Эффекты направленности сейсмического излучения и их влияние на поведение грунта и параметры колебаний поверхности в приразломных зонах

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 проекта 23-27-00316

НазваниеЭффекты направленности сейсмического излучения и их влияние на поведение грунта и параметры колебаний поверхности в приразломных зонах

Руководитель Павленко Ольга Витальевна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук , г Москва

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-401 - Сейсмология, сейсмические волны

Ключевые слова сильные движения, аномально высокие ускорения, протяженный очаг землетрясения, поведение грунта

Код ГРНТИ37.00.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В последние десятилетия, в связи со строительством в мире ответственных сооружений: атомных станций, высотных зданий и т.п., в том числе, в сейсмических районах, повышаются требования к точности и надежности оценок сейсмической опасности. В мире развертываются сети сейсмических наблюдений, пополняются базы данных по сильным движениям. Впервые получены уникальные записи сильных землетрясений в десятках/сотнях пунктов в непосредственной близости от очагов, так что появилась возможность детально изучать эффекты сильных землетрясений в ближней зоне очага. При крупных землетрясениях с протяженными очагами (магнитуды Мw ~8.0 и выше, размеры очага ~200 км и больше), наблюдалось сложное распределение пиковых ускорений в приразломных зонах: пиковые ускорения не спадали с удалением от очага, как при слабых землетрясениях, а регистрировались на достаточно больших эпицентральных расстояниях. Механизмы генерации высоких ускорений на больших удалениях от очага пока до конца не ясны, но очевидно, что они связаны со сложными процессами распространения трещин в протяженных очагах землетрясений. Наблюдения последних лет показывают, что распространение трещин на протяженных однородных участках разломной плоскости может сопровождаться генерацией ударных фронтов (как предельных случаев эффектов направленности), которые на земной поверхности проявляются в виде областей с аномально высокими ускорениями, превышающими 1g; на сегодняшний день максимальные зарегистрированные ускорения составляют ~4g на вертикальных и ~3g на горизонтальных компонентах. Записи станций KiK-net, зарегистрировавших аномально высокие ускорения, показывают, что приповерхностные мягкие грунты испытывали упрочнение в моменты максимальной интенсивности сильных движений и эффективно усиливали сейсмические колебания. Поведение мягких грунтов при этом не было нелинейным, как при более слабых землетрясениях, а было близко к линейному. Предполагается детально изучить поведение грунта при сильных землетрясениях и его связь с эффектами направленности сейсмического излучения. Поскольку разрушения при землетрясениях тесно связаны именно с ускорениями, прогноз мест возможного возникновения аномально высоких ускорений актуален для проектирования и строительства сейсмостойких конструкций, снижения ущерба от землетрясений. Понимание механизмов генерации высоких ускорений и их прогноз важны для корректных оценок сейсмической опасности в регионах, подверженных сильным землетрясениям. В результате выполнения проекта будут изучены механизмы генерации аномально высоких ускорений в приразломных зонах землетрясений, найдена их связь с эффектами очага, пути распространения и локальными эффектами (с оценкой вклада каждого фактора), выработаны рекомендации по прогнозу ожидаемых распределений пиковых ускорений в окрестностях очагов крупных землетрясений в регионах РФ, подверженных воздействию сильных землетрясений (Кавказ, Алтае-Саянский регион, Становое нагорье, Курило-Камчатская зона). Статистическими методами (критерий согласия Колмогорова, информационный критерий Акаике) будут изучены распределения параметров колебаний поверхности (пиковых ускорений, компонент спектра реакции по ускорению, и др.) при сильных землетрясениях, что позволит модифицировать расчётную модель вероятностного анализа сейсмической опасности для получения более корректных и реалистичных оценок сейсмической опасности в районах РФ подверженных действию сильных землетрясений.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. О.В. Павленко, В.А. Павленко Эффекты направленности излучения крупных очагов на примере катастрофических землетрясений в Турции 06.02.2023 г. Физика Земли, № 6, с. 103-121 (год публикации - 2023)
10.31857/S0002333723060145

2. Павленко О.В. Эффекты направленности излучения очагов крупных землетрясений и их учет в строительных нормах Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений (год публикации - 2024)

