Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Детальное сейсмическое районирование и построение вероятностных карт сейсмической опасности

ВАК РФ 25.00.03, Геотектоника и геодинамика

Автореферат диссертации по теме "Детальное сейсмическое районирование и построение вероятностных карт сейсмической опасности"

На правах рукописи

00501632» ----

Дзеранов Борис Виталиевич

ДЕТАЛЬНОЕ СЕЙСМИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ И ПОСТРОЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТНЫХ КАРТ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ (на примере территории Республики Северная Осетия-Алания)

Специальность: 25.00.03 - геотектоника и геодинамика

(геолого-минералогические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

з (ЛАЗ 2С12

Москва 2012

005016329

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки ЦЕНТРЕ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

Владикавказского научного центра Российской академии наук и Правительства Республики Северная Осетия-Алания

Научный руководитель - доктор физико-математических наук,

профессор Заалишвили Владислав Борисович

Официальные оппоненты. Черкашии Василий Иванович, доктор геолого-

минералогических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геологии Дагестанского научного центра РАН, директор.

Лутиков Александр Иванович, кандидат физико-математических наук, Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. ведущий научный сотрудник.

Ведущая организация - Федеральное государственное бюджетное

учреждение науки Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН.

Защита состоится «24» мая 2012 г., в «14» часов, на заседании диссертационного совета Д 002.001.01 в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН по адресу: 123995. г. Москва, ул. Б. Грузинская, д. 10, стр. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН.

Автореферат разослан «23» апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета г/ /

к-ф-м.н. ав> Пилипенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема адекватной оценки сейсмической опасности представляет важнейшую задачу инженерной сейсмологии. Актуальность проблемы стремительно растет с неуклонным развитием урбанизированных территорий. Настоящее обстоятельство нашло свое отражение в объявлении ООН последнего десятилетия XX столетия десятилетием смягчения природных опасностей на урбанизированных территориях. По данным ООН (Living with risk, 2002) сейсмические катастрофы составляют около 51% от общего числа природных катаклизмов и доминируют в ряду всех видов катастроф.

Известно, что на Кавказе наибольший риск связан с сейсмическими событиями. Достаточно вспомнить Дагестанское (Дагестан, 1970), Черногорское (Чечня, 1976), Спитакское (Армения, 1988), Рачинское (Грузия, 1991), Барисахское (1992), Бакинское (2000), Тбилисское (2002) землетрясения и др.

При оценках сейсмической опасности часто допускаются ошибки в оценке уровня сейсмического потенциала территории, отличающегося от реальной интенсивности землетрясения (Спитак, 1988; Нотридж, 1994; Нефтегорск, 1995; Кобе, 1995; Измит, 1999; Тайвань, 1999 и т.д.). Это обуславливает большой практический и научный интерес к исследованиям, связанным с совершенствованием и развитием методов оценок сейсмической опасности и риска во всем мире. Поэтому совершенствование методов оценки сейсмической опасности является одной из наиболее актуальных научных задач.

Значительная часть территории Российской Федерации (около 25%), на которой расположены 27 субъектов РФ с населением около 20 млн. человек, находится в сейсмоопасных зонах. Одновременно в зонах, не относящихся к сейсмически опасным, заметный сейсмический риск может быть обусловлен большой плотностью населения, особенностью застройки и высоким уровнем развития экономики. Как известно, объекты горного производства и гидроэнергетики, нередко, также расположены в горных районах, характеризующихся повышенной сейсмической опасностью. Здесь же стремительно развиваются рекреационные объекты. Так, согласно поручению Президента РФ Д.А. Медведева о создании и развитии туристического кластера в Северо-Кавказском Федеральном Округе, республике Адыгея и Краснодарском крае, в этих регионах планируется строительство пяти горнолыжных курортов и соответствующих объектов инфраструктуры («Высота 5642»). Общий совокупный объем финансовых средств для создания курортов на территории выбранных пилотных площадок составляет 451,1 млрд. рублей. При этом надежная оценка уровней сейсмической опасности, точность выделения зон различной сейсмичности позволят снизить экономические риски, которые при активном развитии регионов могут быть колоссальными.

Предмет исследования. Пространственное распределение ожидаемой сейсмической опасности территории Республики Северная Осетия-Алания на уровне крупномасштабной задачи детального сейсмического районирования (ДСР).

Цели и задачи исследования. Цель работы - разработка вероятностных карт сейсмической опасности территории на основе реализации современных подходов детального сейсмического районирования в виде анализа различных

данных соответствующей территории (сейсмологических, геологических, геофизических и т.д.).

Указанные цели достигаются решением задач:

- на основе анализа сейсмической активности региона оценить сейсмическую опасность предгорных и высокогорных территорий Республики Северная Осетия-Алания с помощью современных технологий;

- идентификация зон возникновения очагов землетрясений (ВОЗ) и определение характеристик для каждого сейсмогенного источника;

- разработать методику расчета сейсмического эффекта в единицах макро-сейсмической интенсивности (в баллах) и для грунтовых ускорений (в долях § -ускорение силы тяжести);

- создать набор крупномасштабных вероятностных карт сейсмической опасности (уровень ДСР) для высокогорной и предгорной территории Республики Северная Осетия-Алания;

- на основе учета особенностей сейсмогенных источников получить типовые воздействия для исследуемой территории.

Методы исследования: системный анализ, картографический, ГИС-технологии, ретроспективный анализ, моделирование, аналитические исследования, физическое, математическое и компьютерное моделирование, расчеты с использованием приемов математической статистики и современных компьютерных программ, анализ и обобщение литературных источников.

Научная новизна результатов исследований:

- впервые в России оценка сейсмической опасности исследуемой территории производилась независимо в единицах макросейсмической интенсивности и грунтовых ускорений. Создан набор карт ДСР для макросейсмической интенсивности и пикового грунтового ускорения (РвА) для повторяемости 50 лет и вероятностью превышения 1%, 2%, 5% и 10%.

- впервые для территории СНГ был использован подход, где синтезированные акселерограммы формировались на основе учета величины максимальной магнитуды, протяженности разлома, реального эпицентрального расстояния от опасного очага и представляли собой типичное воздействие для рассматриваемой территории.

- установлено, что согласно пятипроцентной карте ДСР вся территория г. Владикавказа характеризуется 8-балльной макросейсмической интенсивностью, а в единицах ускорений составляет: в южной части 0,1-0,25 в центральной части 0,15-0,2 g, в северной - 0,1-0,15 При этом согласно двухпроцентной карте ДСР южная часть города находится в зоне с интенсивностью 9 баллов, а северная - 8 баллов, и в единицах ускорений: южная часть города - в зоне 0,3-0,35 g, центральная - 0,25-0,3 g, а северная - 0,2-0,25

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработана методика вероятностной оценки сейсмической опасности уровня ДСР на основе учета зон возможных очагов землетрясений (ВОЗ), характеризующих макросейсмические, геологические, геодинамические, тектонические, геофизические, сейсмические особенности территории.

2. Произведена оценка сейсмической опасности территории Республики Северная Осетия-Алания в единицах макросейсмической интенсивности (в бал-

лах) и единицах ускорений (в долях g), реализованная в виде вероятностных карт ДСР в ГИС-технологиях масштаба М 1:200 ООО, являющихся непосредственной основой для создания карт сейсмического микрорайонирования (СМР).

3. Установлено, что для создания вероятностных карт СМР территории г. Владикавказа для массового, т.е. основного строительства, целесообразно, в качестве основы использовать пятипроцентную вероятностную карту ДСР и для ответственных сооружений - двухпроцентную вероятностную карту ДСР.

4. С учетом современных представлений рассчитано типичное для рассматриваемой территории воздействие, наличие которого позволяет формировать карты сейсмической опасности территории (уровень СМР) не только на основе уровня опасности соответствующей карты ДСР, но и на основе типичного для данного источника (сейсмогенный разлом) сейсмического воздействия, отнесенных к участкам со средними грунтовыми условиями.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается представительностью и надежностью исходных данных, сопоставимостью результатов исследований с данными практики, применением системного анализа, математических методов обработки данных и методов моделирования с использованием современных апробированных компьютерных программ.

