Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Количественные характеристики сейсмогенных разрывов и их использование в палеосейсмогеологии и инженерной геологии

ВАК РФ 04.00.04, Геотектоника

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата геолого-минералогических наук, Стром, Александр Леонидович, Москва

Г' / ь 1 /

Центр службы геодйнамических наблюдений в электроэнергетической отрасли - филиал ОАО "Институт Гидропроект"

На правах рукописи

Стром Александр Леонидович

КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СЕЙСМОГЕННЫХ

РАЗРЫВОВ И ИХ МСПОЛЬЗОВАННЕ В ПАЛЕОСЕЙСМО-ГЕОЛОГИИ И ИНЖЕНЕРНОЙ ГЕОЛОГИИ

Специальность 04.00.04 - Геотектоника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научные руководители доктор геол.-мин. наук В.Г.Трифонов доктор геол.-мин. наук А.А.Никонов

/

Москва - 1998 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ__3

1. БАЗА ДАННЫХ ПО СЕЙСМОГЕННЫМ РАЗРЫВАМ_ 12

1.1. Основные параметры сейсмогенных разрывов ___12

1.2. Параметры землетрясений_18

1.3. Данные о распределение смещений по простиранию разрывов_25

1.4. Принципы группирования землетрясений_29

2. СООТНОШЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СЕЙСМОГЕННЫХ РАЗРЫВОВ И ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ_ 36

2.1. Закономерное возрастание предельных величин смещений_36

2.2. Статистический анализ максимальных смещений_44

2.3. Статистический анализ средних смещений___59

2.4. Анализ соотношений параметров землетрясений и величины фхЬ)_61

3. ИЗМЕНЧИВОСТЬ СМЕЩЕНИЙ ВДОЛЬ ПРОСТИРАНИЯ РАЗРЫВОВ_ 66

3.1. Распределение смещений вдоль разрыва (типизация)__66

3.2. Средние смещения_73

3.3. Влияние изученности сейсмогенных разрывов на их количественные характеристики ____77

4. УЧЕТ ВЫЯВЛЕННЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ПРИРОДЫ СЕЙСМОГЕННОГО РАЗРЫВООБРАЗОВАНИЯ_I_ 85

4.1. Влияние механизма очага на величину смещения по разрыву_85

4.2. Обратные уступы - "псевдосбросы" в областях тангенциального сжатия _89

4.3. Учет величин подвижек при анализе параметров очагов землетрясений_93

4.4. Деформация приразломных блоков_99

5. ПАЛЕОСЕЙСМОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРИЛОЖЕНИЯ_ 106

5.1. Контроль параметров палеосейсмодислокаций_106

5.2. Оценка магнитуд палеоземлетрясений _ 115

6. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНЫХ ВЕЛИЧИН СЕЙСМОГЕННЫХ ПОДВИЖЕК ПО ТЕКТОНИЧЕСКИМ НАРУШЕНИЯМ В ОСНОВАНИЯХ СООРУЖЕНИЙ И ЛОЖАХ ВОДОХРАНИЛИЩ_ 119

6.1. Оценка величин сейсмогенных смещений_ 119

6.2. Оценка вероятности возникновения сейсмогенных смещений_124

ЗАКЛЮ ЧЕНИЕ_133

ЛИТЕРА ТУРА__137

ПРИЛОЖЕНИЯ:

1 - Каталог сейсмогенных разрывов современных и исторических землетрясений__

2 - Рассчитанные средние смешения по сейсмогенным разрывам и их соотношение с максимальными подвижками_

3 - Список литературных источников к каталогу сейсмогенных разрывов_

158 .165 169

ВВЕДЕНИЕ

Сильные коровые землетрясения часто сопровождаются образованием тектонических нарушений на поверхности Земли. Первые научные описания сейсмогенного разрывообразования были сделаны, по-видимому, при Качском землетрясении в Индии в 1819 г. и Западно-Вайрарапском землетрясении 1855 г. в Новой Зеландии [Рихтер, 1963]. Из отечественных публикаций конца XIX - начала XX веков следует упомянуть работы Н. Лопатина, описавшего последствия Цаганского землетрясения 1862 г., при котором в дельте Селенги образовался залив Провал [Лопатин, 1862], A.B. Вознесенского, детально изучившего разрывы Танну-Ольских (Хангайских) землетрясений 1905 г. [Вознесенский, 1907, 1962] и классическую монографию К.И. Богдановича с соавторами [Богданович и др., 1914], в которой подробно описаны разрывы Кеминского землетрясения 1911 года. Начиная с работ А. Мак-Кея [МсКеу, 1890], Б. Кото [Koto, 1893], Р. Олдэма [Oldham, 1898], образование разрыва на поверхности рассматривается, как поверхностное проявление нарушения в очаге землетрясения.

