Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Анализ сейсмических колебаний для инженерных целей и мониторинг мировой сейсмичности

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Анализ сейсмических колебаний для инженерных целей и мониторинг мировой сейсмичности"

Ой

к- ^

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ имени О.Ю. ШМИДТА

На правах рукописи САЛГАНИК Михаил Петрович

УДК 550.34

АНАЛИЗ СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ДЛЯ ИНЖЕНЕРНЫХ ЦЕЛЕЙ И МОНИТОРИНГ МИРОВОЙ СЕЙСМИЧНОСТИ

Специальность 04.00.22 - Геофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва 1994

Работа выполнена в Институте физики Земли им. О.Ю Шмидта Российской академии наук, г.Москва.

Научный руководитель доктор физико-математических наук Б.В.Штейнберг

Оффициальные оппоненты: доктор физико-математических наук С.Л.Юнга, доктор физико-математических наук А.ф.Кушнир.

Ведущая организация: Международный институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН г. Москва.

Защита диссертации состоится 26 апреля 1994 г. в 14 часо на заседании специализированного совета по геофизике К.002.Об.04 при Институте физики Земли им. О.Ю.Шмидта Р (123610, Москва, Б.Грузинская ул. . д. 10)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Институ физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН.

О О -:-

V / V/

Автореферат разослан_*:.У ^______ 1994 г

Ученый секретарь специализированного совета кандидат физико-математических наук А.Л. Завьялов.

общая характеристика работы.

Актульность проблемы и практическая ценность работы. Цель и задачи исследования.

Предлагаемая работа посвящена анализу сейсмических колебаний Земли. Она может быть разделена на две части.

Первая часть развивает классический для инженерной сейсмологии метод моделирования сейсмических воздействий на строительные сооружения. Задача, решаемая в этом разделе работы, состоит в созданиии ансамбля искусственных акселерограмм, моделирующих сейсмические колебания, ожидаемые на строительной площадке. Полученные в результате моделирования искусственные акселерограммы используются при расчете сейсмической стойкости наиболее ответственных строительных сооружений. Методика генерации искусственных акселерограмм, представленная в работе, нашла применение в работах по оценке сейсмической опасности атомных станций, расположенных на территории стран Венгрии ( Пакш, 1967) , Чехословакии (Богунице , 1966) и расчете типового оборудования атомных станций, возводимых на территории СНГ.

Вторая часть работы описывает результаты анализа длиннопериодных сейсмических колебаний, проведенного автором в совместной работе с исследовательской группой Гарвардского университета США. Основным научным результатом работы является уникальный каталог механизмов более чем 1900 землетрясений, произошедших в период с января 1991 по август 1993 года. Новые данные, полученные автором, были использованы при решении столь различных задач геофизики как изучение напряженного состояния сейсмически активных районов (S.D. Goes и др., 1993, Kagan, 1994), анализ повторяемости землетрясений и генерации волн цунами ( Kagan, 1993, Hyvernaud и др., 1993), выявление глубинного строения Земли ( Su и др., 1992) и верхней части мантии ( Ekstrom и др.., 1993 ) и анализ внутриплитовых землетрясений ( Abers и др, 1993). Развитые в работе методика ускоренного определения механизмов землетрясений и методика контроля качества данных

глобальной сейсмической сети вошли в повседневную прак анализа землетрясений, производимого Гарвардской групп

Научная новизна работы.

В работе предложены и применены на практике новь алгоритмы спектрального анализа и моделирования акселерограмм, сформирован новый каталог механизмов землетрясений, содержащий описание механизмов сильне£ землетрясений мира. Автор внес существенный вклад в ра нового метода ускоренного определения механизмов землетрясений и предложил новый метод контроля качест данных глобальной сейсмической сети.

Апробация работы.

Результаты работы излагались на семинаре отдела сейсмог института Физики Земли РАН (1994) и международных геофизических конференциях проводимых в США ( American Geophysical Union, Meetings, 1992, 1993)-

Публикации

Содержание работы изложено в 22 научных работах, выше! печать и представленных к публикации в 1964-1994 годах Русскоязычные работы были опубликованы в Известиях Ак; Наук СССР ( серия физика Земли) и сборнике статей Инсти' физики Земли РАН. Англоязычные работы были опубликов; трудах международных геофизических конференций ( Amei Geophysical Union, Meetings, 1992, 1993.1994) и журналах Soil D] and Earthquake Engeneering, Physics of the Earth and Planetary Ir

Объем и структура диссертации.

Работа состоит из введения, двух глав и трех приложений, работы, занимающий 60 страниц, сопровождается 20 страь рисунков и дискеттой, содержащей машинно-читаемую е каталога механизмов землетрясений. Список литературы содержит 96 наименований.

Содержание работы.

