Размещено на http://allbest.ru

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ГЕОФІЗИКИ ім. С.І.СУБОТІНА

УДК 550.34

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

СЕЙСМІЧНІ ПРОЦЕСИ В ЧОРНОМОРСЬКОМУ РЕГІОНІ ТА СЕЙСМІЧНА НЕБЕЗПЕКА КРИМУ

04.00.22 - Геофізика

ПУСТОВІТЕНКО

Белла Гаврилівна

КИЇВ - 2003

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в вiддiлi сейсмології Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна Національної Академії Наук України

Офіційні опоненти:

Доктор фізико-математичних наук, професор, член-кор.РАН Соболєв Геннадій Олександрович, Інститут фізики Землі РАН, заступник директора, м. Москва

Доктор фізико-математичних наук, академік РАЕН Савич Анатолій Ігоревич, Ін-т Гідропроект, директорЦСГНЕО, м. Москва

Доктор геолого-мінералогічних наук, професор Гордієнко Вадим В'ячеславович, Ін-т геофізики НАНУ, зав. відділу, м.Київ

Провідна установа:

Національний гірничий університет МОН України, кафедра геофізики, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться " 27 " лютого 2003 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої Вченої ради Д 26.200.01 при Інституті геофізики ім. С.І.Субботіна

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна

Автореферат розіслано " 15 " січня 2003 р.

Відгуки на автореферат просимо надсилати в двох примірниках вченому секретарю спеціалізованої ради Д 26.200.01 за адресою:

252680, м. Київ-142, пр. Палладіна, 32, тел.: (044)-444-21-00,

fax:(044)-450-25-20, e-maіl: earth@іgph.kіev.ua

Вчений секретар Спеціалізованої вченої ради

доктор геологічних наук М.І. Орлюк

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність: Незважаючи на значні успіхи, які за останні роки мали місце в галузі сейсмології, від сильних землетрусів на Землі щорічно гине в середньому біля 30 тис. чоловік, а економічні втрати складають сотні мільйонів доларів. Для об'єднання зусиль вчених усіх країн в розробці сучасною методології і методики надійної оцінки сейсмічного ризику Організація Об'єднаних націй у 1990 р. оголосила Міжнародне Десятиліття боротьби зі стихійними лихами.

При цьому кожна держава повинна була максимально активізувати національні наукові дослідження зі збору, узагальнення, уніфікації, переінтерпретації вихідних даних, дослідження параметрів сейсмічності й оцінку довгострокової сейсмічної небезпеки своїх територій для розробки й планування будівельної політики, раціонального землекористування та зниження сейсмічного ризику.

Виконані в межах даної дисертації дослідження є актуальними і являються необхідним етапом на шляху вивчення і прогнозу чинників природних стихійних лих для вжиття своєчасних заходів щодо зниження їх важких наслідків.

Зв'язок роботи з науковими програмами: Результати досліджень, наведені в дисертації, одержані в Інституті геофізики НАН України ім. Субботіна в період виконання здобувачем робіт за дослідними фундаментальними темами:

- Изучение процессов региональной геодинамики сейсмическими методами в связи с прогнозом сейсмической опасности на Украине. (1976-1980р. - відповідальний виконавець), № держ.реєстр. 79009059;

- Разработка новых приемов изучения природы сейсмогенных зон и сейсмопрогностических эффектов в Крыму и на Карпатах (1981-1985р. - відповідальний виконавець), № держ.реєстр. 81057374;

- Создание на базе новых исходных данных системы унифицированных параметров, характеризующих сейсмичность для оценки сейсмической опасности территории Украины (1986-1990р. - науковий керівник та відповідальний виконавець), № держ.реєстр. 01.96.0083181;

- Общее сейсмическое районирование территории Украины на основе новых методик и унифицированных исходных данных (1991-1995р. - науковий керівник і відповідальний виконавець), № держ.реєстр. 0193И039799;

- Исследование пространственно-временной взаимосвязи сейсмических процессов сейсмоопасных районов Украины и сопредельных территорий (1996-2000р. - науковий керівник та відповідальний виконавець), № держ.реєстр. 0196И009292;

- Исследование процессов формирования и развития очагов и очаговых зон крупных землетрясений (2001р. - теперішній час - науковий керівник і відповідальний виконавець).

Крім того, ряд практичних результатів і методичних підходів розроблено в процесі виконання досліджень у рамках Міжнародних програм в 1991-1997 р.р.:

- Global Seіsmіc Hazard Assessment Program - GSHAP (Глобальна оцінка сейсмічної небезпеки);

- Seіsmіc Hazard for the Caucasuses Test Area (Оцінка сейсмічної небезпеки тестової зони "Кавказ");

- Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии (Сейсмічність і сейсмічне районування Північної Євразії).

В цих програмах автор була відповідальним виконавцем робіт від України.

Мета роботи : дослідження сейсмічних процесів у вогнищах і вогнищевих зонах землетрусів та їхніх сукупностей на різних стадіях їх розвитку і прогнозна оцінка ступеня сейсмічної небезпеки Криму на основі нових експериментальних даних по Чорноморському регіоні, сучасної методології й теоретичних розробок.

Головні задачі дослідження:

1. Розробити регіональну магнітудну та енергетичну класифікацію для параметризації місцевих і близьких землетрусів у широкому діапазоні енергій; зібрати, узагальнити, параметризувати і уніфікувати інструментальні та історичні дані за тривалий час для всього басейну Чорного моря і суміжних територій. Створити єдиний каталог і уніфіковану базу сейсмічних даних.

2. Удосконалити наявні і розробити нові методики оцінки вогнищевих параметрів. Провести визначення вогнищевих параметрів як сильних, так і слабких землетрусів на основі комплексу методів. Дослідити просторово-часові властивості вогнищ і вогнищевих зон.

3. Вивчити просторово-часові й енергетичні характеристики сукупностей окремих вогнищ - сейсмічності басейну Чорного моря і прилеглих територій.

4. Вивчити сейсмічний режим, екстремальні характеристики та властивості сейсмічності Кримсько-Чорноморського регіону.

5. Розробити методику дослідження сейсмічних процесів на стадії підготовки і розвантаження зон сильних землетрусів.

