CC BY
0EARTH SCIENCES
Серебренников С.П.
Институт земной коры, СО РАН, Россия
Джурик В.И.
Институт земной коры, СО РАН, Россия
Брыжак Е.В.
Институт земной коры, СО РАН, Россия
Батсайхан Ц.
Институт астрономии и геофизики МАН, Монголия
ИЗУЧЕНИЕ И ПРОГНОЗ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В ЗОНАХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ МЕРЛЫХ ГРУНТОВ МОНГОЛИИ
STUDYING AND PREDICTING THE EFFECTS OF EARTHQUAKES IN THE AREAS OF FROZEN GROUND IN MONGOLIA
Serebrennikov S.P., Institute of the Earth's Crust SB RAS, Russia
Dzhurik V.I., Institute of the Earth's Crust SB RAS, Russia
Bryzhak E.V., Institute of the Earth's Crust SB RAS, Russia
Batsaikhan Ts., Institute of astronomy and geophysics MAS, Mongolia
АННОТАЦИЯ
Изучение географии распространения мерзлотных грунтов и уровня сейсмической опасности на территории северной Монголии позволяет получить данные о физических свойствах мерзлых грунтов при сильных землетрясениях. Геофизические измерения грунтов и анализ их поведения при землетрясениях в широком диапазоне температур являются основой для составления информационной базы скоростей сейсмических волн в зависимости от состояния грунтов при сейсмическом районировании территорий и отдельных объектов строительства.
ABSTRACT
A study of cryogenic soil distribution and seismic hazard level in North Mongolia provides the data on physical properties of frozen grounds at large earthquakes. Ground geophysical measurements and analysis of the ground behavior during earthquakes in a wide temperature range provide a database for seismic wave velocities depending on ground conditions at seismic zoning of the areas and individual construction objects.
Ключевые слова: Монголия, сейсмическая опасность, инженерная сейсмология, грунтовые модели, грунты.
Keywords: Mongolia, seismic hazard, engineering seismology, ground models, grounds.
Изучение географии распространения мерзлотных грунтов и уровня сейсмической опасности на территории северной Монголии позволяет получить данные о физических свойствах мерзлых грунтов при сильных землетрясениях. Геофизические измерения грунтов и анализ их поведения при землетрясениях в широком диапазоне температур являются основой для составления информационной базы скоростей сейсмических волн в зависимости от состояния грунтов при сейсмическом районировании территорий и отдельных объектов строительства.
Изучение сейсмичности в различных климатических зонах Монголии позволило получить данные об особенностях поведения грунтов в верхнем слое земной коры при землетрясениях, в том числе в областях распространения вечно-мерзлых грунтов [1,2,3].
Распространение вечномерзлых грунтов на севере Монголии определяется пространственным взаиморасположением горных хребтов, впадин и крутизной их склонов. Согласно данным геокриологических исследований на исследуемой территории в большей степени распространены
зоны прерывистого, островного и спорадического распределения многолетнемерзлых грунтов (ММП). Зона преимущественно прерывистого развития мерзлоты занимает высокогорную часть севера Монголии. Здесь при среднегодовой темпе-ратуре мерзлых грунтов в пределах от -10 до —3о, мощность грунтов колеблется в интервале от5 до 50м в зависимости от морфоструктурных особенностей нагорий. В зоне островного распространения ММП мощность грунтов не превышает 15м при температуре от 0 до -30С. Элементы спорадического развития мерзлых грунтов зависят от рельефных особенностей конкретных участков исследований и вариаций среднегодовых температур территорий северной Монголии (Рис.1).
Сейсмологические и сейсмогеологические исследования территории позволили специалистам подготовить карту общего сейсмического районирования Монголии. На севере республики возможны сейсмические события до 9 баллов, детализация по уровню сейсмической опасности позволяет выделить участки от 7 до 9 баллов.
VOL 1, № 2 (2) (2016) | # EARTH SCIENCES #
77
Рис. 1 Схема распространения многолетнемерзлых грунтов на севере Монголии
При проектировании и строительстве различного рода объектов строительства в северных и высокогорных регионах необходимо учитывать возможность проведения комплекса исследований сейсмической опасности с учетом присутствия мерзлых грунтов [4,5].
