Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
20
ІНСТИТУТ ГЕОФІЗИКИ ім. С.І.СУББОТІНА
Андрій Анатолійович
УДК 550.34
СЕЙСМІЧНОЇ НЕБЕЗПЕКИ
ТЕРИТОРІЇ ПІВДНЯ УКРАЇНИ
04.00.22 –геофізика
дисертації на здобуття вченого ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Київ –
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана у Відділі сейсмології Інституту геофізики ім. С.І.Субботіна Національної Академії Наук України.
Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук
Кульчицький Валерій Євгенійович
Інститут геофізики НАН України
Відділ сейсмології, м. Сімферополь
старший науковий співробітник.
Офіційні опоненти:
доктор геолого-мінералогічних наук
Гінтов Олег Борисович
Інститут геофізики НАН України, м. Київ
головний науковий співробітник;
доктор хабілітат фізико-математичних наук
Алказ Василь Георгійович
Інститут Геофізики і Геології АН Молдови
м. Кишинів, директор.
Захист відбудеться " 18 " червня 2008р. о " 13 " годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.200.01 при Інституті геофізики ім.С.І.Субботіна НАН України за адресою: м.Київ-142, проспект Палладіна, 32.
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту геофізики ім.С.І.Субботіна НАН України.
Автореферат розіслано " 17 " травня 2008р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради
доктор геологічних наук М.І. Орлюк
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність. Серед природних катастроф землетруси відносяться до числа найбільш небезпечних. За даними ООН за останні 500 років на Землі від землетрусів загинуло близько 4.5 млн. людей. Окрім людських жертв землетруси спричиняють великі, іноді катастрофічні для держав економічні збитки, спричиняють порушення екологічної рівноваги природного середовища. Недавня катастрофа в Південно-східній Азії від цунамі, що виникло в результаті найсильнішого за останнє сторіччя землетрусу поблизу о.Суматра, знову нагадала світовій науковій спільноті про необхідність більш глибокого і детального вивчення сейсмічного процесу і прогнозу його розвитку в майбутньому.
Територія України, особливо її південна частина є сейсмічно небезпечною. Найвищий рівень небезпеки виходить від сильних землетрусів Чорного моря і глибокофокусної зони Вранча. В південних районах України (Крим, Одеська область) зосереджена велика кількість оздоровниць, у тому числі міжнародного статусу, торгових портів, ведеться найінтенсивніше освоєння земель під будівництво відповідальних будівель і споруд, стрімко збільшується висотність житлових будинків і рекреаційних комплексів, зростає густота населення.
Для забезпечення безпеки проживання в цих сейсмоактивних і швидко забудовуваних районах, зниження можливих економічних і екологічних втрат при майбутніх землетрусах необхідно коректно оцінити ступінь довготривалої сейсмічної небезпеки і врахувати її при розробці адекватної будівельної політики, раціонального землекористування і страхування.
У зв’язку з цим виконані в рамках дисертації роботи по дослідженню фізичних параметрів вогнищ землетрусів і сейсмічності в цілому, кількісній оцінці сейсмічної небезпеки є актуальними і життєво необхідними не тільки для південних, найбільш сейсмонебезпечних районів України, але і для держави в цілому.
Зв’язок роботи з науковими програмами. Дослідження, відображені в дисертації, проведені в період роботи дисертанта в Інституті геофізики ім. С.І.Субботіна НАН України по таких науково-дослідних фундаментальних темах:
Крім того, ряд практичних результатів отриманий в процесі виконання досліджень в рамках Міжнародних програм і госпдоговірних робіт:
Мета дослідження – вивчити сейсмічність і сейсмологічні параметри, що визначають сейсмічну небезпеку півдня України, розробити моделі довготривалої сейсмічної небезпеки України.
Об'єкт дослідження –прогнозна модель сейсмічної небезпеки території півдня України.
Предмет дослідження –сейсмічний режим, вогнищеві параметри і ін. сейсмологічні основи прогнозу сейсмічної небезпеки території півдня України.
Задачі дослідження:
–дослідити сейсмічність і сейсмічний режим території;
–вивчити параметри механізмів вогнищ найсильніших землетрусів;
–оцінити вплив варіацій сейсмологічних параметрів на величину сейсмічних дій;
– оцінити довготривалу сейсмічну небезпеку півдня України і розробити карти ЗСР;
–розробити програмний комплекс для представлення сейсмічної небезпеки в геоінформаційній системі.
Методи дослідження:
Наукова новизна.
1. З використанням уніфікованих і представницьких даних за тривалий інтервал часу детально досліджений сейсмічний режим і його просторово-часові варіації на території півдня України і прилеглої території. Оцінені довготривалі характеристики закону Гутенберга-Ріхтера (закону повторюваності) і рівня сейсмічної активності для використання в розрахунках сейсмічної небезпеки.
2. Вперше відновлені механізми вогнищ землетрусів західного шельфу Чорного моря і глибоководної западини. Зібрані і уніфіковані дані по вогнищевих параметрах землетрусів України і суміжних територій.
. Вперше дані кількісні оцінки впливу варіацій вогнищевих параметрів і сейсмічності на величину прогнозних сейсмічних дій.
