КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 20-17-00180

НазваниеРазвитие сценарного подхода в задачах оценки сейсмической опасности и риска

РуководительШебалин Петр Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики Российской академии наук (ИТПЗ РАН), г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2023 г. - 2024 г.

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (45).

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-402 - Механизмы возникновения землетрясений, очаг, предвестники землетрясений

Ключевые словасейсмическая опасность, сценарный подход, сейсмическое воздействие, интенсивность, экономический ущерб, модель ETAS, продуктивность, динамическая модель очага

Код ГРНТИ37.01.17

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Актуальность задач точной оценки сейсмической опасности и сейсмического риска в современных условиях определяется двумя факторами. С одной стороны, опыт начала XXI столетия показывает, что наиболее сильные землетрясения часто происходят в областях существенной недооценки сейсмической опасности. Такие ошибки типа «пропуска цели» обычно приводят к механическому повышению ожидаемой балльности на обновленных картах сейсмического районирования. При этом территория, на которой увеличивается ожидаемая балльность, может быть значительно больше (не всегда оправданно) эпицентральной зоны землетрясения. Еще большим недостатком карт сейсмического районирования может являться завышение сейсмической опасности на больших территориях, то есть ошибки типа «ложных тревог». Недавно проведенные расчеты показали, что ожидаемое превышение заданной балльности на карте ОСР-97А охватывает площади в 10 раз и более превышающие фактические значения, наблюденные за период 25 лет с момента выхода комплекта карт ОСР-97. Принятые позднее комплекты карт ОСР-2015 и ОСР-2016 отличаются от ОСР-97 не более, чем на 10% и, таким образом, не снимают проблему ошибок типа «ложных тревог», приводящих к огромным экономическим потерям. Таким образом, задача разработки современных подходов для совершенствования оценки сейсмической опасности остается весьма актуальной. Для сокращения экономических потерь от недооценки и переоценки сейсмической опасности необходимо развивать исследования и совершенствовать методы по следующим основным направлениям: оценка сейсмического потенциала зон тектонических разломов и определение возможного сейсмического воздействия землетрясений на удалении от очага. Подходящим инструментом для расчетов по обоим направлениям авторы проекта РНФ 20-17-00180 считают сценарный подход, то есть многократное моделирование конкретных вероятных землетрясений, совокупность которых характеризует реальность. В частности, сейсмический потенциал какой-либо области при сценарном подходе представляется в виде синтетического каталога землетрясений. Главный источник ошибок оценок сейсмической опасности - это неточные оценки пространственного распределения сейсмического потенциала. Поэтому основное внимание было уделено именно этому направлению. Новизна проекта состояла в устранении противоречий между общепринятыми моделями сейсмичности и закономерностями, установленными по реальным данным. Основной результат по этому направлению – новая модель сейсмического режима, реализуемая в виде синтетического каталога землетрясений, аналогичного по форме реальному каталогу, воспроизводящему его основные свойства (включая известные статистические закономерности и значения параметров), но сгенерированного на произвольный условный интервал времени. Такой синтетический каталог землетрясений был сгенерирован на условный период 40 000 лет для региона Алтай-Саяны-Прибайкалье. В период предполагаемого продления проекта планируется доработать методику создания синтетического каталога и применить ее в регионах Кавказ-Крым и Дальний Восток. Новизна нового этапа по сравнению с предыдущими этапами проекта состоит в необходимости учета вариаций глубины очага землетрясений в синтетическом каталоге. В регионе Алтай-Саяны-Прибайкалье это значение было фиксировано, так же как и для большинства землетрясений в реальном каталоге. Для оценок сейсмической опасности глубина очага является важным фактором, так как от этой величины зависят оценки степени воздействия землетрясения в эпицентре и на удалении от него. Чрезвычайно важной задачей является создание методики количественной верификации моделей сейсмичности и оценки соответствия синтетического каталога реальности. Предложенная на предыдущих этапах методика будет доработана и использована для верификации создаваемых синтетических каталогов по ретроспективным данным, а также для количественного их сравнения с возможными альтернативными моделями сейсмичности.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будет доработана методика построения комбинированной модели сейсмического режима в виде синтетического каталога землетрясений, аналогичного по форме реальному каталогу, воспроизводящему его основные свойства (включая известные статистические закономерности и значения параметров), но сгенерированного на произвольный условный интервал времени. Комбинированная модель сейсмичности воспроизводит следующие свойства сейсмического режима: • выполнение закона Гутенберга-Рихтера на региональном уровне вплоть до максимальной возможной в регионе магнитуды Mmax; • Пространственное распределение эпицентров сильных землетрясений (выше порога M0) вблизи пересечений морфоструктурных линеаментов, распознанных по геолого-геофизическим признакам как опасные в отношении землетрясений с магнитудой M>=M0 • независимость фоновых землетрясений и их пространственное распределение, зависящее от магнитуды; • фрактальный характер пространственного распределения гипоцентров; • включение в модель зависимых землетрясений (афтершоков); • подчинение афтершоков закону Омори-Утсу в распределении их времен и экспоненциальному закону продуктивности; эти свойства реализуются в модели ETAS-e; В период продления проекта будет проведена доработка по трем направлениям: • комплексирование стохастической модели сейсмического режима и результатов распознавания мест возможного возникновения сильных землетрясений; • уточнение модели пространственного распределения афтершоков; • моделирование и параметризация локального распределения гипоцентров по глубине. Предложенная на предыдущих этапах методика верификации будет доработана и использована для верификации создаваемых синтетических каталогов по ретроспективным данным, а также для количественного их сравнения с возможными альтернативными моделями сейсмичности. В практическом плане результатом выполнения проекта станут синтетические каталоги землетрясений регионов Крым-Кавказ и Дальний Восток, построенные на условный период 40 000 лет. С использованием простейших моделей макросейсмического поля на основе синтетических каталогов будут рассчитаны карты изолиний вероятности превышения интенсивности сотрясений за период 50 лет. На основе разработанной методики будет проведена верификация синтетических каталогов двух регионов по ретроспективным данным, а также сравнение с вариантами синтетических каталогов, построенных по упрощенной методике. Научная значимость ожидаемых результатов состоит в том, что они будут являться важным этапом усовершенствования подходов к оценке сейсмической опасности и сейсмического риска, учитывающим последние мировые достижения. Усовершенствование методов оценки сейсмической опасности давно назрело и стоит на повестке дня для уточнения строительных стандартов, используемых в сейсмоопасных регионах России.