Микросейсмические аспекты сейсмической опасности

Краткое описание

2 ВВЕДЕНИЕ... 4

1. ОБЗОР МАКРОСЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В РОССИИ... 14

1.1. История макросейсмических исследований... 14

1.2. Пример интенсивного исследования: Ахалкалакское землетрясение 31 декабря 1899 г... 30

1.3. Пример экстенсивного исследования: Каталог землетрясений тестового региона «Кавказ»... 44

1.4. Обсуждение и выводы... 53

2. СЕЙСМИЧЕСКАЯ ОПАСНОСТЬ МАЛОАКТИВНЫХ ТЕРРИТОРИЙ .. 57

2.1. Потенциальная глубина исследования исторической сейсмичности в России... 58

2.2. Историческая сейсмичность Среднего Поволжья... 62

2.3. Обсуждение и выводы... 118

3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОШЛЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ

СОБЫТИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАКРОСЕЙСМИЧЕСКИХ

ДАННЫХ О СОВРЕМЕННОМ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИИ... 122

3.1. Определение магнитуды... 123

3.2. Определение сейсмотектонического положения... 145

3.3. Оценка полноты и надежности исторических каталогов... 166

3.4. Обсуждение и выводы... 180

4. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ СЕЙСМИЧНОСТИ И ВЫБОР РАМОК ИССЛЕДОВАНИЯ ПО СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ... 184

4.1. Сейсмичность как самоорганизующаяся система... 185

4.2. Типы пространственной организации сейсмичности... 190

4.3. Выбор пространственных рамок исследования... 208

4.4. Обсуждение и выводы... 214

3

5. ХАРАКТЕР ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛИТОСФЕРНЫХ ПЛИТ В РАЙОНЕ ЗАГРОСА ПО МАКРОСЕЙСМИЧЕСКИМ ДАННЫМ... 216

5.1. Проблема глубин очагов в районе Загроса... 216

5.2. Исходные данные и их параметризация... 221

5.3. Обсуждение и выводы... 251

6. ФОРМИРОВАНИЕ МАКРОСЕЙСМИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА... 255

6.1. Афтершоки, структура, сейсмический режим очаговой зоны и макросейсмические проявления Спитакского землетрясения 7 декабря 1988 г... 257

6.2. Афтершоки, структура, сейсмический режим очаговой зоны и макросейсмические проявления Рачинского землетрясения 29 апреля 1991 г... 294

6.3. Обсуждение и выводы... 316

ЗАКЛЮЧЕНИЕ... 320

ЛИТЕРАТУРА... 326
Введение

Введение

В самом общем понимании сейсмическая опасность — это угроза зданиям, имуществу и самой человеческой жизни, связанная с возникновением сильных землетрясений. Более строгое определение сейсмической опасности, используемое в инженерной сейсмологии, формулируется как «вероятность непревышения заданной величины сейсмических воздействий для заданного промежутка времени на заданной площади». Оценка сейсмической опасности -это многоэтапная мультидисциплинарная проблема, решаемая методами геологии, геофизики, сейсмологии и инженерной сейсмологии. Она осуществляется на разных масштабных уровнях (общее, детальное и микро районирование) и включает: а) построение геодинамических и сейсмотектонических моделей, б) оценку максимальных возможных магнитуд землетрясений в рамках выбранной модели и период их повторяемости, в) расчет сейсмических воздействий в терминах сейсмической интенсивности и параметров движения грунта.

Актуальность. Исходными данными практически на всех этапах работ по оценке сейсмической опасности служат каталоги землетрясений. Чем более длительный интервал времени представлен в каталогах, тем обоснованнее оценка сейсмической опасности. Отсутствие долговременных наблюдений не может быть полностью компенсировано методическими ухищрениями на последующих стадиях оценки сейсмической опасности. Инструментальные каталоги землетрясений охватывают около 100 лет наблюдений для сильнейших землетрясений и не превышают 40 лет для землетрясений в интервале магнитуд 5.5-6.5. Между тем, примеры катастрофических землетрясений во всем мире, в том числе и на территории России (Нефтегорск, 1995) показывают, что период повторяемости сильнейших землетрясений существенно более длителен. Единственным регулярным источником информации о сейсмичности за более длительные, чем инструментальный период, интервалы времени являются макросейсмические данные. Кроме того,

