Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Интенсивность и сейсмическое воздействие землетрясений в условиях структурной неоднородности среды

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Интенсивность и сейсмическое воздействие землетрясений в условиях структурной неоднородности среды"

РГЗ од

На правах рукописи ИВАНОВ Федор Илларионович

Интенсивность и сейсмическое воздействие землетрясений в условиях структурной неоднородности среды

Специальность 04.00.22 - Физика твердой Земли

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва -1998

Работа выполнена в Иркутском государственном университете. Научный консультант:

Доктор геолого-минералогических наук

Потапов В.Л.

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН Николаев A.B.

Доктор физико-математических наук

Сгшвак A.A.

Доктор геолого-минералогических наук

Щукин Ю.К.

Ведущая организация: Институт земной коры СО РАН

Защита диссертации состоится "/2? мая 1998 г. в часов

на заседании диссертациошюго совета Д 200.39.01 при Институте динамики геосфер Российской Академии Наук (ИДГ РАН) по адресу: 117334 Москва, Ленинский проспект, 38, корпус 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИДГ РАН.

Автореферат разослан апреля 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат физ.-мат.наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Представленная работа направлена на разработку новых подходов к прогнозу сейсмического воздействия землетрясений Монголо-Байкальского сейсмического пояса. Задачи диссертации определены актуальной проблемой обеспечения сейсмической безопасности.

Для эффективного проведения антисейсмических мероприятий необходимо решение ряда фундаментальных и прикладных задач, определяемых общей сейсмичностью региона. Современный этап развития методов распознавания мест возможных землетрясений позволяет локализовать потенциальные сейсмоопасные зоны с точностью до нескольких размеров очага землетрясения. Эти фундаментальные результаты существенно повышают точность прогноза интенсивности максимально возможного землетрясения и создают основу для перехода от макропараметров сейсмической опасности к более детальным характеристикам в терминах сейсмических воздействий.

Прогноз сейсмического воздействия землетрясений в выполненной работе основан на едином методическом подходе к изучению условий возбуждения и распространения сейсмических колебаний в регионе. Достоверность прогноза определяется надежностью описания волнового поля землетрясения в структурно-неоднородной среде. Блоковое строение земной коры Байкальской рифтовой зоны, с одной стороны, характеризует сейсмический режим региона, с другой- определяет неоднородные условия деформирования на протяжении всей трассы сейсмических волн от очага землетрясения до поверхности. Контролирующим фактором в обоих случаях являются деформационные характеристики зон ослабления. Неоднородность верхней части разреза земной коры, слоистость, физико-химические свойства скелета горных пород и заполнителя так же существенно влияют на формирование волнового поля землетрясения.

Проблема сейсмической безопасности не может быть решена без исследования устойчивости грунтов и возводимых сооружений при сильных динамических воздействиях. Накопленные экспериментальные данные о воздействии землетрясений и взрывов показали существенную ограниченность уравнений теории упругости в реальной среде . Наиболее важным в современных представлениях является то, что нелинейные законы деформирования характерны не только для процессов, имеющих

место в очаговых зонах землетрясений (взрывов), но отчетливо локализуются и в дальней зоне, традиционно считавшейся линейной.

Решение этих задач возможно только на основе экспериментального изучения деформационных характеристик горных пород, характерных для исследуемого региона

Цель исследований: Разработка метода прогноза сейсмического воздействия на основе решения динамических задач очаговой и структурной сейсмологии (в рамках проблем сейсмического районирования разного уровня) применительно к структурно-неоднородной геологической среде с учетом физической нелинейности сейсмических волн и колебаний сооружений.

Основные задачи исследований:

1.Проведение экспериментов по изучению деформационных свойств фунтов, динамических характеристик и пространственной структуры волнового поля близких землетрясений в Монголо-Байкальском сейсмическом поясе.

2.Развитие методов анализа параметров сейсмического процесса для Байкальской рифтовой зоны.

3. Разработка динамической модели формирования сейсмических колебаний при землетрясении с целью разделения плейстосейстовой области и зоны транзитных землетрясений.

4.Развитие инструментальных методик определения спектральных характеристик слоя рыхлых отложений в условиях структурно-неоднородной среды.

5. Разработка рекомендаций по количественному прогнозу сейсмического воздействия в плейстосейстовых зонах и зонах влияния транзитных землетрясений.

Методы исследований ориентировались на создание целостностного представления (в рамках разрабатываемой проблемы и сделанных допущений) об основных характеристиках волнового поля землетрясения, в условиях нелинейного и обменного взаимодействия, и включали: наблюдения за близкими землетрясениями, экспериментальные исследования деформационных свойств фунтов различного состояния, физическое и математическое моделирование нелинейного деформирования, обобщение литературных данных.

Основные результаты и научные положения работы, выносимые на защиту.

1. Развитие методов анализа сейсмического режима в Монголо-Байкальском сейсмическом поясе на основе разработанной феноменологической модели стационарного сейсмического процесса и установленного для землетрясений параметра энергетического подобия.

2.Критерии и параметры пространственных вариаций интенсивности землетрясений,определяемые структурной неоднородностью земной коры и деформационными характеристиками грунтов верхней части разреза, включая условия локализации областей нелинейного деформирования горных пород.

3.Метод прогноза сейсмического воздействия землетрясений на основе количественных характеристик интенсивности сейсмических волн и физической нелинейности колебаний систем грунт-сооружение.

Научная новизна.

1. Предложено феноменологическое описание стационарного сейсмического процесса в структурно-неоднородной среде, согласовагагое с принципами статистического самоподобия, определены основные параметры модели: сейсмическая энергия, энергия очагов землетрясений и их временное распределение в интервале магшггуд 1,7 - 7,8. В качестве параметра подобия определена плотность сейсмической энергии очагов землетрясений. Для Байкальской рифтовой зоны выявлены дополнительные эффекты в распределении релаксационных землетрясений.

2.0пределены условия неупругого деформирования горных пород в зависимости от коэффициента Пуассона в диапазоне массовых скоростей 0.05-3.20 м/с. Выполнено разделение плейстосейстовой области и зоны транзитных землетрясений по величине массовой скорости 0.8 м/с. Определены размеры плейстосейстовой области в зависимости от мапшгуды землетрясения.

З.В зоне транзитных землетрясений с эпициггральными расстояниями до 150 км оценены критерии локального неупругого деформирования горных пород. Определен уровень пространственных флуктуации интенсивности землетрясений в условиях структурной неоднородности среды, установлены спектральные зависимости радиуса корреляции и относительного уровня флукгуаиий, оценены параметры рассеяния и поглощения энергии в Монголо-Байкальском сейсмическом поясе. Определены сравнительные характеристики влияния поверхностных и структурных неоднородностей на интенсивность транзитных

землетрясений. Предложена методика определения спектральной избирательности слоя рыхлых отложений на основе групповых схем наблюдения.

4.Предложен метод прогноза сейсмических воздействий с учетом характера напряженно-деформированного состояния и динамической устойчивости системы грунт-сооружение.

Достоверность основных результатов подтверждается:

-комплексными исследованиями в натурных условиях, результаты получены в различных районах Монголо-Байкальского сейсмического пояса различными методами;

-сопоставлением с макросейсмическими параметрами землетрясений;

-сравнением полученных результатов с данными аналогичных исследований в России и данными, полученными при крупномасштабных взрывах.

Практическая значимость. Предложен подход к прогнозу сейсмического воздействия землетрясений и рекомендации по количественному прогнозу сейсмической опасности в плейстосейстовых зонах и зонах влияния транзитных землетрясений, которые применены при выполнении программ "Сейсмическая безопасность Иркутской области" и "Сейсмобезопасность Бурятии". Карта сейсмического микрорайонирования аймачных центров Монголии, выполненные с привлечением результатов настоящей работы, приняты в качестве нормативных. Результаты исследований использованы при оценке сейсмической опасности территорий строительства Северомуйского и Кодарского тоннелей трассы БАМ.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы обсуждались на международных , всесоюзных и региональных конференциях в Афинах(1994), Иркутске(1980Д982,1994,1997), Москве(1985), Праге(1992), Ташкенте(1983Д990), Улан-Баторе(1984), Чкге(1981), Якутске (1985), научно-координациошгых совещаниях в Москве (1982), Иркутске (1980, 1983), Ленинакане (1985), семинарах МГУ(1983), Института земной коры (1983, 1998), ИГУ (1991-1998).

Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 38 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 280 страницах и состоит из введения, шести глав , заключения и списка литературы, содержащего 196 наименований.

