Землетрясения
Введение
Землетрясения по своим разрушительным последствиям, числу жертв и деструктивному воздействию насреду обитания человека занимают одно из первых мест среди других природных катастроф. Они обусловлены продолжающейся сотни миллионов лет глобальнойэволюцией литосферы нашей планеты. На территории Северной Евразии все геодинамические и сейсмические процессы тесно связаны со взаимодействием восьмикрупных литосферных плит - Евразийской, Африканской, Аравийской, Индостанской, Китайской, Тихоокеанской, Охотоморской и Северо-Американской.
Предотвратить землетрясения невозможно, однако их разрушительные последствия и количествочеловеческих жертв могут быть уменьшены путем создания достоверных карт сейсмического районирования, применения адекватных норм сейсмостойкогостроительства и проведения в сейсмоактивных районах долгосрочной политики, основанной на повышении уровня осведомленности населения и федеральных органовоб угрозе землетрясений и умении противостоять подземной стихии.
Основными понятиями, связанными с социально-экономическими последствиями землетрясений,являются следующие.
n n Сейсмическое районирование - это картирование сейсмической опасности.Сейсмическая опасность - вероятность возникновения (превышения,не превышения) сейсмического эффекта определенной величины в данном пункте в течение заданного интервала времени(измеряется в баллах, пиковых и спектральных ускорениях и т.п.).
n n Сейсмическая уязвимость - отношение ожидаемых затрат по восстановлению объекта к егопервоначальной стоимости (измеряется от 0.0 до 1.0).Сейсмический риск - вероятность потерь от землетрясений за определенныйпромежуток времени в соответствии с сейсмической опасностью и уязвимостью объектов (число возможных жертв, экономическийи экологический ущерб и др.).
Сейсмическое районирование актуально для всех без исключения регионов России, где даже наотносительно спокойных в геологическом отношении равнинных территориях имели место, и возможны в будущем, достаточно сильные и разрушительные землетрясения.Свыше четверти территории Российской Федерации подвержено сейсмическим воздействиям, требующим проведения антисейсмических мероприятий. Значительнуюплощадь занимают чрезвычайно опасные в сейсмическом отношении 8-9-ти и 9-10-балльные зоны. К ним относятся Дальний Восток и весь юг Сибири. В европейской частистраны таким регионом является Северный Кавказ. Ощутимые и 6-7-балльные землетрясения свойственны Среднему Уралу и Приуралью, Поволжью, Кольскому полуострову и сопредельнойс ним территории. Техногенная сейсмотектоническая активизация характерна для нефтедобывающих районов Татарстана и Башкортостана.
Известны местные землетрясения и в Воронежской области, где расположена Ново-Воронежская АЭС.Угроза землетрясений с каждым годом растет по мере освоения сейсмоактивных территорий и строительства в их пределах особо ответственных сооружений.
Исследования в области сейсмического районирования базируются на детальном и комплексномизучении глубинной структуры земной коры и всей литосферы, современной геодинамики, региональной сейсмичности, сейсмотектоники и инженернойсейсмологии.Они включают в себя идентификацию сейсмоактивных структур, определение параметров их сейсмического режима и затухания генерируемого имисейсмического эффекта с расстоянием, а в итоге - вероятностный расчет и картирование сейсмической опасности на земной поверхности. В зависимости отзадач, степени детальности и масштаба исследований сейсмическое районирование может быть общим (ОСР, масштаб 1:5-млн - 1:2,5-млн), детальным (ДСР, масштаб1:500-тыс - 1:100-тыс) и микросейсмическим (СМР, масштаб 1:50-тыс и крупнее). Однако первостепенным и опорным для всех последующих построений является ОСР,основанное на региональных и межрегиональных сейсмологических и геолого-геофизических исследованиях, способствующих выявлению планетарных сейсмогеодинамическихвзаимодействий литосферных плит и блоков земной коры сейсмоактивных регионов.
