Уже давно стало очевидным, что попытки сейсмического районирования, основанные исключительно на сведениях о происшедших землетрясениях, без разработки адекватных прогностических сейсмогеодинамических моделей, абсолютно бесперспективны. Главным и самым ответственным звеном в сложной цепи сейсмологических и геолого-геофизических исследований по районированию сейсмической опасности и долгосрочному прогнозу землетрясений является сейсмогеодинамика, изучающая особенности сейсмичности как результат динамики земной коры и всей литосферы с учетом их структуры, прочностных свойств и процессов разрушения на разных масштабных уровнях [1, 2].

Первая официальная карта сейсмического районирования была составлена в 1937 году в Сейсмологическом институте АН СССР (предшественник ОИФЗ РАН) [3, 4]. Дальнейшие исследования отечественных [5 - 8] и зарубежных [9 и др.] ученых, заложили в 50 - 60-х годах основы генетического двухстадийного сейсмического районирования с элементами прогноза и вероятностной оценкой сейсмической опасности. В соответствии с этой концепцией на первой, “сейсмотектонической”, стадии должны выявляться сейсмогенные зоны, а на второй, “инженерной”, рассчитываться создаваемый ими сейсмический эффект на земной поверхности. Вместе с тем, несмотря на высокую конструктивность такого подхода к оценке сейсмической опасности, определенное развитие получила лишь вторая стадия исследований - инженерный вероятностный расчет ожидаемого сейсмического эффекта [7 - 9]. Первая же стадия, предусматривающая идентификацию и сейсмологическую параметризацию очаговых зон и относящаяся к глубинным сейсмогеодинамическим процессам, осталась менее содержательной и в значительной степени субъективной. По этим и другим причинам при создании последующих карт общего сейсмического районирования территории бывшего СССР (ОСР 1957, 1968 и 1978 гг.) необходимость адекватных моделей зон ВОЗ хотя и декларировались, но практически такой модели не было создано даже при работе над картой выпуска 1978 г. (ОСР-78) [10].

В основу наших исследований по общему сейсмическому районированию Северной Евразии (ОСР-97) так же положен принцип двухстадийности, базирующийся на создании двух взаимосвязанных прогнозных моделей - модели очаговых зон (МОЗ) и модели сейсмического эффекта (МСЭ), однако, как будет показано ниже, предлагаемая методология (рис. 1) отличается от прежних подходов.

К числу главных достижений ОСР-97 следует отнести создание для всей огромной территории Северной Евразии, в пределах которой расположены Россия и соседние с ней страны, однородной сейсмологической и геолого-геофизической электронной базы данных и единой модели очаговых зон, представляющей прогнозную сейсмичность в ее трехмерном отображении. Во всех расчетах и построениях участвовали не точечные, как прежде, а протяженные очаги землетрясений [1, 11], и использовались новейшие представления о нелинейном проявлении сейсмогеодинамических процессов (нелинейность графиков повторяемости землетрясений, нелинейность затухания с расстоянием сейсмических сотрясений и др.) [12 - 14]. В решении практически всех задач ОСР применены вероятностные и вероятностно-детерминированные характеристики, учитывающие как случайные, так и закономерные факторы сейсмогенеза, а также разного рода неопределенности в исходных и выходных данных. Представлена информация о возможных необратимых деформациях земной поверхности вдоль разломных линеаментных структур.

Исследования проводились по проблеме “Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии” [15, 16], разрабатываемой в 1991-1997 гг. в Объединенном институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук в рамках Государственной научно-технической программы России “Глобальные изменения природной среды и климата” при финансовой поддержке Министерства науки и технологий Российской Федерации. Они явились продолжением работ по сейсмическому районированию территории бывшего СССР, начатых в 1990 году, однако выполнялись в другой политической обстановке, на ином концептуальном, методологическом и научно-организационном уровне. В исследованиях участвовали специалисты из нескольких десятков научно-исследовательских институтов Российской академии наук, ее Сибирского, Дальневосточного и Уральского отделений, а также из других организаций, в том числе из государств СНГ.

2. Сейсмогеодинамика Северной Евразии

2.1. Глобальная структура сейсмичности

В отличии от сейсмотектоники, в которой преобладают геологические представления о статике сейсмичности, сейсмогеодинамика имеет дело с количественными динамическими и физико-математическими моделями сейсмогенеза [1, 2, 11, 17 - 19]. В основу наших исследований по сейсмическому районированию положена концепция о структурно-динамическом и энергетическом единстве геофизической среды и развивающихся в ней сейсмогеодинамических процессов, ярко выраженном в глобальных, региональных и локальных масштабах, в иерархической упорядоченности сейсмоактивных структур и в направленности их геодинамического развития (рис. 2) [20].

Рис. 2. Глобальная упорядоченность региональной структуры сейсмичности.
Тонкие линии - дивергентные (конструктивные) границы литосферных плит, в стороны от которых плиты раздвигаются, продуцируя вдоль них умеренную сейсмичность. Жирные линии - конвергентные (деструктивные) участки границ, характеризующиеся сближением, нагромождением (коллизия), погружением литосферных плит (субдукция) и очень высокой сейсмичностью.

Сейсмичность территории Северной Евразии обусловлена интенсивным геодинамическим взаимодействием восьми крупных литосферных плит - Евро-Азиатской, Африканской, Аравийской, Индо-Австралийской, Китайской, Тихоокеанской, Охотоморской и Северо-Американской. Структурные и геодинамические закономерности, свойственные этой обширной территории, позволяют рассматривать ее как планетарную сейсмогеодинамическую систему, характеризующуюся иерархической гетерогенностью современных тектонических структур, начиная с литосферы и кончая блоками земной коры различного ранга, а также определенной направленностью их геодинамического развития [2, 20].

