Сейсмическая опасность в Одессе и области. Новые данные

Одесская область с ее областным центром г. Одесса расположена в одной из сейсмоопасных зон Украины. В соответствии с действующими в настоящее время нормативными документами: картой общего сейсмического районирования ОСР-78 и СНиП II-7-81* [1, 2] территории юга Одесской области (Рени, Болград, Измаил, Вилково, Килия и др) относятся к зоне с прогнозируемой интенсивностью сейсмических воздействий I = 8₁ и 7₁ баллов по шкале MSK-64 (период повторяемости 100 лет). Город Одесса отнесен к менее опасной зоне с I =6 баллов без указания периода повторяемости. Соответственно проектирование и строительство в областном центре ведется без антисейсмических мероприятий. Известно, что два землетрясения 1802 г. и 1940 г. вызвали в Одессе сотрясения с интенсивностью 7 баллов [3,4]. Таким образом, нормативная балльность противоречит наблюденной. Исследования последних десятилетий также показали, что уровень реальной сейсмической угрозы в целом для Одесской области занижен, особенно для г. Одессы [5,6].

В настоящее время в этой части Украины ведется интенсивное освоение территорий под застройку не только жилых зданий, но и крупных, в том числе уникальных, ответственных сооружений, разрушение которых от сейсмических воздействий может привести к существенным экономическим потерям и экологической катастрофе. Современная методология и методы оценки сейсмической опасности, разработанные в рамках международной программы GSHAP [7] позволяют более корректно оценить прогнозное сейсмическое воздействие для различных периодов повторяемости событий с заданной степенью относительного сейсмического риска. Следуя этой новой методологии и используя современные данные о сейсмичности и сейсмотектонике, мы получили новые оценки долговременной сейсмической опасности исследуемой территории. Данная работа является дополнением и продолжением исследований, изложенных в работе [6].

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СЕЙСМИЧНОСТИ.

     На рис. 1 представлена карта эпицентров землетрясений в районе Одессы и прилегающих областях за период 1000 лет. В непосредственной близости от Одессы на расстоянии D < 25км, не известны очаги сильных землетрясений (рис 1). Слабая сейсмичность инструментальными методами не изучалась из-за отсутствия в этом районе стационарных сейсмических станций.

Рис.1. Карта эпицентров землетрясений Одесской области и прилегающих районов.

     Вместе с тем, в историческое время известны случаи проявления местной сейсмичности вблизи города. Так в работе [8] приводится описание землетрясения 9 июля 1857 г. с интенсивностью I = 5 баллов “…местный короткий толчок с гулом”. Землетрясение 1864 г. с М = 4.7 произошло на расстоянии D = 50км от Одессы.
Сейсмически опасными для г. Одессы и области являются:
1. Активные структуры сочленения Южных и Восточных Карпат (горы Вранча) В этом сейсмически локализованном районе часто происходят землетрясения с наблюденными магнитудами в диапазоне М = 6 – 7.5. При большой глубине очагов порядка 100 – 150 км эти землетрясения вызывают сотрясения на огромной территории, вследствие малого затухания энергии с расстоянием. Расчетное прогнозное значение М_max = 8.0
2. Сейсмический район Добруджа, где по расчетам возможны землетрясения с магнитудами до 7.0. За исторические времена здесь известно несколько землетрясений с магнитудой М = 3.5 – 7.0 с интенсивностью в эпицентре I >= 5 баллов [9].
3. Местная сейсмичность, связанная с тектоническими нарушениями в фундаменте Восточно-Европейской платформы и разрывными нарушениями области шельфа и континентального склона западной части Черного моря.
О потенциально высокой сейсмичности структур шельфа свидетельствуют сейсмические события, зарегистрированные в период 1961-1996 г.г. сетью высокочувствительных станций Крыма. Только в 1992 г. здесь произошло 12 землетрясений в диапазоне М = 2 – 3.8 с глубинами очагов Н ~ 10км [10]. Цепочка морских эпицентров вытянута вдоль диагонального северо-восточного направления, параллельно береговой линии. На продолжение этого линеамента (его юго-западную часть) ложится эпицентр землетрясения 1865 г. с магнитудой М = 6.4 (рис.1).
Наибольшую сейсмическую опасность для Одессы представляют сотрясения от глубокофокусных землетрясений зоны Вранча. Только за последние 200 лет город Одесса 7 раз подвергался сейсмическим воздействиям с I = 6 баллов и дважды в 1802 и 1940 гг. с I = 7 баллов [3,4]. Землетрясения зоны Вранча расположены в очень локализованном объеме литосферы размером 100x70x150км³, в котором выделяется большое количество энергии с мощностью около 8.57×10¹¹ дж/год/км². Этот район характеризуется также большой глубиной очагов землетрясений: 75% всех землетрясений с М >= 4 происходит на глубинах Н = 100 – 170 км и частыми землетрясениями больших магнитуд (М> 7). Установлена тенденция к заглублению очагов с увеличением магнитуды. Верхний предельный контур зависимости “магнитуда M_max – глубина очага H_max ” показывает, что для каждого уровня магнитуд существует своя предельная глубина очага, выше которой не могут возникать землетрясения. Исходя из уравнения предельного контура [11]:
H_max =16.7M_max – 155 M_max +365 (1)
на глубинах очагов Н=160 – 200км возможно возникновение землетрясений с магнитудой М=7.6 – 8.0. Это же значение М_max получено из закона повторяемости магнитуд. На рис. 2а представлен график распределения плотности потока эпицентров по магнитудам (график повторяемости землетрясений). Зависимость нормированной на время частоты повторяемости землетрясений от магнитуды хорошо аппроксимируется функцией:
lg(N/Т) = – 0. 236 М ² + 2. 35 М – 6.07 (2)

