Стохастическое моделирование и уравнение прогноза пиковых ускорений, скоростей и спектров реакции в Уральском регионе

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

На основе стохастического моделирования записей местных землетрясений уточнены характеристики излучения и распространения сейсмических волн в Уральском регионе; они соответствуют переходным от областей стабильной континентальной сейсмичности к сейсмически активным регионам с коровой сейсмичностью. Построено уравнение прогноза движений грунта (УПДГ) для Уральского региона, описывающее зависимость пиковых ускорений (PGA), пиковых скоростей (PGV) и амплитуд спектра реакции (SA) на скальном грунте от магнитуды и расстояния. УПДГ применимо в широком диапазоне магнитуд (MW ~ 4–6.5) и расстояний (1–250 км) и может использоваться для оценки сейсмической опасности при проектировании и строительстве сейсмостойких сооружений в Уральском регионе. Для учета эпистемической неопределенности оценок сейсмических воздействий в вероятностном анализе сейсмической опасности и построения логического дерева подобраны пять альтернативных современных УПДГ из других регионов: глобальная модель для коровой сейсмичности, две модели, разработанные для горных областей Швейцарских и Французских Альп, две модели для регионов стабильной континентальной сейсмичности — восточной части Северной Америки и территории Великобритании. Модели протестированы на массиве синтетических параметров колебаний поверхности; наиболее близким к разработанному УПДГ для Урала оказалось уравнение для Швейцарских Альп.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. А. Павленко

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: pavlenko.vasily@gmail.com
Россия, Москва

