Общее сейсмическое районирование

Сейсмическое районирование – это картирование потенциальной сейсмической опасности, обусловленной максимальными возможными сейсмическими воздействиями, выраженными в баллах макросейсмической шкалы интенсивности, а также в других физических единицах - в ускорениях, скоростях, спектрах, длительности колебаний грунта и др., которые необходимо учитывать при проектировании и строительстве в сейсмических районах. Сейсмическое районирование актуально для всей без исключения территории Российской Федерации, где даже на относительно спокойных в геологическом отношении равнинных территориях имели место, и возможны в будущем, достаточно сильные и разрушительные землетрясения. На Северном Кавказе, юге Сибири и Дальнем Востоке значительную площадь занимают чрезвычайно опасные в сейсмическом отношении 8-9- и 9-10-балльные зоны.

Согласно российским стандартам, сейсмическое районирование подразделяется на общее сейсмическое районирование (ОСР), детальное сейсмическое районирование (ДСР) и сейсмическое микрорайонирование (СМР). Различие между перечисленными видами сейсмического районирования заключается в объектах изучения, содержании задач и методиках их решения, что определяет масштабы картирования. ОСР отвечает федеральному уровню, ДСР - региональному и СМР - местному (муниципальному). Карты общего сейсмического районирования, определяющие исходную сейсмическую опасность, входят в состав Строительных норм и правил (СНиП), а также других нормативных и методических документов по сейсмостойкому проектированию и строительству.

В последние десятилетия в большинстве стран мира для сейсмического районирования территорий широко используется вероятностный анализ сейсмической опасности (ВАСО). Однако, как ни парадоксально, в нашей стране, где в 1937 году впервые в мире была создана нормативная карта сейсмического районирования территории СССР (составитель Г.П.Горшков), а в середине 60-х годов прошлого столетия впервые были разработаны методы вероятностных оценок сейсмических воздействий (Ю.В.Ризниченко), практически все карты ОСР (1937, 1949, 1957, 1968 и 1978 гг.) территории страны оказывались детерминистскими и не учитывали особенностей сейсмического режима регионов. Даже карта сейсмического районирования выпуска 1978 г. (СР-78), в которую ее составителями были введены некие индексы 1, 2 и 3, якобы отражающие повторяемость сейсмических сотрясений один раз в 100, 1000 и 10000 лет, на самом деле не давала адекватных оценок сейсмической опасности, что явилось одной из причин недостаточной надежности этой карты. В частности, в результате такой индексации реальный инженерный риск, определяемый картой СР-78, оказался не единым для всех сейсмоопасных районов страны. Более того, как было показано при создании в 1991-1997 гг. первых вероятностных карт ОСР-97 (отв. ред. В.И.Уломов),  совмещать такую разнородную информацию на одной и той же карте, по меньшей мере, некорректно, поскольку с увеличением периода "ожидания", на картах меняется не только номинал сейсмической интенсивности, но и конфигурация сейсмоопасных зон, поскольку "срабатывание" тех или иных сейсмогенерирующих структур непосредственно связано с продолжительностью заданного интервала времени.

Как показали исследования 1991-1997 гг., карта СР-78 на самом деле и не была "общей", поскольку составлялась из разрозненных фрагментов, созданных в разных республиках и регионах на основе разнородных исходных данных и различной, не всегда понятной, методики. Например, единый в сейсмогенетическом и сейсмогеодинамическом отношении Иран-Кавказ-Анатолийский регион, протяженностью около 3000 км, был искусственно (административно) разделен на части, каждая из которых исследовалась "самостоятельно" сейсмологами в каждой из шести бывших союзных республик - Азербайджане, Армении, Грузии, Туркмении, Украине и РСФСР.

Карта СР-78 оказалась самой неудачной из всех предыдущих официальных карт сейсмического районирования. Так, начиная со Спитак-Ленинаканской катастрофы, в течение относительно короткого отрезка времени на территории бывшего СССР одно за другим  произошли разрушительные землетрясения, на 2-3 балла превысившие сейсмическую интенсивность, указанную на карте ОСР-78. Ими были Спитакское землетрясение 1988 г. в Армении, Зайсанское землетрясение 1990 г. - в Казахстане, Рача-Джавское 1991г. - в Грузии, Сусамырское 1992 г. - в Киргизии, Хаилинское 1991 г. и Нефтегорское 1995 г. - в России (в Корякии и на Сахалине).