Автор выражает искреннюю признательность директору Института земной коры (ИЗК СО РАН) академику Н.А.Логачеву, научному консультанту темы зав. лабораторией инженерной сейсмологии ИЗК СО РАН Д.Г.-М.Н. В.А.Потапову и сотрудникам этой лаборатории д.г.-м.н. О.В.Павлову, Д.Г.-М.Н. В.И.Джурику, к.г.-м.н. А.Ф.Дреннову за представленные возможности и плодотворное сотрудничество.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дастся краткий обзор результатов исследований нелинейных эффектов в горных породах при землетрясениях [С.В.Медведев., О.Нископ, Н.Беес!, М.Каппуата, Я.АгсЬи1еГа, Б-Би^И, К.У/еп и др. ] ив сейсмике взрывов[М.А.Садовский,П.С.Миронов, В.Н.Мосинец, В.В.Адушкин,А.А.Спивак], а так же теоретических и экспериментальных данных по рассеянию сейсмических волн неоднородностями земной коры [работы А.В.Николаева, Ю.Ф.Копничева, К.Лк!, У.Ыакатига и др.] и исследований сейсмических свойств грунтов [Ю.И Баулин., В.И. Джурик, Н.И. Кригер, И.Г. Миндель, О.В Павлов., Е.В. Попова и др.]. Выполнен обзор работ, оказавших существенное влияние на методологию прогноза сейсмической опасности землетрясений ( работы Ф.Ф.Аптикаева, С.В.Медведева, В.А.Потапова, Н.В.Шебалина, В.В.Штейнберга и др.).Изложены основные направления, актуальность изучаемой проблемы, цели, задачи и методы исследования, сформулированы основные научные положения работы, выносимые на защиту.

Глава 1. Критерии и параметры нелинейного деформирования горных пород

В Байкальской рифтовой зоне представлен широкий спектр магматических, метаморфических и осадочных горных пород. Обобщенные результаты исследования функциональных связей деформационных характеристик пород различного генезиса и минерального состава свидетельствуют о том, что скорости продольных волн определяются преимущественно общей пористостью горных пород и монотонно уменьшаются с ростом степени разрушенности породы. Коэффициент Пуассона при экспериментальном изучении горных пород крайне неустойчив и существенно варьирует при малых изменениях

g

физического состояния породы (пористости, влажности, внешнего давления и др.). Однако, для фиксированного значения общей пористости горной породы устанавливается закономерность: коэффициент Пуассона изменяется дискретно при переходе грунта из сухого (I) в водонасыщенное (II) или мерзлое (III) состояния (таблица 1).

Эта закономерность позволяет рассматривать величину коэффициента Пуассона как независимый параметр. Исследования в нелинейной области показали, что такой подход позволяет достаточно надежно дифференцировать необратимые деформации в горных породах в зависимости от свойств заполнителя.

Изучение пределов разрушения горных пород показали, что прочностные характеристики монолитных и слаботрещиноватых пород различного состояния неразличимы. Увеличение общей пористости приводит к относительному уменьшению прочности водонасыщенных скальных пород. Мерзлые породы занимают промежуточное положение.

Таблица 1

Обобщенные деформационные характеристики скальных пород Прибайкалья

Скальные породы Диапазон скоростей продольных ВОЛНА, км/с Средняя скорость продольных волн а,км/с Коэффициент Пуассона

Монолитные и слаботрещиноватые 2,5-5,5 4,0 0,25 -I 0,27 -П 0,23 -III

Трещиноватые 1,9-4,5 3,0 0,30 -I 0,34 -II 0,27 -1П

Сильнотрещиноватые 0,9-1,9 1,4 0,36 -I 0,45 -II 0,30 -Ш

Разрушенные 0,27-0,9 0,65 0,39 -I 0,48 -П 0,30 -Ш

Исследования нелинейного деформирования грунтов (до достижения пределов разрушения) выполнены на основе измерения скорости колебаний на границе перехода из линейной в область неупругих деформаций (массовой скорости 1!пред), как функции коэффициента Пуассона и скорости продольных волн. Для изучения массовых скоростей ипрвд различных типов грунтов проведена серия экспериментов с использованием механических импульсных источников. Суть данной методики состоит в возбуждении и регистрации неупругих колебаний в пределах однородного фунта с известными линейными деформационными параметрами. В эксперимешич применялась трехкомпонентная регистрация сейсмических волн по профилям от источников колебаний. Внешняя фаница очаговых зон (излучателей упругой энергии) и скорости колебаний определялись по участкам записей (велосифамм), когда амплитудный уровень стабилизировался в достаточно широком диапазоне расстояний. Результаты экспериментов обобщены в таблице 2.

Таблица 2

Значения массовых скоростей при переходе в стадию неупругих

деформаций для различных типов грунтов

Тип фунта Скорость продольных волн а, м/с Скорость поперечных волн Ъ, м/с а/Ь и, м/с

скальный монолитный и слаботрешиноватый 4000 2300 1,75 3,20

скальный раздробленный 1000 5S0 1,75 0,80

песок сухой 340 170 2 0,70

глина сухая 400 170 2,36 0,75

крупнообломочный обводненный 1800 320 5,7 0,40

песок обводненный 1600 160 10 0,1

суглинисто-супесчаный обводненный 1600 170 9,5 0,1

глина обводненная 1700 130 13 0,05

Из таблицы видно, что предел упругости по массовой скорости 1}пред монолитных и раздробленных скальных пород составляет 0.8-3.2 м'с. Для сухих грунтов получена достаточно устойчивая величина: массовая скорость при переходе в стадию неупругих деформаций составляет 0.7-0.8 м/с. Обводнение резко снижает массовую скорость 11пред до величины 0.05-0.1 м/с. Следует отметить, что весь диапазон 0.05-3.2м/с с хорошей точностью соответствует данным для взрывных воздействий [Адушкин, Спивак, 1993], дифференцируя фунты по степени раздробленности и свойствам заполнителя пустот.

При уменьшении размера "отдельностей" (песок, супесь, суглинок) свойства заполнителя могут меняться (например,глинисто-солевое цементирование) или в пределе (лессы и глины) - переход воды из свободной в связанную и формирование кристаллохимических связей между "отдельностями". Соответственно меняются и параметры пластичности деформируемой среды.

При переходе к другому масштабу -блоковое строение земной коры, разрушенные скальные породы сами выполняют роль заполнителя зон разрывных нарушений. Причем, как показывают исследования, перенос результатов изучения коры выветривания на дизъюнктивы (в связи с глубиной проникновения процессов выветривания и сравнимостью соотношения размеров) вполне обоснован.

Сопоставление с количественными характеристиками землетрясений различной интенсивности позволяет определигь в качестве параметра, определяющего границу очаговой зоны землетрясения, массовую скорость ипред для трещиноватых скальных пород, равную 0.7-0.8 м/с.

Для прогноза сейсмических воздействий важно исследование параметров затухания энергии волн в нелинейной области деформирования. Теоретический анализ показал, что возможно адекватное описание колебаний в слое в предельных случаях. В случае малого относительного акустического импеданса на грашще можно пренебречь его значением и рассчитывать систему с вязким затуханием. В другом предельном случае среду правомерно рассматривать идеально упругой.

В случае малого акустического импеданса на границе исследуемого слоя для коэффициента затухания упругопластических волн справедливо соотношение (где р- плотность грунта):

Л =со1Ш ри 2

В экспериментах для логарифмического декремента затухания О в области неупругих деформаций (при массовых скоростях 0.7-2.0 м/с) получена зависимость в виде: 20 = С + 2Ви и, где 2)в - значение декремента при массовой скорости Ипред ~0,7 м/с. Коэффициент корреляции имеет значение 0,7; декремент затухания Д» = 0,11, коэффициент С=0,06^,05, т.е. пренебрежимо мал в сравнении со значением 2£)<».

Сейсмические воздействия (расчетные нагрузки), заданные в виде скоростей или ускорений, и макросейсмическая интенсивность землетрясения адекватны только в линейной области деформирования грунтов: при значениях массовой скорости, меньшей 1/пред, макропоследствня землетрясений зависят лишь от коэффициентов динамичности и прочности материалов сооружений. При значениях колебательных скоростей, превосходящих Ипред, макроскопические последствия землетрясе»шй зависят от длительности нагрузок и будут определяться как прочностью оснований так и прочностью возведенных на них сооружений.

Глава 2. Энергетические характеристики очагов землетрясений

Основу общепризнанной в настоящее время динамической теории очагов землетрясений составляет моделирование пространствешю-времешюго распределения напряжений и деформаций, наиболее полно соответствующих условиям возбуждения и параметрам сейсмических волн в ближней зоне. Мы в наших исследованиях разрабатываем подход на основе определения интегральных параметров, которые характеризовали бы спектр излучения на границе очаговой зоны землетрясения и последующие его изменения при прохождении сейсмических волн в земной коре.

Понятие "очаговая зона" землетрясения, в соответствии с общим определением, включает в себя собственно очаг, т.е. зону полностью необратимых деформаций (разрушения) и зону упругогоистических деформаций. В этом случае размер сейсмического источника определяется областью, превышающей зону разрушения. Внешняя поверхность "очаговой зоны" является излучателем упругой энергии.

При общем описании сейсмического режима в регионе, основным элементом (наряду с координатами и сейсмической энергией землетрясения) является функция повторяемости землетрясений №=Г(К), где 14- количество землетрясений энергетического класса К,

зарегистрированных за определенный период. Сейсмический процесс, как следствие деформации структурно-неоднородной среды под действием тектонических сил, имеет пространственную структуру, сопряженную с характеристиками среды. Блочное строение определяет дискретность размеров очагов землетрясений. Соответственно, дискретными являются и энергетические характеристики землетрясений, в том числе и сейсмическая энергия.