О. В. Павленко

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН

Email: olga@ifz.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Верхоланцев Ф.Г., Габсатарова И.П., Гусева Н.С., Дягилев Р.А. Среднеуральское землетрясение 18 октября 2015 г. MLрег = 4.7, I0 = 6 // Землетрясения Северной Евразии. 2021. Вып. 24 (2015 г.). C. 314–323.
  2. Глубинное строение Урала по геофизическим данным. Глубинное строение СССР / В. В. Белоусов (ред.). М.: Наука. 1991. 224 с.
  3. Глубинное строение Урала по геофизическим данным / В. М. Рыбалка, Е. М. Ананьева, С. Н. Кашубин и др. (ред.). Геология и минерагения подвижных поясов. Екатеринбург: Урал-геолком, 1997. С. 101–118.
  4. Глубинное строение Урала по меридиональному профилю ГСЗ Нижняя Тура–Орск / В.С. Дружинин, С. Н. Кашубин, В. И. Вальчак и др. (ред.). Советская геология. 1985. № 1. С. 74–86.
  5. Годзиковская А.А. Каталог сейсмических событий Уральского региона с древнейших времен по 2002 г. (Сопутствующие первичные материалы). М.: ИФЗ РАН. 2016. 258 с.
  6. Гуляев А. Н. Новейшая тектоника и сейсмичность Урала // Известия высших учебных заведений. 2022. №. 2. С. 77–84.
  7. Гусев А.А., Мельникова В.Н. Связи между магнитудами — среднемировые и для Камчатки // Вулканология и сейсмология. 1990. № 6. С. 55—63.
  8. Дружинин В.С., Рыбалка В.М., Соболев И.Д. Связь тектоники и магматизма с глубинным строением Среднего Урала по данным ГСЗ. Свердловск: УНЦ АН СССР. 1976. 156 с.
  9. Дружинин B.C., Юнусов ФФ., Парыгин Г.И. Специфика сейсмичности Уральского региона. — Глубинное строение и развитие Урала. Екатеринбург: Наука. 1996. С. 102–110.
  10. Дружинин В С, Гуляев А.П., Колмогорова В.В. и др. К вопросу о природе землетрясений на Урале // Уральский геофизический вестник. 2004. № 6. C. 29–42.
  11. Дягилев Р.А., Верхоланцев Ф.Г., Варлашова Ю.В., Шулаков Д.Ю., Габсатарова И.П., Епифанский А.Г. Катав-Ивановское землетрясение 04.09.2018 г., mb = 5.4 (Урал) // Российский сейсмологический журнал. 2020. Т. 2. № 2. C. 7–20. doi: 10.35540/2686-7907.2020.2.01 — EDN: CDITJV
  12. Дягилев Р.А., Скоркина А.А. Определение параметров затухания сейсмических волн для территории Урала. Cовременные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных. Материалы седьмой международной сейсмологической школы. Обнинск: ГС РАН. 2012. С. 126–129.
  13. Еманов А.Ф., Еманов А.А., Павленко О.В., Фатеев А.В., Куприш О.В., Подкорытова В.Г. Колыванское землетрясение 09.01.2019 с ML= 4.3 и особенности наведенной сейсмичности в условиях Горловского угольного бассейна // Вопросы инженерной сейсмологии. 2019. Т. 46. № 4. С. 29–45.
  14. Павленко О.В. Характеристики излучения и распространения сейсмических волн на Северном Кавказе, оцененные по записям сейсмостанций “Сочи” и “Анапа” // Вопросы инженерной сейсмологии. 2016. Т. 43. № 1. C. 49–61.
  15. Павленко О.В., Тубанов Ц.А. Характеристики излучения и распространения сейсмических волн в Байкальской Рифтовой зоне, оцененные моделированием акселерограмм зарегистрированных землетрясений // Физика Земли. 2017. № 1. C. 20–33.
  16. Павленко О.В. Записи местных землетрясений как основа для корректных оценок сейсмических воздействий (на примере трассы второго Северомуйского тоннеля) // Геология и геофизика. 2020. doi: 10.15372/GiG2020203
  17. Павленко В.А. Предварительные оценки характеристик излучения и распространения сейсмических волн и уравнения прогноза движений грунта для Уральского региона // Вопросы инженерной сейсмологии. 2022. Т. 49. № 2. С. 74–84. doi: 10.21455/VIS2022.2-4
  18. Сейсмичность и сейсмическое районирование Уральского региона / С. Н. Кашубин, В. С. Дружинин, А.Н. Гуляев, О.А. Кусонский, В.С. Ломакин, А.А. Маловичко, С.Н. Никитин, Г.И. Парыгин, Б.П. Рыжий, В.И. Уткин (ред.). УРО РАН. 2001. 126 с. ISBN: 5-7691-1212-3
  19. Тектоническая карта Урала масштаба 1 : 1000000 / И.Д. Соболев, С.В. Автонеев, Р.П. Белковская и др. (ред.). Свердловск: ПГО “Уралгеология”. 1986. 168 с.
  20. Atkinson G.M. Ground-motion prediction equations for eastern North America from a referenced empirical approach: Implications for epistemic uncertainty // Bull. Seismol. Soc. Am. 2008. V. 98. № 3. P. 1304–1318. doi: 10.1785/0120070199
  21. Atkinson G.M., Boore D.M. Earthquake ground-motion prediction equations for eastern North America // Bull. Seismol. Soc. Am. 2006. V. 96. № 6. P. 2181–2205. doi: 10.1785/0120050245
  22. Atkinson G.M., Boore D.M. ERRATUM. Earthquake ground-motion prediction equations for eastern North America // Bull. Seismol. Soc. Am. 2007. V. 97. № 3. P. 1032. doi: 10.1785/0120070023
  23. Boore D.M. Simulation of Ground Motion Using the Stochastic Method // Pure Appl. Geophys. 2003. V. 160. P. 635–676.
