к

к.г.-м.н. Лютоев В.А.

Институт геологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар

Сейсмическое районирование платформенных территорий (на примере Республики Коми)

В последние годы все чаще появляются критические экспертные высказывания о методологии составления карт сейсмического районирования и прогнозной оценки сейсмичности. Эти замечания связаны с неудовлетворительными результатами нормативного определения балльности изучаемых территорий и перспектив долгосрочного, тем более краткосрочного и среднесрочного прогноза землетрясений. Так же большая проблема существует в сфере изучения сильных движений грунта в эпицентральной области землетрясения [3, 4, 9].

Таким образом, вновь становится актуальным вопрос о концептуальных изменениях решения задач сейсмического районирования на всех его стадиях. Отметим вкратце их основные недостатки:

1) превышение силы сейсмического толчка относительно указанной максимальной балльности на картах общего сейсмического районирования (ОСР);

2) нет должного внимания при определении регламента проведения детального сейсмического районирования (ДСР);

3) формальный подход к сейсмическому микрорайонированию (СМР), к тому же до конца не решена проблема классификации грунтов с точки зрения инженерно-геологических условий при строительстве в сейсмически опасных районах.

На начальном этапе исследований нормативная карта сейсмического районирования строилась на основе статистических данных инструментально зарегистрированных землетрясений и исторических сведений о произошедших сейсмических событиях, т.е. применялась детерменистская методология. Вся территория изучаемой области разделялась на широкие зоны различной балльности, при этом сейсмотектонические условия не учитывались [2]. В результате такого подхода многие районы на карте ОСР оказались обозначенными как безопасные ошибочно. В настоящее время эти карты несколько видоизменены - территории делятся на зоны с разной вероятностью проявления землетрясений {0.1, 0.05, 0.01} в течение 50 лет (500, 1000, 5000), т.е. произошло изменение первоначальной парадигмы на вероятностную, но основная концепция сейсморайонирования фактически осталась такой же [4, 12]. Учитывая, что карта ОСР-97 является мелкомасштабной, то она может служить только для принятия первоначальных стратегических решений в области строительных норм и правил и являться некоторой отправной точкой для последующего ДСР.

Принципиально новый подход в сейсмическом районировании предполагает понятие о сейсмогенной зоне, как активном тектоническом разрыве земной коры [3, 6]. В результате этого нововведения существенно улучшился долгосрочный прогноз землетрясений. Главной отличительной особенностью от предыдущих методов является учет сейсмотектонических условий, которые позволяют строить карты фактически любого масштаба в зависимости от степени геолого-тектонической изученности района и наличия сведений о произошедших землетрясениях [3].

В настоящий момент существует несколько способов проведения СМР, которые можно разделить на две крупные группы:

1) инструментальные исследования определения приращения балльности относительно средних грунтов;

2) расчетный способ, связанный с испытанием кернового материала на сдвиговые деформации и последующим пересчетом в значения упругих скоростей.

В том и другом случае используется метод сейсмических жесткостей, который применяется наиболее часто как самый простой [13]. Кроме того есть и другие способы проведения СМР, но в силу ограниченной возможности они используется далеко не всегда, например, такие как основывающиеся на сильных и слабых землетрясениях, а также на искусственных источниках сейсмического воздействия на грунт.

В настоящее время многие страны отказались от краткосрочного и среднесрочного прогноза землетрясений ввиду того, что прогноз сейсмических событий в относительно короткий промежуток времени маловероятен [10]. Весь энергетический и экономический потенциал они направили на предупреждение последствий от землетрясений, прежде всего за счет антисейсмичного строительства, выбора площадок строительства вдали от сейсмически активных зон, оползневых участков, слабых грунтов, удаленности от прибрежных зон действия цунами и др. видов предосторожности. По их мнению, практические и теоретические усилия изучения сейсмичных областей необходимо направить на оптимизацию сейсмического районирования в угоду долгосрочного предупреждения последствий сейсмических событий.

