В.И.Уломов Повторяемость сейсмических сотрясений. 50 Кбайт

Логотип-у.  13 Кбайт

Проект: "Создание электронной базы данных комплекта карт повторяемости сейсмических сотрясений различной интенсивности на земной поверхности Северной Евразии". Руководитель - проф. В.И.Уломов

УДК 550.343.6

ЭЛЕКТРОННАЯ БАЗА ДАННЫХ О ПОВТОРЯЕМОСТИ СЕЙСМИЧЕСКИХ СОТРЯСЕНИЙ РАЗЛИЧНОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ НА ТЕРРИТОРИИ СЕВЕРНОЙ ЕВРАЗИИ

В.И. Уломов, Л.С. Шумилина, К.Н. Акатова

ulomov@ifz.ru

 Институт физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН, г. Москва

ВВЕДЕНИЕ

Настоящая работа выполнена при поддержке Программы №15 фундаментальных исследований Президиума РАН по направлению "Электронная Земля: научные информационные ресурсы и коммуникационные технологии" (рук. академик Ю.М. Арский), в рамках проекта "Создание электронной базы данных комплекта карт повторяемости сейсмических сотрясений различной интенсивности на земной поверхности Северной Евразии" (рук. проф. В.И.Уломов) по одному из основных направлений фундаментальных исследований РАН - 6.3. "Современная геодинамика, движения и напряженное состояние земной коры, сейсмичность и сейсмический прогноз".

Цель проекта - составление континуальных прогнозных карт периодов повторяемости сейсмических сотрясений разной интенсивности на территории Северной Евразии.

Основой для исследований явилась электронная база сейсмологических данных, созданная в 1991-1997 гг. авторами проекта при выполнении работ по сейсмическому районированию -  ОСР-97 [Уломов, 1999; Уломов, Шумилина, 1999].

В результате исследований впервые в континуальной форме созданы электронные слои карт периодов повторяемости сейсмических сотрясений интенсивностью 6, 7, 8 и 9 баллов для всей территории Северной Евразии, охватывающей территорию Россию, всех стран СНГ и сопредельные сейсмоактивные регионы. Составлен опытный образец электронной карты для всей Земли в терминах сейсмической интенсивности.

Карты периодов повторяемости сейсмического эффекта не менее важны для проектировщиков и строителей, чем традиционные карты сейсмического районирования. В частности, они могут быть использованы для вероятностного анализа сейсмических воздействий и для выбора иных величин периодов повторяемости сейсмического эффекта, а не только для фиксированных в ОСР-97 периодов в 500 (карта А), 1000 (карта В) и 5000 (карта С) лет.

Кроме того, с их помощью можно получать дробные, а не только целочисленные (как в ОСР-97), значения сейсмической интенсивности, что необходимо при уточнении сейсмической опасности методом сейсмического микрорайонирования (СМР), когда при проектировании и строительстве для конкретных площадей определяются такие же дробные величины приращения сейсмической интенсивности, возникающие из-за влияния конкретных местных грунтовых условий.

На основе мировой карты глобальной сейсмической опасности (GSHAP, 1992-1999), в составлении которой принимали участие и авторы этого проекта, в настоящее время нами создан опытный образец электронной карты для всей Земли в терминах сейсмической интенсивности, выраженной в баллах и более "привычной" для отечественных пользователей.

Фиксация всего огромного массива исходных и выходных данных в цифровом виде является одним из фундаментальных достижений новой технологии районирования сейсмической опасности. Технология ГИС позволяет оперативно получать справочно-аналитическую информацию об основных характеристиках сейсмичности и использовать базу данных ОСР-97 для создания карт более крупного масштаба (ДСР, СМР и др.), а также адекватно оценивать сейсмическую опасность, сейсмический риск в тех или иных конкретных условиях.

Исследования продолжаются.

В 2007 г. отмечаются две круглые даты одной из основных областей сейсмологии - сейсмического районирования и прогноза сейсмической опасности. Исполняется 70 лет с момента публикации в 1937 г. первой нормативной карты сейсмического районирования территории бывшего СССР и 10 лет с момента смены парадигмы и создания в 1997 г. комплекта новых карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации - ОСР-97.

Комплект вероятностных карт ОСР-97 был составлен в 1991-1997 гг. в Институте физики Земли РАН на основе разработанной в этот период новой методологии оценки сейсмической опасности и специально созданной электронной базы сейсмологических и геолого-геофизических данных. Карты ОСР-97 в 2000 г. опубликованы в настенном варианте и официально включены в строительные нормы и правила (СНиП II-7-81*) «Строительство в сейсмических районах». Среди основных пользователей картами главное место занимают проектные и производственные организации.