Нефтегорское землетрясение, произошедшее ночью 28 мая 1995 г. в северной части острова, было самым разрушительным из известных до этого на территории России. Строительство города началось в 1964 г. Первоначально поселок назывался Восток, в 1970 г. его переименовали в Нефтегорск. По генеральному плану поселок был рассчитан на 5 тысяч жителей. В результате землетрясения были полностью разрушены почти все здания и сооружения. Пятиэтажные 80-квартирные дома, совершенно не рассчитанные на сейсмику, которая в те времена оценивалась местной картой сейсмического районирования лишь в 6 баллов, рухнули под собственным весом. В общей сложности погибло свыше 2000 человек из, прмерно, 3000 жителей Нефтегорска, который поле этой катастрофы перестал существовать. 

Прежней, детерминистской, карте ОСР-78 не соответствовало и крупнейшее землетрясение в Горном Алтае в 2003 г, обошедшееся без жертв только благодаря незаселенности его эпицентральной области. Ещё более крупное (магнитуда М=7.6-7.8) землетрясение случилось в 2006 г. в малозаселенном районе на севере Камчатки - в Корякии, где в 1991 г. произошло Хаилинское землетрясение. 

В 1991-1997 гг. произошла смена парадигмы в прогнозе сейсмической опасности. Была разработана целостная методология конструирования модели зон возникновения очагов землетрясений (ЛДФ-модель зон ВОЗ) и её сейсмогеодинамической параметризации. Вместо традиционно одной детерминистской карты впервые в мировой сейсмологической и строительной практике в нашей стране стал использоваться комплект вероятностных карт -  ОСР-97, положивших начало принципиально новому, динамическому, сейсмическому районированию, учитывающему фактор времени. 

Условия неопределенностей, которые в природе всегда существуют, а также экономические аспекты обеспечения сейсмостойкого строительства, делают неправомочным детерминистский подход к сейсмическому районированию. В настоящее время районирование сейсмической опасности может быть осуществлено лишь на вероятностной основе. Иными словами, риск всегда будет иметь место, но его необходимо грамотно оценить и свести к минимуму, делая приемлемым для человеческого сообщества. Это и заложено в картах ОСР-97 (отв. ред. В.И.Уломов, ИФЗ РАН), позволяющих оценивать степень сейсмической опасности для объектов разных сроков службы и категорий ответственности на нескольких уровнях, отражающих расчетную интенсивность сейсмических сотрясений, ожидаемых на данной географической площадке с заданной вероятностью в течение определенного интервала времени.

 Комплект карт ОСР-97, созданный в 1991-1997 гг. в Институте физики Земли им. О.Ю.Шмидта РАН при участии ряда научных и производственных организаций, был рекомендован Российской академией наук к применению в практике сейсмостойкого строительства. Комплект ОСР-97 включает карты, рассчитанные для периодов повторяемости сейсмических воздействий в среднем один раз за Т=500 (карта А), 1000 (карта В) и 5000 (карта С) лет (рис. 1), что соответствует вероятностям Р=10%, Р=5% и Р=1% возможного превышения (или 90%, 95% и 99%-ной вероятности не превышения) расчетного сейсмического эффекта в течение 50-летних интервалов времени. Для атомной отрасли составлена карта ОСР-97-D, характеризующаяся периодом повторяемости Т=10000 лет и Р=0.5% в течение 50 лет.

В 2000 г. карты ОСР-97 были опубликованы в настенном варианте в масштабе 1:8.000.000. В том же году Госстроем России комплект карт ОСР-97 введен в состав Строительных норм и правил (СНиП II-7-81*) "Строительство в сейсмических районах" (см. раздел "Сейсмостойкость").

Рис. 1. Комплект нормативных карт ОСР-97(А, В, С,), характеризующихся вероятностью 10%, 5%. и 1% возможного превышения указанных на них величин сейсмической интенсинвоти в течение 50 лет.

Сейсмический эффект, указанный на каждой из карт комплекта ОСР-97, отнесен к средним грунтовым условиям (грунты II категории по сейсмическим свойствам, согласно СНиП II-7-81*) и может быть уточнен в результате исследований по сейсмическому микрорайонированию (СМР, масштаб 1:50000 и крупнее).

Методология составления карт ОСР-97 получила международное признание, а карта ОСР-97-А для всей обширной территории Северной Евразии, представленная в пиковых ускорениях колебаний грунта, вошла составной частью в опубликованную в 1999 г. под эгидой ООН мировую карту глобальной сейсмической опасности (Global Seismic Hazard Map).

Комплект карт ОСР-97 в 1998 г. был удостоен Диплома первой степени Международной выставки-ярмарки "ИННОВАЦИИ-98" и Медали Всероссийского выставочного Центра. Новая методология и комплект карт ОСР-97 отмечены Государственной премией Российской Федерации 2002 года в области науки и техники.

