрытия занимают примерно 10% площади. Известно также, что сооружения и грунты, на которых они покоятся, образуют связанную динамическую систему [2]. Плотность застройки также может выступать как консолидирующий фактор. Наиболее наглядно это можно видеть в Европе, где ощущается недостаток пригодной для строительства земли, там дома строятся особым образом - не индивидуально, а три стены нового дома пристраиваются к одной из стен чужого дома, построенного ранее. Мы наблюдали это, в частности, в Бельгии (город Льеж). В результате возникает забавная (с точки зрения жителя Средней Азии) конструкция: одна улица (один квартал) - один (многосемейный) дом.
Наличие в основании зданий массивного фундамента, который принимает на себя основную силу сейсмического удара, также можно рассматривать как фактор, противодействующий сейсмичности. Разнообразие городских построек предполагает разнообразие возводимых под ними фундаментов. Р.Ф.Леггет [1] указывает, что не существует двух абсолютно одинаковых фундаментов и что их возведение давно уже из разряда простого строительства перешло в разряд искусства.
Важным фактором является то, что строительство в городах (в отличие от многих сельских районов, где практикуется самострой) ведётся под строгим контролем служб, отвечающих за безопасность построек, в соответствии с требованиями государственных стандартов (наличие антисейсмических поясов; относительная симметричность зданий, предполагающая равномерное распределение нагрузки при землетрясениях, и т.д.), и, с другой стороны, с учётом статистически установленной сейсмической балльности местности. При этом требования предъявляются не только к проекту строительства, но и к качеству используемых строительных материалов, наиболее пригодных в данных условиях. Например, опытным путём установлено, что в районах, где воды обогащены сульфатами (Са804 и MgSO4), бетон под их воздействием активно разрушается, поэтому во многих городах (Оттава, Виннипег и др.) используется не портланд-
цемент, а бетон со специальными укрепляющими добавками [1]. Другой пример также показывает важность учёта свойств материалов для обеспечения сейсмоустойчивости зданий. Интенсивность Душанбинского (2006г.) и Кумсангирского (20062007гг.) землетрясений была приблизительно одинаковой, но степень повреждения домов в эпицен-тральной зоне Душанбинского землетрясения ниже, чем в эпицентральной зоне Кумсангирского, что объясняется лучшими прочностными свойствами использовавшегося строительного материала. Для строительства домов в окрестностях города Душанбе применялись глины, тогда как в Кумсангире - суглинки, по составу приближающиеся к супесям и имеющие низкие показатели по прочности и сцеплению частиц между собою [3].
Жёсткость, присущая консолидированным телам, обусловливает их устойчивость и может ослаблять силу сейсмического удара. Известно, например, что наибольшая сейсмическая (и вулканическая) активность проявляется не на платформах - относительно стабильных (из-за приобретённой жёсткости) геологических телах (структурах) со спокойным тектоническим режимом, а в обрамляющих их зонах, подвижных складчатых поясах. На Земле ежегодно происходят более миллиона землетрясений, большая часть их приходится на долю складчатых областей, тогда как на долю платформ - не более 10-15 %.
Размеры городов и геологических платформ не сравнимы между собой, тем не менее, город как относительно консолидированная структура, отдельные части которой в той или иной мере связаны между собой, обладает определённым антисейсмическим потенциалом.
Факторы, усиливающие сейсмичность городов
Среди факторов, которые способны провоцировать усиление сейсмичности, прежде всего следует назвать нарушение изостазии. Даже отдельные здания могут иметь вес, исчисляемый десятками тысяч тонн, не говоря уже о суммарном весе всех городских построек. Например, вес Дворца изящных искусств в Мехико составляет 58 500 тонн, а вес памятника Джорджу Вашингтону в Вашингтоне (округ Колумбия) - 82 500 тонн; высота последнего над фундаментом равна 169 метрам [1]. Шестиметровый слой грунта, по данным Р.Ф.Леггета [1], способен создавать нагрузку в 11 тонн на один квадратный метр. Легко подсчитать, что памятники могут иметь нагрузку около 80-100 тонн на один квадратный метр. Известно, что высота современных зданий может превышать 200 метров, что связано как с совершенствованием технологий строительства, так и с грамотным использованием геологических данных. Специфика города, заключающаяся в создании искусственной нагрузки на литосферу, приводит к тому, что города формируют устойчивые воронки погружения с компенсационным поднятием периферической кольцевой зоны [цит. по 4].
Город не может существовать без использования воды, он нуждается в бесперебойном водоснабжении, и количество потребляемой воды растёт
пропорционально увеличению численности городского населения. Поэтому осадка строений может вызываться, с одной стороны, увлажнением грунтов, а с другой - снижением уровня подземных вод с течением времени. Население городов постоянно растёт, поэтому снижение уровня грунтовых вод с течением времени - общая проблема всех городов. Повышенный расход воды - ещё одна отличительная черта города. Вода расходуется не только на бытовые нужды населения, которое может насчитывать десятки-сотни тысяч и даже миллионы жителей (население Москвы, например, в настоящее время достигает 12,5 миллионов жителей), но и на промышленные нужды, строительство, озеленение. В настоящее время на территории Душанбе функционируют четыре водозабора и десятки других искусственных водоёмов - прудов, озёр, фонтанов... Твёрдые покрытия не способствуют естественному просачиванию влаги, задерживают воду, в результате города превращаются в своеобразные водосборники, что также создаёт дополнительную нагрузку на литосферу. Кроме того, постоянная обводнённость ухудшает прочностные свойства грунтов.
