Seismotectonics of Central and Southern Uzbekistan and Assessment of Seismic Hazard of Its Territory

全文:

ВВЕДЕНИЕ

На территории Центрального и Южного Узбекистана расположены Сырдарьинская, Самаркандская, Джизакская, Сурхандарьинская и Кашкадарьинская области, в которых проживает более 12 миллионов жителей [19]. Здесь сосредоточено большое количество сельскохозяйственных и промышленных предприятий, объектов топливно-энергетического комплекса, ведется интенсивное освоение полезных ископаемых. Огромную ценность представляют расположенные на данной территории многочисленные памятники древней архитектуры, составляющие историческое и культурное наследие Республики Узбекистан.

За исторический и инструментальный период наблюдений на территории Центрального и Южного Узбекистана произошло множество разрушительных землетрясений:

‒ Уратюбинские в 1897 г.;

‒ Каратагские в 1907 г.;

‒ Байсунские в 1935, 1968, 2022 гг.;

‒ Камашинские 1999, 2000, 2001 гг.;

‒ Марджанбулакское в 2013 г.

Отдельные землетрясения данной территории имели магнитуду М≥7.0 и интенсивность сотрясений в эпицентре I₀≥9 баллов по шкале MSK-64. Весьма ощутимыми здесь являются сейсмические воздействия от землетрясений, эпицентры которых расположены в соседних с Узбекистаном странах (Афганистане, Туркменистане, Казахстане и Таджикистане). Поэтому проблема обеспечения сейсмической безопасности для данной территории весьма актуальна.

Территория Центрального и Южного Узбекистана имеет неравномерное по площади распределение сейсмической активности [1, 2, 4, 13, 15, 26, 54, 60, 61].

Были приведены оценки опасности Центрального и Южного Узбекистана, полученные в рамках детерминистического и вероятностно-детерминистического подходов, без учета эпистемических и алеаторных неопределенностей в параметрах сейсмического процесса и сейсмических воздействий [1, 2, 4, 13, 15, 26, 34].

Было показано, что это может приводить к существенной недооценке сейсмической опасности исследуемой территории [44].

Сейсмическое районирование проводилось с использованием классического вероятностного подхода [42, 50, 54, 60]. Однако, учитывая, что сейсмическая опасность в этих исследованиях оценивалась для всего Центрально-Азиатского региона, площадная детальность этих построений недостаточно высока.

Целью настоящей статьи является разработка карт детального сейсмического районирования территории Центрального и Южного Узбекистана, выражающих на вероятностной основе сейсмическую опасность исследуемой территории в показателях макросейсмической интенсивности и физических характеристиках сейсмических воздействий.

ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ОЧЕРК

Для получения количественных характеристик сейсмической опасности Центрального и Южного Узбекистана исследовалась территория, ограниченная географическими координатами 37°.00′–41°.30′ с.ш. и 64°.00′–69°.30′ в.д.. Показано положение региона исследования в общей структуре Высокой Азии показано (рис. 1).

 

Рис. 1. Расположение района исследований в общей структуре района Высокой Азии (по данным [17], с дополнениями).

Обозначено: регион исследования (контур красным); государственная граница Республики Узбекистан (линия бирюзовым)

 

Современная структура Центрального и Южного Узбекистана сформировалась в результате внутриконтинентального коллизионного горообразования в условиях взаимодействия Евразийской, Индийской и Аравийской плит.

В пределах исследуемой территории выделяются западное погружение постплатформенной орогенной области Южного Тянь-Шаня и прилегающие к нему прибортовые части Амударьинской и Сырдарьинской депрессий Туранской плиты, которые формировались в течение неотектонического периода кайнозойской истории геологического развития [6, 10, 12].

Слоисто-блоковая структура земной коры Центрального и Южного Узбекистана

Геолого-геофизическими исследованиями установлено, что земная кора Центрального и Южного Узбекистана имеет слоисто-блоковую структуру, в которую входят следующие структуры [6, 14, 15] (рис. 2):

‒ Амударьинский и Нуратинский новейшие блоки Туранской микроплиты;

‒ Южно-Тянь-Шаньский блок Западно-Тянь-Шаньской микроплиты;

‒ блок, включающего в себя юго-западные отроги Гиссара Афгано-Таджикской микроплиты.

 

Рис. 2. Активные разломы Центрального и Южного Узбекистана и эпицентры сильных землетрясений с магнитудой М≥4.9.

Блоки: Амд ‒ Амударьинский; Нрт ‒ Нуратинский; Ютш‒ Южно-Тянь-Шанский; Огс ‒ отроги Гиссара (юго-западные).

Разломы северо-западного простирания (I‒ХI): I ‒ Писталитауский; II ‒ Северо-Мехнаткашский; III ‒ Северо-Нуратинский; IV‒ Нуратау-Катранский; V ‒ Северо-Актау‒Южно-Карачатау‒Северо-Гобдунтау‒Южно-Молгузарский; VI ‒ Южно-Актау‒Южно-Гобдунтау‒Северо-Туркестанский; VII ‒ Южно-Каратау‒Южно-Туркестанский; VIII ‒ Северо-Зерабулак‒Севено-Зарафшанский; IX ‒ Южно-Тянь-Шанский, X – Учбаш-Каршинский; XI- Амударьинский.

Разломы северо-восточного простирания (XII–XXI): XII ‒ Северо-Ферганский; XIII ‒ Лянгар-Караильская флексуро-разрвная зона; XIV ‒ Байсун-Кугитангский; XV ‒ Сурхантау-Шерабад-Келифский; XVI ‒ Бабатагский; XVII ‒ Санганак-Ханбандытауский; XVIII ‒ Западно-Каратепе-Койташ-Писталитауский; XIX‒XXI ‒ Поперечно-Западно-Тянь-Шаньские.

Субширотная система разломов (XXII–XXIV): XXII ‒ Южно-Ферганский; XXIII ‒ Главный Гиссарский; XXIV ‒ Гиссаро-Кокшаальский.

1‒2 – простирание разломов: 1 ‒ северо-западное, 2 – северо-восточное; 3 – границы блоков

 

Амударьинский блок. В пределах исследуемой территории располагается только восточная часть Амударьинского блока, представленная Бухарской и Чарджоуской тектоническими ступенями, которые ограничены Амударьинской, Учбаш-Каршинской, Караиль-Лянгарской флексурно-разрывными зонами (ФРЗ) и Южно-Тянь-Шаньским разломом (см. рис. 2).