5

высокая точность, а главное полная самодостаточность инструментальных данных для изучения землетрясений — это, в определенной степени, иллюзия. Эта иллюзия возникла в сейсмологическом сообществе еще в начале XX века в связи с открытием первых сейсмических станций. В результате существуют невосполнимые потери макросейсмической информации для этого периода времени. А сами инструментальные данные, как выяснилось впоследствии, были невысокого качества. В связи с этим сегодня макросейсмические исследования активно развиваются во многих странах.

В соответствии со сложившейся практикой в СССР, а затем и в России, сейсмическую опасность принято выражать в баллах шкалы сейсмической интенсивности. Поэтому чрезвычайно актуальным является вопрос: «Какие факторы влияют на интенсивность сотрясений?» Уравнение макросейсмического поля, связывающее магнитуду и глубину очага с интенсивностью на поверхности, вполне удовлетворительно описывает макросейсмический эффект на больших удалениях от очага, но в эпицентральной области часто оказывается существенно не точным.

Цель исследования. Повышение эффективности использования макросейсмики в задаче оценки сейсмической опасности за счет совершенствования информационного обеспечения исследований и выяснения очаговых факторов, влияющих на формирование макросейсмического эффекта.

Аннотированный перечень глав. Макросейсмические исследования имеют долгую историю - до сих пор не потерял значения каталог землетрясений Ближнего Востока, составленный Ас-Суйути в XII веке; в России начало активных макросейсмических исследований можно отнести к середине XIX века. В Главе 1 проведен аналитический обзор макросейсмических исследований в России. Показано, что они развивались от создания описательных каталогов землетрясений к параметрическим. Безусловным достижением принципа тотальной параметризации явилось превращение макросейсмики из описательной, вспомогательной

6

сейсмологической дисциплины в один из основных методов количественной оценки сейсмической опасности. Однако чрезмерное увлечение ц параметризацией при определенном пренебрежении к качеству исходных

данных, снижало надежность итоговых оценок. Уточнения и дополнения к опубликованным каталогам не изменили ситуацию существенным образом. На основании проведенного анализа оценены достижения и определен круг вопросов, решение которых составляет содержание настоящей диссертационной работы.

Глава 2 посвящена специфическим проблемам сейсмической опасности малоактивных территорий. Обращение к малоактивным территориям актуально потому, что ни в одном сейсмоактивном районе не существует такой степени неопределенности знаний о сейсмической истории, как в малоактивных территориях. Например, в разных каталогах в некоторых районах Русской платформы есть землетрясения с магнитудой 6, в других - в том же месте нет ничего. В условиях невысокой активности каждое отдельное сейсмическое событие даже умеренной или небольшой магнитуды может играть определяющую роль при оценке опасности. Большие трудности возникают и при попытках оценить полноту каталога исторических землетрясений малоактивной территории (что является необходимой составной частью оценки опасности). Традиционно полнота каталога определяется по графику повторяемости: представительными для данного интервала времени считаются события, лежащие в прямолинейной части графика. Из-за редкости событий в малоактивных районах оценка по графику повторяемости может оказаться технически невыполнимой (во всяком случае, статистически бессмысленной). Предлагается рассматривать геополитические и социально-культурные условия в стране как фактор, определяющий полноту современных знаний об исторической сейсмичности. От этого фактора зависит возможность записать сведения об историческом землетрясении и сохранить эту запись в оригинальном виде в течение длительного промежутка времени. На основании

7

анализа геополитических и социально-культурных условий со времени основания первого Русского государства до наших дней оценена потенциальная глубина изучения исторической сейсмичности в России.