-з -

Глава 1. Введение.

В главе 1 дается общая характеристика работы, обсуждается актуальность проблемы, практическая ценность и научная новизна проведенных исследований.

Глава 2 Моделирование сейсмических воздействий на строительные сооружения.

В разделе 2.1 обсуждается основная задача, решаемая в Главе 2. Эта задача состоит в генерации искусственных акселерограмм, моделирующих сейсмические колебания, вызванные землетрясением с магнитудой М на заданном расстоянии И от сооружения. Искусственные акселерограммы используются при расчетах сейсмостойкости плотин, АЭС, высотных домов.

В разделе 2.2 приводится краткий обзор результатов, полученных в ранних работах. Основное положение метода случайных колебаний , принятого в работе, состоит в том, чтобы имитировать акселерограммы ожидаемых землетрясений при помощи специальных случайных функций а.(/), которые являются реализациями конечной длины модулируемого Гауссовского случайного процесса. Различные составляющие колебаний считаются статистически независимыми. Методика генерации акселерограммм описана на рис. 1. Стрелки указывают последовательность преобразований. Символы над стрелками обозначают входные и выходные временные функции, а символы под стрелкой- дискретные отчеты этих функций, заданные с временным шагом Л .

Каждая акселерограмма из ансамбля образуется пропусканием реализации ограниченно-белого шума г{\) через линейный фильтр и последующим умножением сигнала х(0 на выходе фильтра на модулирующую функцию -Задавая различные реализации белого шума можно получать различные искусственные акселерограммы - реализации случайного процесса. Модулирующая функция позволяет регулировать длительность колебаний, а линейный фильтр - их уровень и частотный состав.

генератор случайных чисел гМ линейный Ф) умножение ф)

гп филшр %

Рис.1. Случайный процесс для генерации акселерограмм

8,ям

зе

о Г

Рис. 2 Распределение выборочных данных по магнитуд( расстоянию: 1 -МЬ, 2-МБ . Совпадающие значения отмеч одним символом.

Рис. 3 Горизонтальные (а) и вертикальные (б) спектраль: ускорения; 1- средние спектры 9 балльного сотрясения I оценке [Салганик, Аптикаев и др. 1990 ],2 - средние сп М, Я, Н выборки.

Главная задача, решаемая во второй главе работы, состоит в выработке процедуры, позволяющей определять модулирующую функцию и частотную характеристику модели по известным параметрам Ми R, описывающим землетрясение.

Б разделе обсуждается неоднозначность решения, вызваная недостаточной информативностью упрощенного описания землетрясения при помощи задания значений M и Н.Приведенные примеры иллюстрируют разнообразие временных историй, уровня и частотного состава акселерограмм, зарегистрированных в различных пунктах наблюдения при единичном землетрясении и при землетрясениях с близкими значениями M и R. Эти примеры показывают, что знание M и Яне позволяет однозначно опеделить детали временной истории , уровень и частотный состав колебаний.

Принятое при моделировании упрощенное описание условий возбуждения сейсмических колебаний и необходимость привлечения данных из ограниченного количества регионов (таких как Запад США, Япония, Италия) для моделирования воздействий на территории слабоизученных районов вызваны ограниченностью исходных экспериментальных данных.

В разделе 2.3 описываются результаты статистического анализа основных параметров акселерограмм, зарегистрированных при различных значениях M и R. Обсуждение результатов различных авторов, в том числе анализа данных, приведенного в работах автора ( Салганик , 1QÔ4, 19Ô7) , демонстрирует изменчивость максимальных ускорений, энергетических спектров, длительности и спектров реакции акселерограмм, зарегистрированных при близких значениях величин M и R. Спектральные ускорения и эффективная длительность колебаний приняты в качестве основных характеристик искусственных и наблюдаемых акселерограмм.

При описании линейно-упругих колебаний сооружения смещение каждой точки конструкции является взвешенной суммой конечного числа элементарных мод ( Ванмарке, 19Ô1) Колебания каждой из мод описываются уравнением

У + 2ю0£у+<н„у = -<z(0> (1)

которое содержит акселерограмму а(г) в качестве вынуждающей силы. Затухание Ç и собственная частота го0 каждой из мод определяются параметрами строительной конструкции. Коэффициэнты возбуждения мод , т.е. вклад индивидуальных мод

в упругие колебания различных элементов сооружения (например реактора и трубопровода атомной электростан: зависят от параметров сооружения и пространственной ориентации точки, в которой вычисляются колебания.