Землетрясения возникают в дискретной слоисто-блоковой среде, иерархическая структура которой предопределена предыдущими геологическими эпохами, а в конечном итоге - современной геодинамикой. Связь крупных активных геоструктур и сейсмичности наиболее ярко выражена в глобальных масштабах тремя основными типами сейсмогеодинамических взаимодействий, обусловленных расхождением (дивергенцией), сближением (конвергенцией) и сдвиговыми (трансформными) перемещениями литосферных плит. Наиболее активными в сейсмическом отношении являются конвергентные структуры, обусловленные погружением друг под друга (субдукция) или столкновением (коллизия) литосферных плит. Они достаточно упорядочены по своим размерам и представлены дугообразными участками границ между плитами, расположенными по периферии океанов (в Северной Евразии - это Курило-Камчатская зона субдукции) и их реликтами на континентах (см. рис. 2). Последние, являясь менее прочными по сравнению с окружающей средой континентальными регионами, так же характеризуются повышенной сейсмической активностью. Размеры и конфигурация океанических (а следовательно, и континентальных) дуговых структур, обусловлены соотношением толщины погружающихся в верхнюю мантию литосферных плит и кривизной земной сферы.

Нами определена среднестатистическая протяженность всех конвергентных регионов мира, составившая в среднем около 3000 км (точнее, 2570+-460 км). Соизмеримой с этой величиной оказались и преимущественные расстояния между центрами ближайших друг к другу пар регионов [17 - 20]. Более того, размеры этих сейсмоактивных областей имеют самое непосредственное отношение к оценке величины магнитуды максимальных возможных в их пределах землетрясений (M_maxmax~9). При этом, в зависимости от прочностных свойств и геодинамических условий, каждый из регионов характеризуется своим сейсмическим режимом и свойственной ему структурой сейсмичности. Обнаруженные закономерности явились основой для адекватной сейсмической регионализации (рис. 3) и были использованы нами для сейсмического районирования Северной Евразии [13].

2.2. Региональная структура сейсмичности

С геологической точки зрения, территория Северной Евразии включает в себя четыре крупные платформы разного возраста с относительно низкой и рассеянной сейсмичностью (Восточно-Европейская, Западно-Сибирская, Туранская и Сибирская) и ряд орогенических регионов с чрезвычайно высокой сейсмической активностью (Иран-Кавказ-Анатолийский, Центрально-Азиатский, Алтай-Саяно-Байкальский, Курило-Камчатский и др.). Курило-Камчатская зона субдукции (регион 4.1 на рис.3) с глубиной гипоцентров, превышающей 600 км, является наиболее подвижным и сейсмически активным регионом Северной Евразии. Здесь возникают крупнейшие землетрясения и высвобождается основная доля сейсмогеодинамических деформаций и сейсмической энергии на рассматриваемой территории.

Сейсмические явления с промежуточной глубиной залегания очагов, соответственно, до 200 и до 300 км, свойственны двум другим хорошо выраженным участкам реликтовых зон субдукции - району Вранча в Восточных Карпатах (регион 1.2) и Памиро-Гиндукушу - в Центральной Азии (регион 2.1), симметрично расположенному аналогичному участку на противоположном конце реликтовой дуги Гималаев. О субдукционном происхождении структур Иран-Кавказ-Анатолийского региона напоминают подкоровые очаги местных землетрясений, достигающие здесь глубины 150 км. Одним из ярких примеров продолжающихся процессов субдукции в этом регионе свидетельствует погружение литосферы южного Каспия под его северную часть на Апшеронско-Красноводском перешейке. Не исключено также, что быстрая смена в 1978 г. падения уровня Каспийского моря его интенсивным подъемом так же обусловлена деформацией изгиба литосферной плиты южного Каспия, что в свою очередь может служить признаком подготовки очень крупного землетрясения в этом регионе [18].

Крупнейшие внутрикоровые землетрясения с магнитудой М>8 характерны для регионов 1.1, 2.1, 3.1 и 4.1, определенной по поверхностным сейсмическим волнам. Преобладающее число сейсмических очагов во всех регионах расположено в наиболее хрупкой верхней части земной коры на глубинах до 15 км. Как будет показано ниже, распределение по глубине их гипоцентров обусловлено не только прочностными и динамическими свойствами земной коры, но и вертикальной протяженностью Н_М самих очагов, связанной с величиной соответствующей магнитуды М (далее, если это не оговорено, магнитуда M соответствует M_LH). Очаги землетрясений не рассеяны хаотично, а приурочены к относительно узким линеаментным зонам активных разломов, т.е. к местам, наиболее уязвимым для провоцирования быстрых геодинамических подвижек. Размеры разломов и расстояния между ними, в свою очередь, обусловлены толщиной и прочностными свойствами соответствующих слоев, подвергшихся в геологические эпохи разломообразованию. Чем толще слой, расчлененный разломами на блоки, тем крупнее образованные ими геоблоки, протяженнее сами разломы и крупнее приуроченные к ним сейсмические очаги. И наоборот, с уменьшением толщины слоев уменьшаются размеры разломов, геоблоков и очагов землетрясений.

Было обнаружено, что расстояния d_j между дислокационными узлами разломов и, соответственно, размеры геоблоков имеют ярко выраженную тенденцию группироваться по рангам, примерно удваивая от ранга к рангу свои размеры в плане и по глубине [17, 20]. Это интересное явление, по нашему мнению, связано с регулярностью удвоения глубины залегания основных границ раздела в земной коре и верхней мантии, которых и достигают разломы соответствующих рангов. Так, кровля “гранитного” слоя на континентах в среднем залегает на глубине около 10 км, поверхность “базальтового” слоя (граница Конрада) - 20-25 км, подошва земной коры (граница Мохоровичича) - 40-50 км, подошва литосферы ~100 км, астеносферы ~200 км, далее следуют границы на глубинах около 400 и ~700 км. Как выясняется, этой фундаментальной закономерности скачкообразного изменения физических свойств вещества с удвоением глубины его залегания подчинены все геологические горизонты вплоть до земной поверхности, включая структуру речных террас и даже почвы.