Оригинальность и новизна выполненных исследований состоит в разработке целостной методологии, унификации каталога землетрясений Северной Евразии [Special…, 1995], создании адекватно параметризованной сейсмогеодинамической модели источников землетрясений, а также в учете размеров сейсмических очагов, их ориентации в пространстве, особенностей сейсмического режима сейсмоактивных регионов и их основных структурных элементов, затухания сейсмического эффекта с расстоянием и многого другого. Впервые в отечественной сейсмологической практике и в миро-вой практике сейсмостойкого строительства стал использоваться набор карт, характеризующих разную степень сейсмического риска.

Вместе с тем, хотя карты ОСР-97 и были созданы в технологии Географических информационных систем (ГИС), они для широкого круга пользователей доступны лишь на бумажной основе. Электронными же версиями этих карт, как и других связанных с ними данных, оперируют пока только их составители. Настоящая работа в определенной мере стремится устранить этот пробел. В дальнейшем на портале http://eearth.wdcb.ru/ Геофизического центра РАН планируется разместить не только карты периодов повторяемости сейсмического эффекта на территории Северной Евразии, но и другие файлы электронных слоев из базы ОСР-97.

О СЕЙСМИЧНОСТИ ТЕРРИТОРИИ РОССИИ

Территория Российской Федерации, по сравнению с другими странами мира, расположенными в сейсмоактивных регионах, в целом характеризуется умеренной сейсмичностью (рис. 1). Исключение составляют регионы Северного Кавказа, юга Сибири и Дальнего Востока, где интенсивность сейсмических сотрясений достигает 8-9 и 9-10 баллов по 12-балльной макросейсмической шкале MSK-64. (Все рисунки с подписями приведены также в конце этой статьи.) 

В сейсмическом отношении территория России принадлежит Северной Евразии, сейсмичность которой обусловлена интенсивным геодинамическим взаимодействием нескольких крупных литосферных плит - Евроазиатской, Африканской, Аравийской, Индо-Австралийской, Китайской, Тихоокеанской, Северо-Американской и Охотоморской. Наиболее активными являются конвергентные структуры литосферы. Они достаточно упорядочены по своим размерам и представлены дугообразными границами между литосферными плитами, расположенными по периферии океанов в виде зон субдукции, а также их реликтами на континентах (рис. 2). Среднестатистическая протяженность конвергентных регионов составляет около 3000 км [Уломов, 1993а]. Каждый из них характеризуется свойственной ему структурой сейсмичности и сейсмическим режимом. Поэтому именно регион указанных выше размеров принят за "исходную" сейсмогенерирующую структурную единицу при разработке модели зон возникновения очагов землетрясений (зоны ВОЗ) Северной Евразии.

В европейской части России высокой сейсмичностью характеризуется Северный Кавказ, в Сибири - Алтай, Саяны, Байкал и Забайкалье, на Дальнем Востоке - Курило-Камчатский регион и остров Сахалин. Менее активны в сейсмическом отношении Верхояно-Колымский регион, районы Приамурья, Приморья, Корякии и Чукотки, хотя и здесь возникают достаточно сильные землетрясения. Относительно невысокая сейсмичность наблюдается на равнинах Восточно-Европейской, Скифской, Западно-Сибирской и Восточно-Сибирской платформ. Наряду с местной сейсмичностью на территории России ощущаются также сильные землетрясения сопредельных зарубежных регионов (Восточные Карпаты, Крым, Кавказ, Центральная Азия и др.).

Характерная особенность всех сейсмоактивных регионов - примерно одинаковая их протяженность - около 3000 км, обусловленная размерами древних и современных зон субдукции (погружение океанической литосферы в верхнюю мантию Земли), расположенных по периферии океанов, и их орогенических реликтов на континентах. Преобладающее число очагов землетрясений сосредоточено в верхней части земной коры на глубинах до 15-20 км. Самыми глубокими (до 650 км) очагами характеризуется Курило-Камчатская зона субдукции. Землетрясения с промежуточной глубиной залегания очагов (70–300 км) действуют в Восточных Карпатах (Румыния, зона Вранча, глубина до 150 км), в Центральной Азии (Афганистан, зона Гиндукуша, глубина до 300 км), а также под Кавказом и в центральной части Каспийского моря (до 100 км и глубже). Наиболее сильные из них ощущаются на территории России. Каждому региону свойственны определенная периодичность возникновения землетрясений и миграция сейсмической активизации вдоль зон разломов. Размеры (протяженность) каждого из очагов обусловливают величину магнитуды (М, по Рихтеру) землетрясений. Длина разрыва пород в очагах землетрясений с М=7.0 и выше достигает десятков и сотен километров. Амплитуда смещений земной поверхности измеряется метрами.

