Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 494, № 1, стр. 66-70

Карты детального сейсмического районирования нового поколения для южной части о. Сахалин

А. В. Коновалов 1*, А. А. Степнов 1

1 Сахалинский филиал Дальневосточного геологического института Дальневосточного отделения Российской академии наук
Южно-Сахалинск, Россия

* E-mail: a.konovalov@geophystech.ru

Поступила в редакцию 13.03.2020
После доработки 30.06.2020
Принята к публикации 01.07.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

Впервые для Сахалина реализована методика вероятностного анализа сейсмической опасности с использованием регионального соотношения затухания сейсмических ускорений. Для юга о. Сахалин построены карты нормативных пиковых ускорений, соответствующие 475- и 975-летним периодам повторяемости сейсмических воздействий.

Ключевые слова: сейсмическое районирование, вероятностный анализ сейсмической опасности, модель затухания сейсмических воздействий, модель сейсмических источников

В отношении методологии сейсмического районирования территории РФ взгляды ученых в настоящее время различаются. Некоторые являются сторонниками западных подходов, основанных на использовании сейсмических ускорений для нормирования сейсмических воздействий [1, 2]. При этом, не имея эмпирически обоснованных моделей затухания сейсмических ускорений в исследуемом районе, специалисты предлагают заимствовать такие модели из регионов с хорошей обеспеченностью сейсмологическими данными. Их оппоненты [3, 4] указывают на то, что выраженные особенности регионов-аналогов могут вносить непредсказуемые искажения в расчеты и предлагают использовать макросейсмический балл, как это традиционно делается в России [5].

На практике переход от балла к ускорению происходит дискретно, т.е. 7, 8 и 9 баллам соответствуют инженерные значения пиковых ускорений грунта 100, 200 и 400 см/сек2.

Здесь сложно заранее предугадать, что может в большей степени исказить расчет: эпистемическая неопределенность импортированной модели затухания сейсмических ускорений или случайная неопределенность в переходной зависимости балл–ускорение.

Одна из первых попыток сейсмического районирования в физических единицах для городов о. Сахалин была предпринята в [1]. В схему расчета были импортированы модели затухания нового поколения, разработанные в 2008 г. в США в рамках проекта NGA. Однако результаты вычислений были представлены в целочисленных баллах, из-за чего теряется смысл детального районирования.

Сегодня огромное внимание уделяется промышленному развитию Сахалинской области. Наибольшая часть всех реализуемых инфраструктурных проектов в регионе сконцентрирована на юге острова Сахалин. Поэтому именно эта часть территории выбрана в качестве полигона для детального картирования сейсмической опасности.

В настоящей работе использовалась программа CRISIS [6], которая прошла серьезную апробацию в различных сейсмоактивных районах Земли, в том числе на Сахалине [7]. Принципиально новым является использование эмпирически обоснованного соотношения затухания сейсмических ускорений и метода расчета, основанного на теореме о полной вероятности [2, 7].

Модель сейсмических источников для о. Сахалин построена таким образом (рис. 1), что возможные события с большой магнитудой отнесены к сейсмолинеаментам, в то время как фоновые – к доменам (площадным источникам).

Рис. 1.

Положение сейсмических источников, используемых в расчетах.

В основу линеаментно-доменной модели положены результаты предшествующих исследований [1, 5]. Сейсмические характеристики площадных источников актуализированы по результатам современных исследований [8]. Основная корректировка параметров линейных источников заключалась в повышении значения максимальной магнитуды mmax, уточнения их повторяемости и положения. Повторяемость оценивалась по данным палеосейсмических исследований древних землетрясений, следы которых сохранились в смещениях поверхностных отложений [9], а также по результатам высокоточных геодезических наблюдений [10]:

(1)
${{\lambda }_{0}} = \frac{{\dot {u}}}{{{{{\bar {u}}}_{0}}}},$
где λ0 – уровень сейсмической активности, $\dot {u}$ – скорость перемещения по разлому, ${{\bar {u}}_{0}}$ – средняя подвижка в очаге землетрясения с магнитудой m0.

Для параметризации повторяемости сейсмических источников использовались магнитудно-частотные соотношения, основанные на усеченном (для доменов) и характеристическом (для линеаментов) распределениях Гутенберга–Рихтера (табл. 1):

