МОНІТОРИНГ ЗЕМЛЕТРУСІВ

Моніторинг геологічного середовища є складовою частиною моніторингу навколишнього природного середовища (екологічного моніторингу) і реалізується через спеціалізовану систему спостережень - ЕГСЕМ (Єдина державна система екологічного моніторингу, ГОСТ Р 22.1.06-99).

До небезпечних геологічних явищ відносять: землетрус, вулканічне виверження, зсув, обвал, карст, суфозія, осідання в лесових ґрунтах, овражную ерозію, переробку берегів і абразію.

Землетрус - підземні поштовхи і коливання земної поверхні, що виникають внаслідок раптових зміщень і розривів у земній корі або верхній частині мантії і передаються на великі відстані у вигляді пружних коливань. Землетруси класифікують за допомогою різних шкал - інтенсивності і магнітуди. У РФ використовують 12-бальну сейсмічну шкалу (ГОСТ Р 53166-2008).

Шкала Ріхтера - сейсмічна шкала магнітуд, заснована на оцінці енергії сейсмічних хвиль, що виникають при землетрусах. Співвідношення між магнітудою землетрусу за шкалою Ріхтера і його силою в епіцентрі за 12-бальною шкалою залежить від глибини вогнища. Шкала була запропонована Ч. Ріхтером (CF Richter - американський сейсмолог, 1900 1985) в 1935 р і теоретично обгрунтована спільно з Б. Гуттенбергом (В. Gutenberg - німецький геофізик, 1889-1960).

Відомо два головних сейсмічних пояси: Тихоокеанський, що охоплює кільцем берега Тихого океану, і Середземноморський, що тягнеться через південь Європи від Піренейського півострова на Заході до Малайського архіпелагу на Сході.

Землетруси завдають величезної шкоди живій природі та економіці країн. Сейсмічний ризик постійно зростає в зв'язку індустріалізацією і урбанізацією сейсмічно активних територій. Зменшення шкоди від землетрусів тісно пов'язане з вирішенням проблеми їх діагностики (прогнозу їх місця і часу).

В даний час основними напрямками розвитку сейсмології є сейсмічне районування та сейсмостійке будівництво.

Прогноз землетрусів завжди був однією з центральних проблем, що хвилювали людство. Перші сейсмічні станції, відкриті більш

100 років тому, були оснащені малочутливими механічними приладами для запису сильних землетрусів.

Завдання прогнозу землетрусів формулюється як оцінка ймовірності того, що в даній області S протягом часу від t до t + Т відбудеться землетрус з магнітудою більше певного порогу М ₀ .

Залежно від тривалості періоду часу Т розрізняють: довгостроковий (роки), середньостроковий (місяці) і короткостроковий (дні, тижні) прогнози. Оцінка ймовірності виникнення сильного землетрусу в період часу від декількох десятків років і більше відноситься до сейсмічного районування. Діагностування (прогноз) землетрусів засноване на направленому пошуку їх провісників у розвитку природних процесів - сейсмічних, геодеформаціонних, електричних, магнітних, геохімічних, гідрогеологічних та ін.

Фізична модель процесу підготовки вогнища землетрусу, самого землетрусу і наступного періоду релаксації заснована на уявленні про природу землетрусу як акті руйнування матеріалу Землі, що відбувається по тріщинах - розривів в земній корі в ході геологічної еволюції.

Землетрус розглядається як заключний акт локального еволюційного процесу, що складається з декількох характерних фаз, які проявляються в широкому діапазоні енергій, просторових і часових масштабів. Ці фази утворюють фізичний цикл, який повторюється від одного землетрусу до іншого.