Практическое и научно-теоретическое значение результатов исследования заключается в установлении закономерностей формирования сейсмических волновых полей и повышении детальности и точности методов оценки сейсмической опасности (уровня ДСР) на территории Республики Северная Осетия-Алания, являющихся, фактически, основой долгосрочного прогноза возможных землетрясений, где основную роль играет место и уровень опасности. Созданный комплект вероятностных карт детального сейсмического районирования (ДСР) наряду с рассчитанным типичным воздействием для данной территории являются основой для активного развития и адекватного обеспечения градостроительной деятельности в виде сейсмостойкого проектирования и практического строительства на территориях городов и населенных пунктов Республики Северная Осетия-Алания для объектов категорий разной степени ответственности и сроков эксплуатации.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на II, III и IV Кавказской международной школе-семинаре молодых ученых «Сейсмическая опасность. Управление сейсмическим риском на Кавказе» (Владикавказ, 2007, 2009, 2011), на II и III Международной конференции «Опасные природные и техногенные геологические процессы на горных и предгорных территориях Северного Кавказа» (Владикавказ, 2007, 2010), на второй международной конференции «Моделирование устойчивого регионального развития» (Нальчик, 2007), на региональной междисциплинарной конференции молодых ученых «Наука-Обществу» ВНЦ РАН и РСО-А (Владикавказ, 2010), на Пагуош-ском симпозиуме «Наука и высшая школа Чеченской Республики: перспективы развития межрегионального и международного научно-технического сотрудничества» (Грозный, 2010), на II Международной научно-практической конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Владикавказ, 2011), на IX Всероссийской Национальной конференции по сейсмостойкому

строительству и сейсмическому районированию (Сочи, 2011), на конференции, посвященной 50-летию основания Института геофизики и инженерной сейсмологии им. акад. А. Назарова HAH РА «Современные задачи геофизики и инженерной сейсмологии» (Гюмри, 2011), на Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 10-летию со дня основания КНИИ РАН «Наука и образование в Чеченской республике: состояние и перспективы развития» (Грозный, 2011), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы геологии, геофизики и геоэкологии Северного Кавказа» (Грозный, 2011), а также на семинарах и заседаниях Ученого совета ФГБУН Центра геофизических исследований ВНЦ РАН и РСО-А (2008-2012).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 24 научных трудах.

Личный вклад автора. Вся обработка данных, расчеты параметров сейсмического поля произведены лично автором при его активном участии или под его непосредственным руководством на основе освоения им ряда современных компьютерных программ. Результаты исследования интерпретировались автором в тесном сотрудничестве с его научным руководителем.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 204 наименований. Работа изложена на 153 с. машинописного текста, включает 46 рис. и 9 табл.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.ф.-м.н., профессору В.Б. Заалишвили за всестороннюю помощь и поддержку.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении сформулированы цели диссертационной работы, задачи, методы их решения и основные защищаемые положения.

В первой главе описаны существующие методы оценки сейсмической опасности, а также приведена последовательность работ по установлению исходной сейсмичности.

В настоящее время выделяют три направления исследований, которые рассматриваются в качестве последовательных этапов сейсмического районирования:

1) общее сейсмическое районирование (ОСР), реализуемое для условий РФ в масштабах М 1:5 000 000 или М 1:2 500 000.

2) детальное сейсмическое районирование (ДСР), которое, как правило, производилось для наиболее изученных регионов перспективного строительства с более детальным изучением конкретных источников (сейсмогенных разломов) сейсмических воздействий (БАМ, Ферганская долина, Северная Киргизия и др.) в масштабах преимущественно М 1:1 000 000, М 1:500 000 и очень редко в масштабе М 1:200 000 (Ибрагимов, 1970, 1978; Опыт..., 1975; Сейсмотектоника..., 1968, 1980; Геологические..., 1978; Детальное..., 1980, 1984; Сейсмогеология' 1981 и др.).

3) сейсмическое микрорайонирование (CMP), которое, как правило, проводилось в масштабах М 1:5 000-10 ООО и редко М 1:25 ООО, и непосредственно входящее в перечень работ в процессе реализации инженерных изысканий.

Конечным результатом указанного районирования является создание соответствующих карт ОСР, ДСР и СМР.

ДСР отличается от ОСР, как можно видеть из описания этапов сейсмического районирования территории, в первую очередь, масштабом исследования. При этом в процессе проведения ДСР могут и должны изучаться все потенциальные источники возможных землетрясений, которые могут и не учитываться, например, из-за их малого сейсмического потенциала при проведении ОСР.

В связи с этим, необходимо отметить, что в реальных условиях последствия генерирования сейсмических событий от таких источников могут иметь, если не значительное, то, во всяком случае, достаточно заметное негативное влияние. В то же время по своему физическому смыслу оба вида районирования за исключением детальности исследований схожи.

В последние годы в России имело место широкое распространение при оценках сейсмической опасности территории результатов проведения ОСР. Понятно, что подобное распространение в подобных задачах подходов ОСР, в первую очередь, обусловлено все еще недостаточным развитием ДСР и определенной трудоемкостью его реализации для большинства исследователей. При этом распространению ОСР, несомненно, способствует большая разработанность и заметная глубина реализации подходов ОСР благодаря активным исследованиям профессора В.И. Уломова и его коллег. Именно их усилиями на смену явно устаревшим подходам пришли современные методы оценок сейсмической опасности территории на уровне мировых стандартов, выразившиеся, в частности, в создании набора, несомненно, прогрессивных вероятностных карт ОСР-97.

В то же время следует отметить, с одной стороны, необходимость развития существующих подходов ДСР, чтобы превратить его в мощный инструмент решения научно-практических задач, а с другой - современное ДСР в настоящее время на уровне конкретных задач уже имеет вполне понятное и обоснованное содержание.

Использование надежных методов ДСР в тесной связи с методами современного ОСР позволит решать самые сложные задачи оценок сейсмической опасности в их органической взаимосвязи. Это предполагает включение соответствующего положения по ДСР в разрабатываемый новый СНиП РФ или СП (Свод Правил) о целесообразности его использования для исключения каких-либо ограничений на практике.

В главе приводятся существующие на данный момент методы создания зон ВОЗ, многие из которых, развиваясь параллельно, преобразовывались и комплектовались между собой (Несмеянов, 2004). Именно в указанной работе был составлен наиболее полный перечень и произведен анализ основных методов, предназначенных для создания зон ВОЗ. К ним относятся следующие методы: сейсмогеологический (И.В. Мушкетов), сейсмотектонический (И.Е. Губин), сейсмоструктурный (В.В. Белоусов, А.В.Горячев, И.В.Кириллова, Б.А. Пе-трушевский, И.А.Резанов, A.A. Сорский), тектонофизический (М.В. Гзов-

ский, Г.И. Рейснер), метод выделения квазиоднородных зон (М.В. Гзовский, В.Н. Крестников, И.Л. Нерсесов, Н.Н.Леонов, И.А.Резанов, Г.И. Рейснер, Л.И. Иогансон), метод сейсмоактивных узлов (В.И. Бунэ, В.М. Рейман, Е.Я. Ранцман, С.А. Несмеянов, И.И. Бархатов), палеосейсмогеологический (Д. Точер, В.П. Солоненко, A.A. Никонов, Т.Ю. Шебалина). В главе приведена традиционная последовательность работ (С.А. Несмеянов) по установлению исходной сейсмичности: оценка тектонических условий региона, неотектоническое районирование, историко-тектоническое районирование, оценка современных тектонических движений, оценка сейсмического режима региона, ма-кросейсмические исследования, выделение сейсмогенерирующих структур и зон ВОЗ.

Третий этап или стадия оценки сейсмической опасности в виде СМР, несмотря на схожесть названий с ОСР и ДСР имеет другой физический смысл. Использование СМР позволяет учитывать сейсмические свойства грунтов территории, включающие целый ряд физико-механических и динамических особенностей собственно грунтовой толщи.