ВЕРОЯТНОСТНЫЙ ПОДХОД К ОЦЕНКЕ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ

Оценка сейсмической опасности той или иной территории обычно анализируется детерминистскими и вероятностными методами. Вероятностный анализ сейсмической опасности (ВАСО) сочетает в себе альтернативные модели сейсмических очагов, периоды повторяемости землетрясений, зависимости затухания сейсмического эффекта с расстоянием, а также целый ряд неопределенностей, обусловленных как нечетким знанием тех или иных параметров, так и случайным характером возникновения самих сейсмических событий. В отличие от ВАСО, при детерминистском анализе сейсмической опасности (ДАСО) неопределенности обычно не рассматриваются, а лишь рассчитывается экстремальный сейсмический эффект на конкретной площадке от самых близких к ней очагов землетрясений фиксированных магнитуд. Расчеты ведутся на основе теории распространения сейсмических волн с учетом их затухания с удалением от сейсмического источника и влияния местных грунтов, которые обычно представляются в виде горизонтально слоистой среды. При этом рассматриваются плоские фронты сейсмических волн, распространяющихся вертикально вверх и обусловливающих сейсмический эффект на свободной земной поверхности, не нагруженной каким-либо сооружением. Для таких расчетов в настоящее время существует целый ряд алгоритмов и программ, как отечественного, так и зарубежного происхождения.

Практически все предыдущие карты сейсмического районирования, начиная с первой карты 1937 г. и кончая предпоследней картой 1978 г., были детерминистскими. Они не учитывали основные характеристики сейсмического режима сейсмоактивных территорий, хотя еще в середине 40-х годов С.В. Медведев [Медведев, 1947] предложил ввести в зоны сейсмической опасности внутреннюю дифференциацию в соответствии с периодом повторяемости сильных землетрясений и с предполагаемыми сроками службы различных типов сооружений. Затем Ю.В.Ризниченко разработал алгоритмы и программы расчета сейсмической "сотрясаемости" [Ризниченко, 1966]. Однако все эти прогрессивные разработки отечественных сейсмологов тех лет, как и многие другие их идеи, по целому ряду объективных и субъективных причин не были применены на практике [Сейсмическое…, 1980]. Вместе с тем, они получили широкое развитие за рубежом после аналогичной, но более поздней, публикации К.А. Корнелла в 1968 г. [Cornel, 1968] и привели западные страны к построению карт сейсмического районирования в терминах вероятности превышения (или не превышения) сейсмической опасности в заданные интервалы времени.

Условия неопределенностей, которые в природе всегда существуют, делают неправомочным детерминистский подход к сейсмическому районированию. Оно может быть осуществлено лишь на вероятностной основе. Иными словами, риск всегда будет иметь место, но он должен быть оценен и сведен к минимуму. Это и заложено в действующих в настоящее время новых картах общего сейсмического районирования территории Российской Федерации - ОСР-97.

С учетом выявленных недостатков, на основе новейших достижений и результатов собственных исследований, нами в 1991 г. было принято решение создавать не одну карту, как это делалось составителями предыдущих карт образца 1937, 1957, 1968 и 1978 гг., а комплект вероятностных карт ОСР-97, предназначенных для строительных объектов разных категорий ответственности и сроков службы и отражающих равновероятную для конкретного уровня риска расчетную интенсивность сотрясений на всей районируемой территории. Исследования проводились в 1991-1997 гг. по проблеме "Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии" (рук. В.И.Уломов), разрабатываемой в ИФЗ РАН (директор В.Н.Страхов) в рамках Государственной научно-технической программы России "Глобальные изменения природной среды и климата" (рук. вице-президент РАН Н.П.Лаверов) и явились продолжением работ по сейсмическому районированию территории бывшего СССР, однако выполнялись на ином концептуальном, методологическом, технологическом и научно-организационном уровне [Уломов, Шумилина, 1999; Сейсмическое…, 2000].

В основу исследований по ОСР-97 были положены представления о региональной и глобальной сейсмогеодинамике (СГД), рассматривающей сейсмичность как результат взаимодействия литосферных плит, деформирования земной коры и всей литосферы с учетом фрактальных особенностей их слоисто-блоковой структуры, прочностных свойств и процессов разрушения на разных иерархических масштабных уровнях [Сейсмичность…, 1993, 1995; Уломов, 1993а]. В результате была разработана целостная методология, созданы однородные сейсмологические и геолого-геофизические электронные базы данных для всей обширной территории Северной Евразии. В решении практически всех задач ОСР-97 применены статистические и вероятностные характеристики, учитывающие как случайные, так и закономерные факторы сейсмогенеза, а также разного рода неопределенности в исходных и выходных данных. Все построения осуществлены в электронном виде в современной технологии Географических информационных систем – ГИС (GIS ESRI).