Осадка отдельных зданий и города в целом может быть связана не только с увлажнением, но и с пересыханием грунтов. Правило здесь простое: если изменение влажности меняет свойства грунтов, то они обладают просадочным потенциалом. Причём направленность изменений может быть прямо противоположной. Например, лёссы при увлажнении уменьшают свой объём, а глины и ангидрид - увеличивают. Поэтому осадка в лёссах связана с их увлажнением, а в глинах - с их пересыханием. Поскольку любой город характеризуется разнородностью микроусловий разных частей или районов, причина осадки в каждом случае может быть специфической. Лёссы, которые широко развиты в Таджикистане, выделяются учёными в особую категорию рыхлых осадочных пород, во-первых, из-за их глобального распространения, а во-вторых, из-за просадочных свойств. При увлажнении лёссы могут давать десятипроцентную осадку [1]. Если учесть, что мощность лёссов может превышать 100 метров, получается весьма внушительная цифра, исчисляемая метрами.
Города представляют собой не только тепловые аномалии, фиксируемые из космоса, но и электромагнитные. Повышенный электромагнитный фон связан с использованием высокочастотных линий электропередач, принимающих и передающих антенн, мобильных телефонов, рекламных щитов,
телевизоров, компьютеров и множества других электроприборов. Сейчас в строительстве широко используются железобетонные конструкции. Поле способно продуцировать электрические токи в металлах, поэтому нельзя сбрасывать со счетов электромагнитную (при увлажнении бетона - электролитическую) коррозию металлов, способную ослаблять прочность конструкций. Когда в опытах, проводившихся в Великобритании, по стальной арматуре пропускали сильный электрический ток, то здания, построенные из предварительно напряжённого бетона, разрушались без всякого взрыва из-за нарушения статического равновесия напряжений между арматурой и бетоном [5]. Пусть токи, продуцируемые полем в металлах, слабее, но они также будут способствовать нагреванию арматуры и ослаблению связей между ней и бетоном. Примеры нарушения техники безопасного строительства в городе Душанбе
Выше мы уже обращали внимание на то, что наличие фундамента является важной антисейсмической мерой и что строительство «обычно» ведётся в соответствии с местными инженерно-геологическими условиями. Это кажется само собою разумеющимся. Но на деле так бывает далеко не всегда.
В сельских местностях Таджикистана дома возводятся из подручных средств, местных строительных материалов - большей частью рыхлых грунтов, без учёта требований сейсмической безопасности. Из-за этого при землетрясениях больше всего страдают сельские постройки. Часто не учитывается экспозиция строений в связи со спецификой горного рельефа. Приведём лишь один пример. При Хаитском 9-10-балльном землетрясении 1949 года пострадали или были уничтожены более 150 кишлаков, из которых более 30 были погребены под оползнями. Погибли более 20 000 человек [3].
Однако и в самом Душанбе, являющемся столицей Таджикистана, правила антисейсмической защиты соблюдаются не всегда. Так Академгородок, включающий комплекс научных учреждений, был построен на просадочных грунтах (лёссы и суглинки) так называемых Восточных холмов над руслом древней реки. Осадка грунтов в этой части города приводила к тому, что многие жилые дома погрузились в грунт почти до верхней отметки фундамента (рис. 1), а жители этих домов могли наблюдать процесс погружения не выходя из домов - по деформации металлических труб в ванных комнатах.
Рисунок 1. Осадка жилого здания. Видны также трещины течения на дороге
Несмотря на неблагоприятные для строительства условия (текучесть грунтов), один из блоков здания, в котором расположен наш институт (Институт геологии, сейсмостойкого строительства и сейсмологии Академии наук Республики Таджикистан, ранее - Институт геологии Академии наук Та-джССР), был возведён без фундамента. Закономерная осадка грунтов (мощность лёссов на Восточных холмах, по данным академика С.Х.Негматуллаева из доклада на конференции, посвящённой 110-летию Каратагского землетрясения, достигает 400 метров) привела к появлению в стенах части здания
I иш
Рисунок 2. Трещины в одной из рабочих комнат
зияющих трещин, через которые можно было лицезреть улицу и через которые в здание неоднократно проникали змеи. В результате на многочисленные ремонты было затрачено средств намного больше, чем могло быть затрачено изначально на возведение фундамента. Закачка жидкого стекла под здание не дала желаемых результатов. После произошедшего 26 октября 2015 года Памиро-Гиндукуш-ского землетрясения, которое проявилось здесь с силой, равной 6 баллам, блок находится в аварийном состоянии (рис. 2).