Что касается нас, то мы придерживаемся концепции выявления сейсмогенных зон – зон разрывов, где формируются довольно сильные сейсмические толчки с магнитудой М ≥ 4.5, эта величина нами выбрана в силу того, что в платформенных зонах со слабо выраженной сейсмичностью обычно не осуществляется сейсмостойкое строительство, однако при определенных геологических условиях сила с таким сотрясением может привести к невосполнимым материальным и людским потерям. Особенно касается это северных территорий, где грунты постледникового периода до конца еще не успели пройти все стадии уплотнения. Хотелось бы здесь сразу отметить, что на сейсмотектонической основе нами было проведено сейсмическое районирование Республики Коми в период с 1996 по 2001 годы [6]. Тогда мы исходили из того, что геологическая среда, способная инициировать очаги землетрясений, подчиняется одним и тем же физическим процессам, связанным с упругими свойствами геологической среды как на платформенных, так и в геосинклинальных областях. Отличие физико-сейсмотектонической модели их состоит в том, что в геосинклинальных областях геологические блоки более раздроблены, а значит мобильнее в пространственном движении, реверсивные скорости перемещений выше платформенных. С другой стороны эти области обладают большей диссипативной способностью, чем платформенные [5]. Однако диссипативные процессы не обеспечивают полного высвобождения упругих сил разрушения от нарастающих сил деформации, и как следствие происходят более частые сейсмические толчки в отличие от платформенных областей, где диссипация протекает с меньшей скоростью, но реверсивная скорость движения геологических блоков в разы ниже (хотя однонаправленная может быть и выше), что позволяет сохранять целостное состояние горных пород на глубине даже в зонах более вероятного возникновения сейсмического толчка при других условиях. Т.е. на процесс формирования очага землетрясения в земной коре влияют три основных фактора: упругие свойства, диссипативные особенности, реверсивная скорость. Есть еще второстепенные (вспомогательные) факторы, к ним мы относим: возраст горных пород – с возрастом снижается их прочность за счет роста трещин – , наличие флюида в трещинах, что снижает величину касательного напряжения к сдвиговой деформации. В дальнейшем возникла идея по разработке методики для определения диссипативных особенностей геологических структур, как одной из наиболее важной составляющей проявления сейсмичности. Она была основана на предположении о возможности влияния атмосферного давления на микросейсмические процессы в геологических структурах [7]. В результате замеров двух функциональных величин амплитуд микросейсм и атмосферного давления в реальном времени, с последующим сопоставлением трендовых величин эффективных амплитуд микросейсмических смещений от величины и скорости смены атмосферного давления, а далее и сопоставления частот с ними – были решены совместные уравнения для определения ряда эффективных параметров геологических структур, связанных с их диссипативными процессами (сдвиг во времени амплитуд и частот по отношению к началу смены давления) [7]. Масштаб исследований был выбран исходя из соотношения длины волн используемых микросейсм и размеров геологических структур с учетом глубины источника возмущения; к наиболее подходящим были отнесены геологические структуры первого или второго порядка. Таким образом, сейсмологическая съемка с помощью микросейсм осуществлялась по принципу: два пункта наблюдения в пределах одной геологической структуры. Вторая идея, относящаяся к важной составляющей при выполнении задач сейсмического районирования, связана с определением возможных глубин очагов землетрясений. В предыдущей работе 2001 г. глубины были определены без расчета упругих составляющих геологической среды, брались только значения аномальных изменений скоростей и плотностей горных пород по глубине сейсмо-плотностного разреза. По истечении некоторого времени, нами было замечено, что данный контекст не совсем корректен, в виду большой ошибки точности определения возможного очага землетрясения, что проявляется из-за отсутствия возможности анализа многофакторных влияний между упругими скоростями и плотностью геологической среды. Позднее, в 2010 г., на основе данных глубинного сейсмического зондирования (ГСЗ) нами были проведены расчеты упругих составляющих горных пород по сейсмоструктурным этажам [1, 8, 11]. В итоге были получены емкостные упругие параметры, которые количественно могли охарактеризовать сейсмический разрез в пространстве и указать глубины накопления и расходования сейсмической энергии в разрезе земной коры.