Відомі дві основні моделі розвитку вогнища землетрусу:

• 1) лавинно-нестійкого тріщиноутворення. Це модель механічна, заснована на теорії довготривалої міцності, вона розглядає процес підготовки сильного землетрусу, що складається з фази виникнення розсіяних невзаимодействующих тріщин, фази взаємодії та злиття тріщин, фази локалізації та орієнтації тріщин уздовж площини, по якій слідом за тим відбувається розрив - землетрус. Ця модель пояснює виникнення ряду середньо- і короткострокових провісників, автомодельності сейсмічного процесу, що спостерігається тонку структуру сейсмогенних розломів;
• 2) ділатанто-дифузійна. Ця модель пояснює ряд провісників ефектів, пов'язаних, зокрема, зі зміною поля деформації, швидкостей сейсмічних хвиль і електричного опору в районі вогнища землетрусу. В її основу покладено явище ділатансіі, тобто збільшення обсягу середовища внаслідок відкрита тріщин при великих зсувних напругах.

Мережа Федеральної системи сейсмологічних спостережень і прогнозу землетрусів здійснює безперервні спостереження за деформацією земної кори, сейсмічних, геофізичних полів і гідрохімічних параметрів.

Вона побудована за ієрархічним принципом: комплексні пункти спостережень об'єднані в локальні і регіональні мережі, що входять в геофізичну службу РАН. Мережа побудована за модульним принципом, що забезпечує конструктивну єдність її частин, простоту переоснащснія, можливість розвитку. Вона являє собою суму однорідних мереж, об'єднаних єдністю управління, централізованим збором та обробкою даних спостережень.

На рис. В.11 показана система контролю землетрусів в одній з найбільш сейсмонебезпечних зон - на Камчатці.

Засіб вимірювання пункту спостереження за землетрусами включає в себе:

• • сейсмічні і акустичні датчики;
• • апаратуру прецизійних геодезичних спостережень;
• • Нахиломіри і деформографи;
• • гравіметри;
• • магнітометри і датчики природного електричного поля;
• • датчики свердловинних вимірювань рівня та температури води;
• • геохімічні датчики.

На рис. 10.7 показані молекулярно-електронні датчики лінійних (а) і кутових (б) прискорень.

Мал. 10.7. Датчики лінійних (а) і кутових прискорень (б)

Діапазон вимірювань лінійних прискорень в залежності від типу датчика дорівнює ± 5 м / с ² , частотний діапазон становить 5-200 Гц, робочий діапазон температур дорівнює -50 ... + 50 ° С.

Діапазон вимірювань кутових прискорень в залежності від типу датчика дорівнює 0, 10, 50, 120 або 350 рад / с ² , частотний діапазон становить 0,5- 120 Гц, робочий діапазон температур дорівнює -50 ... + 50 ° С.

Вимірювання деформації і нахилів. Поле деформації і нахилів земної поверхні порівняно повільно змінюється в часі і має мозаїчну просторову структуру, що пов'язано з неоднорідністю механічних властивостей земної кори.

До складу комплексу апаратури для вимірювання деформації і нахилів земної поверхні входять двокоординатні митників Нахиломіри, два кварцових деформометра, датчик атмосферного тиску і температури.

Вимірювання електричного поля проводять за допомогою пар прийомних електродів з горизонтальними і вертикальними розносили. Вимірювальна апаратура повинна мати: частотний діапазон 0-1 Гц, динамічний діапазон 80 дБ, чутливість 10 ~ ⁵ , число каналів на одному пункті реєстрації - 5.

Вимірювання електричного опору здійснюють методом магнітотелуричного зондування (розроблений радянським вченим А. І. Тихоновим, 1906-1993), який дає інформацію про розподіл електричного опору по глибині і його зміни, пов'язані з підготовкою сильного землетрусу.

Датчиком електромагнітного поля служить майданна антена, яка вимірює шість компонент геомагнітних пульсацій - H _v Н _у , H _z , Е _х , Е _у , E _v і три - СНЧ випромінювання - Н _х , Н _у , Н _г

Вимірювальна апаратура повинна мати: частотний діапазон 10 ~ ³ - 10 ³ Гц, динамічний діапазон 60 дБ, число каналів - 6, режим роботи - безперервний.

Метод дипольних зондувань служить для отримання інформації про досить великих глибинах - до 10-15 км. Для цього прийомні електроди виносять на відстані до 20-30 км від джерела, відстань між живильними електродами становить до 1 км, а між прийомними - до декількох сотень метрів. При цьому необхідно використовувати спеціальну техніку статистичного накопичення і виділення корисних сигналів на тлі перешкод.