. З використанням сучасної методології і уточнених експериментальних сейсмологічних даних розроблена нова модель сейсмічної небезпеки території півдня України у вигляді зрізів карт ЗСР для різних періодів повторюваності сейсмічних дій у термінах сейсмічних інтенсивностей і пікових прискорень. На основі детальних карт півдня України і оглядових карт ЗСР-97 території Північної Євразії розроблені нормативні карти ЗСР-2004 України, що склали основу нових державних будівельних норм (ДБН В.1.1-12:2006 “Будівництво в сейсмічних районах України”).
. Розроблена і організована база даних по сейсмічній небезпеці України і комплекс програмного забезпечення представлення початкових даних на основі ГІС-технології.
Достовірність основних результатів забезпечена використанням великого статистично значущого обсягу уніфікованих експериментальних даних по землетрусах України і суміжних територій в широкому діапазоні енергій за період з якнайдавніших часів по теперішній час; застосуванням сучасної методології і нових, адекватних поставленій задачі способів обробки та інтерпретації сейсмологічної інформації.
Практична цінність. Результати дослідження використані при оцінці довготривалої сейсмічної небезпеки і розробці комплекту нових карт загального сейсмічного районування території України (ЗСР-2004). Впровадження нових знань про сейсмічність і сейсмічну небезпеку в практику раціонального планування розміщення об’єктів цивільного і промислового призначення сприятиме зменшенню можливих економічних і екологічних втрат при майбутніх сильних землетрусах.
Особистий внесок здобувача. Основні результати, викладені в дисертації, належать автору особисто [5-7, 14, 15, 21, 29, 31]. Розробка програмних комплексів, обробка експериментальних даних, інтерпретація, проведені при безпосередній участі автора [3, 8, 9, 23-26, 32]. В більшості робіт у співавторстві [1, 2, 4, 8, 10-13, 16, 17, 19, 20, 22, 27, 28, 30] дисертанту належить програмний супровід, розрахунки, обробка та інтерпретація експериментальних даних, обговорення, основні висновки.
Реалізація результатів. Нові карти довготривалої сейсмічної небезпеки України з врізками карт по території Криму і Одеської області затверджені як нормативні документи і включені в державний документ ДБН В.1.1-12:2006 “Будівництво в сейсмічних районах України”, що регламентує проектування і будівництво нових об’єктів (Наказ Мінбуду № 282 від 23.08.06).
Розробки по сейсмічності і оцінці довготривалої сейсмічної небезпеки Криму увійшли до “Атласу Автономної Республіки Крим”, удостоєного в 2004р. в Парижі Міжнародної премії.
Розроблені нові підходи до уніфікації даних, дослідженню сейсмічності і сейсмічного режиму знайшли застосування також при оцінці сейсмічної небезпеки Дніпровського гідрокаскаду, Рівненської, Хмельницької, Південно-Української АЕС, Одеського оперного театру та ін. відповідальних об’єктів і територій.
Апробація. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися на: Міжнародній конференції “Нistorical and Prehistorical earthquakes in Caucasus” (Erevan, 1996); Международной конференции “Проблемы обеспечения сейсмобезопасности Крыма” (Симферополь, 1997г.); Міжнародних семінарах “Фундаментальні і прикладні проблеми моніторингу і прогнозу стихійних лих (Севастополь, 1998, 2002); IV,VI и VII Российских национальных конференциях по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию с международным участием (Сочи, 2001; 2005; 2007); Workshop “Common Approaches to Seismic Hazard and Risk Assessment Decision-Making Processes on Seismic Risk Management” (Tsakhkadzor, Armenia, Осtober, 2002); Российской конференции “Строение, живая тектоника и дислокации платформ и их горно-складчатых обрамлений” (Ростов-на-Дону, 2003); 5 Всеукраїнській науково-технічній конференції “Механіка грунтів, геотехніка і фундаментобудівництво” (Одеса, 2004); IV і V Міжнародних наукових конференціях “Моніторинг небезпечних геологічних процесів і екологічного стану геологічного середовища” (Київ, 2004, 2005); IV і V Всеукраїнських конференціях “Будівництво в сейсмічних районах України” (Ялта, 2004, 2006); Международной конференции (Ялта, 2007) “Уроки и следствия сильных землетрясений (к 80-летию разрушительных землетрясений в Крыму)” та ін.
Публікації. За темою дисертації опубліковано 32 роботи. Основні положення дисертації викладені в опублікованих наукових працях, наведених у авторефераті. Посилання на ці роботи в авторефераті даються під відповідними номерами.
Структура і об’єм дисертації. Дисертація складається з вступу, 5-ти розділів, висновків, списку посилань з 152 найменувань. Загальний об’єм роботи 139 сторінок, включно з 49 малюнками на 25 стор. та 11 таблицями на 6 стор.
Подяки.
Автор висловлює велику подяку науковому керівнику роботи і співавтору багатьох публікацій В.Є.Кульчицькому за постійну увагу і допомогу при виконанні даного дослідження, а також своїм вчителям-сейсмологам і колегам Б.Г.Пустовітенко і А.Н.Пустовітенко за цінні поради і підтримку на всіх етапах роботи. Автор вдячний співробітникам відділу сейсмології, співавторам окремих робіт за плідну співпрацю і сприяння в завершенні дисертаційної роботи.
Вступ. Викладена постановка задачі, актуальність, сформульовані основні наукові і практичні досягнення, реалізація і апробація результатів.