Рассмотрим на этой основе возможности применения к моделированию сейсмического процесса принципа максимальной энтропии. Краткая формулировка этого принципа заключается в следующем: "Если мы делаем выводы на основе неполной информации, то должны опираться на такое распределение вероятности, которое имеет максимальную энтропию, допускаемую нашей априорной информацией"[Джейнс, 1982]

Нами получено решение дискретной вариационной задачи в отсутствии внешних полей в виде:

Ве 112

№ = (2-1) ехр\е / л) - 1

где Я - параметр Лагранжа, ¿"-энергия землетрясения.

Для случая £<л, т.е. низкоэнергетических землетрясений и мнкромасштабных сейсмических явлений (оставляя только члены первого порядка малости, логарифмируя и учитывая, что s=l(f, a n-dN/dc) получаем типичный график повторяемости землетрясений:

Ign-a- -К 6 2

Для сильных землетрясешш, соотношение (2.1) принимает вид: lgn= с —as

Сопоставление: шгзкоэнергетической ветви графика повторяемости с данными наблюдений показывает их полное соответствие "закону повторяемости землетрясений", для высокоэнергетических событий ввиду недостаточности данных можно отметить только непротиворечивость аналитического выражения реальным разрушительным землетрясениям (по палеосейсмологическим данным Прибайкалья).

Этот же результат получен нами из условий равновесия трещины (соответственно, зоны ослабления при макромасштабе) в деформируемой среде.

Внутренняя энергия деформируемого тела в присутствии неравновесной трещины, может быть представлена выражением:

1]=Р?Г2-4г2/

где р- параметр жесткости тела, г -поверхностное натяжение, у -относительная деформация.

Отсюда видаю, что к энергии гармонического осциллятора р / /2 добавляется член уравнения, определяющий взаимодействие основных мод собственных колебаний в присутствии неравновесной трещины, что приводит к зависимости в форме (2.1).

Естественно, что энергетически описанный тип возбуждений связан только с изменением поверхностной энергия и составляет по различным данным 0,02-3% от работы пластической деформации. Однако, важно, что данный механизм связан с нелинейными эффектами в среде, а именно - с образованием и распространением трещины (разлома, на макроуровне), и, соответственно, определяется разрушающими напряжениями.

Для исследований сейсмического процесса необходимы данные о величине полной сейсмической энергии, излучаемой очагами. Расчеты показали, что логарифм полной сейсмической энергии очагов и магнитуда землетрясения являются величинами, смещенными на постоянное значение (-9,3 единицы) друг относительно друга независимо от размеров источников. В то же время, логарифм полной сейсмической энергии (К1Г=1яЩ линейно связан с логарифмом сейсмического момента землетрясения Мп. Тангенс угла наклона (а) прямой {Кд-^М0) с увеличением сейсмического момента -землетрясений (%М0) составляет по модулю -1/3 . Это согласуется с результатами, полученными в сейсмике взрывов. Действительно, экспериментально и теоретически показано, что где Q - энергия взрыва. Соответственно, для землетрясений "принцип энергетического подобия" принимает форму:

Кв~2/31дМ0.

Прямая регистрация дискретных событий в виде землеггрясешш позволяет выполнить расчет энтропии сейсмического процесса. Непосредственные оценки энтропии (по представительной для Байкальской сети региональных сейсмических станций выборке

землетрясений Байкальской рифтовой зоны) показали ее значимое (для уровня 99,5%) уменьшение в направлении с юго-западного к северовосточному флангу Байкальского рифта, что согласуется с направлением его активизации.

В соответствии с этими данными для землетрясений Байкальской рифтовой зоны на основе представительных выборок за 20-летний и 200-летний периоды рассмотрены дополнительные эффекты в распределении землетрясений, связанные с обменом энергией между неравновесными подсистемами. Установлено, что поток релаксационных землетрясений ограничен снизу стационарным сейсмическим процессом в виде (2.1).

Постоянство граничной массовой скорости IIпред приводит к определению, что плотность потока сейсмической энергии (интенсивность землетрясения) на границе очаговой зоны (в соответствии с ее определением) не зависит от его полной энергии, а сейсмическая энергия землетрясения Е определяется только размерами очага И».

В терминах интенсивности землетрясения это идентично равенству

1^10 + 3,331§^/{Яг + Я„), (2.2)

где: Яг -гипоцентральное расстояние, 10 -интенсивность землетрясения при массовой скорости 11пред =70-80 см/с.

Если магнигуду в уравнении макросейсмического поля Н.В.Шебалина. выразить через размеры источника, получим соотношение:

1-9,8 + 3,5¡£Н0 / #г (2.3)

Пренебрегая различиями коэффициентов при логарифмах отношения расстояния в формулах 2.2 и 2.3, следует констатировать полную сопоставимость определенных в работе параметров и макросейсмических данных.

Оценка размера зоны неупругого деформирования дает величину 1,г(0,2Л,3) И,,, где йггразмер очага, приведенной к сферической форме по Ю.В.Ризниченко. Эта величина определяет увеличение эффективного радиуса излучателя Я0 в упругой среде и, соответственно, преобладающие длины волн землетрясения, как источника упругих сейсмических волн.

Исследование сейсмических колебаний в окрестности эффективного радиуса где среда характеризуется пластично-упругими свойствами (переход от зоны разрушения к упругим колебаниям) проведено с

применением метода конечных разностей для билинейной модели деформирования. Задача решалась методом римановых инвариантов £/;,

и2.

В нашем случае эти инварианты связаны уравнением:

зи]

зГ 0 5х

зи2 с 5и'

9 Зх

Римановы инварианты перемещаются вдоль характеристик без искажения влево и вправо со скоростью С».

Начальные данные задаются в виде

и,Ш)=<1>,(х}, и2(х,0)^/>:(х) Граничные условия представлены в виде

I!¡((),1)~<р,(1) при х=0,

при х=1

Модель использовалась главным образом для расчета колебаний слоя рыхлых отложений в неупругой стадии в зависимости от параметров слоя и формы сейсмического воздействия. При расчетах использовались гармонический и импульсный сигналы, а так же реальные сейсмограммы землетрясений. Численные эксперименты подтвердили квадратичную зависимость коэффициента затухания от амплитуды входного сигнала.

Глава 3. Исследование рассеяния сейсмических волн близких землетрясений на структурных неоднородностях среды

Для оценки интенсивности землетрясения в ближней зоне необходим прогноз амплитуд сейсмических волн до расстояний 50+100 км, т.е. распространяющихся в пределах коры. Интенсивность сейсмических волн при К> До понижается с расстоянием за счет ряда факторов. Геометрическое расхождение волнового фронта и неидеальная упругость определяют монотонное изменение интенсивности волн. Насыщенность земной коры разномасштабными неоднородностями, слоистость, обусловливают пространственное переформирование волнового поля.

В настоящей главе рассматриваются результаты, полученные при изучении рассеяния линейных сейсмических волн методами:

а) спектрально-корреляционного анализа совокупности записей землетрясений при пространственном разнесении датчиков (групповые схемы наблюдения);

б) анализа кода-волн близких землетрясений в локальных (единичных) пунктах наблюдений.

Групповые схемы наблюдения были реализованы на двух полигонах, характеризовавшихся различным состоянием горных пород. Всего на групповых схемах зарегистрировано более 100 близких землетрясешш.

Наблюдения в Байкальской рифтовой зоне проводились в условиях вечной мерзлоты с глубиной промерзания до 300 метров, что обеспечило исключение влияния неоднородности приповерхностного массива в результате трещиноватости и выделение эффектов рассеяния в максимально чистом виде.

Условия площадки наблюдений в Монголии характеризовались значительными пространственными вариациями трещиноватости и заполнителя пород. Здесь нами решалась задача определения совместного влияния глубинных и поверхностных неоднородностей на вариации интенсивности землетрясешш.

При анализе экспериментальных данных применялось приближение однократного рассеяния. Получены следующие зависимости для радиуса корреляции (Гц) коэффициента рассеяния (а) и рассеянной компоненты:

где Я, / - длина волны и частота, соответственно, С? - рассеянная компонента волны с амплитудой $. Пропорциональность радиуса корреляции длине волны колебаний свидетельствует об основной роли мелкомасштабных неоднородностей в формировании волнового поля землетрясения. Зависимость уровня рассеянной компоненты волнового поля от частоты значительно слабей, чем теоретическая, что можег объясняться ограничением эффектов рассеяния поглощением энергии землетрясения на высоких частотах.

Анализ кода-волн землетрясений Байкальской рифтовой зоны проводился на основе диффузионного приближения в форме:

г^Я/2, а=А/л', С/5'=й,/5//2,

Е =

С

где Ок - эквивалентное значение добротности. В анализе использованы записи афтершоков сильного Тункинского землетрясения 1995 года и слабые землетрясения южного Байкала.

Найденные из экспериментальных данных значения добротности, определяемой сечением рассеяния, составляют: 5 Гц - 220±50; 3 Гц -500±120\ б Гц -1000+150.