МОДЕЛЬ ИСТОЧНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Исследования по оценке сейсмической опасности и сейсмическому районированию Северной Евразии базируются на создании двух взаимосвязанных сейсмогеодинамических моделей - модели зон возникновения очагов землетрясений (зоны ВОЗ) и модели сейсмического эффекта (МСЭ). Каждая из них отражает структурно-динамическое единство природной среды и вероятностный характер развивающихся в ней сейсмических процессов.

В основу создания модели зон ВОЗ Северной Евразии была положена линеаментно-доменно-фокальная (ЛДФ) модель [Уломов, 1993а, 1998; Shebalin at al., 2000]. В соответствии с принятой концепцией, в ЛДФ-модели (рис. 3) рассматриваются четыре масштабных уровня: крупный регион с его интегральной характеристикой сейсмического режима и три его основных структурных элемента  линеаменты, в генерализованном виде представляющие оси верхних кромок трехмерных сейсмоактивных разломных или сдвиговых структур, отражая структурированную сейсмичность и являясь основным каркасом ЛДФ-модели; домены, сплошь покрывающие всю территорию, охватывая квазиоднородные в тектоническом и геодинамическом отношении объемы геологической среды, и характеризующиеся рассеянной (диффузной) сейсмичностью; потенциальные очаги землетрясений, указывающие на наиболее опасные участки (фокусы) и приуроченные, как правило, к линеаментным структурам. Сейсмогеодинамика ЛДФ-модели обусловлена региональным сейсмическим режимом и деформационными волнами, способствующими перемещению крыльев разломов и сдвиговых структур [Уломов, 1993б].

Линеаменты, домены и потенциальные очаги, как и землетрясения, классифицируются по величине максимальной магнитуды (Mmax) с шагом 0.5 0.2 единицы М. Минимальное значение магнитуды землетрясений, возникающих вдоль линеаментов, принято равным М=6.0, поскольку при генерализованном районировании, каким является ОСР-97, очаги землетрясений с меньшей магнитудой выделяются менее надежно. В случае же детального сейсмического районирования (ДСР), осуществляющегося в более крупном масштабе, нижний порог магнитуд для линеаментов может быть понижен.

Поскольку реальные очаги не располагаются строго вдоль осей линеаментов, а отклоняются определенным образом по обе стороны от них, в ЛДФ-моделях зон ВОЗ используются функции статистического распределения, аналогичные изображенной на заднем плане объемной ЛДФ-модели на рис. 3. Чем меньше магнитуда землетрясений, тем дальше от оси линеамента могут отклоняться их очаги. Такое рассеяние очагов обусловлено размером областей динамического влияния линеаментных структур на прилегающую геологическую среду и ее фрактальным разломно-блоковым строением. Землетрясения с М=5.5 и менее принадлежат доменам, где они рассеиваются случайным образом.

В отличие от доменов, которые покрывают всю исследуемую территорию без просветов и наложений, линеаменты пересекают друг друга, естественным образом создавая решетку и повышенную сейсмическую опасность в ее дислокационных узлах, поскольку вблизи таких узлов сейсмический эффект обусловливается уже активностью не одного, а по меньшей мере двух линеаментов. Линеаменты могут изламываться, образуя сегменты. Узлы пересечения и изломов линеаментов, как известно, представляют наибольшую сейсмическую опасность и по другим причинам: именно в них чаще всего образуются зацепы, вокруг которых в геотектонических блоках накапливаются и сбрасываются большие порции упругих напряжений.

Для расчетов и картирования сейсмической опасности впервые в отечественной практике сейсмического районирования была разработана единая сейсмогеодинамическая ЛДФ-модель зон ВОЗ всей территории Северной Евразии (рис. 4). Она насчитывает свыше 1000 линеаментов разного ранга и около 500 доменов. Первым десятком измеряется количество выявленных потенциальных очагов. Каждый из структурных элементов зон ВОЗ единообразно представлен в атрибутивных таблицах электронной базы данных ОСР-97, где указаны его размеры (длина – для линеаментов, площадь – для доменов), глубина залегания сейсмоактивного слоя, максимальная возможная магнитуда (Mmax), плотность потока сейсмических событий разных магнитуд и многое другое, включая оценки погрешностей определения тех или иных параметров. Не менее полную информацию содержат в себе и карты очагов землетрясений – дату возникновения события, географические координаты эпицентра, глубину очага, магнитуду, методы ее определения и др. Всю эту и другую информацию легко получить в технологии ГИС, нажав курсором на соответствующий объект карты.