Розділ 1. Методичні основи оцінки сейсмічної небезпеки присвячений огляду раніше виконаних робіт і сучасного стану методів оцінки сейсмічної небезпеки.
Методика оцінки і картування сейсмічної небезпеки територій пройшла еволюційний шлях розвитку від побудови найпростіших карт загального сейсмічного районування (ЗСР) на основі ізосейст минулих найсильніших землетрусів [Горшков, 1937; Норми, 1957], до імовірнісних оцінок параметрів сейсмічної небезпеки із застосуванням складних алгоритмів розрахунку і використанням широкого комплексу знань в області сейсмології, геодинаміки, геології, геофізики, тектоніки та інших розділів наук про Землю [ЗСР-78; Уломов та ін., 1995].
До виконання даної роботи сейсмологічною основою нормативного документа БНіП-II-81*, що регламентує проектування і будівництво в Україні, була карта ЗСР-78, яка не відповідала сучасним теоретичним і практичним знанням. Так, деякі руйнівні землетруси, що відбулися в 90-х роках на території країн СНД і знайдені палеосейсмодислокації [Ніконов, 1992; Хромовських, 1979, 1993; Борисенко та ін., 1999], показали, що карта ЗСР-78 занижувала реальну сейсмічну небезпеку на 2-3 бали [Шебалін, Мокрушина, 1992].
Це призвело до необхідності розробки сучасної методології оцінки сейсмічної небезпеки [Уломов, 1995; Гусев, Шуміліна, 1999] та її впровадження для розробки нових карт ЗСР територій, у тому числі і України.
Основна особливість нової моделі сейсмічної небезпеки –дискретно-ієрархічний характер областей генерації землетрусів і привнесення в модель гіпотетичних точкових і об’ємних вогнищ (прогнозні модельні каталоги землетрусів). Крім того, в новій методології використовується нова ідея інтегральної дії на кожну точку земної поверхні всіх модельних землетрусів, що генеруються у всіх зонах виникнення вогнищ землетрусів (ВВЗ) на величезному часовому інтервалі.
Спрощено нову феноменологічну модель сейсмічної небезпеки можна подати у вигляді послідовно зв’язаних моделей: моделі вогнища і вогнищевої зони, моделі сейсмічності, моделі зон ВВЗ і моделі загасання сейсмічної інтенсивності з відстанню [Уломов, 1995].
Для розробки нової моделі довготривалої сейсмічної небезпеки України у вигляді зрізів імовірнісних карт загального сейсмічного районування (ЗСР) для різних періодів повторюваності розрахункових сейсмічних дій виникла задача детального опрацювання наявних сейсмологічних матеріалів по території України, побудови моделей вогнищ, сейсмічності і загасання інтенсивності.
Розділ 2. Сейсмічність і сейсмічний режим території України. Модель сейсмічності.
Для дослідження сейсмічного режиму і створення моделей сейсмічності використано уніфікований каталог землетрусів за період з якнайдавніших часів по 2004 рік з єдиною магнітудою MW, визначеною за сейсмічним моментом [Пустовітенко Б., 2003]. Оцінені похибки та рівень представницькості землетрусів за різні інтервали часу [7]. Для кількісних розрахунків і аналізу використана тільки представницька вибірка даних про землетруси з MW≥4.5 за період з 1800р. для району зони Вранча і з 1900р. – для решти території.
Для побудови моделей сейсмічності досліджено просторово-часовий розподіл кількісних параметрів довготривалої сейсмічності або сейсмічного режиму [Різніченко, 1965]. До таких параметрів перш за все відносяться: сейсмічна активність, закон повторюваності землетрусів (закон Гутенберга-Ріхтера), магнітуда максимально можливого землетрусу в конкретних структурах, потужність сейсмоактивного шару літосфери [Шебалін, 1974]. Головна характеристика довготривалого сейсмічного режиму –закон повторюваності землетрусів N(M), –статистична функція розподілу частоти N виникнення вогнищ землетрусів по величині енергій [Пісаренко, 1989] (магнітуд M або енергетичних класів К). В середньому експериментальний графік функції N(M) в першому приближенні прямолінійний і описується рівнянням:
(1)
В рівнянні (1) параметр b –кутовий коефіцієнт графіка повторюваності характеризує “сейсмічну дробовість” середовища (за визначенням М.В.Шебаліна [Шебалін, 1997]) і має зміст фрактальної розмірності [Садовський, Пісаренко, 1991]. Нами використано кумулятивний розподіл N(M).
Сейсмічна активність А = lg N0 –це густина потоку епіцентрів фіксованої магнітуди M0, тобто середня частота повторення землетрусів певної величини енергії в магнітудах в одиниці об'єму (або площі) за одиницю часу. Величина сейсмічної активності також визначалася методом підсумовування по формулі [Різніченко, 1985]:
(2)
де NΣ–загальна кількість землетрусів, починаючи з Mmin і вище на площі усереднення ΔS; M0 –магнітуда, по якій визначається активність; S –відповідна фіксована одинична площадка підсумовування; Т –час спостереження.
Розглянуті особливості сейсмічності України і прилеглих територій в межах координат φ=20°÷42°, λ=40°÷54°. Встановлена просторова неоднорідність і часова мінливість основних параметрів сейсмічного режиму не тільки у великих регіонах, але і в окремих частинах регіону і сейсмотектонічних структурах [18, 19].
