CC BY
73
иркутским государственный университет путей сообщения
УДК 550.349(571.55)
Семенов Рудольф Михайлович,
д. г. -м. наук, профессор ИрГУПС, в. н. с. института земной коры СО РАН (Иркутск), тел.: (3952) 42-54-04,e-mail: [email protected] Ключевский Анатолий Васильевич, д. г.-м. н., с. н. с. ИЗК СО РАН (Иркутск), тел.: (3952) 42-74-62, e-mail: [email protected] Черных Евгений Николаевич, к. г.-м. н., с. н. с. ИЗК СО РАН (Иркутск), тел.: (3952)42-58-23, e-mail: [email protected]
КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ ГЕОМЕХАНИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СЕВЕРОМУЙСКОГО ТОННЕЛЯ
R.M. Semenov, A. V. Kluchevskyi, E.N. Chernyh
QUANTIFYING THE DYNAMIC PARAMETERS OF EARTHQUAKES FOR THE CONSTRUCTION OF THE SEVEROMUISK TUNNEL GEOMECHANICAL MODEL
Аннотация. Рассматриваются необходимые для построения геомеханической модели и сейсмического районирования Северомуйского тоннеля вопросы определения количественных параметров землетрясений из зон возможных сильных землетрясений (ВОЗ), механизмов и динамических параметров очагов. Представлены результаты исследования сейсмичности территории Северомуйского района на северовосточном фланге Байкальской рифтовой зоны (БРЗ) и предварительные оценки сейсмической опасности в зоне Северомуйского тоннеля, дающие возможность понимания структуры сейсмической опасности, обусловленной пространственно-временной неоднородностью напряженно-деформированного состояния материала литосферы на локальном разломном уровне.
Ключевые слова: геомеханическая модель, сейсмическая опасность, рифтовая зона (БРЗ), зоны ВОЗ, сейсмическое районирование, синтетическая акселерограмма.
Abstract. Issues of earthquakes from quantifying zones of possible strong earthquakes (PSE), the mechanisms and dynamic parameters of the focuses-necessary for a geomechanical model building and Severomuisk tunnel seismic zoningare considered. The results of studies of seismicity of the Severomuisk district territory in the north-eastern flank of the Baikal rift zone (BRZ) and the preliminary evaluation of seismic hazard in the Severomuisk tunnel area, giving the opportunity to understand the structure of seismic
hazard due to the spatial and temporal heterogeneity of the faultlevel are presented.
Keywords: mechanical earth model, seismic hazard, rift zone, zone of earthquakes, seismic zoning, synthetic accelerogram.
Введение
Эксплуатация особо важных подземных сооружений - атомных электростанций, хранилищ радиоактивных отходов, тоннелей - должна включать в себя научно-техническое сопровождение для решения ряда геомеханических проблем, возникающих приразличного рода динамических воздействиях. Основными особенностями подземных сооружений такого рода, помимо крупного масштаба техногенного вмешательства в природный горный массив, являются длительный срок их эксплуатации и необходимость обеспечения высокой (приближающейся к абсолютной) защищенности по отношению к внешним динамическим воздействиям.
Для обеспечения устойчивости крупных подземных сооружений возникает необходимость создания структурных и механических моделей различных участков горного массива - составных элементов геомеханической модели. Содержание геомеханической модели определяется кругом задач, на решение которых она направлена, строением массива, его механически значимых элементов, необходимым уровнем достоверности прогноза параметров воздействия и реакции подземного
сооружения. Всякая геомеханическая модель имеет вероятностный характер или может представляться некоторой совокупностью вариантов. По мере получения новых сведений о массиве модель уточняется [1].
Лучший способ снижения риска от землетрясений - избегать строительства и эксплуатации зданий и сооружений на сейсмоопасных территориях. Однако социально-политические и экономические факторы делают условие освоения сейсмо-опасных территорий в России единственной альтернативой устойчивому развитию страны. Особенно важно сохранить и обеспечить безопасный оптимальный доступ к природным ресурсам и средствам их транспортировки в условиях современного возрастания сейсмического, эколого-геологического и прочих рисков. Имеющиеся и планируемые протяженные транспортные магистрали Сибири (железные и автомобильные дороги, нефте- и газопроводы, линии электропередач и их инфраструктуры) выполняют свое функциональное назначение порой в чрезвычайно сложных и неустойчивых геодинамических условиях, не всегда учитываемых современными проектно-нормативными требованиями [2]. Понимание важности создания и безопасной эксплуатации стратегических транспортных коридоров в Восточной Сибири предопределяет актуальность детального изучения современных геодинамических и сейсмических процессов в зонах активных разломов. Методические основы оценки инженерно-сейсмологических условий строительства линейных транспортных сооружений в Байкальском регионе сводятся к выполнению ряда требований [3]. Актуальность таких работ объясняется высоким сейсмическим потенциалом Прибайкалья (землетрясения силой до 10-11 баллов), разнообразными проявлениями современных тектонических нарушений, активизирующих другие опасные геодинамические процессы в зонах разломов, и высокой степенью ответственности за экологическую безопасность. Сейсмическая опасность согласно нормативам задается картами общего сейсмического районирования ОСР-97 [4]. Как правило, исходными данными для построения карты в баллах являются оценки магнитуд в выделенных зонах возможных очагов землетрясений (зоны ВОЗ). Факторы, влияющие на изменение сейсмических сигналов, можно разделить на техногенные и природные, которые, в свою очередь, подразделяются на глобальные, региональные и локальные [5]. В рамках такой классификации районирование территории Прибайкалья по типу подвижки в очагах сильных землетрясений дает возможность уточнения сейсмической опасности, обусловлен-
ной пространственной неоднородностью напряженно-деформированного состояния литосферы на региональном уровне [6].