С Южно-Тянь-Шаньским разломом связаны Газлийские землетрясения 1976 и 1984 гг. с магнитудой М ≥ 7.0.

Отмеченные флексурно-разрывные зоны представляют собой уступы в рельефе фундамента и обеспечивают ступенчато-наступательное развитие восточного блока на восток. С Учбаш-Каршинской флексурно-разрывной зоной связаны исторические Бухарские землетрясения 1390 г. и 1821 г. с магнитудой М≥6.0.

Нуратинский блок. В пределах Нуратинского блока с севера на юг выделяются Северо-Нуратинское, Южно-Нуратинское, Зирабулакское, Каратепинское поднятия (см. рис. 2).

Поднятия разделены активными разломами земной коры и следующими межгорными впадинами и прогибами (см. рис. 2):

‒ Рават-Галляаральский прогиб;

‒ Санзарский прогиб;

‒ Каттакурганская впадина;

‒ Самаркандская впадина;

‒ Пянджикентский прогиб.

Южно-Тянь-Шаньский блок. Этот блок Западно-Тянь-Шанской микроплиты образуют Туркестанское, Зарафшанское и Гиссарское поднятия субширотного простирания (см. рис. 2).

Данные поднятия являются орогенными структурами, современная активность которых подтверждается множеством произошедших землетрясений с интенсивностью I = 8‒9 баллов [6, 10].

Юго-западные отроги Гиссара. Афгано-Таджикская микроплита на анализируемой территории представлена неотектоническими структурами юго-западных отрогов Гиссара и Сурхандарьинской впадиной (см. рис. 2).

Юго-западные отроги Гиссара образованы виргацией и погружением палеозойских структур Гиссара под мощные отложения мезозой‒кайнозоя (MZ‒KZ). Сетью разломов северо-восточного простирания фундамент разбит на сравнительно узкие фрагменты. Сурхандарьинская впадина образована системой узких линейных антиклинальных зон с широкими и плоскими прогибами [8].

На западе впадина ограничена Кугитанг-Каратагской флексурно-разрывной зоной. Структуры мезозойско‒кайнозойских отложений и фундамента имеют отчетливое северо-восточное простирание.

Кроме геодинамических блоков, мы приводим схему активных разломов земной коры северо-западного, северо-восточного и субширотного простирания, выделенных по геофизическим и сейсмологическим данным, а также по материалам геологической съемки территории Центрального и Южного Узбекистана [5, 8, 14, 15, 23, 25, 30] (см. рис. 2).

Северо-восточная система разломов. Разломы северо-восточного простирания уверенно выделяются в пределах юго-западных отрогов Гиссара и в большинстве случаев представлены флексурно-разрывной зоной (см. рис. 2).

В пределах Нуратинского блока разломы носят сравнительно скрытый характер и выделяются в основном по комплексу геофизических материалов. Но отдельные их отрезки четко дешифрируются на материалах аэрокосмической съемки.

Северо-западная система разломов. Она морфологически выражена и уверенно трассируется на материалах топографической и аэрокосмической съемок [7, 13]. Сочленение положительных и отрицательных структур в зоне разломов северо-восточной ориентации. Смещения неотектонических структур, относительно друг друга, резкое погружение шарниров положительных структур в их периклинальных частях также происходит в зоне этих разломов.

Проведенный нами сейсмотектонический анализ показал, что эти факторы, хотя косвенно, могут свидетельствовать об их значимости при проявлении современной сейсмичности региона исследования.

Современная активность системы разломов северо-западной ориентации подтверждается морфологической выраженностью и уверенным дешифрированием на материалах топографической и аэрокосмических съемок. Большинство эпицентров землетрясений концентрируются в зонах разломов.

В Нуратинском блоке выделенные нами разломы являются природными границами положительно и отрицательно развивающихся неотектонических структур. Почти все разломы имеют северо-западное простирание, они являются прямым продолжением краевых и внутренних разломов Южного Тянь-Шаня, в который входят Туркестанское, Зеравшанское и Гиссарское поднятия более высокого ранга. Этот регион рассматривается как область устойчивых новейших и современных поднятий, сейсмический потенциал которых подтвержден современными сильными землетрясениями и деформациями горного рельефа в результате сильнейших доисторических землетрясений (см. рис. 2).

Субширотная система разломов. Эта система развита на Южно-Тянь-Шаньском блоке Западно-Тянь-Шаньской микроплиты, в которую входят наиболее протяженные и сейсмически активные разломы. В пределах субширотной системы разломов произошли в 1897, 1907, 1924, 2011 годах сильные с магнитудой М ≥ 6.0 землетрясения, большая часть которых возникла в зоне Южно-Ферганского разлома [10, 15].

Основные сейсмогенные зоны. Нами выделены основные сейсмогенные зоны изучаемой территории, которые при оценке сейсмической опасности приняты нами в качестве источников сейсмических колебаний (см. рис. 2).

Интенсивные, контрастные движения, сформировавшие современный структурный план региона, начались с этапа новейшей эпиплатформенной активизации. Этими движениями обусловлено формирование морфоструктур, возникновение молодых и возобновление древних разломов, по которым происходили перемещения. Наиболее активными в Западном Узбекистане являются разломы северо-западного простирания. К ним часто приурочены приразломные прогибы и высокие значения амплитуд неотектонических движений.

Неотектонические структуры региона исследования, как положительные, так и отрицательные единообразно сплющены по оси, которая имеет северо-западную ориентацию. Можно предположить, что наиболее вероятным направлением стрессовых напряжений, сформировавших неотектонические структуры, является северо-восточное. Для субширотных неотектонических структур Южно-Тянь-Шаньского постплатформенного орогена, стрессовые напряжения имеют субмеридиональное направление.

В пределах территории Центрального Узбекистана разломы северо-восточного направления имели второстепенное значение при формировании современной деформационной структуры земной коры региона. В регионе Южного Узбекистана разломы этого направления являются сейсмоактивными.

СЕЙСМОЛОГИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ

При изучении сейсмичности региона мы использовали параметры исторических и инструментальных землетрясений Каталога землетрясений территории Узбекистана и прилегающих территорий [1, 64], составленного в Институте сейсмологии АН РУз (Ташкент, Узбекистан). Для классификации землетрясений, произошедших в период от 1955 г. до 2003 г., по величине в данном Каталоге приведен энергетический класс землетрясений K, определяемый по сумме амплитуд объемных Р- и S-волн, зарегистрированных короткопериодной аппаратурой [21, 55].

Для Средней Азии энергетический класс К связан с локальной магнитудой M_L соотношением [21, 55]:

К = 1.8 M_L + 4. (1)

Начиная с 2003 г. и по настоящее время для всех землетрясений, происходящих на территории Узбекистана, определяются магнитуды M_L и M_b. Для расчета сейсмической опасности исследуемой территории в инженерных характеристиках сейсмических воздействий локальная магнитуда M_L пересчитывалась в магнитуду M_w, поскольку в уравнениях прогнозируемого движения грунта (GMPE, [65, 66]) используется моментная магнитуда.

Перевод магнитуды M_L в магнитуду M_w проводился по зависимости [18]:

ln (M_w) = 0.642ln(M_L) + 0.649. (2)

Приведена карта эпицентров землетрясений, произошедших на территории Центрального и Южного Узбекистана, начиная с исторического периода времени по 2023 год, построенная по региональному каталогу [1, 64] (рис. 3, а). Самое ранее историческое землетрясение в региональном каталоге датировано 1208 годом.

 

Рис. 3. (а) Карта эпицентров землетрясений изучаемой территории (по данным [1, 64]); (б)‒(г) гистограммы распределения представительных землетрясений каталога по глубинам (б) ‒ землетрясения с магнитудой М≤5.0; (в) ‒ землетрясения с магнитудой М≥5.0; (г) – график повторяемости землетрясений различного энергетического уровня

 

Показаны гистограммы распределения сейсмических событий различных магнитуд по глубинам и графики повторяемости землетрясений Регионального каталога [1, 64] (см. рис. 3, б-г). Рассчитанный нами угловой коэффициент графика повторяемости представительных землетрясений равен b=1.1174. Бо`льшая часть землетрясений с магнитудой М_w≥ 5.0 расположена в сейсмоактивном слое от 11 до 20 км (см. рис. 3 в).

Учитывая, что этот диапазон магнитуд землетрясений создает наиболее значимые сейсмические воздействия, при расчете сейсмической опасности рассматривались три возможные глубины H₁=10 км, H₂=15 км и H₃=20 км, которые вошли в логическое дерево с весом w₁=0.2, w₂=0.6, w₃=0.2.

При оценке представительности землетрясений регионального каталога мы опирались на исследования, в которых на основе данных о сети сейсмических станций, действовавшей в 1930, 1940, 1950, 1955, 1965, 1975, 1985 гг., и чувствительности приборов на каждой станции, была построена серия карт, показывающих изолинии нижнего энергетического уровня представительных землетрясений [31, 64]. Представительность землетрясений на этих картах дается для энергетического класса К и магнитуды M_L, которая, впоследствии через соотношения (1)‒(2), переводилась в представительность каталога в магнитуде M_w.

После 1985 года нижний порог представительных землетрясений для всей территории Узбекистана практически не менялся. Во второй половине 2000-х годов, в связи с переходом на цифровую регистрацию землетрясений, началась реорганизация сети. В настоящее время на территории Узбекистана действуют 53 стационарные цифровые сейсмические станции.

Показаны временные интервалы представительной регистрации землетрясений различных магнитуд M_w (рис. 4).

 

Рис. 4. Временной интервал представительности землетрясений различных магнитуд (M_w) (по данным [31]).

 

Удаление групповых сейсмических событий из регионального каталога [1, 64] мы проводили с использованием пространственно-временных окон (размеры по [46]).

При оценке сейсмической опасности исследуемой территории для учета сейсмических воздействий от землетрясений, эпицентры которых расположены на территории государств Афганистан, Туркменистан, Казахстан и Таджикистан, граничащих с Узбекистаном, кроме регионального каталога [1, 64], мы использовали каталоги землетрясений Центральной Азии, в которых землетрясения характеризуются моментной магнитудой [51, 54].

ВЕРОЯТНОСТНЫЙ АНАЛИЗ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ ТЕРРИТОРИИ ЦЕНТРАЛЬНОГО И ЮЖНОГО УЗБЕКИСТАНА

Вероятностный анализ сейсмической опасности (ВАСО) является аналитическим методом, в котором для исследуемого пункта оценивается вероятность превышения каждого фиксированного уровня сейсмических воздействий в течение определенного промежутка времени. Обычно в практике ВАСО этот временной промежуток составляет либо один год, либо охватывает период, сопоставимый со средним сроком службы сооружений (50‒100 лет).

Зависимость, связывающая вероятность превышения сейсмического воздействия с уровнем этого воздействия называется кривой опасности, и ее построение является конечной целью ВАСО. При этом, в качестве сейсмического воздействия может рассматриваться, как макросейсмическая интенсивность в исследуемом пункте, выраженная в баллах макросейсмической шкалы, так и физические параметры колебаний грунта при землетрясениях (значения амплитуд смещений, скоростей и ускорений сейсмических колебаний, а также их спектральные составляющие) [42, 50].

Теоретические основы вероятностного анализа сейсмической опасности приведены в [42, 50]. Реализация ВАСО предполагает построение двух взаимосвязанных расчетных моделей:

‒ модель сейсмических источников, окружающих исследуемый пункт;

‒ модель сейсмического эффекта, предсказывающая величину сейсмического воздействия в исследуемом пункте от каждого сейсмического события, происходящего в пределах сейсмических источников.

Для расчета сейсмической опасности территории Центрального и Южного Узбекистана рассматривались расчетные модели сейсмических источников трех типов:

‒ активные разломы земной коры;

‒ сейсмогенные зоны, представляющие собой буферные зоны разломов;

‒ площадные источники землетрясений – квазиоднородные сейсмологические провинции.

Совокупность привлекаемых расчетных моделей сейсмических источников, как мы полагаем, достаточно полно характеризует реальный сейсмический процесс, в котором есть две важнейшие составляющие:

– рассеянная (фоновая) сейсмичность, которая проявляется в пределах площадных образований (блоки, микроплиты);

– сейсмичность, сосредоточенная в пределах линейных структур (активные разломы земной коры, сейсмогенные зоны).