  24. Boore D.M., Joyner W.B. Site amplifications for Generic Rock Sites // Bull. Seismol. Soc. Am. 1997. V. 87. № 2. P. 327–341.
  25. Boore D.M., Stewart J.P. Seyhan E., Atkinson G.M. NGA-West2 Equations for Predicting PGA, PGV, and 5% Damped PSA for Shallow Crustal Earthquakes // Earthq. Spectra. 2014. V. 30. № 3. P. 1057–1085. doi: 10.1193/070113EQS184M
  26. Budnitz R.J., Apostolakis G., Boore D.M., Cluff L.S., Coppersmith K.J., Cornell C.A., Morris P.A. Recommendations for probabilistic seismic hazard analysis: guidance on uncertainty and use of experts. U.S. Nuclear Regulatory Commission Report NUREG/CR-6372. 1997.
  27. Campbell K.W. Prediction of strong ground motion using the hybrid empirical method and its use in the development of ground-motion (attenuation) relations in eastern North America // Bull. Seismol. Soc. Am. 2003. V. 93. № 3. P. 1012–1033.
  28. Cauzzi C., Edwards B., Fah D., Clinton J., Wiemer S., Kastli P., Cua G., Giardini D. New predictive equations and site amplification estimates for the next-generation Swiss ShakeMaps // Geophys. J. Int. 2015. V. 200. № 1. P. 421–438. doi: 10.1093/gji/ggu404
  29. Chen Y.-S., Weatherill G., Pagani M., Cotton F. A transparent and data-driven global tectonic regionalization model for seismic hazard assessment // Geophys. J. Int. 2018. V. 213. № 2. P. 1263–1280. doi: 10.1093/gji/ggy005
  30. Cornell C. A. Engineering seismic risk analysis // Bull. Seismol. Soc. Am. 1968. V. 58. № 5. P. 1583–1606.
  31. Costa G., Panza G.F., Suhadolc P., Vaccari F. Zoning of the Italian territory in terms of expected peak ground acceleration derived from complete synthetic seismograms // J. Appl. Geophys. 1993. V. 30(1–2). P. 149–160. doi: 10.1016/0926-9851(93)90023-R
  32. Douglas J. Ground motion prediction equations 1964-2021. Department of Civil and Environmental Engineering. University of Strathclyde. 2021. http://www.gmpe.org.uk/ gmpereport2014.pdf
  33. Drouet S., Cotton F. Regional stochastic GMPEs in low-seismicity areas: scaling and aleatory variability analysis — application to the French Alps // Bull. Seismol. Soc. Am. 2015. V. 105. № 4. P. 1883–1902. doi: 10.1785/0120140240
  34. Flinn E.A., Engdahl E.R., Hill A.R. Seismic and geographical regionalization // Bull. Seismol. Soc. Am. 1974. V. 64. № 3–2. P. 771–993.
  35. Hanks T.C., McGuire R.K. The character of high frequency strong ground motion // Bull. Seism. Soc. Am. 1981. V. 71. P. 2071–2095.
  36. Joyner W.B., Boore D.M. Methods for regression analysis of strong motion data // Bull. Seismol. Soc. Am. 1993.V. 83. № 2. P. 469–487.
  37. Joyner W.B., Boore D.M. Methods for regression analysis of strong motion data. ERRATA // Bull. Seismol. Soc. Am. 1994. V. 84. № 3. P. 955–956.
  38. Orozova I. M., Suhadolc P. A deterministic-probabilistic approach for seismic hazard assessment // Tectonophys. 1999. V. 312. № 2–4. P. 191–202. doi: 10.1016/s0040-1951(99)00162-6
  39. Pavlenko O.V. Simulation of ground motion from strong earthquakes of Kamchatka region (1992–1993) at rock and soil sites // Pure Appl. Geoph. 2013. V. 170. № 4. P. 571–595.
  40. Pavlenko O., Kozlovskaya E. Characteristics of radiation and propagation of seismic waves in the Northern Finland estimated based on records of local earthquakes // Pure Appl. Geoph. 2018. V. 175. № 12. P. 4197–4223 https://doi.org/10.1007/s00024-018-1919-5
  41. Rietbrock A., Strasser F., Edwards B. A stochastic ground-motion prediction model for the United Kingdom // Bull. Seismol. Soc. Am. 2013. V. 103. № 1. P. 57–77. doi: 10.1785/0120110231
  42. Ryzhiy B.P., Druzhinin V.S., Yunusov F.F., Ananyin I.V. Deep structure of the Urals region and its seismicity // Physics of the Earth and Planetary Interios. 1992. V. 75. P. 185–191.
  43. Scherbaum F., Delavaud E., Riggelsen C. Model selection in seismic hazard analysis: an information-theoretic perspective // Bull. Seismol. Soc. Am. 2009. V. 99. № 6. P. 3234–3247. doi: 10.1785/0120080347
  44. Tavakoli B., Pezeshk S. Empirical-stochastic ground-motion prediction for eastern North America // Bull. Seismol. Soc. Am. 2005. V. 95. № 6. P. 2283–2296. doi: 10.1785/0120050030
  45. Toro G. R., Abrahamson N. A., Schneider J. F. Model of strong ground motions from earthquakes in central and eastern North America: Best estimates and uncertainties // Seismol. Res. Lett. 1997. V. 68. № 1. P. 41–57.
  46. Young J.B., Presgrave B.W., Aichele H., Wiens D.A., Flinn E.A. The Flinn-Engdahl regionalisation scheme: the 1995 revision // Phys. Earth Planet Int. 1996. V. 96. № 4. P. 223–297. doi: 10.1016/0031-9201(96)03141-X