Вимірювання магнітного поля. Магнітне поле одного пункту спостереження відрізняється нестабільністю, тому прогноз ґрунтується на інформації, що міститься в різницях модуля вектора магнітного нуля, синхронно вимірюваного в різних пунктах.

Вимірювальна апаратура повинна мати: частотний діапазон 0-1 Гц, динамічний діапазон 80дБ, похибка вимірювань 10 ^-10 Тл.

Гідрогеологічні вимірювання здійснюють в свердловинах. Вони складаються у вимірі рівня води, відповідного пластовому тиску в одному з водоносних шарів - колекторів, вимірі атмосферного тиску і температури.

Гідрохімічні вимірювання пов'язані в основному з контролем вмісту радону (а- і p-активності) в атмосфері, грунті і підземних водах, гелію і вуглеводнів у воді, а також вільних газів, pH виливаються підземних вод.

Геометричні вимірювання. Температуру вимірюють в сухих і водозаповнених свердловинах на різних глибинах, в виливаються джерелах, в шарі підгрунтя. Температурне поле інертно, найбільш швидкий розвиток аномалій відбувається протягом декількох хвилин або десятків хвилин і відзначається високоточними СІ з похибкою до 0,0001 ° С.

Зміни величиною до 0,1 ° С відбуваються, як правило, за час не менше кількох годин.

Електромагнітна емісія супроводжує руйнування гірських порід, утворення мікродіслокацій, кріп і має вигляд коротких радіоімпульсів. Цей потік характеризується кількістю генеруються в одиницю часу імпульсів, амплітуда яких перевищує деякий встановлений поріг.

Акустична емісія являє собою безперервний випадковий сигнал, в якому виділяють окремі імпульси. На практиці використовують дві основні характеристики - амплітуду огинаючої сигналу і число імпульсів в одиницю часу.

Вимірювання сили тяжіння і її варіацій. В результаті геодинамічних процесів, пов'язаних з підготовкою сильних землетрусів, змінюються пористість, тріщинуватість і водонасиченому гірських порід. Ці процеси особливо інтенсивно розвиваються в самій верхній частині осадового чохла і супроводжуються змінами сили тяжіння, які можуть бути виявлені мікрогравіметріческімі і варіаційними вимірами.

Проблема прогнозу землетрусів і зниження завданої ними шкоди ще досить далека від повного вирішення, проте вже досягнуті значні результати.

10.6. Тепловий, акустичний і вібраційний моніторинг

Теплове забруднення. Основними завданнями теплового моніторингу є:

• • збір і узагальнення даних про температуру об'єктів екосистем;
• • виявлення причин відхилень температурних режимів від стандартних, визначення ступеня їх небезпеки.

Теплове забруднення вод. Викид тепла в ОС - різновид фізичного забруднення, що викликає руйнування біоценозів, так як мова йде про фундаментальному екологічному факторі - температурі середовища (рис. В. 10).

Відомо, що підвищення температури природної води на 10 ° С викликає зростання швидкості росту планктону в два рази. У той же час влітку, коли температура скидається Ленінградської АЕС води може досягати 34 ° С, вона стає згубною для багатьох гідробіонтів. Крім того, підвищена температура води викликає посилення негативного впливу на гідробіонти з боку нафтопродуктів, ТМ та інших хімічних забруднювачів. Особливо чутливі до цього організми на ранніх стадіях розвитку. Підвищення температури води веде також до зменшення вмісту розчиненого в ній кисню.

Теплове забруднення повітря. За деякими оцінками, взимку в помірних широтах вже зараз середньодобове виділення енергії в результаті господарської діяльності в містах порівняно з припливом тепла за рахунок сонячної радіації.

Акустичне забруднення. Розвиток різних видів транспорту, збільшення часу його безперервної автономної дії призводять до підвищення безперервної експозиції шумів різної інтенсивності. В останнє десятиліття з'явився термін «акустичне забруднення повітряного басейну». Акустичний шум стає екологічно значущим подразником, що вносить відчутний внесок у загальний комплекс різних екологічних факторів несприятливого впливу ОС на людину.