Возможность разделения трехмерной пространствен! зависимости коэффициентов возбуждения мод, которая определяется параметрами конструкции и двумерной спектральной характеристики уровня колебаний индивидуальных мод позволяет существенно упростить расчет отклика сооружения на сейсмические воздействия. Спектральная характеристика, вычисляемая как двумерна функция затухания и собственной частоты моды измеряет максимальный уровень колебаний моды под действием акселерограммы

Величина уровня колебаний мод как правило харктеризуется значениями спектральных смещений Зй , спектральных скоростей XV и спектральных ускорений ЯЛ , определяемых соотношениями

5Д(й>0,|)

• = тах |яо|

5Л(ю0,£).

Типичное значение затухания моды составляет £ = О а диапазон собственных периодов колебаний сооружений и

соответствующий им диапазон собственных периодов мод '

находится в диапазоне 0.04- 3 сек- Спектральные ускорени являются наиболее распространенной спектральной характеристикой акселерограмм в инженерной сейсмологи Эффективная длительность акселерограмм определя; при помощи процедуры, описанной в работе ( Салганик, 1 <Э< Зависящее от времени среднеквадратйческое отклонение колебаний ЧЧО , измеряющее интенсивность колебаний, определяется выражением

1 2

(3)

440 =

¡АО*'

Значение Тт выбиралось равным 1. с. Эффективная длительность определяется как разница между временем окончания хГт и начала участка сильных колебаний. Началом участка сильных колебаний служит наименьшее значение хЬц, такое,что

а конечной точкой интервала принимается значение гГт , удовлетворяющее соотношению

У«>1Лл)<КЧ>т»«) (5)

Принятое определение эффективной длительности акселерограммы 0 = зависит от величины параметра К.

При последующем моделировании акселерограмм мы основывались на выборочных оценках длительности, соответвующих значениям К = 0.5.

В разделе 2.4 описывается принятый в работе метод калибровки модели случайного процесса, основанный на выборочной оценке спектральных ускорении 5А(Т,£) при фиксированном затухании £ и эффективной длительности колебаний £>. Выборка производится из созданнаго автором набора данных, содержащего значения спектров реакции и эффективной длительности акселерограмм сильнейших землетрясений и параметров, описываюших условия регистрации акселерограмм. Среди более чем 500 акселерограмм, проанализированных в работе, отметим акселерограммы, зарегистрированных в США ( 1933-1961), Японии (1956-1973), Перу ( 1951-1974). Исходная коллекция акселерограмм , представленных в машинночитаемом виде, была получена из Национального центра геофизических данных США. Описанию акселерограмм посвящена публикация ( ШТтап и Со(1еаих, 1985). Оценка расчетных значений длительности и спектральных ускорений основана на вычислении выборочного среднего значения по набору параметров акселерограмм, зарегистрированных при землетрясениях с близкими к расчетным значениями М и Я.

В качестве примера на рис.2, показано распределение по магнитудам и расстояниям выборочных данных, использованных в работе ( Салганик, Мостинский, Штейнберг, 1990) для оценки

-ô -

спектральных ускорений и эффективной длительности колебаний, ожидаемых в окрестности протяженного очага корового землетрясения с магнитудой Д/=6.8. В выборку в< акселерограммы, зарегистрированные при землетрясения} магнитудой и глубиной h < 30км на

эпицентральных расстояниях ЯйЪО км . На рис.3 приводят средние выборочные значения спектральных ускорений акселерограмм, которые сравниваются с расчетными значениями , рекомендованными в работе ( Салганик, Апт и др. , 1990) для моделирования сотрясения 9-балльной интенсивности.

При генерации искусственных акселерограмм следуе определить передаточную функцию линейного фильтра и модулирующую функцию так, чтобы случайные колебания обладали заданным значением эффективной длительности заданным значением среднего по ансамблю реализаций спектрального ускорения.

Раздел 2.5 , основанный на публикациях (Салганик и Грошев, 1990, Salganik, 1991 ), посвящен описанию нового алг расчета спектров реакции. Численное решение уравнения основано на интерполяции исходной последовательности значений я(лДТ), разделенных временным интервалом ДТ, i получения последовательности значений, заданных с необходимым временным шагом Дt и замене непрерывной: исходного уравнения дискретной разностной схемой

yti=Po<-^ydn~a2yil , (6)

2Д t

y(t)~y^~2y\+y"-1 . (ô)

(ДО

выражающей отклик осциллятора через интерполированн значения а(0- В работе приводятся явные выражения, связывающие значения коэффициентов fi0,at,a2 с затухав осциллятора | и величиной безразмерного параметра

со0Ы

Как показано в работе, случайный характер функции а(0 и

малость типичного значения затухания £ создают определенные вычислительные трудности, которые могут быть преодолены выбором рекомендованного в работе, зависящего от затухания значения временного шага Дг . Приведенные в разделе 2.5 анализ относительного смещения резонансных частот непрерывного фильтра (1) и его дискретного аналога (6) -(б) , обсуждение качества стандартной процедуры интерполяции акселерограмм и рассмотренние влияния ошибок округления на точность разностной схемы носят универсальный характер и могут быть применены для анализа погрешностей и выявления области применимости ранее опубликованных алгоритмов (Nigam и Jennngs, 1968, Stanger и Hart, 1970, Beaudet и Wolfson, 1970, Verbic, 1978, Левшин и др, 1978, Ehrenberg И Hernandes, 1981, Lee, 1984, Petrovski И Naumovski, 1984, Beck, 1982, Beck и Dowling, 1988).

