Модели, прогнозирующие движения Земли

 

В научных подразделениях ДВО РАН

Учёный-сейсмолог раскрывает секрет точности прогнозирования сейсмических воздействий

Алексей Валерьевич КОНОВАЛОВ

Наша справка:

Алексей Валерьевич Коновалов – ведущий научный сотрудник Сахалинского филиала Дальневосточного геологического института ДВО РАН, кандидат физико-математических наук. Лауреат премии имени академика С.Л. Соловьёва за серию работ «Развитие цифровых систем сейсмологических наблюдений и изучение сейсмических процессов природного и техногенного характера на юге Дальнего Востока России».

Научные интересы: сейсмология, физика очага землетрясения и сейсмического процесса, техногенная сейсмичность, сейсмический мониторинг, автоматизированные системы обработки данных, детальное сейсмическое районирование, сейсмическое микрорайонирование, сильные движения грунта.

Научные достижения. Исследованы очаговые зоны сильных сахалинских землетрясений. Разработана сейсмогеологическая модель региона в приложении к оценке сейсмической опасности. Создана уникальная комплексная автоматизированная система мониторинга естественной и техногенной сейсмичности на о. Сахалин и прилегающем шельфе. Разработаны программно-технические решения в области обработки и интерпретации данных сейсмологических наблюдений. Впервые на Сахалине разработан интернет-сайт сейсмологического сервиса https://eqalert.ru/. Получены три патента.

Каждый человек, ставший свидетелем землетрясения, никогда не забудет ощущение беспомощности перед могучими и неуправляемыми силами природы. Предотвратить природные катастрофы не в наших силах, но существуют ли возможности их предупредить? Мы обратились к Алексею Валерьевичу Коновалову, разработавшему математическую модель, которая позволит создавать более точные карты сейсмической опасности, этот проект был поддержан грантом РНФ.

– Алексей Валерьевич, расскажите немного о моделировании сейсмических воздействий.

– Модели сейсмических воздействий используются при оценках сейсмической опасности на глобальном, региональном, локальном уровнях и показывают, как затухает сейсмическое воздействие в зависимости от расстояния, магнитуды, типа грунта и многих других характеристик геосреды и очага землетрясения.

Модели, как правило, разрабатываются на основе эмпирических данных, поэтому полученные для Сахалина модели применимы только там и не подойдут, например, для острова Врангеля, где нужные измерения пока что не произведены.

– А как производить оценку сейсмических воздействий в районах, где ещё не собраны необходимые данные?

– На помощь приходит так называемый эргодический принцип, согласно которому, если два региона схожи по геологическим, тектоническим параметрам, то можно считать, что это два однотипных региона. Тогда разработанную для одного региона модель с некоторыми ограничениями можно применять в другом.

– Что лежит в основе вашей модели?

– Модель наша основана на современных знаниях об очаге землетрясения в рамках его фрагментарного представления, а также теории распространения и поглощения сейсмических волн. Мы скомбинировали эти данные и впервые предложили универсальную модель, в которой количественная метрика сильного движения грунта определяется физическими характеристиками сейсмического источника и геосреды. Эти физические константы можно оценивать по эргодическому принципу, о котором я рассказал. Если какой-то схожий регион хорошо изучен, то можно импортировать известные для него константы и подставить в нашу модель, которая задаёт характеристики сейсмических воздействий в целевом регионе. Физические параметры можно варьировать в разумных пределах для того, чтобы посмотреть изменчивость модельных характеристик сильных движений грунта.

Принято считать, что в тектоническом плане регионы можно группировать по активности земной коры. Например, Сахалин относят к региону с активными тектоническими процессами, в то время как Владивосток – регион со стабильной земной корой. Соответственно, модели затухания, пригодные для Сахалина, не подойдут для Владивостока и наоборот. Поэтому для Владивостока нужно подобрать аналогичный по показателям регион, импортировать соответствующие константы и, используя их, подобрать адекватную модель.

