ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2008, № 1, с. 66-78
УДК 550.34
ПРОГНОЗ СПЕКТРОВ КОЛЕБАНИЙ ТВЕРДОМЕРЗЛЫХ СКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ ПРИ СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯХ
© 2008 г. А. Ф. Дреннов, В. И. Джурик, С. П. Серебренников
Институт земной коры СО РАН, Иркутск, 664033 Поступила в редакцию 14.06.2005 г.
Рассматривается изменение спектрального состава смещений почвы и полученным по ним спектров скоростей и ускорений, зарегистрированных на твердомерзлых скальных грунтах (T < -3°С) в зависимости от эпицентрального расстояния и энергетического класса двумя способами. Первый способ характеризует все эпицентральное поле землетрясений, второй направлен на изучение возможных различий спектров в разных очаговых зонах. Найдены зависимости изменения максимального уровня спектра от эпицентрального расстояния и энергетического класса. Проведено сравнение рассчитанных спектров с имеющимися записями сильных землетрясений. Показана возможность нахождения по близким, относительно слабым, землетрясениям спектров колебаний твердомерзлых скальных грунтов от землетрясений вплоть до 15-17 энергетических классов, а также различие спектров сейсмических сигналов от землетрясений из различных очаговых зон. Полученные результаты могут быть использованы как непосредственно, так и при проведении районирования и прогнозе сейсмической опасности различной масштабности в пределах распространения твердомерзлых грунтов, в том числе и при изменении или нарушении температурного режима мерзлоты.
ВВЕДЕНИЕ
При количественном сейсмическом районировании различной степени детальности важно знать спектральный состав колебаний тех или иных грунтов при сильных землетрясениях. Однако относительная редкость возникновения последних и слаборазвитая на сегодняшний день сеть сейсмостанций для записи сильных движений почвы различных кинематических элементов движений грунта значительно усложняет эту задачу. Выход из этого положения осуществляется, как правило, двумя путями. Первый - это присвоение определенному грунту изучаемого региона отдельного или синтезированного, по возможности, среднего спектра нескольких сильных землетрясений, зарегистрированных на однотипных грунтах, но в других регионах. В настоящее время подавляющее большинство сильных землетрясений регистрируется в пределах распространения талых скальных грунтов. Наши исследования в пределах Байкальской рифтовой зоны, а также отдельных районов Монголии показали, что уровни спектров землетрясений до 13-го энергетического класса включительно, зарегистрированных на талых скальных грунтах, на высоких частотах аномально высоки по сравнению с уровнями спектров, полученными на мерзлых грунтах. Так, спектры землетрясений с одинаковыми энергетическими классами и эпицентральными расстояниями показывают (рис. 1), что сейсмический сигнал на талых грунтах имеет значительное превышение по уровню по сравнению с мерзлыми на частотах, больших 5 Гц. Среднее положе-
ние на этих же частотах занимает спектр колебаний пластично-мерзлых грунтов. Занижение интенсивности сейсмического сигнала в зоне распространения твердомерзлых пород отмечается и при макросейсмических исследованиях [2]. При сильных землетрясениях, особенно в ближней от очага зоне, такое положение может не сохраниться.
Второй путь заключается в экстраполяции спектров слабых и умеренной силы колебаний ис-
S(f) 10-4
10
1-5
\ \
\ \
\ \ 2 \ ""х \
V /V'
N 1
10
15 0
10 15
f, Гц
Рис. 1. Примеры спектров землетрясений, зарегистрированных на твердомерзлых (1), пластично-мерзлых (2) и талых (3) скальных грунтах в пределах Байкальской рифтовой впадины: а - А = 30 км (эпицентральное расстояние), К = 9 (энергетический класс); б - А = 300 км, К = 10.
0
5
5
следуемого грунта в сторону более высоких энергетических классов с учетом эпицентральных расстояний. Этот путь может быть реализован как для конкретных очаговых зон, в которых возможно возникновение сильного землетрясения, так и для всего эпицентрального поля землетрясений, когда зоны ВОЗ неопределенны или равновероятны для различных азимутов и эпицентральных расстояний. В соответствии со сказанным могут быть реализованы и различные способы экстраполяции спектров колебаний грунтов по эпицен-тральным расстояниям (А) и энергетическим классам (К).
В настоящей работе использованы оба способа. Первый заключался в сохранении отношения Sm(f)/£>( £) постоянным для всех землетрясений, что определяло изменение значения частоты £ в зависимости от соответствующих параметров землетрясений и в первую очередь от К и А. Во втором способе, наоборот, частота оставалась фиксированной, но при этом менялось соответствующее ей значение £т( / )/Si( £) также в зависимости от К и А. Здесь £т(/) - максимальное значение спектра (в нашем случае - спектральной плотности) данного землетрясения, £) - текущая ордината спектра.
В общем случае в работе использованы спектры записей 50-70 землетрясений из различных очаговых зон в диапазоне энергий К = 7-13 с эпи-центральными расстояниями (А) от 20 до 970 км, зарегистрированных только на поверхности мерзлых скальных грунтов, поскольку, зная частотную характеристику мерзлого рыхлого грунта, можно определить спектральный состав колебаний на нем: Sp(f) = 8ск(/)Ир(/), где £,*(/) - спектр колебаний скального грунта, Нр(/) - частотная характеристика рыхлого грунта, Sp(f) - соответствующий спектр рыхлого грунта. В работе использованы записи землетрясений, зарегистрированные одной сейсмической станцией сейсмометрическими каналами СКМ-3 + ГБ-4.