Для добротности земной коры, определяемой собственно поглощением, получены оценки 0=120-150.

Расчет коэффициента мутности среды в Байкальском регионе и сравнение его с данными, полученными в других сейсмоактивных районах, показал их удовлетворительную сходимость.

Основываясь на результатах исследований можно оценить преобладающие периоды колебаний Г, неоднозначность оценок амплитудного уровня ЗЛ/А и интенсивности землетрясений 51 вследствие рассеяния (табл. 3).

Таблица 3

Расчетные преобладающие периоды сильных землетрясений в зависимости от размеров очага, магнитуды землетрясения и уровень флуктуаций сейсмических колебаний.

Но.,, КМ М Г, сек ШЛ 61

0,18 2 2 0,32 0.266 0,890

0,31 2,8 0,46 0,222 0,740

0,54 3,3 0,66 0,185 0,615

0,92 3,9 0,95 0,156 0,555

1,6 4,4 1,37 0,128 0,426

2,7 5,0 1,92 0,108 0,358

4,6 5,6 2,74 0,09 0,300

7,9 6,1 3,94 0,076 0,253

14 6,7 5,84 0,063 0,210

23 7,2 8,14 0,053 ОД 76

Все оцененные здесь параметры относятся к скальным породам и соотносятся с исходной сейсмической опасностью. Отметим, что объективная неоднозначность оценок интенсивности за счет рассеяния на неоднородносгях не позволяет уверенно интерпретировать единичные или точечные результаты наблюдений (в том числе и по макросейсмическим данным). Только статистическая оценка совокупности данных позволяет выявить возможное различие реальной сейсмической опасности разных категорий грунтов.

Как будет показано в следующих двух главах, общность решения дифракционных задач при случайных (рассмотренных в настоящей главе) и при регулярных неоднородносгях определяется тем, что амплитудный уровень интерференционных волн ограничен сверху за счет поглощения.

Глава 4. Относительная интенсивность объемных волн в слоях

При заданных колебаниях полупространства амплитудный уровень и спектральный состав колебаний поверхности слоя рыхлых отложений определяется ограниченным набором параметров, характеризующих' слой как динамическую систему. К ним относятся жесткости и добротности слоев, слагающих рыхлую толщу, и их мощности. Для многих практических сейсмологических задач и прежде всего для целей инженерной сейсмологии важно знать интегральную величину усиления амплитуды сигнала, содержащего достаточно широкополосный спектр.

Сейсмограмма на поверхности слоя представима в виде

где Б(а>) - спектр колебаний скального основания, и(оз) - комплексная частотная характеристика слоя грунта

Теоретические и экспериментальные исследования показали, что для широкополосного ограниченного во времени воздействия, интегральное усиление (логарифмическая форма принята для сопоставимости с определением интенсивности землетрясения в баллах ) определяется через отношение акустических жесткостей полупространства и слоя выражением:

рыхлых грунтов в дальних зонах землетрясении

□о

О

(4.1)

При максимальном, наблюдаемом в естественных условиях, различии акустических жесткосгей слоя грунта и полупространства в 25 раз, амплитуды на подошве слоя и на его поверхности разнятся в - 3,3 раза. То есть, максимально возможное приращение балльности не превосходит 1,3. Если же учесть вариацию углов подхода сигнала к подошве слоя в результате рассеяния (что было промоделировано простым набором импульсов Берлаге со случайной амплитудой, фазой и углом падения), то приращение балльности для реальных грунтов в линейной области не превысит 1-го балла. Проведенные нами комплексные исследования в Монголии подтвердили однозначную связь амплитудного уровня объемных волн в сухих рыхлых грунтах с их акустическими жесткостями вне зависимости от соотношения преобладающих частот землетрясений и собственных частот колебаний грунтов.

Признаки нелинейности, обусловливающие усиление макросейсмических последствий землетрясения, наиболее отчетливо выделяются в обводненных грунтах. В сейсмической шкале С.В.Медведева остаточные явления в "сырых" фунтах начинают отмечаться при землетрясениях с интенсивностью 6 баллов, переходя в состояние "большое количество трещин" при 7 баллах и достигая количественного выражения "много трещин" при 8-ми балльных землетрясениях. Для учета усиления эффекта землетрясения на обводненных грунтах в линейную зависимость (4.1) введена эмпирическая добавка в функции от глубины уровня грунтовых вод, которая широко используется в инженерной практике.

Нами выполнены исследования влияния обводненности на интенсивность землетрясения с позиций подхода, изложенного в диссертации. В соответствии с результатами глав 1,2 диапазон интенсивности землетрясения 6-9 баллов соответствует линейной области деформаций для грунтов с коэффициентом Пуассона, лежащим в диапазоне значений 0,23-0,39. Обводненность грунта приводит к повышению этого значения. Причем, если для монолитных и слаботрещиноватых скальных пород обводненность не выводит коэффициент Пуассона за укачанный диапазон, то в рыхлых грунтах его значение достигает величины 0,45 и выше. Соответственно, при обводнении рыхлых грунтов наблюдается резкое уменьшение (¡пред до 0,05-0.1 м/с , что соответствует интенсивности землетрясения в 6-7 баллов.

Представленные результаты, а так же данные других авторов, свидетельствуют о том, что повышение сейсмической опасности обводненных грунтов связано с более низким уровнем их несушей

способности. Реальные сейсмические нагрузки на сооружения на обводненных грунтах ниже, чем на сооружения в аналогичных воздушно-сухих грунтах. Существующие же нормативно-рекомендательные документы предписывают повышать расчетные нагрузки на обводненных грунтах.

При оценке сейсмического воздействия в спектральном представлении важно определение частотной характеристики слоя рыхлых отложений. Существующие традиционные методы определения амплитудно-частотных характеристик слоев грунтов базируются либо на расчетах с использованием параметров геофизических измерений, либо на прямых результатах регистрации землетрясений на различных грунтах. Из теории (в отсутствии поглощения в слое) известны соотношения:

#1шх=РЬ/Р1Ь1> 31йп=1

где первое выражение соответствует резонансу. Другой предельный случай (при Л»р1 Ь/рЬ) приводит к выражению:

<У_,|Г. = 2——-, —2--— .

тих • тт * а

Д 2+ А

Где: Л - параметр затухания в виде А=1-ехр(47АВ/Ях:ози1). Эти соотношения показывают принципиальное различие спектральных характеристик слоя в линейной области и при неупругих деформациях (плейстосейстовая зона или обводнение грунтов в дальней зоне землетрясения). Кроме того, даже в линейной области прямая регистрация землетрясений, в результате пространственных флукгуаций (глава 3), дает крайне ненадежные результаты. В связи с этим, в диссертации рассмотрены методические вопросы определения спектральных характеристик рыхлых грунтов двумя способами: возбуждение собственных колебаний и прямая регистрация землетрясений на групповых схемах наблюдения.

Первая схема опробована на грунтах мощностью 20 и 2000 метров при изучении поправок для сейсмостанций Иркутск и Кабанск. Ввиду простоты постановки наблюдений (один источник-один приемник) эта схема применяется в практических инженерно-сейсмологических исследований площадок застройки в Байкальской рифтовой зоне.

Предложенная методика регистрации близких землетрясений значительно более трудоемка и требует постановки групп сейсмоприемников на скальном и исследуемом грунтах на расстоянии, превышающем радиус корреляции флукгуаций (глава 3). Апробация методики была проведена для мерзлых крупнообломочных грунтов. При

группе, включающей 15 пунктов наблюдения, получена устойчивая повторяемость оценок частотной характеристики слоя при разных землетрясениях. Ввиду сложности постановки наблюдений этот метод может применяться при оценке сейсмической опасности важных и дорогостоящих объектов (как это было сделано при инженерно-сейсмологическом изучении территории строительства Кодарского тоннеля).

Глава 5. Относительная сейсмическая опасность поверхностных волн

Вплоть до настоящей главы мы рассматривали непрерывные спектры сейсмических волн. В зоне транзитных землетрясений они представлены разделенными во времени объемными [Р,Б) волнами. В ближней зоне происходит наложение этих волн. Вместе с тем в слоистых средах объективно возникают ситуации вырождения непрерывных спектров колебаний. Последние представлены рядом квазиашусоид (нормальных мод) поверхностных волн. В инженерной сейсмологии поверхностным волнам уделялось мало внимания, поскольку их периоды для сильных землетрясений значительно превышают периоды собственных колебаний основных видов строящихся объектов (0,7-8 гц). Однако, при оценке сейсмической опасности протяженных объектов, таких как тоннели трассы БАМ, расположенных в пределах Байкальской рифтовой зоны, такие исследования стали актуальны.

Выполненные теоретические и экспер1шентальные исследования ориентировались в первую очередь на сравнительную характеристику амплитудного уровня поверхностных волн в зависимости от сейсмических характеристик грунтов и условий возникновения резонансных явлений.

Решение задачи источников, близких к поверхности, показало, что относительный амплитудный уровень волн Лява и Релея определяется соотношением:

А = Е1&1.