В данной работе рассматриваются необходимые для построения геомеханической модели Северомуйского тоннеля вопросы определения количественных параметров землетрясений из зон возможных сильных землетрясений (ВОЗ), механизмов и динамических параметров очагов. Представлены результаты исследования сейсмичности территории Северомуйского района на северовосточном фланге Байкальской рифтовой зоны (БРЗ) и предварительные оценки сейсмической опасности в зоне Северомуйского тоннеля, дающие возможность понимания структуры сейсмической опасности, обусловленной пространственно-временной неоднородностью напряженно-деформированного состояния материала литосферы на локальном разломном уровне. Решение этой фундаментальной задачи в целом имеет важное прикладное значение - прогноз и районирование сейсмических, эколого-геологических и других рисков в локально неустойчивых неоднородных средах с изменяющейся реологией в разломных зонах горных пород, непосредственно контактирующих с оболочкой тоннеля. С точки зрения сейсмической и эколого-геологической безопасности геолого-геофизическая среда - это активно развивающийся и постоянно изменяющийся при-родно-техногенный объект, который в условиях тесного взаимодействия с промышленными и строительными сооружениями может стать либо источником повышенной опасности, либо субъектом оптимальной безопасности в течение определенного периода эксплуатации. Чтобы стать субъектом оптимальной безопасности, природно-техногенный объект должен постоянно подвергаться мониторингу основных параметров безопасности. На основе научно-технической экспертизы этих параметров вырабатывается прогноз возможных сценариев поведения среды и стратегия реализации безопасной эксплуатации субъекта в виде отрицательных обратных связей.
1. Параметры очагов землетрясений
В мировой практике имеется едва ли не единственный достаточно успешный и продолжительный мониторинг геолого-геофизической среды и процессов - это наблюдения за сейсмическими событиями. В настоящее время для мониторинга локальных участков земной коры все чаще применяются методы очаговой сейсмологии, дающие возможность статистического анализа пространственно-временных параметров и характеристик разрывных процессов на различных иерархиче-
иркутским государственный университет путей сообщения
ских уровнях литосферы. Объемы и качество исходных инструментальных данных, характеризующих сейсмичность определенной территории за какой-либо интервал времени, в основном зависят от самого сейсмического процесса, числа пунктов регистрации, типа используемой сейсмометрической аппаратуры и ее параметров, способов регистрации и обработки полученного материала и ряда других факторов. Степень допустимости вариаций характеристик сейсмичности под влиянием неполноты и неоднородности данных каталога землетрясений определяется поставленной задачей. Для целей районирования и изучения геодинамических и сейсмотектонических процессов на современном этапе исследований в ряде случаев возможны приближенные оценки параметров сейсмичности на заданном уровне значимости.
В Северомуйском районе обнаружены па-леосейсмоструктуры, возникшие при землетрясениях с магнитудой до M«7,5 [7]. Землетрясение такой магнитуды - достаточно редкое явление даже в высокосейсмичной БРЗ, и вероятность его реализации за короткий интервал времени (до 50
лет) на территории Северомуйского района чрезвычайно мала. Рекуррентные интервалы менее сильных толчков уменьшаются и для землетрясений с £р=16 северо-восточного фланга Байкальского региона составляют около 25 лет [8]. При таких интервалах вероятность реализации сейсмического события подобного класса в пределах исследуемого участка повышается. Слабые толчки (^<13) происходят очень часто в сейсмоактивных зонах, плотно покрывая исследуемую территорию (рис. 1).
Анализ материалов показывает, что макро-сейсмические эффекты от достаточно сильных, но удаленных землетрясений сопоставимы с воздействиями слабых близких толчков (землетрясение с ^=15,5, интенсивность в Северомуйске I « « 3 балла; с ^ = 9,6, I « 2-3 балла). По этой причине особое внимание в работе уделено анализу многочисленных землетрясений уникального Ан-гараканского роя. Это обусловлено, прежде всего, тем, что толчки, происшедшие рядом с тоннелем, составляют более 80 % локальной сейсмичности и формируют основные суммарные сейсмотекто-
Рис. 1. Карта эпицентров землетрясений за период 1985-1990 гг. в районе Северомуйского тоннеля. В верхней рамке показаны энергетические классы землетрясений, в скобках - количество землетрясений; А - сейсмические станции
нические деформации в районе тоннеля.