Параметризация моделей сейсмических источников

Наряду с заданием геометрических характеристик каждого источника в плане и по глубине, формализованное описание расчетной модели сейсмических источников включает в себя определение сейсмического потенциала этих источников, частоты повторения землетрясений различных магнитуд, кинематического типа подвижек в очагах землетрясений, происходящих в пределах каждого источника.

Расчетная модель активных разломов земной коры

Совместно с региональной схемой активных разломов земной коры территории Центрального и Южного Узбекистана (см. рис. 2), мы использовали базу данных активных разломов Евразии (Active Fault Database of Eurasia - AFEAD) [7, 67] (рис. 5, а‒в).

 

Рис. 5. Расчетные модели активных разломов земной коры (по данным [7, 67]).

(а)‒(в) ‒ активные разломы земной коры с классом достоверности проявления современной геодинамической активности: (а) ‒ A‒B, (б) ‒ A‒C, (в) ‒ A‒D.

1 ‒ активные разломы земной коры; 2 ‒ сейсмический потенциал / среднегодовая частота возникновения землетрясения с магнитудой M≥5.0; 3 ‒ границы областей, расположенных на территории Центрального и Южного Узбекистана

 

Для каждого активного разлома в базе данных AFEAD [7, 67] имеются сведения о его морфологии, кинематике с количественными показателями поздне-четвертичных смещений (атрибут RATE). По скорости движения разломы разделены на три ранга:

‒ 1 ранг ‒ более 5 мм/год;

‒ 2 ранг ‒ от 1 до 5 мм/год;

‒ 3 ранг ‒ менее 1 мм/год.

Разломы дифференцированы на четыре класса (A, В, С, D) по степени выраженности (достоверности) проявления современной геодинамической активности – атрибут CONF.

Для разломов, отнесенных к категории A в базе данных AFEAD, выявлены сразу несколько независимых явных признаков активности, установленные в поле или четко выраженные на детальных дистанционных материалах деформации молодых форм рельефа и датированные смещения позднеплейстоцен‒голоценовых отложений, а также проявление в зоне разлома сильных землетрясений или палеоземлетрясений [7].

Разломы, включенные в категорию B, характеризуются проявлением одним из признаков активности, однако допускается их ме´ньшая выраженность. Для разломов категории “C” перечисленные признаки активности или хотя бы один из них присутствуют, но все они выражены нечётко, тогда как плиоцен‒четвертичные смещения по разлому несомненны.

К категории D в базе данных AFEAD отнесены разломы с проявлениями плиоцен‒четвертичных движений, по которым признаки молодых смещений пока не найдены. Вместе с тем, косвенные признаки дают основание полагать, что следы такой активности могут быть обнаружены при более детальном целенаправленном изучении [7].

Для оценки сейсмического потенциала активных разломов, как правило, используются соотношения, основанные на корреляции величины М_max с геометрическими характеристиками тектонического нарушения (длина разлома L, длина максимального возможного на данном разломе поверхностного разрыва l, отвечающая этой длине ширина разрыва W, площадь максимального поверхностного разрыва A= l·W).

В данном исследовании расчетное значение величины М_max для каждого активного разлома земной коры находилось путем усреднения с равным весом оценок сейсмического потенциала по пяти различным зависимостям, полученным в [43, 48, 49, 62], в которых величина М_max выражается через длину и площадь разрыва:

‒ Leonard [48, 49] ‒ $M_{\max }=\lg \left(A\right)+4.19$, (3)

‒ Leonard [48, 49] ‒ $M_{\max }=1.67\cdot \lg \left(l\right)+4.32$, (4)

‒ Hanks [43] ‒ $M_{\max }=\frac{4}{3}\cdot \lg \left(A\right)+3.07$, (5)

‒ Wells и Coppersmith [62] ‒ 

$M_{\max }=0.9\cdot \lg \left(A\right)+4.33$, (6)

‒ Wells и Coppersmith [62] ‒

$M_{\max }=1.22\cdot \lg \left(l\right)+5$. (7)

Уточним, что в нашем исследовании полагалось, что ширина разрыва составляет половину от его длины (W = l/2). Сама же длина разрыва l, который может образоваться в случае возникновения землетрясения с максимальной магнитудой М_max, составляет только определенный процент от всей протяженности разлома L.

Было проведено исследование отношения l/L [29, 52].

На основании экспериментальных данных было показано, что для больших разломов (например, разлом Сан-Андреас в США) это отношение не превосходит значения l/L = 0.5 [29].

Было предложено брать это отношение l/L различным для разломов с разной длиной L [52]. В логическое дерево были включены следующие соотношения между длиной разлома L и длиной максимального разрыва в очаге l для разломов с длиной [52]:

‒ L > 100 км с весами w=0.6 и w=0.4 принимались значения l, составляющие 37% и 50% от длины разлома соответственно;

‒ 50 < L < 100 км с весами w = 0.5 и w = 0.5 принимались значения l, составляющие 37% и 50% от длины разлома;

‒ L < 25 км длина разрыва бралась равной длине разлома.

В нашем исследовании соотношение l/L было принято таким же, как в [52].

Для оценки среднегодовой повторяемости землетрясений различных магнитуд N(M) в модели активных разломов земной коры нами применялись четыре соотношения, полученные в исследованиях [33, 63] и их программная реализация, описанная в [38]. Зависимости [33, 63] различаются между собой характером высвобождения сейсмического момента M₀, логарифм которого связан с магнитудой землетрясений линейной зависимостью:

$\text{log}\left(M_0\right)=c+dM$. (8)

Значения констант c и d по мировым данным [45] следующие: c = 16.05, d = 1.5.

