CC BY
216
УДК 614.8
Сейсмические риски: проблемы и оценки
ISSN 1996-8493
© Технологии гражданской безопасности, 2014
Ю.Ф. Манилов, И.А. Барашиков, С.Г. Жесткова
Аннотация
В связи с созданием единой информационной системы «Сейсмобезопасность России», востребованными становятся новые подходы оценки возможной сейсмоопасности. Полный расчет риска на заданной территории для конкретных объектов необходимо проводить по двум направлениям. Первое — наращивать базы данных технических средств контроля для массовых (репрезентативных) серий жилых сооружений. Второе — детально изучать строение Земли для более качественного выделения сейсмогенных структур и сейсмогенерирующих объектов.
Ключевые слова: сейсмические риски; геолого-геофизическая среда; земная кора; литосфера; микросейсмический фон.
Seismic Risks: Challenges and Assessment
ISSN 1996-8493
© Civil Security Technology, 2014
Y. Manilow, I. Barashikov, S. Zhestkova
Abstract
In connection with the creation of a unified information system "Seismic safety of Russia" demanded new approaches are possible seismic hazard assessment. Full payment risk in a given area for specific objects should be carried out in two directions. The first — to build a database of technical controls for the (representative) series of residential buildings. The second — a detailed study of the Earth's structure for better allocation of seismogenic structures and seismogenic objects.
Key words: seismic risks; geological and geophysical environment; the earth's crust; lithosphere; microseismic background.
Введение
Вопросами сейсмологии и оценки сейсмических рисков востока России занимались многие исследователи, однако подавляющее большинство работ носит качественный характер. Существующие на сегодняшний день методики исследования глубинного строения, а также электронные ресурсы, позволяют перевести подобные исследования в количественную плоскость. Следует отметить, что большинство работ опирается только на результаты сейсмического зондирования, что сильно ограничивает охватываемые исследованиями площади и не дает полной картины сейсмических рисков. Работы, использующие другие методы для количественной оценки глубинного строения, являются единичными [1, 5]. Сбалансированная оценка сейсмического риска от природных катастроф и затрат на их ликвидацию является гарантом надежной работы систем жизнеобеспечения для территорий проживания людей.
Сейсмический риск связан со степенью уязвимости техногенного объекта от сейсмической опасности. Чтобы стать субъектом оптимальной безопасности, природно-техногенные объекты должны постоянно подвергаться мониторингу основных параметров безопасности. Параметризация должна проводиться в двух основных направлениях: первое — оценка устойчивости сейсмическим воздействиям конкретных массовых (репрезентативных) серий жилых сооружений, второе — всесторонний учет сейсмического риска для территорий, на которых эти сооружения расположены. Впоследствии, на основе комплексной научно-технической экспертизы и прогноза возможных сценариев поведения среды, должна проводиться стратегия реализации безопасного строительства и эксплуатации конкретных объектов.
Совершенствованием технологий наиболее полной оценки возможных рисков при чрезвычайных ситуациях занимаются многие развитые страны. В России, во ВНИИ ГОЧС разработана глобальная геоинформационная система «Экстремум» по прогнозу последствий разрушительных землетрясений и определения эффективных сценариев реагирования в режиме реального масштаба времени [6, 7]. Ее задачи
— прогнозировать вероятность возникновения чрезвычайных ситуаций и, по возможности, предотвращать их, а в случае аварий или стихийных бедствий
— планировать работу по ликвидации последствий с таким расчетом, чтобы свести к минимуму причиненный ими ущерб. Эта система, предназначенная для оптимизации мероприятий по эффективному реагированию на ЧС хорошо себя зарекомендовала при оценке последствий ЧС, и в этом направлении ей практически нет равных. Несколько хуже обстоит с вероятностными расчетами рисков.