Кроме того, расположение сейсмических станций Северомуйского сейсмологического полигона, созданного для изучения сейсмического режима в зоне одноименного тоннеля трассы БАМ, благоприятствовало качественной регистрации роевых толчков до энергетического класса КР=4 [9]. Анализ эпицентрального поля показал, что зона высокой плотности эпицентров землетрясений расположена всего в 5-10 км к северо-востоку от оси Северомуйского тоннеля. Бурный процесс слабых сейсмических событий начался 26 мая 1979 г. и, как можно заметить, совпадает с местом и временем проведения горных работ по проходке тоннеля. В.М. Кочетков [10] указывал на дефицит толчков с магнитудой М « 5,5 (КР « 14) в этом районе и выделил Ангараканский блок как место возможного сильного землетрясения. Можно полагать, что техногенные воздействия на естественный ход сейсмического процесса изменили тип релаксационного явления, и вместо сильного землетрясения произошла уникальная по продолжительности серия слабых и умеренных толчков. Анализ скорости потока сейсмических событий, происшедших на территории размером 1°х1° (ф = 56,0°-57,0° с. ш., X = 113,0°—114,0° в. д.) с 1968 года, дает возможность выделения двух небольших групп толчков в августе - октябре 1969 г. и в декабре 1969 - феврале 1970 гг. (п « 60-70, КР = 6^10). Самое сильное из зарегистрированных
здесь землетрясений (01.07.1974 г., ф = 56,09° с. ш., X = 113.81° в. д., КР = 13), имело несколько форшоков и около 80 афтершоков с КР = 6-11. В интервале май-октябрь 1979 г. скорость сейсмического потока была высока, затем наблюдается ее понижение. В январе 1981 г. скорость потока вновь возросла и при некоторых вариациях оставалась высокой до 1985 г. В 1986 г. скорость сейсмического потока начала уменьшаться, но была достаточно интенсивной вплоть до 1995 г., когда она понизилась до уровня, предшествующего рою. В этот промежуток времени в роевом процессе происходили резкие кратковременные увеличения скорости потока толчков без какой-либо приуроченности ко времени более сильных землетрясений (25 - 31.03, 1991 г., п « 40; 4.05, 1992 г., п « 20, КР = 5,6-8,6).
Экспериментальной основой даннойстатьи являются сейсмические события невысокого энергетического уровня (магнитуда до М « 5,0, энергетический класс до КР « 13), инструментально зарегистрированные в Северомуйском районе Байкальского региона. Для учета воздействий от редких, но сильных землетрясений с магнитудой свыше М > 6,0 (энергетический класс КР > 16) использованы данные об исторических толчках и палеосейсмодислокациях в ближней зоне Севе-ромуйского тоннеля (рис. 2).
При анализе вариаций землетрясений в пространстве и времени применено последовательное
Рис. 2. Северомуйская сейсмоопасная зона: 1 - эпицентры землетрясений по инструментальным данным (внутри -интенсивность в баллах, рядом - год происхождения) и эпицентральные расстояния; в скобках - возможная
интенсивность сотрясений
иркутским государственный университет путей сообщения
временное группирование толчков разных энергетических классов, дающее возможность исследования средних пространственно-временных характеристик подгрупп толчков при понижении рассеяния данных. Так как детальность анализа зависит от числа событий в подгруппе, разделение выборок данных было осуществлено в нескольких вариантах. Оценка нормальности распределения данных, выполненная по методу размаха варьирования, показала, что гипотеза нормальности распределения подтверждается при 10%-м уровне значимости. Сравнительное исследование кинематики и динамики многочисленных толчков в Амутской и в Ангараканской сериях выполнено по материалам сейсмических наблюдений, анализ которых показал, что эпицентры землетрясений локализованы в пределах площадок с координатами ф = 55,20°-55,55° с. ш., X = 111,20°—111,70° в. д. и ф= 56,20°-56,45° с. ш., X = 113,40°—113,70° в. д. (рис. 3).
Материалы полной выборки землетрясений Ангараканского роя (п = 1611, 6 < ^ < 12) и Амут-ской серии (п = 976, 6 < ^ < 13) исследованы при разделении на подгруппы из 100 событий. Наклоны графиков повторяемости толчков с ^ > 7 в Ан-гараканском рое и Амутской серии равны у = -0,49±0,04 и у = -0,42±0,04, а суммарная сейсмическая энергия E « 3,5х1012 и E « 3,3х1013Дж.
Следует отметить, что включение в статью информации по Амутской серии толчков выполнено для того, чтобы подчеркнуть значимые отли-
чия в напряженно-деформированном состоянии двух одинаковых по природе одновременных процессов, происшедших в разных сейсмотектонических условиях горных пород. В настоящее время такое отличие можно выявить только методами очаговой сейсмологии.
Исследование распределений глубин гипоцентров сейсмических событий выполнено для толчков Ангараканского роя, так как определение глубин в Амутской серии толчков невелико. Оценки глубин получены по данным локальной сети станций Северомуйского полигона, и ошибки в определении координат гипоцентров землетрясений не превышают 5 км. При оценке средней глубины гипоцентров были использованы глубины 968 толчков в диапазоне энергетических классов 6<KP<9. Число определений глубин гипоцентров в выборке всей совокупности данных изменялось от 31 до 100 в группах из 100 толчков. Число определений глубин гипоцентров в других выборках землетрясений составляет: 517 - для толчков с KP = 6 (n = 8-50, группы из 50 событий), 325 - для толчков с KP = 7 (n = 19-40, группы из 40 событий), 103 - для толчков с KP=8 (n=9-20, группы из 20 событий) и 23 - для толчков с KP = 9 (n = 5-10, группы из 10 событий). Представленные на рис. 4 графики изменений во времени средней по группе глубины гипоцентров толчков Ангара-канского роя в выборках землетрясений разных энергетических классов совпадают в пределах стандартного отклонения. До момента третьего
Рис. 3. Зоны группирующихся толчков и эпицентры сильных землетрясений в Северомуйском районе Байкальского региона:1 - серия толчков в августе октябре 1969 г; 2 - серия толчков в декабре 1969 г феврале 1970 г; 3 -афтершоки землетрясения 01.07.1974 г; 4 -Ангараканский рой толчков; 5 - афтершоки землетрясения 26.11.1968 г; 6 - серия толчков в июле 1969 г; 7 -Амутская серия толчков; 8 - серии толчков в сентябре 1986 г и феврале 1989 г; 9 и 10 -
эпицентры землетрясений 01.07.1974 г и 26.11.1968 г
Рис. 4. Вариации во времени средней по подгруппе глубины гипоцентров H толчков Ангараканской последовательности толчков: 1 - подгруппы из 100 толчков полной выборки данных; 2-5 - подгруппы из 50, 40, 20 и 10 толчков с К^6, ^=7, К^8 и К^ 9 соответственно; 6 - стрелки моменты времени наиболее сильных землетрясений с К^ 12
землетрясения с Кр = 12 средняя глубина соответствовала 8-9 км. После этого землетрясения наблюдается заглубление очагов до 11-12 км. В последних группах толчков средняя глубина гипоцентров уменьшилась до 7-8 км. Глубины землетрясений с Кр > 10, вычисленные по данным сети сейсмических станций Прибайкалья для 11 землетрясений роя, распределены в интервале 7-20 км, а погрешности их определения составляют 212 км. Средняя глубина равна 12 км и в пределах погрешностей определения соответствует средней глубине слабых толчков.