А„ р ¡Ь)

Где индекс (0) относится к полупространству, а (I) к приповерхностному слою. При заглублении источника это соотношение уменьшается и в предельном случае стремится к единице (низкоскоростной слой становится прозрачным).

Теоретически, для возможного диапазона изменения pb2 в реальных условиях, можно ожидать максимальные приращения интенсивности землетрясения, достигающие величины S-6 баллов, учет затухания снижает этот предел до 3 баалов.

Таким образом, поверхностные волны более чувствительны к изменению сейсмических свойств грунтов, чем объемные волны. Экспериментальные исследования возбуждения поверхностных волн релеевского типа взрывными и ударными источниками при известных скоростных разрезах среды показали, что имеет место соотношение ( при коэффициенте корреляции равном 0,91, коэффициент к=1,6):

lg А, = const + к lg{b ,/р)

На основании этого соотношения и результатов главы 2 нами предложена инструментальная шкала интенсивности при воздействии нормальных мод поверхностных волн.

Экспериментальные наблюдения за колебаниями внутренних частей Северомуйского тоннеля при воздействиях, возбуждаемых поверхностными взрывами показали, что экспоненциальное затухание интенсивности колебаний с глубиной при взрывах соответствует общей динамике поверхностных волн. При регистрации землетрясений с эпицентралькыми расстояниями до 100 км и интенсивностью 3-4 балла отмечается эффект свободной поверхности, характерный для объемных волн и наличие максимума на частотной характеристике, обусловленного приповерхностным аллювиальным слоем. Следовательно, при землетрясениях с згошентральными расстояниями до 100 км, сейсмическое воздействие определяется объемными волнами.

Глава 6. Рекомендации по прогнозу сейсмической опасности

Реакция колебательных систем при частотах возбуждения, превышающих собственную частоту системы, достаточно полно определяются скоростями колебаний, в обратном случае- максимальные воздействия определяют ускорения.

Максимальный уровень спектра ускорений для землетрясений приходится на диапазон частот 2 - 10 гц , спектр скоростей смещен в область низких частот (0,3 - 3 гц), однако, оба диапазона частично

перекрываются с диапазоном резонансных частот зданий, составляющим 0,7-8 гц. Формальное использование разных кинематических элементов движения может приводить к существешшм несоответствиям расчетов с наблюдаемым макросейсмическим последствием землетрясений.

В диссертационной работе рассмотрены элементы движения (деформации, скорости, ускорения) на основе расчета деформаций в элементах пятиэтажного киргагчного здания массовой застройки и выполнен анализ результатов вибрационных испытаний динамической устойчивости фрагмента крупнопанельного здания, проведенных ИЗК СО РАН иКазНИИССА.

Анализ показал, что цельная 5-этажная конструкция выдержат без потерь прочности напряжения, при которых колебательные скорости (при поперечных деформациях) достигли 0,7 м/с. При повторной серии (3-этажный фрагмент, потерявший часть жесткости в первой серии), необратимое деформирование проявилось уже при величинах 0,3 м/с, что соответствует 8 баллам по шкале интенсивности землетрясений. По материалам анализа ускорений, оба фрагмента выдержали нагрузки 0,6 что соответствует их сейсмостойкости в 9 баллов. Расчеты прочностных характеристик кирпичного здания подтвердили, что в области пересечения спектра воздействия и области резонанса здания, скорости колебаний адекватно характеризуют сейсмическое воздействие землетрясения.

Для последовательного применения того или иного подхода при определении воздействия землетрясений необходимо единство описания параметров сейсмических нагрузок от очага землетрясения до системы грунт-сооружение. Эта задача осложняется тем, что существующие многочисленные эмпирические связи между сейсмической опасностью (балльностью) и параметрами как очагов, так и колебаний грунтов, изначально достаточно противоречивы. Действительно, в одних случаях балльность определяется как параметр (или совокупность параметров) колебаний некоторого эталонного грунта, в других - балльность суть функция параметров очагов землетрясений, в третьих - балльность погашается как макросейсмические последствия воздействий на конкретные объекты.

В диссертационной работе в основу единого подхода положен принцип энергетического подобия землетрясений, параметром подобия является массовая скорость (/пред. Существование энергетического параметра подобия обусловливает равную сейсмическую опасность землетрясений вне зависимости от энергетического класса на границе

очаговой области. Естественно здесь мы имеем в виду землетрясения, длины излучаемых волн которых представляют опасность для слоев фунтов и сооружений, т.е. землетрясения М>4. Исходя из условия постоянства потока энергии в однородном полупространстве, для расчета амплитудного уровня (скоростей) на заданном Я от источника с радиусом Я„ может быть применено соотношение (2.2). Сравнение расчетной сейсмической опасности для территорий г. Иркутска и Улан-Удэ по предложенной схеме с результатами анализа макропоследствий землетрясений из разных очаговых зон показало их удовлетворительное соответствие.

Нами предложена оценка спектра источника для безразмерных частот (преобладающий период определяется размерами очага землетрясения, а спектры инвариантны), их максимальный уровень соответствует 1/пред.

В зонах транзитных землетрясений максимальный амплитудный уровень спектров скоростей сильных землетрясений относится к частотам ~ 1Гц . Флуктуации интенсивности землетрясения в окрестностях основных (несущих) частот незначительны -рассеянная компонента не превышает 10% основной амплитуды сигнала(глава 3). Вариации же сейсмической опасности за счет локальных грунтовых условий определяются высокочастотными составляющими. В данной области спектра рассеяние на неоднородностях среды приводит к таким существенным флуктуациям динамического уровня (по амплитуде ~ 40%), что для решения этих задач необходим большой объем статистического материала и применение специальных методик исследований (глава 4), которые оправданы только при изучении сейсмической безопасности особо важных объектов. Теоретический расчет спектральной избирательности слоя на основе измерения акустических жесткостей, с учетом объективной неоднозначности, вполне достаточен.

Более важной представляется проблема нелинейных эффектов в зоне транзитных землетрясений, связанная с динамической неустойчивостью горных пород и их дифференциация по прочностным характеристикам. В представленной работе определено, что диапазон сейсмических воздействий, при превышении которых в грунтах начинаются неупругие деформации, достаточно широк. Верхняя граница диапазона соответствует монолитным скальным породам ( 3 м/с), нижняя -обводненным рыхлым грунтам ( 0,05-0,1 м/с). Причем, относительное изменение этого параметра в зависимости от физического состояния пород ( 30-60 раз), превышает аналогичный диапазон сейсмических жесткостей для реальных

грунтов. Основными факторами, определяющими снижение предельной скорости колебаний, являются пористость и свойства заполнителя кристаллической основы горных пород. Учет этих факторов в механике грунтов достаточно полно описывается законом Кулона, для скальных пород в анализе применяется математический аппарат трещинообразования. В настоящей работе, в связи с масштабностью волновых процессов, где длины волн превышают характерные приповерхностные неоднородности, в том числе и размеры трещин , они объединены и рассмотрены в функции от акустических жесткостей и коэффициента Пуассона, которые достаточно легко измерить на природных массивах.

Предложенный подход к определению сейсмических воздействий основан на последовательной дифференциации областей землетрясения по механизму сейсмических воздействии. Параметром дифференциации является величина скорости колебаний грунта (/пред. Выделение плейстосейстовой зоны обусловлено изменением механизма затухания сейсмической энергии. Локальные участки нелинейного деформирования в транзитной зоне землетрясения (и>0.05 м/с ) связаны со снижением прочности грунта. При полевых исследованиях эти участки определяются по соотношению скоростей продольных и поперечных волн.

В области линейных деформаций учет эффекта рассеяния на глубинных неоднородностях земной коры приводит к сглаживанию влияния сейсмических свойств поверхностных слоев рыхлых отложений на пространственные вариации интенсивности землетрясения. Соответственно, основное внимание в работе уделено методам и точности определения спектральной избирательности слоя.

Для оценки сейсмического воздействия на строительные объекты выполнен расчет коэффициентов динамичности на основе массовых скоростей, что дает основу для выбора конкретных расчетных схем по скоростям колебаний при проектировании сейсмостойких сооружений и подготовки оснований под строительство.

Заключение

В диссертационной работе в рамкач проблемы сейсмической безопасности Монголо-Байкальского сейсмического пояса разработаны теоретические положения решения динамических задач очаговой и структурной сейсмологии, предложен метод количественного прогноза

сейсмических воздействий на основе абсолютных параметров интенсивности землетрясений. Адаптация методики, детализация и уточнение параметров физической нелинейности сейсмических волн землетрясений в других сейсмоактивных регионах позволит отказаться от условных (баллов) характеристик сейсмической опасности. Предлагаемый методический подход позволит адекватно прогнозировать и контролировать динамическую устойчивость систем грунт-сооружение к воздействиям сильных землетрясений.

Основные результаты диссертационной работы и рекомендации по их использованию состоят в следующем:

1. Разработана модель стационарного сейсмического процесса в структурно-неоднородной среде, определены основные параметры модели: сейсмическая энергия, энергия очагов землетрясений и их временное распределение в шггервале магнитуд 1,7-7,8. Установлено, что плотность сейсмической энергии является параметром энергетического подобия землетрясений различной магнитуды Для Байкальской рифтовой зоны на основе предложенной модели выявлены дополнительные эффекты в распределении релаксационных землетрясений, связанные с обменом энергией между подсистемами.

