Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Разработка технологии модульной географической информационной системы для оценки сейсмической опасности

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Разработка технологии модульной географической информационной системы для оценки сейсмической опасности"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ _имени О.Ю.ШМИДТА_

На правах рукописи УДК 550.34

БЕРЕЗКО Александр Евгеньевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МОДУЛЬНОЙ ГЕОГРАФИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОЦЕНКИ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ

Специальность 04.00.22 - физика твердой Земли

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1997

г,\. од 2 о . 7

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

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор А. Д. Гвиншани

кандидат технических наук А. В. Елютин

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор А. И. Мартыненко

академик РАЕН,

доктор физико-математических наук, профессор Н. В. Кондорская

Ведущая организация:

Институт геоэкологии РАН, г. Москва

Защита диссертации состоится "¿2" _1997 г.

час. на заседании специализированного совета по геофизике К.002.08.04 при Объединенном институте физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН (123810, г. Москва, ул. Б. Грузинская, д. 10).

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

Автореферат разослан Оиу^и^.^ 1997 г.

Ученый секретарь

специализированного

совета

кандидат физико-математических наук А. Д. Завьялов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы.

Только на территории России свыше 20 млн. человек, живущих в сейсмоактивных районах, постоянно испытывают угрозу разрушительных землетрясений. За 48 лет (от Ашхабадского землетрясения 05.10.1948 г. до Нефтегорского землетрясения 27.05.1995 г. на о. Сахалин) на территории бывшего СССР, а затем России погибло более 250 тыс. человек.

Сейсмическая опасность с каждым годом растет в прямой сзязи с хозяйственным освоением все новых и пока недостаточно изученных сейсмоактивных территорий и техногенным воздействием человека на верхний слой литосферы Земли. Повышенный сейсмический риск связан и с большим числом действующих и строящихся атомных электростанций, химических комбинатов и других экологически опасных, сейсмически уязвимых объектов техносферы. Рассматривая потенциальную сейсмическую опасность России, можно утверждать, что существует вероятность возникновения крупных землетрясений на Северном Кавказе, в Прибайкалье и на Дальнем Востоке. Некоторую опасность представляют и считающиеся малоактивными территории России: Европейская часть страны, в том числе Карелия и Кольский полуостров, Воронежская и другие области, Средний Урал. Для эффективных мероприятии по снижению риска от сейсмических событий ныне действующие нормативные карты сейсмического районирования оказываются недостаточными. Более того, не существует пока нормативных карт сейсморайонирования Европейской части Российской Федерации, Западной и Центральной Сибири, шельфа окраинных и внутренних морей.

Соответственно, большое внимание уделяется проблеме оценки сейсмической опасности в национальном, региональном и глобальном масштабах. Так, в рамках ГНТП России "Глобальные изменения природной среды и климата" в 1992 г. получила статус самостоятельной Проблема "Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии".

Разрабатываются крупнейшие международные проекты, и в том числе сформированная в 1992 г. Программа оценки глобальной сейсмической опасности (Global Seismic Hazard Assessment Programme (GSHAP)), осуществляемая в рамках Международной программы "Литосфера" (International Lithosphère Programme (ILP)) и деятельности Международной ассоциации сейсмологии и физики недр Земли (International Association for Seismology and Physics of the Earth Interior (IASPEI)). Определяющим направлением вышеперечисленных программ, в рамках которых выполнялось настоящее исследование, является поиск и разработка подходов к созданию целостной унифицированной методологии и оптимальных технологических основ количественной оценки сейсмической опасности. Но и новые карты сейсморайонированпя, создаваемые с применением традиционной "бумажной" технологии, уже не могут адекватно отражать результаты исследований, оперативно отслеживать изменения, связанные с новейшими землетрясениями, и эффективно использоваться в практических приложениях. Необходимо цифровое представление данных. Для решения этих задач весьма перспективным считается применение мощных и гибких средств географических информационных систем (ГИС).

Цель и задачи.

Цель настоящей работы - разработка и апробирование технологии оценки сейсмической опасности с помощью многоцелевой многодисциплинарной интегрированной (растр/вектор) модульной ГИС.