Как видится авторам, развитие данного направления лежит через более многофакторное изучение
каждого конкретного риска для конкретной территории с учетом специфики ее застройки. Из всех природных стихийных событий сейсмические риски хуже всего поддаются прогнозам. До недавнего времени в мире не были развиты способы вероятностного расчета сейсмического риска для конкретного построенного здания, при условии охарактеризованной сейсмической опасности. Наиболее распространенная в настоящее время методология HAZUS [8] основывается на формализованной экспертной оценке состояния здания, без привлечения технических средств контроля. В первую очередь, это связано с большими затратами при массовом обследовании застройки. Для нашей страны задача упрощается, ввиду наличия массовых серий жилых зданий. Это позволяет применить относительно сложные верифицируемые методики оценки риска к репрезентативным сооружениям и использовать средства ГИС для полного расчета риска на заданной территории для конкретных объектов.
Сейчас оценка сейсмического риска выполняется, как правило, только для вновь проектируемых зданий и сооружений и не производится в процессе эксплуатации сооружения, за исключением оценки последствий крупных сейсмических событий. Переход от реактивного реагирования к проактивной стратегии управления риском, выраженный в принятии федеральной целевой программы повышения сейсмоу-стойчивости социально значимых объектов, предоставляет возможность начала внедрения связных методик расчета, основанных на инструментально контролируемом конечно-элементном моделировании здания и стандартных алгоритмах вероятностного расчета.
Неустойчивая геолого-геофизическая среда — это активно развивающийся и постоянно изменяющийся природно-техногенный объект. В мировой практике имеется едва ли не единственный достаточно успешный и продолжительный мониторинг геолого-геофизической среды - наблюдения за сейсмическими событиями. С учетом этого мониторинга сейсмическая опасность на территории России задается картами общего сейсмического районирования ОСР-97 [2]. Как правило, исходными данными для построения карты в баллах являются оценки магнитуд в выделенных зонах возможных очагов землетрясений (зоны ВОЗ).
Землетрясения являются конечным результатом разрешения напряжений на разных глубинных уровнях. Большинство гипоцентров землетрясений регистрируются в пределах земной коры, однако значительная часть коровых событий является отражением более глубинных мантийных процессов. Связь между различными оболочками Земли осуществляется посредством зон нарушений, по сути являющихся транспортными артериями, по которым происходит переход потенциальной энергии (гравитационной,
химической, электромагнитной, упругой) в кинетическую энергию движущихся масс. Массы приобретают импульс и передают его в пространстве по законам механики удара.
Актуальность детального изучения современных геодинамических и сейсмических процессов в зонах активных разломов признается практически всеми, однако далеко не всегда удается выявить наличие самих разломов. Значительная часть нарушений плохо проявлена или вообще не проявлена на поверхности. В этой ситуации без знаний о глубинном строении невозможно иметь корректного представления как о дизъюнктивной (разрывной) тектонике, так и о сейсмичности. Глубинная информация, основным источником которой являются геофизические исследования, позволяет более обоснованно выявить причинно-следственные связи событий на конкретной территории и диагностировать сами сейсмогенные структуры.
Особенности методики выделения сейсмогенных структур
В качестве основного объекта изучения выбрана территория Дальнего Востока России и сопредельных районов Китая (рис.1). Изучение глубинного строения и дизъюнктивной тектоники проводилось посредством привлечения разнообразной геофизической информации: данные сейсмометрии, магнито-теллурических зондирований (МТЗ), гравитационных и магнитных съемок. При работе с гравитационной и магнитной информацией, для выявления поведения разломов на глубине применялись стандартные и нестандартные трансформации, проводились качественные и количественные оценки параметров физических неоднородностей. Использована карта современного рельефа SRTM 30 PLUS. В процессе интерпретации полученного материала выделены основные коро-мантийные системы региональных нарушений, которые впоследствии анализировались с позиции сейсмоактивности.
Для выявления наиболее сейсмоопасных областей региона была составлена карта напряженности литосферы (рис.1), где были учтены все известные разломы в пределах изучаемой территории. С целью соблюдения принципа однородности представления и создания условий для сопоставления карт друг с другом, исходная информация была переведена из дискретной (точечной) формы в непрерывную (в виде изолиний). Построение карты осуществлялось путем отнесения средневзвешенных значений количества разломов в элементарной ячейке к центру этой ячейки. За элементарные ячейки были приняты картографические трапеции (лист) масштаба 1:100000, на которые была разбита вся площадь карты.