В качестве малоактивной территории рассматривается Русская платформа (район Поволжья). Выбор объектом исследования именно этого района позволяет поставить проблему идентификации природы сейсмического события, поскольку в задачах оценки сейсмической опасности рассматривается опасность, связанная с тектоническими землетрясениями, а землетрясения иной природы (провально-карстовые, оползневые, импактные и т.п.) являются тем шумом в данных, который надо опознать и исключить. В платформенных областях, особенно в районах крупных речных сетей (например, бассейн Волги) экзогенные явления (оползни, провально-карстовые процессы) достигают значительной интенсивности. Рассматриваются принципы составления каталогов землетрясений; предлагается и применяется метод составления каталогов землетрясений малоактивных областей, доведенный до конечного продукта - каталога землетрясений Поволжья.

Макросейсмические проблемы не ограничиваются оценкой полноты современных знаний об исторической сейсмичности и идентификацией природы события. Как повысить точность определения параметров отдельных землетрясений в каталоге? Как оценить эту точность? В Главе 3 предлагается метод использования макросейсмических данных о современном землетрясении для уточнения параметров отдельного исторического сейсмического события, реализованный на конкретных примерах. Включение в рассмотрение информации о современном землетрясении позволяет существенно расширить базу исходных данных, на которой ведется поиск решения. Сравнительный анализ дает адекватное представление о надежности параметров событий в каталоге. Необходимость проведения сравнительного анализа макросейсмических эффектов современных и исторических

8

землетрясений является одним из основных защищаемых положений в диссертации.

Рассматривая возможности улучшения информационного обеспечения макросейсмических каталогов и способы уточнения параметров отдельных исторических землетрясений, предполагали, что пространственные рамки исследований заданы заранее и обсуждению не подлежат. В Главе 4 поставлен вопрос: «а насколько объективны и разумны пространственные рамки исследования с сейсмотектонической точки зрения?» и предложен возможный ответ на него. Анализируются специфические проблемы возникающие, когда необходимо оценить сейсмическую опасность малоактивных территорий, граничащих с областями высокой сейсмической активности. В каких пространственных рамках необходимо проводить исследование сейсмичности, чтобы оценка опасности малоактивной территории . имела бы сейсмотектонический смысл? Очевидно, что административные границы территорий вовсе не обязаны иметь геофизический смысл. Расширение пространственных рамок исследования без достаточных на то оснований нежелательно, поскольку это приводит к увеличению неоднородности информационной обеспеченности исследований. На примере оценки опасности для территории Ставропольского края показано, что выбор пространственных рамок может быть сделан на основании идей нелинейной неравновесной термодинамики, или самоорганизации. Впервые применимость этих подходов к описанию региональной сейсмичности рассматривалась диссертантом в 1987 г. в кандидатской диссертации «Структурные особенности сейсмичности Кавказа». Теперь же рассматривается возможность их применения в задачах оценки сейсмической опасности.

В Главах 1-4 анализировались макросейсмические аспекты, относящиеся к оценке полноты и надежности каталога, повышения точности параметризации отдельных землетрясений в нем и обоснования пространственных рамок, в которых его следует составлять. Обсуждение этих аспектов не является

9

самоцелью. В Главе 5 показано, сколь значимые для построения глобальных сейсмотектонических моделей и оценки сейсмической опасности выводы, могут быть получены исключительно по макросейсмическим данным. Исследуется характер взаимодействия Аравийской и Евразийской плит на участке Загроса (Иран). Обращение к высокоактивной зоне Загроса позволяет продемонстрировать, что применимость методов макросейсмики не ограничивается малоактивными территориями. Показано к каким взаимоисключающим сейсмотектоническим выводам (и, как следствие, к различным оценкам сейсмической опасности) можно прийти в результате неадекватной интерпретации макросейсмических данных. На этапе параметризации описательной макросейсмической информации, часто воспринимаемом как вспомогательный, могут закладываться ошибки, которые ведут в последующем к построению вполне логичных, но не обоснованных реальными данными, глобальных тектонических моделей. Подробное описание алгоритма параметризации создаваемого каталога обеспечивает воспроизводимость результата, что является необходимым условием его объективности.

