Реферат: Землетрясения

Введение

Землетрясения по своим разрушительным последствиям, числужертв и деструктивному воздействию насреду обитания человека занимают одно изпервых мест среди других природных катастроф. Они обусловлены продолжающейсясотни миллионов лет глобальнойэволюцией литосферы нашей планеты. На территорииСеверной Евразии все геодинамические и сейсмические процессы тесно связаны совзаимодействием восьмикрупных литосферных плит — Евразийской, Африканской,Аравийской, Индостанской, Китайской, Тихоокеанской, Охотоморской иСеверо-Американской.

Предотвратить землетрясения невозможно, однако ихразрушительные последствия и количествочеловеческих жертв могут быть уменьшеныпутем создания достоверных карт сейсмического районирования, примененияадекватных норм сейсмостойкогостроительства и проведения в сейсмоактивныхрайонах долгосрочной политики, основанной на повышении уровня осведомленностинаселения и федеральных органовоб угрозе землетрясений и умении противостоятьподземной стихии.

Основными понятиями, связанными с социально-экономическимипоследствиями землетрясений, являются следующие.

n n Сейсмическое районирование — это картированиесейсмической опасности.Сейсмическая опасность — вероятность возникновения(превышения, не превышения) сейсмического эффекта определенной величины в данномпункте в течение заданного интервала времени(измеряется в баллах, пиковых испектральных ускорениях и т.п.). n n Сейсмическая уязвимость — отношениеожидаемых затрат по восстановлению объекта к егопервоначальной стоимости(измеряется от 0.0 до 1.0).Сейсмический риск — вероятность потерь отземлетрясений за определенныйпромежуток времени в соответствии с сейсмическойопасностью и уязвимостью объектов (число возможных жертв, экономическийи экологическийущерб и др.).

Сейсмическое районирование актуально для всех без исключениярегионов России, где даже наотносительно спокойных в геологическом отношенииравнинных территориях имели место, и возможны в будущем, достаточно сильные иразрушительные землетрясения.Свыше четверти территории Российской Федерацииподвержено сейсмическим воздействиям, требующим проведения антисейсмическихмероприятий. Значительнуюплощадь занимают чрезвычайно опасные в сейсмическомотношении 8-9-ти и 9-10-балльные зоны. К ним относятся Дальний Восток и весь югСибири. 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. Техногеннаясейсмотектоническая активизация характерна для нефтедобывающих районовТатарстана и Башкортостана.

Известны местные землетрясения и в Воронежской области, гдерасположена Ново-Воронежская АЭС.Угроза землетрясений с каждым годом растет помере освоения сейсмоактивных территорий и строительства в их пределах особоответственных сооружений.

Исследования в области сейсмического районированиябазируются на детальном и комплексномизучении глубинной структуры земной коры ивсей литосферы, современной геодинамики, региональной сейсмичности,сейсмотектоники и инженернойсейсмологии.Они включают в себя идентификациюсейсмоактивных структур, определение параметров их сейсмического режима изатухания генерируемого имисейсмического эффекта с расстоянием, а в итоге — вероятностный расчет и картирование сейсмической опасности на земнойповерхности. В зависимости отзадач, степени детальности и масштаба исследованийсейсмическое районирование может быть общим (ОСР, масштаб 1:5-млн — 1:2,5-млн),детальным (ДСР, масштаб1:500-тыс — 1:100-тыс) и микросейсмическим (СМР, масштаб1:50-тыс и крупнее). Однако первостепенным и опорным для всех последующихпостроений является ОСР, основанное на региональных и межрегиональныхсейсмологических и геолого-геофизических исследованиях, способствующихвыявлению планетарных сейсмогеодинамическихвзаимодействий литосферных плит иблоков земной коры сейсмоактивных регионов.

Карты ОСР в генерализованном виде характеризуют степеньсейсмической опасности всей территориистраны и сопредельных сейсмоактивныхрегионов и используются для социально-экономического планирования,рационального землепользования исейсмостойкого строительства. Только на ихоснове могут и должны составляться более детальные карты ДСР и СМР, учитывающиенаряду с региональными локальныесейсмотектонические, сейсмические, грунтовые идругие природные условия.

Сейсмическая опасность с каждым годом не уменьшается, арастет в прямой связи схозяйственным освоением сейсмоактивных территорий ивоздействием человека на литосферную оболочку Земли (строительство крупныхгидротехнических сооружений, добыча полезных ископаемых и т.п.). Повышенныйсейсмический риск связан и с размещением в сейсмоактивных регионах атомныхэлектростанций и других экологическиопасных объектов, поскольку даженезначительные землетрясения могут нарушить их нормальное функционирование.