Группой исследователей [6] была определена степень потенциальной сейсмичности города Душанбе в зависимости от инженерно-геологических условий, качества строительства и закономерностей проявления сейсмичности изучаемого региона. С согласия авторов нами приведена схема (рис. 3), на которой отражены возможные разрушения города в случае 9-10-балльного землетрясения. На схеме видно, что при землетрясениях такой силы
возможны не только повреждения зданий, но и разрушения и обвалы, причём процент их весьма значителен.
Нами отмечалось [7], что такие массивы способны создавать локальные воронки погружения на фоне общего погружения, что способствует дополнительному нарушению изостазии. До недавнего времени высота зданий в городе из-за сейсмоопас-ности редко превышала 4-5 этажей. В настоящее время высота некоторых многоэтажных зданий превышает 20 этажей, и планируется довести эту
отметку до 30 этажей и выше. Кроме того, застраи- между жилыми домами и проезжей частью и при-ваются свободные (между дорогой и прежними по- званные до минимума сводить воздействие вибра-стройками) участки, игравшие ранее роль буфера ций, создаваемых движущимся транспортом.
Рисунок 3. Возможные последствия от сценарного землетрясения подобного Каратагскому 1907г. (М=8; Н=20км) с учётом частной застройки (по Негматуллаеву и др., 2009).
В настоящее время в Душанбе практикуется строительство массивов многоэтажных зданий (рис. 4А, Б).
Рисунок 4: А - строительство массива высотных зданий на улице Айни; Б - расположение высотных
зданий непосредственно у проезжей части дороги.
Нами отмечалось [7], что такие массивы способны создавать локальные воронки погружения на фоне общего погружения, что способствует дополнительному нарушению изостазии. До недавнего времени высота зданий в городе из-за сейсмоопас-ности редко превышала 4-5 этажей. В настоящее время высота некоторых многоэтажных зданий превышает 20 этажей, и планируется довести эту отметку до 30 этажей и выше. Кроме того, застраиваются свободные (между дорогой и прежними постройками) участки, игравшие ранее роль буфера
между жилыми домами и проезжей частью и призванные до минимума сводить воздействие вибраций, создаваемых движущимся транспортом. Застраивание этих буферных зон приводит к тому, что если раньше жилые здания располагались на расстоянии нескольких десятков метров от дороги, то сейчас высотки располагаются непосредственно у проезжей части дороги (рис. 4Б). Это значит, что они находятся в зоне постоянного вибрационного воздействия. Нами наблюдалось появление в вёд-
рах с водой стоячих (когерентных) волн на расстоянии 120 метров от дороги (пространство между сосудами и дорогой не было загорожено постройками), что в какой-то мере позволяет судить о дальности распространения вибраций. Кроме того, учёные считают, что при сильных землетрясениях высотные здания оказываются в наиболее худших условиях из-за того, что периоды их колебаний близки к периоду колебаний грунта (Карта сейсмического микрорайонирования г. Душанбе в масштабе 1:25 000 - Л.А.Коган, Х.М.Мирзобаев, Г.О.Орипов, О.А.Романов, 1975; цит. по [6]). Из практики известны случаи, когда незначительные сотрясения грунта силой 3 балла вызывали разрушение здания, если частота колебаний грунта совпадала с собственной частотой колебаний здания. Как указывают учёные [8], даже при высококвалифицированном проектировании трудно исключить возможность появления резонанса в высотных зданиях, и медленные сейсмические волны могут случайно совпасть по периоду с собственными колебаниями построек.
Теоретически интенсивность вибраций, создаваемых движущимся транспортом (почвенные и воздушные сотрясения), должна убывать пропорционально квадрату расстояния. Вероятно, именно так обстоит дело с волнами высокой интенсивности. Но какова специфика проявления микросейсм, которые могут генерироваться как природными, так и техногенными факторами?
Учёные попытались выяснить специфику проявления микросейсм, для чего в пределах города Душанбе было взято 9 точек наблюдений. В результате установлено, что в мощных глинистых грунтах энергия распространения микросейсм почти не ослабевает. В геосреде с чередованием слоёв с перепадами акустической жёсткости затухания могут быть большими, тем не менее, в тонкослоистых разрезах потери энергии оказались менее ожидаемых. Среды с крупнозернистой структурой поглощают энергию сильнее, чем среды с плотной упаковкой частиц грунта [9]. Уплотнение грунта может происходить как под действием веса зданий, так и вследствие вибрационных воздействий, создаваемых, например, движущимся транспортом, поэтому данные, полученные названными исследователями, лишь подтверждают опасность строительства в непосредственной близости у проезжей части дорог. Утрамбовщики грунта вибрационного действия (машины, уплотняющие грунт) способны создавать колебания силой не менее двух баллов. Мы были свидетелями того, как жители кишлаков Хуросанского района во время производства дорожных работ выбегали из домов, думая, что началось землетрясение. То же самое отмечалось при работе в котлованах города - в сервантах дребезжала посуда.