Карты общего сейсмического районирования с развитием наших знаний или после каждого сильного землетрясения, как правило, пересматриваются (Землетрясения..., 1961; Сейсмическое..., 1968, 1980; Уломов, 1995), и соответствующая обновленная карта вводится в качестве нормативной в строительные нормы и правила (СНиП II-7-81*) по строительству в сейсмических районах. При составлении указанных карт в соответствии с их масштабом и назначением рассматриваются лишь крупные геолого-геофизические зоны, определяющие сейсмичность. В соответствии со СНиП 11-7-81* сейсмичность той или иной территории в настоящее время может быть оценена по карте общего сейсмического районирования России (ОСР-97).

Детальное сейсмическое районирование, методика которого, по мнению некоторых авторов, разработана крайне схематично, предполагает чрезвычайно сложный и дорогостоящий комплекс геолого-тектонических, геофизических и сейсмологических исследований, позволяющий количественно определить широкий спектр сейсмических воздействий на любой участок региона перспективного освоения (Аптикаев и др., 1986).

Однако, общие тенденции и нарастание темпов инженерных изысканий постоянно приводили к ситуациям, когда сейсмическое микрорайонирование приходилось проводить на территориях, на которых еще не велось ДСР. В то же время, использование материалов ОСР во многих случаях становилось неприемлемым из-за необходимости более детального учета региональных и локальных характеристик, в том числе тектонических. Генерализация, свойственная этим картам, соответствует выделению наиболее крупных сейсмогенерирующих зон, что вполне достаточно для общегосударственного планирования, но недостаточно для надежной оценки сейсмических условий конкретных объектов. В связи с этим, для обеспечения перехода от мелкомасштабных карт общего сейсмического районирования (ОСР) к крупномасштабным картам микрорайонирования (СМР) для ответственных объектов (территорий городов, площадок крупных промышленных и энергетических сооружений и т.д.) проводится комплекс

специальных геологических, сейсмологических, геофизических исследований, объединенных под общим названием уточнения исходной сейсмичности (УИС). Этот вид исследований содержал по возможности все методы, которые используются при ДСР, но оценивал количественно исходные (фоновые) сейсмические воздействия только на рассматриваемый участок СМР (точнее - для средних грунтовых условий или грунтов II категории на этом участке).

В то же время, в последние годы многое изменилось. Появились мощные базы данных сильных движений, включающие большое число реальных записей скоростей и ускорений грунта, в том числе, в странах Южного Кавказа. На основе ряда разработок появились современные компьютерные программы, появились надежные цифровые регистраторы и сейсмоприемники, позволяющие за счет высокой надежности получать группами станций большое число записей колебаний грунтов при землетрясениях. Это обусловило возможность реализации задач ДСР в условиях вполне достаточных для получения надежных данных.

Выводы к первой главе

Рассмотрены существующие методы исследований для определения сейсмической опасности территории. Показана необходимость усовершенствования методов оценки сейсмической опасности. На основе анализа особенностей известных подходов в качестве основного был избран внерегиональный сейсмотектонический метод, позволяющий на достаточно объективной основе идентифицировать сейсмогенные источники. Несмотря на определенные недостатки, метод целиком характеризуется количественными показателями и имеет строгий аппарат принятия решений.

Вторая глава посвящена описанию параметризации зон ВОЗ на территории Республики Северная Осетия-Алания, которая была выполнена Е.А. Рогожиным в 2007 г. с использованием внерегионального метода в процессе изучения схода ледника Колка в 2002 г. Здесь, вблизи ложа ледника группой под руководством профессора Е.А. Рогожина был выделен ранее неизвестный Кармадонский разлом и уточнено положение известных.

На основе анализа исследований по определению и параметризации зон сейсмических очагов для разломов, расположенных к Югу от Главного Кавказского хребта, были выбраны параметры источников зон по данным И. Гамкрелидзе и к Северу от хребта - по данным Е.А. Рогожина. На основе указанной экспертной оценки были составлена карта зонирования сейсмических источников или зоны ВОЗ (зоны возникновения очагов землетрясений) для исследуемой территории (рис. 1).

На основе интерпретации данных дистанционных зондировании выделены зоны ВОЗ. Протяженные системы линеаментов идентифицировались с известными разломами, и эти разломы квалифицировались в качестве активных на современном этапе. Установлено, что наибольшую опасность для урбанизированных территорий Северной Осетии представляют Владикавказская, Карма-донская, Моздокская, Сунженские и Терская зоны ВОЗ. Для каждой зоны ВОЗ (как линейной, так и площадной) была изучена частота возникновения землетрясений на основе наблюденной сейсмичности. Глубина гипоцентров ожидае-

Рис. 1. Карта зон возникновения очагов землетрясений (ВОЗ) с учетом разлома в Кармадоне (Е.А. Рогожин, 2007)

мых землетрясений рассчитывалась из глубины заложения разломов по геофизическим данным и из величины магнитуды ожидаемых событий.

В главе рассматривается целый ряд вопросов, связанных с использованием вышеуказанного внерегионального или экстрарегионального метода. В процессе использования указанного метода решается целый ряд сопутствующих задач. Так, активно реализуемый под руководством Е.А. Рогожина т.н. тренчинг (траншейный тип исследования различных палеодислокаций) позволяет значительно повысить надежность собственно внерегионального, да и любого другого подобного метода, решать важнейшие методические задачи и получать целый ряд новых фундаментальных результатов (например, успешный прогноз Алтайского землетрясения).

Выводы ко второй главе

На основе интерпретации данных дистанционных зондирований выделены зоны ВОЗ. Протяженные системы линеаментов идентифицировались с известными разломами, и эти разломы квалифицировались в качестве активных на современном этапе.

Рис. 2. Карта сейсмической опасности территории Республики Северная Осетия-Алания с 5% вероятностью превышения расчетной интенсивности

Третья глава диссертации посвящена оценке сейсмической опасности на примере территории Республики Северная Осетия-Алания и построению вероятностных карт в единицах макросейсмической интенсивности и ускорений с помощью современных ГИС-технологий (рис. 2-3).

Эффект землетрясения оценивался на основе использования двух различных параметров: макросейсмической интенсивности и пикового грунтового ускорения (PGA). Макросейсмическая интенсивность (шкала MSK-64) традиционно использовалась для сейсмического районирования в СССР. В работе (Javakhishvili et al., 1998) показано, что параметры макросейсмического поля, определенные в каталоге сильных землетрясений, дают средние значения, которые хорошо описывают макросейсмическое поле для средних землетрясений и вдали от эпицентра.

Рис. 3. Карта сейсмической опасности территории Республики Северная Осетия-Алания с 5% вероятностью превышения расчетной интенсивности в единицах ускорения

Для получения необходимой информации были исправлены макросейсмиче-ские и инструментальные данные по 43 значительным землетрясениям, происшедшим на Кавказе (Папалашвили и др.,1997; ^уаИшЬуШ й а1., 1998). Были выбраны данные о 37 землетрясениях и в отдельных случаях были составлены новые карты изосейст в масштабе 1:500 ООО.

В процессе составления карт наблюдалось очень высокое значение коэффициента затухания вблизи (в пределах первых трех изосейст) источника Мб> 6 землетрясения ((у=4.5-5.5) по сравнению с малыми и умеренными событиями 0=3.4). Этот факт перепроверялся на других Кавказских сильных землетрясениях (¡Ук > 6) и, в целом, был подтвержден. Несмотря на отсутствие достаточных данных, уравнение корреляции в первом приближении в этом случае имеет следующий вид (Бтк е1 а1., 2000):

для малых землетрясений

I=l,5Ms-3,41g(A2+h2)l/2+3,0, (1)

и для больших событий

I=l,5Ms-4,71g(A2+h2)1/2+4,0, (2)

После установки первой цифровой станции сильных движений в Кавказском регионе было зарегистрировано 451 акселерограмм от 269 землетрясений (Smit et al., 2000). На основе записей сильных движений (ускорений), зарегистрированных на Кавказе и в прилегающем районе между июнем 1990 и сентябрем 1998, постоянной и временной цифровыми инструментальными сетями сильных движений, были выбраны и сведены в новый набор данных, включающии 84 исправленных горизонтальных ускорения и спектры реакции от 26 землетрясений с величинами магнитуд между 4,0 и 7,1.