В конце прошлого и начале текущего столетия, благодарявыдающемуся вкладу отечественных ученых вмировую сейсмологию, Россия в течениемногих лет играла ведущую роль в науке о землетрясениях. С именем Б.Б.Голицынасвязано создание прообраза современныхсейсмографов и начало систематическихисследований сейсмичности и внутреннего строения Земли. Геологическую основуизучения природы землетрясений заложилиИ.В.Мушкетов и А.П.Орлов, создавшиепервый российский каталог землетрясений. Углубленный анализ сейсмогеологическихсвязей был продолжен в Сейсмологическоминституте АН СССР (родоначальник ОИФЗ)Д.И.Мушкетовым, выделившим целый ряд сейсмоактивных регионов и опубликовавшим в1933 г. первую макросейсмическуюкарту сейсмического районирования Средней Азии.

Первая в Европе и мире официальная нормативная карта общего(обзорного) сейсмическогорайонирования всей территории бывшего СССР былаопубликована в 1937г. Г.П.Горшковым, положившим начало регулярному ихсоставлению в качестве основы, регламентирующей проектирование и строительство всейсмоактивных районах страны. В конце 40-х годов исследования И.Е.Губина, авпоследствииГ.А.Гамбурцева, С.В.Медведева, Ю.В.Ризниченко, И.Л.Нерсесова и другихученых, привели к смене существовавшей до того времени парадигмы«сейсмическогоактуализма» («там, где было, там и будет») изаложили основы сейсмогенетического двухстадийного метода оценки сейсмическойопасности сэлементами прогноза. В соответствии с этой концепцией на первойстадии выделяются реальные и потенциальные очаговые зоны, на второй — рассчитываютсяожидаемые сотрясения на земной поверхности. Новой парадигмыпридерживались практически все составители последующихкарт общего сейсмическогорайонирования (ОСР): 1957г. (ред. С.В.Медведев, Б.А.Петрушевский),1968г. (ред.С.В.Медведев) и 1978г. (ред. М.А.Садовский). В создании двух последних картактивное участие принимали местные специалисты из бывших союзных республик ирегионов.

Сейсмическое районирование — одна из наиболее сложных ичрезвычайно ответственных проблемсовременной сейсмологии. О социальной,экономической и экологической её значимости говорить не приходится. Научная жесложность этой проблемы состоит, прежде всего, в том, что она принадлежит ккатегории прогнозов, базирующихся на неполной информации, скудном и не всегдаудачном опыте и на недостаточно четкихметодологических позициях. Поэтому каждаяиз составленных в прошлые годы карт сейсмического районирования территориибывшего СССР в той или иной мереоказывалась неадекватной реальным природнымусловиям, что наряду с некачественным строительством нанесло народномухозяйству огромный материальныйущерб и повлекло за собой многочисленныечеловеческие жертвы. И хотя по мере накопления дополнительной информации оземлетрясениях и совершенствованиясейсмологических знаний карты сейсмическогорайонирования обновлялись и несколько улучшались, фрагментарно они изменялисьгораздо чаще, практически послекаждого крупного землетрясения в районах, показанныхна 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 СССРвозникали разрушительные 8-9- и даже 9-10-балльные землетрясения в зонах,опасность которых по этой картеоказалась заниженной по меньшей мере на 2-3балла. К их числу относятся катастрофическое Спитакское землетрясение 1988 г. вАрмении, сопровождавшееся десяткамитысяч человеческих жертв, Зайсанское землетрясение1990 г. — в Казахстане, Рача-Джавское 1991г. — в Грузии, Суусамырское 1992 г. — в Киргизии, Хаилинское1991 г. и Нефтегорское 1995 г. — в России (в Корякии и наСахалине). Последнее, произошедшее на севере Сахалина, повлекло за собой гибельоколо двух тысяччеловек и полную ликвидацию городского поселка. Оно было самымразрушительным из известных в прошлом землетрясений на территории РоссийскойФедерации.

Как показали исследования, карта образца 1978 года (ОСР-78)на самом деле и не была общей, поскольку составлялась фрагментарно в разныхрегионах и вреспубликах, по разнотипной методике и на основе разрозненногосейсмологического исейсмогеологического материала.

Практически все предыдущие карты ОСР были детерминистскими,хотя еще в середине 40-х годов С.В.Медведев предложил ввести в зонысейсмической опасности внутреннюю дифференциацию в соответствии с периодомповторяемости сильных землетрясений ис предполагаемыми сроками службы различныхтипов сооружений. Однако даже карта 1978 года, в которую впервые были введенывероятностные характеристикиповторяемости сотрясений, на самом деле не давалаадекватных оценок сейсмической опасности. Индексы 1, 2 и 3 возле номиналов взонах балльности наодной и той же карте, якобы отражающие повторяемостьсейсмических сотрясений один раз в 100, 1000 и 10000 лет, явились одной изпричин низкой надежностиэтой карты. Как показали последующие расчеты, врезультате такой индексации реальный инженерный риск, определяемый картойОСР-78, оказался не единым длявсех сейсмоопасных районов страны.