Наиболее опасными считаются колебания высокой интенсивности, генерируемые взрывами, землетрясениями и способными вызывать течения и осадку грунтов, но не следует забывать, что вибрации малой интенсивности, действующие практически постоянно или многократно, могут оказывать
такой же или ещё больший суммарный эффект, как кратковременные сильные вибрации. Напомним, что ежегодно на территории Таджикистана происходят не менее тысячи землетрясений, если судить по приведённой учёными статистике за 28 лет в прошлом столетии [10]; другие исследователи указывают, что в настоящее время приборы регистрируют за год более 3000 землетрясений разной балльности [3]. Известно, что количество землетрясений находится в обратной зависимости от их силы. В масштабах Земли, например, на один миллион ежегодно происходящих землетрясений приходится 100 000 ощутимых землетрясений, 100 -разрушительных и одно - катастрофическое [11]. Это значит, что территория страны подвергается постоянной микросейсмической бомбардировке. Пока учёные не научились отделять природные микросейсмы от искусственных, техногенных; последние действуют с той же (или ещё большей) регулярностью, что и естественные.
Давление на среду
Любое строительство всегда нарушает естественное состояние земной коры, и тем в большей степени, чем больше масштабы строительства. В полной мере это относится к городам как концентраторам поселений аномально высокой плотности. Приступая к использованию природных ресурсов, человек не может заранее просчитать всех сдвигов потенциального нарушения равновесия и не может предусмотреть всех последствий вмешательства в естественные процессы. Следующий пример может кое-чему научить.
Изучение первобытных стоянок человека даёт возможность исследователям судить о том, какое влияние на природные процессы мог оказывать человек. Так в горизонте почвы, на котором селились древние люди (стоянка Шолма I), образовалась порода, обладавшая большей пластичностью, вязкостью и проницаемостью, чем за пределами местообитания. Самое поразительное заключается в том, что вновь приобретённые свойства грунта влияли в дальнейшем на природные процессы уже после того, как люди покинули это место, а почва перешла в погребённое состояние. Авторы указывают [12], что именно над зоной развития культурного слоя в верхней толще лёсса максимально проявились мерзлотные и эрозионно-денудационные процессы - морозобойное растрескивание, криодисло-кации, солифлюкции и даже трещины усыхания с затягиванием в них голоценовой почвы.
Речь идёт всего лишь о стоянке первобытного человека, где численность популяции была невелика, а технический транспорт отсутствовал, что тогда говорить о городах с их колоссальной численностью населения и продвинутой техникой? В 2000 году около 50% населения Земли проживало в городах; ожидается, что в середине века этот показатель может достигнуть 80% [13]. Учёные указывают, что при промышленных взрывах, а также нагрузках от веса огромного объёма воды в водохранилищах и ГЭС нарушается изостазийное равновесие в пределах литосферных блоков и астеносферы [4], то есть верхнего слоя мантии.
На основании всего изложенного можно сделать вывод, что геосреда, с которой человек сталкивается до возведения построек, будет отличаться от геосреды после возведения построек, а вновь приобретённые под действием веса строений и постоянных вибраций вязко-пластические свойства грунтов становятся уже неотъемлемой их характеристикой. Как указывают учёные [4, с. 36], «техногенез создаёт искусственные грунты».
Дискуссия
Специфика города такова, что он порождает вторичные (искусственные) факторы сейсмичности из-за нарушения естественного, существовавшего ранее природного равновесия, создания дополнительной нагрузки на кровлю литосферы (вес зданий и техники, мостов и транспортных покрытий; скопление большого количества людей; водная компонента), постоянных вибрационных воздействий (транспортные и пешеходные потоки; работа технических средств) и из-за неравномерного распределения нагрузки в пределах самого города. Обзор показывает, что в условиях города действуют тенденции, противоположные по своей направленности.
Так уплотнение грунтов увеличивает их прочность, но с ним связана возможная осадка, которая затрагивает и строения, расположенные на этих грунтах. С другой стороны, увеличение плотности среды усиливает её проводящие свойства. Например, скорость распространения звука в воздухе равна 300 метрам в секунду, тогда как в воде в че-тыре-пять раз больше, а в солёной (более плотной) воде это значение выше, чем в пресной. То же самое относится к твёрдым средам. Максимальная скорость распространения сейсмических волн возрастает с глубиной, где плотность пород выше. Исследователи указывают [14], что скорость движения волн в нижних упругих слоях грунта на глубинах более 50 метров на порядок выше, чем в верхних слоях. С увеличением же плотности пород (или другой проводящей среды) увеличивается дальность распространения упругих волн. Это связано с тем, что чем выше плотность среды, тем меньше поглощение энергии упругих волн средой, а чем полнее волна сохраняет свою энергию, тем на большее расстояние она способна перемещаться.