В работе [33] для средней частоты повторения землетрясений различных магнитуд N (M) получены три различных соотношения:

$N_1\left(M\right)=\left(\frac{\overline{d}-\overline{b}}{\overline{d}}\right)\cdot \left(\frac{s}{\beta }\right)\cdot e^{\overline{b}\left(M_{\max }-M\right)}\cdot e^{-\left(\frac{\overline{d}}{2}{M}_{\max }\right)}$, (9)

$N_2\left(M\right)=\left(\frac{\overline{d}-\overline{b}}{\overline{b}}\right)\cdot \left(\frac{s}{\beta }\right)\cdot \left[e^{\overline{b}\left(M_{\max }-M\right)}-1\right]\cdot e^{-\left(\frac{\overline{d}}{2}{M}_{\max }\right)}$, (10)

$\begin{array}{c}{N}_3\left(M\right)=\frac{\overline{d}\left(\overline{d}-\overline{b}\right)}{\overline{b}}\cdot \left(\frac{s}{\beta }\right)\cdot \\ \cdot \left\{\frac{1}{\overline{b}}\cdot \left[e^{\overline{b}\left(M_{\max }-M\right)}-1\right]-\left(M_{\max }-M\right)\right\}\cdot \\ \cdot e^{-\left(\frac{\overline{d}}{2}{M}_{\max }\right)}.\end{array}$ (11)

В формулах (9)‒(11) приняты следующие обозначения:

М – магнитуда землетрясения, для которого оценивается годичная частота возникновения;

М_max – величина максимального возможного землетрясения на разломе;

b – угол наклона графика повторяемости землетрясений в зоне разлома;

$\overline{b}=b\ln \left(10\right)$;

$\overline{d}=d\ln \left(10\right)$;

$\beta =\sqrt{\frac{\alpha M_0\left(0\right)}{\mu W}}$;

D ‒ смещение по разрыву;

L – длина разрыва;

$\alpha =\frac{\text{D}}{\text{L}}$;

M₀ (0) – сейсмический момент, отвечающий землетрясению с магнитудой M

В более поздней работе [63] для средней частоты повторения землетрясений различных магнитуд N(M) получено соотношение:

$N_4\left(M\right)=\frac{\mu A_{f}S(d-b)\left[1-e^{-b\ln \left(10\right)\left(M_{\max }-M\right)}\right]}{b{M}_0{e}^{-b\ln \left(10\right)\left(M_{\max }-M\right)}}$, (12)

где S ‒ скорость смещения (Slip rate); – площадь разрыва.

Значение сейсмической активности N(M), приведенное к магнитуде M=5.0, при расчете сейсмической опасности исследуемой территории находилось как среднее арифметическое по соотношениям (9)–(12).

Однако кинематическая модель разломов недостаточно полна, чтобы полностью представлять сейсмическую активность земной коры, особенно события с малой магнитудой. Поэтому, в расчетную модель разломов нами был добавлен фоновый слой сейсмичности. Магнитуда землетрясений фонового слоя была лимитирована значением М_max = 5.5. Считалось, что для событий бо`льших магнитуд плоскости разрыва должны быть классифицированы как разломы, и уже содержаться в базе данных AFEAD по разломам [7, 67].

По результатам анализа базы данных активных разломов земной коры, мы рассмотрели три различные расчетные модели сейсмических источников активных разломов, с учетом классов достоверности проявления современной геодинамической активности (атрибут CONF в базе данных AFEAD [67]) (см. рис. 5):

‒ 1-й вариант ‒ разломы с классами достоверности А и В;

‒ 2-й вариант ‒ учтены, кроме классов достоверности А и В, разломы класса С;

‒ 3-й вариант ‒ разломы с классами достоверности А, В, С и D.

Показаны три рассмотренные модели разломов региона (см. рис. 5, а‒в).

Для каждого разлома приведено соотношение:

М_max (значение сейсмического потенциала ‒ в числителе) / (среднегодовая частота возникновения землетрясения с магнитудой M≥5.0 ‒ в знаменателе).

Параметр b – угловой коэффициент графика повторяемости землетрясений принимался, равным 1 в каждой из трех рассмотренных моделей разломов, что близко к его региональному значению.

Расчетная модель источников в виде сейсмогенных зон

Сейсмогенная зона является областью активного динамического влияния крупного разлома, или системы близко расположенных и одинаково направленных разрывов земной коры, которые на стадии тектонической активизации региона генерируют сильные землетрясения [15]. В плане сейсмогенные зоны представляют собой перекрывающуюся по простиранию совокупность плейстосейстовых областей от землетрясений, которые могут происходить в пределах этих зон.

Контуры сейсмогенных зон определяются пространственным положением активных разломов. При этом учитываются геометрические и морфологические особенности тектонических нарушений, а также возраст их заложения.

На территории Центрального и Южного Узбекистана выделено 20 сейсмически активных зон, способных генерировать землетрясения с магнитудой М_max ≥ 5.5 [15] (рис. 6).

 

Рис. 6. Расчетная модель источников в виде сейсмогенных зон для территории Центрального и Южного Узбекистана.

1 ‒ сейсмогенные зоны; 2 ‒ источники, расположенные вне сейсмогенных зон; 3 – оценка сейсмического потенциала М_max, параметра b и сейсмической активности, приведенной к магнитуде М=4; 4 ‒ административные границы областей, расположенных на территории Центрального и Южного Узбекистана

 

Мы провели расчет величины максимального возможного землетрясения сейсмогенных зон М_max на основе полученных сейсмологических и сейсмотектонических данных.

Ведущим фактором, определяющим величину М_max сейсмогенерирующих зон при оценке сейсмического потенциала сейсмотектоническими методами, является масштабный уровень процессов, характеризующих деформирование и разрушение горных пород, который обладает такими параметрами, как длина разрыва, глубина его заложения, размеры и степень консолидации блоков, подвергающихся смещению как единое целое [15].

Смещение по разрыву зависит от амплитуды и скорости тектонических движений, состава и прочностных свойств пород. Величина максимального возможного землетрясения определялась как верхний предел магнитуд землетрясений, зарегистрированных в различных сейсмогенерирующих зонах со схожими сейсмотектоническими параметрами. В качестве основных характеристик при сопоставлении структур принимались [14]:

‒ история геологического развития;

‒ интенсивность и направленность новейших и современных движений;

‒ масштабная сопоставимость тектонических структур и их целостность с позиций протекания сейсмотектонических процессов.

Для сейсмологической оценки величины М_max были использованы следующие методы, основанные на:

‒ корреляция сейсмической активности сейсмоактивных зон с величиной максимального возможного землетрясения, возникающего в их пределах [1, 24];

‒ оценка толщины и линейной протяженности сейсмоактивного слоя [28];

‒ оценка величины М_max, базирующийся на статистике максимального правдоподобия при анализе правых частей графиков повторяемости землетрясений [20];

‒ статистика экстремальных значений [11].