Более подробно сейсмогенное разрывообразование изучается, начиная со второй половины XX века. В этот период резко возросло количество описаний землетрясений, сопровождавшихся образованием разрывов. Так, если с древнейших времен до начала XX века было описано около 60, а за первую половину века - около 75 таких событий (включая разрывы землетрясений этих периодов, обследованные и описанные уже в наши дни), то за вторую половину XX века число изученных разрывообразующих землетрясений превысило 165. В конце 50-х и в 60-х годах появились и первые работы, посвященные анализу закономерностей образования сейсмогенных разрывов, установлению зависимостей между протяженностью разрыва и смещением по нему с одной стороны и магнитудой землетрясений с другой [Tocher, 1958; Amilien, 1963; Otsuka, 1964; Iida, 1965; Рац, 1965; Albee & Smith, 1966; Chinnery, 1969]. Позднее, в 80-90-х годах, это направление исследований было развито в работах [Никонов, 1975, 1977, 1980; Ружич, 1977; Ружич, Шерман, 1978; Палео-сейсмогеология Большого Кавказа, 1979; Рац и др., 1980; Slemmons, 1982;

Bonilla, et al., 1984; Nowroozi, 1985; Nikonov, 1988; Хромовских, Обухова, 1989; Khromovskikh, 1989; Slemmons et al., 1989; Трифонов, 1991; Стром, 1990, 1993; Современная динамика ..., 1989, 1991, 1995; Wells & Coppersmith, 1994; Стром, Никонов, 1997а,б; Чипизубов, 1998].

В некоторых из упомянутых публикаций, а также в работах [Wyss, 1979; Singh et al., 1980; Штейнберг, 1983; Ваков, 1988, 1992; Vakov, 1996], анализировались не только соотношения между параметрами поверхностных разрывов и магнитудой, но и между размерами очагов землетрясений и магнитудой. При этом протяженность поверхностных разрывов использовалась для установления горизонтальной протяженности очага.

Оценке величин сейсмогенных смещений для расчета высоты волн в водохранилищах были посвящены работы T.JI. Гвелисиани [1970, 1974-а,б, 1975, 1980].

В этот же период, сперва в нашей стране, а несколько позднее, начиная с 70-х годов, и за рубежом - в первую очередь в США - был разработан и начал активно применяться палеосейсмогеологический метод поиска и изучения следов доисторических землетрясений [Флоренсов, 1960а,б; Солоненко, 1962, 1970, 1973 и др.; Хромовских, 1963; Копп и др., 1964; Расцветаев, Трифонов, 1965; Кучай, 1969, 1971, 1972; Никонов, 1974, Slemmons, 1967; Wallace, 1970; Хилько и др., 1972; Солоненко, Хромовских, 1978; Никонов, 1984]. Справедливости ради следует отметить, что еще в конце прошлого века американский ученый Г. Гилберт рассматривал выраженные в рельефе разрывы в зоне разлома Уосатч, как следы сильных землетрясений прошлого, о чем упоминают в предисловии к специальному выпуску Journal of Geophysical Research P. Йетс и К. Прентис [Yeats & Prentice, 1996], однако основы современной палеосейс-могеологии заложили именно геологи Иркутской школы во главе с Н.А. Фло-ренсовым и В.П. Солоненко. Большое внимание развитию этого направления исследований уделял Г.П. Горшков [Горшков, 1972, 1977], под руководством которого автор делал свои первые шаги в геологии.

Одним из основных направлений палеосейсмогеологических исследований стало изучение доисторических сейсмогенных разрывов. Как показала мировая

практика таких исследований, именно анализ разрывов в принципе позволяет, используя зависимости между магнитудами современных землетрясений и параметрами связанных с ними нарушений, достаточно обоснованно оценивать важнейшую характеристику древних землетрясений - их магнитуду. Остальные типы палеосейсмодислокаций (оползни, обвалы, следы разжижения грунтов и т.д.) позволяют, в большинстве случаев, судить об интенсивности сотрясений, но не о магнитуде породившего эти сотрясения толчка.