Выявленная упорядоченность диктует регулярность не только в системах тектонических разломов и геоблоков, но и в иерархии очагов землетрясений: чем крупнее землетрясения, тем дальше друг от друга расположены их очаги. Так, очаги землетрясений, ранжированные по магнитуде М, распределены упорядоченно не только во времени (“закон Гутенберга-Рихтера”), но и в пространстве. Как оказалось, среднестатистические расстояния d_M (км) между эпицентрами ближайших пар сейсмических очагов размером L_M (км) и магнитуды М описываются следующими простейшими соотношениями [17]: 

Представление очагов крупных землетрясений не в виде точек и абстрактных условных значков, как это делалось прежде, а в форме эллипсов с учетом их ориентации, протяженности и ширины, было положено в основу всех наших исследований по изучению структуры сейсмичности и сейсмическому районированию Северной Евразии [1, 11 - 20]. В Таблице 1 в числовом выражении приведены средние и интервальные (в скобках) значения соотношений величин М, L_M и d_M:

С выявлением новых функциональных и статистических зависимостей, характеризующих региональную сейсмичность, открылись более широкие возможности для привлечения к оценке сейсмической опасности геологических данных. На основе этих и других зависимостей в свое время нами была разработана фрактальная решеточная модель (РМ) сейсмогенеза [17 - 19], со всей убедительностью показавшая, какого размера территорию необходимо рассматривать для адекватной оценки сейсмического режима максимальных возможных и других землетрясений в ее пределах.

2.3. Сейсмический режим регионов

Землетрясения по своей величине и частоте повторения (как и другие природные явления, в том числе и сами разломы), подчинены фундаментальной закономерности, очень важной для исследований по сейсмическому районированию: чем больше масштаб явления, тем реже оно возникает. И хотя наиболее крупные сейсмические события происходят в одном и том же очаге чрезвычайно редко - один раз в сотни, а иногда и в тысячи лет, но возникая в очагах по соседству, они могут создавать вполне реальную угрозу строительным объектам и урбанизированным территориям.

До недавнего времени предполагалось, что повторяемость землетрясений в широком интервале магнитуд описывается одной и той же простейшей зависимостью, которая будучи построенной в двойном логарифмическом масштабе для числа сейсмических событий разной магнитуды (магнитуда - величина логарифмическая) выражается прямой линией, как это показано пунктиром на рис. 4, с углом наклона b, вычисляемым по формуле (4): 

В наших исследованиях использованы более реалистичные, нелинейные, графики повторяемости землетрясений (рис.4 и Табл. 2), отражающие то, что частота V_М (среднегодовое число событий) возникновения крупных сейсмических событий с М>6.5 характеризуется не экспоненциальной, а иной зависимостью по сравнению с участком графика в интервале меньших магнитуд 4.0<М<=6.0, где эта зависимость близка к экспоненциальной. Другими словами, крупные землетрясения возникают гораздо чаще, чем это следовало бы из простой экстраполяции прямолинейных участков графиков V_М в сторону больших магнитуд. Причина нелинейности графиков повторяемости, опять-таки, кроется в слоисто-блоковом строении земной коры и всей литосферы, поскольку большие очаги крупных землетрясений не умещаются в том же слое, что и малые, а захватывают более глубокие горизонты с иными прочностными и динамическими свойствами [1].

2.4. Структура зон возникновения очагов землетрясений

Идентификация зон возникновения очагов землетрясений (зоны ВОЗ) и определение параметров их сейсмического режима является самым сложным и наиболее ответственным звеном в исследованиях по сейсмическому районированию, поскольку от этого зависит надежность всех последующих построений.

В основу создания новых карт общего сейсмического районирования территории России и всей Северной Евразии положена линеаментно-доменно-фокальная (ЛДФ) модель зон ВОЗ, разработанная нами в результате изучения структуры очаговой сейсмичности и ее решеточного моделирования (рис.5) [17 - 19]. Идея ЛДФ-модели состоит том, что рассматриваются четыре масштабных уровня структуры сейсмичности. Сначала вся изучаемая территория делится на крупные и генетически единообразные в тектоническом, геодинамическом и сейсмическом отношении регионыR_i (см. рис.3), а затем в каждом из них выделяются основные структурные элементы трех типов - линеаменты (l), отражающие концентрированную (структурированную) сейсмичность; домены (d), характеризующие рассеянную, или диффузную, сейсмичность; потенциальные очаги (f) землетрясений, выявляющие наиболее опасные участки и, как правило, приуроченные к линеаментным структурам. После чего удельная плотность общего потока V_RM сейсмических событий разных магнитуд М в регионе, равная среднегодовому их числу N_М, распределяется между всеми типами сейсмогенерирующих структур по принципу, который изложен ниже. Все полученные таким образом характеристики сейсмического режима в дальнейшем участвуют в моделировании прогнозной сейсмичности, в расчете сейсмической сотрясаемости и в сейсмическом районировании.

Зоны ВОЗ, как и землетрясения, классифицируются по магнитуде M с шагом 0.5+-0.2 единицы магнитуды. Верхний порог магнитуды (M_max) определяется реальной сейсмогеодинамической обстановкой, а нижний (M_min) - надежностью регистрации землетрясений минимальной магнитуды, но представляющих определенную сейсмическую опасность особо ответственным строительным объектам. В наших исследованиях приняты M_min = 4.0 и минимальная сейсмическая интенсивность I_min= 5 (по шкале MSK-64). Величина M_max оценивается всеми доступными и разумными способами: по археологическим и историческим памятникам, по размеру древних сейсмодислокаций, ширине зон динамического влияния главных сейсмогенных структур, протяженности и сегментации сейсмоактивных разломов, по размеру взаимодействующих геоблоков, по конфигурации графиков повторяемости землетрясений, по экстремальным значениям графика накопления тектонических деформаций, по потенциальным очагам землетрясений максимальной магнитуды и т.п.