6. На основі сукупності нових експериментальних сейсмологічних та геолого-геофізичних даних з використанням сучасної методології оцінити ймовірну інтегральну небезпеку для території Криму від усіх сейсмогенеруючих структур для різних періодів повторюваності подій. Побудувати карти загального сейсмічного районування (ЗСР) території з урахуванням різних категорій ризику для впровадження їх у народне господарство.

Наукова новизна: При виконанні даної роботи автором отримані нові, невідомі раніше результати.

1. Процеси розривоутворення у вогнищах і вогнищевих зонах землетрусів Чорноморського басейну розвиваються у двох і більше напрямках із швидкостями, які перевищують швидкість поперечних хвиль. Найбільш складні форми розривів і максимальні швидкості розповсюдження відзначено для землетрусів зони Вранча й Кавказу.

Перевагу має діагональна орієнтація розривів у вогнищах як слабких, так і сильних землетрусів.

Процес руйнування середовища при землетрусах Криму відбувається при великому макротерті за рахунок шорсткості міжблокових поверхонь.

Аномальні значення динамічних параметрів вогнищ мають властивість групування у просторі і в часі (в період підготовки найбільш сильних землетрусів).

2. Встановлено високу сейсмічну активність Чорноморської западини (область відсутності гранітного шару), яка раніше вважалася асейсмічною.

Землетруси з великими і малими енергіями оконтурюють літосферні блоки різних розмірів. Співвідношення між розміром блоків Чорноморського регіону (S, км²) і енергією землетрусів (E, дж) описується рівнянням: LgS = 0.44lgE - 1.99.

3. Встановлено ефект міграції вогнищ як сильних, так і слабких поштовхів вздовж Кримсько-Чорноморського регіону. Швидкість повільних сейсмо-тектонічних деформацій (V, км/рік) має зворотну залежність від магнітуди M_LH:

lgV = - 0.57 M_LH + 3.62

4. Встановлено фундаментальну властивість сейсмічності: монотонне стягування (міграція) епіцентрів слабких поштовхів до зони майбутнього сильного землетрусу на всіх рівнях ієрархії.

При цьому спостерігається широкий діапазон швидкостей стягування за рахунок відмінностей у напружено-деформованому стані середовища в різних регіонах. В межах Чорноморського регіону швидкість міграції слабких поштовхів до зони майбутнього вогнища зменшується з ростом магнітуди.

5. Процеси формування й розвантаження вогнищевих зон землетрусів Криму та зони Вранча мають як загальні риси просторово-часової впорядкованості, так і відмінності, які пов'язані з неоднорідністю середовища і полів напружень у різних частинах регіону і на різних структурних поверхах літосфери.

6. Отримано кількісні характеристики добротності середовища Кримсько-Чорноморського регіону і функції загасання детермінованих і нерегулярних (кода) сейсмічних хвиль.

Запропонована нова енергетична і магнітудна класифікація місцевих і близьких землетрусів Чорноморського регіону за записами широкосмугової і короткоперіодної апаратури на станціях Криму. Це дозволяє однаково і без пропусків параметризувати усі землетруси за величиною їх енергії.

7. Кількісна оцінка сейсмічної небезпеки Криму виконана з використанням нових експериментальних даних і закономірностей за вогнищевою сейсмічністю і сейсмотектонікою регіону на основі нової методології й програмних засобів.

До сейсмонебезпечних зон (І 7 балів) віднесено близько 83% усієї території АР Крим для періоду повторюваності 1000 років, що в 2 рази більше, у порівнянні з попереднім визначенням (карта ЗСР-78). Вперше виділені ділянки 9-бальних струсів у районі ПБК і Керченського півострова (14% усієї площі Криму). Модель сейсмічної небезпеки подана у вигляді комплекту карт загального сейсмічного районування з різним ступенем сейсмічного ризику на найближчі 50 років.

Достовірність основних результатів забезпечена використанням великого обсягу статистично значущого експериментального сейсмологічного матеріалу за період з найдавніших часів до сьогодення. До обробки були залучені землетруси широкого енергетичного діапазону - від слабких до руйнівних - з М = -1 7.5.

Вихідні дані були однорідно параметризовані за енергією й уніфіковані. Використані сучасні способи обробки даних, а також розроблені нові підходи й методи.

Основні наукові положення й результати, що випливають з аналізу експериментальних даних, не суперечать сучасним теоретичним моделям фізики вогнища та сейсмічного процесу, теорії підготовки землетрусів і даним лабораторного моделювання процесів руйнування на зразках.

Практична цінність: Результати дослідження мають велику практичну цінність перш за все для оцінки і зниження сейсмічного ризику, зменшення можливих економічних і екологічних втрат при майбутніх сильних землетрусах.

Розроблені нові методики й методологія параметризації та уніфікації сейсмологічних даних дозволяють однорідно без пропусків класифікувати усі землетруси Чорноморського регіону за енергетичним рівнем у широкому динамічному діапазоні.

Нові дані про просторово-часову й енергетичну ієрархію, міграційні ефекти, про вогнища землетрусів і процеси в вогнищевих зонах є практичною основою для оцінки довгострокової сейсмічної небезпеки та середньострокового прогнозування місць визрівання нових великих вогнищ землетрусів.

Дані про вогнищеві параметри, напружено-деформований стан середовища і структури сейсмічності є головним елементом при розробці моделі геодинаміки регіону.

Особистий внесок дисертанта: Постановка задач, шляхи їхнього вирішення, методологія досліджень, розробка методичних основ, ідеї та викладені в дисертації результати належать автору. Усі експериментальні дані, їх обробка й інтерпретація отримані під керівництвом автора та при його безпосередній участі.

У більшості робіт, виконаних зі співавторами і наведених у авторефераті, дисертанту належить ідея, постановка задачі, інтерпретація експериментальних даних, обговорення, основні висновки.

