Моделирование сейсмогеодинамических процессов.

В основу исследований по оценке сейсмической опасности и сейсмическому районированию Северной Евразии положена методология, базирующаяся на создании двух взаимосвязанных сейсмогеодинамических (СГД) моделей - модели очаговых зон (МОЗ) и модели сейсмического эффекта (МСЭ). Каждая из них отражает структурно-динамическое единство природной среды и вероятностный характер развивающихся в ней сейсмических процессов.

Идентификация зон возникновения очагов землетрясений (зоны ВОЗ) и определение параметров их сейсмического режима является самым сложным и наиболее ответственным звеном в исследованиях по сейсмическому районированию, поскольку от этого зависит надежность всех последующих построений.

Как показано на приведенной диаграмме, на основе трех блоков электронной базы данных (современная геодинамика, региональная сейсмичность и сильные движения грунта) попарно формируются две модели - МОЗ и МСЭ, с помощью которых осуществляется расчет повторяемости сейсмических сотрясений и составляются карты сейсмического районирования.

В основу создания модели зон ВОЗ Северной Евразии положена разработанная автором линеаментно-доменно-фокальная (ЛДФ) модель, явившаяся дальнейшим развитием фрактальных представлений о геофизической среде и развивающихся в ней СГД-процессах.

В соответствии с принятой концепцией, в ЛДФ-модели рассматриваются четыре масштабных уровня источников землетрясений - крупный регион, с интегральной характеристикой его сейсмического режима, и три основных структурных сейсмогенерирующих элемента: линеаменты (1 - на рис.), в генерализованном виде представляющие оси трехмерных сейсмоактивных разломных (3 - на рис.) или сдвиговых структур, отражая структурированную сейсмичность и являясь основным каркасом ЛДФ-модели; домены (2 - на рис.), охватывающие квазиоднородные в геодинамическом отношении объемы геологической среды и характеризующиеся "рассеянной" сейсмичностью; потенциальные очаги (4 - на рис.) землетрясений, указывающие на наиболее опасные участки (фокусы) линеаментных структур. "Движущей силой" в ЛДФ-модели зон ВОЗ могут быть "уединенные" деформационные волны - геоны, имеющие солитонную природу и способствующие перемещению крыльев разломов и сдвиговых структур (см. раздел "Геопорядок").

Линеаменты, домены и потенциальные очаги, как и сами землетрясения, классифицируются по величине максимальной магнитуды (Mmax) с шагом 0.5 единицы М. Минимальное значение магнитуды землетрясений вдоль линеаментов принято М=6.0, поскольку при генерализованном районировании, каким является общее сейсмическое районирование (ОСР), очаги с меньшей магнитудой выделяются менее надежно. В случае же детального сейсмического районирования (ДСР) нижний порог магнитуд для линеаментов может быть понижен.

Поскольку реальные очаги не располагаются строго вдоль осей линеаментов, а отклоняются определенным образом по обе стороны от них, нами при моделировании виртуальной сейсмичности используются функции статистического распределения, аналогичные изображенной на заднем плане рисунка объемной ЛДФ-модели. Чем меньше магнитуда землетрясений, тем дальше от оси линеамента могут отклоняться их очаги. Такое рассеяние очагов обусловлено размером областей динамического влияния линеаментных структур на прилегающую геологическую среду и ее фрактальным строением.

Верхний уровень магнитуд (M_max) определяется реальной СГД-обстановкой, а нижний (M_min) - минимальной сейсмической опасностью, учет которой необходим для проектирования сейсмостойких сооружений. В наших исследованиях по ОСР-97 было принято M_min=4.0, а сейсмическая интенсивность I_min=5 баллов.

На этом рисунке схематично изображены основные структурные элементы ЛДФ-модели и приведены графики среднегодовой плотности потока V_RM сейсмических событий как во всем регионе R_i, так и в составляющих его структурных элементах - в линеаментах (V_l), доменах (V_d) и потенциальных очагах (V_f) землетрясений. Показаны также интервалы магнитуд, свойственные каждому из этих типов структур.

По такому принципу была создана ЛДФ-модель для всей Северной Евразии. Она приведена на следующем рисунке. В общей сложности для этой обширной территории нами выделено свыше 1000 линеаментных структур и около 500 доменов.

Примечательно, что распределение числа линеаментов разного ранга (разной магнитуды M_max) в регионах Северной Евразии в целом отражает фрактальную размерность этого иерархического множества, совпадающую с наиболее распространенной средней величиной фрактальной размерности множества сейсмических событий (углы наклона графиков повторяемости землетрясений). Более того, обе группы графиков повторяемости (встречаемости) тех и других объектов схожи по своей конфигурации, что еще раз подтверждает правомочность концепции о структурно-динамическом единстве геофизической среды и развивающихся в ней сейсмических процессов, а в конечном итоге - реалистичность ЛДФ-модели.