Были использованы другие статистические методы [1].

Среднеквадратическое уклонение в оценках величины М_max при его определении перечисленными методами составляло σ = ± 0.25М магнитудных единиц для каждой сейсмоактивной зоны.

Для бо`льшей части сейсмоактивных зон территории Центрального и Южного Узбекистана определение величины максимального возможного землетрясения на основе сейсмологических данных удовлетворительно (в пределах σ=0.5М магнитудных единиц) согласуется со значением М_max, рассчитанным на основе сейсмотектонических методов. Расчет сейсмической опасности исследуемой территории проводился при наибольшем значении величины М_max при сейсмологическом и сейсмотектоническом его определении для каждой сейсмогенной зоны.

Нахождение параметров повторяемости для расчетной модели источников в виде сейсмогенных зон проводилось следующим образом.

Для источников, в пределы которых попадало достаточное количество сейсмических событий для надежного построения графика повторяемости, сейсмическая активность, отнесенная к магнитуде M = 4 и угловой коэффициент прямой (параметр b) снимались непосредственно с этого графика.

Для сейсмогенерирующих зон с малым числом сейсмических событий принималось региональное значение параметра b, сейсмическая активность при данном значении угла наклона графика повторяемости, рассчитывалась по выборке землетрясений, попадающих в пределы сейсмического источника. При этом использовались традиционные методы распределения и суммирования определения сейсмической активности [9, 24]. Приведены полученные значения сейсмического потенциала и параметров повторяемости землетрясений для каждого сейсмического источника в модели сейсмогенных зон (см. рис. 6).

Хотя расчетные модели сейсмогенных зон и активных разломов земной коры отражают локализованное в пределах линейных структур проявление сильных землетрясений, параметризация этих моделей существенно различается между собой, что позволяет рассматривать эти как модели, независимые друг от друга.

Расчетная модель площадных источников

Контуры расчетной модели площадных источников были сформированы нами ранее при разработке карт общего сейсмического районирования территории Узбекистана ОСР-2017 [35]. Данная модель достаточно отчетливо отражает блоковое строение земной коры и особенности распределения сейсмичности в пределах орогенической и платформенной части региона, разграниченных Западно-Тянь-Шаньским линеаментом. В этой модели рассматриваются Южно-Узбекистанская и Западно-Узбекистанская мегазоны, к которым на северо-востоке примыкают западные окончания Приташкентской и Ферганской мегазон (рис. 7).

 

Рис. 7. Расчетная модель площадных источников.

1 – контур площадного источника; 2 – оценки сейсмического потенциала М_max, параметра b и сейсмической активности, приведенной к магнитуде М=4.0; 3 ‒ границы областей, расположенных на территории Центрального и Южного Узбекистана

 

Каждая мегазона поделена на подзоны ‒ участки с различной сейсмической активностью. Для оценки сейсмической опасности приграничных районов мы включили в рассмотрение дополнительные площадные зоны, расположенные полностью или частично на территории соседних государств.

В качестве оценки сейсмического потенциала площадных источников использовалось значение, полученное добавлением к магнитуде максимального наблюденного землетрясения в этом источнике значения 0.3‒0.5М магнитудных единиц.

Правило нахождения параметров повторяемости для модели источников площадных зон было такое же, как и для модели сейсмогенных зон.

Преобладающим кинематическим типом подвижки в очагах землетрясений исследуемой территории является взброс [17, 56]. Поэтому, именно этот тип использовался нами в уравнениях прогнозируемого движения грунта (GMPE) [65, 66].

ЗАТУХАНИЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ РАССТОЯНИЯ

Для оценки сейсмической опасности территории Центрального и Южного Узбекистана в значениях макросейсмической интенсивности было отобрано несколько уравнений затухания интенсивности сейсмических воздействий с расстоянием. Наряду с зависимостью Шебалина [27, 59], полученной по мировым данным:

I = 1.5M ‒ 3.5 lgR+3, (13)

рассматривались три зависимости, установленные нами на основе анализа схем изосейст сильных землетрясений, произошедших на территории Центральной Азии [3].

Зависимость типа Блейка‒Шебалина [27, 59]:

I = 1.32M ‒ 3.01 lgR+3.55, (14)

где σ = 0.7.

Зависимость типа Ковеслигети [47]:

I = 1.33M ‒ 2.37lgR‒0.00205 R + 2.24, (15)

где σ=0.73.

Зависимость, в которой коэффициент затухания зависит от глубины очага землетрясения [3]:

I = 1.475M ‒ 2.646lgH +

+ 1.905‒0.498Mlg(R/H) +

+ 1.159lgHlg(R/H) ‒ 1. 401lg(R/H), (16)

где σ = 0.6.

К анализу также была привлечена полученная несколько ранее для этого сейсмоактивного региона зависимость Бинди [37]:

I = 0.898M + 1.215‒1.809lg(R/ H) ‒

– 0.0034(R‒H), (17)

где σ = 0.73.

В приведенных зависимостях затухания в формулах (13)‒(17), относящихся к макросейсмической интенсивности используется в качестве расстояния R ‒ гипоцентральное расстояние R_hyp, в качестве магнитуды M ‒ магнитуда M_S.

Увеличение числа привлекаемых уравнений, как правило, не уменьшает эпистемическую неопределенность в прогнозе сейсмических воздействий. Наиболее эффективным инструментом в решении данной задачи является процедура ранжирования уравнений движения грунта, состоящая в придании веса уравнению, в зависимости от степени соответствия прогнозируемых на его основе сейсмических воздействий экспериментальным данным, имеющимся для исследуемого региона.

Нами было проведено ранжирование приведенных моделей затухания [16]. Использовались методы LH [57] и LLH [58]. Результатом ранжирования моделей методом LH является отнесение ее к одному из четырех классов А, В, С и D по степени соответствия прогнозируемого на ее основе сейсмического эффекта реальным экспериментальным данным, имеющимся для исследуемого региона. В отличие от метода LH, который характеризует модели затухания качественно, метод LLH позволяет придать количественный вес w_i каждой из рассматриваемых моделей затухания.