(2)
$\begin{gathered} {{\lambda }_{{\text{B}}}}(m) = {{\lambda }_{0}}\frac{{\exp ( - \beta m) - \exp (\beta {{m}_{{\max }}})}}{{\exp ( - \beta {{m}_{0}}) - \exp ( - \beta {{m}_{{\max }}})}}, \\ {{m}_{0}} \leqslant m \leqslant {{m}_{{\max }}} \\ \end{gathered} $
(3)
$\begin{gathered} {{\lambda }_{{\text{c}}}}(m) = {{\lambda }_{0}}\frac{{\Phi \left( {\frac{{{{m}_{{\max }}} - em}}{s}} \right) - \Phi \left( {\frac{{m - em}}{s}} \right)}}{{\Phi \left( {\frac{{{{m}_{{\max }}} - em}}{s}} \right) - \Phi \left( {\frac{{{{m}_{0}} - em}}{s}} \right)}}, \\ {{m}_{0}} \leqslant m \leqslant {{m}_{{\max }}} \\ \end{gathered} $
где λB(m) и λC(m) – соответственно усеченная и характеристическая формы кумулятивного распределения повторяемости, зависящего от моментной магнитуды источника (m); m0 – минимальная магнитуда; β – наклон графика повторяемости (в единицах натурального логарифма); em – ожидаемая магнитуда характеристического землетрясения, s – стандартное отклонение ожидаемой магнитуды.

Таблица 1.

Актуализированные характеристики сейсмических источников для южного Сахалина

Сейсмический источник Средняя глубина, км Параметры графика повторяемости
λ0 m0 mmax Усеченное распределение Характеристическое распределение
β em s
D1 12 0.7586 4 7.3 1.934    
D2 11 0.7943 4 6.2 2.303    
D3 10 0.8128 4 6 2.234    
D4 12 0.4266 4 5.5 2.556    
D5 14 0.2291 4 5.5 1.566    
D6 17 0.1514 4 5.7 1.681    
D7 17 0.1514 4 5.7 1.681    
D8 18 0.2818 4 5.7 2.395    
D9 13 0.2042 4 5.5 3.085    
D10 12 0.4896 4 6 2.072    
D11 13 0.1001 4 6 1.635    
L-0928 10 0.00129 6.8 7.2   7 0.5
L-0948 12 0.00246 5.8 6.2   6 0.5
L-0940 10 0.00039 7.3 7.7   7.5 0.5
L-0950 14 0.00386 5.8 6.2   6 0.5
L-0943 12 0.00023 7.3 7.7   7.5 0.5
L9 12 0.00213 6.8 7.2   7 0.5

Эпистемическая неопределенность максимальной магнитуды для доменов учитывалась путем введения нескольких значений mmax в интервале от mmax – 0.2 до mmax + 0.2 с весами, задаваемыми равномерным распределением.

В качестве входной модели затухания сейсмических ускорений использовалось региональное соотношение, разработанное по записям местных землетрясений [7]:

(4)
$\begin{gathered} \log \overline {PGA} = 0.87m{\kern 1pt} '\; - \log ({{R}_{{{\text{rup}}}}} + 0.006 \times {{10}^{{0.5m'}}}) - \\ - \;0.0038{{R}_{{{\text{rup}}}}} - 1.726 \pm 0.336, \\ \end{gathered} $
где m' = min(m, 7); Rrup – наикратчайшее расстояние до разрыва (в км). Пиковое ускорение грунта $\overline {PGA} $ в (4) представлено в см/сек2.

В расчетах использовались также модифицированные модели затухания нового поколения NGA 2.0 [1113], прошедшие апробацию в задачах инженерной сейсмологии в рассматриваемом регионе [7].

Весовые коэффициенты для моделей затухания принимались в пропорциях 0.4, 0.2, 0.2 и 0.2 для регионального и трех импортированных соотношений соответственно.

Все расчеты приведены к эталонным грунтам со скоростью поперечных волн в верхнем 30-метровом слое 350 м/с. Вычисления воспроизводились на пространственной сетке с шагом 0.05 градуса.

Результаты нормирования сейсмических ускорений, соответствующих 10-процентной вероятности превышения в ближайшие 50 лет (или 475-летнему периоду повторяемости), проиллюстрированы на рис. 2а. Можно отметить, что в центральной части южного Сахалина расчетные значения нормативных ускорений (PGA) соответствуют уровню 0.2 g (где g – ускорение свободного падения), что в общих чертах согласуется с генерализированными оценками по результатам общего [5] и детального [1] сейсмического районирования, если принять, что 8 баллов это 0.2 g для грунтов средней категории. На западном побережье юга о. Сахалин эти значения соответствуют уровню 0.3 g. Если бы переход от баллов к ускорению (и обратно) осуществлялся с шагом 0.5, как это рекомендуется А.А. Гусевым [3], то исходная сейсмичность юга о. Сахалин нигде бы не превышала 8.5 балла, в то время как по текущим нормативным документам юго-западное побережье отнесено к 9-балльной зоне [14].

Рис. 2.

Карты детального сейсмического районирования южного Сахалина для (а) 475- и (б) 975-летних периодов повторяемости.