Сейсмолинеаменты (l_м) служат основным каркасом зон ВОЗ и отображают на земной поверхности в генерализованном виде оси верхних кромок трехмерных и относительно четко выраженных сейсмоактивных разломных или сдвиговых структур. Сейсмолинеаменты (далее - линеаменты) трассируют сочленения геоблоков, характеризующиеся наиболее контрастной тектонической активностью, структурированной (концентрированной) сейсмичностью, упорядоченным напряженно-деформированным состоянием, выраженным, в частности, в согласованности подвижек в очагах местных землетрясений, и т.п. Линеаменты и их сегменты характеризуются магнитудой максимального возможного в их пределах землетрясения М_max (ранг линеамента), определенным сейсмическим режимом V_М или периодомТ_Мповторяемости землетрясений, величиной остаточных деформаций (дислокаций)d_o, длиной l, шириной w, глубиной залегания верхней h_min и нижней h_maxкромок плоскости сейсмогенной структуры, азимутом простирания Az^o, углом падения е^o, типом преобладающих подвижек (сдвиг, надвиг, сброс и др.). Линеаменты имеют самое разнообразное простирание, обусловленное тектоникой региона, и пересекают друг друга, что в следствии суммирования сейсмического эффекта I от близко расположенных линеаментов “автоматически” повышает сейсмическую опасность их дислокационных узлов.

Домены (d_м) - это менее выраженные или недостаточно изученные в структурном отношении объемные области земной коры и всей литосферы, но характеризующиеся квазиоднородной тектоникой и относительно слабой рассеянной сейсмичностью. Домены охватывают слои толщиной от h_min до h_max км. В отличие от линеаментов они не пересекаются и покрывают всю исследуемую территорию без просветов и наложений. Кажущееся пересечение свойственно доменам, принадлежащим разным глубинным слоям, как например, в Курило-Камчатской фокальной зоне, в Памиро-Гиндукуше, Восточных Карпатах и в других районах. Появление “доменных” представлений связано с трудностями выявления более тонкой структуры очаговой сейсмичности по землетрясениям малых магнитуд из-за больших погрешностей в определении местоположения их эпицентров. На самом же деле, несомненно, сейсмичность структурирована на всех масштабных уровнях.

Потенциальные очаги (f_м) землетрясений, выделяемые различными способами (по древним сейсмодислокациям, по преимущественным межэпицентральным расстояниям, методами распознавания образов и т.п.), как правило, приурочены к линеаментным структурам, а их размеры L_fмсоответствующим образом связаны с величиной магнитуды М_max максимальных возможных в них землетрясений и могут быть определены по формуле (2), по таблице 1 или иными способами. Потенциальные очаги характеризуются теми же параметрами, что и реальные очаги землетрясений вдоль соответствующих линеаментов (сдвиг, сброс, надвиг и т.п.).

При генерализованном сейсмическом районировании, каким является ОСР-97, более или менее надежно выделяются линеаменты, генерирующие землетрясения с М_max=>6.0. При этом линеаменты с М_maxвключают в себя и линеаменты меньших рангов, поскольку вдоль них (с определенной дисперсией) происходят также и землетрясения с М<М_max. Потенциальные очаги, выявленные тем или иным способом, характеризуются чаще всего землетрясениями с М_max=>7.0. Очаги землетрясений с М_max<=5.5, как правило, принадлежат доменам. При детальном сейсмическом районировании (ДСР) порог граничных магнитуд может быть понижен.

Рис.6. Зоны ВОЗ на территории Северной Евразии и их основные структурные элементы - линеаменты, домены и потенциальные очаги. Ширина линеаментов (толщина линий) пропорциональна магнитуде М_max максимальных возможных в их пределах землетрясений. Магнитудная характеристика линеаментов и доменов показана цветом. Потенциальные очаги на рисунке не выделены.
В картировании зон ВОЗ принимали участие специалисты из многих организаций России и других стран СНГ (отв. редактор В.И.Уломов). Основная часть работы по картированию доменов выполнена В.Г.Трифоновым, Н.В.Шебалиным и др.[21], потенциальные очаги выявлены Г.И.Рейснером, Л.И.Иогансон, Е.А.Рогожиным (распознавание образов) [22] и В.И.Уломовым (метод межэпицентральных расстояний [17]).

В общей сложности для ОСР-97 на всей территории Северной Евразии (см. рис. 6) было выделено 580 линеаментов с М=>6.0, состоящих из более 1000 сегментов, 442 домена с М<=5.5 и 11 потенциальных очагов с М=7.0 и М=7.5 (последние, в основном, на Северном Кавказе и Алтае). В пределах нескольких доменов (это относится главным образом к Камчатке), хотя их сейсмический потенциал оценивался как М>6.0, не удалось выделить какие-либо линеаменты и они охарактеризованы рассеянными очагами землетрясений с соответствующими М_max. Крупная фокальная зона субдукции Курило-Камчатского региона по своей конструкции так же рассматривалась в виде объемных (в том числе наклонных) доменов с повышенными значениями магнитуд (заштрихована на рисунках 6 и 14). Зоны ВОЗ с промежуточной глубиной залегания очагов в Памиро-Гиндукуше и Восточных Карпатах были представлены в виде комбинации доменов с линеаментами, расположенными на соответствующих глубинах.

Рис. 7. Графики кумулятивного распределения числа N линеаментов разного ранга М_max в основных регионах Северной Евразии (см. рис.3 и 7). Пунктир - график, отражающий общий тренд всех кривых N(M) и соответствующий фрактальной размерности U=0.9.