Повышение эффективности применения макросейсмики в задаче оценки сейсмической опасности не сводится лишь к улучшению информационного обеспечения исследований. Глава 6 обращается к фундаментальной проблеме макросейсмики - физическим основам формирования макросейсмического эффекта. Какие факторы ответственны за то, что при близких параметрах очага (магнитуда, глубина, механизм) одни землетрясения оказывается более разрушительными, чем другие? Имеются в виду факторы, связанные не с грунтовыми или иными локальными условиями, а собственно с очагом землетрясения. На примере сравнения моделей очагов Спитакского и Рачинского землетрясений с близкими магнитудами (около 7) показано, что макросейсмический эффект зависит и от структуры собственно очага и от общей геодинамической ситуации.

10 Основные защищаемые положения.

1. Анализ социально-культурных условий в стране является необходимым элементом исследований по оценке точности и полноты современных знаний об исторической сейсмичности.

2. Использование макросейсмических данных о современных сейсмических событиях и применение сравнительного анализа существенно повышает достоверность определения параметров исторических землетрясений.

3. Корректно проведенные макросейсмические исследования позволяют получить для ряда районов точность локации очага землетрясения, превышающую соответствующую инструментальную точность, даже при современном развитии инструментальной сейсмологии.

4. Выбор пространственных рамок, в которых необходимо проводить исследование сейсмичности для надежной оценки сейсмической опасности, может быть основан на подходах, развиваемых в теории самоорганизации.

5. Методика составления каталога ощутимых землетрясений должна обеспечивать воспроизводимость результата, что служит показателем его объективности.

Научная новизна. Предложены и применены новые подходы и конкретные методы независимой оценки надежности, полноты и точности макросейсмических каталогов землетрясений, что повышает достоверность оценок сейсмической опасности в целом. Использование данных о современных событиях позволило уточнить параметры отдельных исторических землетрясений. Полное и четкое описание примененных процедур обработки исходной макросейсмической информации улучшило однородность каталогов и повысило объективность заключений по макросейсмическим данным. Сопоставление макросейсмического эффекта со структурой очагов сильных землетрясений близких по магнитуде позволило

11

продвинуться в понимании факторов, влияющих на формирование макросейсмического поля.

Практическая значимость. Знание о надежности, полноте и точностях макросейсмических каталогов, а также учет факторов, определяющих формирование макросейсмического эффекта, позволяют более надежно оценивать сейсмическую опасность. А это является основой уменьшения ущерба от сейсмических катастроф.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на Всесоюзных конференциях молодых ученых (1986, Суздаль; 1988, Звенигород); IV Международном симпозиуме по анализу сейсмичности и сейсмическому риску (1989, Бехине, Чехословакия); XXII Генеральной Ассамблее ЕСК (1990, Барселона, Испания); Генеральной Ассамблее МГГС (1991, Вена, Австрия); Международной конференции, посвященной 5-летию Спитаксого землетрясения (1993, Севан, Армения); XXIV Генеральной Ассамблее ЕСК (1994, Афины, Греция); Встрече рабочей группы по Каталогу землетрясений для Центральной и Юго-Восточной Европы (1995, Ганновер, Германия); Генеральной Ассамблее МГТС (1995, Боулдер, США); Встрече рабочей группы по международному проекту BEECD (1995, Милан, Италия); Международном семинаре НАТО «Историческая сейсмичность Кавказа» (1996, Цахкадзор, Армения); Международной конференции "Сейсмическая опасность и уменьшение сейсмического риска" (1998, Ереван); XXI Международной школе по геофизике (2002, Сицилия, Италия); Конференции «Строение и живая тектоника» (2003, Москва); на Проблемном Совете ОИФЗ РАН (2002, 2003, Москва); Конференции, посвященной 10-летию РФФИ (2002, Москва); Международной встрече рабочей группы по Российско-Индийскому сотрудничеству (2003, Москва); Научном совете Армянской Ассоциации Сейсмологии и Физики Земли (2003, Ереван, Армения); 32-ом Международном геологическом конгрессе (2004, Флоренция, Италия); Международной

12

конференции «Вызовы геомагнетизму, аэрономии и сейсмологии в XXI веке» (Тортоза, Испания, 2004).