В соответствии с этим для апробирования различных вариантов технологического процесса обработки данных в условиях использования единой модульной геоинформационной среды в работе были решены следующие задачи:

1. Анализ и классификация завершенных разработок ГИС с позиций их применимости к оценке сейсмической опасности с одной стороны и анализ

существующих технологических принципов и схем сейсмического районирования с другой стороны;

2. Разработка специализированных программных модулей многоцелевой многодисциплинарной интегрированной ГИС "АТТИЛА" для реализации базовых звеньев технологических схем сейсмического районирования с использованием вероятностных и детерминистских алгоритмов сейсморайонирования;

3. Адаптация к среде ГИС "АТТИЛА" метода оценки сейсмической опасности Бепдера-Перклнса [ Bender В., Perkins D.M., 1987 ] и его компьютерной реализации в виде программы SEIS RIS К П1;

4. Применение разработанной технологии для создания экспериментальных прототипов базовых карт сейсмического районирования Крым-Кавказского региона и о. Сахалин;

5. Разработка типовых технологических схем расчета и картирования модельных интенсивностей по данным срочных донесений служб сейсмических наблюдений, существующих и прогностических каталогов землетрясений.

1. Создана законченная, готовая к практическому применению многоцелевая многодисциплинарная модульная ГИС с функциональными элементами, ориентированными на задачи оценки сейсмической опасности.

2. Технология многоцелевой многодисциплинарной интегрированной модульной ГИС эффективно применима для региональной оценки сейсмической опасности и сейсмического районирования. Она обеспечивает реализацию целостной унифицированной методологии, апробированных и вновь разработанных алгоритмов расчетов, способствует формулированию и проверке новых гипотез, существенно облегчает и ускоряет генерацию, воспроизведение и сравнение результатов сейсморайонирования для различных исходных данных.

3. Составленные в единой модульной геоинформационной среде экспериментальные прототипы базовых карт сейсмического районирования Крым-Кавказского региона и о. Сахалин позволили апробировать ряд вариантов технологического процесса обработки исходных сейсмологических данных различной структуры и могут являться основой для построения усовершенствованных карт в дальнейших исследованиях, в частности, путем оперативного включения данных по новейшим землетрясениям.

4. Разработанные технологические схемы расчета и картирования модельных интенсивностей в среде ГИС позволяют оперативно определять ожидаемые зоны поражения для новейших событий, зарегистрированных службами сейсмических наблюдений, а также оценивать пространственное распределение модельных интенсивностей на основе существующих каталогов землетрясений и элементов прогноза.

Научная новизна.

В работе впервые предложена и использована многодисциплинарная интегрированная ГИС модульного типа в качестве технологической платформы для оценки сейсмической опасности. Данный подход на всех этапах исследований позволяет: получать оптимальные технологические схемы расчетов; применять унифицированные программно-методические средства; сокращать затраты времени на выполнение расчетов и подготовку материалов; повышать воспроизводимость результатов; оценивать стабильность результатов по отношению к изменениям исходных данных, используемых моделей и алгоритмов. В традиционных методах оценки сейсмической опасности и сейсмического районирования одновременная реализация всего вышеперечисленного крайне затруднена. Впервые выполнена адаптация к среде ГИС метода оценки сейсмической опасности Бендера-Перкинса [ Bender В., Perkins D.M., 1987 ] и соответствующей программы SEISRISK III.

Практическая ценность работы.

Созданная многоцелевая многоднсциплинарная ГИС, включающая в свой состав специализированные программные модули оценки сейсмической опасности, является законченной разработкой, пригодной к практическому применению. Разработанная технология единой модульной геоинформационной • среды представляет интерес для решения практических задач оценки сейсмической опасности и сейсмического районирования. Оптимизация технологических схем расчетов и унификация программно-методических средств предлагаемой технологии способствуют стандартизации материалов сейсморайонирования, получаемых в результате региональных исследований, и их сопряжению в пограничных зонах. Результаты могут быть использованы при подготовке сейсмических бюллетеней, в практике организаций, занимающихся проблемами сейсмической устойчивости и сейсмостойкого строительства (НИКСЦ РАН, ИГ РАН) и в целях информационного обеспечения действий оперативных подразделений МЧС.

Апробация работы и публикации.