Реалізація результатів: Розроблені нові магнітудні й енергетичні шкали впроваджені у практику сейсмічної служби України на станціях Криму. Удосконалені й розроблені методики визначення вогнищевих параметрів впроваджено в практику рутинної обробки щорічної сейсмологічної інформації, яка щорічно публікується в "Сейсмологічному бюлетені України". Уніфікована база даних, нові дані про вогнища і властивості сейсмічності стали основою для прогнозування сейсмічної небезпеки Криму. Нові уніфіковані дані про землетруси Кримсько-Чорноморського регіону увійшли складовою частиною в генеральний каталог Північної Євразії, а також до міжнародного тестового полігону Крим-Кавказ-Копетдаг (Caucasus Test Area) Міжнародної програми GSHAP.

Розроблена методика середньострокового прогнозування сильних землетрусів впроваджена у практику виявлення потенційно небезпечних зон для комплексної експертизи сейсмічної ситуації в регіоні та інформування комісії МНС України. Нові карти довгострокової сейсмічної небезпеки Криму (ЗСР-98) затверджені як нормативні документи і впроваджені в практику реконструкції, проектування і будівництва нових об'єктів на території Автономної Республіки Крим.

Дані про сейсмотектонічні параметри зон ІВЗ, сейсмічний потенціал і режими доменів і лінеаментів, модель загасання інтенсивності використано при складанні лінеаментно-доменно-фокальної моделі сейсмічності тестового полігону “Caucasus” і для розрахунку генералізованої карти сейсмічної небезпеки Північної Євразії.

Робота з оцінки довгострокової сейсмічної небезпеки Криму удостоєна премії Ради Міністрів АР Крим за 2001 рік як краща дослідницька робота в галузі “ Освіта й прикладнi науки “ ( Постанова № 417, 07.08.2002).

Розроблені нові підходи до уніфікації даних, дослідження сейсмічності і сейсмічного режиму знайшли також застосування при оцінці сейсмічної небезпеки Дніпровського гідрокаскаду, Ровенської, Хмельницької, Південно-Української АЕС, Одеського оперного театру та інших відповідальних об'єктів і територій.

Апробація: Основні положення роботи доповідалися на Генеральних асамблеях Європейської сейсмологічної комісії (ЕСК): XІХ (Москва, 1984); XXІ (Sofіa, 1988); XXІІ (Barselona, 1990); ХХІІІ (Praga, 1992); XXIV (Athens, 1994); на 29 Генеральній асамблеї Міжнародної асоціації з сейсмології і фізики земних надр (Tessalonіkі, 1997); на міжнародних нарадах по програмі "Global seіsmіc Hazard": Москва (1993), Ашхабад (1994), Єреван (1996), Тбілісі (1997); на 3 Міжнародному симпозіумі з аналізу сейсмічності й сейсмічного ризику (Praga, 1985); на ІІ Міжнародній конференції "Seіsmology and earthquake engіneerіng (Tegeran, 1996); на щорічних Всесоюзних нарадах МСССС (Москва, Чорноголiвка, Фрунзе, Алма-Ата, Єреван, Тбілісі, Кишинів, Іркутськ, Петропавловськ-Камчатський, Звенигород, Ашхабад (період 1977-1990), а також на численних міжнародних і республіканських конференціях, симпозіумах, нарадах з питань сейсмології, геодинаміки, екології, сейсмостійкого будівництва (Москва, Сочі, Геленджик, Кишинів, Мінськ, Київ, Ужгород, Харків, Ялта, Гурзуф, Феодосія, Алушта, Севастополь, Сімферополь та ін.)

Публікації: На тему дисертації опубліковано більше 200 робіт.

Основні положення дисертації викладені в 9 опублікованих монографіях і 50 статтях, наведених у авторефераті. Посилання на ці роботи в тексті автореферату подані під відповідними номерами.

Структура й обсяг дисертації: Дисертація складається із вступу, 5 глав, висновків, списку посилань із 416 найменувань, 145 рисунків на 83 с., 17 таблиць на 10 с. Загальний обсяг роботи 387 с., з них 255 сторiнок тексту.

Подяки: Протягом багатьох років автор мала щастя працювати і обговорювати результати досліджень з нині вже покійними академіками і професорами: І.І.Поповим, Н.В.Шебаліним, А.В.Чекуновим, С.Л. Соловйовим, Ю.В.Різниченком, Г.П.Горшковим. Дана робота є даниною світлої пам'яті цим великим ученим, моїм учителям, колегам і друзям.

Успішному завершенню робіт із сейсмічного районування АР Крим багато в чому сприяло співробітництво з колегами з інших країн при виконанні міжнародних програм з районування Північної Євразії і GSHAP [Balasanіan et.al.1997; Ulomov et.al.1997 ]. Автор вдячний їм усім і особливо керівнику робіт - В.І.Уломову, а також його співробітникам - Н.В.Кондорській і Л.С. Шумиліній за консультації, обмін матеріалами та плідні обговорення.

Особливу подяку автор висловлює своїм колегам і співавторам багатьох спільних робіт по темі дисертації: В.Є.Кульчицькому, І.В.Горбуновій, Т.Г.Раутіан, Л.С.Борисенкові, С.А.Капітановій, А.Г.Каменобродському, О.І.Поречновій, В.О.Свидловій, В.Б.Спиртусу. А також Ю.М.Вольфману, О.В.Кендзері, Р.С.Пронішину, О.М.Скляру за допомогу і сприяння в завершенні останнього етапу дисертаційної роботи.

ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ

Викладено постановку задачі, актуальність, сформульовано основні наукові і практичні досягнення, подано реалізацію й апробацію результатів досліджень.

1. Методологія і методика параметризації й уніфікації сейсмологічних даних

Уніфіковані каталоги і бази даних для Чорноморського регіону і суміжних територій в єдиних форматах раніше не були складені і разом не аналізувалися.

Для надійної параметризації за енергетичним рівнем усіх землетрусів необхідно розробити регіональні шкали, які враховують анізотропію загасання сейсмічних хвиль, різну добротність глибинного середовища і спектральний склад сейсмічних коливань. Для слабких місцевих землетрусів без пропуску можна оцінити енергетичний клас за амплітудами поперечних хвиль S і загальною тривалістю коливань. При цьому необхідно врахувати також станційні поправки.