Уравнение для расчета больших горизонтальных значений пикового ускорения имеет следующий вид (Smit et al., 2000):

\ogPHA = 0,72 + 0,44М - log R - 0,0023IR + 0,28P (3 )

и

R = (D2+ 4,52/2,

где РНА- пиковое горизонтальное ускорения в [см/с2], М - магнитуда, рассчитанная по поверхностной волне, D - гипоцентральное расстояние в [км], Р = 0 для 50 процентной обеспеченности, и Р = 1 для 84 процентной обеспеченности.

Для изучения соотношения Гутенберга-Рихтера землетрясения приписывались к отдельным разломам или зонам ВОЗ с учетом точности определения эпицентров. Из-за недостатка данных о точности определения положения была принята усредненная модель, предполагающая, что ошибки имеют нормальное распределение со стандартным отклонением, равным 3-4 км.

Для изучения сейсмичности и анализа сейсмической опасности территории Республики Северная Осетия-Алания были составлены следующие базы данных- макросейсмическая, сейсмическая, а также зон очагов землетрясений (03). На основе анализа различных данных (сейсмологических, геологических, геофизических и т.д.) был составлен набор вероятностных карт сейсмической опасности для территории Северной Осетии. Был создан набор карт для макросеис-мической интенсивности и пикового грунтового ускорения (PGA) для повторяемости 50 лет и вероятностью превышения 1%, 2%, 5%, 10% в ГИС-технологиях. Созданный комплект карт позволяет обеспечить одинаковую степень риска в пределах территорий, охватываемых каждой из карт, и предназначен для реализации мер по снижению сейсмического риска для разных категорий степени ответственности и сроков службы (Заалишвили, Невская, 2003).

Предложено использовать карты 5%-ной вероятности для массового, т.е. основного строительства, а карты 2%-ной вероятности для строительства объектов повышенной ответственности.

Выводы к третьей главе

Произведена оценка сейсмической опасности территории Республики Северная Осетия-Алания. Эффект землетрясения оценивался на основе использования двух независимых параметров: макросейсмической интенсивности и пикового ускорения основания (PGA). Предложено использовать карты 5%-ной вероятности для массового, т.е. основного строительства, а карты 2%-ной вероятности для строительства объектов повышенной ответственности. Полученные карты являются непосредственной основой для разработки карт сейсмической опасности территории, обусловленной грунтовыми условиями (уровень СМР).

В четвертой главе рассматриваются особенности создания типовых сейсмических воздействий на исследуемой территории (г. Владикавказ).

В настоящее время в России широко используется подход, разработанный профессором Ф.Ф. Аптикаевым, который решает проблему расчетов типичного воздействия на основе параметризации записей сейсмических колебаний и генерирования искусственных акселерограмм.

Нерегулярность сейсмических колебаний грунтов и стремление определить более объективно поведение зданий и сооружений в разнообразных сейсмотектонических и инженерно-геологических условиях привело к необходимости создания стохастических моделей сейсмических колебаний грунтов. Основное направление разработки вероятностных моделей основано на построении синтезированных акселерограмм, с использованием которых возможна оценка особенностей очагов землетрясений в данном регионе.

Модель колебаний грунта основана на представлении колебательного процесса в виде набора нестационарных Гауссовых процессов, которые отличаются друг от друга преобладающими частотами, продолжительностью и другими параметрами (Айзенберг, 1976). Отмеченная особенность модели сейсмического эффекта позволяет учитывать возможное разнообразие спектрального состава различных землетрясений и прогнозировать спектры возможных землетрясений, рассматривая региональные сейсмологические данные. Каждый j-й элемент этого набора или ускорение фунта Z(t,o>) определяется как произведение стационарного Гауссова процесса X(t,ca) с нулевым математическим ожиданием и детерминированной огибающей функции A(t,co), обеспечивающей соответствующую нестационарность движения грунта, в области со . < со <ю в виде-

min~ j— max ^

Z(t,a}J) = X{t,m))A(t,aJ) (4)

где со. - преобладающая частота j-ro процесса, её граничные значения со и штах принимаются на основании эмпирических данных. """

Надо отметить, что допущение отсутствия взаимокорреляции между компонентами дает нам право рассмотреть каждый компонент как одноразмерное воздействие, которое направлено соответственно вдоль главных х, у и z осей здания.

Использование формулы (4) для практических целей связано с заданием функции A(t,co) и реальной спектральной плотности процесса X(t,<o) или определением соответствующих функций автокорреляции, на основании статистического анализа существующих акселерограмм землетрясений.

В том случае, когда данные о сильных землетрясениях в виде акселерограмм ограничены для конкретного региона или вовсе отсутствуют, тогда для учета влияния региональных сейсмических особенностей дополнительно рассматривается информация о возможных зонах очагов землетрясений относительно их характеристик (магнитуда, расстояние до эпицентра, глубина очага) и макро-сейсмических зависимостях, которые связывают друг с другом различные параметры.

На эпицентральных расстояниях, превышающих размеры очагов, т.е. когда источники можно считать точечными, расчеты проводились на основе известных эмпирических зависимостей проф. Ф.Ф. Аптикаева, положенных в основу РБ-06-98 и других нормативных документов (Аптикаев, 1980,1986).

На малых эпицентральных расстояниях источник нельзя считать точечным. В связи с необходимостью большей связи с характеристиками собственно источника сейсмического воздействия для реализации типичного воздействия рассмотрим конечно-разломную модель, реализованную в виде компьютерной

Программы FINSIM.

Метод моделирования, используемый в программе FINSIM, описан в целом

ряде работ (Beresnev, Atkinson, 1997,1998 и т.д.), а также предыдущих их публикациях, посвященных основам стохастической методики. Здесь временные ряды для подразломов генерируются с помощью рассмотренной процедуры Бура, предполагающей базовый со2 спектр и учитывая распространение сейсмических волн в точку наблюдения используя определенные операторы продолжительности и затухания (Boore, Atkinson, 1987). В программе используется стандартная процедура суммирования, в которой разрыв распространяется радиально из гипоцентра, инициируя при своем прохождении вторичные источники. Случайная составляющая входит в момент запуска подисточника (Beresnev, Atkinson, 1997). Программа может использоваться для генерирования акселерограмм для скальных грунтов, также имеется возможность учитывать частотную функцию усиления для конкретного участка, не сложенного скальными грунтами.

Ключевой составляющей модели является процедура, с помощью которой эквивалентные w2 источники задаются элементам разлома.

Нами был произведен учет особенностей сильных движений при малых эпицентральных расстояниях для территории г. Владикавказа. Источник землетрясения, представляющий собой область разрыва, может рассматриваться в виде точечного на расстояниях больших по сравнению с размером разлома. На меньших расстояниях становятся значимыми явления, связанные с конечными размерами разлома. Эти явления, в первую очередь, вызваны конечной скоростью распространения вспарывания, в результате чего отдельные части разлома излучают энергию раньше, чем другие; волны, излучаемые, таким образом, с задержками и затем интерферируют, вызывая значительные эффекты направленности.

Наиболее опасной для города Владикавказа является Владикавказская (широтного простирания) зона, которая представляет собой флексурно-разрывную систему мелких взбросов, развитых на фоне флексуры северного склона Большого Кавказа. Расчетная Мтах составляет 6,9-7,1, глубина гипоцентров ожидаемых землетрясений достигает 10 км, прослеженная протяженность - 100 км,

ширина зоны в целом достигает 10 км, кратчайшее расстояние до Владикавказа - 0-5 км (Невская, 2005). По последним данным Владикавказская зона ВОЗ (восточная ветвь) имеет сейсмический потенциал М =7,1, глубину гипоцентров ожидаемых землетрясений Н=20 км и кинематику'сейсмогенных смещений «взброс» (Рогожин, 2007).