Ход и результаты работы регулярно докладывались на семинарах Центра изучения компьютерных геофизических данных (ЦИГЕД) ОИФЗ РАН. Основные результаты работы также доложены и обсуждены на международных рабочих совещаниях "Динамические системы, искусственный интеллект и ГИС в приложениях к банкам данных в геофизике" (Валферданж, Люксембург, 1993 г., 1995 г., 1996 г.), (Афины, Греция, 1994 г.), "Методология и алгоритмы изучения региональной сейсмической опасности Крым-Кавказ-Копетдагского региона" (Ашгабат, Туркменистан, 1994 г.), на XXI Генеральной ассамблее Международного союза геодезии и геофизики (Болдер, США, 1995 г.) и на Российско-французском семинаре "Базы геофизических данных - анализ и интерпретация - базы геофизических знаний" (Москва, 1996 г.). По теме диссертации опубликованы 4 печатные работы, 1 находится в печати. Электронная публикация по материалам основных разделов работы размещена

в сети Internet на WWW-сервере на странице http://www.wdcb.rssi.ru/~ber/gis/gisO.shtml.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит' из введения, пяти глав, заключения, списка литературы (114 наименований, в том числе 59 иностранных) и четырех приложений, содержит 206 страниц машинописного текста, 46 рисунков.

Работа выполнялась в Центре изучения компьютерных геофизических данных (ЦИГЕД) Объединенного института физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН под руководством д.ф.-м.н., проф. Гвишиани А.Д. и к.т.н. ¡Елютина А.В., которым автор выражает свою признательность за постоянное внимание к проводившимся исследованиям. Автор считает своим приятным долгом также выразить благодарность проф. Уломову В.И. (ОИФЗ РАН) и проф. Соболеву Г.А. (ГЦ РАН) за полезные обсуждения и ценные советы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Кратко рассмотрена история развития методов оценки сейсмической опасности. Показана актуальность проблемы, обоснованы цель и вытекающие из нее научные и практические задачи работы. Приведены положения, выдвигаемые на защиту. Определена научная новизна, сформулированы практическая ценность и краткое содержание работы по главам.

Глава 1. Развитие OLC и ИХ применение в задачах

оценки сейсмической опасности.

В этой главе дано определение географической информационной системы (ГИС), исследована история создания ГИС, прослежены и оценены основные тенденции их современного развития. Даны анализ и классификация завершенных разработок ГИС с позиций их применимости к оценке сейсмической опасности. Описаны системы ARC/INFO, GRID, SCENARIO (Maplnfo), SPANS, GEO [ Gitis V.G., Jurkov E.F., Osher B.V., 1991, 1995 ].

Глава 2. Принципы построения и описание ГИС "АТТИЛА".

В этой главе дана характеристика системы "АТТИЛА" как многоцелевой многодисциплинарной интегрированной (растр/вектор) координатно-базированной модульной ГИС, ориентированной на среду персональных компьютеров и локальных компьютерных сетей.

Многоцелевой характер системы выражается в адаптированности ее структуры и программных средств к выполнению функций широкого методического диапазона: приведение к. единому компьютерному формату, хранение, уплотнение, инвентаризация, визуализация, сопоставление, классификация и аналитическая переработка данных; визуальный контроль промежуточных результатов; получение интегральных и дифференцированных геометрических и статистических характеристик и др. Система ориентирована на исследование процессов, явлений и характеристик, влияющих на условия обитания людей и функционирования техносферы на поверхности Земли.

Многодисциплинарный характер системы выражается в ее индифферентности к физическому содержанию данных. Единственным признаком, обуславливающим возможность интеграции в систему и совместной обработки различных данных, является наличие однозначного соответствия между значением характеристики и координатами точки или области земной поверхности, к которой это значение относится.

Интегрированный характер системы заключается в ее способности поддерживать данные в растровой и векторной формах с возможностью преобразования одной формы в другую.

Модульный характер системы предоставляет пользователю максимально широкий набор программных средств, реализующих те или иные функции, выполненных в форме элементарных про1раммных инструментов. Комбинируя их, исследователь строит свою схему обработки и анализа данных. Модульный характер ГИС позволяет также на любом этапе исследования разрабатывать и

вводить в ее состав новые модули либо использовать независимую внешнюю программу без какой-либо модификации самой системы.

