КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
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 20-17-00180

НазваниеРазвитие сценарного подхода в задачах оценки сейсмической опасности и риска

РуководительШебалин Петр Николаевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теории прогноза землетрясений и математической геофизики Российской академии наук (ИТПЗ РАН), г Москва

Года выполнения при поддержке РНФ 2020 - 2022 

КонкурсКонкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-402 - Механизмы возникновения землетрясений, очаг, предвестники землетрясений

Ключевые словасейсмическая опасность, сценарный подход, сейсмическое воздействие, интенсивность, экономический ущерб, модель ETAS, продуктивность, динамическая модель очага

Код ГРНТИ37.01.17


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Актуальность задач точной оценки сейсмической опасности и сейсмического риска в современных условиях определяется двумя факторами. С одной стороны, опыт начала XXI столетия показывает, что наиболее разрушительные землетрясения часто происходят в областях существенной недооценки сейсмической опасности. Так, например, с момента публикации финальной карты Программы Глобальной Оценки Сейсмической Опасности (GSHAP) в 1999 году эффект каждого из более 60 землетрясений с магнитудой от 7.5 и выше был недооценен, причем в половине случаев вместо ожидаемых «легких» повреждений плохо построенных домов имели место «существенные», «значительные», или даже «тотальные» разрушения индустриально построенных сооружений, что суммарно определило невосполнимые потери более 700 тысяч человек погибших. Это приводит к тому, что на обновленных картах сейсмического районирования после подобных землетрясений повышается ожидаемая балльность в некоторой области, включающей его эпицентр. Так, например, 14 февраля 2013 г. на территории Республики Саха (Якутия) Российской Федерации произошло сильное землетрясение, которое явилось неожиданным для карт GSHAP, ОСР-97 и ОСР-2012. На перечисленных картах недооценка интенсивности сотрясений в эпицентральной зоне заведомо превышает 2 балла. В частности, интенсивность сотрясения в эпицентре была 8-9 баллов, а на карте ОСР-2012, характеризующей повторяемость превышения балльности 1 раз в 100 лет, эпицентр основного толчка 14 февраля 2013 г. находится в зоне 5.5-6 баллов (и даже на карте, характеризующей повторяемость превышения 1 раз в 2500 лет ожидаемое значение 7.5-8 баллов). Недооценка опасности вызвана либо занижением сейсмического потенциала в этой области (например, Олюторское землетрясение 2006, Катав-Ивановское землетрясение на Южном Урале 2018), либо недостаточным учетом локальных условий (например, землетрясение в Мичиоакан 1985, Мексика, или в Кобе 1995, Япония), либо обоими факторами (как это было в районе Спитакского землетрясения в Армении в 1989 г.). С другой стороны, в большинстве зон, отнесенных на картах ОСР к опасным, сильные воздействия не наблюдались со времени составления карт и, возможно, не будут наблюдены в течение многих десятков лет. Конечно, если речь идет о безопасности людей, об экологической безопасности, этот аргумент не должен быть определяющим при строительстве новых объектов или при укреплении старых. Это, очевидно, относится к 9-балльным зонам, в которых землетрясения могут приводить к обрушению зданий, или при строительстве атомных электростанций, плотин, хранилищ опасных отходов и т.д. Но в зонах умеренной опасности, в частности в 7- и 8-балльных зонах возникает вопрос о целесообразности огромных затрат на сейсмостойкость зданий и сооружений. Особенно актуально это становится в современных условиях, когда плановая продолжительность эксплуатации новых зданий и сооружений сокращается. Появление дешевых строительных материалов, материалов, допускающих повторное использование, совершенствование строительных технологий будет приводит к дальнейшему сокращению сроков эксплуатации зданий. В этих условиях локальное завышение ожидаемой балльности (интенсивности) фактически будет приводить к огромным экономическим потерям. Предварительные подсчеты показывают, что такие потери в среднем значительно превышают потери, связанные с занижением сейсмической опасности. Так, например, в Иркутской области основанные на оценках ОСР-97 затраты на сейсмостойкое строительство оказались фактически завышенными на два порядка. В настоящее время при составлении карт ОСР снижение балльности отдельных зон часто происходит не за счет более точных расчетов сейсмологов и геологов, а по чисто экономическим причинам, под давлением заинтересованных ведомств. Для сокращения экономических потерь от недооценки и переоценки сейсмической опасности необходимо развивать исследования по следующим основным направлениям: 1) совершенствование методов оценки сейсмического потенциала зон тектонических разломов (в современных условиях дополнительное внимание должно уделяться возможному изменению сейсмического потенциала в результате деятельности человека); 2) совершенствование методов определения возможного сейсмического воздействия землетрясений на здания и сооружения в зависимости от структуры очага землетрясения (с привлечением информации о региональной системе разломов) и его спектрально-энергетических характеристик, от характера затухания сейсмических волн с расстоянием от источника, от локальных грунтовых условий; 3) постепенный переход от оценок сейсмической опасности, определяющих ожидаемую максимальную балльность или пиковое ускорение грунта в заданном интервале времени, к расчетам сейсмического риска, определяющим ожидаемые экономические потери от воздействия землетрясений. Такие расчеты позволят в конкретных случаях оптимизировать расходы на повышение сейсмостойкости зданий при строительстве, а также задействовать систему страхования от воздействия землетрясений. Авторы заявленного проекта считают, что наиболее подходящим инструментом для расчетов по всем трем указанным направлениям является сценарный подход. В частности, под сценарным подходом авторы понимают многократное моделирование конкретных вероятных землетрясений, совокупность которых характеризует реальность. В частности, сейсмический потенциал какой-либо области при сценарном подходе представляется в виде синтетического каталога землетрясений, свойства которого совпадают со свойствами реального, а размер значительно больше и достаточен для статистически обоснованных оценок. Сценарный подход для расчета сейсмического воздействия состоит в построении синтетических сейсмограмм на основе детального моделирования очага потенциального землетрясения, с учетом затухания волн на пути до заданной точки. Для расчета сейсмического риска сценарный подход подразумевает многократное моделирование конкретных сценариев землетрясений (момент, очаг, воздействие), оценка экономических потерь для конкретных объектов или групп объектов в каждом сценарии и построение на этой основе статистических оценок рисков. Использование сценарного подхода предполагает сложные расчеты на ЭВМ, возможные лишь с использованием суперкомпьютеров. В том числе поэтому в России сценарный подход для оценки сейсмической опасности пока не применялся. В Европе, США и Японии (в последнее время и в Китае) сценарный подход реализуется и становится все более популярным, в частности, благодаря поддержке крупных перестраховочных компаний, таких как Swiss Re, Munich Re, SCOR. Вместе с тем рост популярности актуализировал противоречие между общепринятыми моделями сейсмичности и закономерностями, установленными по реальным данным. Разработка такой модели позволит устранить обозначенное противоречие и составит новизну проекта. Другая составляющая новизны заключается в развитии сценарного подхода для оценки сейсмических воздействий с учетом современных представлений об очаге сильного землетрясения.