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Разработана методика комплексирования стохастической модели сейсмического режима и результатов распознавания мест возможного возникновения сильных землетрясений в виде алгоритма включения информации о местах возможного возникновения землетрясений в расчеты параметров землетрясений в синтетическом каталоге. В качестве мест возможного возникновения землетрясений принимаются морфоструктурные узлы, которых определены как опасные в соответствующей задаче распознавания. В синтетическом каталоге местоположение сильнейших землетрясений возможно только внутри и вблизи таких мест, выбираемых из их списка случайным образом с вероятностью, пропорциональной расчетной повторяемости землетрясений данной магнитуды в данной ячейке. В стохастическое моделирование сейсмического режима добавлено моделирование афтершоковых процессов после землетрясений. С этой целью применяется модификация ETAS-e широко известной модели ETAS. Модель ETAS-e использует установленный в 2020 г. в рамках реализации основной части данного проекта РНФ экспоненциальный закон продуктивности землетрясений и устраняет главный недостаток модели ETAS – отсутствие полного спадания афтершоковой активности при использовании параметров модели, определенных по фактическим данным, без введения дополнительных искусственных ограничений. Комбинация метода ближайшего соседа для разделения каталога на независимые и связанные события (декластеризации)и модели ETAS-e позволяет в значительной степени компенсировать возможные ошибки декластеризации. На примере региона Алтай-Саяны-Прибайкалье исследовано пространственное распределение непосредственных афтершоков землетрясений. Известно, что для всех афтершоков, включая цепочки вторичных афтершоков, наблюдается степенной характер спадания числа афтершоков в зависимости с расстоянием от эпицентра основного толчка. Было рассмотрено два варианта степенной зависимости: без нормирования расстояния и с нормированием на размер очага землетрясения-триггера. В обоих случаях оказалось, что степенное распределение хорошо согласуется с наблюдениями. Вместе с тем, выяснилось, что показатели степени в двух случаях значительно различаются. Этот факт пока не удалось объяснить, и он требует дополнительного исследования. В задачах оценки сейсмической опасности с использованием синтетического каталога землетрясений важной задачей является определение глубины очага землетрясений при моделировании, так как глубина очага существенно влияет на степень воздействия от землетрясения на поверхности Земли. Точное определение глубины очагов землетрясений по настоящее время является трудной задачей. Эта величина часто вообще не определена, определена с большой ошибкой, или в каталоге приписаны «стандартные» значения глубины. Этот недостаток может быть компенсирован при массовом определении глубин близких гипоцентров, так как ошибка средней величины значительно ниже. Нами была предпринята попытка моделирования распределения глубин в окрестности узлов регулярной сетки на поверхности земли. Для регионов юга Сибири оказалось, что распределение действительно определенных значений глубины может быть аппроксимировано усеченным в нуле нормальным распределением и средним вблизи значения 10 км. Это дает возможность задания глубины очага каждого события в синтетическом каталоге землетрясений путем разыгрывания случайной величины, следующей найденному распределению. Разработана методика и критерии для верификации моделей сейсмического режима, в том числе в форме синтетических каталогов землетрясений. Предложено использование подхода, основанного на функции правдоподобия. Модель сейсмического режима определяет вероятность сейсмических событий в определенных ячейках пространства-времени-магнитуды. Функция правдоподобия определяет совместную вероятность рассматриваемых реальных событий в соответствующих ячейках. Правдоподобие L определяется как произведение по всем элементам пространства-магнитуды вероятностей реализации в них фактически наблюденного числа событий. При использовании синтетического каталога оценить, достаточно ли велико значение L, чтобы сделать вывод о соответствии модели реальным данным, можно путем многократного применении этого метода с использованием вместо реального каталога непересекающихся частей синтетического каталога землетрясений длительностью T каждый. Для каждой части рассчитывается логарифмическая функция правдоподобия аналогично расчетам с использованием реального каталога. Затем рассчитывается доля случаев, в которых значение правдоподобия по синтетическому каталогу меньше, чем по реальному. Очень маленькое значение указывает на то, что наблюдение не согласуется с моделью. Для сравнения разных моделей достаточно сопоставить значения L каждой из них. Модель с большим значением L лучше соответствует данным. Если каталог землетрясений был использован для построения модели, то результаты L-теста могут говорить только о соответствии модели тем данным, по которым она построена: необходимое, но недостаточное условие для проверки модели. Но L-тест можно использовать также при тестировании метода по вновь происходящим землетрясениям или по части фактического каталога, не использованной для определения параметров модели. В этом случае результаты теста покажут, насколько точно модель может предсказывать будущую сейсмичность территорий. Описанная методика была реализована для верификации синтетического каталога землетрясений региона Алтай-Саяны-Прибайкалье по фактическому каталогу с 1982 по 2021 гг., M≥3.5. Как оказалось, значение L находится вблизи медианы эмпирического распределения, что означает очень хорошее совпадение модели с фактическими данными. Подготовлен калиброванный объединенный каталог землетрясений региона Крым-Кавказ. Каталоги взяты из сборников «Землетрясения в СССР» (1962-1991) «Землетрясения Северной Евразии» (1992-2017), «Землетрясения России» (2018-2021) и каталога Международного сейсмологического агентства (ISC). При объединении этих каталогов решалась задача идентификации дублей по методике работы [Vorobieva et al, 2022]. Проанализированы корреляционные соотношения между различными магнитудами. В результате использования полученных соотношений, для сильных землетрясений значения приведены к моментной магнитуде, для более слабых – к магнитуде по объемным волнам из каталога ISC (ранее было показано, что эти значения хорошо согласуются. Проведено разделение каталога на фоновые и зависимые события, оценены и картированы параметры сейсмического режима. Подготовлено, подано в журналы и принято к публикации 4 статьи, 3 из них в журналах, индексируемых WoS или Scopus, одна статья уже опубликована. Представлено 11 устных и 2 стендовых доклада на крупных научных конференциях.