Із залученням нерегулярних сейсмічних коливань (коди), амплітудний рівень яких в основному залежить від енергії джерела і осереднює вплив локальних неоднорідностей, можна побудувати більш надійні магнітудні і енергетичні шкали за амплітудами коди і асимптотами обгинаючих. Амплітудний рівень коди також є ідеальною нормованою величиною при побудові калібрувальних кривих загасання енергії і побудови магнітудних шкал m_b і Mpv.

Для уніфікації всіх попередніх визначень М и К за різними шкалами і типами хвиль необхідно знайти кореляційні співвідношення для перерахунку в єдину надійну енергетичну шкалу.

Такою шкалою є шкала моментних магнітуд М_W, яка визначається за сейсмічним моментом Мо [Kanamorі, 1978]

Параметризовані за даною шкалою землетруси складають основу генерального каталогу регіону. У свою чергу цей каталог є головним ядром спеціалізованої сейсмологічної бази даних.

1.1 Уніфікація енергетичних характеристик місцевих і близьких землетрусів

Для місцевих слабких землетрусів (К<13, М<5) розроблені нові енергетичні шкали К_ПК (Пустовітенко-Кульчицького) для кожної станції окремо з врахуванням анізотропного загасання об'ємних сейсмічних хвиль і тривалості сейсмічних коливань [1, 44].

Енергетичний клас К_ПК аналітично виражається формулою:

К_ПК (t, A, T) = lgt + 2 lg [A/T Q(T)] + ,

де А - амплітуда максимального зміщення в S-хвилі (у мм); Т - період, що відповідає даній амплітуді (у с), t = t_S -t_P - різниця часів вступу хвиль S і P (у с), Q(T) - амплітудно-частотна характеристика сейсмографа; ,=const, які обчислюються окремо для кожної станції.

Нова шкала К_ПК впроваджена в практику сейсмічних спостережень на всіх станціях Кримського регіону [Інструкція про порядок проведення і обробки спостережень,1982].

Для вивчення добротності середовища, спектрального складу коливань, магнітудної й енергетичної класифікації землетрусів у широкому діапазоні енергій та епіцентральних відстаней використано також сейсмічну коду [Akі, 1975; Копничев, 1978; 3].

Запропоновано нові магнітуди ( і ) за амплітудним рівнем коди при фіксованому часі її пробігу t=100с и t=500с, відповідно, за рівнем короткоперіодної SP (СХ, СКМ-3, ВЕГИК) і середньоперіодної MP (СК, СКД) коди:

= lg +3.8;

=lg + 4.4.

Енергетичний клас К_С визначений по коді SP для відносно слабких землетрусів на станціях "Сімферополь" (SІМ )" і "Судак"( SUD ):

=1.8lg +11.6 (SІМ ); =1.84lg +12.0 ( SUD ).

Розроблені магнітудні й енергетичні шкали М_С =f(A_С,t_С) і K_С=f(A_С,t_С) впроваджено в практику оперативної та зведеної обробки даних як поверхневих, так і глибоких землетрусів [ 3, 39, 47, 53].

Магнітуди М_С не лише характеризують рівень землетрусів за енергією, але є також найпростішою характеристикою спектрального складу коливань [ 7 (розділ 2.6); 22].

Отримані нові дані про добротність середовища регіону (Q=220 для земної кори і Q = 1050 для мантії) і загасання детермінованих та нерегулярних (кода) сейсмічних хвиль у ближній і далекій зоні. В цілому для всього діапазону R=1002000 км значення амплітуд обємних хвиль P,S нормовані на амплітуди коди A_C: а^s,p =A_S,P/A_C загасають за законом , де n має значення від 1.7 до 2.5 для різних типів хвиль і параметрів апаратури.

Отриманий, в такий спосіб, закон загасання нормованих амплітуд покладено в основу калібрувальної функції при розробці магнітудної і енергетичної класифікації землетрусів за записами, зробленими короткоперіодною і широкосмуговою апаратурою в діапазоні відстаней до 2000 км. [39, 52]. При цьому використані кореляційні рівняння для фіксованої відстані R=1000 км: К_ПК=1.72 lg A_S + 9.33, = 0,9; m_b= 0.5 lg A_S + 5.1, r = 0.9. Нові номограми К_ПК=f(A_S,P,R) і m_b= f(A_S,P, R) впроваджені в практику оперативної та зведеної обробки сейсмологічних даних.

1.2 Параметризація землетрусів за сейсмічним моментом

Для визначення сейсмічного моменту М₀ місцевих землетрусів за спектрами високочастотних коливань P і S хвиль використано експрес-метод [46]. Методика розрахунку спектрів і оцінки динамічних параметрів, а також їх детальний каталог, опубліковано в монографії [2]. Знайдено кореляційні співвідношення між М₀ і значенням К_ПК і М_LH у широкому енергетичному діапазоні:

lgM₀=(0.58±0.01)К_ПК+(15.8±0.1), N=400; lgM₀=(1,165 ± 0,08)М_LH+(18.35± 0,03), N=670

Показано, що для вогнищевих параметрів слабких і сильних землетрусів зберігається закон подібності, у зв'язку з чим є коректною екстраполяція регіональних залежностей як у бік малих, так і великих енергій. Для розрахунку магнітуд М_W за прямими визначеннями М₀ була використана формула Канаморі: M_W=2/3 lgM₀ - 10.7. В решті випадків M_W знайдено за значеннями М_LH з врахуванням регіонального кореляційного співвідношення між магнітудою М_LH і сейсмічним моментом М₀ : M_W = 0.78 М_LH +1.53

1.3 Уніфікація параметрів землетрусів за магнітудою

При складанні єдиного каталогу місцевих і близьких землетрусів басейну Чорного моря і навколишніх територій пріоритет віддано прямим визначенням величин К_ПК, М_LH і M_W.

У решті випадків інші види магнітуд приведені до уніфікованих шкал шляхом перерахунку за авторськими регіональними кореляційними співвідношеннями:

M_LH=(1.14 ± 0.06)M_L - (0.92 ± 0.30), N=267; M_LH=(1.66 ± 0.06)m_b - (3.5 ± 0.3), N=647

1.4 Уніфікований каталог і спеціалізована база даних

Створений каталог є основною частиною спеціалізованої й уніфікованої бази сейсмологічних даних [45]. Принципи уніфікації даних, опис способів обробки та інтерпретації місцевих землетрусів подані у [1].