Результаты ранжирования следующие:

‒ зависимость (13) ‒ класс A, w₁ = 0.200;

‒ зависимость (14) ‒ класс B, w₂ = 0.200;

‒ зависимость (15) ‒ класс A, w₃ = 0.213;

‒ зависимость (16) ‒ класс A, w₄ = 0.221;

‒ зависимость (17) ‒ класс D, w₅ = 0.116.

В обобщенную зависимость затухания, по которой проводились оценки сейсмической опасности, зависимости (13)‒(17) вошли с весом, полученным по результатам ранжирования.

Для оценки сейсмической опасности региона в инженерных показателях сейсмических воздействий, в качестве законов затухания использовались уравнения прогнозируемого движений грунта (GMPE), встроенные в программный комплекс CRISIS [53].

На основе геологических, геофизических и сейсмологических данных была проведена типизация земной коры [40]. На территории Центрального и Южного Узбекистана присутствуют в основном два типа коры [40]:

‒ неглубокая активная кора, которая распространена в восточной и центральной частях исследуемого региона;

‒ стабильная кора не кратонового типа, которая расположена на западе региона, в пределах Туранской платформы.

Для территорий, относящихся к активной неглубокой коре, с равным весом w_i = 1/3 использовались зависимости [32, 39, 41].

Для территорий, расположенных на Туранской платформе, вес каждой из зависимостей [32, 39, 41] составлял w_i = 1/6 (суммарный вес w = 0.5).

С таким же весом w=0.5 для этих территорий вошла зависимость [34], разработанная на основе мировых данных для платформенных территорий ‒ стабильная неглубокая кора [65, 66].

Сочетание зависимостей [32, 39, 41] и [36] позволило обеспечить плавность перехода оценок опасности при продвижении от орогенной к платформенной части региона исследования.

РАСЧЕТ СЕЙСМИЧЕСКОЙ ОПАСНОСТИ ТЕРРИТОРИИ ЦЕНТРАЛЬНОГО И ЮЖНОГО УЗБЕКИСТАНА

Расчеты сейсмической опасности проводились с использованием программного комплекса CRISIS [53]. Шаг сетки, по которой производился расчет, составлял 0.1⁰х 0.1⁰.

Эпистемические неопределенности в выборе сейсмических источников учитывались с использованием логического дерева. Веса к моделям (w) были приняты следующими:

• расчетная модель площадных источников:

‒ w = 1/3;

• расчетная модель сейсмогенных зон:

‒ w = 1/3;

• расчетные модели активных разломов с различным классом достоверности проявления современной геодинамической активности:

‒ w = 1/12 (А, В);

‒ w = 1/6 (A‒C);

‒ w = 1/12 (A‒D).

Таким образом, суммарный вес всех пяти моделей сейсмических источников составлял w_Σ=1.

При этом общий вес моделей активных разломов земной коры с различной группой достоверности составил w_разл. = 1/3, т.е. являлся таким же, как и для моделей площадных источников и сейсмогенных зон. Центральной модели активных разломов с классом достоверности А, B и С был придан бо`льший вес, как средней по степени консервативности, по сравнению с двумя другими моделями.

Нами составлены карты сейсмического районирования территории Центрального и Южного Узбекистана в баллах макросейсмической шкалы и в значениях максимальных ускорений колебаний грунта (PGA, g) (рис. 8).

 

Рис. 8. Карты-схемы детального сейсмического районирования территории Центрального и Южного Узбекистана в баллах макросейсмической шкалы MSK-64 для различных вероятностей не превышения уровня сейсмических воздействий в течение 50 лет

I ‒ в баллах макросейсмической шкалы MSK-64;

II ‒ в значениях максимальных ускорений колебаний грунта (PGA, g).

(а) ‒ Р=0.90; (б) ‒ Р=0.95; (в) ‒ Р=0.98; (г) ‒ Р=0.99

 

Построения сделаны для вероятностей Р = 0.90, Р = 0.95, Р = 0.98 и Р = 0.99

непревышения уровня сейсмических воздействий в течение 50 лет. Этим вероятностям отвечают периоды повторения сейсмических воздействий один раз в 500, 1000, 2500 и 5000 лет, соответственно.

Сейсмический эффект на дневной поверхности определяется не только глубинными тектоническими условиями (близость к активным разломам, величина их сейсмического потенциала, кинематический тип подвижек в очагах землетрясений), но и инженерно-геологическим строением верхней грунтовой толщи, которая в зависимости от своих физико-механических свойств может увеличивать или уменьшать амплитуду сейсмических колебаний.

Карты детального сейсмического районирования территории Центрального и Южного Узбекистана, на которых сейсмическая опасность выражается в баллах макросейсмической шкалы, относятся к средним грунтовым условиям территории Узбекистана (см. рис. 8, I).

По действующим в республике строительным нормам ‒ это грунты II категории по сейсмическим свойствам,

Карты сейсмического районирования в значениях максимальных ускорений построены для различных типов грунтов, распространенных на исследуемой территории (см. рис. 8, II).

Дифференциация грунтовых условий в данном исследовании проводилась через параметр V_S30, характеризующий скорость прохождения поперечных сейсмических волн в верхней 30-метровой грунтовой толще.

Приведены кривые опасности в значениях макросейсмической интенсивности и в значениях максимальных ускорений для столиц областей, расположенных на исследуемой территории городов Гулистан, Джизак, Самарканд, Карши и Термез (рис. 9, рис. 10).

 

Рис. 9. Кривые сейсмической опасности в показателях макросейсмической интенсивности для городов Гулистан, Джизак, Самарканд, Карши, Термез в Центральном и Южном Узбекистане.

Обозначена (линии) сейсмическая опасность территорий городов и их окрестностей: Гулистан (фиолетовым); Джизак (красным); Самарканд (оранжевым); Карши (бирюзовым); Термез (зеленым)

 

Рис. 10. Кривые сейсмической опасности городов Центрального и Южного Узбекистана в значениях величин максимальных ускорений колебаний грунта по сейсмическим свойствам.

Категории грунта: (а) ‒ I; (б) ‒ II; (в) ‒ III.