Известно [11], что землетрясения могут быть охарактеризованы кинематическими, динамическими, геолого-геофизическими и геометрическими параметрами, такими как: время в очаге и координаты очага, ориентация плоскости подвижки в пространстве, длина и площадь разрыва, направление и амплитуда смещения, магнитуда и энергетический класс, сейсмический момент и сейсмическая энергия, падение напряжения в очаге, длительность и форма разрыва, скорость и ускорение движения частиц и т.д. В настоящее время динамика сейсмических источников является одной из наиболее актуальных проблем сейсмологии и имеет прямое отношение к пониманию современных геодинамических процессов, изучению напряженно-деформированного состояния
литосферы, уточнению прогноза движений грунта при сильных землетрясениях и поиску предвестников сильных землетрясений. В трещинной модели Д. Бруна [12], используемой нами для определения динамических параметров очагов землетрясений, дислокация происходит в результате мгновенного приложения тангенциального импульса к внутренней стороне разрыва. В дальней зоне амплитудный спектр импульса смещения в области низких частот представляется в виде участка с постоянной спектральной плотностью Фо, а в области высоких частот аппроксимируется зависимостью понижения уровня спектра по закону ю-2. Пересечение этих двух прямых в двойном логарифмическом масштабе спектральной плотности и частоты дает характерную «угловую точку» с координатами Фо и /о, где / - частота «угловой точки». Уровень спектральной плотности Фо зависит от сейсмического момента землетрясения, который характеризует потенциальную работу по перемещению «очагового» блока земной коры в гравитационном поле Земли. Частота «угловой точки» /о зависит от длительности импульсного процесса разрушения среды и характеризует линейные размеры зоны дислокации. Динамические параметры очагов землетрясений вычисляются по формулам
_М=4иргУФп / У9ф,_(1)
иркутским государственный университет путей сообщения
Я=2,34 V/ 2%/0, (2)
Ас= 7Мо / 16Я3, (3)
В =Мо (4)
где М0 - сейсмический момент, дн см, Я - средний радиус дислокации, км, Ас- среднее падение напряжений в очаге, бар, В - среднее смещение по разрыву, мм, р=2,7 г/см3 - плотность среды, V =3,58 км/сек - скорость распространения объемных поперечных волн [13], г -гипоцентральное расстояние, км, = 0,6 - значение функции направленности излучения из очага [14], 3х10п дн/см2- модуль сдвига, S- площадь разрыва, км2.
Уравнения корреляции динамических параметров очагов с энергетическим классом 1611 толчков Северомуйского района получены в виде 1§Мо± 0,45 = (17,49+ 0,03) + (0,46± 0,004)Хр,
р = 0,93± 0,01, ^ =7,07, (5)
0,09= (-0,90 ± 0,02) + (0,09± 0,003)^,
р=0,61±0,02, ^=1,54, (6)
1§В± 0,30= (-1,76± 0,05) + (0,31± 0,01)^р,
р= 0,75±0,01, ^ =2,30, (7)
^Ас± 0,21= (-1,25± 0,06) + (0,22± 0,01)^р,
р= 0,51± 0,02, ^=1,34. (8)
Формулы (5)-(8) описывают исходные данные при 5% уровне значимости. В табл. 1 приведены результаты расчетов длин разрывов при слабых и сильных землетрясениях. Эти результаты показывают, что даже очень слабые приповерхностные сейсмические события, происшедшие под (или рядом с) тоннелем, могут сформировать разрывные нарушения в оболочке тоннеля. С ростом энергетического класса вероятность такого разрыва увеличивается, поскольку длина разлома возрастает до 10 км. Так как средняя глубина гипоцентров землетрясений составляет примерно 8-10 км при погрешности определения до ±5 км, то возможность разрушения оболочки тоннеля разрывом не исключена. Близповерхностные сейсмические события рядом с тоннелем могут быть спровоцированы возникшей неоднородностью напряженно-деформированного состояния горных пород и нарушением флюидного режима, обусловленных строительством тоннеля и нарушением естественного состояния среды.