Учитывая близость данной зоны ВОЗ необходим учет явлений направленности. Расчет синтетических акселерограмм был выполнен с помощью программы FINSIM (Beresnev, Atkinson, 1998а, b; Atkinson, Beresnev, 2002). Плоскость разлома разделяется на дискретные элементы, каждый элемент рассматривается в виде «стохастического» со2 источника (подразлома), разлом распространяется из гипоцентра во всех направлениях и, достигая каждого из источников, инициирует его. Вычисление результирующей акселерограммы в заданном пункте наблюдения выполняется с помощью определенных операторов продолжительности и затухания.

Расчет был выполнен для одного из сегментов Владикавказского разлома широтного простирания (рис. 4 г). Поскольку длина и ширина площадки будущего очага неизвестны, их можно трактовать, как случайные величины.

1974)ИНа 0ЧЗГа М0ЖСТ бЫТЬ 0пределена по Ф^Уле Н.В. Шебалина (Шебалин,

lg£ = 0,5M-l,8 (5)

где М - магнитуда.

Таким образом, длина очага землетрясения составит 40-50 км.

При выборе размера подразлома использовалось следующее эмпирическое соотношение (Atkinson, Beresnev, 2002):

\gdl = -2 + Q,4Mw, (6)

где dl - размер подразлома, Л/ - моментная магнитуда моделируемого землетрясения.

Число подразломов вдоль простирания принято равным восьми (что соответствует ¿/-6,25 км), и вдоль падения - трем (6,7 км). Глу бина верхней границы разлома была принята равной 1 км, угол падения 75°.

В расчетах предполагались следующие значения скорости поперечных сейсмических волн в земной коре и ее плотности: Vs=3,7 км/с и р=2.8 г/см3.

Расчеты были выполнены при различном положении первичного источника-участка, в котором начинается процесс вспарывания (гипоцентр).

Результаты представлены на рис. 4. Как и следовало ожидать при направлении вспарывания в сторону города происходит увеличение амплитуд колебаний

Анализ данных показывает (рис. 5), что, в целом, спектры колебаний от расчетного сильного землетрясения и реального слабого схожи по их главным показателям. Так, максимальные пики на обоих спектрах наблюдаются на частотах 1,3 и 5,6 Гц. При этом, наибольшей близостью к расчетному спектру характеризуется спектр вертикального ускорения. Последний факт вполне очевиден и объясняется близостью к источнику или очагу землетрясения. Действительно близкие землетрясения, как правило, характеризуются преобладанием вертикальной составляющей. Выбор станции «ТЕА», фундированной на плотные галечники

Рис 4. Синтетические акселерограммы, при различном положении очагов: - западная часть разлома; б - середина разлома: в - восточная часть разлом: г - схема расположения очагов сценарных землетрясений

ВЛАДИКАВКАЗ

Рис 5 а) Спектры синтезированных ускорений колебаний грунта при различном зложении очага землетрясения М=7,1: 1 - западная часть разлома; 2 - середина разлома; 3 - восточная часть разлома (сглаживание в интервале ±0.2 Гц): б) спектры ускорении колебаний слабого землетрясения с эпицентром в зоне Владикавказского разлома

с песчаным заполнителем <30%, позволяет свести к минимуму искажение обусловленное грунтами.

Ещё одной важной особенностью сильных движений при малых эпицен-тральных расстояниях является наличие больших импульсов, обычно отмечаемых на велосиграммах. Подобное явление наблюдается на малых эпицентраль-ных расстояниях, причем вероятность регистрации импульса резко уменьшается с расстоянием.

Анализ инструментальных данных показывает, что на расстояниях больших 30 км такая вероятность становится почти нулевой (Baker, 2006). На основании формулы, предложенной Бейкером (Baker, 2006), для магнитуды М=7,1, получим Тр-4,3 с - период, который необходимо учитывать при проектировании сооружений, расположенных на территории города вблизи разлома. При этом, расчетное воздействие принимается в виде короткого импульса.

В главе также рассмотрены вопросы инструментального мониторинга сейсмической опасности на примере локальной сети «Кармадонский параметрический полигон», а также влияние грунтов на искажение исходных сигналов с целью их учета при использовании в задачах СМР - следующем этапе исследовании и представляющем непосредственную основу сейсмостойкого проектирования и практического строительства.

Выводы к четвертой главе

На основе учета величины максимальной магнитуды, протяженности разлома, реального эпицентра от опасного очага были рассчитаны синтезированные акселерограммы и их спектры для зон, способных сгенерировать на территории г. Владикавказа (для средних грунтовых условий) землетрясения интенсивностью 8-9 баллов, представляющих типичные воздействия сильных землетрясении от наиболее опасных разломов, окружающих г. Владикавказ. Сопоставление спектра синтезированной акселерограммы и реальной акселерограммы генерируемого из одного и того же источника показало хорошую сходимость результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В результате проведения исследований реализована оценка сейсмической опасности территории Республики Северная Осетия-Алания. Для построения карт сейсмической опасности использовалась новая, уточненная карта активных разломов и зон ВОЗ составленная Рогожиным Е.А. в 2007 году.

2. Для изучения сейсмичности и анализа сейсмической опасности территории Северной Осетии были составлены следующие базы данных: макросейсми-ческая, сейсмическая, а также зон очагов землетрясений (03).

3. Зоны ВОЗ выделены на основе интерпретации данных дистанционных зондирований. Протяженные системы линеаментов идентифицировались с известными разломами, и эти разломы были квалифицированы в качестве активных на современном этапе. По названию разломов или крупных населенных

пунктов формулировалось название зон ВОЗ. Глубина гипоцентров ожидаемых землетрясений рассчитывалась из глубины заложения разломов по геофизическим данным и из величины магнитуды ожидаемых событий.

4. Установлено, что наибольшую опасность для урбанизированных территорий Северной Осетии представляют Владикавказская, Кармадонская, Моздокская, Сунженские и Терская зоны ВОЗ.

5. При оценке сейсмической опасности территории Северной Осетии расчеты впервые производились одновременно для величин макросейсмической интенсивности и грунтовых ускорений. Эффект землетрясения оценивался на основе использования двух различных параметров: макросейсмической интенсивности и пикового ускорения основания (PGA).

6. В результате расчетов были созданы карты сейсмической опасности, определенные как вероятность превышения зафиксированной величины сотрясений в течение различных времен экспонирования. В частности, был создан набор карт для макросейсмической интенсивности и пикового грунтовогоуско-рения (PGA) для повторяемости 50 лет и вероятностью превышения 1%, 2%, 5%

10%. , .

7 На основе изучения сейсмического режима территории была выорана наиболее реальная карта с вероятностью 5% превышения в течение 50 лет, соответствующая повторяемости 1000 лет. В связи с этим, предложено использовать карты 5%-ной вероятности для массового, т.е. основного строительства, а карты 2%-ной вероятности для строительства объектов повышенной ответственности.

8. Созданный комплект карт позволяет обеспечить одинаковую степень риска в пределах территорий, охватываемых каждой из карт, и предназначен для сейсмостойкого строительства и разработки мероприятий по снижению сейсмического риска для разных категорий степени ответственности и сроков службы.

9 Полученные карты являются непосредственной основой для разработки карт сейсмической опасности территории, обусловленной грунтовыми условиями - уровень сейсмического микрорайонирования.

10. При использовании современной базы данных сильных движений расчётные методы позволяют в случае отсутствия записей сильных движений на территории с умеренной сейсмической активностью вполне надежно рассчитывать величину сейсмической реакции грунтов на их поверхности при сильных землетрясениях.

11. Для исследуемой территории получены типовые воздействия, позволяющие оценить спектры реакции застройки при сильных землетрясениях от различных наиболее опасных разломов, окружающих г. Владикавказ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1 Дзеранов Б.В. Особенности динамического поведения грунтов территории "г Владикавказа / Заалишвили В.Б., Мельков Д.А., Дзеранов Б.В. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений - М.: ВНИИНТПИ, №2.2008. С. 67-70 (статья).

2. Дзеранов Б.В. Сейсмическое микрорайонирование территории г. Владикавказа / Заалишвили В.Б., Мельков Д.А., Габеева И.Л., Дзебоев Б А Дзеранов Б.В., Кануков A.C., Шепелев В.Д. // Сейсмостойкое строительство Безопасность сооружений. - М.: ВНИИНТПИ, №1.2012 С. 49-58 (статья).