Карты ОСР в генерализованном виде характеризуют степень сейсмической опасности всей территориистраны и сопредельных сейсмоактивных регионов и используются для социально-экономического планирования, рационального землепользования исейсмостойкого строительства. Только на их основе могут и должны составляться более детальные карты ДСР и СМР, учитывающие наряду с региональными локальныесейсмотектонические, сейсмические, грунтовые и другие природные условия.
Сейсмическая опасность с каждым годом не уменьшается, а растет в прямой связи схозяйственным освоением сейсмоактивных территорий и воздействием человека на литосферную оболочку Земли (строительство крупных гидротехнических сооружений,добыча полезных ископаемых и т.п.). Повышенный сейсмический риск связан и с размещением в сейсмоактивных регионах атомных электростанций и других экологическиопасных объектов, поскольку даже незначительные землетрясения могут нарушить их нормальное функционирование.
В конце прошлого и начале текущего столетия, благодаря выдающемуся вкладу отечественных ученых вмировую сейсмологию, Россия в течение многих лет играла ведущую роль в науке о землетрясениях. С именем Б.Б.Голицына связано создание прообраза современныхсейсмографов и начало систематических исследований сейсмичности и внутреннего строения Земли. Геологическую основу изучения природы землетрясений заложилиИ.В.Мушкетов и А.П.Орлов, создавшие первый российский каталог землетрясений. Углубленный анализ сейсмогеологических связей был продолжен в Сейсмологическоминституте АН СССР (родоначальник ОИФЗ) Д.И.Мушкетовым, выделившим целый ряд сейсмоактивных регионов и опубликовавшим в 1933 г. первую макросейсмическуюкарту сейсмического районирования Средней Азии.
Первая в Европе и мире официальная нормативная карта общего (обзорного) сейсмическогорайонирования всей территории бывшего СССР была опубликована в 1937г. Г.П.Горшковым, положившим начало регулярному их составлению в качестве основы,регламентирующей проектирование и строительство в сейсмоактивных районах страны. В конце 40-х годов исследования И.Е.Губина, а впоследствииГ.А.Гамбурцева, С.В.Медведева, Ю.В.Ризниченко, И.Л.Нерсесова и других ученых, привели к смене существовавшей до того времени парадигмы "сейсмическогоактуализма" ("там, где было, там и будет") и заложили основы сейсмогенетического двухстадийного метода оценки сейсмической опасности сэлементами прогноза. В соответствии с этой концепцией на первой стадии выделяются реальные и потенциальные очаговые зоны, на второй - рассчитываютсяожидаемые сотрясения на земной поверхности. Новой парадигмы придерживались практически все составители последующихкарт общего сейсмического районирования (ОСР): 1957г. (ред. С.В.Медведев, Б.А.Петрушевский),1968г. (ред. С.В.Медведев) и 1978г. (ред. М.А.Садовский). В создании двух последних карт активное участие принимали местные специалисты из бывших союзных республик и регионов.
Сейсмическое районирование - одна из наиболее сложных и чрезвычайно ответственных проблемсовременной сейсмологии. О социальной, экономической и экологической её значимости говорить не приходится. Научная же сложность этой проблемы состоит,прежде всего, в том, что она принадлежит к категории прогнозов, базирующихся на неполной информации, скудном и не всегда удачном опыте и на недостаточно четкихметодологических позициях. Поэтому каждая из составленных в прошлые годы карт сейсмического районирования территории бывшего СССР в той или иной мереоказывалась неадекватной реальным природным условиям, что наряду с некачественным строительством нанесло народному хозяйству огромный материальныйущерб и повлекло за собой многочисленные человеческие жертвы. И хотя по мере накопления дополнительной информации о землетрясениях и совершенствованиясейсмологических знаний карты сейсмического районирования обновлялись и несколько улучшались, фрагментарно они изменялись гораздо чаще, практически послекаждого крупного землетрясения в районах, показанных на картах как менее опасные в сейсмическом отношении
Такая участь постигла и действующую с 1978 г. карту ОСР-78: в течение последнего десятилетияпрактически ежегодно на территории бывшего СССР возникали разрушительные 8-9- и даже 9-10-балльные землетрясения в зонах, опасность которых по этой картеоказалась заниженной по меньшей мере на 2-3 балла. К их числу относятся катастрофическое Спитакское землетрясение 1988 г. в Армении, сопровождавшееся десяткамитысяч человеческих жертв, Зайсанское землетрясение 1990 г. - в Казахстане, Рача-Джавское 1991г. - в Грузии, Суусамырское 1992 г. - в Киргизии, Хаилинское1991 г. и Нефтегорское 1995 г. - в России (в Корякии и на Сахалине). Последнее, произошедшее на севере Сахалина, повлекло за собой гибель около двух тысяччеловек и полную ликвидацию городского поселка. Оно было самым разрушительным из известных в прошлом землетрясений на территории Российской Федерации.