Результаты
Положение рассматриваемого в работе региона (рис. 1) в системе глобальных неоднородностей Земли [3] определяется его совпадением с Восточно-Азиатским сегментом литосферы, характеризующимся нормальной низкоскоростной мантией. К западу и востоку от него выделяются соответственно Центрально-Евразиатский и Западно-Тихоокеанский сегменты литосферы с высокоскоростной мантией. Системы разломов Таси и Приохотского делят литос-ферную мантию региона на два сегмента. Граница Центрально-Евразиатского и Восточно-Азиатского сегментов литосферы фиксируется гравитационной ступенью, к которой также приурочена зона повышенной электропроводности. В регионе наблюдается общее уменьшение мощности земной коры по направлению к океану. Взаимодействие систем разломов Нэньцзян и Охотский с Южно-Тукурингским делят территорию на две провинции: Северо-Западную (СЗ) — с большой мощностью коры и Юго-Восточную (ЮВ) — с меньшей, но более дифференцированной.
ЮВ провинция представлена сочетанием блоков повышенной и пониженной мощности земной коры, где основными дифференцирующими нарушениями являются разломы Танлу, Западно-Сихотэ-Алиньский и Аргуно-Наньлошаньский.
В результате комплексного анализа геолого-геофизической информации выделены основные сейс-могенные зоны, контролируемые системами региональных разломов (рис. 1): Алдано-Батомская, Чульман-Токинская, Южно-Тукурингская, Олекма-Ханкайская, Хинганская, Сунгари-Охотская, Аргуно-Наньлошаньская, Сихотэ-Алиньская.
На карте напряженности литосферы большинству сейсмогенных зон соответствуют аномалии повышенной напряженности. Уровень напряженности в пределах зон говорит об активности процессов в литосфере, особенностях деформационных свойств среды, а следовательно, об их потенциальной сейс-моопасности.
Выводы
Полученная карта напряженности литосферы позволяет уточнить природную сейсмическую опасность, обусловленную пространственной геолого-геофизической неоднородностью литосферы региона. Наименьшей напряженностью отличаются зоны: Аргуно-Наньлошаньская и Алдано-Батомска. Возможно предположить, что пик сейсмической активности на этих территориях пройден. Особое внимание следует уделить Сихотэ-Алиньской сейсмоактивной зоне, которая потенциально является одной из наиболее опасных.
Для наиболее полной оценки сейсмического ри-
Рис. 1.|Карта напряженности литосферы 1 — изолинии количества разломов в элементарной ячейке; основные сейсмоактивные нарушения: 2 — мантийного заложения, 3 — корового; 4 — сейсмоактивные зоны:1 — Алдано-Батомская, 2 — Чульман-Токинская, 3 — Южно-Тукурингская, 4 — Олекма-Ханкайская, 5 — Хинганская, 6 — Сунгари-Охотская, 7 — Аргуно-Наньлошаньская, 8 — Сихотэ-Алиньская.
ска для конкретных объектов, в частности зданий, необходимо проводить определения свойств здания как линейной системы, исходя из измерений микросейсмического фона и принадлежности к той или иной сейсмической зоне. Полученные данные впоследствии можно использовать для уточнения механической конечно-элементной модели здания. В свою очередь, модель используется при расчете риска превышения порога деформации здания для сейсмического воздействия, параметризованного случайно распределенными величинами [9]. Для определения вероятности полного разрушения возможно использование апробированных алгоритмов
[4, 10].
Применение индустриальных методов спектральной вибродиагностики затрудняется очень слабым уровнем случайных колебаний здания, и требует применения новых методов обработки многоканальных записей микросейсмического фона [11]. Предложенная методика комплексного учета устойчивости к сейсмическим воздействиям конкретных представительных типов зданий и сооружений вместе с всесторонним учетом сейсмического риска для территорий застройки и эксплуатации может являться основой для анализа сейсмической опасности для населенных пунктов.