Ожидаемые результаты
Проект будет выполняться параллельно по трем составляющим в их взаимодействии: 1) развитие сценарного подхода для оценки сейсмического потенциала; 2) развитие сценарного подхода для оценки сейсмических воздействий от возможных землетрясений; 3) развитие сценарного подхода для вероятностных оценок экономического ущерба от землетрясений. В результате выполнения проекта будет разработана методика расчета сейсмической опасности в заданной точке с использованием сценарного подхода. По первому направлению будет разработана модель сейсмичности, в основе которой будет использована хорошо известная модель ETAS (Epidemic Type Aftershock Sequence) в ее изотропном пространственно-временном варианте [Zhuang et al., 2004]. В модели будет учтен недавно установленный грантозаявителями экспоненциальный закон продуктивности. В модели также будет учтена фрактальная природа пространственной неоднородности сейсмического режима с использованием локальных оценок параметров Общего закона подобия землетрясений, обобщающего классическое соотношение Гутенберга-Рихтера. Учет в модели новых закономерностей, подтвержденных по данным многолетних сейсмологических наблюдений на глобальном и региональном уровнях, позволяет обоснованно ожидать, что данный результат превысит мировой уровень. По второму направлению будет выполнено моделирование вероятного сейсмического воздействия, полученного с помощью функции источника сложной структуры в пространстве и во времени (что согласуется с современными представлениями об очаге сильного землетрясения), с применением современных вычислительных мощностей, для нескольких сценарных сильных землетрясений с учетом имеющихся сейсмологических, геологических, макросейсмических и геодинамических данных о системе региональных разломов, для районов прилегающих к Байкало-Амурской Магистрали. Моделирование сейсмического воздействия на основе комплексирования данных различных типов с целью построения различных сценариев соответствует последним тенденциям мировой практики оценивания сейсмической опасности. Это обосновывает соответствие ожидаемого результата мировому уровню. По третьему направлению для оценки сейсмических рисков для населения, городов и объектов инфраструктуры Иркутской области и Прибайкалья, включая территорию районов, прилегающих к Байкало-Амурской Магистрали и нефтепровода «Сила Сибири», будут использованы результаты расчетов, полученные в рамках первого и второго направлений. Ожидаемые оценки сейсмических рисков в районах проживания людей и размещения ответственных народнохозяйственных объектов определяют значимость результатов для экономики и социальной сферы. Подчеркнем, что универсальность разрабатываемого подхода позволит использовать ожидаемые результаты проекта для любых других сейсмоопасных территорий, что является важной составляющей решения общественно значимой задачи снижения рисков и ликвидации чрезвычайных ситуаций природного характера.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Для целей корректного моделирования сейсмического процесса проведено исследование его иерархической структуры. В литературе сложилось представление о сейсмическом процессе, состоящем из основных толчков, форшоков и афтершоков. Однако такое представление усложнено наличием афтершоков у тех событий, которые сами являются афтершоками, а также наложением афтершоковых последовательностей от разных землетрясений. Таким образом, возможно проявление афтершоков афтершоков, афтершоков афтершоков афтершоков и тд. Такая иерархическая структура может характеризоваться уровнями иерархии, если считать, что каждое сейсмическое событие является афтершоком только одного предшествующего ему события. Для этого мы используем метод «ближайшего соседа» Заляпина-Бен-Зиона [Zaliapin, Ben-Zion, 2013]. Для каждого сейсмического события минимизируется функция «соседства» [Baiesi, Paczuski, M., 2004] по отношению ко всем предшествующим событиям и таким образом находится единственное событие-триггер. Функция «соседства» определяет степень взаимозависимости двух событий. Для рассматриваемого региона определяется пороговое значение этой функции, выше которого события можно считать независимыми. Если значение функции для «ближайшего соседа» оказывается выше порогового значения, то считается, что рассматриваемое событие не имеет триггера и тем самым является фоновым событием. В процессе подготовки к реализации данного проекта был установлен экспоненциальный закон продуктивности для землетрясений. В рамках проекта мы исследовали иерархическую структуру сейсмичности с учетом этого закона по данным мирового и 7 региональных каталогов землетрясений. Оказалось, что экспоненциальный характер распределения продуктивности сохраняется для разных уровней иерархии, при этом значение параметра экспоненциального распределения меняется незначительно. Была модифицирована функция «соседства» Байеси-Пачуцки, использующая точечную модель взаимодействия землетрясений – для пространственной компоненты функции введен масштабирующий коэффициент, зависящий от магнитуды главного события (эта зависимость