О ТЕХНОЛОГИИ КАРТИРОВАНИЯ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ

На примере Кавказа и сопредельной территории на рис. 5 иллюстрируется технологию построения модели зон ВОЗ и районирования сейсмической опасности. На основе данных о региональной сейсмичности (а), сведений об активных разломах, а также о гравитационных изостатических аномалиях, их градиентов, максимумов этих градиентов и других геолого-геофизических данных, создается ЛДФ-модель зон возникновения очагов землетрясений (б), представленная в виде трех основных структурных элементов - линеаментов, доменов и потенциальных очагов (фокусов) землетрясений различных магнитуд. На основе сейсмологической и сейсмогеодинамической параметризации каждого из основных структурных элементов ЛДФ-модели, на заданный интервал времени разыгрываются синтетические очаги землетрясений, изображенные в компьютере (карта в) в виде прямоугольников, размеры и ориентация которых соответствует сейсмическому потенциалу (магнитуде) и ориентации в пространстве плоскостей соответствующих линеаментов. Очаги землетрясений с М=6.0 и более, принадлежащие линеаментам, разыгрываются в соответствии с заданной функцией их распределения относительно осей соответствующих линеаментов (см. рис. 3). Сейсмические источники с М=5.5 и менее, принадлежащие доменным структурам, рассеиваются случайным образом в объеме каждого из доменов.

Одновременно вся исследуемая территория покрывается (виртуально, в компьютере) прямоугольной сеткой размером 25 км на 25 км, фрагмент которой показан на карте (в). (В принципе шаг сетки может быть любым в зависимости от точности построений.) Затем, в соответствии с сейсмическим режимом основных структурных элементов ЛДФ-модели и синтетическим каталогом землетрясений, составленном на достаточно длительный промежуток времени (десятки и сотни тысяч лет), компьютерным моделирование зоны ВОЗ активизируются и генерируют виртуальные сейсмические очаги. Каждый узел сетки «опрашивает» все возникающие таким образом очаги гипотетических землетрясений, которые могут создать в нем сотрясения интенсивностью 5 баллов и более и накапливает информацию о повторяемости сейсмических сотрясений в виде гистограмм (см. график справа на этом рисунке), выраженных в сейсмической интенсивности I(баллы) или в пиковых ускорениях PGA(м/с/с) сейсмических колебаний.

Следующие шаги достаточно просты. Задаваясь фиксированными периодами времени (в случае ОСР-97 это – 500, 1000 и 5000 лет), строятся карты сейсмической интенсивности (рис. 6). Границы между сейсмическими зонами проведены по изолиниям, соответствующим значениям 5.5, 6.5, 7.5 баллам и т.д. Комплект ОСР-97 состоит из трех карт, отражающих 10 %- (карта А), 5 %- (карта В) и 1 %-ную (карта С) вероятность возможного превышения (или 90 %-, 95 %- и 99 %-ную вероятность непревышения) в течение 50 лет в любом пункте зон указанных для них значений сейсмической интенсивности, отнесенных к участкам со средними по сейсмическим свойствам грунтами (грунты II категории, по СНиП II-7-81*). Такой подход к оценке сейсмической опасности позволяет оценивать ее степень на трех уровнях приемлемого риска. Согласно СНиП II-7-81*, карта А предназначена для массового строительства, а карты В и С - для объектов повышенной ответственности и особо ответственных объектов. Для объектов ядерно-радиационного комплекса (атомные станции, захоронение ядерных отходов и т.п.) создана еще одна карта - ОСР-97D, отражающая 0.5%-ный риск возможного превышения сейсмических воздействий в течение 50 лет, что соответствует приемлемому среднегодовому риску 10-4, отвечающему требованиям МАГАТЭ.

Для получения карт периодов Т (годы) повторяемости заданного сейсмического эффекта в каждом из узлов решетки фиксируется величина сейсмической интенсивности в целочисленных баллах. Таких узлов на всей исследуемой территории Северной Евразии оказалось свыше 100 тысяч. Карты для 7, 8 и 9 баллов в мелком масштабе и в «точечном» исполнении опубликованы в виде карт-врезок в настенном варианте карт ОСР-97 [Сейсмическое…, 2000].

ВЕРОЯТНОСТНЫЙ АНАЛИЗ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ

Карты периодов повторяемости сейсмических сотрясений (т.е. - "сотрясаемости") не менее важны для строителей, чем традиционные карты сейсмического районирования. Они могут быть использованы для вероятностного анализа сейсмических воздействий и для выбора иных периодов повторяемости сейсмического эффекта, чем фиксированные в ОСР-97 периоды 500, 1000 и 10000 лет. Кроме того, с их помощью можно получить дробные значения величин сейсмической интенсивности, что необходимо при уточнении сейсмической опасности методом сейсмического микрорайонирования (СМР), когда при проектировании и строительстве гражданских, промышленных, гидротехнических, ядерных и других сооружений в сейсмоактивных регионах страны определяются величины приращения сейсмической интенсивности за счет конкретных местных грунтовых условий.