Публикации

1. Баранов С.В., Шебалин П.Н., Воробьева И.А., Селюцкая О.В. Automated Assessment of Hazards of Aftershocks of the Mw 7.8 Earthquake in Turkey of February 6, 2023* Izvestiya, Physics of the Solid Earth, Vol.59, №6, pp. 939–946 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1069351323060046

2. Воробьева И.А., Греков Е.М., Крушельницкий К.В., Малютин П.А., Шебалин П.Н. High resolution seismicity smoothing method for seismic hazard assessment Russian Journal of Earth Sciences, - (год публикации - 2024) https://doi.org/10.2205/2024ES000892

3. Шебалин П.Н., Баранов С.В., Воробьева И.А., Греков Е.М., Крушельницкий К.В., Скоркина А.А., Селюцкая О.В. ON MODELING SEISMICITY IN SEISMIC HAZARD ASSESSMENT PROBLEMS DOKLADY EARTH SCIENCES, - (год публикации - 2024)

4. Шебалин П.Н., Воробьева И.А., Греков Е.М., Крушельницкий К.В. О моделировании сейсмического режима в задачах оценки сейсмической опасности Сборник докладов международной научной конференции "Актуальные проблемы обеспечения сейсмической безопасности населения и территорий", посвященной 80-летию Академии наук Республики Узбекистан, С.266-272 (год публикации - 2023)