Т а б л и ц а 1 Средняя длина разрыва Ь в очагах землетрясений
Класс Kp 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
Длина разрыва L (км) 0,7 0,9 1,1 1,3 1,6 1,8 2,4 3,2 4,4 5,9 8 10,8
Исследование механизмов очагов землетрясения Ангараканского роя, выполненное для толчков, происшедших с 26 мая 1979 г. до конца 1980 г., позволило выделить 4 типа сейсмических событий (I-IV, 1757 событий) с системными и 862 землетрясения со случайными распределениями первых вступлений Р-волны [9]. К первому (I), самому многочисленному типу толчков, имеющих сбросовые подвижки, отнесены 1395 землетрясений с 3 < KP < 12. Основная часть землетрясений этого типа произошла с 22 июня 1979 г. до конца 1980 г. Ко второму (II) типу толчков, имеющих сдвиговые подвижки и преобладающих в начале роя, причислены 209 землетрясений с 4 < KP < 10. К третьему (III) и четвертому (IV) типам отнесены 111 и 41 землетрясение, соответственно. Основная часть толчков III типа произошла в первые месяцы развития роя, а толчки IV типа возникли в августе 1979 г. Таким образом, можно принять, что в Ан-гараканском рое преобладали землетрясения с механизмами первых двух типов (I и II) - сбросовые и сдвиговые. Рассмотрим с этих позиций вариации сейсмических моментов землетрясений роя. Небольшим численным преимуществом землетрясений со сдвиговой подвижкой (II тип) в выборках из 200 сейсмических событий можно объяснить некоторое повышение уровня среднего сейсмического момента в первой группе толчков с KP = 7 и KP = 8 (рис. 5) относительно второй группы толчков, происшедших в апреле - ноябре 1980 г. Во второй группе толчков преобладали землетрясения I типа со сбросовой подвижкой. Поэтому сильное увеличение среднего сейсмического момента толчков с KP=7 и KP=8 третьей группы в начале 1981 г вероятнее всего обусловлено увеличением в этих выборках числа толчков с подвижкой сдвигового типа. Достаточно хорошее совпадение средних сейсмических моментов во второй группе землетрясений Ангараканского роя и Амутской серии указывает на преобладание сбросового типа подвижки в очагах землетрясений последней. Можно отметить, что все определения фокальных механизмов толчков в Амутском рое также соответствуют сбросам [15]. Судя по отсутствию значимых изменений средних сейсмических моментов землетрясений Амутского роя, толчки с подвижками сбросового типа преобладали во всех группах землетрясений в течение всей последовательности толчков.
Известно, что сильные тектонические землетрясения, как правило, обусловлены перемещением отдельных плит и блоков литосферы по зонам сейсмически активных разломов, а в основе детального сейсмического районирования лежат карты зон возможных очагов землетрясений (зоны
Рис. 5. Логарифмы средних сейсмических моментов землетрясенийАн6-Ан10 и Ам6-Ам10 - Ангараканской
и Амутской последовательности толчков с 6<КР< 10
ВОЗ), приуроченные к этим разломам. На рис. 2 приведен фрагмент карты-схемы сейсмоопасных областей, расположенных в непосредственной близости к Северомуйскому тоннелю и способных генерировать сильные землетрясения, упругая энергия которых может сформировать максимальные колебания грунта.
Научное обоснование сейсмического районирования предполагает анализ геолого-геофизических особенностей природной обстановки, сочетающей в себе геологическое строение, рельеф, геодинамические факторы и сейсмичность. Эти особенности связаны с геологическим строением, структурой, вещественным составом, напряженно-деформированным состоянием и скоростью деформации сейсмофокальной среды и обусловлены геодинамическими факторами и сейсмическим режимом. На практике они проявляются разным уровнем и формой амплитудного спектра Фурье записей сейсмических событий, зарегистрированных на одинаковом гипоцен-тральном расстоянии от землетрясений одного энергетического класса, но происшедших в разных сейсмогенных зонах. Особое внимание при этом должно быть уделено межвпадинной горной перемычке между Верхне-Ангарской и Муйской впадинами, там, где проложен Северомуйский тоннель. Исследованиями последних лет показано, что вероятность реализации толчков сдвигов и взбросов значительно повышается в областях горных перемычек [16, 17]. Это свойство сейсмичности БРЗ нашло отражение в резком повышении уровня сейсмических моментов землетрясений Ангараканского роя в 1981 году (см. рис.5).
По данным Ф.Ф. Аптикаева[18], в эпицентральной зоне при равных магнитудах уровень ускорений при толчках-взбросах в 2,5 раза выше, чем при сбросах, что влечет за собой повышение интенсивности почти на один балл.
2. Динамические характеристики землетрясений Северомуйска и расчёт синтетических акселерограмм
Северомуйский тоннель располагается в пределах Верхнеангарско-Муйской перемычки в зоне с уровнем сейсмичности 9 баллов и более с неблагоприятными инженерно-геологическими условиями. Сейсмоопасная площадь тоннеля около 10 тыс.км2 (см. рис.1). На этой территории зарегистрированы сильные (6-11баллов) землетрясения. Кроме того, выявлено 12 сейсмоструктур до-сейсмостатистических 9-11-балльных землетрясений. Слабых и умеренных землетрясений ежегодно регистрируется от нескольких сотен до 1,5 тысяч (в районе Северомуйского тоннеля около 700 (К=3-12), а вместе с роями землетрясений до 2200 в год). Вся трасса Северомуйского тоннеля находится в зоне возможного возникновения остаточных сейсмотектонических деформаций. Для тоннелей особенно опасны остаточные деформации по разрывам и определяющим их трещинам. При землетрясении в 9 баллов смещения по вертикали могут достигать 1-2 м, при 10-балльных - до 6-7 м [7].
