|
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ ГЕОФІЗИКИ ім. С.І.СУБОТІНА
ПУСТОВІТЕНКО
Белла Гаврилівна
УДК 550.34
СЕЙСМІЧНІ ПРОЦЕСИ
В ЧОРНОМОРСЬКОМУ РЕГІОНІ ТА
СЕЙСМІЧНА НЕБЕЗПЕКА КРИМУ
04.00.22 - Геофізика
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора фізико-математичних наук
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, директор
ЦСГНЕО, 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 MLH:
lgV = – 0.57 MLH + 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 mb 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 МW, 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 КПК (Пустовітенко-Кульчицького) для кожної станції окремо з врахуванням анізотропного загасання об'ємних сейсмічних хвиль і тривалості сейсмічних коливань [1, 44].
Енергетичний клас КПК аналітично виражається формулою:
КПК (t, A, T) = α lgt + 2 lg [A/T |Q(T)|] + β,
де А – амплітуда максимального зміщення в S-хвилі (у мм); Т – період, що відповідає даній амплітуді (у с), t = tS –tP – різниця часів вступу хвиль S і P (у с), |Q(T)| – амплітудно-частотна характеристика сейсмографа; α,β=const, які обчислюються окремо для кожної станції.
Нова шкала КПК 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 КС 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 МС =f(AС,tС) і KС=f(AС,tС) впроваджено в практику оперативної та зведеної обробки даних як поверхневих, так і глибоких землетрусів [ 3, 39, 47, 53].
Магнітуди МС 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=100÷2000 км значення амплітуд об′ємних хвиль P,S нормовані на амплітуди коди AC: аs,p =AS,P/AC 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: КПК=1.72 lg AS + 9.33, ρ = 0,9; mb= 0.5 lg AS + 5.1, r = 0.9. Нові номограми КПК=f(AS,P,R) і mb= f(AS,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 КПК і МLH у широкому енергетичному діапазоні:
lgM0=(0.58±0.01)КПК+(15.8±0.1), N=400; lgM0=(1,165 ± 0,08)МLH+(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 МW за прямими визначеннями М0 була використана формула Канаморі: MW=2/3 lgM0 – 10.7. В решті випадків MW знайдено за значеннями МLH з врахуванням регіонального кореляційного співвідношення між магнітудою МLH і сейсмічним моментом М0 : MW = 0.78 МLH +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 КПК, МLH і MW. У решті випадків інші види магнітуд приведені до уніфікованих шкал шляхом перерахунку за авторськими регіональними кореляційними співвідношеннями:
MLH=(1.14 ± 0.06)ML - (0.92 ± 0.30), N=267; MLH=(1.66 ± 0.06)mb - (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 MLH = -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 MW.
Усі основні результати дисертаційної роботи отримані з використанням створеної уніфікованої бази даних.
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 М≥4.0 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(LR) =(0,13 ± 0,01)MLH + (0,63 ± 0,07), ρ =0,82; де LR 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 VP. Так, швидкості розповсюдження розривів, що дорівнюють (0.7–0.8) VP, 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 VS, але може досягати значень VP [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 Δ у0 (К):
Під “нев’язкою” розуміється величина: д lgX = д lgXi – д lgXf, де Xi – значення вогнищевого параметра розглянутої і-тої події; Xf - 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 = 6,5÷11,5:
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 VS 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 КПК>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 (МLH>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 = (0.54±0.04) lgE – (2.16±0.48), ( S-км 2 , Е – дж.)
Для максимального реалізованого в кожному блоці землетрусу одержимо дещо відмінну залежність: lgS = (0.44±0.04) lgEmax – (1.99±0.45). 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 Δr і часів Δt: lgN = ar - br Δr та lgN = at - bt Δt. Це характерні скейлінгові співвідношення, подібні до класичного закону повторюваності землетрусів.
В цілому, розміри відстаней Δr і проміжків Δt залежать від енергетичного рівня землетрусу і відповідають “закону дистанціювання сейсмічних вогнищ” [Уломов, 1987].
Максимальні проміжки часів Тm між послідовними землетрусами одного енергетичного рівня М виявляють взаємозв’язок типу [17]: lgTm = at + bt· 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 Тm 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 (MLH>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 (MLH=4) відзначені після землетрусу 30 серпня 1949 року (МLH = 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) MLH , ρ =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].
Складний характер перерозподілу енергії проявляється в явищі міграції сейсмічних подій на усіх енергетичних рівнях. Цей фактичний матеріал свідчить про нелінійність процесів у геофізичному середовищі – нерівноважній термодинамічній системі, у якій є можливе існування нелінійних квазістійких утворень. Швидкість міграції слабких і сильних поштовхів є різною і має логлінійну обернену залежність від магнітуди.
Виявлені просторово-часові і енергетичні властивості сейсмічності та їх зміни з глибиною підтверджують і розвивають ідею про різноповерхову тектоніку Чорноморського р-ну і наявність астеноліту під Чорноморською западиною [29].
| 