Уточнение модели зон ВОЗ, на основе которой рассчитаны и построены все карты ОСР-97, и представление зон ВОЗ в более крупном масштабе, по сравнению с ОСР-97  (масштаб 1:2.500.000), должно осуществляться путем проведения исследований по детальному сейсмическому районированию (ДСР, масштаб 1:500.000 и крупнее). Исходной же оценкой сейсмической опасности исследуемой территории при всех работах по ДСР и СМР непременно должны быть карты ОСР-97, их целостная методология расчетов и построений, а также нормативные периоды повторяемости сейсмических воздействий.

Карты ДСР и СМР, составляемые различными организациями и коллективами, не могут быть "конфиденциальными" и "частными", как это нередко делается в последние десятилетия в нашей стране, а должны официально утверждаться, как и карты ОСР, после их профессионального обсуждения, в том числе, на страницах Интернет-портала "Сейсмобезопасность России".   

В 2010-2011 гг. выполнены исследования по актуализации карт ОСР-97 в составе создаваемой по заданию Министерства регионального развития Российской Федерации Единой информационной системы "Сейсмобезопасность России". В результате создан ещё более расширенный и функционально содержательный комплект карт ОСР-97*, возросло в десяток раз их число в свзи с увеличением количества расчетных периодов повторяемости (см. табл. 1) и введения, наряду с целочисленными, дробных баллов с шагом 0.5 и 0.1 балла, а также карт, представленных в пиковых ускорениях колебаний грунта, в соответствии с двумя макросейсмическими шкалами - MSK-64 и проектом новой шкалы ШИЗ-2010 (Ф.Ф.Аптикаев и др.). Все расчёты и построения расширенного комплекта карт ОСР-97* выполнили В.И.Уломов и С.А.Перетокин  с использованием программно-математического обеспечения "Восток-2003" и на основе той же, но несколько актуализированной, модели зон ВОЗ, что и комплект карт ОСР-97.

В таблице 1 для каждой из карт приведены интервалы времени t лет, в течение которых с вероятностью P=90% не должна быть превышена указанная на картах расчетная сейсмическая интенсивность. Здесь T* - периоды повторяемости сейсмических воздействий, обеспечивающие величину P%; а T – их округленные значения, более привычные для восприятия.

Таблица 1. Интервалы времени t, в течение которых с вероятностью Р=90% не должны быть превышены расчетные сейсмические воздействия.

t лет

10

50

100

250

500

1000

T* лет

95

475

975

2475

4975

9975

T лет

100

500

1000

2500

5000

10000

На рис.2, в форме символических прямоугольников, показан весь набор карт ОСР-97*, созданный в электронной векторной форме в виде слоёв, размещенных на этом сайте (см. меню слева). В векторную базу данных вошли также карта ОСР-78 и четыре карты ОСР-97, выраженные в целочисленных баллах. Для ОСР-97* расчеты и построения выполнены не только в целых, но и в дробных баллах с шагом 0.5 и 0.1, а также в пиковых ускорениях. Со всеми перечисоенными картами следует работать в в Интеренете, поскольку издаваться типографским способом они не поанируются. Для удобства пользования (как и в СНиП) все указанные параметры нового комплекта карт представлены в перечне городов и населенных пунктов Российской Федерации, приведенном на этом сайте.
Рис. 2. Иллюстрация комплекта электронных слоев всех карт ОСР-97 и ОСР-97*, размещенных на портале ЕИС «Сейсмобезопасность России».

Тематическое содержание каждой из набора карт ОСР-97*, составленных для всех указанных выше периодов повторяемости сейсмических воздействий и приведенных в виде матрицы в центральной части рис. 2, определяется совместными параметрами на пересечениях строк и столбцов этой матрицы. Конкретная карта (векторный слой) вызывается из базы данных ЕИС нажатием курсора на соответствующий пункт меню справа от изображения карты).

Следует подчеркнуть, что карты ОСР-97*, построенные через 0.5 балла станут такими же нормативными, как и сами карты ОСР-97* в целочисленных баллах, поскольку вполне отвечают той же точности. Карты с шагом в 0.1 балла имеют справочный характер и могут служить для определения градиентной неоднородности макросейсмического поля и изменения балльности с расстоянием, а также для использования при СМР. На рис.3 и 4 приведены примеры фрагментов новых электронных карт, которые можно получить в системе ЕИС "Сейсмобезопасность России" (см. меню справа на этом сайте).

Рис. 3. Тестовый расчет  фрагмента ОСР-97* для Среднего Урала. Показаны изолинии балльности с шагом 0.1 балла, эпицентры землетрясений разных магнитуд, активные разломы и сейсмолинеаменты СЛ. Отчетливо видно изменение градиента макросейсмического поля.

В.И.Уломов (ИФЗ РАН)

 Рис.4. Фрагменты карт ОСР-97* для Северного Кавказа в долях ускорения силы тяжести G,  в долях 0.1 балла, а также в периодах повторяемости сотрясений интенсивностью 7 баллов).

Просмотреть публикации по теме