Примечательно, что графики кумулятивного распределения количества линеаментов разного ранга в зависимости от величины М в каждом из регионов (рис.7) отражают фрактальную размерность U=0.9 всего иерархического множества линеаментных структур и напоминают графики повторяемости землетрясений. Введенный нами параметр U совпадает с наиболее распространенной средней величиной угла наклона b=0.9 (фрактальная размерность) графиков V_М повторяемости землетрясений (см. Рис. 4), что еще раз подтверждает правомочность развиваемой нами концепции о структурно-динамическом единстве геофизической среды и развивающихся в ней сейсмических процессов, а в итоге - и реалистичность самой модели зон ВОЗ Северной Евразии.

2.5. Сейсмический режим структурных элементов зон ВОЗ

Сейсмическая активность V_l, V_d и V_f каждого из структурных элементов (l_м, d_м, f_м) зон возникновения очагов землетрясений обусловлена средним долговременным сейсмическим режимом V_RМ всего региона, структурной частью которого они являются (см. Рис. 5). Поэтому конфигурация графиков повторяемости землетрясений разных магнитуд М в каждой из таких структур будет иметь сходство с соответствующим распределением, представленным в Таблице 1 и на рис.4, а в суммарном виде - абсолютно совпадать с ним (“закон сохранения потока энергии”) [13, 19].

На рис. 8 представлена блок-диаграмма, поясняющая принцип распределения удельного (среднегодового) потока V_R сейсмических событий разных магнитуд M_max региона между его основными структурными элементами - линеаментами (M_max=>6.0), доменами (M_max <=5.5) и потенциальными очагами землетрясений (M_max=>6.0). Видно, в частности, что линеаменты более высокого ранга включают в себя также линеаменты меньших магнитуд и тем самым “захватывают” соответствующую долю их потока сейсмических событий. Количество же линеаментов N меньших магнитуд складывается из их числа и числа всех линеаментов большего ранга (принцип кумулятивности). Поэтому для сейсмологической параметризации линеаментов (в том числе и их сегментов) сначала вычисляется их суммарная (кумулятивная) длина, складывающаяся из длин всех линеаментов рассматриваемого и более высоких рангов, а затем общий среднегодовой поток V_RM сейсмических событий региона с M=>6.0 делится на субпотоки по интервалам в 0.5+-0.2 единицы магнитуды и распределяется пропорционально длине соответствующих линеаментов с учетом принципа кумулятивности.

Поток сейсмических событий V_fМ в потенциальных очагах с М_max вычисляется как доля потока V_lМна соответствующих линеаментах, но при этом им “выделяются” только землетрясения с одной конкретной их магнитудой М = М_max, а не весь поток событий с М < М_max, как для обычных линеаментов (т.е. как бы исключается афтершоковая активность потенциальных очагов). Сейсмический режим доменов определяется, как правило, непосредственно из наблюдений частоты V_М=1/Т_Мвозникновения или периода Т_М повторяемости землетрясений в их пределах и охватывает интервал от М_maxв домене до магнитуды М_min, представительной в регионе. Для слабоактивных и асейсмичных в настоящее время доменов применялись экспертные оценки [21, 22].

2.6. Моделирование сейсмичности для расчета сейсмической опасности

Поскольку в основу принятой нами методологии расчета сейсмической опасности [13, 14] положены не сами линеаменты или домены, а распределенные в соответствии с их структурой модельные (виртуальные) очаги землетрясений различных магнитуд, в решения практически всех задач введены вероятностные характеристики, учитывающие наряду с закономерными и случайные факторы (дисперсия местоположения очагов землетрясений, разброс оценок магнитуд и сейсмического эффекта и т.п.). Это позволило наилучшим образом приблизить идеализированные модели к природным условиям. Так, поскольку реальные очаги не располагаются строго вдоль осей линеаментов, а отклоняются от них в ортогональном направлении на величину D_м, зависящую от магнитуды M генерируемых ими землетрясений, нами получены среднестатистические значения таких отклонений: чем меньше магнитуда землетрясения, тем дальше от оси линеамента могут отклоняться их очаги (рис.9). Такое рассеяние очагов обусловлено не только погрешностями в определении их координат, но и размером областей динамического влияния линеаментных структур. С другой стороны, относительно широкий диапазон отклонений D очагов землетрясений с М=6.0 от осей всех линеаментов с М=>6.0 обеспечил достаточно плавный переход от структурированной сейсмичности линеаментов к рассеянной сейсмичности доменов.

На рис.10 в виде смещенных по вертикали эллипсов показаны возможные флуктуации по глубине очагов внутрикоровых землетрясений разных магнитуд. Интервал глубин для таких флуктуаций был выбран опытным путем равным 5 км, хотя сами виртуальные очаги более значительно меняют свое положение по вертикали, поскольку их верхние кромки достигают кровли консолидированной коры, глубина залегания которой существенно изменяется в пределах регионов и на всей территории Северной Евразии. Наряду с положением очагов, близким к вертикальному (интервал 90⁰+-20⁰), свойственному сдвиговым структурам, в расчетах для надвигов и сбросов использовались и два других интервала углов падения - 45⁰+-20⁰ и 135⁰+-20⁰. Как видно на рис.10 и 11, преобладающее число гипоцентров слабых землетрясений расположено на глубинах до 10 - 15 км, однако с ростом магнитуды (что соответствует увеличению вертикальной протяженности очагов) их гипоцентры заглубляются, отражая местоположение начала вспарывания пород внутри очага.

Все эти и другие характеристики были использованы при математическом моделировании прогнозной сейсмичности, на основе которой затем рассчитывалась и картировалась сейсмическая опасность. “Разыгрывание” виртуальных очагов осуществлялось в соответствии с долговременным средним сейсмическим режимом территории (см. рис.4) путем многократных случайных выборок из модельного каталога, специально созданного компьютерным путем на продолжительный интервал времени (десятки и сотни тысяч лет) [14]. При этом алгоритмом предусматривалось, чтобы при “разыгрывании” очагов для одной какой-либо структуры исключалось попадание одинаковых событий в один и тот же очаг до тех пор, пока не завершится полный цикл виртуальной активности этой структуры.