Этот подход я продемонстрировал на недавней XV Российской конференции по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию (с международным участием) в Сочи, где смоделировал некоторые крупные землетрясения; реконструировал их сейсмические воздействия в эпицентральной зоне. Показал, как работает наша математическая модель, и что её целесообразно применять в расчёте национальных карт опасности.

– Известно, что Приморье, Владивосток также находятся в сейсмичной зоне. Какой максимальной балльности здесь бывали землетрясения?

– Судя по всему во Владивостоке за всю инструментальную историю наблюдений не было таких разрушительных землетрясений, происходящих в верхней коре, как на Сахалине, в Нефтегорске в 1995 году или в Невельске в 2007 году.

Реконструкция поля сейсмических воздействий в эпицентральной зоне катастрофического Нефтегорского землетрясения 1995 года. Поле моделируется в терминах инструментальной интенсивности ШСИ-2017

По разным оценкам максимальная интенсивность во Владивостоке достигала примерно четырёх баллов и не вызывала даже минимальных разрушений зданий и сооружений. Жители города редко ощущают подобные воздействия, но некоторых и они могут напугать.

Если обратиться к тематике высокоэтажной застройки для Владивостока, то, скорее, опасность представляют не землетрясения, которые произойдут непосредственно под городом, а на некотором отдалении, в зоне разломов, на расстоянии 100-150 километров. В этой транзитной зоне происходит усиление колебаний определённого частотного диапазона. Такие разломы неподалёку от Владивостока считаются условно активными, но за современную историю наблюдений там не было зафиксировано значительных подвижек. Вероятность разрушительных сценариев всё же закладывается при расчётах, но она невысока.

– В советское время Владивосток застраивался домами в пять, затем в девять и, наконец, в шестнадцать этажей. Сейчас в городе активно растут высотные здания. Самым высоким в Сибири и на Дальнем Востоке стал 44-этажный небоскрёб ЖК «Аквамарин» во Владивостоке. Такая высокая этажность отвечает требованиям сейсмической безопасности застройки?

– Известно, что устойчивость к сейсмическим воздействиям уменьшается с ростом этажности и массы здания. Для высотных зданий добавляется ещё третий критерий: пластичность – чтобы при значительных подвижках грунта само здание, раскачиваясь, не разрушалось, а деформировалось. Но чтобы смоделировать поведение здания, нужно знать, какие в этом месте возможны сейсмические воздействия. На этот вопрос отвечают сейсмологи.

Есть методология, которая называется вероятностный анализ. На основе вероятностного подхода подбираются сценарные воздействия, в том числе с использованием той математической модели, о которой я упомянул выше. Смоделировали, подобрали конструктивные элементы, спроектировали здание так, чтобы оно выдерживало прогнозируемые воздействия даже при высокой этажности, и можно жить спокойно.

– Каковы ваши ближайшие научные планы?

– В ближайшие месяцы в рамках гранта Российского научного фонда планируем модифицировать нашу математическую модель, чтобы откалибровать новую магнитудную шкалу, которая позволит точнее и оперативнее оценивать магнитуду сильного землетрясения.

Корректное определение магнитуды сильного землетрясения по первоначальному движению грунта в ближней зоне очага землетрясения является ключевой, пока что до конца нерешённой проблемой раннего предупреждения о землетрясениях. Мы показали, что по результатам цифровой обработки сейсмограммы можно получить некоторую характеристику, пригодную для использования в целях оперативной оценки магнитуды.

Эту методику мы уже апробировали на сейсмических записях мега-землетрясения в Тохоку (Япония) 2011 года и недавних катастрофических землетрясениях в Турции. Также мы её апробировали на более слабых землетрясениях на Сахалине, показали, что с её помощью можно определить магнитуду быстро и достоверно. На основании этих результатов подготовим статью и опубликуем её в одном из ведущих журналов.

И, конечно, продолжим развивать направление, связанное с прогнозированием сейсмических воздействий.

Фото из личного архива Алексея КОНОВАЛОВА