Следует отметить одну интересную особенность распространения малоэнергетических волн. Учёными замечено, что слои воды, в которых скорость распространения звуковых волн минимальна, могут концентрировать звуковые лучи, возникшие вследствие рефракции - искривления траектории звуковых лучей из-за неоднородности водной среды [15]. В результате в океанической среде образуется так называемый подводный звуковой канал (ПЗК) - своеобразный волновод, в котором акустические волны распространяются на большое расстояние, пока не уменьшится их энергия. В земной коре в качестве волновода рассматривается астеносфера, где скорость распространения сейсмических волн падает по сравнению с выше- и нижележащими слоями. Специфика возникновения
акустических волноводов может указывать на потенциальную возможность существования долго-живущих местных волноводов - более низкого порядка, появление которых также связано с неоднородностью среды, отражением волн и их концентрацией в слоях с меньшей проводимостью. Пока у нас нет данных о существовании местных волноводов из-за трудности их выделения и фиксации, поскольку, вероятно, нет возможности получить полную информацию о каждом глубинном слое и вычленить волновод. Но потенциальная возможность их существования, на наш взгляд, заслуживает внимания, так как долгоживучесть волноводов может вносить свой вклад в общий комплекс вибрационных воздействий.
Наличие «долгоиграющих» низкочастотных волноводов на первый взгляд кажется парадоксальным. Но их существование легко объяснить с помощью следующего примера. Можно представить себе ровную дорогу с хорошим твёрдым покрытием, по которой машины будут быстро проезжать, не задерживаясь, при этом расход бензина будет минимальным на одну единицу длины (вспомним, что больше всего бензина тратится при торможении и ускорении, а не при равномерном движении). На участке ухабистой с выбоинами и ямами или рыхлой дороги машины будут ехать медленно, тем самым их нагонят другие машины, которые до этого участка ехали быстро, и на этом отрезке будет наблюдаться торможение и скопление машин, их более длительное пребывание, а расход бензина -на ту же самую единицу длины - увеличится. По твёрдым грунтам сейсмическая волна проскакивает, как машина на хорошей скорости. Поэтому страшна не сама сейсмическая волна, а те последствия, которые она вызывает. Из-за отражения и наложения волн друг на друга образуется ансамбль интерферирующих волн, увеличивающих динамику процесса. Установлено, что наибольшее усиление сейсмических волн наблюдается на тех участках, где рыхлые осадки залегают непосредственно на твёрдых коренных породах [8]. Учёные пишут, что отличительной особенностью 8-волн является то, что они вступают в действие на фоне обменных, обменно-отражённых и отражённых Р-волн [16]. Также пишут о волнах сдвига, порождаемых продольными волнами сжатия [17]. Волны сдвига, в свою очередь, порождают вторичные волны сжатия, которые догоняют волны сдвига, возникающие впереди, и накладываются на них. Именно вторично порождённые волны представляют большую опасность для построек, чем первичная волна, тем более если учесть, что большая часть энергии сейсмотектонических процессов расходуется на нагревание пород, и лишь незначительная часть этой энергии реализуется в форме динамических проявлений. При обратном раскладе, то есть абсолютном доминировании кинетической энергии над тепловой, любое достаточно сильное землетрясение могло бы разрушить планету. Так опыты по деформации и разрушению образцов показали, что в сейсмическую энергию переходит лишь незначительная часть упругой энергии (0,1-
0,0004%), накопленной в образцах, причём эта доля существенно зависит от скорости разрушения образцов [18]. Авторы считают, что экспериментальные данные хорошо согласуются с данными, полученными в натурных условиях, в частности, с наблюдениями в шахтах.
Приведём пример, показывающий, что температуры, связанные с сейсмическими процессами, могут достигать значительных величин. В результате 9-10-балльного Суусамырского землетрясения, произошедшего на территории Киргизии (Северный Тянь-Шань) в 1992 году, на поверхность земли, помимо выбросов земли, камней, грязи и образования родников, стала изливаться так называемая «белая магма». Учёным удалось установить, что она образовалась в результате обжига известняков. Обжиг известняков происходил в момент подвижек горных пород по образовавшемуся вследствие землетрясения разлому, когда температура горных пород из-за трения возрастала более чем на 1000° [19]. Для сравнения напомним, что температура самой горячей части Земли - ядра считается равной температуре поверхности Солнца и составляет 6000°.
Таким образом, волнопроводящая способность пород (из-за уплотнения) под городом выше, чем в неуплотнённой среде того же литологического состава. Плюс это или минус? С одной стороны, это можно рассматривать как минус, поскольку поверхности слоёв с разной плотностью (в том числе и дневная поверхность грунта) способствуют отражению волн и созданию сдвиговых деформаций. С другой стороны, плотные породы более устойчивы к механическим воздействиям разного рода, что само по себе является плюсом.