Рис. 12 иллюстрирует долгосрочный прогноз сейсмичности в виде карты виртуальных очагов землетрясений с М=>4.0, построенной, в качестве примера, по одной случайной выборке для 100-летнего интервала времени из большого модельного каталога. Сейсмические очаги изображены здесь в виде прямоугольников, размеры которых соответствуют более “физичной” моментной магнитуде Mw прогнозируемых землетрясений, вычисленной по сейсмическому моменту Mo дислокации в соответствующих очагах или определенной корреляционным путем через магнитуды M. Расположение очагов относительно осей линеаментов и внутри доменов согласовано с описанными выше соотношениями (рисунки 9 - 11) и данными о глубине залегания кровли консолидированной земной коры, а их ориентация в пространстве - с азимутами простирания и направлением падения плоскостей соответствующих линеаментов.

На заключительной стадии работ по ОСР-97 сейсмический эффект на земной поверхности вычислялся от каждого виртуального очага в отдельности с учетом его размеров и закона затухания сейсмических сотрясений с расстоянием.

Интересно сравнить карту виртуальной сейсмичности с реально наблюденной в этом регионе (рис. 13, см. также регион 1.1 на рис. 3).

2.7. Поверхностные дислокации вдоль линеаментных структур

Как известно, динамическое проявление внутрикоровых очагов землетрясений состоит не только в генерировании ими упругих сейсмических волн, вызывающих сотрясения окружающей среды, но и в возникновении необратимых смещений по разломам и деформаций земной поверхности. При крупных землетрясениях поверхностные дислокации могут достигать нескольких метров (см. Таблицу 3) и представлять не меньшую опасность протяженным строительным объектам (мосты, трубопроводы, транспортные магистрали и т.п.), чем само землетрясение. Амплитуду смещения d_o (метры) бортов разломов вдоль соответствующих линеаментов можно определить по формуле (4), отражающей величину средней относительной деформации (около 10^-4) пород в центральной части очага (вернее, на отрезке L/2) при его вспарывании [1, 17]: 

3. Комплект новых карт сейсмического районирования территории России и сопредельных регионов

3.1. Вероятностное картирование сейсмической опасности

Практически все предыдущие карты общего сейсмического районирования территории бывшего СССР (1937, 1957, 1968 и 1978 гг.) были детерминистскими и строились на экспертных оценках. Даже карта 1978 года, в которую впервые были введены некоторые вероятностные характеристики повторяемости сотрясений, на самом деле не давала адекватных оценок сейсмической опасности [10]. Индексы 1, 2 и 3 возле номиналов в зонах балльности на этой карте, якобы отражающие повторяемость сейсмических сотрясений один раз в 100, 1000 и 10000 лет, явились одной из причин низкой надежности карты ОСР-78. В результате такой индексации реальный инженерный риск, определяемый этой картой, оказался не единым для всех сейсмоопасных районов страны. В связи с этими и другими обстоятельствами нами было принято решение создать не одну карту с различными индексами, как это было сделано авторами ОСР-78, а комплект вероятностных карт ОСР-97, в которых принята концепция использования расчетной нагрузки с фиксированной повторяемостью и категорирования строительных объектов по их сроку службы и категории ответственности (рис.14).

Комплект из трех новых карт ОСР-97 (А, В, С) создан на принципиально новой методологической основе [13, 14, 23 - 25]. Методика расчета сейсмической опасности путем статистического моделирования каталога и информации о долговременных характеристиках сейсмичности исследуемой территории развивает подходы, содержащиеся в работах Ю.В.Ризниченко, В.И.Кейлис-Борока с коллегами, К.А.Корнелла и других исследователей в этой области, но лишена многих их недостатков. Главными отличиями реализованного нами на практике программно-математического обеспечения, разработанного А.А.Гусевым с сотрудниками в рамках программы “Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии” [15, 16], являются следующие: созданы формализованные условия для учета разнообразной информации о сейсмичности и сейсмическом режиме; применено теоретически обоснованное описание поля некогерентного излучения сейсмических волн протяженным очагом землетрясения; обеспечен учет и контроль распределения по глубине очагов конечного размера; получен набор карт с определенным периодом повторяемости сотрясений, позволяющий оценивать вероятность сейсмической опасности на рассматриваемой территории и обеспечивать одинаковую степень риска в пределах каждой из таких карт.

Расчет и картирование интенсивности I_T сейсмических сотрясений земной поверхности с учетом их затухания с расстоянием от протяженного очага и повторяемости в заданной точке в среднем один раз в Т лет, как уже было сказано, осуществлялись по модельному каталогу землетрясений, составленному на основе ЛДФ-модели прогнозной сейсмичности. Вероятность Р превышения интенсивности I_Т в течениеt лет (т.е. произойдет хотя бы одно такое событие) определялась по известной формуле: 

По полученным в каждом узле сетки значениям I_Tстроились карты расчетного балла I_T. Оценивалась также точность определения величины I_T, которая кроме всего прочего, несомненно, зависит и от числа выборок из модельного каталога [14]. Так, увеличение отношения n=T_cat/T в 10 раз сужает интервал ошибки в 3 раза. Например, точность расчета в +- 0,1 балла для I_T обеспечивается каталогом, составленным на период времени, превышающий Т в 100 раз (n=100). Эта погрешность, обусловленная методом расчета, значительно меньше ошибок, связанных с неопределенностью в исходных данных. Вместе с тем в процессе работы над созданием карт ОСР-97 указанное соотношение выдерживалось и с целью увеличения числа выборок модельные каталоги землетрясений составлялись на интервалы времени от 50000 до 250000 лет.