На рис. 7 приведены карты периодов повторяемости 6-, 7-, 8- и 9-балльных сотрясений для всей территории Северной Евразии, выполненные в форме непрерывной поверхности, а не для фиксированных точек, соответствующих узлам вышеупомянутой процедурной решетки. Интерполяция и сглаживание производились методом Кригинга с использованием программного обеспечения ESRI ArcGIS Spatial Analyst. Эти же карты в растровом виде можно найти на сайте http://seismos-u.ifz.ru/shake.htm.

В качестве одного из примеров использования полученных карт служит рис. 8, где представлен график вероятностного анализа сейсмической опасности (ВАСО), примененный для оценки сейсмической опасности площадки строительства в городе Большие Сочи [Уломов, 2006]. Ось абсцисс этого графика является шкалой балльности, а ось ординат – логарифмической шкалой периодов повторяемости того или иного сейсмического эффекта. Аппроксимирующая линия, построенная в данном случае для значений сейсмической интенсивности 7, 8 и 9 баллов, используется для определения величин дробных значений баллов для рассматриваемого конкретного пункта. Стрелками показана последовательность определения величин I(баллы) и Т(годы). Как видно, в данном случае значения сейсмической интенсивности оказались равными 8.2 баллов для карты ОСР-97А, 8.6 баллов для карты ОСР-97В и 9.0 баллов для карты ОСР-97С. Именно к этим дробным величинам будут добавляться с соответствующим знаком (плюс или минус) значения приращений балльности, полученные при СМР. Из-за отсутствия в прошлом таких карт сотрясаемости приходилось оперировать целочисленными баллами, что приводило к существенному занижению или завышению оценки ожидаемых сейсмических воздействий на тех или иных конкретных площадках.

Пунктирными стрелками показано, каким образом можно определять величину сейсмической интенсивности в случае выбора иного периода повторяемости (в данном примере это Т = 300 и 3000 лет). Можно найти и другие способы применения созданных нами континуальных карт. Векторное их отображение открывает дополнительные возможности, поскольку система ГИС позволяет более детально определять величины Т(годы), а следовательно и I(баллы), в любом географическом пункте на этих картах, минуя довольно грубую логарифмическую шкалу условных градаций.

Рис. 9 иллюстрирует опытный макет карты глобальной сейсмической опасности, созданной мировым сообществом в 1999 г. в рамках крупной международной программы GSHAP (Global Seismic Hazard Assessment Program) и представленной здесь в баллах шкалы сейсмической интенсивности, а не в пиковых ускорениях, как это сделано в оригинале [Global…, 1999]. Авторы этой статьи принимали участие в создании фрагмента мировой карты по территории Северной Евразии на основе карты ОСР-97А, представленной в пиковых ускорениях.

О СОВЕРШЕНСТВОВАНИИ ПРОГРАММНО-МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

Разработанная нами новая методология оценки сейсмической опасности и сейсмического районирования, а также программно-математическое обеспечение (ПМО) ее реализации, в отличие от западной, получила название "ВОСТОК-97" (Earthquake Adequate Sources Technology – EAST-97, т.е. Технология адекватных источников землетрясений, поскольку впервые все расчеты и построения стали осуществляться на основе представлений о протяженных, а не точечных, очагах землетрясений).

В рамках программы «Электронная Земля» нами продолжено совершенствование ПМО, созданного в последнее время при участии сотрудников регионального Красноярского научно-исследовательского института геологии и минерального сырья (КНИИГМС) Перетокина С.А. и Иванцова А.Б. и предназначенного для автоматизированного выполнения расчетов по оценке и картированию сейсмической опасности. ПМО "ВОСТО-2003" разработано на основе алгоритмов и пакетов программ ОСР-97 и представляет собой удобный пользовательский интерфейс для задания, редактирования и параметризации зон возникновения очагов землетрясений, расчета периодов повторяемости сейсмического эффекта и оценки сейсмической опасности, для построения карт вероятностного сейсмического районирования конкретных территорий, визуализации карт и других входных, промежуточных и выходных данных.

ПМО «ВОСТОК-2003» поддерживается операционной системой Windows, строго соответствует методологии ОСР-97 и включает в себя следующие основные действия:

- выбор региона исследований, унификацию каталога землетрясений, определение параметров сейсмического режима и создание других баз данных (БД) для формирования расчетной линеаментно-доменно-фокальной модели (ЛДФ-модель) зон возникновения очагов землетрясений (зоны ВОЗ) и параметризации ее основных структурных элементов - линеаментов, доменов, потенциальных очагов (фокусов) землетрясений;

- идентификация и внесение в БД географических координат концов и изломов линейных зон, отражающих структурированную сейсмичность (линеаменты и потенциальные очаги), и изломов контуров площадных зон рассеянной сейсмичности (домены) с их соответствующей сейсмологической параметризации, которая осуществляется в целом для каждого линеамента и его сегмента, домена и потенциального очага, включая нормирование плотности потока сейсмических событий на единицу длины (один км) – для линеаментов и единицу площади (один кв. км) – для доменов;
 визуализация карт региональной сейсмичности, картирование протяженных и реалистично ориентированных очагов землетрясений (в легенде ОСР-97 – эллипсы для магнитуд М≥6.8 и т.п.), основных структурных элементов зон ВОЗ (линеаменты, домены, потенциальные очаги), активных разломов и др.;