установлена эмпирически). Аналогично работе [Zaliapin, Ben-Zion, 2013] с помощью модифицированной функции «соседства» было проведено сравнение реальной и модельной сейсмичности Калифорнии. Выявленные различия связанной (афтершоки) и фоновой сейсмичности оказались еще более контрастными, чем в цитированной работе. Полученные результаты представляются чрезвычайно перспективными для реализации целей проекта, поэтому в 2021 г. это направление исследований будет активно продолжено. Параметры сейсмического режима могут существенно варьировать вод воздействием различных факторов. Для целей проекта важно установить степень и характер влияния на сейсмичность режима флюидов в разломных структурах, а также влияние периодических воздействий. Для океанических землетрясений в зонах субдукции Камчатки и Новой Зеландии было установлено, что повторяемость афтершоков значительно возрастает (до двух раз) на максимумах как приливов, так и отливов. При этом для взбросовых землетрясений эффект сильнее на приливах, а для нормальных землетрясений на отливах. Результаты опубликованы в журнале Frontiers in Earth sciences [Shebalin, Baranov, 2020]. Установлена связь сейсмической активности в районе озера Байкал с сейшами на озере. Кроме того, с помощью непараметрической статистики критерия Кюйпера подтверждена связь повторяемости сейсмических событий с периодами лунных и солнечных циклов. Были исследованы временные вариации контрольного параметра Общего закона подобия землетрясений до и после сильных землетрясений. Показано, что коэффициенты ОЗПЗ в исследуемой области зависят от времени и коррелированы, а динамические изменения параметров в трех подобластях подчеркивают различие сейсмических режимов. Эти результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers in Earth sciences [Nekrasova, Peresan, 2020]. Проведена модификация алгоритма прогноза области возможного возникновения сильных афтершоков для мониторинговой системы AFCAST, созданной в ИТПЗ РАН в рамках предшествующего проекта РНФ. Модифицированный алгоритм учитывает степенной характер убывания числа афтершоков с расстоянием от эпицентра главного толчка. Осуществлен перенос системы AFCAST на новый сайт ИТПЗ РАН в сети Интернет: https://www.itpz-ran.ru/ru/resultaty/maps-and-databases/afcast/. Разработана схема адаптированных расчетов, основанная на модели сейсмического процесса и построении на этой базе синтетического каталога землетрясений, свойства которого близко совпадают со свойствами реальной сейсмичности, а охватываемый период времени выбирается произвольно и может достигать геологических времен. Модель строится на основе оценки параметров Общего закона подобия и закона продуктивности для землетрясений. Синтетические каталоги позволяют рассчитать ожидаемые эффекты сейсмического воздействия на конкретный объект или группу объектов по известным законам затухания. Наиболее точные оценки дополнительно будут включать моделирование сейсмического излучения от предполагаемых протяженных очагов. Для территории Байкальской рифтовой системы моделировались очаги землетрясений с Mw=7-8 с учетом возможного отличия высокочастотной части спектров от очаговой модели Аки-Бруна («омега-квадрат»). В рамках проекта используется две модели протяженного очага. В первой модели стохастического моделирования [Mai, Beroza, 2002] распределение смещений в очаге рассматривается как случайный процесс с экспоненциальной автокорреляционной функцией или как гауссовский процесс, начинающийся в заданной точке вспарывания. Вторая модель подразумевает расчет для сложной очаговой структуры системы сейсмогенерирующих разломов [Käser M. et al., 2010]. В первый год выполения проекта моделирование проводилось по первой модели. В рамках проекта принято в печать 2 статьи (обе в журнале первого квартиля по SJR; на заключительной стадии подготовки, будут опубликованы в декабре 2020 г.), опубликованы тезисы 5 докладов на международных конференциях, один из докладов сделан в режиме онлайн (Генеральная ассамблея Европейского союза наук о Земле), 4 других доклада (включая один приглашенный пленарный) перенесены на март 2021 г. Информация о проекте опубликована в электронном журнале Вестник Отделения наук о Земле РАН и доступна по адресу https://onznews.wdcb.ru/dec20/modeli-sejsmicheskogo-protsessa-dolzhny-spasti-zhizni.html Литература 1. Baiesi M., Paczuski M. Scale–free networks of earthquakes and aftershocks // Phys. Rev. E. 2004. V. 69. No 6. doi 10.1103/PhysRevE.69.066106. 2. Mai P.M., Beroza G.C. Source scaling properties from finite-fault-rupture models // Bulletin of the Seismological Society of America, 2000, v. 90, №3, P. 604-615. 3. Käser M., Castro C., Hermann V., Pelties C. SeisSol–a software for seismic wave propagation simulations // in High Performance Computing in Science and Engineering, Garching/Munich 2009 (pp. 281-292). Springer, Berlin, Heidelberg. 4. Zaliapin I., Ben-Zion Y. Earthquake clusters in Southern California I: Identification and stability // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. 2013. V. 118. No 6. P. 2847–2864. doi 10.1002/jgrb.50178