Как показали исследования, карта образца 1978 года (ОСР-78) на самом деле и не была общей,поскольку составлялась фрагментарно в разных регионах и вреспубликах, по разнотипной методике и на основе разрозненного сейсмологического исейсмогеологического материала.
Практически все предыдущие карты ОСР были детерминистскими, хотя еще в середине 40-х годов С.В.Медведев предложил ввести в зоны сейсмической опасности внутреннюю дифференциацию в соответствии с периодом повторяемости сильных землетрясений ис предполагаемыми сроками службы различных типов сооружений. Однако даже карта 1978 года, в которую впервые были введены вероятностные характеристикиповторяемости сотрясений, на самом деле не давала адекватных оценок сейсмической опасности. Индексы 1, 2 и 3 возле номиналов в зонах балльности наодной и той же карте, якобы отражающие повторяемость сейсмических сотрясений один раз в 100, 1000 и 10000 лет, явились одной из причин низкой надежностиэтой карты. Как показали последующие расчеты, в результате такой индексации реальный инженерный риск, определяемый картой ОСР-78, оказался не единым длявсех сейсмоопасных районов страны.
В последние годы идеи вероятностно-детерминированного прогнозирования опасных сейсмических идругих геологических процессов начали все активнее внедряться в сейсмологию и в практику строительства в нашей стране. С учетом этих достижений и результатовсобственных исследований было принято решение создать не одну карту с различными индексами, как это было сделано составителями карты ОСР-78, акомплект нормативных карт Общего сейсмического районирования (ОСР-97) территории Российской Федерации, предназначенных для строительных объектовразных категорий ответственности и сроков службы и отражающих равномерную для конкретного уровня риска расчетную интенсивность сотрясений.
Основные положения общего сейсмического районирования - ОСР-97.
Значительную часть указанных выше недостатков и упущений удалось избежать при выполнении в1991-1997 гг. комплексных исследований по общему сейсмическому районированию территории Российской Федерации и всей Северной Евразии, охватывающей такжетерриторию бывших союзных республик (фиг. 10). Исследования проводились по программе "Сейсмичность и сейсмическое районирование СевернойЕвразии", разрабатываемой под руководством ОИФЗ РАН в рамках Государственной научно-технической программы России "Глобальные изменения природной средыи климата" и явились продолжением работ по сейсмическому районированию территории бывшего СССР, однако выполнялись на ином концептуальном,методологическом и научно-организационном уровне.
Новая программа работ по общему сейсмическому районированию выполнялась большим коллективомсоисполнителей из нескольких десятков научно-исследовательских институтов Российской Академии наук и академий наук бывших союзных республик (см. список вконце статьи). Оценка сейсмической опасности и сейсмическое районирование осуществлялась не для фрагментов сейсмоактивных регионов или для отдельныхреспублик, как было прежде, а для всей Северной Евразии, охватывающей территории России, Украины, Беларуси, Молдовы, республик Закавказья, СреднейАзии и Казахстана. Вся территория Северной Евразии была разделена на несколько крупных регионов взамен многочисленным и мелким административнымподразделениям, традиционно на протяжении десятилетий использовавшихся при изучении сейсмичности и сейсмическом районировании территории бывшего СССР.