Для этого проводится оценка сейсмичности для естественных условий залегания горных пород, выполняется анализ мерзлотных и геологических данных, рассчитываются необходимые параметры колебания грунтов основания сооружения при возможных сильных землетрясениях. Это такие параметры как: максимальные ускорения колебаний грунта, преобладающие периоды, резонансные частоты, спектры ускорений, спектры реакции, коэффициенты динамичности и сейсмичности. Получение экспериментальным путем этих данных порой является очень трудоемкой задачей. Данное обстоятельство диктует необходимость совершенствования имеющихся методов прогнозирования сейсмической опасности. Представленная нами методика основана она на использовании мерзлотно-грунтовых моделей.
Реализация данного метода состоит в последовательном исполнении трех этапов исследований. Первый этап исследований сводится к следующим пунктам:
1) Установление зон вероятных очагов землетрясений.
2) Определение границ исходной сейсмической опасности.
3) Определение основных параметров вероятных сильных землетрясений.
На данном этапе определяются следующие величины: эпицентральное расстояние до объекта строительства, маг-нитуда, глубина и механизм очага. В дальнейшем эти данные используются для синтеза исходного сигнала.
В итоге, по сейсмологическим и сейсмогеологическим данным, райо-нам севера Монголии присвоен сейсмический потенциал, равный магнитуде от 5.0 до 7.9, глубина возникновения гипоцентров ожидаемых землетрясений 8-20 км, эпицентральные расстояния от десятков до нескольких сотен км, преобладающий механизм очагов всбросо-сдвиг.
Второй этап связан с проведением инструментальных исследований:
1) Изучение сейсмических свойств основных типов грунтов.
2) Обоснование и выбор параметров эталонных скальных грунтов.
3) Проведение районирования сейсмической опасности, по методам сейсмических жесткостей.
Методика мерзло-грунтовых моделей подразумевает анализ большого количества сейсмозондирований. Для выявления особенностей проявления сейсмичности в различных климатических зонах северной Монголии нами использованы материалы по микрорайонированию отдельных участков Монголо-Сибирского региона. Несколько тысяч пунктов сейсмозондирования методом МПВ и схожесть инженерно-геологических данных позволяют подготовить систему обобщений по сейсмическим свойствам основных типов грунтов и определить набор эталонных скальных грунтов. Варианты районирования сейсмической опасности в различных климатических условиях для конкретных объектов и территорий позволяют создать комплект общих положений при районировании.
Обобщенные значения скоростей при сейсмозондировании преобладающих грунтов Монголо-Сибирского региона сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Обобщенные значения Vp и Vs в основных типов грунтов (по их составу и состоянию)
Состояние^ Тип грунта^ Талые Воздушно-сухиие Талые водонасышенные Мерзлые (t<-10 C) льдонасыщенные
Пески различной крупности, суглинки. Vp=500-700 м/с Vs=200-340 м/с Vp=1500-1800 м/с Vs=340-580 м/с Vp= 3000- 3600 м/с Vs= 1650-2100 м/с
Валунно-галечни-ковый и глыбовый грунт с песчаным заполнителем Vp=600-1100 м/с Vs=280-510 м/с Vp=1700-2100 м/с Vs=470-700 м/с Vp= 3200-3900 м/с Vs= 1770-2200 м/с
Сильнотрещиноватые коренные породы Vp=2100-2800 м/с Vs=1000- 1600 м/с Vp=2500-3200 м/с Vs=1200-1800 м/с Vp= 3000 -4400 м/с Vs= 1700-2400 м/с
Третий этап является завершающим. Он объединяет синтез исходных сигналов для «эталонных» коренных пород, соответствующих по интенсивности вероятным сильным землетрясениям. В комплекте: построение набора вероятных сейсмических моделей на основе значений Vp и Vs по основным типам грунтов (состав, состояние); расчет основных параметров сейсмических воздействий на верхний слой инженерно-геологического разреза и варианты уровня сейсмической опасности при линейном или площадном районировании.
а
По результатам анализа сильных землетрясений и соответствующим им параметрам (1 этап) производится синтез исходного сигнала для эталонных коренных пород. При формировании исходного сейсмического сигнала необходимо учитывать местные условия и возможность использования записей сильных событий, зарегистрированных вне рассматриваемого региона - в том числе и мировой сетью.
На рисунке 2 представлен пример акселерограммы, характеризующей возможные максимальные землетрясения региона (1 этап).
б
Рис 2. Синтезированная акселерограмма для монолитных коренных пород исследуемой территории (а - акселерограмма; б - ее спектр).