Актуальность проблемы. Возвращаясь к перечисленным выше работам, посвященным изучению соотношений между параметрами сейсмогенных разрывов и землетрясений, отмечу, что в результате этих исследований получено уже более ста уравнений регрессии, связывающих исследуемые параметры, причем в подавляющем большинстве случаев они выведены по данным о максимальных подвижках, зафиксированных по сейсмогенным нарушениям, вошедшим в соответствующие выборки и только в работе [Wells & Coppersmith, 1994] получены соотношения также для средних смещений. Как будет показано" ниже, в главе 2, разброс оценок и магнитуд и смещений, получаемых на основании этих уравнений, весьма велик.

В большинстве публикаций статистический анализ выполнялся методом наименьших квадратов. Как показали М.В. Рац и Н.М. Хайме [Рац и др., 1980] более корректно применение ортогональной регрессии.

T.JI. Гвелисиани [1980] оценивал предельные величины смещений по положению огибающей на графиках, связывающих величину максимальной подвижки и магнитуду, основываясь, однако, на сравнительно небольшой выборке (около 40 событий).

В последние годы в практику сейсмогеологических исследований вошло изучение и датирование следов сейсмогенных подвижек в траншеях [Sieh, 1978; Хромовских, 1993; Yeats & Prentice, 1996]. При этом непрерывное прослеживание и измерение следов подвижек, предшествующих последней (происшедшей при известном землетрясении), практически невозможно и исследователь вынужден оценивать магнитуду палеоземлетрясений, опираясь на единичные замеры смещений,, которые совершенно необязательно будут мак-

симальными или средними по рассматриваемому палеоразрыву. И без учета влияния непостоянства величины смещений вдоль сейсмогенного разрыва на соотношения между рассматриваемыми параметрами, корректный прогноз одного из них при заданом значении другого, по-видимому, невозможен.

Таким образом, несмотря на большое количество работ, посвященных изучению закономерностей сейсмогенного разрывообразования, на практике, как при поиске и полевом изучении следов древних землетрясений, так и при интерпретации результатов этих исследований, возникает целый ряд проблем, связанных как со сложностью выделения нарушений, образовавшихся единовременно, так и с правомерностью использования тех или иных зависимостей между магнитудой и параметрами сейсмогенных разрывов при анализе результатов полевых наблюдений. Даже если мы можем уверенно относить исследуемый разрыв к категории палеосейсмотектонических дислокаций (подробное рассмотрение конкретных признаков "сейсмогенности" разрывов выходит за рамки данной работы), обоснованность оценок магнитуд породивших их палео-землетрясении зачастую недостаточна. Так, отметим, что оценки магнитуд, основанные на протяженности разрыва и на величине смещения по нему, иногда различаются более чем на единицу магнитуды (см., например, [Аржан-ников, 1998]). Особенно сложна оценка магнитуд в тех случаях, когда сейсмо-генный палеоразрыв выявлен в ограниченном количестве пунктов, например в траншеях, а не прослежен и не "промерен" на всем его протяжении.

Анализ этих проблем позволил сформулировать ряд вопросов, важных как при обследовании разрывов современных землетрясений, так и при палео-сейсмогеологических исследованиях [Ре1гоз1ап а1., 1998], в частности:

1. Какова должна быть частота замеров величин смещений вдоль разрыва, необходимая для его корректного описания, что подразумевает установление максимальной величины смещения и получение данных, достаточных для расчета среднего смещения.

2. Какова оптимальная методика расчета средних смещений по разрыву.

3. Как подходить к оценке магнитуды землетрясения по величине подвижки в случаях, если смещение может быть измерено только в ограниченном числе точек, например при траншейных исследованиях.

Помимо очевидного значения для палеосейсмогеологических исследований, изучение сейсмогенного разрывообразования имеет важнейшее значение и для понимания природы процессов, приводящих к возникновению землетрясений и непосредственно протекающих в их очагах [Scholz, 1982, 1990], а также для проектирования сооружений, расположенных в сейсмоактивных районах [Савич и др., 1977; Варга, 1985].

Цели и задачи работы. В общем виде целью предлагаемой работы является исследование зависимостей между протяженностью сейсмогенных разрывов и величинами смешений по ним, а также между этими параметрами и магнитудой землетрясения с учетом того, что величина смешения непостоянна по простиранию разрыва. В рамках этой общей темы были решены следующие задачи:

Собрана наиболее полная на сегодняшний день база данных по параметрам сейсмогенных разрывов современных и исторических землетрясений, включающая сведения о разрывах более чем 300 землетрясений (в пределах суши).