В 1992 г. Программа "Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии" быласкоординирована с новой Международной программой оценки глобальной сейсмической опасности (Global Seismic Hazard Assessment Program - GSHAP) и вошла в неесоставной частью. После организационного совещания в Москве в 1993 г., при финансовой поддержке INTAS и Миннауки России, на территорииКрым-Кавказ-Копетдагского региона был создан международный тестовый полигон GSHAP с целью совершенствования методов оценки сейсмической опасности. В этихисследованиях приняли участие сейсмологи из бывших союзныхреспублик, а также специалисты из Ирана, Турции, Китая, Италии, Германии, Швейцарии и другихстран-участников работ по GSHAP.
В результате комплексных исследований 1991-1997 гг. получен унифицированный исходныйсейсмологический и сейсмогеологический материал по всей территории Северной Евразии, позволивший с принципиально новых позиций подойти к изучению структурырегиональной сейсмичности и оценке сейсмической опасности на территории России и каждого из Содружества независимых государств (СНГ).
Разработана целостная методология районирования сейсмической опасности, создана единая длявсей территории Северной Евразии модель зон возникновения очагов землетрясений (зоны ВОЗ), выявлены определенные закономерности в пространственно-временном иэнергетическом развитии региональных сейсмогеодинамических процессов, разработаны новые методические подходы к идентификации и сейсмологическойпараметризации очаговых зон, а также к расчету сейсмического эффекта, создаваемого ими на земной поверхности. На основе этой и другойгеолого-геофизической информации создан единый электронный банк данных, использующий современную Географическую информационную систему (ГИС). Благодаряэтому все карты и приложения к ним легко могут быть представлены графически в любой проекции и в любом масштабе, но не крупнее масштаба 1:2.500.000,исходного при всех построениях.
Концепция ОСР-97 включает в себя:
n n представления о предельной величине максимальной возможной магнитуды землетрясений,обусловленной структурно-динамическим единством геофизической среды и развивающихся в ней сейсмических процессов, а в итоге - размерами, прочностнымисвойствами и интенсивностью взаимодействия геоблоков;принцип двухстадийности в оценке сейсмическойопасности, базирующийся на создании двух взаимосвязанных прогнозных моделей - модели зон возникновения очагов землетрясений и модели создаваемого ими сейсмического эффекта;
n вероятностно-детерминированный подход к оценкам исходных и выходных данных сейсмической опасности и сейсмическогорайонирования.Основой для создания комплекта карт ОСР-97, наряду с новой методологией, явилась достаточно однородная база сейсмологических игеолого-геофизических данных для всей территории Северной Евразии, представленная в картографическом и электронном виде в ГИС-технологии - ArcViewGIS (отв. исполнители: В.И. Уломов, Ш.С. Андержанов, Ю.М. Колесников). База данных включает в себя:
n n Специализированный каталог землетрясений Северной Евразии с М>= 4.5 сдревнейших времен по 1990 г., с М>= 3.5 - с 1960 по 1990 гг. и с М>= 5.8 за период 1991- 1995 гг. (отв. редакторы Н.В. Кондорская и В.И. Уломов).Каталог очагов палеоземлетрясений (сост. А.А. Никонов,Е.А. Рогожин).
n n Каталог потенциальных очагов крупных землетрясений (отв. сост. Г.И. Рейснер, Е.А. Рогожин, Л.И. Иогансон).Каталог механизмов очаговземлетрясений с М>= 6.0 Северной Евразии (отв. сост. Л.М. Балакина, А.И. Захарова, А.Г. Москвина).
n n Карта очаговой сейсмичности Северной Евразии (отв. сост. В.И. Уломов, Н.С. Медведева,Л.С.Шумилина, Т.П.Полякова).Карта сейсмической регионализации Северной Евразии (сост. В.И. Уломов).
n n Карта новейшей тектоники Северной Евразии (гл. ред. А.Ф. Грачев).Карта активных разломовСеверной Евразии (отв. ред. В.Г. Трифонов, А.И. Кожурин).
n n Карта сейсмогеологической таксономии территории Северной Евразии (отв. сост. Н.В.Шебалин, В.Г. Трифонов).Карта сейсмотектоникишельфов (отв. сост. И.П. Кузин, А.И. Иващенко, Б.А. Ассиновская).