Дано описание программных модулей ГИС "АТТИЛА", которые по своему назначению и степени унификации разделяются на три большие группы: базовые модули, обеспечивающие основные операции ввода/вывода, хранения и визуализации данных; аналитические модули, являющиеся средствами обработки и анализа данных; специализированные модули, реализующие конкретные математические модели задач, вытекающих из исследования.

Глава 2. Адаптация метода оценки сейсмической опасности

Бендера-Перкинса к ср£Д£ ШС "АТТИЛА".

В этой главе, описана адаптация метода оценки сейсмической опасности Бендера-Перкинса и соответствующей программы SEISRISK Ш [ Bender В., Perkins D.M., 1987 ] к среде ГИС "АТТИЛА".

В начале главы рассмотрены современные компьютерные методы сейсмического районирования и, в частности, наиболее популярный метод оценки сейсмической опасности Корнелла-МакГайра, на основе которого был разработан метод Бендера-Перкинса.

Дано подробное описание программы SEISRISK III, реализующей метод Бендера-Перкинса и предназначенной для расчета максимальных уровней показателей сейсмической сотрясаемости, которые с заданной вероятностью не могут быть превышены в течение определяемых пользователем фиксированных промежутков времени, в каждой точке тестового полигона.

В SEISRISK III землетрясения моделируются, в виде точек, располагающихся случайным образом внутри поверхностных зон возникновения очагов землетрясений (ВОЗ), и(или) разрывов конечной длины, случайно происходящих вдоль линейных разломов.

Предполагается, что любая точка внутри зоны ВОЗ может с равной вероятностью стать эпицентром будущего землетрясения. Для устранения

скачкообразного изменения сейсмичности при переходе через границы смежных зон каждая точка, лежащая внутри зоны, рассматривается как математическое ожидание местоположения эпицентра землетрясения, с эпицентрами возможных землетрясений, нормально распределенными в ее окрестности. Если а является стандартным отклонением, а (Хе, Ус) -математическим ожиданием местоположения эпицентра землетрясения, то вероятность возникновения землетрясения в окрестности А точки (Хе + Ах, Уе + Ду) равна:

Ра(Ах,&у) = ^), ( 3.1 )

при этом расположение не только эпицентров возможных землетрясений, но и самой зоны ВОЗ, в пределах которой они ожидаются, подчиняется нормальному распределению. Повторяемость показателей сотрясаемости, например, ускорений, в некотором интервале щ-г < а <. aj с учетом неопределенности местоположения эпицентров землетрясений равна:

„ Z, Z, »<4,Л)р[№ + М*Д + МЛ.У]

I..Z, »<*„*,>-•<»>

ще р[(Х\ + к\ dx, Yi + кг dy), J] - повторяемость ускорений в интервале aj-i < а < aj, вычисленная в точке (Xi + к\ dx, Y\ + кг dy) без учета неопределенности (т.е. для исходных сейсмически однородных зон ВОЗ), w(k 1, кг) - вес, приписываемый этой повторяемости,

+ к\с

dxdy k\dx" + k22dy2

—*—2 У (3-3)

Для определения величин показателей сотрясаемости с учетом неопределенности местоположения эпицентров землетрясений первоначально рассчитываются соответствующие значения в предположении, что землетрясения происходят случайно внутри сейсмически однородных зон ВОЗ и(или) вдоль линейных разломов. События в зоне ВОЗ (на разломе) подчиняются распределению Пуассона и частота их возникновения остается постоянной в течение всех рассматриваемых промежутков времени. Среднее

значение (или медиана) показателя сотрясаемости в каждой точке полигона есть функция, возрастающая от магнитуды землетрясения и убывающая от расстояния до него. Сейсмические события считаются происходящими в определенном для каждой зоны (разлома) интервале магнитуд, характеризующимся максимальной /итах, минимальной то магнитудами, и шагом Ат. Все возможные мапштуды событий представляются в виде набора п дискретных магнитуд ти Повторяемость землетрясений, т.е. их. количество в единицу времени, внутри зоны (на разломе) в каждом интервале машитуд определяется пользователем в виде соотношения Гутенберга-Рихтера:

\о^т=а~Ьт, (3.4)

Функция затухания задается в виде таблицы. Для заданных зон ВОЗ и(или) разломов, повторяемости землетрясений в(на) них и функции затухания в каждой точке координатной сетки тестового полигона определяется средняя годовая частота возникновения (повторяемость) показателей сотрясаемости, например, ускорений, во всех интервалах а/-1 <а<щ, 1 <] ^ 55.