Параметры сейсмических колебаний грунта на конкретной площадке определяются большим количеством факторов, основными из которых являются: 1) энергия, механизм, глубина очага землетрясения и направление разрыва; 2) строение
иркутским государственный университет путей сообщения
400 300
Е
о; 200 100 0
♦ ♦ ♦
♦ ♦
ТИш »«^ ♦
г^5
♦ »
♦ ♦ ♦
♦♦ ♦
10 11 12 13
к
14
Рис.6. Распределение обработанных землетрясений по энергетическим классами расстояниям
геологической среды по трассе очаг - пункт наблюдения и эпицентральное расстояние; 3) местные инженерно-геологические условия площадки. Поэтому инструментальные записи местных относительно слабых землетрясений могут являться основой для оценки параметров колебаний при сильном землетрясении с определенной степенью достоверности, а также для моделирования сильных воздействий с учетом региональных сейсмо-геологических условий.
Для обработки отобрано 83 землетрясения, диапазон эпицентральных расстояний которых от 25 км до 434 км, диапазон энергетических классов от 9,1 до 13,8 (рис.6), зарегистрированных ближайшей к тоннелю сейсмостанцией Северо-муйск в период с 1 января 2005 г. по 26 мая 2006 г. (волновые формы землетрясений предоставлены БФ ГС СО РАН).
В расчётах использовались записи скоростей горизонтальных каналов. Записи ускорений колебаний грунта были получены численными методами по специализированной программе обработки сейсмических данных.
Наиболее сильными для Северомуйска за исследуемый период были 7 землетрясений, когда ускорение колебаний достигало от 1 см/с2 до 6,3 см/с2 (2-3 балла). Параметры этих землетрясений приведены в табл. 2, а их эпицентры показаны на рис. 7.
По результатам обработки нами получены аналитические выражения зависимости логарифмов максимальных амплитуд ускорений на грунте от энергетического класса и расстояния.
ЬеЛа = (0,43±0,04)-К - (1,51±0,10) ^Я -
- (1,99±0,37), (9)
где Аа - амплитуда ускорений в см/с2, К - энергетический класс землетрясения, Я - эпицентральное расстояние в км (коэффициент корреляции г = 0,88 , стандартная ошибкао = 0,26).
В табл. 3 представлены прогнозные оценки максимальных амплитуд ускорений грунта, рассчитанных по формуле (9).
Т а б л и ц а 3
Прогнозные оценки максимальных амплитуд ускорений
М 7,0 7,2 7,4 7,6 7,8 8,0
А , g 0.16 0.19 0.23 0.32 0.38 0.47
АР= 0.84, % 0.29 0.35 0.42 0.57 0.7 0.85
АР=0.975> % 0.52 0.63 0.77 1.04 1.26 1.54
Так, переходя к единицам измерения в см/с , для землетрясения с К = 16,4 (М = 7,6) можно утверждать, что значения максимальной амплитуды ускорений колебаний на грунте в среднем будут равны 310 см/с2 и с вероятностью Р=0,84 не превысят 560 см/с2, что соответствует 8-9 баллам и выше по шкале MSK-64.
Для получения прогнозных значений мы использовали соотношение между энергетическим классом и магнитудой М, полученное Т.Г. Раутиан [19]:
К = 8 + 1,1М. (10)
Т а б л и ц а 2
Динамические характеристики наиболее сильных землетрясений с/ст. Северомуйск
9
№ Дата Время Координаты эпицентра Д, К скорость ускорение
з-тр в очаге км д -^тах? Е, д -^тах? Е,
Ф°в. ш. Гс. д. см/с Гц см/с2 Гц
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
1 02.01.05 0:24 56,66 118,01 283 13,8 0,07 2,5 1,60 4,8
3 09.01.05 22:27 56,21 112,62 56 10 0,03 2,9 1,07 8,6
27 21.08.05 22:31 55,22 112,85 113 12,2 0,04 1,9 1,13 5,3
32 17.10.05 7:13 56,38 113,44 25 10 0,08 5,5 1,96 8,0
33 04.11.05 22:39 56,22 112,59 58 11,8 0,2 5,6 6,30 7,1
34 09.11.05 6:16 56,07 114,51 62 11,1 0,04 4,5 1,18 5,5
67 08.02.06 15:31 55,34 110,88 189 12,7 0,05 2,5 0,99 2,9
Рис. 7. Расположение эпицентров наиболее сильных землетрясений 2005-2006 гг, по данным БФ ГС СО РАН
На рис. 8 показаны экспериментальные данные зависимости максимальных амплитуд ускорений колебаний грунта по горизонтальной компоненте от энергетического класса для землетрясений с эпицентральными расстояниями, приведёнными к эпицентральному расстоянию 50 км.
ные оценки по формуле (11) Аптикаева. Результаты похожи, но всегда лучше пользоваться региональными данными.
Рис. 8. Зависимость амплитуды ускорений колебаний
от энергетического класса землетрясения на эпицентральном расстоянии, приведённом к 50 км
Известно, что зависимости уровня ускорений колебаний от магнитуд носят экспоненциальный характер с некоторым насыщением в области больших магнитуд.
Ф.Ф. Аптикаевым в результате анализа мирового банка данных была предложена следующая аппроксимация зависимостей:
LgАмах = 0,28 М - 0,8 ¡вг + 1,7 (11) при Амах > 160см/с2.