 

Рис.2. Графики повторяемости землетрясений Вранча (а) и интенсивностей сотрясений в г.Одессе (б).

 

     Из графика повторяемости видно, что землетрясения с магнитудой М=7 ± 0.25 в среднем реализуются 1 раз в 15 лет. Экстраполирую зависимость в сторону максимальных магнитуд получим, что один раз в Т >= 500 лет возможна реализация землетрясения с М = 8. Уравнения (1–2) положены в основу модели прогнозной сейсмичности зоны Вранча при расчетах вероятностных воздействий.
Механизмы очагов землетрясений зоны Вранча имеют одинаковый характер: взбросо-сдвиг с явно выраженной преимущественной ориентацией нодальных плоскостей в Аz = 30 – 40° при близвертикальных углах падения плоскостей (рис 3).

 

Рис. 3. Гистограммы распределения азимутов (а) и углов падения (б) нодальных плоскостей в очагах землетрясений Вранча.

 

     Для расчета сейсмических воздействий при моделировании ориентации излучающей площадки крупных потенциальных очагов зоны Вранча принимался преобладающий механизм очагов.

НАБЛЮДЕННЫЕ СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ В ОДЕССЕ ОТ СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ ЗОНЫ ВРАНЧА

     Известны десятки землетрясений, по которым есть данные о сейсмических воздействиях с I >= 5 баллов на территории области. Приведем примеры по г.Одессе с I >= 6 баллов :
     1802 г., 26 октября, М = 7.4. Разрушительное землетрясение охватило огромную территорию свыше 2 млн. км² от Константинополя до Петербурга. На карте изосейст этого землетрясения [4] Одесса расположена в зоне с интенсивностью 7 баллов (рис.4) .

 

Рис. 4. Фрагмент карты изосейст одного из сильнейших землетрясений Вранча 26 октября 1802 года (из работы [4]).

 