3. Павленко О.В. Effects of Source Directivity and Nonlinear Soil Behavior 3 During the January, 1 2024 Noto Earthquake (M w = 7.5) Russian Journal of Earth Sciences , Pavlenko, O. V. (2024), Effects of Source Directivity and Nonlinear Soil Behavior During 23 the January, 1 2024 Noto Earthquake (M w = 7.5), Russian Journal of Earth Sciences, 24, ES2002, EDN: WAAWML (год публикации - 2024)
10.2205/2024es000909

4. Павленко О.В., Павленко В.А. Effects of Source Directivity Observed in the Near-Fault Zones of Large Earthquakes and Accounting for the Effects in PSHA and Building Codes Research Gate (год публикации - 2024)
10.2205/2024es000ХХХ

5. Павленко О.В. Seismic waves in soil layers: soil behavior during recent strong earthquakes Springer Cham (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-52338-0

6. Павленко О.В. EFFECTS OF SOURCE DIRECTIVITY OBSERVED IN THE NEAR-FAULT ZONES OF LARGE EARTHQUAKES 39-я Генеральная Ассамблея Европейского сейсмологического общества 22-27 сентября 2024 г. в Греции, Корфу (39th ESC General Assembly 22 - 27 September 2024 Corfu Greece URL: https://www.escgreece2024.eu) , 39-я Генеральная Ассамблея Европейского сейсмологического общества 22-27 сентября 2024 г. в Греции, Корфу (39th ESC General Assembly 22 - 27 September 2024 Corfu Greece URL: https://www.escgreece2024.eu) (год публикации - 2024)