В разделе 2.6 описывается разработанный автором ( Салганик, 1990) алгоритм генерации искусственных акселерограмм, обладающих заданным спектром реакции. Задача состоит в создании ансамбля (a¡(t),i = \,N) искусственных акселерограмм с заданными средними по ансамблю значениями спектральных ускорений

= • (10)

Здесь 5Д.(7\£)- спектральные ускорения осцилляторов под действием акселерограмм a¡(t). Для генерации акселерограмм используется модулируемый гауссовский процесс, показанный на рис.1. Заметим, что изменение частотной характеристики фильтра изменяет величину среднего по ансамблю спектра реакции SA(T,£). Описанный алгоритм позволяет регулировать величину SA(T,¿j) для заданного значения затухания 4*0. В большинстве приложений, известных автору, используется значение £ = 0.05.

Идея метода состоит в том, чтобы использовать известные приближенные выражения для исходной оценки H0(Ú) частотной характеристики фильтра #(£i) по заданным значениям SA(T,£,) и затем уточнить эту оценку при помощи эвристической процедуры, связывающей необходимую поправку к оценке функции |Я4(П)| , полученной на шаге к , с расхождением

(И)

между выборочным средним по ансамблю акселерограмм значением спектра SA(T) и заданным средним значением. П этом оценка |tft(£2)| , полученная на шаге к используется д; генерации N искусственных акселерограмм и вычисления среднего по ансамблю значения спектра SA(T). Предложенн работе модификация известной итерационной процедуры ( Vanmarcke и Gasparini, 1977) позволяет преодолеть трудности возникающие при применении ранее опубликованных алгоритмов ( Christian, 1989).

Частотная фильтрация белого шума

реализуется при помощи дискретного фильтра с импульснс характеристикой конечной длины, фазовая характеристик; фильтра линейно зависит от частоты. Для построения дискретного фильтра и эффективного использования сверт использовались алгоритмы, подробно описанные в работе ( Рабинер и Гоулд ,1976).

Демонстрация возможностей метода приводится на рис. 4-5- Показанные на рисунке 4 в качестве образца 5/4(7 значения спектральных ускорений представляют средний уровень горизонтальных спектральных ускорений, соответствующих 6-балльному сотрясению ( Салганик, Апт и др. 1990). На этом же рисунке показаны выборочные значе ЩГ), вычисленные по набору из 20 искусственных акселерограмм, максимальное и минимальное значение спе выборке. Выборочные среднее значения спектра реакции , вычисленные по набору искусственных акселерограмм, хоре согласуются с заданным спектром реакции. На рис. 5 показг одна из искусственных акселерограмм.

В разделе 2.7 перечисляются практические приложен метода. Искусственные акселерограммы, созданные на осно! предложенного метода были использованы для моделировав

(-1

= IXv«

(12)

Рис. 4 Образцовый и выборочные спектры реакции: а) образец, 2 - выборочные значения БА (Т), б - минимальные и максимальные выборочные значения.

Рис. 5 Искусственная акселерограмма.

ожидаемых сейсмических воздействий на атомные станции расположенные в Венгрии ( Пакш, 1967) и Чехословакии ( Богунице , 1966) и для расчета сейсмической стойкости стандартного оборудования атомных станций, возводимых территории СНГ.

В заключение в разделе 2.6 формулируется основной результат главы: созданы и применены на практике новые алгоритмы расчета спектров реакции и генерации искусственных акселерограмм.

Глава 3- Использование длиннопериодных сейсмических колебаний для систематического определения механизмов сильных землетрясений.

В разделе 3.1 содержится введение в главу 3. В отличие от задачи, рассмотренной в главе 3. где исходные наблюдения производятся в непосредственной окрестности очага, наблюдения , обсуждаемые в главе 3, относятся к колебани дальней волновой зоне источника сейсмических колебаний. Размеры очагов землетрясений с магнитудами в интервал ( М = 5.0-7.0) лежат в интервале 1-100 км а характерная длительность излучения подобных источников составляет ] В то же время типичные периоды объемных волн, рассматриваемых в главе 3, удовлетворяют условию Т>45< периоды мантийных волн, - условию Г > 135с. Соответствую значения длин волн превышают 200 и 900 км.. Наблюдение ограничены удаленной от источника областью К > 2500 км Подобное соотношение масштабов приводит к тому ( Аки и Ричарде , 1963) . что колебания наблюдаемые в подобной дг по отношению к очагу зоне оказываются нечувствительные детлям строения очага и зависят лишь от ряда интегральн параметров, описывающих усредненным образом геометри: источника. Усредненное описание очага, неприемлимое для моделирования короткопериодных эпицентральных колеба является основным инструментом в задачах глобальной сейсмологии таких как анализ мировой сейсмичности и изу глубинного строения Земли.