Согласно глобальным картам международного проекта GEM [15] юг о. Сахалин отнесен к зоне с проектными значениями пиковых ускорений грунта от 0.2 g до 0.5 g. В целом глобальные карты показывают относительно завышенные значения нормативных ускорений. Это может быть связано как с консервативными оценками максимальной магнитуды сейсмических источников глобальной модели, так и сайт-эффектом, обусловленным разными категориями грунтов, принятыми в расчетных методах.

Таким образом, впервые для Сахалина построены карты детального сейсмического районирования (рис. 2), основанные на современном уровне сейсмологической изученности региона. Методы и подходы, примененные в настоящей работе, следуют идеологии сбалансированной оценки риска, которая учитывает возможные эпистемические и случайные неопределенности.

Список литературы

  1. Левин Б.В., Ким Ч.У., Соловьев В.Н. Оценка сейсмической опасности и результаты детального сейсмического районирования для городов о. Сахалин // Тихоокеанская геология. 2012. Т. 31. № 5. С. 93–103.

  2. Bindi D., Parolai S. Total Probability Theorem versus Shakeability: A Comparison between Two Seismic-hazard Approaches Used in Central Asia // Seismol. Res. Lett. 2015. V. 86. № 4. P. 1178–1184.

  3. Гусев А.А. О принципах картирования сейсмоопасных регионов Российской Федерации и нормирования сейсмических нагрузок в терминах сейсмических ускорений. Часть 1 // Инженерные изыскания. 2011. № 10. С. 20–29.

  4. Gusev A.A. Comment on “Total probability theorem versus shakeability: A comparison between two seismic-hazard approachesused in central Asia” by D. Bindi and S. Parolai // Seismol. Res. Lett. 2016. V. 87. № 5. P. 1120–1124.

  5. Уломов В.И., Шумилина Л.С. Комплект карт общего сейсмического районирования территории Российской Федерации – ОСР-97. Масштаб 1 : 8 000 000. Объяснительная записка и список городов и населенных пунктов, расположенных в сейсмоопасных районах. М.: ОИФЗ, 1999.

  6. Aguilar-Melйndez A., Ordaz Schroeder M.G., De la Puente J., et al. Development and Validation of Software CRISIS to Perform Probabilistic Seismic Hazard Assessment with Emphasis on the Recent CRISIS2015 // Computacion y Sistemas. 2017. V. 21. № 1. P. 67–90.

  7. Коновалов А.В., Сычев А.С., Манайчев К.А., Степнов А.С., Гаврилов А.В. Апробация новой модели затухания пиковых ускорений грунта в вероятностном анализе сейсмической опасности для Сахалинского региона // Вопросы инженерной сейсмологии. 2018. Т. 45. № 3. С. 5–14. https://doi.org/10.21455/VIS2018.3-1

  8. Современные исследования механизмов очагов землетрясений о. Сахалин / Коновалов А.В., Нагорных Т.В., Сафонов Д.А.; Кожурин А.И., ред. Владивосток: Дальнаука, 2014.

  9. Кожурин А.И. Активная геодинамика северо-западного сектора Тихоокеанского тектонического пояса (по данным изучения активных разломов) // Aвтореф. дис. д. геол.- мин. наук. http://www.ifz.ru/uploads/media/Kozhurin_Avtoreferat_dgmn_sv_01.pdf.

  10. Быков В.Г., Бормотов В.А., Коковкин А.А. и др. Начало формирования единой сети геодинамических наблюдений ДВО РАН // Вестник ДВО РАН. 2009. № 4. С. 83–93.

  11. Abrahamson N.A., Silva W.J., Kamai R. Summary of the ASK14 Ground Motion Relation for Active Crustal Regions // Earthquake Spectra. 2014. V. 30. № 3. P. 1025–1055.

  12. Boore D.M., Stewart J.P., Seyhan E., et al. NGA-West 2 Equations for Predicting PGA, PGV, and 5%-damped PSA for Shallow Crustal Earthquakes // Earthquake Spectra. 2014. V. 30. № 3. P. 1057–1085.

  13. Campbell K.W., Bozorgnia Y. NGA-West 2 Ground Motion Model for the Average Horizontal Components of PGA, PGV, and 5%-damped Linear Acceleration Response Spectra // Earthquake Spectra. 2014. V. 30. № 3. P. 1087–1115.

  14. Общее сейсмическое районирование территории Российской Федерации ОСР-2015 / отв. ред. Е.А. Рогожин. https://minstroyrf.gov.ru/upload/iblock/a3b/izm-1-k-sp-14.pdf.

  15. Pagani M., Garcia-Pelaez J., Gee R., et al. Global Earthquake Model (GEM) Seismic Hazard Map (version 2018.1 – December 2018). https://maps.openquake.org/map/global-seismic-hazard-map/#6/49.944/143.503

Дополнительные материалы отсутствуют.