В других изданиях:

3. Дзеранов Б.В. Особенности динамического поведения грунтов территории г. Владикавказа / Заалишвили В.Б, Мельков Д.А., Дзеранов Б.В. // Труды семинара «V Савиновские чтения», 29 июня -3 июля 2007 г., Санкт-Петербург 2007, С. 8-9 (тезисы доклада).

4. Дзеранов Б.В. Влияние особенностей грунтовых условий территории на проявление землетрясений /Заалишвили В.Б., Мельков Д.А., Габеева И.Л., Дзеранов Б.В. // Материалы второй международной конференции «Моделирование устойчивого регионального развития». Том III, Россия, Нальчик 14-18 мая 2007 г. - Нальчик, С. 40-43 (статья).

5. Дзеранов Б.В. Влияние грунтовых условий на формирование спектрального состава колебаний в задачах сейсмического микрорайонирования / Заалишвили В.Б., Дзеранов Б.В., Мельков Д.А. // Труды II Кавказской международной школы-семинара молодых ученых «Сейсмическая опасность и управление сейсмическим риском на Кавказе», Владикавказ, 20-22 сентября, 2007 - Владикавказ, 2007, С. 141-146 (статья).

6.^ Дзеранов Б.В. Влияние обводненности на формирование интенсивности колебаний в задачах сейсмического микрорайонирования. Явление подтопления. / Заалишвили В.Б., Дзеранов Б.В. // Труды II Кавказской международной школы-семинара молодых ученых «Сейсмическая опасность и управление сейсмическим риском на Кавказе», Владикавказ, 20-22 сентября, 2007. - Владикавказ, 2007, С. 147-153 (статья).

7. Дзеранов Б.В. К вопросу создания локальной сети «Кармадонский параметрический полигон» / Заалишвили В.Б., Невская Н.И., ЗабирченкоДН Мельков Д.А., Дзеранов Б.В. // Труды I международной конференции «Опасные природные и техногенные геологические процессы на горных и предгорных территориях Северного Кавказа», Владикавказ, 20-22 сентября 2007, Владикавказ

2008, С. 359-366 (статья). '

8. Дзеранов Б.В. Влияние грунтовых условий на волновое поле микросхем / Заалишвили В.Б., Дзеранов Б.В, Мельков Д.А., Кануков A.C. // Труды IV международной научной конференции «Информационные технологии и системы. Наука и практика». Владикавказ, 30 июня - 3 июля 2009 г. 2009. С. 216220 (статья). '

9. Дзеранов Б.В. Современные геофизические методы при инженерно-геологических изысканиях на урбанизированной территории на примере площади застроики комплекса «Кавказский музыкальный культурный центр» / Заалишвили В.Б., Мельков Д.А., ЧотчаевХ.О., Дзеранов Б.В. // Труды III Кавказской международной школы-семинара молодых ученых «Сейсмическая опасность и управление сейсмическим риском на Кавказе», Владикавказ, 24-26 сентября

2009. - Владикавказ, 2009, С. 173-195 (статья).

10. Дзеранов Б.В. Инструментальный мониторинг опасных геологических

процессов на Северном Кавказе / Заалишвили В.Б., Невская Н.И., Дзеранов Б.В., Кануков A.C. // Труды III Кавказской международной школы-семинара молодых ученых «Сейсмическая опасность и управление сейсмическим риском на Кавказе», Владикавказ, 24-26 сентября, 2009. - Владикавказ, 2009, С. 317-323 (статья).

11. Дзеранов Б.В. Вероятностная карта сейсмической опасности, в том числе сейсмического микрорайонирования с учетом нелинейных свойств грунтов / Заалишвили В.Б., Дзеранов Б.В. // Труды Пагуошского симпозиума «Наука и высшая школа Чеченской Республики: перспективы развития межрегионального и международного научно-технического сотрудничества», 22-24 апреля 2010 г., г. Грозный, С. 277-279 (тезисы докладов).

12 Дзеранов Б.В. Оценка сейсмической опасности территории РСО-Алания /Дзеранов Б.В., Заалишвили В.Б. // Труды научно-практической конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки», Владикавказ, 2010,

С. 342-345 (статья).

13. Дзеранов Б.В. Оценка сейсмической опасности территории уроанизиро-ванной территории на основе современных методов сейсмического микрорайонирования (на примере г. Владикавказа) / Заалишвили В.Б., Мельков Д.А., Дзеранов Б.В., Кануков A.C. //Труды научно-практической конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки», Владикавказ, 2010, С. j48-j51 (статья).

14 Дзеранов Б.В. Особенности гидрогеологических условии площади расположения г. Владикавказа, влияющие на сейсмичность территории / Заалишвили В.Б., Дзеранов Б.В., Джгамадзе А.К. // Труды молодых ученых, ВНЦ РАН и РСО-А, №3,2010. Владикавказ, С. 140-144 (статья).

15. Дзеранов Б.В. Влияние геолого-тектонических и грунтовых условии на формирование интенсивности землетрясения / Дзеранов Б.В., Заалишвили В.Б. I/ Труды молодых ученых, ВНЦ РАН и РСО-А, №3, 2010. Владикавказ, С. ЬО-155 (статья).

16 Дзеранов Б.В. Оценка сейсмической опасности территории и построение вероятностных карт / Заалишвили В.Б., Дзеранов Б.В., Габараев А.Ф. // «Наука и образование в Чеченской республике: состояние и перспективы развития» (материалы всероссийской научно-практической конференции, посвященной 10-летию со дня основания КНИИ РАН), Грозный, 2011, С. 306-316 (статья).

17. Дзеранов Б.В. Исследование спектральных особенностей проявления землетрясений на территории г. Владикавказа с помощью микросейсм / Заалишвили В.Б., Мельков Д.А., Габараев А.Ф., ДзебоевБ.А., Дзеранов Б.В., Кануков A.C., Шепелев В.Д. // Труды II Международной научно-практическои конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки», Владикавказ,

2011, Часть 2. С. 61-65 (статья).

18 Дзеранов Б.В. Оценка сейсмической опасности территории и построение вероятностных карт / Заалишвили В.Б., Дзеранов Б.В., Габараев А.Ф. // Геология и Геофизика Юга России, №1, 2011, С. 48-58 (статья).

19 Дзеранов Б.В. Сейсмическое микрорайонирование территории г. Владикавказа / Заалишвили В.Б., Джгамадзе А.К., Мельков Д.А., Кануков A.C.,

Дзеранов Б.В., Чотчаев Х.О., Дзебоев Б.А., Габараев А.Ф. // IX Российская Национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию, сентябрь, Сочи, 2011. С. 62-63 (тезисы доклада).

20. Дзеранов Б.В. Мониторинг опасных природных и техногенных процессов на территории РСО-А / Заалишвили В.Б., Невская Н.И., МельковДА Дзеранов Б.В., Кануков А.С., Шепелев В.Д. // IX Российская Национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию сентябрь, Сочи, 2011. С. 48-50 (тезисы доклада).

21. Дзеранов Б.В. Сейсмическое микрорайонирование территории г. Владикавказа / Заалишвили В.Б., Мельков Д.А., Габеева И.Л., Дзебоев Б А Дзеранов Б.В., Кануков А.С., Шепелев В.Д. // IX Российская Национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию сентябрь, Сочи, 2011,16 с (статья).

22. Дзеранов Б.В. Построение вероятностных карт детального сейсмического районирования РСО-Алания / Заалишвили В.Б., Дзеранов Б.В., Габараев А Ф // Современные задачи геофизики и инженерной сейсмологии» (Сборник трудов конференции, посвященной 50-летию основания Института геофизики и инженерной сейсмологии им. акад А. Назарова НАН РА), Гюмри 2011 С 335-343 (статья). '

23. Дзеранов Б.В. Сейсмическое микрорайонирование урбанизированной территории комплексом методов на основе геоинформационных технологий / Заалишвили В.Б., Мельков Д.А., Джгамадзе А.К.. Габеева И.Л., Дзебоев Б А Дзеранов Б.В., Кануков А.С., Габараев А.Ф., Шепелев В.Д., Чотчаев X О // Всероссийская научно-техническая конференция «Современные проблемы геологии, геофизики и геоэкологии Северного Кавказа», Грозный, 21-22 октября 2011 г., С. 245-253 (статья).