     1829 г., 26 ноября, М = 6.8. В Одессе ощущалось 3 толчка, из них наиболее сильный второй с I = 6 баллов. В штукатурке домов образовались трещины, разрушены печи, в церквах упали образа. Землетрясение сопровождалось сильным гулом [8,12].
1838 г., 23 января, М = 7.0. В Одессе землетрясение проявилось с силою в 6 баллов [8,13]. Землетрясение продолжалось около 2 минут. Наблюдались трещины в штукатурке в большей части кирпичных домов. В арках некоторых каменных мостов появились трещины. Слышался сильный гул. В соборе появились трещины. С колокольни упал крест и отброшен на 45 футов. Особенно ощутимо землетрясение было на судах, стоявших в гавани Одессы.
1880 г., 25 декабря, М = 6.2. Во многих домах появились новые и расширились старые трещины, в некоторых домах падали со стен картины, зеркала и пр. На бульваре Одессы во всех домах землетрясение проявилось очень сильно. Жильцы испугались, вышли во двор. Здание университета дало трещину. Двигались кушетки и стулья. I = 6 баллов [12,14].
1940 г., 10 ноября, М = 7.3. Юго-западная часть Одесской области подверглась колебаниям 7 баллов. В Одессе землетрясение продолжалось 3 мин. Ощущалось 2 сильных толчка. В квартирах качались лампы, падали вазы и другие предметы. В обсерватории остановились все часы. В стенах многих домов появились трещины. Население вышло на улицу. В некоторых домах обвалились стены, балконы, карнизы. В капитальной стене гостиницы “Москва” образовались трещины. Вагоны на железной дороге самопроизвольно перемещались [8,12]. Интенсивность сотрясений по Одессе автором работы [3] оценена в 7 баллов.
1977 г., 4 марта, М = 6.9. Во многих домах осыпалась и отваливалась штукатурка, появились трещины в штукатурке и стенах. Одно из зданий пришло в аварийное состояние. Отмечены случаи повреждения дымовых труб. Спящие проснулись. Большинство жителей выбежало на улицу. Землетрясение сопровождалось сильным подземным гулом. Средняя интенсивность по городу оценена в 6 баллов [15].
1986 г, 30 августа, М = 6.8. По Одессе получено 3000 анкет и непосредственных опросов, что позволило корректно провести количественную оценку степени воздействий с учетом степени повреждений зданий различных типов. По городу повреждения 1 степени получили 55% зданий типа А и 14% типа Б. При этом оказалось, что в зданиях типа Б, построенных после 1977г, повреждения 1 степени составляют 18%. Многие жители города ощущали головокружение, тошноту, в отдельных случаях отмечалась потеря равновесия. Включалась охранная сигнализация на автомашинах и в квартирах. Средняя интенсивность по городу 6 баллов [16].
Анализ повторяемости интенсивности сотрясений, наблюденных в Одессе, показывает (рис 2,б), что нормированная на время частота повторения толчков в зависимости от интенсивности хорошо аппроксимируется функцией:
lg(N/T) = – 2.716 + 0.724 J – 0.104 J ² (3)
Полученная аналитическая зависимость близка к закону повторяемости магнитуд зоны Вранча (2), что говорит еще раз об основном вкладе сотрясений от этой активной зоны. Функция (3) позволяет оценить средний период повторения сотрясений определенной интенсивности. Так, для интенсивности в 6 баллов (I = 6 ± 0.25) период составляет 787 лет, для интенсивности 7 (I = 7 ± 0.25) баллов период равен 1115 лет. Один раз в 3825 лет в Одессе возможны сотрясения до 8 баллов.
Затухание интенсивностей I от землетрясений Вранча в направлении Одессы носит сложный характер и отличается от стандартного затухания в формуле Блейка-Шебалина [17]. На рис. 5 показана зависимость интенсивности от расстояния в направлении “очаг–Одесса”. Зависимость получена для трех землетрясений Вранча 1977, 1986 и 1990 гг. по огибающей максимальных интенсивностей для выбранного балла. Эта модель затухания использовалась при расчете прогнозных воздействий от очагов зоны Вранча. Для местной коровой сейсмичности принята стандартная модель.

 

Рис. 5. Кривая затухания интенсивности от зоны Вранча в направлении “очаг-Одесса”.

 

РАСЧЕТНЫЕ СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ В ОДЕССЕ И ОДЕССКОЙ ОБЛАСТИ.

     Для расчета сейсмических воздействий использована новая методология, основанная на современных научных достижениях в области сейсмологии, геофизики и других наук, имеющих отношение к проблеме сейсмической опасности [18,19]. Карты ОСР для Украины по новой методологии в терминах сейсмических интенсивностей и пиковых ускорений созданы и опубликованы для территории АР Крым [20,21] и в значениях сейсмических интенсивностей для юго-западной части Украины (предварительный вариант) [6]. Следует отметить, что в статье [6] допущена техническая ошибка на стр.118, рис.1, г. В данной работе эта ошибка исправлена, проведены дополнительные расчеты сотрясаемости в значениях сейсмических интенсивностей для периода 5000 лет и пиковых ускорений для периода 500 лет. Методика расчета и картирования сейсмической опасности, модели зон ВОЗ, прогнозной сейсмичности и затухания сейсмической интенсивности остались неизменными [6].
Необходимость в создании набора карт диктуется нелинейным характером сейсмических процессов. Сейсмическая опасность в заданном пункте представлена тремя величинами: нормативным сейсмическим баллом I, периодом повторяемости Т и вероятностной характеристикой Р – вероятностью превышения балла в последующие 50 лет (или условным сейсмическим риском). Каждому периоду повторяемости соответствует величина сейсмического риска: для 500 лет Р – 10%, для 1000 лет – 5 %, для 5000 лет – 1%. Новые карты дают возможность дифференцировать сейсмическую опасность в соответствии с типом сооружений. Принципы использования комплекта карт ОСР с учетом категории объектов для территории Украины изложены в работах [21,22].
Важной особенностью проблемы оценки сейсмической опасности территорий является представление сейсмической опасности в ускорениях движения грунта. Именно в значениях пиковых ускорений предложено картировать сейсмическую опасность Земли в целом и отдельных территорий [5,7]. Приближенные оценки ускорений сейсмических колебаний грунтов можно сделать по корреляционным соотношениям между сейсмическими баллами I и пиковыми ускорениями а [23] :

 (3)

     Формула (3) получена по многочисленным экспериментальным данным в основном по записям сильных движений грунта при землетрясениях с очагами в земной коре. По этой формуле рассчитывалась карта ОСР Крыма для периода 500 лет [21].