В последние годы идеи вероятностно-детерминированногопрогнозирования опасных сейсмических идругих геологических процессов начали всеактивнее внедряться в сейсмологию и в практику строительства в нашей стране. Сучетом этих достижений и результатовсобственных исследований было приняторешение создать не одну карту с различными индексами, как это было сделаносоставителями карты ОСР-78, акомплект нормативных карт Общего сейсмическогорайонирования (ОСР-97) территории Российской Федерации, предназначенных длястроительных объектовразных категорий ответственности и сроков службы иотражающих равномерную для конкретного уровня риска расчетную интенсивностьсотрясений.

Основные положения общего сейсмического районирования — ОСР-97.

Значительную часть указанных выше недостатков и упущенийудалось избежать при выполнении в1991-1997 гг. комплексных исследований пообщему сейсмическому районированию территории Российской Федерации и всейСеверной Евразии, охватывающей такжетерриторию бывших союзных республик (фиг.10). Исследования проводились по программе «Сейсмичность и сейсмическоерайонирование СевернойЕвразии», разрабатываемой под руководством ОИФЗ РАНв рамках Государственной научно-технической программы России «Глобальные измененияприродной средыи климата» и явились продолжением работ по сейсмическомурайонированию территории бывшего СССР, однако выполнялись на иномконцептуальном, методологическом и научно-организационном уровне.

Новая программа работ по общему сейсмическому районированиювыполнялась большим коллективомсоисполнителей из нескольких десятковнаучно-исследовательских институтов Российской Академии наук и академий наукбывших союзных республик (см. список вконце статьи). Оценка сейсмическойопасности и сейсмическое районирование осуществлялась не для фрагментовсейсмоактивных регионов или для отдельныхреспублик, как было прежде, а для всейСеверной Евразии, охватывающей территории России, Украины, Беларуси, Молдовы,республик Закавказья, СреднейАзии и Казахстана. Вся территория Северной Евразиибыла разделена на несколько крупных регионов взамен многочисленным и мелкимадминистративнымподразделениям, традиционно на протяжении десятилетийиспользовавшихся при изучении сейсмичности и сейсмическом районированиитерритории бывшего СССР.

В 1992 г. Программа «Сейсмичность и сейсмическоерайонирование Северной Евразии» быласкоординирована с новой Международнойпрограммой оценки глобальной сейсмической опасности (Global Seismic HazardAssessment Program — GSHAP) и вошла в неесоставной частью. Послеорганизационного совещания в Москве в 1993 г., при финансовой поддержке INTAS иМиннауки России, на территорииКрым-Кавказ-Копетдагского региона был созданмеждународный тестовый полигон GSHAP с целью совершенствования методов оценкисейсмической опасности. В этихисследованиях приняли участие сейсмологи избывших союзныхреспублик, а также специалисты из Ирана, Турции, Китая, Италии,Германии, Швейцарии и другихстран-участников работ по GSHAP.

В результате комплексных исследований 1991-1997 гг. полученунифицированный исходныйсейсмологический и сейсмогеологический материал по всейтерритории Северной Евразии, позволивший с принципиально новых позиций подойтик изучению структурырегиональной сейсмичности и оценке сейсмической опасностина территории России и каждого из Содружества независимых государств (СНГ).

Разработана целостная методология районирования сейсмическойопасности, создана единая длявсей территории Северной Евразии модель зонвозникновения очагов землетрясений (зоны ВОЗ), выявлены определенныезакономерности в пространственно-временном иэнергетическом развитиирегиональных сейсмогеодинамических процессов, разработаны новые методическиеподходы к идентификации и сейсмологическойпараметризации очаговых зон, а такжек расчету сейсмического эффекта, создаваемого ими на земной поверхности. Наоснове этой и другойгеолого-геофизической информации создан единый электронныйбанк данных, использующий современную Географическую информационную систему(ГИС). Благодаряэтому все карты и приложения к ним легко могут бытьпредставлены графически в любой проекции и в любом масштабе, но не крупнеемасштаба 1:2.500.000, исходного при всех построениях.