n n Методология идентификации и сейсмологической параметризации зон возникновения очагов землетрясений (отв. исп. В.И.Уломов).Картазон возникновения очагов землетрясений (линеаментно-доменно-фокальная модель) на территории Северной Евразии и характеристикаих сейсмического режима (отв. ред. В.И. Уломов).
n n Программно-математическое обеспечение расчетов сейсмической опасности (отв.исп. А.А. Гусев, В.М. Павлов, Л.С. Шумилина).Матрица цифровой информации о повторяемости сотрясений разнойинтенсивности в узлах квадратной сетки с ячейками 25х25 км2, покрывающей всю территорию Северной Евразии (отв. сост. Л.С. Шумилина, Ш.С.Андержанов, Ю.М. Колесников, Н.С. Медведева).
n Комплект карт районирования сейсмической опасности на территории Северной Евразии для трех уровней риска (отв. сост. В.И. Уломов, Л.С.Шумилина)Принципиальным отличием новой методологии от прежних приемов сейсмического районирования (и в том числе, от современных западных) являетсяпредставление сейсмических очагов в виде протяженных (а не точечных) источников землетрясений, используемое на всех этапах исследований по ОСР-97 - отидентификации сейсмоактивных структур и пространственного распределения очагов разных магнитуд до расчета сейсмической сотрясаемости земной поверхности.Осуществлен учет разнообразной нестандартной информации о региональной сейсмичности (структурирование поля сейсмичности, нелинейность графиковповторяемости землетрясений и затухания сейсмического эффекта и др.) и о сейсмических очагах (размер, ориентировка, моментные магнитуды, сброшенноенапряжение, размещение очагов в сейсмоактивном слое, а не на фиксированной глубине, как прежде и др.).
Использование при расчетах сейсмической сотрясаемости повышенных значений частоты возникновенияземлетрясений с Ммах>= 6.5, наблюдаемых в каждом из сейсмоактивных регионов, привело к более реалистичным оценкам сейсмической опасности по сравнению ссильно заниженными прежними оценками карты ОСР-78.
Усовершенствована методика расчета сейсмической опасности, позволяющая оперировать протяженнымисейсмическими очагами и вычислять амплитуды высокочастотных сейсмических колебаний путем расчета поля излучения вокруг двумерного прямоугольногонекогерентного излучателя. Для учета влияния большого числа статистически зависимых факторов применена техника счета по Монте-Карло на основепротяженного во времени случайного каталога землетрясений.
Разработаны и созданы две основополагающие модели, необходимые для оценки сейсмической опасностии общего сейсмического районирования Северной Евразии (СЕА):
а) модель зон возникновения очагов землетрясений (зоны ВОЗ), включающая в себя три основныеструктурные элемента каждого из сейсмоактивных регионов - линеаменты, домены и потенциальные очаги
землетрясений, параметризованные в соответствии с долговременным средним сейсмическим режимомкаждого из регионов СЕА;
б) модель сейсмического эффекта, создаваемого всеми структурными элементами зон ВОЗ иопределяющего сейсмическую сотрясаемость земной поверхности.
Созданный Комплект карт ОСР-97 позволяет оценивать степень сейсмической опасности на трех разныхуровнях (А, В, С) в средних грунтовых условиях, характерных для соответствующих регионов. Для территории Российской Федерации этот комплект принят ГосстроемРоссии для использования в Строительных нормах и правилах (СНиП) "Строительство в сейсмических районах":
Карта ОСР-97-А - соответствует 90%-ной вероятности не превышения расчетной интенсивности в течение 50 лет (или10%-ной вероятности превышения) может быть предназначена для массового гражданского и промышленного строительства;
Карта ОСР-97-В - соответствует 95%-ной вероятности не превышения расчетной интенсивности в течение 50 лет (или5%-ной вероятности превышения) - для объектов повышенной ответственности;
Карта ОСР-97-С - 99%-ной вероятности не превышения расчетной интенсивности в течение 50 лет (или 1%-нойвероятности превышения) - для особо ответственных объектов.