Порівняльний аналіз показав, що основні сейсмоактивні райони, які становлять небезпеку для території України, суттєво відрізняються один від одного сейсмічною активністю А6 (по рівню М0 = 6), законом повторюваності землетрусів, сейсмічним потенціалом структур (Mmax) і потужністю сейсмоактивного шару h [1, 9, 11, 16, 18]. Для основних активних сейсмотектонічних зон, що становлять небезпеку для України, створені узагальнюючі моделі сейсмічності, подані в таблиці 1.
Найбільший рівень сейсмічної активності А6, характерний для району глибокофокусної зони Вранча (H>70км). Він майже в 20 разів вищий, ніж для Кримського регіону і в 1200 разів перевершує рівень А6 для платформи. Близькими між собою вийшли параметри сейсмічного режиму А6 і b району Добруджі і Карпат (зона Вранча з H<70км). Сейсмічний потенціал найбільших структур, що визначає максимально можливу магнітуду землетрусів (Mmax), також різний: найбільші Mmax= 8 можливі в зоні Вранча, а найменші Mmax= 4.5 –на території платформи.
Таблиця 1. Порівняльні характеристики параметрів моделей сейсмічності сейсмонебезпечних регіонів України.
|
Пара- метри |
Крим |
Вранча (H>70 км) |
Вранча (H<70км) |
Добруджа |
Закарпаття |
Платформа |
|
А6 |
0.007 |
.12 |
0.004 |
0.005 |
0.003 |
0.0001 |
|
b |
0.79 |
.72 |
.86 |
.86 |
.73 |
.7 |
|
h |
5-40 |
-200 |
-70 |
-30 |
-25 |
-15 |
|
Mmax |
6-7.2 |
.5-8 |
-6.5 |
.5-7.0 |
.5-6.8 |
-4.5 |
Відзначимо, що в таблиці 1 вказані: А6 – найбільше значення; b –середнє довготривале значення для регіону; h – весь діапазон сейсмоактивного шару в регіоні; Mmax – найбільше значення для великих структур зон ВВЗ – лінеаментів.
Параметри сейсмічного режиму будь-якої сейсмоактивної структури мають часову мінливість. Покажемо це на прикладі дослідження варіацій параметрів сейсмічного режиму в часі для глибокофокусної зони Вранча. Якнайповніший каталог представницьких землетрусів цієї зони за останні 200 років був розбитий на 2 періоди: 1 –-1900рр. і 2 –-2003рр. В результаті отримано, що за такі тривалі періоди величина b в законі повторюваності зберігалася постійною (в межах похибки визначення), а сейсмічна активність в останній період зросла майже на порядок:
1 –lgN = –(0.71 ±0.09) MW +(5.48 ±0.58), A6=0.04,
– lgN = –(0.73 ±0.05) MW + (5.86± 0.29), A6 =0.5.
Підвищений рівень активності в останні 100 років зумовлений серією найсильніших землетрусів 1940, 1977, 1986, 1990рр. Якщо розбити останній період спостережень на два часові інтервали по 50 років: 1 –-1950рр. і 2 –-2000рр., то також отримаємо незначну різницю в значеннях величини b і суттєві відмінності в рівнях активності A6:
1 – lgN= –(0.78 ±0.07) MW +(5.83 ±0.4), A6 = 0.1;
2 – lgN= –(0.71 ±0.05) MW + (5.39± 0.58), A6 = 1.0.
Щоб виключити (згладити) відзначені вище значні часові флуктуації, для побудови довготривалої моделі сейсмічності параметри сейсмічного режиму (сейсмічна активність А6 і сейсмічна дробовість b) оцінені нами за більш тривалий інтервал часу 1800-2004рр. по представницькій вибірці даних з моментною магнітудою MW>4.5.
Просторова неоднорідність сейсмічності виявляється не тільки на всій даній території, залежно від сейсмотектонічних умов, але і в межах одного регіону. Це показано на прикладі розрахунків параметрів сейсмічного режиму в Криму по представницькій вибірці даних з MW≥2.0 за період спостережень 1955-2003рр. для різних частин регіону:
1 –захід: lgN = –(0.65 ±0.07) MW +(3.62 ±0.34), А6=0.0002;
2 – центр: lgN = –(0.84 ±0.05) MW + (4.24± 0.26), А6=0.02;
– схід: lgN = –(0.76 ±0.01) MW +(4.32 ±0.06), А6=0.001.
Як бачимо, сейсмічна дробовість середовища (b) і рівень активності А6 в центральній зоні Криму значно вищі, ніж на краях регіону. У зв’язку з цим при розрахунку сейсмічної небезпеки для кожного крупного лінеамента або домена параметри сейсмічності обчислювалися окремо за умови статистично значущих початкових даних.
Розділ 3. Експериментальні дані про вогнища землетрусів. Моделі вогнища.
В роботі використано представлення вогнища як точкового зсувного джерела у вигляді подвійного диполя за А.В.Введенською [Введенська, 1969] і стандартна методика отримання розв’язків механізмів, детально описана в роботі [Балакина та ін. 1972].
Для аналізу вогнищевих параметрів землетрусів всього басейну Чорного моря і суміжних територій складено уніфікований каталог механізмів вогнищ з використанням опублікованих даних [Ritsema, 1974; Udias, 1989; Karakisa, 1994; Muco, 1994; ISC і др.] і визначень автора [6, 14, 15, 20, 21, 26]. Всього зібрано, перевірено, наново перевизначено і доповнено визначеннями автора близько 1800 розв’язків механізмів вогнищ землетрусів досліджуваного регіону за період 1905-2005рр.