- создание на основе параметризованной модели зон ВОЗ модельного каталога, интерактивное формирование координатной сетки и вычисление в ее узлах повторяемости сейсмических сотрясений, создаваемых основными структурными элементами зон ВОЗ – линеаментами, доменами и потенциальными очагами землетрясений;

- визуализация результатов расчетов повторяемости сейсмических сотрясений в узлах координатной сетки, карт виртуальной сейсмичности, карт разных периодов повторяемости сотрясений различной сейсмической интенсивности, карт сейсмического районирования для заданных периодов повторяемости сейсмических воздействий, а также отображение основных промежуточных графических построений.

В качестве примера на рис. 10 приведено изображение одного из окон ПМО "ВОСТОК-2003". Здесь закладка "Параметры расчета" предназначена непосредственно для расчета карт повторяемости сейсмического эффекта ("сотрясаемость"). При этом возможно два режима расчета сотрясаемости: для той или иной сетки приемников и для произвольного набора точек. По умолчанию выбран режим для расчета по "сетке".

Исследования продолжаются.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Континуальные карты периодов повторяемости сейсмических воздействий различной интенсивности на территории Северной Евразии созданы впервые. Они существенно расширяют возможности использования базы данных ОСР-97 для решения многих сейсмологических, инженерно-сейсмологических и проектно-строительных задач. Наиболее плодотворное применение они могут найти при сейсмическом микрорайонировании, учитывающем влияние на сейсмический эффект местных грунтовых условий, а также при вероятностном анализе сейсмической опасности, когда возникает необходимость определить степень сейсмического риска на иные периоды ожидания, чем стандартные, к которым отнесены оценки карт ОСР-97.

Фиксация всего огромного массива исходных и выходных данных в цифровом электронном виде в ГИС-технологии является одним из фундаментальных отличий новой методологии районирования сейсмической опасности от всех предыдущих методов и способов. Использование ГИС позволяет оперативно получать справочно-аналитическую информацию об основных характеристиках сейсмичности и сейсмического режима отдельных структур и регионов, а также использовать материалы ОСР-97 для создания на их основе карт более крупного масштаба (ДСР, СМР и др.), адекватно оценивать сейсмическую опасность, сейсмический риск и уязвимость тех или иных строительных объектов.

В случае выявления каких-либо дополнительных данных о сейсмической угрозе (обнаружение не известных ранее палеосейсмодислокаций, новых исторических сведений о прошлых землетрясениях, миграции сейсмической активизации и т.п.) специальное программно-математическое обеспечение позволит оперативно вносить те или иные необходимые коррективы в банк данных, в расчеты сейсмической опасности и в ее картирование. Это, в свою очередь, может стать основой нового подхода к оценке сейсмической опасности – динамическому районированию.


ЛИТЕРАТУРА

Медведев С.В. К вопросу об учете сейсмической активности района при строительстве, Труды сейсмологического института АН СССР, N119, 1947.

Ризниченко Ю.В. От активности очагов землетрясений к сотрясаемости земной поверхности, Известия АН СССР, Физика Земли, 1965, N11, стр.1-12.

Сейсмическое районирование территории СССР. Методические основы и региональное описание карты 1978 г. М.: Наука, 1980. 307 с.

Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии (Ред. В.И.Уломов), Вып. 1. М.: ОИФЗ РАН, 1993, 303 стр.

Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии (Ред. В.И.Уломов), Вып. 2-3. М.: ОИФЗ РАН. 1995. 490 стр.

Страхов В.Н., Уломов В.И., Шумилина Л.С. Комплект карт общего сейсмического районирования Северной Евразии. Физика Земли, №10, 1998. С. 92-96.

Сейсмическое районирование территории Российской Федерации – ОСР-97. Карта на 4-х листах / Гл. редакторы В.Н. Страхов и В.И. Уломов. ИФЗ РАН. М.: НПП "Текарт", 2000.

Сейсмическое районирование территории Российской Федерации – ОСР-97. Карта на 4-х листах / Строительные нормы ми правила СНиП II-7-81* "Строительство в сейсмических районах", 2000.

Уломов В.И. Глобальная упорядоченность сейсмогеодинамических структур и некоторые аспекты сейсмического районирования и долгосрочного прогноза землетрясений // Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии. Вып. 1. М.: ОИФЗ РАН, 1993а, С. 24–44.