На рис. 9 приведены наши прогнозные оценки максимальной амплитуды ускорений при сильных землетрясениях при R=50 км и прогноз-
Рис. 9. Прогнозные оценки ускорений грунта при сильных землетрясениях, R = 50 км. Сплошная линия - наши оценки (табл. 3), пунктирная - по формуле Аптикаева
Из-за сильного разброса данных прогноз частот затруднителен (рис. 10), хотя по зависимости (11) и можно сделать оценку видимых частот ускорений колебаний грунта, так для землетрясения с К = 16,4 на расстоянии 50 км диапазон ожидаемых частот колебаний ускорений грунта от 3 до 6,5 Гц (от 2 Гц до 10 Гц при доверительном интервале 2а).
LgFa = - (0,02^,02)^ -- (0,30±0,06) 1,5±0,22) (12) (коэффициент корреляции г = 0,52, стандартная ошибка -с = 0,16).
иркутским государственный университет путей сообщения
16.00 14.00 12.00 10.00 8.00 6.00 4.00 2.00 0.00
♦ ♦ ♦<
_* .
11
13
Рис. 11. Экспериментальное распределение видимых частот ускорений от энергетического класса для разных диапазонов расстояний
Рис. 10. Распределение видимых частот ускорений грунта от энергетического класса землетрясений, приведённых к эпицентральному расстоянию R = 50 км
Мы попытались построить зависимости по диапазонам расстояний (рис. 11), чтобы уменьшить разброс данных, но и это не дало желаемого результата.
Значения амплитуд, представленные в табл. 3, послужили нам в качестве привязки по уровню при построении синтетических акселерограмм сильного землетрясения. В основу расчета положены записи и спектры землетрясений 09.01.05 ^ = 10) и 09.11.05 ^ = 11,1) (рис. 12) с эпицентральными расстояниями, близкими к 50 км. Энергетический класс землетрясения К выбран равным 16,4 потому, что землетрясения такого класса наиболее вероятны в ближайшие лет 50, т.к. по сейсмогеологическим расчётам [10], ощутимые и сильные землетрясения в пределах Верх-неангарско-Муйской перемычки возможны со средней повторяемостью:
По спектру землетрясения с небольшой маг-нитудой из ближайших зон ВОЗ, можно с помощью преобразования Фурье рассчитать акселерограмму максимально возможного землетрясения для данной площадки. Следует сказать, что эта акселерограмма будет лучше отражать региональные условия образования и распространения сейсмических волн, а также влияние конкретных грун-1т0овых условий площадки, на которой расп1о0ложено с8ооружение. 8
Для сейсмостанции Северомуйск нами получена зависимость изменения спектра уск2орений г0рунта по горизонтальной компоненте от э0нергии, так называемая функция Бк:
Bк(f) = Л^ф / ЛК;
(13)
Bк(lgf) = [(0,47±0,02) - (0,13±0,04)]*^(14) ( г=0.86, с=0,05)
Формула (14) использовалась при построе-н6ии синтетических акселерограмм. Методика расчета Bк описана в работе [20]. Полученные зако-н2омерности приращения спектральной амплитуды от энергетического класса можно экстраполировать в сторону больших энергий, то есть сделать среднею оценку S(f) сильного землетрясения с К i при известном S(f) от слабого события с К0:
^(ОД = ^(ад + B(f)*(Ki- (15)
Как отмечается в работах [21, 22], оценка спектра достоверна лишь в среднем с точностью до вариаций условий в очаге землетрясений. «Однако те особенности спектров колебаний в фиксированных условиях расположения очага и пункта наблюдения, которые связаны с условиями, будут сохранены в расчетном спектре сильного земле-трясения».Для инженерных целей мы должны иметь набор таких акселерограмм с разным частотным диапазоном из разных зон ВОЗ.
9
I, баллы Средняя повторяемость
6 одно в 2-3 года
7 одно в 10-12 лет
8 одно в 40-50 лет
9 одно в 150-170 лет
10 одно в 500-600 лет
11 одно в 1000-2000 лет
к=11.1
1.3
0.0
-1.3
к
-1-1-1-
0 10 20 30 40
^с
к=11.1
100
м
I
Т-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г
0 1 2 3 45 6 78 9 10 11 12 f, гц
К=16.4
60000
Н I/'
Т-1-1-1-1-1-1-1-1-1-Г"
0123456789 101112 _^Гц_
Рис. 12. Синтетические акселерограммы ускорения колебаний грунта при землетрясении К=16,4 (М=7,6);
К =50 км, и их спектры (слева - реальные записи и спектры, справа - синтетические акселерограммы и их спектры)
0
иркутский государственный университет путей сообщения
Рис. 13. Зависимость функции ВК от логарифма частоты
Выводы
Рассмотрены вопросы определения количественных параметров землетрясений из зон возможных сильных землетрясений (ВОЗ), механизмов и динамических параметров очагов. Представлены результаты исследования сейсмичности территории Северомуйского района на северовосточном фланге Байкальской рифтовой зоны и предварительные оценки сейсмической опасности в зоне Северо-Муйского тоннеля, дающие возможность понимания структуры сейсмической опасности, обусловленной пространственно-временной неоднородностью напряженно-деформированного состояния материала литосферы на локальном разломном уровне. Решение этой фундаментальной задачи в целом имеет важное прикладное значение - прогноз и районирование сейсмических, эколого-геологических и других рисков в локально неустойчивых неоднородных средах с изменяющейся реологией в разломных зонах горных пород, непосредственно контактирующих с оболочкой тоннеля.