Обозначена (линии) сейсмическая опасность территорий городов и их окрестностей: Гулистан (фиолетовым); Джизак (красным); Самарканд (оранжевым); Карши (бирюзовым); Термез (зеленым)

 

По оси абсцисс отложена величина сейсмического воздействия, а по оси ординат – вероятность его превышения в течение 50 лет. Горизонтальным линиям соответствут различные периоды повторения сейсмических воздействий (см. рис. 9).

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Результаты исследования показали, что условия формирования современного структурного плана Центрального и Южного Узбекистана значимо отличаются между собой. В Центральном Узбекистане наиболее активными являются разломы северо-западного простирания и вероятным направлением стрессовых напряжений, сформировавших неотектонические структуры, является северо-восточное.

В пределах Южного Узбекистана в формировании современного структурного плана и напряженного состояния сейсмогенных участков земной коры более активно участвуют разломы северо-восточного и субширотного направления. Стрессовые напряжения здесь имеет северо-западное и близмеридиональное простирание.

Установленные различия в направлении стрессовых напряжений, сформировавших неотектонические структуры Центрального и Южного Узбекистана, подтверждаются результатами реконструкций современного напряженного состояния земной коры методами катакластического анализа разрывных смещений по механизмам очагов землетрясений [22]. По результатам проведенных реконструкций для исследуемого района установлено пространственное положение азимутов и углов погружения осей главных напряжений [56].

При общей для Центрального и Южного Узбекистана близ вертикальной направленности оси минимального сжатия σ₁ (главного девиаторного растяжения), азимут простирания оси максимального сжатия σ₃ в Центральном Узбекистане имеет близ меридиональное, а в Южном Узбекистане ‒ близширотное направление.

В обоих случаях угол погружения оси максимального сжатия не превышает 10‒20°. По классификации геодинамических типов напряженного состояния земной коры [22], такое пространственное положение осей главных напряжений соответствует тому, что исследуемая территория находится в режиме горизонтального сжатия.

Помимо разломов, ориентированных вдоль простирания основных структурных элементов Центрального и Южного Узбекистана в данном исследовании выделены разломы более низкого ранга, развивающиеся в поперечном направлении. До настоящего времени их роль в формировании современного структурного плана и проявлении современной сейсмичности изучаемой территории не оценивались. Приуроченность очаговых зон сильных землетрясений к местам пересечения зон активных разломов различных направлений свидетельствует о необходимости их учета при оценке сейсмической опасности.

ВЫВОДЫ

По результатам проведенного исследования авторы пришли к следующим выводам.

1. Интенсивные, контрастные движения, сформировавшие современный структурный план региона Центрального и Южного Узбекистана, начались с этапа новейшей эпиплатформенной активизации. Ими обусловлено формирование морфоструктур, возникновение молодых и возобновление древних разломов, по которым происходили перемещения. Наиболее активными на территории Центрального Узбекистана являются разломы северо-западного простирания. Наиболее вероятным направлением стрессовых напряжений, сформировавших неотектонические структуры данной территории, является северо-восточное направление. На территории Южного Узбекистана активные разломы в основном ориентированы на северо-восток и наиболее вероятным направлением стрессовых напряжений является северо-западное направление.
2. Для субширотных неотектонических структур Южно-Тянь-Шаньского постплатформенного орогенеза, стрессовые напряжения имеют субмеридиональное направление. Разломы, ориентированые в северо-восточном направлении, усложняют строение крупных региональных структур. Эти разломы в пределах Центрального Узбекистана имеют второстепенное значение при формировании современной деформационной структуры земной коры региона.

Построена схема активных разломов земной коры и уточнены границы сейсмогенерирующих зон территории Центрального и Южного Узбекистана.

3. На основе полученных сейсмотектонических и сейсмологических данных построено пять альтернативных расчетных моделей сейсмических источников для оценки сейсмической опасности территории Центрального и Южного Узбекистана:

‒ модель площадных источников;

‒ модель сейсмогенных зон;

‒ три модели активных разломов земной коры с различной степенью достоверности проявления современной геодинамической активности в новейший период.

4. Проведена сейсмологическая параметризация построенных моделей сейсмических источников, включающая определение сейсмического потенциала, параметров повторяемости землетрясений различных магнитуд, преобладающего кинематического типа подвижки в очагах для каждого источника.
5. Разработаны вероятностные карты детального сейсмического районирования территории Центрального и Южного Узбекистана, выражающие сейсмическую опасность в баллах макросейсмической шкалы и в физических параметрах сейсмических колебаний.

Благодарности. Авторы благодарны рецензенту А.И. Маневичу (ГЦ РАН, г. Москва, Россия) и анонимному рецензенту за полезные комментарии и редактору М.Н. Шуплецовой (ГИН РАН, г. Москва, Россия) за тщательное редактирование.

Финансирование. Исследования выполнены в рамках бюджетного финансирования фундаментальных и прикладных исследований Академии наук Республики Узбекистан, при поддержке Фонда сейсмологии, обеспечения сейсмостойкости сооружений и сейсмической безопасности при Кабинете Министров Республики Узбекистан.

Конфликт интересов. Авторы заявляют, что не имеют конфликта интересов.

作者简介

R. Ibragimov

Mavlyanov Institute of Seismology of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

编辑信件的主要联系方式.
Email: ibrroma@yandex.ru
乌兹别克斯坦, 3, Zulfiyakhanum St., 100028 Tashkent

T. Ibragimova

Mavlyanov Institute of Seismology of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

Email: ibrroma@yandex.ru
乌兹别克斯坦, 3, Zulfiyakhanum St., 100028 Tashkent

U. Nurmatov

Mavlyanov Institute of Seismology of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

Email: ibrroma@yandex.ru
乌兹别克斯坦, 3, Zulfiyakhanum St., 100028 Tashkent

Yu. Sadykov

Mavlyanov Institute of Seismology of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

Email: ibrroma@yandex.ru
乌兹别克斯坦, 3, Zulfiyakhanum St., 100028 Tashkent

M. Mirzaev

Mavlyanov Institute of Seismology of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

Email: ibrroma@yandex.ru
乌兹别克斯坦, 3, Zulfiyakhanum St., 100028 Tashkent

S. Ashurov

Mavlyanov Institute of Seismology of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan

Email: ibrroma@yandex.ru
乌兹别克斯坦, 3, Zulfiyakhanum St., 100028 Tashkent

参考

补充文件