2. Для Монголо-Байкальского сейсмического пояса установлены параметры пространственных флуктуаций интенсивности землетрясений. Определены зависимости радиуса корреляции и уровня флуктуаций от частоты колебаний. Количественно оценено влияние поверхностных и структурных неоднородностей на интенсивность землетрясений.

З.Экспериментально оценена скорость колебаний на границе упругое-неупругое деформирование (Uitped) в зависимости от коэффициента Пуассона для типичных горных пород Прибайкалья в диапазоне 0,05 - 3,2 м/с. Определена квадратичная зависимость коэффициента поглощения энергии упругопластических волн от величины массовой скорости и. Выполнено разделение плейстосейстовой области и зоны транзитных землетрясений по величине массовой скорости, равной 0.8 м/с, оценены линейные размеры плейстосейстовой области очага в зависимости от магнитуды землетрясения. В зоне транзитных землетрясений с эпицентральными расстояниями до 150 км определены условия локального неупругого деформирования горных пород в диапазоне массовых скоростей 0,05 - 0,8 м/с.

4. Даны рекомендации по количественному прогнозу сейсмической опасности в плейстосейстовых зонах и зонах влияния транзитных

землетрясений. Предложена методика определения спектральных характеристик слоя рыхлых отложений на основе групповых схем наблюдения. Разработан спектральный метод прогноза сейсмического воздействия землетрясешш, основанный на совместном определении (расчете) колебательных скоростей фунтов и спектральных коэффициентов динамичности для землетрясений прогнозируемых очаговых зон.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Анализ колебаний rpyirroB при землетрясениях. /Павлов О.В., Дреннов А.Ф., Иванов Ф.И. Новосибирск: Наука, 1983, 97 е./

2. Сейсмические свойства скальных грунтов /Джурик В.И., Дреннов А.Ф., Иванов Ф.И., Потапов В.А. Новосибирск: Наука, 1986, 134 е./

3. .Иванов Ф.И., Потапов В.А. Введение в инженерную сейсмологию, (нелинейные приближения). Изд-во Иркутского университета. 1994, 97 с.

4. Дреннов А.Ф., Иванов Ф.И. Особенности проявления землетрясения на скальных грунтах // Геология и геофизика. 1981. N 8. С. 92-103.

5. Дреннов А.Ф., Иванов Ф.И. Рассеяние S-волн из очагов близких землетрясений неоднородностямн среды // Геология и геофизика. 1981. N 10. С. 153-154.

6. Дреннов А.Ф. Иванов Ф.И. Информативность сейсмограммы при нзучешш динамики сейсмических колебаний// Геология и геофгаика. 1982. N10. С. 168.

7. Джурик В.И., Дреннов А.Ф., Иванов Ф.И. Сейсмические свойства эталонных грунтов// Геология и геофизика 1982. N 10. С.103-109.

8. Павлов О.В., Джурик В.И., Потапов В.А., Иванов Ф.И. Методические основы изучения сейсмических свойств грунтов// Инженерна-сейсмологическая основа ДСР и СМР .Ташкент. 1983. С.76-77.

9. Павлов О.В., Джурик В.И., Иванов Ф.И. и др. Применение расчетных методов для прогноза колебаний грунтов// Сейсмическое микрорайонирование. М: Наука 1984. С. 150-159.

10. Павлов О.В., Дреннов А.Ф., Дреннова H.H., Иванов Ф.И., Потапов В.А. Методические вопросы изучения динамических характеристик мерзлых грунтов при слабых землетрясениях // Сейсмическое микрорайошгрование. М: Наука 1984. С.53-57.

П.Павлов О.В., Джурик В.И., Иванов Ф.И., Потапов В.А. Оценка динамичности рыхлых грунтов по записям собственных колебаний// Сейсмическое районирование территории СССР. Кишинев: Штиинца 1984. С.102-104

12. Павлов О.В., Джурик В.И., Иванов Ф.И., Потапов В.А. Геофизические методы в сейсмическом микрорайонировании// Сейсмические свойства грунтов. М: Наука. 1985. С.5-20.

13. Иванов Ф.И. Пространственные флуктуации колебаний поверхности при землетрясениях// Сейсмические свойства фунтов. М: Наука. 1985. С.41-46.

14. Павлов О.В., Иванов Ф.И., Потапов В.А., Седых А.И. Определение сейсмической реакции грунта на импульсный сигнал// Геология и геофизика. 1986. N 8. С. 108-114.

15. Павлов О.В., Иванов Ф.И., Джурик В.И., Потапов В.А., Соснина Л.Г. Методика паспортизации сейсмических станций Прибайкалья// Исследования по созданию научных основ прогноза землетрясений в Сибири. Вып. 4. Иркутск. 1987. С.55-57.

16. Павлов О.В., Иванов Ф.И., Потапов В.А., Об определении параметров максимальных землетрясений на основе критерия пластично-упругости горных пород при динамических нагрузках// Исследования по созданию научных основ прогноза землетрясений в Сибири. Вып.4. Иркутск. 1987. С.3-7.

17. Павлов О.В., Иванов Ф.И., Потапов В.А. К анализу спектральной избирательности слоев грунтов при землетрясениях// Развитие сейсмологических и геофизических исследований в Сибири и на Дальнем Востоке. Иркутск. 1988. С.109-110.

18. Павлов О.В., Иванов Ф.И., Потапов В.А., Седых А.И. Относительный амплитудный уровень колебаний слоев грунта в объемных и поверхностных волнах// Исследования по созданию научных основ прогноза землетрясений в Сибири. Вып.4. Иркутск. 1987. С.57-59.

19. Павлов О.В., Иванов Ф.И., Потапов В.А. Относительный амплитудный уровень объемных волн в рыхлых грунтах// Геология и геофизика 1988. N3. СЛ10-116.

20. Павлов О.В., Иванов Ф.И., Потапов В.А., Седых А.И. Относительный амплитудный уровень колебаний слоя грунта при воздействии о&ьемных и поверхностных волн// Сейсмичность Байкальского рифта Новосибирск. Наука 1990. С. 111-123.

21. Павлов О.В., Иванов Ф.И., Потапов В.Л. Вопросы методики оценки сейсмической опасности тоннелей// Техногенные факторы и проблемы прогноза сейсмического эффекта Ташкент. ФАН. 1990. С.31-32.

22. Павлов О.В., Иванов Ф.И., Потапов В.А. Пластично-упругие волны в слоях рыхлых грунтов// Источники и воздействие разрушительных сейсмических колебаний. Вопросы инженерной сейсмологии, вып.31. М: Наука 1990. С. 109-118.

23. Потапов В.А., Иванов Ф.И. Методика оценки относительной сейсмической опасности грунтов в очаговых зонах сильных землетрясений// Количественная оценка сейсмической опасности на Дальнем Востоке. Ю-Сахалинск. 1991. С. 74-75.

24. Павлов О.В., Иванов Ф.И., Потапов В.А. Критерии стадии пластично-упругости горных пород при динамических нагрузках// Вопросы инженерной сейсмологии, вып.32. М: Наука. 1991. С.176-187.

25. Potapov V.A., Ivanov F.I. The base of energetic criteria of ground nonlinear deformation under dynamic loads// Programme and Abstracts of the XXIII General Assambly of the ESC.Praga, 1992.

26. Potapov V.A., Ivanov F.I. A mathematical model of non-linear ground motion under dynamic loads// Programme and Abstracts of the XXIII General Assambly of the ESC.Praga, 1992.

27. Потапов B.A., Иванов Ф.И. Проблемы нелинейности в прогнозе сейсмической опасности// Сейсмический риск и сейсмическое микрорайонирование. Иркутск. 1994. С.28-30.

28. Потапов В.А., Иванов Ф.И. Оценка влияния локальных грунтовых условий с учетом нелинейного деформирования на сейсмическую опасность// Сейсмический риск и сейсмическое микрорайонирование. Иркутск. 1994. С.22-23.

29. Potapov V.A.,Ivanov F.I. Methodic aspects of seismic hazard prediction and preassigned seismic effect// Abstracts XXIV General Assambly of the ESC. Athens, 1994.

30. Иванов Ф.И., Потапов В.А. • Методические аспекты задания сейсмической опасности в зонах влияния транзитных землетрясений// Геология и геофизика. N 3. 1995. С. 133-140.

31. Potapov V.A.,Ivanov F.I. The quantative evalution of seismic hazard on the base of the limit of plasto-elastic stage of deformation// Abstracts of Eleventh world conference on eaithquake enginiring. Acapulco, Mexico, 1995.

32. Potapov V.A.,Ivanov F.I. On the estimation of seismic hazard and loads on the basis of energy resistance// Abstracts of Eleventh world conference on earthquake enginiring. Acapulco, Mexico, 1995.