База даних містить основний каталог землетрусів регіону Чорного моря й суміжних територій з найдавніших часів до сьогодення в діапазоні магнітуд M_LH = -1 8.0 і сім додаткових каталогів: спектральних і динамічних параметрів вогнищ, механізмів вогнищ, параметрів розривів, сейсмодислокацій, динамічних і кінематичних характеристик сейсмічних хвиль, починаючи з 1927 року.

1.5.Основні результати. Розроблено методологію та ряд методологічних прийомів уніфікованої параметризації місцевих і близьких землетрусів та організації спеціалізованої бази даних.

Проведено параметризацію й уніфікацію усіх землетрусів Чорноморського басейну і прилеглої території за енергетичним рівнем за тривалий час у широкому діапазоні енергій і відстаней із застосуванням нових регіональних шкал магнітуд і енергетичних класів, які враховують анізотропію загасання сейсмічних хвиль, добротність середовища регіону, спектральний склад випромінювання, станційні особливості. З використанням регіональних співвідношень між сейсмічним моментом і магнітудою усі землетруси зведеного каталогу однорідно параметризовані за значеннями моментної магнітуди M_W.

Усі основні результати дисертаційної роботи отримані з використанням створеної уніфікованої бази даних.

природний стихійний сейсмічний чорноморський

2.Процеси у вогнищах і вогнищевих зонах землетрусів

2.1 Постановка задачі

Існують різні методи визначення вогнищевих параметрів землетрусів [Введенська, 1969; Kostrov, Das, 1988; Brune, 1970 та ін.]. Практично усі методи через неадекватність наших модельних наближень до реальних складних процесів у вогнищах мають значні похибки. З огляду на це, необхідно використовувати комплекс різних методів, який дозволить не лише уточнити характеристики вогнища, але й доповнити відсутні елементи вогнищевих параметрів.

Визначення механізму вогнища на основі дислокаційної моделі [Введенська, 1969; Балакина и др., 1982] дозволило відновити напрямок діючих тектонічних напружень, кути падіння і вектори переміщень площини розриву. Динамічні параметри вогнища, такі як: розміри розриву, зняті напруження, сейсмічний момент і середнє переміщення вздовж розриву - оцінені за спектрами записів сейсмічних хвиль з використанням дислокаційної моделі Брюна [Brune, 1970]. Довжина, напрям і швидкість розповсюдження розриву, вивчені із застосуванням нової методики, яка розроблена в останні роки [Горбунова,1981;4].

Для комплексного аналізу отриманих вогнищевих параметрів використано також дані про перші ізосейсти, сейсмодислокації та афтершоковий процес.

Особлива увага приділена удосконаленню способів визначення вогнищевих параметрів і перевірці меж їх застосування.

2.2 Механізм вогнища

При дослідженні механізмів вогнищ відчутних кримських землетрусів, зареєстрованих багатьма станціями, використовувалася стандартна методика (Балакина и др.,1972), а для слабких землетрусів центральної зони регіону застосований груповий метод Акі-Мішариной [Akі, 1966, Мишарина, 1969].

Відновлені параметри механізму вогнищ Кримських землетрусів з М4.0 за період 1927-1998 років [32-35] дозволяють зробити висновок про складне, поле тектонічних напружень у структурах регіону. Землетруси центральної зони регіону, виникли під дією субгоризонтальних розтягуючих напружень діагональної орієнтації. З пересуванням їх на захід і схід відбувається зміна типу діючих напружень на субгоризонтальний стиск. Нодальні площини по простяганню є узгодженими з локальною орієнтацією ізобат континентального схилу Чорноморської западини в місцях виникнення землетрусу. Характер переміщень у вогнищах розглянутих землетрусів Криму підтверджується новими даними щодо процесів розривоутворення й результатами тектонофізичних побудов [Гинтов, Муровская, 2000].

Різні типи механізмів вогнищ Чорноморського регіону пов'язані із різноманіттям напружено-деформованого стану літосфери планетарного, регіонального і локального рівнів [Борисенко, Плахотный, 1999; Вольфман, Новик, 1999], а також із варіабельністю фізико-механічних властивостей середовища, яке вміщує вогнища сильних землетрусів.

2.3 Процеси розривоутворення у вогнищах землетрусів

Нова методологія і методика вивчення складного сейсмічного розривоутворення [Горбунова,1981; 4; 16] розроблена на основі результатів модельних експериментів і досягнень у теорії фізики вогнища землетрусу [Akі,1970; Brace, 1972; Костров, 1975; Bouchon et.al.1977; Kostrov, Das, 1988].

Дослідна перевірка меж застосування даної методики була виконана нами на прикладі 25 найсильніших землетрусів Альпійської зони, вогнища яких залишили слід на поверхні Землі у вигляді дислокацій. Параметри розривів, визначені за хвильовими групами на сейсмограмі для тестових землетрусів, були співрозмірними із даними натурних спостережень у плейстосейстовій зоні, розв'язками механізмів вогнищ, з орієнтацією вищих ізосейст бальності і просторовим розподілом афтершоків [18].

Використання нової методики і методології вперше дозволило одержати найповніші дані про просторові особливості процесів у вогнищах і вогнищевих зонах землетрусів України, які виникають у різних сейсмотектонічних і геодинамічних умовах (Закарпаття, Кримсько-Чорноморський регіон, глибокофокусна зона Вранча) [14, 40, 48, 57].

Найбільш складною формою сейсмічних розривів і максимальною швидкістю розвитку розривів відзначається глибокофокусна зона Вранча.

Для крайових частин Кримського регіону характерні прості, односпрямовані розриви з азимутами простягання, орієнтованими у південно-західному і південно-східному напрямках. В центральній частині регіону розриви успадковують обидва вказані напрямки. Для більшості розглянутих сейсмічних вогнищ Закарпаття і Криму характерна діагональна орієнтація розривів, яка відповідає діагональній системі активних розломів. При цьому, у випадку складного процесу розривоутворення, довжина розривів, орієнтованих у південно-східному напрямку, в середньому у 1.5 разів більше, ніж у південно-західному напрямку.