В модели "разлом - разрыв" разлом представляется в виде одной или нескольких отдельных ломаных, составленных из прямолинейных сегментов-отрезков. Землетрясения, происходящие вдоль разлома, распределяются между его участками пропорционально их длинам. Разрыв, моделирующий землетрясение, может с равной вероятностью располагаться в любом месте разлома и занимать сразу несколько его прямолинейных сегментов, но не должен выходить за пределы самого разлома. Длина разрыва /¡(»0 есть функция магнитуды т землетрясения и логнормально распределена относительно своей медианы /(т) со стандартным отклонением от. БЕКЛШК Ш осуществляет частичное "магнитудное" сглаживание повторяемостей показателей сотрясаемости от ближайших разрывов, при котором последние представляются как соответствующие не одному дискретному значению магнитуды пц, а некоторому интервалу машитуд. Программа обладает способностью моделировать искусственные параллельные

разломы и может производить частичное "дистанционное" сглаживание, для имитации их равномерного распределения.

Вариации показателей сотрясаемости в БЕГЗЩБК Ш моделируются из допущения, что последние, обусловленные землетрясениями с заданной магнитудой, происходящими на заданном расстоянии, логнормально распределены относительно своих медиан.

Если для данной точки полигона определена средняя годовая частота возникновения (повторяемость) показателей сотрясаемости, например, ускорений, в интервале а;-1 < а < а], 1 < у' < 55, то £х[а/], повторяемость ускорений а > ц (т.е. годовая частота превышения ускорения ар, будет равна

55

Ех[а]]= (3.5)

ще р*(г) - повторяемость ускорений в интервале сц-\ < а < щ. Годовая частота

Ех(а) превышения ускорения а определяется в программе путем интерполяции

£х[а/]. Для сейсмических событий, происходящих в соответствии с

распределением Пуассона с коэффициентом // = Ех(а), вероятность

непревышения ускорения а в течение ? лет определится как

Р(О,0 = ехр[-&(а)Г]. ( 3.6 )

После логарифмирования правой и левой частей ( 3.6 ): _ . . 1п[Р(0,0]

Ех{а) =----. ( з.7 )

Величина а, удовлетворяющая ( 3.7 ), есть для данной точки уровень ускорения, который с вероятностью р = Р(0, 0 не может быть превышен в течение периода времени г. В БЕКИБК Ш задаются единственное значение вероятности р и несколько (до 20) периодов времени г, для которых во всех точках координатной сетки полигона рассчитываются соответствующие уровни выбранного пользователем показателя сотрясаемости.

При самостоятельном функционировании программа БЕКШЗК III не предусматривает возможности визуализации выходных данных, что существенно усложняет их просмотр, контроль и последующую обработку.

Подобная ограниченность программы была устранена путем ее адаптации к среде ГИС "АТТИЛА" на основе модульного строения последней, при этом по отношению к ГИС 8Е15Ш5К III выступала в качестве внешней программы. Открытость ГИС "АТТИЛА" для любых типов и форматов данных, гибкость и наращиваемость ее структуры позволяют при наличии внешней программы сконструировать любую технологическую цепь - последовательность модулей, необходимую для конкретного приложения.

Глава 4. Сейсмическое районирование в среде ГИС "АТТИЛА".

В начале главы рассмотрены традиционные методы сейсмического районирования. Показано, что одной из причин, снижающих качество составляемых карт, является отсутствие целостной методологии и оптимальных научно-методических основ сейсмического районирования. Достоверность результатов сейсмического районирования существенным образом зависит от широты и многообразия привлекаемых исходных данных (сейсмологических, геофизических, геологических, геоморфологических и др.), однако агрегация последних может быть достигнута различными способами. В общепринятых методах сейсмического районирования, вследствие преимущественного использования "бумажной" технологии картирования, при обработке информации не делается различия между двумя типами данных:

- геофизическими, геологическими и геоморфологическими данными, которые могут считаться неизменными, поскольку характеризуются постоянными времени, на несколько порядков превышающими временные периоды, для которых обычно производится сейсмическое районирование;

- сейсмологическими данными, представленными прежде всего каталогами землетрясений, которые принадлежат к открытой временной последовательности, что в первую очередь обуславливает практическую важность сейсмического районирования.