33. Потапов B.A., Иванов Ф.И. Количественная оценка интенсивности землетрясений и сейсмические воздействия// Геофизические исследования в Восточной Сибири на рубеже XXI века. Новосибирск. Наука 1996. С.167-172.

34. Потапов В.А., Чечелышцкий В.В., Иванов Ф.И. Характеристика рассеяния сейсмических волн близких землетрясений в Прибайкалье// Геофизические исследования в Восточной Сибири на рубеже XXI века Новосибирск. Наука 1996. С. 172-176.

35. Potapov V.A.,Ivanov F.I., Chechelnitsky V.V. Quantitative characteristics of scattering of the waves of near earthquakes in the assessment of seismic hazard// Proceedings of 11 International Conference on Soil Dynamics and Earthquake Engineering. SDEE-97. Istanbul, 1997.

36. Potapov V.A.,Ivanov F.I., Levi K.G. Seismic effect and risk prediction on the bases of energetic criteria of th thrength// Proceedengs of 11 International Conference on Soil Dynamics and Earthquake Engineering. SDEE-97. Istanbul, 1997.

37. Потапов B.A., Джурик В.И., Иванов Ф.И. Критерии и параметры нелинейного деформирования горных пород и сейсмические воздействия// Всеросийская конференция "Геологическая среда и сейсмический процесс". Иркутск, 1997.

38. Потапов В.А., Иванов Ф.И., Чечельницкий В.В. Пространственно-временные флуктуации интенсивности волн близких землетрясений// Всеросийская конференция "Геологическая среда и сейсмический процесс". Иркутск, 1997.

Лицензия ЛР№ 020592 от 09.07.97

Подписано в печать 24.03.98 . Формат 60 х 84 1/16 Бумага писчая. Уч. изд. л. 2.0. Заказ № 8. Тираж 100 экз.

Редакционно-издательский отдел Иркутского г осударственного университета, 664003, Иркутск, б. Гагарина, 36

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора физико-математических наук, Иванов, Федор Илларионович, Иркутск

Иркутский государственный университет

На правах рукописи

ИВАНОВ Федор Илларионович

Интенсивность и сейсмическое воздействие землетрясении в условиях структурной аеод и о род посги среды

Специальность 04.00.22 - Физика твердой Земли

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Научный консультант:доктор геолого-минералогических наук В.А.Потапов

Оглавление

Введение......................................................................................................... 1

Глава 1. Критерии и параметры нелинейного деформирования

горных пород....................................................................................... 6

1.1. Деформационные свойства горных пород Прибайкалья.... 6

1.2.Теоретические основы изучения затухания упругопластических волн............................................................ 20

1.3. Экспериментальные результаты изучения

затухания в зависимости от интенсивности нагрузок................ 29

1.4. Интенсивность и сейсмическое воздействие землетрясений . 31 Глава 2. Энергетические характеристики очагов землетрясений............39

2.1. Повторяемость землетрясений стационарного сейсмического процесса.................................................................39

2.2. Фоновая сейсмичность и релаксационные землетрясения..... 50

2.3. Параметрическое задание исходной

сейсмической опасности................................................................. 65

2.4. Спектры излучения очагов, длительность колебаний и размеры зон нелинейного деформирования..................................... 73

2.5. Математическая модель нелинейного движения грунтов

при динамических нагрузках............................................................ 83

ГлаваЗ Исследование рассеяния сейсмических волн близких землетрясений на структурных неоднородностях среды................... 103

3.1. Методические основы изучения рассеивающих свойств среды в реальных условиях ........................................................... 104

3.2. Инженерно-геологические условия экспериментальных полигонов.......................................................................................... 124

3.3. Флуктуации динамических характеристик землетрясений

на скальных фунтах........................................................................ 133

3.4. Спектрально-корреляционные характеристики

сейсмических колебаний на скальных грунтах..............................146

3.5. Амплитудный уровень рассеяния и поглощения волн

близких землетрясений в Байкальской сейсмической зоне..........163

Глава 4. Относительная интенсивность объемных волн в слоях

рыхлых грунтов в дальних зонах землетрясений...........................182

4.1. Динамический уровень объемных интерференционных

волн в рыхлых грунтах ................................................................... 182

4.2. Сейсмическая опасность обводненных грунтов.................... 196

4.3. Оценка спектральной избирательности слоя грунтов .......... 200

Глава 5. Относительная сейсмическая опасность

поверхностных волн.......................................................................... 215

5.1. Относительный амплитудный уровень и условия интерференции поверхностных волн в слое грунта...................... 216

5.2. Относительная сейсмическая опасность нормальных

мод поверхностных волн..................................................................230

Глава 6. Рекомендации ло прогнозу сейсмической опасности.............. 243

6.1. О задании сейсмических воздействий на основе колебательных скоростей..................................................................243

6.2. Параметрическое задание сейсмических воздействий

в зоне транзитных землетрясений...................................................255

6.3. Сейсмическая опасность в плейстосейстовых

областях землетрясений....................................................................259

Заключение....................................................................................................264

Литература.....................................................................................................265

Введение

Актуальность проблемы. Представленная работа направлена на разработку новых подходов к прогнозу сейсмического воздействия землетрясений Монголо-Байкальского сейсмического пояса. Задачи диссертации определены актуальной проблемой сейсмической безопасности в регионе.

Для эффективного проведения антисейсмических мероприятий необходимо решение ряда фундаментальных' и прикладных задач, определяемых общей сейсмичностью региона. Современный этап развития методов распознавания мест возможных землетрясений позволяет локализовать потенциальные сейсмоопасные зоны Прибайкалья с точностью до нескольких размеров очага землетрясения [ Солоненко, 1960; 1962; 1980]. Эти фундаментальные результаты существенно повышают точность прогноза интенсивности максимально возможного землетрясения и создают основу для перехода от макро параметров сейсмической опасности к более детальным характеристикам в терминах сейсмических воздействий.

Прогноз сейсмического воздействия землетрясений в диссертационной работе основан на едином методическом подходе к изучению условий возбуждения и распространения сейсмических колебаний в регионе. Блоковое строение земной коры, с одной стороны, характеризует сейсмический режим региона, с другой- определяет неоднородные условия деформирования на протяжении всей трассы сейсмических волн от очага землетрясения до поверхности. Неоднородность верхней части разреза земной коры, слоистость, физико-химические свойства скелета горных пород и заполнителя так же существенно влияют на формирование волнового поля землетрясения.

В проблеме исследования сейсмической опасности землетрясений определяющую роль сыграли работы С.В.Медведева. [1962,1978].Строгое физическое обоснование методологии прогноза сейсмической опасности проведено в работах В В. Штейнберга [1988], Ф.Ф. Апггикаева, Н.В. Шебалина [1988], В.И. Шацилова [1989], А. Нурмагамбетова [1993]. К настоящему времени накоплен обширный экспериментальный материал, касающийся влияния

приповерхностных неоднородностей и деформационных свойств грунтов на эффект проявления землетрясений [Баулин, Кригер, 1984, Джурик и др., 1982, 1986, Ершов, Попова, 1978, Баулин , Миндель, 1984, Павлов 1987, Потапов, 1992, Кригер, 1980-84]. Теоретические основы исследования рассеивающих свойств среды применительно к сейсмическим волнам созданы в работах [Aki, 1967; Николаев, 1973; Nakamyra, 1976;]. Экспериментальные исследования характеристик рассеяния неоднородной земной коры выполнялись многими исследователями [Николаев, Трегуб, 1969; Чернов, 1973; Невский, Николаев, Санин, 1977; Нерсесов, Копничев, Медведева, 1979; Невский, Николаев, Ризниченко, 1981; Копничев, 1978, 1985; Aki, Choet, 1975; Aki, Christoffersson, Husebye, 1976; Beaudet, 1971; Berteussen and all, 1975; Capon, 1968; Foster, Guinzy, 1967;]. Экспериментальные исследования рассеивающих свойств среды непосредственно для оценки неоднозначности интенсивности сейсмических волн проведены рядом исследователей [Гиллер, Коган, 1979; Бовенко, 1979 ].

Проблема сейсмической безопасности не может быть решена без исследования устойчивости грунтов и возводимых сооружений при сильных динамических воздействиях. Наиболее полно динамическая задача нелинейного деформирования в массивах горных пород исследована в сейсмике взрывов [Садовский, 1987, Миронов, 1973, Мосинец,1976, Адушкин,Спивак,1993]. Изучены основные динамические характеристики упругих и неупругих волн, их амплитудный уровень, характер затухания и параметры сейсмического воздействия. Установлено, что нелинейные законы деформирования характерны не только для процессов, имеющих место в очаговых зонах взрывов, но отчетливо локализуются (при массовых скоростях 0.1-0.15 м/с) в дальней зоне, традиционно считавшейся линейной.