У табл. 10.12 наведені допустимі рівні звуку, еквівалентні та максимальні рівні звуку проникаючого шуму в приміщеннях житлових і громадських будівель і шуму на території житлової забудови (СН 2.2.4 / 2.1.8.562-96).

Таблиця 10.12

Допустимі рівні звуку, еквівалентні та максимальні рівні звуку проникаючого шуму в приміщеннях житлових і громадських будівель і шуму на території житлової забудови

Оцінку рівня шуму на відповідність гігієнічним нормативам проводять з урахуванням всіх джерел шуму, що впливають на приміщення або територію (МУК 4.3.2194-07).

Для оцінки внеску окремих джерел шуму в загальну акустичну обстановку вимірюють рівень звуку (звукового тиску), послідовно включаючи або відключаючи окремі джерела шуму. Такі вимірювання дозволяють надати зацікавленим особам додаткову інформацію для проведення заходів щодо зниження рівня шуму або оцінки якості цих заходів.

При вимірі акустичного забруднення необхідно застосовувати СІ не нижче першого класу точності, що дозволяють визначати октавні рівні звукового тиску I, третьоктавні рівні звукового тиску I, рівні звуку jL _a , еквівалентні рівні звуку Ь _Аекв і максимальні рівні звуку / _ашах .

Кращими для застосування є автоматичні інтегрують шумоміри.

Вимірювання рівнів шуму на відкритій території не повинні проводитися під час випадання атмосферних опадів і при швидкості вітру більше 5 м / с. При швидкості вітру від 1 до 5 м / с слід застосовувати протівове- тров пристрій. Мікрофон шумоміра повинен бути спрямований у бік основного джерела шуму і видалений не менше ніж на 0,5 м від людини, яка проводить вимірювання. Якщо в приміщенні неможливо визначити основне джерело шуму, мікрофон повинен бути направлений вертикально вгору.

Вимірювання шуму в приміщеннях житлових і громадських будівель проводять не менше ніж в трьох точках, рівномірно розподілених але приміщень не ближче 1 м від стін і не ближче 1,5 м від вікон приміщень на висоті

1,2-1,5 м від рівня иола. Тривалість кожного виміру в кожній точці визначається характером шуму. Процес вимірювання рівнів непостійного шуму продовжують до тих пір, поки 1 _Аекв протягом 30 з не змінюватиметься більш ніж на 0,5 дБА, а постійний шум - не менше 15 с.

Інфразвук - звукові коливання і хвилі з частотами, що лежать нижче смуги чутних (акустичних) частот (менше 16 Гц). При великих амплітудах він відчувається як біль у вусі.

За характером спектра інфразвук поділяють наступним чином:

• • широкосмуговий, з безперервним спектром шириною більше однієї октави;
• • тональний, який має в спектрі чутні дискретні складові.

У табл. 10.13 наведені ПДУ інфразвуку, допустимі рівні інфразвуку в житлових і громадських приміщеннях і на території житлової забудови (СН 2.2.4 / 2.1.8.583-96).

Таблиця 10.13

ПДУ інфразвуку, допустимі рівні інфразвуку в житлових і громадських приміщеннях і на території житлової забудови

Ультразвук - НЕ чутні людиною пружні коливання і хвилі з частотами приблизно від 15-20 кГц до 10 ГГц. Ультразвук міститься в шумі вітру та моря, видається і сприймається деякими тваринами, присутній в шумі машин.

ПДУ звукового тиску на робочих місцях вказані в табл. 10.14 (СанПіН 2.2.4./2.1.8.582-96).

Таблиця 10.14

ПДУ ультразвуку на робочих місцях

Шум ( акустичний) - безладні звукові коливання різної фізичної природи, що характеризуються випадковим зміною амплітуди, частоти і ін. Шум надає шкідливий вплив на організм людини.