Традиционная технология сейсмического районирования предполагает первоначальную статистическую обработку данных по сейсмическим событиям

и последующую коррекцию полученных результатов с учетом геофизических, геологических и геоморфологических данных. При этом хорошо параметризованные, но требующие постоянного обновления сейсмологические данные оказываются необратимо объединенными с существенно более интерпретативными и хуже параметризованными геолого-геофизическими данными. Вследствие этого становится весьма затрудненной какая-либо коррекция результатов сейсморайонирования на основе вновь полученных сейсмологических данных и уточненных представлений о геофизических, геологических и геоморфологических особенностях районируемой территории.

Был применен новый технологический подход, базирующийся на концепции многоцелевой многодисциплинарной интегрированной (растр/вектор) модульной ГИС, при котором агрегация данных осуществляется в динамическом режиме, так что различные типы данных, модели, алгоритмы и соотношения не оказываются поглощенными окончательными результатами и вследствие этого неподдающимися обратному восстановлению. Модульный характер применяемой ГИС позволяет оперативно обновлять данные по сейсмическим событиям, модернизировать, дополнять и перестраивать технологические схемы расчета параметров сейсмической опасности без риска уничтожения ранее полученных выходных данных и оценивать таким образом стабильность результатов сейсморайонирования по отношению к изменениям исходной информации, используемых моделей и алгоритмов.

Подробно описана разработанная технологическая схема сейсмического районирования в среде ГИС "АТТИЛА" на основе сейсмологических данных с использованием метода оценки сейсмической опасности Бендера-Перкинса и его компьютерной реализации в виде программы SEISRISK III. Для апробирования различных вариантов технологического процесса обработки данных в условиях использования единой модульной ГИС рассмотрены две задачи сейсмического районирования Крым-Кавказского региона и о. Сахалин, представленных сейсмически однородными поверхностными зонами ВОЗ

("Catalog of Earthquakes in the USSR" [ Kondorskaya N.V., Shcbciiin N.V., Gvishiani A.D., 1982 ]) и линейными активными разломами (новейшая карта активных разломов), соответственно.

Созданы экспериментальные прототипы базовых карт сейсмического районирования Крым-Кавказского региона и о. Сахалин, характеризующихся исходными сейсмологическими данными различной структуры (рис. 1, 2). Показано, что полученные карты могут являться основой для построения усовершенствованных карт в дальнейших исследованиях.

В этой главе описаны разработанные технологические схемы расчета и картирования в среде ГИС "АТТИЛА" модельных интенсивностей на основе пшоцентральных данных и уравнений макросейсмического поля применительно к трем направлениям:

- определение модельных (ожидаемых) зон поражения для отдельного сейсмического события или их группы, в частности, для новейших событий, зарегистрированных службами сейсмических наблюдений;

- определение модельных (без вероятностных оценок) значений интенсивности по данным каталогов землетрясений и исследование влияния исходного каталога или выборки из него по магнитудным и временным интервалам на результаты картирования;

- определение модельных значений интенсивности по данным прогностических каталогов землетрясений.

Поскольку в выполняемых службами сейсмических наблюдений срочных определениях эпицентров землетрясений координаты и параметры новейшего сейсмического события рассчитываются неоднозначно, а местоположение эпицентра задается в виде равновероятной области, чрезвычайно важно оперативно оценить наихудший вариант, характеризующийся максимальным поражением, которое соответствует положению эпицентра на границе

вероятностного эллипса эпицентров и наибольшему из рассчитанных значений магнитуды. Средства ГИС позволяют генерировать зоны максимального (эпицентр на границе эллипса, максимальная магнитуда) и минимального (эпицентр в геометрическом центре эллипса, минимальная магнитуда) ожидаемых поражений. Рис. 3 иллюстрирует обработку параметров 4 сильнейших толчков землетрясения в районе Курильских островов по данным Европейско-Средиземноморского сейсмологического центра (European-Mediterranean Seismological Centre (EMSC)), полученным через нескольких часов после каждого толчка. Обработка данных по новейшим сейсмическим событиям в многодисциплинарной интегрированной юеоинформационной среде обеспечивает возможность объединения данных о модельных величинах показателей сотрясаемости грунта и соответствующем пространственном распределении ожидаемых зон поражения с информацией техногенного характера. Это позволяет значительно расширить возможности системы и круг решаемых задач: поддержка принятия решений, моделирование сценариев и прогнозирование чрезвычайных ситуаций.