Основным результатом главы 3 является каталог, описывающий параметры сильнейших землетрясений мира период с января 1991 по август 1993- Принятое описание землетрясений основано на систематическом применений хорошо известного метода анализа землетрясений ( Ог1е\уоп:

Chou, Woodhouse, 1981) к новым экспериментальным данным, полученным в результате работы глобальной сейсмической сети.

В разделе 3-2 описывается известное интегральное

преставление смещений в дальней волновой зоне сейсмического

источника ( Dziewonski, Chou, Woodhouse, 1981, Аки и Ричарде, 1953.

Jost and Hermann, 1989): 6

= (13)

¡«1

выражающее составляющую смешения и„(х,г)через незвисимые составляющие тензора момента и зависящие от свойств среды функции ^„(х,;,х„{,). Величина смещения, наблюдаемого в дальней волновой зоне , определяется положением и диаграммой направленности эффективного точечного источника, который может быть поставлен в соответствие исходному протяженному очагу. Положение и геометрические свойства точечного источника задаются в виде набора из десяти параметров, четыре из которых описывают пространственную и временную ориентацию точечного источника (х„г,), а оставшиеся шесть параметров м. описывают диаграмму направленности точечного источника, которая определяется геометрией исходного протяженного очага. Ограничения на тип источника позволяют сократить число независимых составляющих тензора момента.

В разделе 3.3 обсуждается метод определения параметров M . предложеный в работе ( Dziewonski, Chou, Woodhouse , 1981) и исходные экспериментальные данные, используемые при измерении сейсмического момента землетрясений. Для огромного числа землетрясений сдвиговая дислокация является хорошим первым приближением к более сложным моделям источника. Поэтому в разделе 3.3 коротко характеризуются различные типы сдвиговых дислокаций и принятый способ схематического описания этих сейсмических источников.

В число аргументов функции у/ в выражении ( 13) входят параметры \ltt, , определяющие положение эквивалентного очагу точечного источника в пространстве и во времени. Особенность этого выражения состоит в том.,что при фиксированном положении центроида ( х„г,) поле смещений u(x,i) является линейной функцией компонент сейсмического момента M¡. Основываясь на этом наблюдении, авторы работы ( Dziewonski, Chou, Woodhouse, 1981) предложили итеративную процедуру, использующую ялиннопериодные сейсмограммы для одновременного определения координат центроида и составляющих сейсмического момента. Идея метода,

предложенного в указанной работе, состоит в том, чтобы использовать координаты гипоцентра хЛ и время в очаге качестве начальной оценки для положения центроида

хс = х„ , (14)

'«Ч . (15)

подставить эти параметры в выражение (13) и получить начальную оценку составляющих момента. Вслед за этим следует итерационная процедура, которая на каждом шаге уточняет значения параметров модели, изменяя их так, чт минимизировать разницу наблюдаемых колебаний и(х,г) и колебаний и'(х,/) , вычисленных с помощью подстановки те* оценки параметров модели в выражение (13)

и„(х,г) - <(х,1) = а^х, + Ь'Л, + X У^Ы^МбМ, (16)

¡=1

Разница между положением центроида (х,,/,) и положением гипоцентра землетрясения, определенного по вступлениям волн, вызвана разницей между начальным положением очаг которое определяет излучение Р-волн и положением эффективного центра излучения.

Данными, используемыми при измерении момента служа-длиннопериодные (Г>45с) объемные волны и мантийные воя (Г > 135с) , регистрируемые приборами глобальной сеисмиче сети. На рис. 6 показано расположение сейсмических станци данные которых были использованы для измерения сейсмического момента землетрясений. Белые прямоугольн выделяют группу станций, установленных на территории С] Финляндии в рамках совместной исследовательской програ научных центров государств СНГ, Геологической Службы СШ ШОЭ) и Объединения Сейсмических Групп Университетов ( В разделе 3.4 обсуждаются результаты систематическ определения механизмов землетрясений, произошедших в период с января 1991 по август 1993 года.