Уломов В.И. Волны сейсмогеодинамической активизации и долгосрочный прогноз землетрясений. Физика Земли, N 4, 1993б, С. 43-53.

Уломов В.И. Моделирование зон возникновения очагов землетрясений на основе решеточной регуляризации. Физика Земли, N 9, 1998, С. 20-38.

Уломов В.И., Шумилина Л.С. Сейсмическое районирование России на основе автоматизированных технологий // Проект. № 3, 1998. С. 4-8.

Уломов В.И., Шумилина Л.С. Комплект карт Общего сейсмического районирования территории Российской Федерации  ОСР-97. Масштаб 1:8 000 000. Объяснительная записка и список городов и населенных пунктов, расположенных в сейсмоопасных районах. М., 1999. 57 с.

Уломов В.И. Вероятностный анализ сейсмической опасности в практике строительства // Межведомственный научно-технический сборник научных трудов. Государственный НИИ строительных конструкций Министерства строительства Украины. Вып. 64 - Киев, 2006. С. 44-51.

Global Seismic Hazard Assessment Program. — Annali di Geofisica. Spec. issue: Technical Planning Volume of the ILP`s, XXXVI, No. 3–4. 1993. 257 p.

Cornell C.A. Engineering seismic risk analysis, Bull.Seis.Soc. Amer., 58, 1968, 1583-1906.
Special Earthquake Catalogue of Northern Eurasia From Ancient Times Through (SECNE) 1995. Editors: N.V. Kondorskaya and V.I. Ulomov // http://socrates.wdcb.ru/scetac/

Shebalin N.V., Trifonov V.G., Kozhurin A.I., Ulomov V.I., Tatevossian R.E. and Ioffe A.I. A Unified Seismotectonic Zonation of Northern Eurasia // Journal of Earthquake Prediction Research. SSB-Beijing. China. UIPE–Moscow. Russia. Vol. 8. № 1. 2000. Р. 8-31.

 

РИСУНКИ

Сейсмичность Земли и России. 56 Кбайт

Рис. 1. Сейсмичность Земли.

Сейсмичность Северной Евразии. 105 Кбайт

Рис. 2. Сейсмичность Северной Евразии.

Объемная модель источников землетрясений. 25 Кбайт

Рис. 3. Объемная ЛДФ-модель зон ВОЗ. 1. - осевые плоскости линеаментных структур l(Mmax), генерирующих землетрясения с магнитудой Mmax=6.0 и более; 2. -  контуры объемных доменов d, генерирующих землетрясения с Mmax=5.5 и менее; 3. - активные разломы, фрагментарно отражающие простирание линеаментов; 4. - очаги землетрясений протяженностью L(Mmax) с М =7.0 и более, отклоняющиеся от осей линеаментов на величину D, обратно пропорциональную магнитуде М землетрясений (см. график на заднем плане рисунка); 5.  - очаги землетрясений с М =5.5 и менее, рассеиваемые случайным образом в доменах.

ЛДФ-Модель зон ВОЗ Северной Евразии.59 Кбайт.

Рис. 4. ЛДФ-модель зон возникновения очагов землетрясений (зоны ВОЗ) Северной. Евразии.

Рис. 5. Иллюстрация технологии создания модели зон возникновения очагов землетрясений и компьютерного моделирования виртуальной сейсмичности для расчета карт районирования сейсмической опасности.

Рис. 6. Комплект вероятностных карт ОСР-97 – общего сейсмического районирования территории Российской Федерации. Р(%) – вероятность возможного превышения в течение t лет сейсмического эффекта, указанного на картах. Т (годы) – период повторяемости сейсмических сотрясений на любых площадках размером 25 км на 25 км.
 

Периоды повторяемости сотрясений. 115 Кбайт

Рис. 7. Карты периодов повторяемости 6, 7, 8 и 9-балльных сотрясений на территории Северной Евразии.

Рис 8. Вероятностный анализ сейсмической опасности.
 

Глобальная сейсмоопасность в баллах. 115 Кбайт

Рис. 9. Карта глобальной сейсмической опасности, составленная на основе карт ОСР-97А и представленная в баллах шкалы сейсмической интенсивности. Эта карта соответствует российской карте ОСР-97А, характеризующей 10%-ную вероятность возможного превышения (или 90%-ную вероятность непревышения) указанной на ней сейсмической интенсивности (в баллах) в течение 50 лет, и повторяемости таких сейсмических воздействий в любом пункте сейсмических зон в среднем один раз в 500 лет.

 

ПМО "Восток-2003".  61 Кбайт

 

Рис. 10. Изображение одного из окон ПМО "ВОСТОК-2003", разработанного на основе технологии ОСР-97. Закладка "Параметры расчета" предназначена для расчета карт периодов повторяемости сейсмического эффекта. При этом предусмотрены два режима расчета - для сетки приемников и для произвольного набора точек.