Основные результаты диссертации изложены в 61 публикации. Вклад автора

Наблюдения. Автор принимал участие в эпицентральных сейсмологических экспедициях ОИФЗ РАН (1984, 1988-89, 1990, 1991, 1994, 1995 гг.); возглавлял макросейсмические обследования Каребасского (1999, Иран), а также Сальского (2001) и Нижнекубанского (2002) землетрясений на территории России.

Методы. Введены понятия и предложен метод разделения сейсмичности на сосредоточенную и рассеянную пространственные компоненты (авторское свидетельство совместно с С.С. Арефьевым и Н.В. Шебалиным). Предложен метод составления однородного макросейсмического каталога землетрясений на основании разнородных исходных данных (автор). Предложен метод использования макросейсмических данных о современном землетрясении для уточнения параметров исторических сейсмических событий (автор). Предложен метод расчета и введения поправок для согласования определения параметров землетрясений по региональной и плотной временной инструментальной системам наблюдений (автор).

Обработка и анализ. Составлены макросейсмические каталоги землетрясений Ставрополя (в соавторстве), Поволжья (в соавторстве), Кавказа (в соавторстве), Загроса (в соавторстве). Построены карты изосейст и определены параметры Карпатского (1802), Сальского (2001), Нижнекубанского (2002) землетрясений. Составлены инструментальные каталоги афтершоков и предложены детальные схемы структуры очаговой зоны Спитакского (1988) и Рачинского землетрясений (1991) (в соавторстве).

13 Благодарности

Автор рад возможности выразить глубочайшую признательность своему первому Учителю - Николаю Виссарионовичу Шебалину; С.С. Арефьеву, который почти 20 лет назад принял «под свое крыло» молодого выпускника; друзьям и коллегам, с которыми пройдены непростые эпицентральные экспедиции - С.С. Арефьеву, К.Г. Плетневу, П.А. Алексину, А.Э. Петросяну, С.Г. Молоткову; Н.Г. Мокрушиной за ее кропотливый труд в библиотеках и архивах по поиску оригинальных исходных данных; Ж.Я. Аптекман, Ф.Ф. Аптикаеву и И.П. Добровольскому — за постоянный интерес к своей работе и ценные обсуждения. Большое спасибо Максу Стукки и Армандо Систернасу -автор с благодарностью вспоминает их поддержку.

14 1. ОБЗОР МАКРОСЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В РОССИИ

В настоящей главе анализируется развитие идей и методов макросейсмического обследования отдельных землетрясений и составления макросейсмических каталогов. Макросейсмические исследования развивались от создания описательных каталогов к параметрическим. При этом информационное обеспечение каталогов становилось все менее значимым: основной акцент ставился на формализованные способы параметризации.

Детально рассмотрен современный этап макросейсмических исследований (к нему отнесены работы последних 20 лет). В это время развивались два взаимодополняющих направления исследований: экстенсивное и интенсивное.

На примере изучения Ахалкалакского землетрясения 31 декабря 1899 г. показано, что подразумевается под информационным обеспечением каталогов и как оно может быть формально оценено. Это событие рассматривается в качестве примера интенсивного исследования.

В качестве примера экстенсивного исследования рассмотрено создание каталога сильных землетрясений для тестового региона «Кавказ» в рамках международного проекта Global Seismic Hazard Assessment Project (GSHAP).

Анализ истории макросейсмических исследований, а также примеры экстенсивного и интенсивного исследований, позволили сформулировать перечень позиций, поставили ряд вопросов, вызывающих неудовлетворенность существующим положением дел, связанных с макросейсмическими аспектами оценки сейсмической опасности. Разрешению этой неудовлетворенности посвящены последующие главы работы.

1.1. История макросейсмических исследований

История макросейсмики - не просто последовательность публикаций исторических каталогов землетрясений. В первую очередь - это развитие и

15

смена господствующих представлений о том, что является задачей макросейсмики и каковы возможные пути ее решения. Проанализировать историю макросейсмических исследований в России - значит яснее представить себе сегодняшнее состояние и перспективы дальнейшего развития данной проблемы.