 

Рис.6. Связь между сейсмическим баллом I и пиковым ускорением 1– по Проекту СНиП [25]; 2– диапазон ускорений из работы [23 ] ; 3 – по СНиП II-7-81* [2]; 4 – по формуле (4); 5 – из работы [24]; 6 – экспериментальные данные по Камчатке [26].

 

     Для глубокофокусных землетрясений Вранча в [24] предлагается иная формула, полученная также по реальным сейсмическим воздействиям:

 (4)

     На рис. 6 представлены некоторые зависимости пиковых ускорений a и a_g (в долях g) от сейсмической интенсивности I_max. Видно, что пиковые ускорения по СНиП II-7-81* в 2–3 раза меньше рассчитанных по формуле (3) и интервал ускорений расположен ниже всех остальных зависимостей. Это свидетельствует о том, в нормативных документах СНиП II-7-81* дана заниженная оценка пиковых ускорений. 
     Карта сейсмической опасности Одесской области в пиковых ускорениях a_g построена для периода повторяемости 500 лет ( рис.7, г). Поскольку основной вклад в интегральные сейсмические воздействия вносят землетрясения зоны Вранча, то соответственно расчеты a_gпроводились по корреляционному соотношению (4). Преимущество картирования сейсмической опасности в терминах ускорений состоит в том, что можно дифференцировать участки (иногда довольно широкие) с одинаковой нормативной балльностью и более корректно выбирать сейсмические воздействия и нагрузки. На преимущество такого подхода указывалось в работе [21].
     Результаты расчетов и прогнозные карты ОСР Одесской области представлены на рис. 7 а-в и в таблице 1 для периодов повторяемости 500, 1000 и 5000 лет. Из карт и таблицы видно, что основная часть территории Одесской области находится в зоне более высокой сейсмической опасности, чем предусмотрено нормативным документом СНиП II-7-81*. Так для городов Одесса, Белгород-Днестровский, Вилково, Измаил, Ильчевск, Килия, Котовск, Раздельное сейсмический балл для периода 500 лет в среднем на единицу выше нормативного балла, предлагаемого в [2].

 

Рис.7. Новые карты сейсмической опасности Одесской области: в баллах по шкале MSK-64 для периодов повторяемости: 1 раз в 500 лет (а); 1раз в 1000 лет (б); 1 раз в 5000 лет (в); в пиковых ускорениях ag для периода повторяемости 1 раз в 500 лет (г)

 

     Для периода 5000 лет разность уже увеличивается на 2 балла. В некоторых городах расчетная интенсивность растет прямо пропорционально с увеличением периода повторяемости (например, Арциз, Балта, Татарбунары). Для городов Рени, Болград, Измаил насыщение интенсивности наступает уже на периоде 1000 лет
Для г. Одесса расчетное значение I составляет: 6 – 7(точное значение 6.5) баллов со средним периодом Т 1 раз в 500 лет, 7 баллов – Т = 1000 лет и 8 баллов – Т = 5000 лет. Расчетные значения Т близки к соответствующим средним периодам повторения наблюденной балльности от землетрясений Вранча (см. выше). Если учесть эффект насыщения интенсивности [21], то 8 баллов – максимально возможная интенсивность в г. Одессе.
Следует особо отметить, что точность оценки балла соизмерима с размером ячейки сетки, которая использовалась при расчетах (примерно 10 км.). Поэтому для пунктов, расположенных на границах изолиний балльности (например, для Одессы) или в приграничной к этой изолинии полосе шириной 10 км, должны проводиться специальные дополнительные исследования сейсмической опасности.

Таблица сейсмических интенсивностей некоторых городов Одесской области.

* – нижний индекс 1 в [2] соответствует среднему периоду повторяемости сотрясений 1 раз в 100 лет.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

     Исследование сейсмической опасности территории Одесской области с использованием новой сейсмологической информации и новейших методик показало, что сейсмичность превышает нормативную. Предложенный комплект карт общего сейсмического районирования масштаба 1:1000000 для периодов повторяемости сотрясений 500, 1000, 5000 лет позволяет использовать их как основу для перспективной застройки населенных пунктов, применять при проектировании и строительстве гражданских, промышленных, особо ответственных и экологически опасных объектов. Картирование сейсмической опасности в пиковых ускорениях дает возможность дифференцировать участки равной сейсмической интенсивности. К тому же карты в изолиниях пиковых ускорений по содержанию ближе к параметрам, используемым проектировщиками и строителями при расчете сейсмостойкости зданий и сооружений.
Новые разработанные карты ОСР необходимо включить в состав нормативных документов ДБН В.1.1-…2004 “Строительство в сейсмических районах Украины” для внедрения в практику сейсмостойкого строительства новых гражданских и промышленных объектов на территории области.

Пустовитенко Б.Г., Кульчицкий В.Е., Пустовитенко А.А.
Отдел сейсмологии, Институт геофизики им. С.И.Субботина НАН Украины