В рамках виконання дисертаційної роботи вперше отримані додаткові експериментальні дані про механізми вогнищ західної частини і глибоководної западини Чорного моря [20].
Розглянутий розподіл типів переміщень у вогнищах найсильніших і помірних землетрусів для району Вранча, Кавказу, північної частини Туреччини, Егейського і Чорного морів [29, 31]. Найбільш впорядкованим типом рухів у вогнищах характеризується зона Вранча. Тут у вогнищах сильних глибокофокусних землетрусів M > 6 переважають насуви (50%), круті підкиди (35%) і зсуво-насуви (15%). Решта типів відсутня. При цьому спільною в моделях вогнищ землетрусів зони Вранча є яскраво виражена переважна орієнтація нодальних площин в Аz=3040° при субвертикальних кутах падіння [10].
Близькими по типу до зони Вранча виявилися вогнища землетрусів Кавказу. Тут у вогнищах сильних землетрусів насуви (45%) і вертикальні підкиди (35%) відбуваються також під дією субгоризонтальних сил стиску.
На відміну від зони Вранча і Кавказу в районі Туреччини (зона Анатолійського розлому) характерними є чисті зсуви і зсуво-насуви для землетрусів всього діапазону енергій, відсутні скиди і скидо-зсуви.
В районі Егейського моря зустрічаються практично в рівних частках всі типи вогнищ. Менше всього відзначено скидо-зсувів, а у вогнищах сильних землетрусів цей тип переміщень відсутній.
У Кримсько-Чорноморському регіоні для всього діапазону енергій землетрусів відсутні чисті зсуви, відзначені типи рухів з невеликим переважанням крутих насувів і пологих зсуво-насувів. Близький тип вогнищ: вертикальні скидо-зсуви і насуви характерний для західної і центральної зон, у східній частині регіону спостерігається порівняно більша різноманітність. Не дивлячись на відмінності в напружено-деформованому стані середовища в регіоні [26] спільним є переважання діагонального і субширотного простягання нодальних площин: у західній частині переважають східні і північно-західні напрями, в центральній –південно-західні, на сході –західні з невеликим додаванням південно-східних і південно-західних [4, 27].
Проведене дослідження типів переміщень у вогнищах землетрусів показало суттєву просторову неоднорідність поля тектонічних напружень, під дією яких відбувається вивільнення накопиченої енергії в сейсмоактивних структурах цілого Чорноморського регіону.
Отримані моделі вогнищ як в узагальненому вигляді, так і їх індивідуальні розв’язки далі використані при моделюванні великих потенційних вогнищ у лінеаментно-доменно-фокальній моделі зон ВВЗ для розрахунку сейсмічної небезпеки (розділ 5).
Розділ 4. Вплив варіацій сейсмологічних параметрів на прогнозні характеристики довготривалої сейсмічної небезпеки.
На прикладі добре вивченого Кримсько-Чорноморського регіону з великою і надійною статистикою по землетрусах в широкому енергетичному діапазоні за тривалий інтервал часу досліджено вплив похибок початкових сейсмологічних параметрів і їх просторово-часових варіацій на величину прогнозних сейсмічних дій [18, 19].
Розглядалося деяке гіпотетичне фокальне вогнище сильного землетрусу з магнітудою Mmax = 7÷7.5, розташоване в Кримській Південнобережній сейсмогенній зоні. Досліджувався просторовий розподіл відхилень , де символ k відноситься до k-го параметра. Величини –розрахункові інтенсивності для вибраних базових даних.
Отримано складний мозаїчний просторовий розподіл відхилень інтенсивностей. Показано, що максимальний вплив на інтенсивність чинить параметр : при його збільшенні на 0.5 інтенсивність змінюється від 0.4 до 0.8 бала. Інший значущий параметр –сейсмічна активність А6. Зміна активності в два рази (можлива максимальна похибка для конкретної структури) призводить до варіацій відхилень інтенсивності в основному в межах 0.3÷0.4, а на окремих локальних ділянках –до 0.6 бала. Інші досліджені параметри –сейсмічна дробовість, параметри орієнтації площини розриву, потужність сейсмоактивного шару –незначно впливають на розрахункові інтенсивності.
Проведено дослідження впливу анізотропії загасання сейсмічних хвиль на величину розрахункових інтенсивностей. Параметри загасання взяті з експериментальних даних для руйнівних землетрусів зони Вранча 1977, 1986 і 1990рр. Розрахунки виконані для території Одеської області для періоду повторюваності 500 років з параметрами загасання по профілях в азимутах: 75°15° і 345°15° щодо вогнищевої області Вранча, тобто відповідно у напрямі найменшого і найбільшого загасання енергії сейсмічних хвиль [13].
Отримано, що розрахункові поля інтенсивностей при заданні різних параметрів загасання суттєво відрізняються. Наприклад, для м. Одеси різниця складає 2 бали [10]. У зв’язку з цим далі (розділ 5) при оцінці сейсмічної небезпеки і побудові карт ЗСР території України [12, 16, 18] і детальних карт Одеської області [10, 11] була використана реальна модель анізотропного загасання сейсмічної енергії від вогнищевої зони Вранча в різних напрямах.
