ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2009, № 10, с. 38-48
УДК 550.347
ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН НА СЕВЕРНОМ КАВКАЗЕ ПОСРЕДСТВОМ МОДЕЛИРОВАНИЯ АКСЕЛЕРОГРАММ ЗАРЕГИСТРИРОВАННЫХ
ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
© 2009 г. О. В. Павленко
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва Поступила в редакцию 18.09.2007 г.
Переработана 20.04.2009 г.
Для оценки параметров колебаний земной поверхности при возможных в будущем сильных землетрясениях исследуются закономерности излучения и распространения сейсмических волн в районах Северного Кавказа. Региональные параметры излучения и распространения сейсмических волн оцениваются путем решения обратных задач стохастического моделирования акселерограмм землетрясений, зарегистрированных сейсмостанцией Сочи. Смоделированы горизонтальные компоненты наиболее сильных землетрясений (Ик ~ 3.9-5.6), происшедших в 2002-2006 годах в радиусе ~300 км от сейсмостанции, с глубинами очагов до 60 км. При расчетах акселерограмм использованы оценки добротности, полученные ранее для данного района в виде: Qf ~ 80 ~ /09 проведена настройка параметров, определяющих формы очаговых спектров, усиление сейсмических волн в земной коре, ослабление волн на высоких частотах (каппа), параметров, определяющих форму и длительность акселерограмм, и некоторых других. Получено достаточно хорошее согласие рассчитанных и зарегистрированных акселерограмм, оценены региональные характеристики излучения и распространения сейсмических волн, которые могут использоваться для прогноза параметров сильных движений на Северном Кавказе, однако в будущем эти характеристики должны быть изучены более детально.
PACS: 91.30.Cd
ВВЕДЕНИЕ
Оценка параметров колебаний земной поверхности при возможных в будущем сильных землетрясениях относится к задачам сейсмического районирования. Поскольку все важнейшие параметры колебаний: максимальные и средние ускорения, скорости, смещения, спектральный состав и продолжительность колебаний, спектры отклика, интенсивность по Ариаз и др., - могут быть получены из акселерограмм землетрясений, усилия сейсмологов направлены на развитие методов расчета акселерограмм для заданных пар источник-приемник с использованием современных расчетных методов на основе современных знаний об очагах землетрясений, эффектах пути распространения и локальных условиях в точке приема. Акселерограммы рассчитываются для сценарных землетрясений, т.е. для возможных в будущем и опасных для данного региона сильных землетрясений.
На территории России сейсмическая опасность характеризуется набором карт ОСР-97-А, ОСР-97-В и ОСР-97-С, отражающих уровень сейсмической интенсивности с вероятностью его непревышения в течение 50 лет 90% (карта А), 95% (карта В) и 99% (карта С) [Уломов, Шумилина, 1999]. Северный Кавказ - район высокой сейсмической активности, где известны землетрясения с магнитудой И„ = 7 и
выше. Очаги крупнейших землетрясений обычно расположены к востоку и юго-востоку от города Сочи. Электронная база данных карт сейсмического районирования содержит всю необходимую информацию об активных разломах в исследуемом регионе, эпицентрах прошлых землетрясений различных магнитуд и сеисмолинеаментах, вдоль которых возможно возникновение очагов землетрясений с максимальной магнитудой. На основе этой информации оцениваются параметры сценарных землетрясений: магнитуды, размеры очагов, координаты и глубины гипоцентров, ориентации разломных плоскостей.
В настоящее время для расчета акселерограмм широко используется достаточно простой но эффективный стохастический метод [Вооге, 2003]. Стохастический подход основан на результатах обработки большого количества записей горизонтальных компонент акселерограмм калифорнийских землетрясений: проведенный анализ показал, что все акселерограммы в окнах вступлений S-волн с хорошей степенью точности представляют собой ограниченный по спектральной полосе Гауссовский белый шум. Частотные ограничения определяются граничной частотой спектра f0 и частотой fmax - наивысшей частотой, определяемой регистрирующим прибором или затуханием в земной коре [Hanks, McGuirre, 1981]. При расчете акселерограмм стоха-
ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ИЗЛУЧЕНИЯ И РАСПРОСТРАНЕНИЯ
39
стическим методом амплитуда колебаний в некоторой точке рассчитывается как детерминированная функция со случайным фазовым спектром, а интенсивность и продолжительность колебаний задаются в зависимости от магнитуды землетрясения и расстояния до источника. Входными данными расчетных программ являются параметры, описывающие особенности излучения (эффекты источников) и распространения (эффекты пути) сейсмических волн в данном регионе, а также параметры, описывающие локальные эффекты вблизи источников и приемников. Зависимости параметров излучения и распространения сейсмических волн от магнитуды и расстояния представляются в виде простых функций, которые используются в расчетах.