Вібраційні нуля. Вібрація - вид механічних коливань в техніці. Головними параметрами вібрації є віброшвидкість або віброприскорення, частота, напрямок і тривалість впливу. Причина збільшення інтенсивності вібрації полягає в розвитку техніки і технологій: зростанні мережі залізниць, числа побутових машин і агрегатів та ін.

Вібраційна безпека - відсутність умов, що призводять або здатних привести до погіршення стану здоров'я людини або до значного зниження ступеня комфортності його праці в результаті несприятливого впливу вібрації (ГОСТ 12.1.012-2004).

Вібраційна характеристика вироби - кількісний показник, що відображає здатність вироби виробляти або передавати вібрацію і встановлюється при випробуваннях типу вироби.

Основним засобом забезпечення вібраційної безпеки є створення умов роботи, при яких вібрація, що впливає на людину, не перевищує встановлених меж (гігієнічних нормативів). Гігієнічні нормативи встановлюють для параметрів, що характеризують дію вібрації, які визначені в наступних стандартах: ГОСТ 31191.1-2004 - для загальної вібрації; ГОСТ 31191.2-2004 - для вібрації всередині будівель; ГОСТ 31191.4-2006 - для вібрації всередині залізничних транспортних засобів; ГОСТ 31192.1-2004 - для локальної вібрації.

Породжувані машинами вібрації і шуми здатні чинити негативний вплив на робітників і викликати не тільки короткочасні нездужання, але і специфічні хронічні захворювання, вражаючи судинну і нервову системи, опорно-руховий апарат.

Як датчик вібрації зазвичай використовують акселерометр загального призначення (при вимірах вібрації, створюваної інструментами і машинами ненаголошеного дії) або акселерометр, спеціально призначений для вимірювання великих пікових прискорень від інструменту ударної дії.

Акселерометр (рис. 10.8) призначений для визначення параметрів вібрації в лабораторних комплексах і при польових випробуваннях, при діагностиці підшипників, загального моніторингу рухомих механізмів має чутливість 100 мВ / g, частотний діапазон 0,5 - 5000 Гц.

Мал. 10.8. Акселерометр (а) і його підключення до аналізатора спектра (б)

Основною величиною, яка використовується для опису рівня вібрації, є середньоквадратичне значення корректированного віброприскорення, м / с ² .

Допустимий рівень вібрації в житлових і громадських будівлях - це рівень фактора, який не викликає у людини значного занепокоєння і істотних змін показників функціонального стану систем і аналізаторів, чутливих до вібраційному впливу.

За способом передачі на людину розрізняють:

• • загальну вібрацію, що передається через опорні поверхні на тіло сидить або стоїть людини;
• • локальну вібрацію, що передається через руки людини, яку, в свою чергу, поділяють на діючу вздовж осей ортогональної системи координат Х _л , Y _v Z _v де вісь Х _л паралельна осі місця охоплення джерела вібрації (рукоятки ложемента, рульового колеса, важеля управління, утримуваного в руках виробу і т.п.), вісь Y _sl перпендикулярна долоні, а вісь Z ₄ лежить в площині, утвореної віссю Х _л і напрямком подачі або прикладання сили (або віссю передпліччя, коли сила не прикладається).

ПДВ нормованих параметрів виробничої локальної вібрації при вібраційному впливі протягом 480 хв (СН 2.2.4 / 2.1.8.566-96) наведені в табл. 10.15.

Таблиця 10.15

Гранично допустимі величини нормованих параметрів виробничої локальної вібрації

Шумомір-віброметр (рис. 10.9) призначений для вимірювання рівнів звуку, звукового тиску і частотного аналізу в діапазонах звуку, інфразвуку і ультразвуку, рівнів віброприскорення і частотного аналізу в діапазонах загальної та локальної вібрації по трьох каналах одночасно.

Він забезпечує вимір всіх параметрів шуму, інфразвуку та УЗ в житлових, виробничих, адміністративних будівлях і на їх території. Його технічні характеристики наведені в табл. 10.16.

Мал. 10.9. Шумомір-віброметр

Таблиця 10.16

Технічні характеристики шумоміра-віброметра