Для получения основных характеристик, которые непосредственно используются при проектировании сейсмостойких сооружений необходимо задание расчетных моделей. Для построения моделей используются инженерно-геологические данные и результаты измерений, выполненные нами в северных и центральных районах Монголии. В результате для конкретных участков региона строятся необходимое количество моделей, которые полностью охватывают возможные изменения по составу, состоянию, мощности залегания
рыхлых грунтов и по наиболее вероятным изменениям скоростей сейсмических волн с глубиной. Модели характеризуются мощностью рыхлых пород, скоростями распространения волн, плотностью горных пород.
Для каждой из моделей проводится расчет необходимых характеристик согласно расчетным методам и представлением акселерограмм, спектров и частотных характеристик для каждой из моделей. Пример одной из моделей представлен на рисунке №3
Рис.3 Пример расчетной модели для коренных (мерзлых) грунтов
Характеристики моделей, отвечающих естественному и ектируемых сооружений и отдельных территорий выводят-прогнозируе-мому состоянию грунтов, для оснований про- ся в форме таблиц (Рис.4).
VOL 1, N0 2 (2) (2016) | # EARTH SCIENCES #
79
Рис.4
№ модели Тип (состояние грунта) h (м) Vp (м/с) Vs (м/с) г (т/м3 ) Л!(баллы) А (см/с2) мах 4 ' № I (баллы) Резонансная частота F(Гц)
В итоге мы получаем все данные для проведения районирования сей-смической опасности по моделям в случае естественного состояния грунтов. А если же в процессе строительства предполагается полная или частичная деградация мерзлоты, то нам необходимо составить модели, которые будут полностью характеризовать прогнозируемое состояние основания сооружения. Методика проведения комплек-
са исследований сейсмической опасности с учетом присутствия мерзлых грунтов опробована на объектах различного уровня. В качестве примера (Рис.5,6) в статье представлены карты-схемы микрорайонирования г. Эрдэнэт (островной тип развития мерзлоты) и участка взлетно- посадочной полосы (ВВП) при возведении нового аэропорта г. Улаанбаата-ра (спорадический тип развития мерзлых грунтов).
Рис. 5 Карта-схема сейсмического микрорайонирования территории г. Эрдэнэт.
1 - 9 баллов; 2 - 8 баллов; 3 - 7 баллов; 4 - сверху вниз: значения максимальных ускорений для горизонтальной компоненты (EW), значения максимальных ускорений для вертикальной компоненты (2) и резонансные частоты рыхлого слоя (Гц)
Рис. 6 Карта-схема сейсмического микрорайонирования ВВП нового аэропорта г Улаанбаатара
Заключение
Реализация изложенного подхода повысит достоверность оценок сей-смических воздействий, по отношению к ранее принятым. Подход апроби-рован при районировании различных объектах Монголо-Сибирского региона. Он представляется более экономичным, так как подразумевает меньшие по объему инструментальные исследования. Методика позволит с большей степенью надежности районировать основания сооружений по вероятным максимальным сейсмическим воздействиям, учет которых, несомненно, приведет к повышению сейсмостойкости.
Кроме того, представленная методика позволяет прогнозировать уровень сейсмической опасности на случай частичной или полной деградации мерзлоты. Это дает возможность проектировщикам судить, в экономическом отношении, о необходимости сохранения или уничтожении мерзлоты в процессе строительства.
Список литературы
1. Джурик В.И., Серебренников С.П., Дреннов А.Ф. Динамика сейсмического риска при температурных измене-
ниях в криолитозоне. Криосфера Земли. №4. T.N9. 2003. С. 37-40.
2. Джурик В.И., Серебренников С.П., Дреннов А.Ф. и др. Л.Н. Методика районирования сейсмической опасности линейных сооружений по сейсмогрунтовым моделям. // Криосфера земли, 2008. т. XII, №4. С. 66-76.
3. Джурик В.И., Ключевский А.В., Серебренников С.П., Демьянович В.М., Батсайхан Ц., Баяраа Г. Сейсмичность и районирование сейсмической опасности территории Монголии. - Иркутск: ИЗК СО РАН, 2009. - 420с.
4. Dzhurik V.I., Dugarmaa T., Serebrennikov S.P., Batsaikhan Ts. Key problems of seismic zoning of urban areas adjacent to the Mongolia-Siberian region (by the example of Erdenet town). Proceedings of the MAS, 2007, N4, Vol.180, p. 5-10.
5. Dzhurik VI., Batsaikhan Ts., Serebrennikov S.P., Ulziibat M., Bryzhak E.V., Eskin A.Yu. Technique and experience of seismic zoning of the cities of Ulaanbaatar and Erdenet / Proceedings of the Mongolian Academy of Sciences, 2014, No 4, 12 p.