В сейсмологии основным методом исследования неупругих эффектов является сравнительный анализ поведения грунтов при слабых и сильных землетрясениях. Различия наблюдаются в изменении положения резонансных частотах слоя рыхлых отложений и общего уровня частотной характеристики слоя [Hudson,1972, Seed,1976, Kamiyama, 1989, Archuleta, 1992, Singh, 1988, Wen,

1994]. Веном [Wen, 1995] отмечено уменьшение эффективной скорости сейсмических волн при увеличении воздействия от 0,05g до 0,25g. Однако, существуют результаты демонстрирующие линейную реакцию грунтов при ускорениях 0,25g и выше [Tucker, 1984], а все отличия объясняются различиями положений очагов в пространстве, трассами сравниваемых землетрясений или факторами, связанными с формированием обменных волн. В частности, при Мичоаканском землетрясении 1985 г., колебания обводненных глин промоделированы в экстремальном варианте- распространением гравитационных волн в жидкости [Lomnitz, 1990,1995]. В то же время К.Аки указывает на это землетрясение, как образец линейного поведения фунта [Aki, 1993].

Разработке подходов к прогнозу сейсмических воздействий с учетом изложенных выше факторов и посвящена представленная работа.

Цель исследований: Разработка метода прогноза сейсмического воздействия на основе решения динамических задач очаговой и структурной сейсмологии (в рамках проблем сейсмического районирования разного уровня) применительно к структурно-неоднородной геологической среде с учетом физической нелинейности сейсмических волн и колебаний сооружений.

Основные задачи исследований:

1. Проведение экспериментов по изучению деформационных свойств фунтов, динамических характеристик и пространственной структуры волнового поля близких землетрясений в Монголо-Байкальском сейсмическом поясе.

2.Развитие мегодов анализа параметров сейсмического процесса для Байкальской рифтовой зоны.

3 Разработка динамической модели формирования сейсмических колебаний при землетрясении с целью разделения плейстосейстовой области и зоны транзитных землетрясений.

4. Развитие инструментальных методик определения спектральных характеристик слоя рыхлых отложений в условиях структурно-неоднородной среды.

5.Разработка рекомендаций по количественному прогнозу сейсмического воздействия в плейстосейстовых зонах и зонах влияния транзитных землетрясений.

Методы исследований ориентировались на создание целостности ого представления (в рамках разрабатываемой проблемы и сделанных допущений) об основных характеристиках волнового поля землетрясения, в условиях нелинейного и обменного взаимодействия, и включали: наблюдения за близкими землетрясениями, экспериментальные исследования деформационных свойств грунтов различного состояния, физическое и математическое моделирование нелинейного деформирования, обобщение литературных данных.

Основные результаты и научные положения работы, выносимые на защиту.

1. Развитие методов анализа сейсмического режима в Монголо-Байкальском сейсмическом поясе на основе разработанной феноменологической модели стационарного сейсмического процесса и установленного для землетрясений параметра энергетического подобия.

2. Критерии и параметры пространственных вариаций интенсивности землетрясений, определяемые структурной неоднородностью земной коры и деформационными характеристиками верхней части разреза, включая условия локализации областей нелинейного деформирования горных пород.

3. Метод прогноза сейсмического воздействия землетрясений на основе количественных характеристик интенсивности сейсмических волн и физической нелинейности колебаний систем грунт-сооружение.

Научная новизна.

1. Предложено феноменологическое описание стационарного сейсмического процесса в структурно-неоднородной среде, согласованное с принципами статистического самоподобия, определены основные параметры модели: сейсмическая энергия, энергия очагов землетрясений и их временное распределение в интервале магнитуд 1,7 - 7,8. В качестве параметра подобия определена плотность сейсмической энергии очагов землетрясений. Для

Байкальской рифтовой зоны выявлены дополнительные эффекты в распределении релаксационных землетрясений.

2. Определены условия неупругого деформирования горных пород в зависимости от коэффициента Пуассона в диапазоне массовых скоростей 0.05-3.20 м/с. Выполнено разделение плейстосейстовой области и зоны транзитных землетрясений по величине массовой скорости 0.8 м/с. Определены размеры плейстосейстовой области в зависимости от магнитуды землетрясения.

3. В зоне транзитных землетрясений с эпицентральными расстояниями до 150 км оценены критерии локального неупругого деформирования горных пород. Определен уровень пространственных фпуктуаций интенсивности землетрясений в условиях структурной неоднородности среды, установлены спектральные зависимости радиуса корреляции и относительного уровня фпуктуаций, оценены параметры рассеяния и поглощения энергии в Монголо-Байкальском сейсмическом поясе. Определены сравнительные характеристики влияния поверхностных и структурных неоднородностей на интенсивность транзитных землетрясений. Предложена методика определения спектральной избирательности слоя рыхлых отложений на основе групповых схем наблюдения.

4. Предложен метод прогноза сейсмических воздействий с учетом характера напряженно-деформированного состояния и динамической устойчивости системы грунт-сооружение.

Практическая значимость. Предложен подход к прогнозу сейсмического воздействия землетрясений и рекомендации по количественному прогнозу сейсмической опасности в плейстосейстовых зонах и зонах влияния транзитных землетрясений, которые применены при выполнении программ "Сейсмическая безопасность Иркутской области" и "Сейсмобезопасность Бурятии". Карты сейсмического микрорайонирования аймачных центров Монголии, выполненные с привлечением результатов настоящей работы, приняты в качестве нормативных. Результаты исследований использованы при оценке сейсмической опасности территорий строительства Северомуйского и Ко даре кого тоннелей трассы БАМ.

Глава 1. Критерии и параметры нелинейного деформирования

горных пород

В настоящей главе рассмотрены деформационные характеристики горных пород , определены основные факторы и общий диапазон изменения параметров грунтов в линейной и нелинейной областях деформирования. Выполнены оценки затухания неупругих сейсмических волн и определены параметры сейсмических воздействий при неупругом деформировании горных пород.

1.1. Деформационные свойства горных пород Прибайкалья

В Байкальском регионе представлен широкий спектр магматических, метаморфических и осадочных горных пород. Горные породы различного минералогического состава и генезиса представляются как многокомпонентные (обычно трехкомпонентные среды) [Никитин, 1981; Физические свойства..., 1976]. Воздушно-сухие грунты с положительной температурой мы рассматриваем как горные породы / состояния, обводненные фунты с положительной температурой - П состояния, мерзлые грунты - Ш состояния.

Инженерно-сейсмологический прогноз при переходе горных пород в различные состояния основывается на комплексном подходе к изучению связей между параметрами, описывающими физические, химические и деформационные свойства породы. Проведенные исследования показали [Павлов, 1987; Джурик, Дреннов, Иванов, Потапов, 1986], что линейные деформационные свойства грунтов Прибайкалья преимущественно определяются степенью трещиноватости, обводненностью и наличием льда, а не генезисом пород и их минералогическим составом. В табл. 1.1 приведены величины скоростей волн в породах с малой пористостью, (до 5%), свидетельствующие о том, что скорости волн в скелете различных горных пород с точностью до 10-20% неразличимы.

Таблица 1.1.

Скорости продольных волн в горных породах Прибайкалья

Тип грунта Состояние @ вер "им ^тах

м/с

Габбро I 4900 5200 3200 6290

Базальты II 5140 5280 3600 6200

III 5300 5300 3800 6200

I 5000 5000 3400 5900

Диориты II 4970 5050 3500 5900

III 5100 5100 3900 5900

Граниты I 4410 4630 2800 5800

и 4670 4670 3400 5800

5000 5000 3800 6100

Гнейсы I 3790 3980 1800 5500

Сланцы II 4220 4370 2700 5600

III 4650 4650 3300 5800

Песчаник I 3350 3060 2000 5200

Известняки II 4050 3750 2600 5500

III 4470 4470 3400 5700

Среднее I 4300 4370

значение II III 4600 4900 4600 4900

Скорости волн в горных породах в зависимости от степени пористости, характера заполнения пор (воздухом, водой или льдом) меняются значительно (табл. 1.2,).

Таблица 1.2

Скальные породы Диапазон скоростей а, км/с Средняя скорость а, м/с Коэффициент пористости, % Коэффициент Пуассона

Монолитные 2,5-5,5 4000 1,8 0,25 -I 0,27 -II 0,23 -III

Трещиноватые 1.9-4,5 3000 4,8 0,30 -I 0,34 -II 0,27 -III

Сильно трещиноватые 0,9-1,9 1400 18 0,36 -I 0,45 -II 0,30 -III

Разрушенные 0,27-0,9 0,65 40 0,39 -I 0,48 -II 0,30 -III

Диапазон изменения скоростей продольных волн составляет порядок и более, такое же различие скоростей поперечных волн. Отсюда, разрушенность горных пород считается основным фактором, определяющим их сейсмические свойства.

Коэффициент Пуассона монолитных и трещиноватых (диапазон скоростей продольных волн в воздушно-сухом состоянии 1.9 - 5.5км/с , коэффициент пористости до 10% ) скальных пород, как функция скорости поперечных волн

V, определяется уравнением регрессии: <т= 0.50 - к V , где А принимает значения в диапазоне 0.09 - 0.11 для различных состояний. То есть, связь коэффициента Пуассона с характеристикой заполнителя трещин достаточно слабая.

Для выветрелых и разрушенных скальных пород (диапазон скоростей продольных волн 0.4 - 1.5/ш/с , коэффициент пористости 20 - 40 % ), связь коэффициента Пуассона с харак