Комплект карт ОСР-97 (А, В, С) позволяет оценивать степень сейсмической опасности на трех уровнях, отражающих расчетную интенсивность I сейсмических сотрясений (в баллах шкалы MSK-64), ожидаемых с заданной вероятностью Р(%) на данной площади в течение определенного интервала времени t (в данном случае, t=50 лет):

- карта ОСР-97-А соответствует 10%-ной (точнее, Р = 9,52%) вероятности превышения (или 90%-ной вероятности не превышения) расчетной интенсивности в течение 50 лет или среднему периоду Т повторяемости сотрясений один раз в 500 лет;

- карта ОСР-97-В соответствует 5%-ной (точнее, 4,88%) вероятности превышения (или 95%-ной вероятности не превышения) расчетной интенсивности в течение 50 лет и Т=1000 лет;

- карта ОСР-97-С соответствует 1%-ной (точнее, 0,99%) вероятности превышения (или 99%-ной вероятности не превышения) расчетной интенсивности в течение 50 лет и Т=5000 лет. Эта карта рекомендована взамен прошлой и некорректной оценки для Т=10000 лет (индекс 3 на карте 1978 года).

В иной трактовке, карты ОСР-97-А, ОСР-97-В и ОСР-97-С соответствуют 90%-ной вероятности не превышения (или 10%-ной вероятности превышения) расчетной интенсивности в течение - 50, 100 и 500 лет, соответственно. По нашей рекомендации, карта ОСР-97-А должна быть предназначена для использования в массовом строительстве, как это делается во многих странах мира, где так же принимается 10%-ный риск превышения расчетной интенсивности (чаще всего - пиковых ускорений) в течение 50 лет, карта ОСР-97-В - для строительства объектов повышенной ответственности (школы, больницы и т.п.) и карта ОСР-97-С - для особо ответственных сооружений (АЭС и другие экологически опасные объекты).

3.2. Зоны сейсмической интенсивности на картах ОСР-97 России

Сейсмическое районирование актуально для всей без исключения территории Российской Федерации, где даже в относительно спокойных в геологическом отношении равнинных регионах имели место в прошлом и возможны в будущем достаточно сильные и разрушительные землетрясения. Свыше трети территории России подвержено 7-балльным сейсмическим воздействиям, требующим проведения антисейсмических мероприятий. Более 15% площади страны занимают чрезвычайно опасные в сейсмическом отношении 8-9- и 9-10-балльные зоны. К таким регионам относятся Дальний Восток, весь юг Сибири, а также Северный Кавказ. Определенную угрозу в сейсмическом отношении представляют и 6-7-балльные зоны Европейской части России. Это, прежде всего, Средний Урал и Приуралье, Приазовье, Поволжье, Кольский полуостров и сопредельные с ними территории.

В нефтедобывающих районах Татарстана, на горно-промышленных объектах Пермской области и других субъектов Российской Федерации к естественной сейсмичности добавляется и индуцированная локальная сейсмогеодинамическая активизация, способная спровоцировать сильные землетрясения и причинить дополнительный ущерб народному хозяйству. Известны местные землетрясения и в Воронежской области, где расположена Ново-Воронежская АЭС. Сейсмоопасными и в связи с этим экологически уязвимыми являются бассейны Черного и Каспийского морей, шельфы моря Лаптевых, Охотского, Чукотского и Баренцево морей, являющиеся поставщиками природного газа и нефтепродуктов. Продолжительные низкочастотные 4-5-балльные сотрясения, распространяющиеся на огромные расстояния от заглубленных очагов крупных землетрясений в Восточных Карпатах, способны повредить чувствительные к таким колебаниям уникальные высотные строительные объекты даже на большом удалении от эпицентров, в том числе на территории Москвы и Московской области.

В соответствии с картами ОСР-97 (А, В и С) для территории Российской Федерации на рис.15 приведены размеры площадей зон 6, 7, 8, 9 и более баллов шкалы MSK-64 в процентах по отношению ко всей площади России. В первом столбце гистограммы показаны аналогичные величины для российского фрагмента карты ОСР-78, но без дифференциации зон балльности по периодам повторяемости сотрясений (т.е. без учета индексов 1,2,3 на старой карте). Как видно на гистограмме, даже менее “суровая” и наиболее “рискованная” карта ОСР-97-А из нового комплекта превосходит по размерам площадей разной балльности карту ОСР-78. Незначительное уменьшение площади 9-балльной зоны на карте ОСР-97-А, соответствующей I₅₀₀ (т.е. Т=500 лет), произошло главным образом за счет Прибайкалья, где по карте ОСР-78 она показана с индексом 2, что соответствует I₁₀₀₀(т.е. Т=1000 лет). На карте же ОСР-97-В (I₁₀₀₀) площадь 9-балльной зоны Прибайкалья почти в два раза увеличилась по сравнению с ОСР-78. Менее всего претерпела изменения 6-балльная зона, определенным образом изменяющая свою конфигурацию от карты к карте. Остальные зоны увеличились по площади от 2-3 до 5-7 раз по сравнению с картой ОСР-78. Наиболее существенные изменения в сторону повышения оценки сейсмической опасности произошли на Северном Кавказе и на Дальнем Востоке, особенно в Приморском крае.

Разработка новой методологии, создание единой для всей Северной Евразии сейсмогеодинамической модели зон ВОЗ, использование при расчетах сейсмической сотрясаемости нелинейных графиков повторяемости землетрясений с М_мах>6.5, наблюдаемых в каждом из сейсмоактивных регионов, а также другие нововведения привели к более реалистичным оценкам сейсмической опасности по сравнению с сильно заниженными прежними оценками карты ОСР-78. Близость созданных нами карт ОСР-97 реальным природным условиям подтверждается сравнением расчетной и наблюденной повторяемости сотрясений разной балльности в городах с достаточно продолжительной “сейсмической историей”.

4. Заключение

Землетрясения неизбежны, поскольку связаны с геологической эволюцией планеты, продолжающейся уже десятки и сотни миллионов лет. Предсказать время возникновения очередных подземных толчков, а тем более предотвратить их, к сожалению, невозможно. Однако разрушения и число человеческих жертв могут быть уменьшены путем создания достоверных карт сейсмического районирования, качественного сейсмостойкого строительства и проведения в сейсмоактивных районах долговременной государственной политики, основанной на повышении уровня осведомленности населения и федеральных органов об угрозе землетрясений.