С точки зрения сейсмической и эколого-геологической безопасности геолого-
геофизическая среда - это активно развивающийся и постоянно изменяющийся природно-техногенный объект, который в условиях тесного взаимодействия с промышленными и строительными сооружениями может стать либо источником повышенной опасности, либо субъектом оптимальной безопасности в течение определенного периода эксплуатации. Чтобы стать субъектом оптимальной безопасности, природно-техногенный объект должен постоянно подвергаться мониторингу основных параметров безопасности. На ос-
нове научно-технической экспертизы этих параметров вырабатывается прогноз возможных сценариев поведения среды и стратегия реализации безопасной эксплуатации субъекта в виде отрицательных обратных связей.
На примере сейсмостанции Северомуйск дана методика расчёта прогнозных параметров сильных землетрясений и построения синтетических акселерограмм. Район высокосейсмичный, достаточно сильные землетрясения происходят на малых эпицентральных расстояниях. Даже за короткий промежуток времени, имея инженерно-сейсмометрическую службу на самом тоннеле, мы можем получить ценный исследовательский материал. В районах с такими объектами, как Се-веромуйский тоннель, необходимо продолжение детальных комплексных исследований.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Кочарян Г. Г., Спивак А. А. Динамика деформирования блочных массивов горных пород. -М. : ИКЦ «Академкнига», 2003. - 423 с.
2. Быкова Н. М. Геодинамика и работа протяженных транспортных сооружений // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2004.- № 4.- С. 17-20.
3. Джурик В. И., Дреннов А. Ф., Серебренников С. П. Основы единой методики районирования техногенной и сейсмической опасности в пределах криолитозоны // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. -2005. - № 5. - С. 8-10.
4. Комплект Карт Общего Сейсмического Районирования Территории Российской Федерации : ОСР-97. - граф. масштаб 1 : 8 000000 ; Объяснительная записка и список городов и населенных пунктов, расположенных в сейс-моопасных районах. - М. : ОИФЗ РАН, 1999. - 57 с. : 10 карт.
5. Методика комплексных исследований сейс-могрунтовых условий строительства нефтепровода на севере оз. Байкал / Джурик В. И., Серебренников С. П., Юшкин В. И., Чипизу-бов А. В., Баскаков В. С., Ескин А. Ю. // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2005. - № 5. - С. 16-20.
6. Ключевский А. В., Демьянович В. М., Басов А. Д. Районирование территории Прибайкалья по типу подвижки в очагах сильных землетрясений // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2007. - № 2. -
С.43-45.
7. Демьянович М. Г., Солоненко В. П. Инженер-но-сейсмогеологические условия районов Се-веромуйского и Кодарского туннелей. Инженерная геодинамика и геологическая среда. -Новосибирск : Наука, 1989. - С. 90-96.
8. Ключевский А. В., Демьянович В. М., Баяр Г. Оценка рекуррентных интервалов и вероятности сильных землетрясений Байкальского региона и Монголии // Геология и геофизика. -2005. - Т. 46, №.7. - С. 746-762.
9. Ангараканский рой землетрясений в Байкальской рифтовой зоне. -Новосибирск : Наука, 1987. - 81 с.
10. Кочетков В. М. О возможных путях сейсмотектонического анализа / Сейсмические и сейсмогеологические исследования на центральном участке БАМ. - Якутск. 1978. -С. 5-11.
11. Ризниченко Ю. В. Проблемы сейсмологии. -М. : Наука, 1985. - 405 с.
12. Brune J. N. Tectonic Stress and the Spectra of Seismic Shear Waves from Earthquakes // J. of Geophys. Res. - 1970. - V.75. - P. 4997-5009.
13. Голенецкий С. И., Новомейская Ф. В. О мощности земной коры по наблюдениям сейсмических станций Прибайкалья // Байкальский рифт. - Новосибирск : Наука, 1975. - С. 34-43.
14. Ризниченко Ю. В. Размеры очага корового землетрясения и сейсмический момент / Исследования по физике землетрясений. М.: Наука, 1976. С. 9-27.
15. Evidence for a Seismogenic Upper Mantle and Lower Crust in the Baikal Rift / Deverchere J., Houdry F., Diament M., Solonenko N.V., Solo-
nenko A.V. // Geophys. Res. Letter. - 1991. - V. 18., N 6. - P. 1099-1102.
16. Ключевский А. В., Демьянович В. М. Напряженно-деформированное состояние литосферы в Южном Прибайкалье и Северной Монголии по данным о сейсмических моментах землетрясений // Физика Земли. - 2006. - № 5. - С. 65-77.
17. Демьянович В. М., Ключевский А. В., Черных Е. Н. Напряженно-деформированное состояние литосферы и сейсмичность в зоне Белино-Бусийнгольского разлома (Южное Прибайкалье) // Вулканология и сейсмология. - 2008. -№ 1. - С. 46-61.
18. Аптикаев Ф. Ф. Точность прогноза сейсмических воздействий в задачах сейсмостойкого строительства // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2005. - № 1. -С. 40-43.
19. Методы детального изучения сейсмичности / под ред. Ю. В. Ризниченко. - М. : Изд-во Аккад. наук СССР, 1960. - 327 с.
20. Павленов В. А., Чечельницкий В. В., Масле-никова Г. Н. Применение метода случайных колебаний для прогноза вероятностного спектра реакции линейных систем // Сейсмичность Байкальского рифта. Прогностические аспекты. - Новосибирск : Наука. Сиб отд-ние, 1990. - С. 123-130.
21. Вопросы количественной оценки сейсмической опасности / под ред. Ю. В. Ризниченко. -М. : Наука, 1975. - 191 с.
22. Чернов Ю. К. Закономерности изменения спектра колебаний грунта в ближней зоне землетрясения // Прогноз сейсмических воздействий. - М. : Наука, 1984. - С. 16-28.