В результате, как показывает практика, получается достаточно адекватное представление высокочастотных составляющих колебаний (/ > 0.1 Гц), наиболее интересных с точки зрения инженерной сейсмологии. С достаточно хорошей точностью можно прогнозировать параметры сильных движений по записям более слабых, поэтому стохастический метод широко применяется для расчетов в сейсмичных районах, где нет записей сильных разрушительных землетрясений. Метод успешно применялся для расчетов параметров колебаний при землетрясениях с сейсмическими моментами в диапазоне более 12 порядков в различных тектонических условиях [Вооге, 2003].
Применение стохастического метода для расчета акселерограмм сценарных землетрясений требует предварительного определения различных параметров, характеризующих излучение и распространение сейсмических волн в данном регионе. К таким параметрам относятся: средняя плотность земной коры и средняя скорость ¿'-волн в коре, параметр напряжений, параметры геометрического расхождения и частотно-зависимого неупругого поглощения, зависимость длительности сейсмического сигнала от расстояния до источника, локальное усиление в земной коре и ослабление сигнала на высоких частотах, параметры, определяющие форму сигнала, и некоторые другие параметры. Разработано множество методов для оценки этих параметров по записям слабых и средней силы землетрясений.
Изучение региональных характеристик излучения и распространения сейсмических волн обычно начинают с оценивания частотно-зависимого поглощения, т.е. добротности среды, 2(/), по имеющимся сейсмическим записям. Для Северного Кавказа, района Сочи, такие оценки получены в работе [Павленко, 2008].
В настоящей работе оцениваются другие параметры излучения и распространения сейсмических волн на Северном Кавказе в окрестностях Сочи; для их оценки решается обратная задача, моделируются записи землетрясений, зарегистрированных сейсмо-станцией Сочи.
Подобные исследования выполнены для многих сильных землетрясений последних десятилетий: например, для землетрясений 1986 г. в Лома Приета и Нортридже 1994 г. в США, для калифорнийских землетрясений. Интересные результаты получены при моделировании землетрясения в Чи-Чи 1999 г., Тайвань, где в расчетах использовано предварительно полученное распределение подвижек по разлом-ной плоскости и где удалось построить модели нелинейного поведения грунта при сильных движениях [Pavlenko, Wen, 2008]. В этих исследованиях акселерограммы одного сильного землетрясения моделируются на многих станциях сильных движений. В настоящей работе использован несколько другой подход: моделируются акселерограммы разных землетрясений, зарегистрированных одной сейсмостанци-ей Сочи, однако различия подходов "одной станции" и "одного землетрясения" не принципиальны в данном случае для оценки региональных характеристик излучения и распространения сейсмических волн, поскольку речь идет об относительно слабых колебаниях.
МЕТОД И ДАННЫЕ
Записи землетрясений, зарегистрированных станцией Сочи, моделировались с помощью стохастического метода, объединяющего сейсмологические модели амплитудных спектров с инженерными представлениями высокочастотных составляющих сейсмических колебаний как случайного процесса. В общем виде спектр колебаний на поверхности в пункте регистрации Y может быть представлен в виде произведения, учитывающего вклад источника сейсмического излучения Е, эффектов пути распространения Р и локальных условий G [Вооге, 2003]:
Y(MW, R, f) = E(MW, f)P(R, f) G(f), (1)
где Mw - моментная магнитуда землетрясения, R -расстояние источник-приемник, f -частота.
Форма и амплитуда очагового спектра E(Mw, f) -функции размера очага. Наиболее часто используется так называемая "модель излучения ю2", введенная Аки [Aki, 1967] и описывающая возрастание спектральных амплитуд ускорений на низких частотах ~ю2. В этой модели вызванные землетрясением ускорения представлены как случайный шум, ограниченный по частоте в полосе от угловой частоты (корнер-частоты) f0 до верхней частоты среза ушах. Форма спектра определяется по Брюну сейсмическим моментом М0 и параметром напряжения Ас, связанным с f0 соотношением [Brune, 1970; 1971]:
f0 = 4.9 х 106ß(Ac/M0)1/3, (2)
где ß - скорость поперечных волн в км/с, Ас - в барах, а М0 - в дин см. Для инженерных приложений выражение (2) - определение Ас в терминах сейсмического момента и угловой частоты; этот параметр известен под разными именами, но наиболее пра-
40
ПАВЛЕНКО
вильно, по мнению Бура и Аткинсон, называть его параметром напряжения [Boore, Atkinson, 1987].
По оценкам разных авторов значение Да ~ ~ 100 бар согласуется со среднеквадратичными и пиковыми ускорениями всех калифорнийских землетрясений в пределах отклонений с коэффициентом ~2 [Hanks, McGuire, 1981]; Да снижается до ~50 бар, если принять во внимание средние коэффициенты локального усиления в пунктах установки сейсмографов. Согласно [Boore, Atkinson, 1987], Да для землетрясений в восточных США практически независим от магнитуды и равен ~100 бар, вдвое превышая его значения для западных США. Эти оценки можно принять во внимание при оценивании Да в окрестностях Сочи.
Другой параметр очагового спектра -fn^ показыва
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.