Литература
1. Ващилов Ю. Я., Калинина Л. Ю. Исследование связи землетрясений с разломами и глубинной структурой Охотоморско-Колымского региона (по геофизическим данным)// Материалы Всероссийского совещания «Геодинамика, магматизм и мине-рагения континентальных окраин Севера Пацифики». Магадан, 2003. Т. 1. С. 229—232.
2. Комплект карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации ОСР-97. Масштаб 1: 8000000. Объяснительная записка и список городов и населенных пунктов, расположенных в сейсмо-опасных районах. М.: ОИфЗ РАН, 1999. 57 с.
3. Кунин Н.Я. Строение литосферы континентов и океанов. М.: Недра,1989. 286 с.
4. ПростяковК.В. Оценка сейсмического риска для существующих зданий и сооружений с привлечением данных инструментального контроля состояния объекта / / Проблемы сейсмичности и современной геодинамики Дальнего Востока и Восточной Сибири: Материалы науч. симпозиума. Хабаровск, 2010. С. 158—160.
5. Шарафутдинов В.М., Мишин С.В. Сейсмичность Северо-Востока России // Геодинамика, магматизм и металлогения Востока России. Владивосток: Дальнаука, 2006. Кн. 1.
6. Шахраманьян М.А. Новые информационные технологии в задачах обеспечения национальной безопасности России: Природ.-техног. аспекты. М.: ВНИИ ГОЧС, 2003. 397 с.
7. Шахраманьян М.А. Оценка сейсмического риска и прогноз последствий землетрясений в задачах спасения населения:
Теория и практика. 2-е изд., перераб. и доп. М.: ВНИИ ГОЧС, 2000. 189 с.
8. «HAZUS-MH Technical Manual», Federal Emergency Management Agency, 2003, Washington, DC, U.S.A.
9. F. McKenna, G.L. Fenves. OpenSees Manual, 2001, PEER Center, http://opensees.berkeley.edu/OpenSees.
10. Subset simulation and its application to seismic risk based on dynamic analysis, S.K. Au and J.L. Beck, Journal of engineering mechanics, ASCE, August 2003, pp. 901—917.
11. Seismic damage assessment in structures using stochastic subspace-based algorithm, P. Andersen, M. Basseville, R. Brincker, L. Mevel, C.E. Ventura and W. Zhou, Proceedings of ECCOMAS Thematic Conference on Computational Methods in Structural Dynamics and Earthquake Engineering, Rethymno, Crete, Greece, 13—16 June 2007.
Сведения об авторах
Манилов Юрий Феликсович: к. г.-м. н., с.н.с., Институт
тектоники и геофизики (ИТиГ) ДВО РАН.
680000, Хабаровск, ул. Ким Ю Чена, 65.
Тел.: (4212) 70-38-39.
E-mail: [email protected]
Барашиков Игорь Алексеевич: Дальневосточный филиал ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), начальник филиала. 680003, Хабаровск, ул. Герцена, 14. Тел.: (4212) 59-53-91. E-mail: [email protected]
Жесткова Светлана Григорьевна: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), н.с.
121352, Москва, ул. Давыдковская, 7. Тел.: (499) 449-99-90. E-mail: [email protected] SPIN-код — 9556-1980.
Information about authors
Manilow Yuri F.: PhD (Geological and Mineralogical Sc.), senior researcher, Institute of Tectonics and Geophysics. 680000, Khabarovsk, str. Kim Yu Chen, 65. Tel.: (4212) 70-38-39. E-mail: [email protected]
Barashikov Igor A.: Far Eastern Branch of the Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emer-gencies" (Federal Center of Science and high technology), head of the branch. 680003, Khabarovsk, str. Herzen, 14. Tel.: (4212) 59-53-91. E-mail: [email protected]
Zhestkova Swetlana G.: Federal Government Budget Institution "All-Russian Research Institute for Civil Defense and Emer-gencies" (Federal Center of Science and high technology), research associate. 121352, Moscow, str. Davydkovskaya, 7. Tel.: (499) 449-99-90. E-mail: [email protected] SPIN-scientific — 9556-1980.