Розділ 5. Модель сейсмічної небезпеки. Карти ЗСР-2004.
При розрахунках параметрів сейсмічної небезпеки використано 3 схеми зон ВВЗ, представлені у вигляді моделей ЛДФ: фрагмент територій Північної Євразії (територія України) [Уломов, 1999], Криму [Пустовітенко і ін., 1999], району Вранча і суміжних районів [11]. Моделі сейсмічності і вогнищ викладені в розділах 2 і 3. Загальна модель загасання інтенсивності складалася з двох моделей: симетричної –із стандартними параметрами і асиметричної –з нестандартними параметрами (для зони Вранча).
Сучасна прогнозна модель довготривалої сейсмічної небезпеки території України представлена у вигляді комплекту оглядових карт ЗСР в масштабі 1 : 2 500 000 (рис. 1-3) [18], що відображають розрахункову інтенсивність I сейсмічних дій (в балах шкали MSK-64) і пікових прискореннях, очікуваних на даній площі із заданою імовірністю P(%) протягом певного інтервалу часу t, як і для території Північної Євразії [Уломов, 1999]. Для території півдня України (Крим, Одеська область) розроблені більш детальні карти ЗСР в масштабі 1 : 1 000 000 [10, 11] для 4-х рівнів, включаючи карти ЗСР для періоду Т = 100 років. Не дивлячись на високий сейсмічний ризик (P = 39%) додаткові карти з періодом Т = 100 років можуть бути застосовані для будівництва тимчасових чи інших невідповідальних будівель і споруд, які не становлять екологічної небезпеки чи небезпеки безпосередньо для людей.
Рис.1. Карта А загального сейсмічного районування території України (ЗСР-2004 для періоду повторюваності 500 років).
Рис.2. Карта B загального сейсмічного районування території України (ЗСР-2004 для періоду повторюваності 1000 років).
Рис.3. Карта C загального сейсмічного районування території України (ЗСР-2004 для періоду повторюваності 5000 років).
Рис.4. Карта ЗСР-2004-Ag Криму (в пікових прискореннях – ag ).
Рис.5. Карта ЗСР-2004-Ag Одеської області (в пікових прискореннях – ag).
Відповідно до існуючої шкали макросейсмічної інтенсивності (MSK-64) дробові значення розрахункових дій на картах ЗСР-2004 приведені з точністю до цілочисельних значень балів. Наприклад, в зони з I = 8 потрапляють населені пункти, для яких індивідуальні розрахункові інтенсивності варіюють від 7.51 до 8.49 балів. Щоб зменшити похибки при виборі початкової сейсмічності, були розроблені карти ЗСР-2004-Ag в пікових прискореннях ag (або PGA) з періодом повторюваності 500 років для територій Криму і Одеської області (рис.4, 5).
При цьому значення розрахункових інтенсивностей для території Криму перераховані в значення пікових прискорень за формулою з роботи [Уломов, 1999]:
lg а = 0.333 Imax –.222, де а –пікові прискорення в м/с2.
Для території Одеської області, що зазнає сейсмічних дій головним чином від глибокофокусных землетрусів зони Вранча, при розрахунку використана інша емпірична формула [Алказ, 2005]:
.
В процесі виконання даної роботи була створена спеціалізована база даних, що містить інформацію про сейсмічну небезпеку всіх населених пунктів відповідно до нових карт ЗСР-2004, і розроблений програмний комплекс, що працює з цією базою [5, 9]. Програмне забезпечення створено з використанням об’єктно-орієнтованої моделі програмування і втілює в собі основні принципи побудови геоінформаційних систем (ГІС). Вся робота по пошуку і навігації по базі даних побудована на використанні структурованої мови запитів (SQL). Створене програмне забезпечення є незалежною розробкою автора [5] і передбачає можливість подальшої модифікації з появою додаткової інформації в базі даних.
Висновки.
Проведене в рамках дисертаційної роботи дослідження сейсмічних параметрів дозволило встановити ряд нових властивостей сейсмічності, вогнищ землетрусів і побудувати нову модель сейсмічної небезпеки території України. Основні результати наступні.
1. Вперше детально вивчені кількісні параметри сейсмічності і сейсмічного режиму сейсмоактивних структур території України і прилеглих територій за тривалий інтервал часу із застосуванням єдиних підходів і методів.
Показано, що кількісні параметри сейсмічного режиму мають суттєві просторові і часові відмінності не тільки для великих структур, але і всередині квазіоднорідних протяжних зон.
Встановлено, що основні сейсмоактивні райони, що становлять небезпеку для території України, суттєво відрізняються один від одного сейсмічною активністю А6, законом повторюваності землетрусів, сейсмічним потенціалом структур Mmax і потужністю сейсмоактивного шару h.
2. Для створення надійних моделей вогнищ створена база даних по вогнищевих параметрах в розширених просторових межах. Вперше в рамках виконання даної роботи отримані розв’язки механізмів вогнищ землетрусів Чорноморської западини і західної частини шельфу Чорного моря. Нові дані підтвердили неоднорідність полів напружень і типів переміщень у вогнищах землетрусів Чорноморського регіону.