Уплотнение грунтов, как отмечено выше, увеличивает их прочность, но уплотнённые породы замедляют просачивание воды. Наряду с постоянным и усиленным расходом воды этот фактор также способствует тому, что города превращаются в своего рода водонакопители. Замечено, что увеличение массы воды на поверхности земли, связанное со строительством плотин или сильными дождями, способно провоцировать дополнительную сейсмичность. Например, после заполнения водохранилища Мид в Аризоне в 1935 году в этом ранее асейсмическом районе за последующие 10 лет произошло 600 толчков магнитудой 5,0. Водохранилище Койна близ Бомбея было заполнено в 1967 году, после чего последовало множество землетрясений, одно из которых достигло магнитуды 6,5, что привело к разрушению домов и человеческим жертвам [8]. Поэтому при наличии неблагоприятных прогнозов рекомендуют понижать уровень воды в водохранилищах, увеличивая тем самым сейсмоустойчивость участка. Т.Уолтхэм [8] пишет, что даже прилив, заполняющий водоёмы в новолуние или полнолуние, может оказаться достаточной силой, чтобы в деформированных породах превы-сились пределы их упругости. При рассмотрении повышенной весовой нагрузки на литосферу, создаваемой городом, прежде всего имеют в виду суммарный вес построек, но водная компонента
также вносит свою, пусть и менее значительную, лепту.
Основываясь на практических наблюдениях, учёные отмечают [1], что с ростом населения городов происходит снижение уровня грунтовых вод из-за постоянно растущего расхода воды. Это приводит к удорожанию работ, связанных с извлечением и использованием подземных вод. Другие учёные, наоборот, не исключают [6], что урбанизация может служить причиной повышения уровня грунтовых вод - опять-таки из-за повышенного расхода воды. Не вдаваясь в обсуждение данного вопроса, отметим лишь, что близость грунтовых вод рассматривается как фактор, способный усиливать сейсмичность. Например, наибольший сейсмический эффект при Исфара-Баткенском землетрясении 1977 года проявился в кишлаке Коктюрлюк, что связывают не только с неблагоприятными грунтовыми условиями, но и с высоким уровнем залегания грунтовых вод [3].
Применявшийся ранее в строительстве так называемый «нулевой цикл», когда вырытый под здание котлован оставался открытым в течение года, предполагал естественную осадку (или вспучивание) грунтов вследствие сезонного увлажнения. За год участок приходил в естественное равновесие с окружающей средой, и только после этого начиналось само строительство. Практикуемый сейчас способ ускоренного строительства минует годичный нулевой цикл и концентрирует внимание на заливке свай как на надёжном способе защиты от землетрясений. Однако киргизские сейсмологи, анализируя резонансно-колебательную модель сейсмических разрушений, считают главным виновником разрушений не совпадение частоты колебаний грунта с частотой колебания зданий, а краткое импульсное воздействие, несущее огромную энергию и ускорения грунта, в тысячи раз превышающие предполагаемые сейсмиками ускорения [17]. Они указывают, что при этом железобетонные опоры и стены срезаются импульсом, как спички ножом, то есть так называемая японская модель антисейсмической защиты зданий на деле является не более чем мифом. Для придания зданиям устойчивости от сейсмических разрушений они предлагают помещать здания на толстой надземной плите, которая должна защищать от волн среза-сдвига, а в качестве опор использовать тонкие неразрушимые сваи, надземная часть которых должна быть стальной.
В отношении плотности городской застройки можно отметить, что страшна не плотность как таковая, которая может выступать как консолидирующий фактор, а то, что на ограниченной площади происходит сосредоточение большого количества людей, которые могут пострадать в случае разрушения построек. Если бы постройки были неразрушимы, то плотность их расположения и количество живущих в них людей - с точки зрения сейсмической опасности - не имели бы значения. Известно много фактов гибели людей на открытых пространствах, что зависело уже от качественных характеристик самого землетрясения и его последствий. Например, спасаясь от землетрясения, произошед-
шего в Японии в 1923 году, 40 000 человек собрались в городском парке Токио, но из них лишь 2000 (то есть только 5%) остались в живых. Люди задохнулись в дыму из-за пожаров, поглотивших множество деревянных построек, потому что землетрясение разрушило водопроводы, и тушить пожары было нечем. В другом случае во время землетрясения 1964 года в Ниигата сейсмостойкие здания не разрушились, а накренились или опрокинулись. Один многоэтажный дом медленно улёгся на бок, при этом в его железобетонной конструкции не появилось ни одной трещины [8]. Вероятно, кто-то пострадал в этих зданиях от ушибов, но ущерб не сравним с тем, который мог бы быть в случае полного разрушения зданий. Справедливости ради следует отметить, что опрокидыванию зданий способствовало разжижение песка (из-за колебаний), то есть специфика грунта, но факт, что здания при этом не разрушились, свидетельствует в пользу их высоких прочностных свойств.
Согласно устным заявлениям некоторых таджикских сейсмологов, наличие гаражей и подвалов в основании высотных зданий можно рассматривать как фактор, способный в какой-то мере противостоять сейсмичности. Однако ещё ранее землетрясения в Калифорнии показали, что двойные гаражи на первом этаже значительно уменьшают прочность дома [8].