Лінійні розміри розривів у цілому залежать від енергії землетрусів:

lg(L_R) =(0,13 ± 0,01)M_LH + (0,63 ± 0,07), =0,82; де L_R у км.

Швидкості поширення розривів можуть значно перевищувати швидкості поширення поперечних хвиль і не чутливі до енергії землетрусу, але істотно відрізняються в залежності від сейсмотектонічної обстановки і від напрямку поширення розривів. На даний час є лише одиничні експериментальні дані про те, що процеси разривоутворення у вогнищах землетрусів можуть протікати з швидкостями, більшими за V_P. Так, швидкості розповсюдження розривів, що дорівнюють (0.7-0.8) V_P, отримані для слабких землетрусів з вогнищами сколового типу [Горбунова, Кальметьева, 1988]. При модельних дослідженнях у результаті прямих вимірів було встановлено, що при руйнуванні зразків порід під дією великих навантажень швидкість поширення розривів не тільки перевищує V_S, але може досягати значень V_P [Шамина, 1981, Стрижков, Павлов,1982]. Незважаючи на те, що дані модельних досліджень і отримані за землетрусами експериментальні дані відносяться до процесів різних масштабних рівнів і протікають у різних за фізико-механічнми властивостями середовищах, можна відмітити деяку подібність у характері розривоутворення при мікро- і макроруйнуваннях.

Складні процеси розривоутворення спостерігаються і у вогнищах більшості з 100 землетрусів басейну Чорного моря його обрамлення у діапазоні магнітуд М = 3,5 7,5 і глибин вогнищ H = 10 130 км. Можна відзначити, що домінуючими напрямками розривів є також діагональні: південно-західні і південно-східні. Для Чорноморської депресії наявність таких напрямків не суперечить сейсмотектонічним даним [Чекунов, 1990; Борисенко, 1990; 37; 59].

Отже, одержано загальні властивості процесу розривоутворення у вогнищевих зонах: 1 - складний характер розривоутворення, який може розвиватися одночасно уздовж різних напрямків; 2 - домінуюча орієнтація розривів у південно-східному і південно-західному напрямках; 3 - логлінійна залежність параметрів розриву від магнітуди.

2.4 Динамічні параметри вогнищ Чорноморських землетрусів

Визначення динамічних параметрів вогнищ сильних землетрусів M>5.5 проведено за спектрами записів хвиль Р і S на віддалених сейсмостанціях: "Пулково", "Свердловськ", "Львів" [36]. Для 460 слабких землетрусів спектри записів були отримані із записів регіональних станцій Криму [2].

Просторово-часові властивості динамічних параметрів вогнищ слабких землетрусів вивчені з використанням "нев'язок" відносно середніх для Криму довгострокових кореляційних зв'язків lg M₀ (К), lg r₀ (К), lg Д у₀ (К):

Під “нев'язкою” розуміється величина: д lgX = д lgX_i - д lgX_f, де X_i - значення вогнищевого параметра розглянутої і-тої події; X_f - значення цього параметра, розрахованого за формулами для енергетичного рівня, що відповідає і-тій події.

Спостерігається стала картина розподілу додатних і від'ємних значень нев'язок параметра дlgM₀,: у центральній і західній частинах кримського регіону в областях максимальних вигинів ізоліній глибин континентального схилу переважають завищені значення M₀, а для глибоководної западини Чорного моря і східної частини регіону - занижені. Для центральної частини регіону характерні також вогнища з відносно більш низькочастотним випромінюванням, з підвищеними значеннями радіусів кругової дислокації. Занижені значення розмірів вогнищ переважають у східній частині регіону.

В областях сталих однотипних нев'язок відзначаються тимчасові флуктуації в періоди підготовки в даному місці найбільш сильних сейсмічних подій.

Упорядкована картина нев'язок дlgДу відзначена уздовж розрізів по глибині в центральній зоні регіону. Виділено вузькі структури із заниженими значеннями Ду, які мають тенденцію до заглиблення в сторону моря і на схід регіону.

Емпіричні залежності М₀(f₀) за даними с/ст. "Алушта" і "Ялта" для вогнищ землетрусів центральної частини Криму в діапазоні К = 6,511,5:

lg M₀ = (21,9 ±0,1) - (2,94±0,18) lg f₀,

де N = 172 можна інтерпретувати як факт дотримання закону подібності (scalіng law) [Akі, 1967].

2.5 Основні результати і висновки

Вивчено процеси у вогнищах окремих землетрусів і їх сукупностей у межах Чорноморського регіону і суміжних територій. Дослідження проведено в широкому енергетичному діапазоні за тривалий інтервал інструментальних спостережень. Для визначення параметрів вогнищ застосовано комплексний підхід з використанням відомих і нових методів і методик, опрацьованих і удосконалених під час виконання даної роботи.

Показано, що мікронеоднорідності середовища і переривчастий характер зняття напружень приводять до різноманітності ("несхожості") окремих вогнищ.

Разом з тим встановлено, що на локальному і регіональному рівні сукупності вогнищ мають деякі загальні властивості:

- для більшості розглянутих землетрусів процес розпорювання у вогнищах проходить дискретно;

- від початкового гіпоцентру розрив часто поширюється не в одному, а в кількох напрямах (вогнища зони Вранча, Кавказу, центральної частини Криму, Закарпаття, Туреччини);

- швидкості поширення розривів можуть перевищувати V_S і не залежать від енергії землетрусів;

- для більшості розглянутих землетрусів напрямок розривів і нодальних площин відображаються в характері зон афтершоків, дислокацій і максимальних ізосейст;

- переважає діагональна орієнтація розривів у вогнищах як слабких, так і сильних землетрусів, що відповідає діагональній системі активних геологічних структур;

- процес руйнування середовища йде при великому макротерті за рахунок дрібних шорсткостей міжблокових границь і великих втрат енергії на випромінювання високих частот;

- підвищені і понижені значення динамічних параметрів вогнищ (при однаковому рівні енергії) групуються у просторі;

- довжини розривів, динамічні параметри вогнищ прямо пов'язані з енергетичним рівнем землетрусів у широкому його діапазоні, що свідчить про подібність сильних і слабких землетрусів;

- на виконання закону подібності також вказує зворотний зв'язок сейсмічного моменту і кутової частоти спектра об'ємних хвиль за кубічним законом.