. Вперше виконані дослідження впливу кількісних параметрів сейсмічності і вогнищ землетрусів на розрахункову модель сейсмічної небезпеки. Показано, що найбільший внесок у похибки оцінок розрахункових інтенсивностей вносять варіації значень Mmax, анізотропія загасання сейсмічної енергії, а найменший –орієнтація в просторі розривів у вогнищах сильних землетрусів (кути падіння, азимути простягання).
. З використанням сучасної методології і нових моделей вогнищ і сейсмічності вперше для Одеської області розроблені моделі сейсмічної небезпеки у вигляді зрізів карт загального сейсмічного районування (ЗСР-04) для різних періодів повторюваності (100, 500, 1000 і 5000 років) і, відповідно, різної імовірності неперевищення розрахункової інтенсивності за вибраний інтервал часу t = 50 років. Показано, що нові значення прогнозних дій для основних міст Одеської області в середньому на 1 бал перевищують використовувані раніше при будівництві.
. На основі нових карт ЗСР-04 (Одеська область), карт ЗСР-98 (Крим) і генеральних карт Північної Євразії (ЗСР-97) розроблені оглядові карти ЗСР-2004 всієї території України, що склали основу нових державних документів ДБН В.1.1-12:2006 “Будівництво в сейсмічних районах України” [2], які з лютого 2007р. впроваджені в практику проектування і будівництва.
6. Вперше для південних районів України розроблені карти ЗСР-04-Ag в пікових прискореннях для періоду повторюваності 500 років, що дозволить диференціювати ділянки з однаковою нормативною бальністю I на ряд підзон з різними значеннями ag, тобто більш коректно вибирати значення сейсмічних дій для розрахунку навантажень на будівлі і споруди.
7. Вперше для України розроблена база даних для оцінки сейсмічної небезпеки територій із застосуванням ГІС технологій і комплексу обслуговуючих програм.
Отримані в дисертації нові наукові результати і висновки про сейсмологічні параметри, що визначають сейсмічну небезпеку півдня України і вплив їх варіацій на розрахункові моделі, можуть служити основою для досліджень в області сейсмічного районування північної частини акваторії Чорного моря [30, 32], а також подальшого уточнення сейсмічної небезпеки західної і центральної частини України.
СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ:
Монографії.
Статті в наукових виданнях.
Тези доповідей і матеріали конференцій.
АННОТАЦИЯ
А.А. Пустовитенко. Сейсмологические основы прогноза сейсмической опасности территории юга Украины. –Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 – геофизика. –Институт геофизики им. С.И.Субботина НАН Украины, Киев, 2008.
Диссертация посвящена количественному изучению физических параметров очагов и сейсмичности территории Украины, определяющих степень сейсмической опасности. Детально исследованы и оценены параметры сейсмического режима: закон повторяемости землетрясений, уровень сейсмической активности, мощность сейсмоактивного слоя, сейсмический потенциал зон возникновения очагов землетрясений (зон ВОЗ), а также очаговые параметры наиболее сильных землетрясений в этих зонах. Установлены пространственные и временные вариации сейсмологических параметров не только для различных сейсмотектонических структур, но и для квазиоднородных протяженных зон. Наибольший уровень сейсмической активности А6 (величина активности А по уровню фиксированной магнитуды М0 = 6) характерен для района глубокофокусной зоны Вранча (глубина H>70км). Он почти в 20 раз выше, чем для Крымского региона и на три порядка превосходит уровень А6 для платформенной территории. Близкими между собой получились параметры сейсмического режима А6 и b (угловой коэффициент наклона прямой аппроксимирующей график повторяемости характеризующий “сейсмическую дробность” среды) района Добруджи и Карпат (зона Вранча с H<70км). Сейсмический потенциал наиболее крупных структур, определяющий максимально возможную магнитуду землетрясений (Mmax), также различен: наибольшие Mmax=8 возможны в зоне Вранча, а наименьшие Mmax=4.5 –на платформенной территории. Проведенное исследование типов подвижек в очагах землетрясений также показало существенную пространственную неоднородность поля тектонических напряжений, под действием которых происходит высвобождение накопленной энергии в сейсмоактивных структурах Украины. Наибольшее подобие типов очагов отмечено для землетрясений зоны Вранча: наблюдается ярко выраженная преимущественная ориентация нодальных плоскостей в Аz=3040° при близвертикальных углах падения плоскостей. Полученные модели очагов как в обобщенном виде, так и новые индивидуальные решения механизмов использованы при моделировании крупных потенциальных очагов в модели зон ВОЗ для расчета сейсмической опасности. Выполнены исследования влияния количественных параметров сейсмичности и очагов землетрясений на расчетную модель сейсмической опасности. Показано, что наибольший вклад в погрешности оценок расчетных интенсивностей вносят вариации значений Mmax, анизотропия затухания сейсмической энергии, а наименьший –ориентация в пространстве очагов крупных землетрясений (углы падения, азимуты простирания). На основе полученных моделей очагов, сейсмичности, затухания и зон ВОЗ построена новая модель сейсмической опасности территории Украины. Сейсмическая опасность представлена в виде комплекта карт общего сейсмического районирования (ОСР) трех уровней (масштаб 1 : 2 500 000), отражающих расчетную интенсивность I сейсмических воздействий (в баллах шкалы MSK-64), ожидаемых на данной площади с заданной вероятностью P(%) в течение определенного интервала времени t для периодов повторяемости 500, 1000 и 5000 лет.