Собраны и обработаны по единой методике данные о распределении смещений вдоль простирания разрывов, образовавшихся при 67 землетрясениях для которых удалось найти такие сведения. Данные о максимальных подвижках при этих событиях вошли в основную базу.

На основании анализа собранных данных уточнены зависимости между различными параметрами сейсмогенных разрывов и магнитудой землетрясений; проанализированы закономерности распределения величин подвижек вдоль простирания сейсмогенных нарушений; оценена частота замеров величин смещений вдоль разрыва, необходимая для установления максимальной величины смещения и получения данных, достаточных для расчета среднего смещения; разработан подход к оценке магнитуды землетрясения по величине подвижки, измеренной в единичном пункте.

Использованные материалы и методика исследований.

Основой проведенных исследований послужили вышеупомянутые базы данных по параметрам сейсмогенных разрывов и по распределению величин подвижек по простиранию разрывов. При их составлении проанализирована обширная литература (более 380 публикаций - Приложение 3), причем предпочтение отдавалось первоисточникам, а не сводкам данных. Особенностью составленного каталога является то, что в нем приведены не только максимальные значения полного вектора смещений, но и покомпонентные максимальные значения смещений (вертикальная, горизонтальная по простиранию разрыва и величина горизонтального сокращения для надвигов). Схожий подход к покомпонентному сбору данных о сейсмогенных подвижках реализован в работе A.B. Чипизубова, выполненной независимо от наших исследований [Чипизубов, 1998], а также в неопубликованном отчете ПНИИИСа [Рац и др., 1980], любезно предоставленном мне Н.М. Хайме.

В отличие от большинства предшествующих работ, авторы которых при установлении зависимостей между параметрами сейсмогенных разрывов и магнитудой применяли исключительно регрессионный анализ, получая таким образом средние соотношения, в данной работе, наряду с этим, широко применяется метод построения огибающих по эмпирическим данным, что позволило установить предельные значения одного из параметров при заданном значении другого.

При изучении закономерностей распределения смещений по простиранию разрывов большое внимание уделялось применению единообразных приемов обработки первичных данных, что, на наш взгляд, позволяет получить более объективные результаты при их анализе.

Научная новизна работы заключается в следующем: Проведено сопоставление как полных, так и покомпонентных величин и максимальных и средних сейсмогенных смещений с магнитудой землетрясений и протяженностью сейсмогенных разрывов;

Эмпирически установлено закономерное возрастание предельных смещений по сейсмогенным разрывам с ростом магнитуды и протяженности нарушений;

Впервые проведен количественный анализ неравномерности распределения смещений по простиранию многочисленных сейсмогенных разрывов. Показано, что разделяемые разрывом блоки деформируются с чередованием участков сжатия и растяжения.

Проанализированы некоторые особенности поверхностного проявления сейсмогенных разрывов в условиях расчлененного горного рельефа.

Защищаемые положения.

1) Установлено, что соотношения между максимальным смещением по разрыву на поверхности земли (Отах) и магнитудой (М) и между Отах и протяженностью сейсмогенного разрыва (Ь) изменяются в достаточно широких диапазонах, границы которых соответствуют предельным возможным значениям одного из параметров при заданном значении другого и определяются огибающими, ограничивающими поля точек на графиках М-гВтах и

2) Использование параметров разрывов (О, Ь) для оценки магнитуд землетрясений доинструментального периода на основе зависимостей между магнитудой и этими параметрами корректно только в тех случаях, когда соотношение Э и Ь у исследуемого разрыва не выходит за пределы, характерные для современных сейсмогенных нарушений.

3) Изменчивость величины подвижки по простиранию разрыва должна приниматься во внимание при определении магнитуд палеоземлетрясений по параметрам ископаемых разрывов. Использование для этой цели зависимостей между максимальными или средними смещениями и магнитудой правомочно только тогда, когда измеренная подвижка действительно являлась максимальной или средней по исследуемому разрыву. По подвижке, измеренной в единичном пункте, можно достоверно оценить минимально возможную магнитуду палеоземлетрясения.

4) При оценке величин возможных сейсмогенных подвижек в основании сооружений следует, учитывая изменчивость смещений по простиранию разрывов, определять как максимальные возможные так и наиболее вероятные величины таких подвижек и применять полученные оценки величин сме-

щений в зависимости от вероятности их возникновения и приемлемого уровня риска.

Практическое значение. Изученные особенности сейсмогеннного раз-рывообразования и выявленные закономерности соотношений между параметрами разрывов и землетрясений могут испол