Концепция ОСР-97 включает в себя:

n n представления о предельной величине максимальнойвозможной магнитуды землетрясений, обусловленной структурно-динамическимединством геофизической среды и развивающихся в ней сейсмических процессов, а витоге — размерами, прочностнымисвойствами и интенсивностью взаимодействиягеоблоков; принцип двухстадийности в оценке сейсмическойопасности, базирующийсяна создании двух взаимосвязанных прогнозных моделей — модели зон возникновенияочагов землетрясений и модели создаваемого ими сейсмического эффекта;

n вероятностно-детерминированный подход к оценкам исходных ивыходных данных сейсмической опасности и сейсмическогорайонирования.Основой длясоздания комплекта карт ОСР-97, наряду с новой методологией, явилась достаточнооднородная база сейсмологических игеолого-геофизических данных для всейтерритории Северной Евразии, представленная в картографическом и электронномвиде 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 СевернойЕвразии с М>= 4.5 сдревнейших времен по 1990 г., с М>= 3.5 — с 1960 по1990 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 механизмовочаговземлетрясений 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 сейсмическойрегионализации 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 СевернойЕвразии (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 сейсмологическойпараметризации зон возникновения очагов землетрясений (отв. исп.В.И.Уломов).Картазон возникновения очагов землетрясений(линеаментно-доменно-фокальная модель) на территории Северной Евразии ихарактеристикаих сейсмического режима (отв. ред. В.И. Уломов).

n n Программно-математическое обеспечение расчетовсейсмической опасности (отв.исп. А.А. Гусев, В.М. Павлов, Л.С.Шумилина).Матрица цифровой информации о повторяемости сотрясенийразнойинтенсивности в узлах квадратной сетки с ячейками 25х25 км2, покрывающейвсю территорию Северной Евразии (отв. сост. Л.С. Шумилина, Ш.С.Андержанов, Ю.М.Колесников, Н.С. Медведева).

n Комплект карт районирования сейсмической опасности натерритории Северной Евразии для трех уровней риска (отв. сост. В.И. Уломов,Л.С.Шумилина)Принципиальным отличием новой методологии от прежних приемовсейсмического 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 распределенияочагов разных магнитуд до расчета сейсмической сотрясаемости земнойповерхности.Осуществлен учет разнообразной нестандартной информации орегиональной сейсмичности (структурирование поля сейсмичности, нелинейностьграфиковповторяемости землетрясений и затухания сейсмического эффекта и др.) ио сейсмических очагах (размер, ориентировка, моментные магнитуды,сброшенноенапряжение, размещение очагов в сейсмоактивном слое, а не нафиксированной глубине, как прежде и др.).

Использование при расчетах сейсмической сотрясаемостиповышенных значений частоты возникновенияземлетрясений с Ммах>= 6.5,наблюдаемых в каждом из сейсмоактивных регионов, привело к более реалистичнымоценкам сейсмической опасности по сравнению ссильно заниженными прежнимиоценками карты ОСР-78.

Усовершенствована методика расчета сейсмической опасности,позволяющая оперировать протяженнымисейсмическими очагами и вычислять амплитудывысокочастотных сейсмических колебаний путем расчета поля излучения вокругдвумерного прямоугольногонекогерентного излучателя. Для учета влияния большогочисла статистически зависимых факторов применена техника счета по Монте-Карлона основепротяженного во времени случайного каталога землетрясений.

Разработаны и созданы две основополагающие модели,необходимые для оценки сейсмической опасностии общего сейсмическогорайонирования Северной Евразии (СЕА):

а) модель зон возникновения очагов землетрясений (зоны ВОЗ),включающая в себя три основныеструктурные элемента каждого из сейсмоактивныхрегионов — линеаменты, домены и потенциальные очаги

землетрясений, параметризованные в соответствии сдолговременным средним сейсмическим режимомкаждого из регионов СЕА;

б) модель сейсмического эффекта, создаваемого всемиструктурными элементами зон ВОЗ иопределяющего сейсмическую сотрясаемостьземной поверхности.

Созданный Комплект карт ОСР-97 позволяет оценивать степеньсейсмической опасности на трех разныхуровнях (А, В, С) в средних грунтовыхусловиях, характерных для соответствующих регионов. Для территории РоссийскойФедерации этот комплект принят ГосстроемРоссии для использования в Строительныхнормах и правилах (СНиП) «Строительство в сейсмических районах»:

Карта ОСР-97-А — соответствует 90%-ной вероятности непревышения расчетной интенсивности в течение 50 лет (или10%-ной вероятностипревышения) может быть предназначена для массового гражданского и промышленногостроительства;

Карта ОСР-97-В — соответствует 95%-ной вероятности непревышения расчетной интенсивности в течение 50 лет (или5%-ной вероятностипревышения) — для объектов повышенной ответственности;

Карта ОСР-97-С — 99%-ной вероятности не превышения расчетнойинтенсивности в течение 50 лет (или 1%-нойвероятности превышения) — для особоответственных объектов.