Сопоставление особенностей иерархического ветвления сейсмических линеаментов и ветвей обыкновенного дерева.

На этом рисунке, для наглядного представления фундаментальности законов природы, сопоставляются фрактальность структур системы линеаментов и ветвей деревьев. Слева приведен фрагмент линеаментов Алтая и смежных с ним регионов Восточного Казахстана и Северной Монголии. Государственные границы показаны тонкой линией, надписаны некоторые из населенных пунктов.

Как видно, толщина отрезков, изображающих линеаменты, постепенно уменьшается с удалением от горных сооружений с их наиболее крупными сейсмогенерирующими структурами (разломами). Соответственно, уменьшаются и магнитуды максимальных возможных вдоль них землетрясений. Самые крупные линеаменты могут генерировать землетрясения с магнитудой М=8.0, самые тонкие - с М=6.0.

Такое ветвление линеаментов напоминает ветвление обыкновенного дерева, ветви которого с удалением от главного толстого ствола не только уменьшают свою толщину, но и ветвятся самоподобным (фрактальным) образом, что (как уже отмечалось) значительно "легче делать" природе, чем "придумывать" какой-то иной способ ветвления...

Виртуальная сейсмичность и повторяемость сотрясений.

Полученные с помощью ЛДФ-модели сейсмогеодинамические характеристики каждого из регионов Северной Евразии использованы нами при моделировании прогнозной (виртуальной) сейсмичности, положенной в основу расчетов повторяемости сейсмических сотрясений и сейсмического районирования исследуемой территории (см. раздел "Технология").

Несмотря на наличие каталогов землетрясений Северной Евразии и их кропотливую систематизацию, сведения о сейсмических явлениях до сих пор остаются чрезвычайно скудными из-за непродолжительного срока инструментальных сейсмометрических наблюдений, насчитывающего всего около сотни лет. Качественного же сейсмографического материала и того меньше, поскольку он стал поступать только с середины 60-х годов прошедшего столетия. Не лучше обстоит дело и с историческими источниками. От древних цивилизаций сохранились лишь очень редкие и отрывочные сведения о некоторых крупных сейсмических событиях, например, на Ближнем и Среднем Востоке, в Центральной Азии, Северном Китае. В менее же обжитых регионах Сибири и Дальнего Востока такие сведения практически вовсе отсутствуют. Разрознены и не всегда убедительны данные о палеосейсмодислокациях - геологических следах, оставленных на земной поверхности древними землетрясениями. Сказанное еще раз подтверждает необходимость создания сейсмогеодинамических моделей, учитывающих все сколько-нибудь значимые сведения о геологическом строении, общей геодинамике, истории геологического развития, о структуре сейсмичности и сейсмического режима каждого из регионов и всей рассматриваемой территории в целом.

Следуя ЛДФ-модели и разработанной нами методологии, для каждого из сейсмоактивных регионов (как уже упоминалось, протяженностью около 3000 км) была определена скорость (плотность) потока сейсмических событий разных магнитуд и созданы модельные (синтетические) региональные каталоги землетрясений на период протяженностью в десятки и сотни тысяч лет. Условные границы регионов показаны на приведенном ниже рисунке.

Сейсмичность и сейсмическая регионализация Северной Евразии:
Очаги землетрясений (по Специализированному каталогу ОСР-97 землетрясений Северной Евразии, ред. Н.В.Кондорская и В.И.Уломов) показаны лишь в пределах внешнего контура регионов и в соответствии с их размерами, ориентацией и интервалом глубин гипоцентров.

Секторы: 1 - Восточно-Европейский; 2 - Центрально-Азиатский; 3 - Центрально-Сибирский;
4 - Восточно-Азиатский.
Регионы: 1.1 - Иран-Кавказ-Анатолийский; 1.2 - Карпато-Балканский; 1.3 - Прибалтийский;
1.4 - Восточно-Европейский; 1.5 - Уральский; 1.6 - Новоземельский; 2.1 - Памиро-Тянь-Шаньский;
2.2 - Центрально-Казахстанский; 3.1 - Алтай-Саяно-Байкальский; 3.2 - Западно-Сибирский;
3.3 - Восточно-Монгольский; 4.1 - Курило-Камчатский; 4.2 - Сахалино-Японский;
4.3 - Приамуро-Приморский; 4.4 - Верхоянский; 4.5 - Североземельский; 4.6 - Чукотский.