7. Павленко О.В. Эффекты направленности излучения очагов крупных землетрясений и их учет в строительных нормах Научно-практическая конференция «Пространственные модели и методы расчета сейсмостойкости сооружений», приуроченная к 75-летию профессора Ю.П. Назарова. (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Завершены исследования по имеющимся записям сильных движений, которые могут содержать признаки эффектов направленности излучения очагов землетрясений: высокие пиковые ускорения, упрочнение грунта, изменения волновых форм с расстоянием, импульсные формы велосиграмм. Изучены записи землетрясения Ивате-Мияги Найрику взбросового типа (Mw ~6.9) 14 июня 2008 г., при котором зарегистрированы аномально высокие ускорения >1g на горизонтальных компонентах и наивысшие на сегодняшний день ускорения ~4 g на вертикальной компоненте вблизи очага. Построены модели поведения грунта, объясняющие генерацию аномально высоких ускорений в очаговой зоне и несимметричность акселерограмм на вертикальных компонентах. Не найдено признаков проявления эффектов направленности излучения. Изучены записи землетрясений 2016 г. в Кумамото (Кюсю, Япония): основного толчка 16 апреля 2016 г. (Mw ~7.0) и форшока 14 апреля 2016 г. (Mw ~6.2), при которых наблюдались эффекты направленности излучения очага, аналогичные эффектам наблюдавшимся при турецких землетрясениях 2023 г. Хотя очаги землетрясений были расположены к северо-западу от г. Кумамото, наиболее пострадавший район, где погибли люди – восточный пригород. Длительность сильных движений была достаточно велика, т.к. в движениях участвовали большие по протяженности сегменты разломов: 81-километровый разлом Хинагу и 64-километровый разлом Футагава, а также удаленные зоны разлома Бэппу-Ханэяма. На станции KiK-net с мягкими грунтами KMMH16, вблизи очага (~7 км), зарегистрированы аномально высокие ускорения при основном толчке PGA ~1362,1 см/с2 и форшоке PGA ~1579,7 см/с2, а на другой близкой к очагу станции с мягкими грунтами KMMH14 – 357,4 см/с2 при форшоке и 612,3 см/с2 при основном толчке. Анализ велосиграмм на этих двух станциях показывает, что велосиграммы на KMMH16 содержат импульсные формы, т.е. представляют собой короткий интенсивный сигнал на поверхности, тогда как на KMMH14 – это растянутый по времени и существенно более слабый сигнал; это вероятно указывает на распространение трещины в направлении на KMMH16 (forward propagation), от станции KMMH14 (backward propagation). Распределения пиковых ускорений и разрушений в приразломных зонах также показывают, что трещина в очаге распространялась в северо-восточном направлении, в сторону станции KMMH16. При землетрясении 1 января 2024 г. на полуострове Ното в Японии (Mw = 7.5) четко проявились эффекты направленности излучения очага. Землетрясение очевидно было переходным от более слабых землетрясений с относительно небольшими очагами, как землетрясения 1995 г. в Кобе и 2000 г. в Тоттори (Мw=6.7-6.8), для которых характерна нелинейность отклика и размягчение грунта, к более сильным землетрясениям, как землетрясения 2003 г. Токачи-оки и 2011 г. Тохоку (Мw=8.3-9.0) с протяженными очагами, при которых сильны эффекты направленности излучения с упрочнением грунта и генерацией высоких ускорений >1g. Построенные модели поведения грунта показали нелинейное поведение и размягчение грунта в приразломных зонах и упрочнение грунта на удаленных станциях. Волновые формы акселерограмм показывают сокращение длительности сильных движений с удалением от очага при практически не снижающихся ускорениях, что указывает на эффекты направленности излучения, т.е. интерференцию сейсмических волн, излучаемых движущимся концом трещины, их практически одновременный приход на удаленные станции. Упрочнение грунта привело к возрастанию усиления сейсмических волн в грунтовых слоях, так что в результате на поверхности регистрировались аномально высокие ускорения, PGA~2828 Гал на станции ISK006. Подготовлен аналитический обзор результатов изучения эффектов направленности при крупных субдукционных и коровых землетрясениях. Эффекты направленности излучения протяженных очагов землетрясений известны давно, но лишь в последние десятилетия, с развитием плотных сетей сейсмических наблюдений, появился представительный материал для их детального изучения. С 2000-х годов сейсмологи находят свидетельства сверхбыстрого распространения трещин в очагах, приводящего к образованию ударных фронтов (конусов Маха); в результате в приразломных зонах регистрируются аномально высокие пиковые ускорения (PGA) и скорости (PGV). Возникают серьезные разрушения, связанные с воздействием на здания импульсов скорости большой амплитуды (на параллельных разлому составляющих), за которыми следуют воздействия другого типа, от замыкающих разрывов с субрелеевской скоростью, с доминированием нормальных разлому составляющих. Эффект двойного удара разрушает конструкции; такие явления наблюдались при турецких землетрясениях 2023 г. При крупных субдукционных землетрясениях образование ударных фронтов возможно из-за геометрии разломной плоскости, без сверхбыстрого распространения трещины. При этом ударные фронты формируются на удалениях от очагов, и разрушения относительно невелики, также из-за того, что сильные движения высокочастотные, менее опасные для зданий. В России эффекты направленности излучения очагов возможны на Камчатке и Курилах, на Сахалине, в Магаданской области, Байкальской рифтовой зоне, Алтае-Саянском регионе, на Кавказе. Анализ распределений логарифма пикового ускорения в приразломных зонах на станциях с однородными грунтовыми условиями в узких диапазонах магнитуд и расстояний показал, что, как и для слабых землетрясений, наблюдается сходимость выборочных распределений к распределению экстремальных значений Вейбулла; оценки параметра формы лежат в диапазоне [-0.1; -0.5]. Не удалось выявить зависимости значений параметра от магнитуды и расстояния от очага землетрясения. Это позволяет модифицировать основное уравнение метода ВАСО путем замены нормального распределения на распределение Вейбулла; и получить важные ограничения сверху для оценок сейсмической опасности. Результаты работы освещены в СМИ: InScience.News (https://inscience.news/ru/search?keyword=%D0%9F%D1%80%D0%B8%2B%D0%B7%D0%B5%D0%BC%D0%BB%D0%B5%D1%82%D1%80%D1%8F%D1%81%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B8%2B%D0%B2%2B%D0%AF%D0%BF%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%B8%2B%D0%BF%D0%BE%D0%B2%D1%82%D0%BE%D1%80%D0%B8%D0%BB%D1%81%D1%8F%2B%D1%82%D1%83%D1%80%D0%B5%D1%86%D0%BA%D0%B8%D0%B9%2B%D1%81%D1%86%D0%B5%D0%BD%D0%B0%D1%80%D0%B8%D0%B9) и Indicator.ru (https://indicator.ru/earth-science/pri-zemletryasenii-v-yaponii-povtorilsya-tureckii-scenarii-rasprostraneniya-seismicheskikh-voln-19-06-2024.htm).

Публикации

5. Павленко О.В. Seismic waves in soil layers: soil behavior during recent strong earthquakes Springer Cham (год публикации - 2024)
10.1007/978-3-031-52338-0

Возможность практического использования результатов
Результаты проекта будут использованы в дальнейшем развитии методов оценки сейсмической опасности и совершенствовании норм сейсмостойкого проектирования и строительства, для снижения ущерба от землетрясений.