Для территории юга Украины (Крым, Одесская область) разработаны детальные карты ОСР в масштабе 1 : 1 000 000 как в терминах интенсивностей I, так и в пиковых ускорениях ag. Представление сейсмической опасности в величинах пиковых ускорений ag, особенно в зонах с повышенной интенсивностью I, позволяет дифференцировать участки территории (иногда довольно широкие) с одинаковой нормативной балльностью I на ряд подзон с различными значениями сейсмических воздействий, выраженных в инженерных терминах ag. Это позволяет более корректно выбирать значения сейсмических воздействий для расчета нагрузок на здания и сооружения. Дополнительно разработаны карты сейсмической опасности для периода повторяемости 1 раз в 100 лет, которые можно использовать при строительстве экологически неопасных, временных зданий и сооружений.
Для оперативного использования карт ОСР создана база данных по сейсмической опасности и разработан программный комплекс для обработки базовой и картографической информации. Созданное программное обеспечение является независимой разработкой автора. Оно поддерживает базовые принципы организации геоинформационных систем и предусматривает возможность дальнейшей модификации с появлением дополнительной информации в базе данных.
Разработанный комплект карт ОСР и список населенных пунктов Украины составил сейсмологическую основу новых нормативных документов ДБН В.1.1-12:2006 “Строительство в сейсмических районах Украины”, регламентирующих применение каждой из карт ОСР-2004 для проектирования и строительства объектов различной категории ответственности и опасности на территории Украины.
Ключевые слова: очаг, землетрясение, сейсмичность, зоны возникновения очагов землетрясений (ВОЗ), сейсмическая опасность, сейсмический режим, механизм очага, карты общего сейсмического районирования (ОСР).
АНОТАЦІЯ
А.А. Пустовiтенко. Сейсмологічні основи прогнозу сейсмічної небезпеки території півдня України. –Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фiзико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 –геофiзика. –Інститут геофізики ім. С.І.Субботіна НАН України, Київ, 2008.
Дисертація присвячена кількісному вивченню фізичних параметрів вогнищ і сейсмічності території України, що визначають ступінь сейсмічної небезпеки. Детально досліджені і оцінені параметри сейсмічного режиму: закон повторюваності землетрусів, рівень сейсмічної активності, потужність сейсмоактивного шару, сейсмічний потенціал головних зон виникнення вогнищ землетрусів (зон ВВЗ), а також параметри вогнищ найсильніших землетрусів в цих зонах. Показана просторова і часова мінливість сейсмологічних параметрів і їх вплив на прогнозну сейсмічну небезпеку. На основі отриманих моделей вогнищ, сейсмічності, загасання і зон ВВЗ побудована нова модель сейсмічної небезпеки території України. Сейсмічна небезпека представлена у вигляді комплекту карт загального сейсмічного районування (ЗСР) трьох рівнів (масштаб 1 : 2 500 000), що відображають розрахункову інтенсивність I сейсмічних дій (в балах шкали MSK-64), очікуваних на даній площі із заданою імовірністю P(%) протягом певного інтервалу часу t. Для території півдня України (Крим, Одеська область) розроблені детальні карти ЗСР в масштабі 1 : 1 000 000 як в термінах інтенсивностей I, так і в пікових прискореннях ag.
Ключові слова: вогнище, землетрус, сейсмічність, зони ВВЗ, сейсмічна небезпека, сейсмічний режим, механізм вогнища, карти загального сейсмічного районування (ЗСР).
ABSTRACT
A.А. Pustovitenko. Seismological fundamentals of the prognosis of a seismic hazard of territory of the south of Ukraine. – Manuscript.
The dissertation on competition of a scientific degree of the candidate of physical and mathematical sciences on a speciality 04.00.22 – geophysics. – S.I.Subbotin name Institute of geophysics of NAS of Ukraine, Kyiv, 2008.
The dissertation is devoted to the quantitative study of physical parameters of seismic sources and seismicity of territory of Ukraine, determining the rate of seismic danger. In detail are explored and estimated parameters of the seismic regime: law of recurrence of earthquakes, level of seismic activity, power of seismic layer, seismic potential of main earthquake source zones (ESZ), and also parameters of sources of the most strong earthquakes in these areas. Spatial and temporal changeability of seismological parameters and their influence on a prognosis seismic danger is shown. On the basis of the got models of sources, seismicity, attenuation and areas ESZ a new model of seismic danger of territory of Ukraine is built. A seismic danger is presented as a complete set of maps of general seismic zoning (GSZ) of three levels (the scale 1 : 2 500 000) reflecting computation intensity I of seismic effect (in the points of the scale MSK-64) of expected on the given area with the given probability P(%) during the certain time interval t. For territory of south of Ukraine (Crimea, Odessa region) the detailed maps GSZ in the scale 1 : 1 000 000 are developed as in terms of intensity I, so in peak accelerations of ag.
Key words: source, earthquake, seismicity, earthquake source zones (ESZ), seismic danger, seismic regime, source mechanism, general seismic zoning (GSZ) maps.
Підписано до друку 12.05.2008 р. Формат 69х90/16.
Папір офсетний. Друк офсетний. Об’єм 0.9.
Тираж 100 екз. Замовлення №28.
НВЦ “ЕКОСІ-Гідрофізика”
99011. м. Севастополь, вул. Леніна, 28,
тел. (0692)54-31-46
Свідоцтво про державну реєстрацію серія ДК №914 від 16.02.02 р.