В исследовании влияния магнитудных и временных выборок из каталогов землетрясений на результаты картирования модельных интенсивностей для тестового полигона, включающего Крымский полуостров, Кавказ, Копетдаг и Северную Анатолию, на основе "Унифицированного каталога землетрясений Северной Евразии (до 1990 г.)" [ Кондорская Н.В. и др., 1993 ] в среде ГИС "АТТИЛА" определены: нижний порог магнитуды, реально влияющий на пространственное распределение модельных интенсивностей; необходимая глубина выборки по времени, обеспечивающая представительность для различных мапгатуд; тенденции пространственной миграции сейсмичности.

Показано:, по магнитудным выборкам, соответствующим М >5 и М ¿6, могут быть получены достаточно достоверные карты распределения модельных интенсивностей, при этом объем обрабатываемых данных (количество событий в выборке) уменьшается в 5-10 раз по сравнению с исходным (полным)

каталогом; временная выборка, соответствующая последним 500 годам (14911990 гг.) и всем магнитудам (М > 3), обеспечивает представительность сейсмических событий высоких магнитуд, оказывающих доминирующее воздействие на пространственное распределение модельных интенсивностей.

По данным прогностического каталога, полученного на основе метода долгосрочного синоптического прогноза сейсмической обстановки [ Уломов В.И., 1993 ] и описывающего предполагаемые координаты, магнитуду и ориентацию 149 потенциальных очагов землетрясений (ПОЗ) с М = 6 - 8 для Крым-Кавказ-Копетдагского региона, в среде ГИС "АТТИЛА" определены модельные зоны поражения прогнозных сейсмических событий. Их пространственное распределение сравнено с существующими картами сейсмического районирования, а также с картой модельных интенсивностей по данным "Унифицированного каталога". Средства ГНС "АТТИЛА" позволили интегрировать с целью совместной интерпретации и обработки сейсмологические данные, разнородные по геофизическому содержанию: строго детерминированные, описывающие уже происшедшие события данные из каталогов землетрясений, и данные вероятностного характера, отражающие результаты долгосрочного прошоза сейсмической обстановки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Результатом работы является завершенная разработка технологической основы, программных средств, методических и технологических схем решения задач оценки сейсмической опасности с помощью многоцелевой многодисциплинарной интегрированной (растр/вектор) модульной географической информационной системы (ГИС).

2. Разработаны специализированные программные модули многоцелевой многодиецнплинарной интегрированной ГИС для реализации базовых звеньев технологических схем сейсмического районирования с использованием вероятностных и детерминистских алгоритмов сейсморайонирования.

3. Разработана технологическая схема сейсмического районирования в среде ГИС на основе сейсмологических данных с использованием метода оценки сейсмической опасности Бендера-Перкинса и его компьютерной реализации в виде программы SEISRISK III. Технология применена для создания экспериментальных прототипов базовых карт сейсмического районирования Крым-Кавказского региона и о. Сахалин, представленных исходными сейсмологическими данными различной структуры. Вновь разработанные экспериментальные прототипы карт сейсморайонирования о. Сахалин показали более достоверное соответствие данным о новейших сейсмических событиях по сравнению с существующей картой ОСР-78. Полученные карты могут являться основой для построения их усовершенствованных вариантов в дальнейших исследованиях, в частности, путем оперативного включения данных по новейшим землетрясениям.

4. Предложена технология расчета и картирования в среде ГИС модельных интенсивностей на основе шпоцентральных данных и уравнений макросейсмического поля.