Такие факторы техногенеза, как наличие массивов высотных зданий, расположение построек непосредственно у проезжей части дороги, повышенная обводнённость и высокий электромагнитный фон создают искусственные риски в условиях города. Теоретически, чем выше здание, тем на большем удалении от проезжей части оно должно находиться. Расположение зданий непосредственно у дороги таит в себе потенциальную опасность в случае их обрушения. Так известно, что при полном разрушении здания радиус развала обломков считается равным двукратной высоте здания, поэтому в случае катастрофических землетрясений и разрушения построек дороги будут полностью перекрыты обломками зданий. Это не только блокирует связь между разными районами города, прервав транспортное сообщение, но и создаст трудности в эвакуации уцелевшего населения.
Пример со стоянкой Шолма I первобытного человека свидетельствует, что свой вклад в уплотнение грунтов и почвенные сотрясения вносят не только транспортные, но и пешеходные потоки. Вибрации способны менять свойства грунтов, это значит, что свойства основания (геосреда), на котором возводится здание и по отношению к которому ведутся все расчёты, будут изменяться с течением времени.
В заключение раздела можно добавить, что тепловые характеристики сейсмических процессов позволяют сделать следующий вывод. Формирование полужидкостных вязко-пластических свойств, присущих слою астеносферы, связано не только и не столько с разогревом из-за радиоактивного распада и импакт-событий, но в значительной мере с сейсмотектоническими процессами, поскольку на этом уровне гасится трение между разными сферами Земли (жёсткой литосферой и жёсткой частью мантии). В зависимости от свойств перекрывающих пород, степени их стратификации и раздробленности, мощность слоя над астеносферой, препятствующая рассеиванию тепла, колеблется от 3-4 до 100-120 и более километров.
Заключение
1) С развитием техники строительства происходит усиление антропогенного влияния на литосферу, выражающееся как в захвате всё больших площадей под нужды человека (горизонтальная составляющая), так и в воздействии на её глубинные, вплоть до мантии, слои (вертикальная составляющая). Тем самым ещё раз подтверждается тезис, что человечество выступает не только как геологический, но и как, в полном смысле слова, планетарный фактор.
2) Комплексный характер сейсмогенерирую-щих факторов, действующих в условиях города, заставляет предполагать, что при определённых условиях они могут вносить свою лепту в усиление процесса сейсмичности, хотя их воздействие может иметь мозаичный характер. Мозаичность проявления связана с разными характеристиками геосреды разных частей города, в Душанбе это выражается в неодинаковой мощности лёссовых отложений (от 0 до 400 метров) и глубине залегания грунтовых вод (от 2 до 60 метров).
3) Положение в городе Душанбе усугубляется тем, что в настоящее время строительство ведётся с нарушением норм экологической и сейсмической безопасности. С одной стороны, застройка буферных зон между жилыми кварталами и дорогами, ранее заполнявшихся зелёными посадками, ведёт к уничтожению этих зон, в результате количество зелёных насаждений сократилось, а высотные здания значительно приблизились к проезжей части дороги. С другой стороны, в Душанбе происходят активная реставрация, ремонт и расширение -насколько возможно - дорог, так что и сама дорога приблизилась к зданиям. Всё это приводит к тому, что многоэтажные постройки находятся в зоне постоянного вибрационного воздействия, то есть в зоне искусственно созданного риска.
4) Напомним, что территория Таджикистана считается областью высокой сейсмичности. Согласно принятому сейсмическому районированию [20], 56,5% территории республики составляет 9-балльная зона, 27,3% - 8-балльная и 16,2% - 7-балльная зоны. Город Душанбе попадает в 9-балльную зону. Тем не менее, никто не может гарантировать, что сила землетрясений в Душанбе не должна превышать 9 баллов, ибо это статистически установленная величина. С другой стороны, из-за нарушения изостазии и постоянных вибраций создаются искусственные риски, которые могут активизироваться при землетрясениях меньшей балльности, провоцируя разрушение зданий.
5) Мы не можем спорить с природой, произвольно меняя статистически установленную балльность, это значит, что нужно стремиться к тому, чтобы минимизировать искусственно создаваемые риски. Поэтому необходимо не только учитывать статистически установленную балльность и строить здания с учётом этой балльности, но и экспозиция зданий должна быть такова, чтобы в случае их разрушения ущерб населению был минимальным. Однако в районах массивов высотных зданий совершенно не предусмотрены пути отхода для людей в безопасные места, куда могли бы переместиться успевшие выбежать из домов люди в случае обрушения зданий из-за пожара или землетрясений, что увеличивает число потенциальных жертв.
Приближённо циклический характер проявления катастрофических землетрясений и затянувшаяся пауза после последнего такого землетрясения
заставляют сейсмологов предполагать, что оно может произойти в любой момент.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Леггет Р.Ф. Города и геология. М.: Мир, 1976. - 560 с.
2. Низомов Д.Н. Численное моделирование задач взаимодействия зданий и сооружений с упругим полупространством // Геологическая корреляция и геодинамика складчатых областей: Сборник научных статей, посвящённых 95-летию доктора геолого-минералогических наук, члена-корреспондента АН РТ Михаила Михеевича Кухтикова. Душанбе: Дониш, 2015. С. 136-138.