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Карта эпицентров местных землетрясений Уральского региона, по записям которых изучены региональные характеристики излучения и распространения сейсмических волн. Эпицентры землетрясений и горных ударов, сведения о которых приведены в табл. 1, показаны желтыми кружками. Очаги идентифицированных землетрясений обведены черными кружками, и для них приведена дата события.

Скачать (988KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Скоростной разрез земной коры по центральной части Свердловского профиля, полученный методами глубинного сейсмического зондирования (по работе [Дружинин и др., 1976; Глубинное строение…, 1985]).

Скачать (158KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зарегистрированные (NS- и EW-компоненты, черные линии) и смоделированные (синие линии) акселерограммы горизонтальных компонент и соответствующие амплитудные спектры Фурье NS- и EW-компонент зарегистрированных акселерограмм (красные и черные линии) и усредненные спектры рассчитанных акселерограмм (синие линии). В моделировании использованы параметры очагов по данным IRIS.

Скачать (616KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Зарегистрированные и смоделированные акселерограммы горизонтальных компонент. Обозначения те же, что на рис. 3. В моделировании использованы параметры очагов по данным ФИЦ ЕГС РАН.

Скачать (993KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость оценок (а) PGA, (б) PGV, (в) SA (0.1 с), (г) SA (0.5 с), (д) SA (1.0 с), (е) SA (5.0 с), получаемых по уравнению (2), от магнитуды и расстояния Джойнера–Бура. Черными точками показаны средние значения оценок соответствующих параметров движения, построенных методом стохастического моделирования. Черными линиями показаны оценки уравнения (2) для магнитуд MW = 4.0–6.5.

Скачать (532KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Спектры реакции по ускорению с 5% затуханием, рассчитанные с помощью уравнения (2), для значений (а) rJB = 3 км и (б) rJB = 35 км. Черными точками показаны средние значения оценок SA, построенных методом стохастического моделирования. Черными линиями показаны оценки уравнения (2) для магнитуд MW = 4.0–6.5.

Скачать (205KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Сравнение оценок PGA и SA, получаемых по УПДГ различных авторов, и по УПДГ, предложенному в настоящей работе (а), (б) — для MW = 4.5; (в), (г) — для MW = 6.5.

Скачать (365KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Расчет величины LLH на случайных выборках: (а) — показано исходное распределение (1) и распределения с модифицированными параметрами (2-5); (б)–(е) — показаны результаты расчета величины LLH при тестировании распределений с измененными параметрами на выборке из исходного распределения. Серыми точками показаны значения правдоподобия отдельных наблюдений, черными линиями показаны значения LLH.

Скачать (370KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Значения величины LLH при тестировании различных УПДГ на наборе синтетических параметров колебаний поверхности, построенных методами стохастического моделирования: (а) — для набора из 5 УПДГ, рассмотренных в настоящей работе; (б) — для набора УПДГ, рекомендованных для Урала проектом GEM.

Скачать (265KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025