Разработанная технология апробирована применительно к данным срочных донесений служб сейсмических наблюдений на примере бюллетеней Европейско-Средиземноморского сейсмологического центра (European-Mediterranean Seismological Centre (EMSC)) и Центра сейсмической информации Оггытно-методической экспедиции ОИФЗ РАН "Обнинск". Она позволяет оперативно определять ожидаемые зоны поражения для новейших событий, зарегистрированных этими службами. Обработка данных по новейшим сейсмическим событиям в многодисциллинарной интегрированной геоинформационной среде обеспечивает возможность объединения и сопоставления данных о модельных величинах показателей сотрясаемости грунта и соответствующем пространственном распределении ожидаемых зон поражения с существующими на момент события схемами сейсморайонирования, оперативными данными макросейсмических

наблюдений и информацией техногенного характера (местоположение уязвимых объектов техносферы и др.)- Это позволяет значительно расширить возможности системы и круг решаемых задач: уточнение карт сейсмического районирования и моделей макросейсмического поля, поддержка принятия решений, моделирование сценариев и прогнозирование чрезвычайных ситуаций. Среднее время обработки данных одного срочного донесения с получением готовой карты ожидаемых зон поражения заданной интенсивности составляет около 2 минут на персональном компьютере типа ШМ РС 386.

5. С помощью аналогичной технологической схемы проведены расчет и картирование модельных интенсивностей с использованием существующих и прогностических каталогов землетрясений.

Для. тестового полигона, включающего Крымский полуостров, Кавказ, Копетдаг и Северную Анатолию, на основе "Унифицированного каталога землетрясений Северной Евразии (до 1990 г.)" в среде ГИС определены нижний порог мапштуды, существенный для пространственного распределения модельных интенсивностей и рекомендованная глубина выборки по времени, обеспечивающая представительность для различных магнитуд. Показана применимость предложенной технолоши к исследованию тенденций пространственной миграции сейсмичности.

По данным прогностического каталога, полученного на основе метода долгосрочного синоптического прогноза сейсмической обстановки и моделей потенциальных очагов землетрясений (ПОЗ) для Крым-Кавказ-Копетдагского региона, в среде ГИС определены модельные зоны поражения прогнозных сейсмических событий. Их пространственное распределение сравнено с существующими картами сейсмического районирования, а также с картой модельных интенсивностей по данным "Унифицированного каталога".

6. Технология многоцелевой многодисциплинарной интегрированной модульной ГИС может быть эффективно применена для решения задач оценки сейсмической опасности и сейсмического районирования. Она обеспечивает

реализацию целостной унифицированной методологии, апробированных и вновь разработанных алгоритмов расчетов, способствует формулированию и проверке новых гипотез, существенно облегчает и ускоряет генерацию, воспроизведение и сравнение результатов сейсморайонирования для различных исходных данных. Технологический подход, базирующийся на концепции ГИС, позволяет оперативно обновлять данные по сейсмическим событиям, модернизировать, дополнять и перестраивать технологические схемы расчета параметров сейсмической опасности без риска уничтожения ранее полученных выходных данных и оценивать таким образом стабильность результатов сейсморайонирования по отношению к изменениям исходной информации, используемых моделей и алгоритмов. Средства ГИС позволяют интегрировать с целью совместной интерпретации и обработки разнородные сейсмологические данные: строго детерминированные, описывающие уже происшедшие события данные из каталогов землетрясений, и данные вероятностного характера, отражающие результаты долгосрочного прогноза сейсмической обстановки.

!@э

5

____\?

Шв

Рис. 1. Сравнение в среде ГИС "АТТИЛА" карт сейсмического районирования Крым-Кавказского региона, разрешение 10': на растровую ОСР-78 наложена преобразованная в векторные изолинии экспериментальная

г г

Лг

У44^. У» <Р"

Рис. 2. Растровые карты экспериментального сейсмического районирования о. Сахалин (р = 0,9, 07 = 0,2), разрешение 10': а - / = 100 лет; б - г = 500 лет; в - / = 1000 лет

а б

Рис. 3. Расчет и картирование в среде ГИС "АТТИЛА" модельных интенсивностей по результатам срочных определений эпицентров: а - модельные изосейсты / = 7 и выше, рассчитанные для случая максимального ожидаемого поражения, в векторном формате; б - ожидаемые зоны поражения интенсивности / = 7 и выше от всех четырех толчков (серый) и / = 9 от толчка 04.10.1994 г., 13:22:56 (темно-серый), в растровом формате, разрешение 10'