Измерение сейсмического момента сопряжено с необходимостью преодоления значительных технических трудностей, вызванных малым значением отношения сигна) шум, характерным для большей части наблюдений. Для сильнейших землетрясений с магнитудой М„>6.0 и выше

Рис. 6 Глобальная сеть сейсмических станций, используемых Гарвардской группой для определения механизмов очагов землетрясений. Белые прямоугольники выделяют группу станций, установленных на территории СНГ, в рамках совместной исследовательской программы научных центров государств СНГ, Геологической Службы США ( USGS) и Объединения Сейсмических Групп Университетов ( IRIS)

редактирование данных сводится к включению большей части сейсмограмм в набор исходных данных, используемых для определения центроида-момента. Однако для землетрясений с меньшей магнитудой выбор оптимальных участков записей для последующей обработки и итеративное уточнение исходного выбора составляют важнейшую и наиболее трудоемкую часть описанной процедуры обработки сейсмограмм.

Лля оценки объема технической работы заметим, что обработке подвергаются все землетрясения удовлетворяющие условию ( МЬ>5.0,М$ >4.9 ), а типичный набор сейсмограмм, представляющий индивидуальное землетрясение, содержит данные более чем 50 сейсмических станций. При обработке данных за период с января 1991 по август 1993 года автор рассмотрел около 4000 землетрясений. Лишь половина этих землетрясений ( более точно 1940 землетрясений ) порождает

Рис. 7 Эпицентры землетрясений ( январь 1991- август 1 включенныех в Гарвардский каталог механизмов. Показг землетрясения с глубиной не превышающей 50 км. Гра! плит изображены непрерывными белыми линиями.

Рис б Эпицентры глубоких землетрясений ( январь 1991-август 1993). включенныех в ЦМТ -каталог. Показаны землетрясения с глубиной превышающей 50 км. Границ плит показаны непрерывными белыми линиями.

Рис. 9 Механизмы сильнейших ( М„ >6.5) землетрясений, (январь 1991- август 1993). включенные в Гарвардский каталог. Показаны землетрясения с глубинами не превышающими 50 км.

Рис. 10 Механизмы сильнейших ( М„ > 6.5 ) глубоких землетрясений, (январь 1991- август 1993). включенные в Гарвардский каталог. Показаны землетрясения с глубинами превышающими 50 км.

-lô -

сейсмограммы , позволяющие произвести устойчивое изме сейсмического момента.

Таким образом приложение известного алгоритма ан; механизмов землетрясений к новым эксприментальным да потребовало детального интерактивного изучения многих тысяч сейсмограмм.

Основные характеристики составленного каталога землетрясений ( Dziewonski, Ekstrom, Salganik, 1992-1994) иллюстрируются на рис. 7-10. Полное описание и машинночитаемая версия каталога описаны в приложении рис. 7 показано распределение эпицентров землетрясений ( январь 1991- август 1993). включенных в Гарвардский ка Этот каталог обычно называют СМТ( сокращение от Centroid ¡ Tensor Solutions) -каталог. На рисунке представлены землетря« с глубиной не превышающей 50 км. Рисунок Ô показывает соответствующие данные для землетрясений с глубиной, большей 50 км. Границы плит показаны непрерывными бел: линиями. Основной чертой распределения эпицентров явл* замечательная приуроченность эпицентров большинства землетрясений к границам тектонических плит и приуроченность большинства глубоких землетрясений к границам зон субдукции. На рис 9-10 показаны механизмы сильнейших ( Mw >6.5) землетрясений из описываемого кат Б работе также приводятся механизмы наиболее сильных землетрясений, произошедших в указанный временной инт на территории СНГ. Для повышения наглядности на рисун* 10 показаны диаграммы, содержащие представление лишь сдвиговой составляющей смешения в источнике ( double coupl которая является преобладающей. Полные решения , содержащиеся в приложении 3 были опубликованы или представлены к публикации ( Dziewonski, Ekstrom, Salganik, 1992-.

Б разделе 3-5 описывается применении стандартного алгоритма измерения момента, описанного выше, к ограниченному набору сейсмограмм, доступному для обраб* спустя несколько часов после землетрясений с магнитудой My, >6.0. Первые эксперименты , демонстрирующие устойчи оценок механизма, произведенных по ограниченным данны; приведены в работе ( Ekstrom, 1986). Начиная с 1991 года под< ограниченные данные, представляющие записи колебаний, произведенные на 5~Ю сейсмических станциях используют Гарвардской группой для выпуска экспресс информации о механизме сильнейших землетрясений мира. Распростране]

данных и результатов обработки производится при помощи электронных сетей, связывающих исследовательские группы в различных странах мира. В разделе 3-5 приводится сопоставление экспресс-оценок механизмов с более поздними определениями, основанными на использовании существенно большего объема данных. Это сопоставление показывает высокое качество экспресс-оценок. Приведенный в разделе 3.5 пример экспресс-сообщения о недавнем землетрясении в Южной Калифорнии, выпущенного автором через 5 часов после землетрясения, демонстрирует возможности метода. Список адресатов электронной почты, регулярно получающих экспресс-информацию, охватывает десятки исследовательских групп в различных странах мира.