Треба відзначити також, що дані про вогнищеві параметри, а саме: напрямок розривів в сторону моря, перевага в центральній зоні напружень розтягу, заглиблення в напрямку моря зон пониженого звільнення напружень не підтверджує гіпотезу геологів про існування зони субдукції поблизу Кримського узбережжя.

3. Просторово-часові властивості сейсмічності

3.1 Загальні уявлення про сейсмічність і геодинаміку Чорноморського басейну та його обрамлення

Причини сейсмічності й геодинаміки регіону трактуються по-різному. Останнім часом широко поширена думка про визначальний вплив Аравійської плити, яка переміщується в напрямку Євроазійської і зіштовхується з нею. При цьому Аравійська плита клином з півночі розсовує Турецьку і Чорноморську субплити на захід і схід [Зоненшайн, Кузьмин. Натапов, 1990]. Нерівномірний розподіл напружень всередині субплит приводить, у свою чергу, до їх торосування на ослаблених ділянках, зумовлюючи появу мікроплит-блоків.

За іншими поглядами, сейсмічність Кримсько-Чорноморського регіону обумовлюється переважно вертикальними рухами блоків, які переміщуються один відносно одного з різною амплітудою і швидкістю.

На нашу думку, реальна картина розподілу напружень і деформацій відображає дію обох факторів - сублатеральних і субвертикальних, які поєднуються один з одним у різних комбінаціях [5, 21, 27].

Просторовий розподіл сейсмічності. Основна частина епіцентрів і найбільша доля виділеної енергії приурочені до крайових частин Чорного моря - границь Чорноморської западини.

За особливостями прояву сейсмічності в Чорноморській западині та її обрамленні виділяються такі основні зони:

А - Центрально-Чорноморська ("безгранітна");

Б - Південнобережно-Кримсько-Кавказька;

В - Північно-Анатолійська; Е - Вранча .

Південна частина зони Б і північна частина зони В знаходяться над водами Чорного моря, утворюють його шельф і континентальний схил. Сильні вогнища землетрусів у зоні А розміщені на глибинах до 15 км у "базальтовому" шарі. В місцях появи "гранітного" шару (зони Б и В) сейсмічна активність збільшується і глибини вогнищ зростають. "Безгранітна" частина Чорноморської западини з півночі, сходу, півдня і південного заходу оточена сейсмоактивними зонами, які занурюються на глибину.

При укрупненні просторового масштабу виділяється більш детальна структура глибинної сейсмічності: поблизу південного берега Криму (північний край Чорноморської плити) сейсмофокальний шар слабких землетрусів занурюється не під материкову частину, як це трактувалося раніше, а в напрямку глибоководної западини і на схід.

В усіх зонах, крім зони Вранча, сумарна кількість виділеної енергії зменшується з глибиною, що можна пояснити зниженням крихкості порід.

Особливо швидко спад сейсмічної активності з глибиною відбувається в зонах (А) і (Д). Якщо під Скіфською плитою це пов'язано зі спокоєм стабілізованої платформи, яка втратила активність, то в центральній частині Чорноморської западини - може вказувати на аномально швидке збільшення пластичності в матеріалі "живого" глибинного астеноліту [21, 29].

Просторово-часова і енергетична неоднорідність сейсмічності є характерною і для окремих регіонів, зокрема, для Кримсько-Чорноморського. За характером сейсмічного режиму, ступенем групування, типами послідовностей землетрусів, сейсмічним потенціалом, процесами підготовки і реалізації сильних землетрусів центральна частина регіону істотно відрізняється від західної і східної.

На основі просторового розподілу вогнищ землетрусів і швидкісних характеристик сейсмічних хвиль у Чорноморському регіоні А.В.Чекуновим запропонована структурна модель тектоносфери регіону, у якій виділено 4 поверхи: 1 - осадовий, 2 - верхній - в кристалічній корі, найбільш крихкий, 3 - нижній - в мантії, більш пластичний, 4 - найбільш глибинний - суттєво гомогенний [5, 21].

3.2 Сейсмічність внутрішньої частини Чорноморської западини

Довгий час вважалося, що глибоководна частина Чорноморської западини є асейсмічною. В останні роки на основі високочутливих спостережень, узагальнення і перегляду сейсмологічних даних встановлено вогнища понад 80 землетрусів К_ПК>9 у цьому районі.

Епіцентри землетрусів Чорноморського басейну групуються в “ланцюжки” (лінеаменти?) і “плями” (місця перетину великих лінеаментів). Протяжні сейсмічні лінеаменти є орієнтовані, в основному, в діагональних напрямах і ділять Чорноморську западину на ряд блоків.

Сейсмічний режим області западини відрізняється від режиму всього регіону: тут коефіцієнт подрібненості b у два рази нижче, ніж у районі континентального схилу і суміжних територій. Це означає можливість генерації більших, ніж відомі дотепер, вогнищ у Чорноморському басейні [12].

3.3 Дискретні властивості сейсмічності

В середині 80-х років М.А.Садовським і його учнями була запропонована нова модель геофізичного середовища [Садовский и др. 1984,1987, Дискретные свойства …, 1989г.]. Основні властивості цієї моделі - ієрархічна, самоподібна структура дискретності (неоднорідності) середовища спостерігається також для Чорноморського басейну і його обрамлення. Блокова структура на різних ієрархічних рівнях помітна на трасах - лінеаментах в полі епіцентрів і на глибинних зрізах. Найсильніші землетруси (М_LH>6.0) позначають великі блоки літосфери - тектонічні плити і субплити. Чорноморська плита, в свою чергу, розбита на дрібніші блоки. При укрупненні просторового масштабу і зменшенні енергетичного рівня проявляється дрібніша й детальніша структура сейсмічності.

Співвідношення між розмірами структур Чорноморського регіону й енергетичним рівнем маркіруючих їх землетрусів можна описати залежністю:

lgS = (0.540.04) lgE - (2.160.48), ( S-км ² , Е - дж.)