В истории макросейсмики можно выделить некоторые этапы, характеризующиеся главенствующими положениями и принципиальными достижениями (впрочем, также и определенными разочарованиями). Чтобы сделать изложение истории исследования землетрясений в России более структурированным, выделим следующие этапы:

- доинструментальный / географический (1850-1902 гг.);

- раннеинструментальный (1902-1914 гг.);

- «пустой» (1914-1925 гг.); -региональный (1925-1961 гг.); -параметрический (1962-1982 гг.);

- поздне- и постсоветский (1982-2002 гг.).

Доинструментальный / Географический этап (1850-1902). Во второй половине XIX века на территории Российской Империи и в непосредственной близости от ее границ происходит ряд сильнейших землетрясений: Арарат, 1840; Шемаха, 1859; Эрзрум, 1859. Они привлекают внимание специалистов и широкой общественности, в первую очередь, многочисленными жертвами и значительными разрушениями [Абих, 1862]. В качестве примера, наиболее полно отразившего основные достижения этого этапа исследования сильнейших землетрясений, рассмотрим публикацию И.В. Мушкетова [1890] по Верненскому землетрясению 9 июня (28 мая по старому стилю) 1887 г. Землетрясение было столь разрушительным, что после него разрабатывался план по переносу губернской столицы из г. Верного (сейчас это город Алма-

16

Ата) в другое место. С тщательностью и полнотой, с которыми И. Мушкетовым в 1887 г. собраны и представлены материалы по этому событию, вряд ли может сравниться какая-либо современная публикация. В монографии описаны макросейсмические эффекты в самом г. Верном, в других населенных пунктах эпицентральной области и в окружающей природной среде. Составлены обобщающие эти данные карты, отдельно для эпицентральной области и всей зоны, охваченной ощутимыми сотрясениями. Чтобы представить, насколько аккуратно были исследованы разрушения в г. Верном, следует указать, что описаны повреждения каждого здания на всех улицах города; представлена городская карта. Сегодня можно использовать эти данные для микрорайонирования города. Описания подкреплены фотографиями очень высокого качества (одна из них воспроизведена на рисунке 1.1).

Данные о разрушениях и убытках по всем населенным пунктам, пострадавшим от землетрясения, сведены Мушкетовым в итоговую таблицу (таблица 1.1).

Эта таблица говорит о том, что мы имеем дело скорее с завтрашним, а не вчерашним днем макросейсмики: она содержит данные, необходимые для перехода от оценки сейсмической опасности к оценке сейсмического риска. Описание макросейсмического эффекта во всей полноте, а не только вырванных из общего контекста максимальных разрушений, позволяет сегодня оценить интенсивность сотрясений на основании современных статистических методов обработки данных. Столь же тщательно документированы и все макросейсмические проявления этого землетрясения в геологической среде (рисунок 1.2).

Подводя итоги, можно утверждать, что описания Верненского землетрясения, опубликованные И. Мушкетовым, точны, детальны, полны и хорошо документированы.

Таблица 1.1. Сводная таблица разрушений и убытков Верненского землетрясения 1887 г. составленная И.В. Мушкетовым [Мушкетов, 1890]. Воспроизведена в оригинальном виде.

Число душ Количество домов Число разрушенных и Цифра убытков в рублях

обоего пола до землетрясения сильно поврежденных

каменных домов

в недвижимости в движимости

Г. Верный 21000 1799 1798 1 136 889 476 400

Ст. Б. Алматинская с выселком 6 491 972 347 331930 26 225

М. Алматинская

Вые. Любовный 1293 232 25 25 792 8 135

Сел. Казанско-Богородское 9 59 120 118 21571 387

Ст. Софийская 3 568 576 265 10 867 298

Вые. Надеждинский 2 239 313 52 800 60

Сел. Михайловское 1352 487 55 331

" Маловодное 242 70 15 331

" Зайцевское 1393 332 46 637 -

" Карасуйское 21 16 15 897 -

" Кутентайское 102 18 18 375 -

Вые. Илийский 275 73 15 1313 -

Сел. Сазановское 1 111 137 22 3 495

" Уйтал 178 27 1 290 -

Итого 40 394 5 172 2 792 1535 518 511505

Список литературы