В настоящий момент экспресс-информация о землетрясениях представляет наибольшую практическую значимость для планирования оперативных наблюдений в эпицентральной зоне сильного землетрясения. Последующая автоматизация обработки данных и вызванное этим увеличение оперативности экспресс-сводок позволят применить экспресс-информацию для планирования спасательных работ в эпицентралной зоне и предупреждения населения о волнах цунами.

В разделе 3.6 описывается контроль качества данных мировой сейсмической сети, производимый автором в Гарвардском Центре Контроля Качества Сейсмограмм. Как указывалось выше, при анализе данных индивидуального землетрясения, сейсмограммы с низким значением отношения сигнал/ шум не привлекаются для анализа механизмов землетрясений. Поэтому относительная частота использования станций, вычисленная по набору землетрясений, включенных в каталог, является хорошим качественным индикатором качества сейсмограмм в диапазоне периодов 50-150 с. На рис.11 показана предложенная автором диаграмма, показываюшая статистику использования сейсмограмм при анализе объемных волн, порождаемых различными группами землетрясений. Слово BIG относится к землетрясениям с ^>5.5 a small - к землетрясениям меньшей магнитуды. Две колонки в правой части таблицы показывают количество сейсмограмм, принадлежащих конкретной станции, которые поступили в Гарвард в течение указанного времени ( В данном случае - в сентябре 1993 года ) Длина

Body waves channels (09-09 1993). Maxrec = 129.

BIG % small % BIG small

Z N-S E-W Z N-S E-W TOTAL total

AAK

MKT ЮК

«Л AWO

А1Л0

ARU

MR

BDFB

ВЛ

60SA

сCM

CKTO

cm

cot

СОЙ

ctw

0СЯ OVH

tm

CDH CRfO

гас

cuuo

HI»

WW

6«

KEV

KP

m

К LI

K0N0

me

ION

U>AZ

IVZ

ISA

UH

uuo uu

UA

HEt NRC

m

WN PAS

рла

PFO PUG PhfSA

ca

RAR

RPN

КРУ

soc

sb

smo

SPA

SSE

sun

wo

TAU

TOT TOC Т1.У

use

VIV MAQ

XAN

YSS zoeo

Рис. 11 Графическое представление статистики использ различных станций при измерении момента. Использовг объемных волн.

прямоугольника пропорциональна этому количеству, а значение Махгес показывает наибольшее значение, вычисленное по обоим колонкам. Короткий прямоугольник ( например для станции АБК) показывает, что станция была отключена или ,что данные со станции не были доставлены в центр сбора информации в течение 60 дней после того как они были записаны. Прямоугольники в оставшихся 6 колонках представляют процент использования сейсмограмм, принадлежаших различным станциям. Серые прямоугольники отмечают каналы с немногочисленным числом наблюдений. Статистическая оценка качества подобных данных ( например ЕЮЛ на рис 11) не представляется возможной. Как видно из рис. 11 горизонтальные составляющие колебаний при анализе землетрясений с магнитудами М„< 5.5 часто оказываются непригодными при измерении момента очага. В разделе 3.6 приведены аналогичные диаграммы для мантийных волн и диаграммы, описывающие качество данных, относящихся к станциям , расположенным на территории СНГ и Финляндии в рамках международной исследовательской программы . Анализ этих рисунков демонстрирует проблемы, возникающие на станции КГУ( Кисловодск) при регистрации горизонтальных колебаний.

Анализ статистических данных и выборочное сопоставление теоретических и наблюденных сейсмограмм, описанное в работе , позволяет автору осуществлять систематический контроль качества приборов глобальной сейсмической сети.

В разделе 3.7 обсуждаются основные результаты, полученные в главе 3: создан новый каталог механизмов сильнейших землетрясений мира, систематические экспресс-информации о механизмах землетрясений внедрены в мировую сейсмологическую практику, предложен и внедрен новый метод контроля качества сейсмограмм глобальной сейсмической сети.

Приложение!. Использование процесса авторегрессии второго порядка для моделирования акселерограмм.

В приложении 1 описывается техника аппроксимации энергетического спектра акселерограмм параметрическим выражением, использованным в основном тексте работы.

Приложение 2. Оценка спектральных ускорений, соответствующих сотрясениям различной балльности.

В приложении 2 описывается методика построения станда расчетного спектра реакции, который был использован в р ( Салганик , Аптикаев и др., 1990 ) при генерации типовог набора искусственных акселерограмм, имитирующих 7-9 балльные сотрясения.

Приложение 3 Машинно-читаемая версия Гарварде каталога.