24. Dzeranov B.V. Modern seismic hazard assessment methods (in example ter-ntoiy of Vladikavkaz-city) / Zaalishvili V.B., Melkov D.A., Dzeranov В V // «Proceedings of 14th European conference of earthquake engineering.» 30 August - 03 September, Ohrid, republic Macedonia, 2010, 8 pp. (статья)

Подписано в печать 17.04.2012 г. Заказ № 35. Формат 60х84'/16. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Отпечатано ИП Цопановой А.Ю. 362000, г. Владикавказ, пер. Павловский, 3 Тел. (8672) 49-31-77

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Дзеранов, Борис Виталиевич, Москва

61 12-4/112

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки ЦЕНТР ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ Владикавказского научного центра РАН и Правительства Республики Северная Осетия-Алания

На правах рукописи

Дзеранов Борис Виталиевич

ДЕТАЛЬНОЕ СЕЙСМИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ И ПОСТРОЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТНЫХ КАРТ СЕЙСМИЧЕСКОЙ

ОПАСНОСТИ

(на примере территории Республики Северная Осетия-Алания)

Специальность: 25.00.03 - геотектоника и геодинамика

(геолого-минералогические науки)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор В.Б. Заалишвили

Москва 2012

Оглавление

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.....................................................4

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ ТЕРРИТОРИИ........................................................................................................Ю

1.1. Сейсмогеологический метод.................................................................15

1.2. Сейсмотектонический метод......................... ........................................16

1.3. Сейсмоструктурный метод........................... .........................................16

1.4. Тектонофизический метод....................................................................18

1.5. Метод выделения квазиоднородных зон.............................................19

1.6. Метод сейсмоактивных узлов...............................................................23

1.7. Палеосейсмогеологический метод.......................................................25

1.8. Последовательность работ по установлению исходной сейсмичности.........................................................................................................26

1.8.1. Оценка тектонических условий региона...........................................27

1.8.2. Неотектоническое районирование....................................................28

1.8.3. Историко-тектоническое районирование.........................................28

1.8.4. Оценка современных тектонических движений..............................29

1.8.5. Оценка сейсмического режима региона...........................................29

1.8.6.Макросейсмические исследования.....................................................30

1.8.7. Выделение сейсмогенерирующих структур и зон ВОЗ..................30

1.8.8. Оценка сейсмических воздействий на объектах СМР....................32

Выводы...........................................................................................................35

ГЛАВА 2. ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ЗОН ВОЗ РЕСПУБЛИКИ СЕВЕРНАЯ

ОСЕТИЯ-АЛАНИЯ...............................................................................................36

2.1 .Внерегиональный метод.........................................................................40

2.2. Выделение зон ВОЗ для территории РСО-Алания с помощью внерегионального сейсмотектонического метода.............................................43

2.3. Идентификация и параметризация очаговых зон землетрясений.....47

2.4. Методы оценки сейсмической опасности...........................................52

2.5. Оценка сейсмической опасности..........................................................54

2

Выводы.........................................................................................................../

ГЛАВА 3. ОЦЕНКА СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ ТЕРРИТОРИИ

И ПОСТРОЕНИЕ ВЕРОЯТНОСТНЫХ КАРТ...................................................58

3.1. Определение параметров соотношения повторяемости....................60

3.2. Оценка эффекта землетрясения............................................................70

3.3. Определение сейсмической опасности................................................73

Выводы...........................................................................................................84

ГЛАВА 4. СОЗДАНИЕ ТИПИЧНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ НА ИССЛЕДУЕМОЙ ТЕРРИТОРИИ (г. ВЛАДИКАВКАЗ).....85

4.1. Стохастический метод моделирования сейсмических колебаний

грунтов....................................................................................................................

4.2. «Конечноразломная» модель. Программа ГШ81М............................95

4.3. Учет особенностей сильных движений при малых эпицентральных расстояниях для территории г. Владикавказа....................................................99

Выводы.........................................................................................................127

Литература...................................................................................................131

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблема адекватной оценки сейсмической опасности представляет важнейшую задачу инженерной сейсмологии. Актуальность проблемы стремительно растет с неуклонным развитием урбанизированных территорий. Настоящее обстоятельство нашло свое отражение в объявлении ООН последнего десятилетия XX столетия десятилетием смягчения природных опасностей на урбанизированных территориях. По данным ООН (Ьш^^шйшзк, 2002) сейсмические катастрофы составляют около 51% от общего числа природных катаклизмов и доминируют в ряду всех видов катастроф.

Известно, что на Кавказе наибольший риск связан с сейсмическими событиями. Достаточно вспомнить Дагестанское (Дагестан, 1970), Черногорское (Чечня, 1976), Спитакское (Армения, 1988), Рачинское (Грузия, 1991), Барисахское (1992), Бакинское (2000), Тбилисское (2002) и т.д.

При оценках сейсмической опасности часто допускаются ошибки в оценке уровня сейсмического потенциала территории, отличающегося от реальной интенсивности землетрясения (Спитак, 1988; Нотридж, 1994; Нефтегорск, 1995; Кобе, 1995; Измит, 1999; Тайвань, 1999 и т.д.). Это обуславливает большой практический и научный интерес к исследованиям связанным с совершенствованием и развитием методов оценок сейсмической опасности и риска во всем мире. Поэтому совершенствование методов оценки сейсмической опасности является одной из наиболее актуальных научных задач.

Значительная часть территории Российской Федерации (около 25%), на

которой расположены 27 субъектов РФ с населением около 20 млн. человек,

находится в сейсмоопасных зонах. Одновременно в зонах, не относящихся к

сейсмически опасным, заметный сейсмический риск может быть обусловлен

большой плотностью населения, особенностью застройки и высоким уровнем

развития экономики. Как известно, объекты горного производства и

гидроэнергетики, нередко, также расположены в горных районах,

4

характеризующихся повышенной сейсмической опасностью. Здесь же стремительно развиваются рекреационные объекты. Так, согласно поручению Президента РФ Д.А. Медведева о создании и развитии туристического кластера в Северо-Кавказском Федеральном Округе, республике Адыгея и Краснодарском крае, в этих регионах планируется строительство пяти горнолыжных курортов и соответствующих объектов инфраструктуры («Высота 5642»). Общий совокупный объем финансовых средств для создания курортов на территории выбранных пилотных площадок составляет 451,1 млрд. рублей. При этом надежная оценка уровней сейсмической опасности, точность выделения зон различной сейсмичности позволят снизить экономические риски, которые при активном развитии регионов могут быть колоссальными.

Предмет исследования. Пространственное распределение ожидаемой сейсмической опасности территории Республики Северная Осетия-Алания на уровне крупномасштабной задачи детального сейсмического районирования

(ДСР).

Цели и задачи исследования. Цель работы - разработка вероятностных карт сейсмической опасности территории на основе реализации современных подходов детального сейсмического районирования в виде анализа различных данных соответствующей территории (сейсмологических, геологических, геофизических и т.д.).

Указанные цели достигаются решением задач:

- на основе анализа сейсмической активности региона оценить сейсмическую опасность предгорных и высокогорных территорий Республики Северная Осетия-Алания с помощью современных технологий;

- идентификация зон возникновения очагов землетрясений (ВОЗ) и определение характеристик для каждого сейсмогенного источника;

- разработать методику расчета сейсмического эффекта в единицах макросейсмической интенсивности (в баллах) и для грунтовых ускорений (в долях § -ускорение силы тяжести);

- создать набор крупномасштабных вероятностных карт сейсмической опасности (уровень ДСР) для высокогорной х и предгорной территории Республики Северная Осетия-Алания;

- на основе учета особенностей сейсмогенных источников получить типовые воздействия для исследуемой территории.