1.1 - Иран-Кавказ-Анатолийский; 1.2 - Карпато-Балканский; 1.3 - Прибалтийский;
1.4 - Восточно-Европейский; 1.5 - Уральский; 1.6 - Новоземельский; 2.1 - Памиро-Тянь-Шаньский;
2.2 - Центрально-Казахстанский; 3.1 - Алтай-Саяно-Байкальский; 3.2 - Западно-Сибирский;
3.3 - Восточно-Монгольский; 4.1 - Курило-Камчатский; 4.2 - Сахалино-Японский;
4.3 - Приамуро-Приморский; 4.4 - Верхоянский; 4.5 - Североземельский; 4.6 - Чукотский.

В результате распределения всего регионального потока сейсмических событий между всеми сейсмогенерирующими структурными элементами, пропорционально их размерам и в соответствии с их рангом, ЛДФ-модель зон ВОЗ Северной Евразии, как бы "оживает" и каждый ее линеамент, домен и потенциальный очаг может генерировать "землетрясения" соответствующей магнитуды и частоты повторения. Такой "сейсмогеодинамический" подход к реализации активности ЛДФ-модели позволяет создавать карты искусственной (виртуальной) сейсмичности на любой разумный интервал времени (например, на период в 100, 500, 1000 и более лет) и изучать сейсмический эффект, создаваемый виртуальными очагами на земной поверхности.

< Модель возникновения очагов землетрясений на разломах (линеаментах) разных рангов.

Сейсмический эффект вычисляется от каждого виртуального очага, местоположение и частота возникновения которого разыгрывается генератором случайных чисел, с учетом его размеров, магнитуды и закона затухания сейсмических сотрясений с расстоянием.

При создании карт ОСР-97 расчеты производились для каждого узла квадратной сетки, покрывающей с шагом 25 км на 25 км всю территорию Северной Евразии. Всего в расчете участвовало свыше 100 тысяч узлов, для каждого из которых в памяти компьютера накапливались гистограммы повторяемости сотрясений, используемые затем при картировании сейсмической опасности и в реализации других связанных с этим задач. На основе этих гистограмм были рассчитаны и построены два типа карт (см. раздел "Технология").

Карты периодов повторяемости сотрясений разной балльности получены путем фиксации величины сейсмической интенсивности с шагом в один балл. Такие карты были построены для периодов повторяемости 7-, 8- и 9-балльных сотрясений и опубликованы в качестве приложения в настенном варианте комплекта карт ОСР-97.

Карты сейсмического районирования (картирование величины сейсмической интенсивности) были построены на основе тех же гистограмм, но путем задания конкретных значений периодов повторяемости сотрясений (500, 1000 и 5000 лет).

Дальнейшее развитие фундаментальных и прикладных исследований в области сейсмогеодинамики и сейсмического районирования должно быть направлено на разработку долгосрочного прогноза и на выявление конкретного местоположения потенциальных очагов предстоящих сильных землетрясений, в том числе методом преимущественных межэпицентральных расстояний (см. ниже карту Кавказа).

Литература

Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии (Отв. ред. В.И.Уломов).   Выпуск 1. М.: ИФЗ РАН. 1993. 303 с.

Уломов В.И.. Программа исследований по изучению сейсмичности и сейсмическому  районированию  Северной Евразии // ГНТП "Глобальные изменения природной среды и климата". М.: ИФЗ РАН. 1992. 25 с.

Уломов.В.И. Районирование сейсмической опасности на территории России // Федеральная система сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений. Информационно-аналитический бюллетень Министерства Российской Федерации по чрезвычайным ситуациям. Т. 1. № 1. январь-март 1994. С.41-52.

Уломов В.И. Моделирование зон возникновения очагов землетрясений на основе решеточной регуляризации // Физика Земли. 1998. № 9. С. 20-38.

Уломов В.И. О методологии оценки сейсмической опасности и создания карт общего сейсмического районирования территории стран-участниц СНГ // Прогноз землетрясений и глубинная геодинамика. Доклады международного симпозиума 17-21 ноября 1997. Алматы: Институт сейсмологии Миннауки - АН Республики Казахстан. С.348-359.

Уломов В.И., Шумилина Л.С. Проблемы сейсмического районирования территории России.// Всероссийский НИИ проблем научно-технического прогресса и информации в строительстве. М.: ВНИИНТПИ Госстроя России. 1999. 56 с.(pdf - 3095 Kb).

Уломов В.И. Сейсмическая опасность на территории России // Наука в России. Издание Президиума Российской академии наук. № 6. 2001. С. 18-25.

V.Ulomov. Seismic Menace in Russia // Science in Russia. Russian Academy of Sciences Presidium. No. 6. 2001. P. 18-25.

Уломов В.И. Сейсмическая опасность как отражение сейсмогеодинамического процесса // В кн. "Напряженно-деформированное состояние и сейсмичность литосферы". Труды Всероссийского совещания "Напряженное состояние литосферы, ее деформации и сейсмичность". Иркутск, 26–29 августа 2003 г. Новосибирск: Изд. СО РАН, Филиал «ГЕО». 2003. С. 197–201.