Несмотря на научные достижения в области сейсмологии и сейсмостойкого строительства сейсмическая опасность с каждым годом не убывает, а растет в прямой связи с хозяйственным освоением сейсмоактивных территорий и интенсивным воздействием человека на литосферную оболочку Земли (бесконтрольная откачка нефти и газа, добыча других полезных ископаемых, строительство крупных гидротехнических сооружений, захоронение вредных отходов и т.п.). Повышенный сейсмический риск связан с размещением в сейсмоактивных регионах атомных электростанций и других экологически опасных объектов, поскольку даже незначительные землетрясения и их вторичные поражающие факторы (оползни, обвалы, наводнения, трещины на земной поверхности и т.п.) могут нарушить их нормальное функционирование.

Разработанная для ОСР-97 методика конструирования моделей зон возникновения очагов землетрясений и расчета создаваемой ими сейсмической опасности, в отличие от западной, названа нами “ВОСТОК-97” (“EAST-97” - Earthquake Adequate Source Technology - Технология адекватных очагов землетрясений). Она получила одобрение международной Программы оценки глобальной сейсмической опасности - (Global Seismic Hazard Assessment Program - GSHAP) [26], а карта ОСР-97-А территории Северной Евразии, пересчитанная нами в пиковые ускорения (PGA), помещена в Internet - http://seismo.ethz.ch/hazard/gshap/neurasia (Цюрих, Швейцария) и войдет составной частью в мировую карту оценки глобальной сейсмической опасности, планируемую к завершению в 1998-1999 гг. под эгидой ООН и Десятилетия по снижению ущерба от природных катастроф.

Дальнейшее развитие фундаментальных и прикладных исследований в области сейсмогеодинамики и сейсмического районирования должно быть направлено на совершенствование модели зон возникновения очагов землетрясений Северной Евразии и на создание новых методов районирования сейсмической опасности, основанных на изучении динамики сейсмичности, миграции деформационных волн и сейсмической активизации, повторяемости землетрясений в одном и том же очаге, и на разработку других нерешенных проблем сейсмогенеза.

5. Благодарности

Комплект новых карт общего сейсмического районирования ОСР-97 территории Северной Евразии создан в Объединенном институте физики Земли им. О.Ю.Шмидта (ОИФЗ РАН, Ген. директор В.Н.Страхов) Российской академии наук в результате комплексных исследований, выполненных в 1991-1997 гг. по проблеме “Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии” (рук. Зав. Лабораторией континентальной сейсмичности ОИФЗ РАН В.И.Уломов) в рамках Государственной научно-технической программы “Глобальные изменения природной среды и климата” (рук. Вице-президент РАН Н.П.Лаверов), при финансовой поддержке Миннауки России (нач. Управления окружающей среды А.М.Новиков), при участии научно-исследовательских институтов Российской академии наук и академий наук бывших союзных республик, без которых работа по ОСР-97 Северной Евразии не могла бы быть выполнена.

Автор глубоко благодарен своим коллегам - руководителям тематических рабочих групп - Н.В.Кондорской (каталоги землетрясений), В.Г.Трифонову (активные разломы и сейсмогеологическая таксономия), А.Ф.Грачеву (неотектоника), А.А.Гусеву, В.М.Павлову, Л.С.Шумилиной (алгоритмы и программа расчета сотрясаемости) и всем многочисленным участникам исследований из институтов Российской академии наук, ее Сибирского, Дальневосточного и Уральского отделений, а также из научно-исследовательских институтов других стран СНГ. Особую признательность заслуживают самые ближайшие помощники автора - Л.С.Шумилина и Н.С.Медведева, на которых выпала основная тяжесть многочисленных расчетов и картографических построений. Участие Ш.С.Андержанова и Ю.М.Колесникова в освоении географических информационных систем и в создании электронного банка сейсмологических и геолого-геофизических данных значительно облегчило выполнение работы.

Литература

Сведения об авторе

Уломов Валентин Иванович родился 7 января 1933 г. в Ташкенте (Узбекистан). В 1955 году окончил геолого-разведочный факультет Среднеазиатского Политехнического института (Ташкент). Он доктор физико-математических наук, профессор геофизики, член-корреспондент Академии наук Узбекистана (АНУ). С 1955 до 1960 гг. работал в Институте физики Земли им. О.Ю.Шмидта Академии наук СССР (ныне ОИФЗ РАН, Москва), с 1960 по 1990 гг. – в Узбекистане: Заведующий Ташкентской Сейсмологической Обсерваторией (1960–1990), Заместитель директора Института геологии и геофизики (1993–1966) и Заместитель директора Института сейсмологии АНУ (1966–1985), созданного в 1966 г. по его инициативе. С 1964 до 1979 гг. руководил Среднеазиатским Центром Сейсмологических Наблюдений, созданным им в Ташкенте. Возглавлял сейсмологические исследования природы всемирно известных Ташкентского (1966) и Газлийских (1976, 1984) землетрясений. Он  автор научного открытия прогностического явления – эмиссии радона перед землетрясениями. В 1981 г. удостоен Государственной премии Узбекистана. Начиная с 1990 г. он работает снова в ОИФЗ РАН (Москва): заведующим Лабораторией Континентальной Сейсмичности, руководителем исследований по сейсмическому районированию Северной Евразии. Он автор свыше 250 научных работ, включая несколько больших монографий и Карту Общего Сейсмического Районирования Российской территории - ОСР-97. Его главные научные интересы – фундаментальная и прикладная сейсмология, структура и динамика литосферы, физика очага землетрясений и их прогнозирование, глобальная и региональная сейсмичность, сейсмическая регионализация и районирование сейсмической опасности.