Методы исследования: системный анализ, картографический, ГИС-технологии, ретроспективный анализ, моделирование, аналитические исследования, физическое, математическое и компьютерное моделирование, расчеты с использованием приемов математической статистики и современных компьютерных программ, анализ и обобщение литературных источников.

Научная новизна результатов исследований:

- впервые в России оценка сейсмической опасности исследуемой территории производилась независимо в единицах макросейсмической интенсивности и грунтовых ускорений. Создан набор карт ДСР для макросейсмической интенсивности и пикового грунтового ускорения (РОА) для повторяемости 50 лет и вероятностью превышения 1%, 2%, 5% и 10%.

- впервые для территории СНГ был использован подход, где синтезированные акселерограммы формировались на основе учета величины максимальной магнитуды, протяженности разлома, реального эпицентрального расстояния от опасного очага и представляли собой типичное воздействие для рассматриваемой территории.

- установлено, что согласно пятипроцентной карте ДСР вся территория г. Владикавказа характеризуется 8-балльной макросейсмической интенсивностью, а в единицах ускорений составляет: в южной части 0,10,25 g, в центральной части 0,15-0,2 в северной - ОД—0,15 При этом согласно двухпроцентной карте ДСР южная часть города находится в зоне с интенсивностью 9 баллов, а северная - 8 баллов, и в единицах ускорений: южная часть города - в зоне 0,3-0,35 центральная - 0,25-0,3 g, а северная -0,2-0,25

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Разработана методика вероятностной оценки сейсмической опасности уровня ДСР на основе учета зон возможных очагов землетрясений (ВОЗ), характеризующих макросейсмические, геологические, геодинамические, тектонические, геофизические, сейсмические особенности территории.

2. Произведена оценка сейсмической опасности территории Республики Северная Осетия-Алания в единицах макросейсмической интенсивности (в баллах) и единицах ускорений (в долях g), реализованная в виде вероятностных карт ДСР в ГИС-технологиях масштаба М 1:200 ООО, являющихся непосредственной основой для создания карт сейсмического микрорайонирования (СМР).

3. Установлено, что для создания вероятностных карт СМР территории г. Владикавказа для массового, т.е. основного строительства, целесообразно,

в качестве основы использовать пятипроцентную вероятностную карту ДСР

/

и для ответственных сооружений - двухпроцентную вероятностную карту ДСР.

4. С учетом современных представлений рассчитано типичное для рассматриваемой территории воздействие, наличие которого позволяет формировать карты сейсмической опасности территории (уровень СМР) не только на основе уровня опасности соответствующей карты ДСР, но и на основе типичного для данного источника (сейсмогенный разлом) сейсмического воздействия, отнесенных к участкам со средними грунтовыми условиями.

Достоверность научных положений, выводов и результатов обеспечивается представительностью и надежностью исходных данных, сопоставимостью результатов исследований с данными практики, применением системного анализа, математических методов обработки данных и методов моделирования с использованием современных апробированных компьютерных программ.

Практическое и научно-теоретическое значение результатов

исследования заключается в установлении закономерностей формирования сейсмических волновых полей и повышении детальности и точности методов оценки сейсмической опасности (уровня ДСР) на территории Республики Северная Осетия-Алания, являющихся, фактически, основой долгосрочного прогноза возможных землетрясений, где основную роль играет место и уровень опасности. Созданный комплект вероятностных карт детального сейсмического районирования (ДСР) наряду с рассчитанным типичным воздействием для данной территории являются основой для активного развития и адекватного обеспечения градостроительной деятельности в виде сейсмостойкого проектирования и практического строительства на территориях городов и населенных пунктов Республики Северная Осетия-Алания для объектов категорий разной степени ответственности и сроков эксплуатации.

Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и одобрены на II, III и IV Кавказской международной школе-семинаре молодых ученых «Сейсмическая опасность. Управление сейсмическим риском на Кавказе» (Владикавказ, 2007, 2009, 2011), на II и III Международной конференции «Опасные природные и техногенные геологические процессы на горных и предгорных территориях Северного Кавказа» (Владикавказ, 2007, 2010), на второй международной конференции «Моделирование устойчивого регионального развития» (Нальчик, 2007), на региональной междисциплинарной конференции молодых ученых «Наука-Обществу» ВИД РАН и РСО-А (Владикавказ, 2010), на Пагуошском симпозиуме «Наука и высшая школа Чеченской Республики: перспективы развития межрегионального и международного научно-технического сотрудничества» (Грозный, 2010), на II Международной научно-практической конференции «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Владикавказ, 2011), на IX Всероссийской Национальной конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому

8

районированию (Сочи, 2011), на конференции, посвященной 50-летию основания Института геофизики и инженерной сейсмологии им. акад. А. Назарова БАН РА «Современные задачи геофизики и инженерной сейсмологии» (Гюмри, 2011), на Всероссийской научно-практической конференции, посвященной 10-летию со дня основания КНИИ РАН «Наука и образование в Чеченской республике: состояние и перспективы развития» (Грозный, 2011), на Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы геологии, геофизики и геоэкологии Северного Кавказа» (Грозный, 2011), а также на семинарах и заседаниях Ученого совета ФГБУН Центра геофизических исследований ВНЦ РАН и РСО-А (2008-2012).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 24 научных трудах.

Личный вклад автора. Вся обработка данных, расчеты параметров сейсмического поля произведены лично автором при его активном участии или под его непосредственным руководством на основе освоения им ряда современных компьютерных программ. Результаты исследования интерпретировались автором в тесном сотрудничестве с его научным руководителем.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 204 наименований. Работа изложена на 153 с. машинописного текста, включает 46 рис. и 9 табл.

Благодарности. Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю д.ф.-м.н., профессору В.Б. Заалишвили за всестороннюю помощь и поддержку.

ГЛАВА 1. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ

ТЕРРИТОРИИ

Можно выделить три вида исследований, которые рассматриваются в качестве последовательных стадий сейсмическом районирования: 1) общее -ОСР или CP, реализуемое в масштабах М 1:5 000 000 или 1:2 500 000 2) детальное - ДСР, которое первоначально производилось для наиболее изученных регионов перспективного строительства (БАМ, Ферганская долина, Северная Киргизия и др.) в масштабах преимущественно М 1:1 000 000, 1:500 000 и очень редко в масштабе 1: 200 000 [Ибрагимов, 1970, 1978; Опыт..., 1975; Сейсмотектоника..., 1968, 1980; Геологические..., 1978; Детальное..., 1980, 1984; Сейсмогеология, 1981 и др.] 3) сейсмическое микрорайонирование - СМР, проводящееся в масштабах М 1:25 000 и крупнее, и входящее в систему инженерных изысканий.

Общее сейсмическое районирование регулярно пересматривается [Землетрясения..., 1961; Сейсмическое..., 1968, 1980; Уломов, 1995] и соответствующая карта, обычно входит в качестве нормативной в строительные нормы и правила (СНиП II-7-81*) по строительству в сейсмических районах. При составлении этих карт в соответствии с их масштабом и назначением рассматриваются лишь крупные геолого-геофизические зоны, определяющие сейсмичность. В соответствии со СНиП II-7-81* сейсмичность той или иной территории может быть оценена по карте общего сейсмического районирования России (ОСР-78 или ОСР-97).

Оценка сейсмической опасности той или иной территории обычно анализируется детерминистскими и вероятностными методами. Вероятностный анализ сейсмической опасности (ВАСО) сочетает в себе альтернативные модели сейсмических очагов, периоды повторяемости землетрясений, зависимости затухания сейсмического эффекта с расстоянием, а также целый ряд неопределенностей, обусловленных как

нечетким знанием тех или иных параметров, так и случайным характером возникновения самих сейсмических событий. В отличие от ВАСО, при детерминистском анализе сейсмической опасности (ДАСО), неопределенности обычно не рассматриваются, а лишь рассчитывается экстремальный сейсмический эффект на конкретной площадке от самых близких к ней очагов землетрясений фиксированных магнитуд. Расчеты ведутся на основе теории распространения сейсмических волн с учетом их затухания с удалением от сейсмического источника и влияния местных грунтов,