Поскольку мы не располагали достаточным количеством записей относительно сильных движений мерзлого скального грунта, имея в виду возможное различие деформационных и релаксационных свойств последнего при колебаниях от сильных и слабых землетрясений, для экстраполированных спектров землетрясений более высоких энергий были наложены определенные ограничения по К и А.
Путем умножения спектров смещения почвы на величины 2п/ и 4л2/2 нами были получены спектры скоростей и ускорений смещения мерзлых скальных грунтов, поскольку именно они чаще всего используются в практических приложениях.
ИНТЕРПОЛЯЦИЯ СПЕКТРОВ КОЛЕБАНИЙ МЕРЗЛЫХ СКАЛЬНЫХ ГРУНТОВ ПО ЭПИЦЕНТРАЛЬНОМУ ПОЛЮ
Нами были рассмотрены спектры записей 50-ти землетрясений различных очаговых зон в диапазоне энергий К = 7-13 с эпицентральными расстояниями А = 20-970 км, зарегистрированных на поверхности мерзлых скальных грунтов с температурой -3.2°С. Поскольку используемый фактический материал являлся очень неоднородным (землетрясения различных очаговых зон, большие пределы изменения параметров землетрясений по К и А), то основной нашей задачей являлось нахождение наиболее общих зависимостей формы и уровня спектров (спектральных плотностей) колебаний мерзлых скальных грунтов от энергии землетрясений (К) и эпицентрального расстояния А. Очевидно, в первую очередь необходимо было выяснить изменение спектров от эпицентрального расстояния, чтобы учесть это изменение при нахождении зависимости спектра колебаний скальных грунтов от силы землетрясений.
Анализ спектров смещений поперечных волн производился в интервале частот 0.5-1-10 Гц, так как для более высоких частот значения спектральных составляющих определяются с большой погрешностью [1]. Реальные спектры рассмотренных записей землетрясений в своих деталях разнообразны, так как зависят от многих причин, связанных с процессами в очаге, распространением сейсмического волнового поля от очага к пункту наблюдения и других факторов, вклад которых на формирование спектра трудно учесть. В то же время можно отметить и общее для них. Так, спектральные кривые колебаний мерзлых скальных грунтов чаще всего открыты в сторону низких частот, то есть величины спектральных составляющих на этих частотах для подавляющего большинства землетрясений не ниже значений Sm (например, рис. 16) или имеют один максимум на частотах < 1-2 Гц (рис. 1а).
Правую часть спектральной кривой можно условно разделить на два участка. Первый участок представляет собой крутопадающую ветвь до 5-7 Гц. Второй участок - от 5-7 до 10 Гц, более пологий, осложненный несколькими небольшими максимумами.
Были приняты следующие параметры:
1) величина основного максимума спектра ^т(/)) и значение соответствующей ему частоты
(/т);
2) две частоты: /е и /10 (рис. 2а), отвечающие значениям спектральных плотностей, равных SJe (е = 2.72) и Sm/10 соответственно, и характеризующие крутопадающую часть правой ветви спектральной кривой;
lg fe 1.0
0.5
lg /10
_i_I_I_L_
•••
_l_I_I_l_
-6 -5 -4 -3 -2 -6 -5 -4 -3 -2
lg Sm
lg Sm
lgSn 1
2
S
I
lgS 1
2
10
lg/ 1
-• I mwm
-2 -3 -4 -5
lg Sm
K
6 7 8 9 10 11 12 13
ИЗМЕНЕНИЕ ФОРМЫ И УРОВНЯ СПЕКТРА С ЭПИЦЕНТРАЛЬНЫМ РАССТОЯНИЕМ
Считая, что величина максимума спектра является отражением интенсивности землетрясения, принимаем Sm основным параметром спектра и находим затухание этого параметра с увеличением эпицентрального расстояния. Предварительно для этой цели были найдены средние спектры смещений почвы, зарегистрированные на твердомерзлых скальных грунтах для землетрясений с энергетическими классами K = 7-13 и различными интервалами эпицентральных расстояний А: 20-50; 30-70; 30-60; 170-240; 180-240; 240420; 400-670; 420-970 км.
Сопоставление значений максимальных составляющих спектра с максимальными амплитудами колебаний соответствующих записей землетрясений показывает, что их логарифмы связаны линейно уравнениями вида:
lg Sm = ( -3.52 ± 0.08 ) + + (0.73 ± 0.11 )lgAm; R = 0.7; (K = 8);
(1)
-1 -2 -3 -4 -5
lg S
Рис. 2. Основные зависимости, используемые при экстраполяции спектров землетрясений по всему эпи-центральному полю.
а - изменение значений частот (/е) и (/до) от величины основного максимума ^т) средних спектров для различных значений К; • - зависимости параметров ^т)/^осн), и (/осн) от максимального значе-
ния спектральной плотности ^т); в - связь между средними значениями максимальной спектральной плотности ^т) и энергетическим классом землетрясений (К).
3) частота/осн, при которой меняется наклон правой ветви спектра от крутопадающей к слабонакло-ненной, бол
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.