3. Сангинов А.М., Каримов Р.Ш. Сейсмостойкость зданий с кирпичными и каменными стенами // Геология и вопросы сейсмичности территории Таджикистана: Материалы научной конференции, посвящённой 80-летию академика АН РТ, доктора гео лого-минералогических наук Джали-лова Манзура Рахимовича. Душанбе: Балогат, 2014. С. 199-214.
4. Валиев Ш.Ф. Инженерно-геологические особенности трансформации кровли литосферы горных стран (на примере Таджикистана). Авто-реф. дисс... доктора геол.-мин. наук. Бишкек, 2015. 45 с.
5. Коротко // Природа, 1990, № 7. С. 119.
6. Негматуллаев С.Х., Бабаев А.М., Рузиев Д.Р., Ищук Н.Р., Джураев Р.У. Анализ сейсмической уязвимости жилых зданий и разработка сценария землетрясения для г. Душанбе с целью уменьшения риска. Душанбе: Мир полиграфии, 2009. -30с.
7. Оспанова Н.К., Урунов Б.Д. Антропогенное воздействие на природные ресурсы Таджикистана // Проблемы геологии, сейсмологии и сейсмостойкого строительства Таджикистана: Материалы республиканской научной конференции, посвящён-ной 30-ой годовщине Кайраккумского землетрясения 13 октября 1985 года. Душанбе: Садои калб, 2016. С. 115-130.
8. Уолтхэм Т. Катастрофы: неистовая Земля. Л.: Недра, 1982. - 223 с.
9. Муродкулов Ш.Я., Шозиёев Ш.П. О некоторых характеристиках микросейсм // Современные вопросы региональной геодинамики и минера-гении Памиро-Тянь-Шаня: Материалы республиканской научной конференции, посвящённой 90-летию со Дня рождения ак. АН РТ Баратова Р.Б. Душанбе: Дониш, 2012. С. 254-256.
10. Бибарсова Д.Г., Мирзоев К.М, Михайлова Р.С., Свиридова Л.Н., Тимеркаев В.С. Банки данных Регионального центра АСПЗ Средней Азии и Казахстана и их использование для решения сейсмологических и геофизических задач // Прогноз землетрясений. Душанбе-Москва: Дониш, 1986. С. 182-204.
11. Чеснокова И.В., Борсукова О.В. Последствия развития опасных природных процессов и
страхование их последствий (на примере землетрясений) // Сборник докладов Международной конференции «Актуальные проблемы современной сейсмологии», посвящённой 50-летию Института сейсмологии им. Г.А.Мавлянова АН РУз. Ташкент: ООО «Muxammad Poligraf», 2016. С. 702-708.
12. Хисяметдинова А.А., Галимова М.Ш., Березина Н.С., Березин А.Ю. Влияние человека на природные процессы на примере верхнепалеолитической стоянки Шолма I (Приволжская возвышенность, Чувашия) // Природные, социально-экономические и этнокультурные процессы в России: Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвящённой 120-летию образования кафедры физической географии и этнографии в Казанском университете / под ред. Трофимова А.М. Секция II. Экзодинамика платформенных равнин. Казань: Алама-Лит, 2008. С. 165-169.
13. Хомич В.А. Экология городской среды (учебное пособие для вузов). Омск: Изд-во Си-бАДИ, 2002. - 267 с.
14. Ордобоев Б.С. О фактах регулярного разрушения сейсмостойких зданий и сооружений // Геология и вопросы сейсмичности территории Таджикистана: Материалы научной конференции, посвящённой 80-летию академика АН РТ, доктора геолого-минералогических наук Джалилова Ман-зура Рахимовича. Душанбе: Балогат, 2014. С. 196199.
15. Как распространяется звук в морской воде? http ://www. naxodka.info/sea/sound. html
16. Епифанский А.Г. Особенности формирования волнового поля локальных землетрясений // Прогноз землетрясений. Душанбе-Москва: Дониш, 1986. С. 153-164.
17. Смирнов С.Б., Ордобаев Б.С., Абдыкеева Ш.С. Новый взгляд на сейсмостойкость зданий и сооружений // Геологическая корреляция и геодинамика складчатых областей: Сборник научных статей, посвящённых 95-летию доктора геолого-минералогических наук, члена-корреспондента АН РТ Михаила Михеевича Кухтикова. Душанбе: До-ниш, 2015. С. 122-123.
18. Виноградов С.Д., Мирзоев К.М., Саломов Н.Г. Исследования сейсмического режима при разрушении образцов. Душанбе: Дониш, 1975. - 117 с.
19. Катаева Н.И., Муралиев А.М. Феномен Суусамырского землетрясения - «Белая магма» // Геодинамика, оруденение и геоэкологические проблемы Тянь-Шаня (Материалы Международной конференции, посвящённой 70-летию Института геологии НАН КР, сентябрь 2013 г.). Бишкек: ИЛИМ, 2013. С. 109-113.
20. Бабаев А.М., Кошлаков Г.В., Мирзоев К.М. Карта сейсмического районирования Таджикистана (объяснительная записка). Душанбе: Дониш, 1978. - 68 с.