Для максимального реалізованого в кожному блоці землетрусу одержимо дещо відмінну залежність: lgS = (0.440.04) lgE_max - (1.990.45). Звертає на себе увагу масштабний коефіцієнт, при lg рівний 0.44, як і для графіка повторюваності землетрусів, побудованому за енергетичними класами. З цього видно, що закон повторюваності землетрусів є наслідком закону роздрібненості, ієрархічної подільності геологічного середовища.

Для послідовностей реалізованих землетрусів, незалежно від їх магнітуди, існують певні кореляційні зв'язки в просторі параметрів - проміжків відстаней r і часів t: lgN = a_r b_r r та lgN = a_t b_t t. Це характерні скейлінгові співвідношення, подібні до класичного закону повторюваності землетрусів.

В цілому, розміри відстаней r і проміжків t залежать від енергетичного рівня землетрусу і відповідають “закону дистанціювання сейсмічних вогнищ” [Уломов, 1987].

Максимальні проміжки часів Т_m між послідовними землетрусами одного енергетичного рівня М виявляють взаємозв'язок типу [17]:

lgT_m = a_t + b_t· M.

При цьому параметр = 0.455 ± 0.053 - є однаковим для усіх регіонів.

Якщо причиною сейсмічних подій можна вважати “енергетичне переповнення” середовища за рахунок потоку енергії, яка надходить з глибин мантії [Ризниченко, Артамонов, 1975], то параметр , ймовірно, характеризує швидкість дисипативних процесів, яка у досліджуваних регіонах є, практично, однаковою. У такому представленні величина Т_m відбиває часовий інтервал енергонасичення блоків середовища, здатних породжувати землетруси з магнітудою М.

Дискретне поле епіцентрів Чорноморського регіону за характером кластеризації поділяється на дві компоненти: скупчену і розсіяну [15]. Для поділу використовувався метод середніх [Арефьев и др.,1989]. Установлено, що для скупченої компоненти сейсмічності більшість досліджуваних параметрів є масштабно інваріантними. Для розсіяної компоненти такої закономірності не спостерігається.

Це, можливо, свідчить про принципову відмінність фізичної природи двох складових сейсмічності. В хаосі дискретного поля епіцентрів виділяються області динамічної упорядкованості і організованості - області скупченої сейсмічності, пов'язані з геодинамічним процесом взаємодії активних структур різного рангу і зон їх зчленування і/або перетину. Розсіяна компонента формується одиночними подіями, які відбуваються усередині блоків, тому процеси тут можуть протікати за своїм законами.

3.4 Ефекти міграції вогнищ землетрусів

Одним з найбільш яскравих прикладів прояву просторово-часової упорядкованості і взаємозв'язку сейсмічних подій є міграція їх вогнищ [Mogі, 1968, 1972; Губерман, 1979; Вилькович, Шнирман, 1982; Уломов 1990; Невский, Артамонов, 1991; Николаевский, 1996; Невский, 1999].

Для найсильніших землетрусів Криму (М 5.5) за період з 1867р. встановлено дві області міграції в напрямку на захід і на схід з середньою швидкістю близько 2,5 км/рік вздовж узбережжя. В районі Чорноморського регіону послідовна міграція землетрусів помірної сили (M_LH>5) відбувається вздовж просторово-часового каналу зі сходу регіону на захід з середньою швидкістю 8 км/рік. Після найсильнішого за цей період Кримського землетрусу 1927р. (М>6.8) сейсмічний процес почав розходитися у дві сторони - на захід і на схід, зберігаючи при цьому колишню швидкість.

Міграційні ефекти землетрусів більш низького енергетичного рівня (M_LH=4) відзначені після землетрусу 30 серпня 1949 року (М_LH = 4.4), коли сейсмічний процес почав розвиватися в двох напрямках: на захід (швидкість міграції епіцентрів складає 7 км/рік), і на схід (швидкість міграції - 20 км/р.). Східна гілка у 1984 році зазнала інверсію і змінила свій напрям на захід. При цьому швидкість міграції зросла в 2 рази. Східний і західний напрями міграції відрізняються між собою не лише швидкістю, але й шириною провідних каналів L.

Міграційні ефекти сейсмічності відзначені також на ще нижчому енергетичному рівні: в період підготовки землетрусів (розділ 4) і зняття напружень у вогнищевій зоні основного розриву. Явище міграції афтершоків і форшоків вздовж вогнищевої зони встановлено для складних послідовностей кримських землетрусів 1927, 1984, 1998р. При цьому, чим слабкішими були повторні поштовхи, тим з більшою швидкістю переміщалися їх вогнища вздовж зони розвантаження.

В цілому для Кримсько-Чорноморського регіону встановлено, що довгоперіодні хвилі тектонічної деформації, які проявляються в міграції сильних і слабких поштовхів, поширюються з різними швидкостями, в залежності від енергетичного рівня сейсмічних подій: lgV = (3.62 0.13)-(0.57 0.03) M_{LH ,} =0.9.

3.5 Висновки

Детальне вивчення сейсмічності басейну Чорного моря з використанням представницького матеріалу сейсмологічних спостережень дозволило встановити нові сейсмоактивні структури, зокрема, високу сейсмічну активність Чорноморської улоговини, яка раніше вважалася асейсмічною.

Сейсмічні процеси в басейні Чорного моря і його обрамленні, які досліджуються з позицій ієрархії і самоподібності, проявляють такі властивості:

- поле гіпоцентрів землетрусів виявляє впорядковані властивості: кластеризацію в систему сейсмічних лінеаментів, які оконтурюють блоки різних розмірів в залежності від енергії сейсмічних подій; розміри площ блоків є пропорційними до максимальної енергії реалізованого землетрусу;

- сейсмічні регіони, які оточують басейн Чорного моря, відрізняються за сейсмічними характеристиками;

- сукупність сейсмічних подій має фрактальну структуру за всіма компонентами: енергетичною, просторовою і часовою, - специфічними для кожного із досліджених регіонів [15, 56, 58];

- екстремальні характеристики сейсмічності для кожного регіону, поряд з відмінностями, мають і спільні риси, які вказують на фундаментальні особливості сейсмічності, обумовлені, можливо, надходженням енергії з мантії і процесами її дисипації [17].

...