Приложение 3. записанное на дискетту, содержит машиннс читаемую версию созданного автором каталога механизме землетрясений. Каталог охватывает данные за период с ян 1991 по август 1993 года.

Заключение

В работе решены две задачи: предложен и применен ] практике новый метод моделирования сейсмических возде на строительные сооружения и создан новый каталог меха! сильнейших землетрясений мира.

Развитое в работе ускоренное определение механизм« землетрясений и новый метод контроля качества данных глобальной сейсмической сети внедрены в мировую сейсмологическую практику.

Публикации

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Салганик М.П. Случайный процесс для моделирования акселерограмм. Изв. АН СССР, физика Земли, 6, 76-65. 1'

2. Салганик М.П 0 моделировании сейсмических воздейст строительные сооружения.. Вопросы инженерной сейсмо;

Вып.2б. М. Наука , 157-153. 1967

3. Салганик М.П., Мостинский А.З., Штейнберг В.В. Предварительное моделирование сейсмических колебаний для оценки сейсмостойкости сооружений, возводимых в эпицентральной зоне Спитакского землетрясения. Изв. АН СССР . физика Земли , 3, 64-66, 1990

4. Салганик М.П. О построении искусственных акселерограмм с заданным спектром реакции.Изв.АН СССР . физика Земли , б, 21-26, 1990

5- Салганик М.П., Грошев М.Е. Об одном алгоритме вычисления спектров'реакции на акселерограммы. Изв. АН СССР . физика Земли , б. 76-66,1990.

6. Салганик М.П., Аптикаев ф.ф., Бугаев Е.Г., Грошев М.Е., . Штейнберг В.В. Новый набор акселерограмм, моделирующий сейсмические воздействия. Изв. АН СССР . физика Земли , 6, 35-47. 1990

7. Salganik М.Р Some considerations on the calculations of response spectra. Soil Dynamics and Earthquake Engr., 10, 26-29,1991

8. Ekstrom, G., A.M. Dziewonski, J.J. Durek, and M.P.Salganik,

Unusual earthquakes of 1991 (abstract) , EOS, 72, 312, 1991

9. Dziewonski, A.M. , G.Ekstrom , M.P. Salganik and G.Z.Zwart, Centroid-moment tensor solutions for January - March, 1991, Phys.Earth Planet. Inter., 70, p. 7-15, 1992

10. Dziewonski, A.M., G.Ekstrom , and M.P. Salganik , Centroid-moment tensor solutions for April-June, 1991, Phys.Earth Planet. Inter., 71, p. 6-14, 1992

11. Dziewonski, A.M. , G.Ekstrom , and M.P. Salganik, Centroid-moment tensor solutions for July-September, 1991,Phys.Earth Planet. Inter., 72, p. 1-11, 1992.

12. Dziewonski, A.M. , G.Ekstrom , and M.P. Salganik , Centroid-moment tensor solutions for Ocober-December, 1991, Phys.. Earth Planet. Inter., 74, p. 89-100, 1992.

13. Ekstrom, G., A.M.Dziewonski, and M.P.Salganik , Global seismicity of 1991 (abstract), EOS, 73, 197, 1992.

14. Dziewonski, A.M., G.Ekstrom and M.P. Salganik , Centroid-moment tensor solutions for January - March, 1992, Phys.Earth Planet. Inter., 77, 143-150, 1993

15. Dziewonski, A.M. , G.Ekstrom , and M.P. Salganik , Centroid-moment tensor solutions for April-June, 1992, Phys. Earth Planet. Inter., 77, 151-163, 1993.

16. Dziewonski, A.M. , G.Ekstrom , and M.P. Salganik , Centroid-moment tensor solutions for July-September, 1992, Phys.Earth Planet. Inter.,79, 287-297. 1993.

17. Dziewonski, A.M., G.Ekstrom , and M.P. Salganik , Centroid-moment tensor solutions for Ocober-December, 1992, Phys Earth Planet. Inter., 80, 89-103, 1993.

18. Dziewonski, A.M., G.Ekstrom and M.P. Salganik , Centroid-moment tensor solutions for January - March, 1993, Phys.Earth Planet. Inter., in press, 1994.

19. Dziewonski, A.M., G.Ekstrom , and M.P. Salganik , Centroid-moment tensor solutions for April-June, 1993, Phys. Earth Planet. Inter., in press, 1994

20. Dziewonski, A.M., G.Ekstrom , and M.P. Salganik , Centroid-moment tensor solutions for July-September, 1993, Phys.Earth Planet. Inter., in press, 1994

21. Dziewonski, A.M., G.Ekstrom , and M.P. Salganik,

Global seismicity of 1992 (abstract), EOS, 74, 203-204, 1993.

22. Dziewonski, A.M., G.Ekstrom , and M.P. Salganik,

Global seismicity of 1993 (abstract), EOS, 75, in press, 1994.