 

Публикации

1. - Модели сейсмического процесса должны спасти жизни Вестник Отделения наук о Земле Российской академии наук, 04.12.2020 (год публикации - ).

2. Воробьева И.А., Шебалин П.Н., Баранов С.В. Deficit of large aftershocks and postseismic deformation Problems of Geocosmos–2020 Proceedings of the XIII International Conference and School, S33 (год публикации - 2021).

3. Кособоков В.Г., Щепалина П.Д., Некрасова А.К. Earthquake preferred days in the Lake Baikal and Yunnan-Sichuan Region EGU General Assembly 2020, Online, 4–8 May 2020, EGU General Assembly 2020, Online, 4–8 May 2020, EGU2020-720, https://doi.org/10.5194/egusphere-egu2020-720 (год публикации - 2020).

4. Некрасова А.К., Кособоков В.Г. Unified Scaling Law for Earthquakes in assessment of seismic hazard and associated risks Problems of Geocosmos–2020 Proceedings of the XIII International Conference and School, S17 (год публикации - 2020).

5. Некрасова А.К., Пересан А. Unified Scaling Law for Earthquakes: space-time dependent assessment in Friuli-Venezia Giulia region Frontiers in Earth Sciences, - (год публикации - 2020).

6. Шебалин П.Н. New quantitative characteristics of seismicity and their relationship with regional geodynamics Problems of Geocosmos–2020 Proceedings of the XIII International Conference and School, U1 (год публикации - 2021).

7. Шебалин П.Н., Баранов А.А. Aftershock rate changes at different ocean tide heights Frontiers in Earth Scinces, - (год публикации - 2020).

8. Шебалин П.Н., Баранов С.В. Earthquake productivity law Problems of Geocosmos–2020 Proceedings of the XIII International Conference and School, S32 (год публикации - 2021).