В заключение можно сказать, что карта-схема сейсмического районирования, выполненная нами на основе определения сейсмогенных зон, на настоящий момент все еще отвечает своим требованиям. Это можно видеть из того, что все землетрясения, зарегистрированные в пределах Республики Коми за последние тринадцать лет, попадают не только в указанные на схеме активные зоны, но и в зоны долгосрочного прогноза с перспективой появления землетрясений в будущем, которые также были отмечены на схеме сейсмического районирования [6]. Решение задач сейсмического микрорайонирования можно представить в виде следующего алгоритма: на основе сейсмической карты определяется расстояние от ближайшей сейсмогенной зоны до площадки или трассы проведения СМР, при этом необходимо учитывать и другие зоны, которые находятся дальше, но имеют более мощную магнитуду возможных землетрясений, или же когда более близки зоны рассеянной сейсмичности. По известной формуле с учетом удаленности и глубины очага землетрясения вычисляется исходная балльность:

I₀=1,5·М_m_ах´3,5·lg·(Н²+R²)^1/2+3 (1), где

I₀ – величина исходной балльности (в баллах MSK),

М_m_ах – максимально возможная магнитуда землетрясения в ближайшей сейсмогенной зоне,

R – эпицентральное расстояние,

Н – глубина очага землетрясения.

Далее, относительно этой исходной балльности определяется любым, наиболее подходящим для данного участка исследований способом, ее приращение из перечня методик СМР. При этом необходимо обязательно провести исследования несущих свойств грунтов с помощью вибродинамического воздействия пиковыми кратковременными ускорениями, отвечающим значениям предельно возможных магнитуд, а также эффективной величиной амплитуды колебаний с продолжительностью временного воздействия местного землетрясения. Такие исследования показывают, что несущие свойства грунтов зависят от силы вибросейсмического воздействия, при этом степень уплотнения меняется неравномерно ступенчато. За пределами своей прочности связей маловлажные зернистые грунты разрыхляются, при наличии свободной воды грунт переходит в текучее состояние за несколько стадий увеличения силы вибраций. Именно в таком виде в осенний период 2009 г. нами было проведено МСР на строительных площадках магистрального газопровода «Сахалин-Хабаровск-Владивосток».

Литература:

1. Булин Н.К., Егоркин А.В. Региональный прогноз нефтегазоносности недр по глубинным сейсмическим критериям. М.: Центр ГЕОН, 2000. 194 с.

2. Бунэ В.И., Горшков Г.П., Кейлис-Борок В.И., Ризниченко Ю.В. и др. Сейсмическое районирование территории СССР. Методические основы и региональное описание карты. М.: Наука. 1980. 307с.

3. Губин И.Е. Детальное сейсмическое районирование. М.: Наука. 1980. 176с.

4. Заалишвили В.Б. Международное сотрудничество. Оценка сейсмической опасности. Современные принципы сейсмического микрорайонирования. Вестник Владикавказкого научного центра. Владикавказ. Том 2. № 4. 2002. С. 19-35.

5. Кузьмин Ю.О., Жуков В.С. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. М.: МГГУ. 2004. 262с.

6. Лютоев В.А. Сейсмогенные зоны Республики Коми и микросейсморайонирование города Сыктывкара. Сыктывкар: Геопринт, 2001.

7. Лютоев В.А. Использование диссипативных особенностей платформ в сейсмическом районировании // Вестник Ин-та геологии Коми НЦ УрО РАН. - Сыктывкар, 2011. № 9. -С. 14-17.

8. Лютоев В.А. Влияние атмосферного давления на микросейсмические процессы земной коры в пределах платформ // Вестник Ин-та геологии Коми НЦ УрО РАН. - Сыктывкар, 2013. № 9. -С. 20-23.

9. Мишин С.В., Шарафутдинов В.М. Тенденции процесса сейсмической активности. Современные проблемы науки и образования. 2009. №5. С. 21-28.

10. Проблемы геофизики ХХI века / под ред. А.В. Николаева. М.: Наука, 2003. кн, 1. 311с.

11. Савич А.И., Ященко З.Г. Исследования упругих и деформационных свойств горных пород сейсмоакустическими методами.- М.: Недра, 1979. 214с.

12. Страхов В.Н., Уломов В.И., Шумилина Л.С. Общее сейсмическое районирование территории России и сопредельных стран. Физика Земли. 1998. С. 92-96.

13. РСН 65-87. Инженерные изыскания для строительства. Сейсмическое районирование. Технические требования к производству работ. Госстрой РСФСР, М.: МосЦТИСИС Госстроя РСФСР, 1987. 26с.

Ключевые слова: сейсмическое районирование, нормативная карта, сейсмогенная зона, сейсмотектонический подход, диссипативный процесс, очаг землетрясения, исходная балльность, сейсмическое микрорайонирование.