Сейсмическое микрорайонирование (СМР)

В динамическом подходе, некоторые специалисты не рекомендуют применять пассивную сейсмику, якобы из-за слабой активности окраин сейсмических поясов и сегментов (сейсмотектонических провинций). Мы исследуем этот вопрос.

Исследуем вопрос о формировании пакета расчетных воздействий, тем самым разворачиваем СМР навстречу проектировщику, как и задумывалось С.В. Медведевым 60 лет назад.

Приходится признать, совокупность взглядов и характер мышления прошлого века по-прежнему доминирует в сообществе инженерных геофизиков.

О методологии работ

Давно известно, природа познается инженером через экспериментальные исследования. Неизбежно встают упрощения сложного мира и отслеживания главных свойств через процедуры моделирования. И тогда в профессиональных сообществах инженеры договариваются о критериях истинности.

Наилучшие результаты в познании природы по Павлову А.Н. даѐт примерно такая схема:

1. Формулировка задачи. Определяется, что мы собственно хотим.

2. Постановка задачи. Построение концептуальной модели. Одной или нескольких. Частично Техническое Задание, но в основном программа работ

3. Построение параметрической базы выбранной модели. Что измерять, как делать и т.п. Это программа работ

4. Натурные исследования. Наблюдения, измерения. Это полевой период

5. Уточнение концептуальной модели по результатам натурных исследований. Создание рабочей модели путем некоторых вычислительных или натурных экспериментов. Заметим, моделировать можно только физические эффекты.

6. Использование модели (контроль) и принятие решения.

7. В случае положительных результатов модель пускается в проектирование. В случае отрицательного решения процедура моделирования повторяется. Поэтому в практике исследований обычно работают сразу над несколькими концептуальными вариантами.

Это надежная система координат и, если в ней работать, у Вас никогда не будет проблем с отчетами.

СМР

Мне нравится лаконичное определение Уломова В.И., оно ставит на место

всякие УСО, УИС. Видать “достали” Уломова В.И. московские профессора, у каждого своя идея. Множество уточнений исследует С.А. Несмеянов в капитальном, но размытом труде: Инженерная геотектоника (2004 г).

Согласно национальным стандартам [8], сейсмическое районирование рассматривается как единая система оценки сейсмической опасности и подразделяется на три категории – общее сейсмическое районирование (ОСР), детальное сейсмическое районирование (ДСР) и сейсмическое микрорайонирование (СМР), различие между ними, заключается в содержании задач, методиках их решения и в масштабах картирования (Уломов В.И., 2010 г).[RbD1]

Методика ДСР до сих пор крайне схематична. Попытки узаконить ОСР и ДСР в СП со стороны авторов стохастических карт ОСР не увенчались успехом.

Привожу канонизированное определение СМР, а то дело дошло уже до того, что в современной России микрорайонирование является разделом инженерной геологии.

Сейсмическое микрорайонирование (СМР) - раздел инженерной сейсмологии, задачей которого является уточнение данных сейсмического районирования и степени сейсмической опасности на застраиваемых территориях (БСЭ, 1978 г).[RbD2]

По большинству справочных энциклопедий (БСЭ, Горная, Геологическая…) сейсмология- раздел геофизики….

И так. Вся наша тема: инженерно-сейсмологическая, потому что слово: “застраиваемая” в каноническом определении СМР, предполагает предпроектное изучение оснований сооружений.

Уточнение данных сейсмического районирования или как кто-то шутливо назвал: “апгрейд” карт ОСР, в силу отсутствия знаний у менеджмента Заказчиков работ мною проводится по архивно-фондовым материалам ВСЕГЕИ, российской базе данных инструментального периода регистрации трясений ГС РАН.

Что бы правильно настроить ход “апгрейда” обзорных карт ОСР на район работ я использую:

- результаты сейсмотектонических, сейсмологических исследований, геолого-геофизических работ, проведенных отраслевыми институтами РАН последних лет;

- опубликованные и фондовые материалы (геолкарта М 1:200000 желательно последних поколений, структурно-тектоническая карта, геолого-геофизические карты и база данных ВСЕГЕИ вплоть до карт четвертичных отложений, которые собственно говоря еще до выпуска безнадежно устаревают, не успевая за решениями MSK);

- электронная база данных о параметрах землетрясений филиалов Геофизической службы отделений Российской академии наук, база данных ЦОМГЭ ГС РАН (каталоги экспериментального периода регистрации землетрясений в виде карт эпицентров последних 25-30 лет, прошедших с года утверждения ОСР для проектного района работ (с радиусом от площадки не более 200 км)).

То есть, действуем по Пуанкаре. Метод открытия истины он видел «в восхождении от факта к закону и разыскиванию фактов, способных вести к закону». Мы не “член-коры”, стоим на земле, поэтому, просто разыскиваем последние факты для района работ и если повезет - для участка.

Это голая эмпирическая прикладная наука.

Сегодня установлено, что региональные и прочие разломы нарушают кристаллический плитный фундамент, как будто кто-то наложил на фундамент ячеистую сеть со средним геометрическим размером в 100 км. В этом смысле земная кора, как твердая оболочка Земли напоминает скорлупу битого куриного яйца.

УИС по существу решает задачи структурно-тектонического картирования района работ, только в современной России камерально, по фондовым материалам.

Ранее в состав СМР входили маршрутные работы по уточнению тектонического строения.

Это по-прежнему актуально для активных горно-предгорных районов с точки зрения сейсмоморфоанализа местности (Солоненко В.П.), а через него, заметим, можно провести неотектонический анализ. Морфопризнаки мезорельефа часто указывают на импульсный характер неотектонических движений, с доказанной разрывной тектоникой, что совместно с сейсмогеодинамическим анализом, в ряде случаев позволяет утверждать о наличии природного явления, как сейсмотектоногенез, продолжающийся в антропогене (в альпийской эпохе складчатости).

В некоторых ТЗ Заказчики считают нужным провести морфоанализ-дешифрацию по космоснимкам района, трактуя его как структурно-тектонический анализ с выделением СГС, ВОЗ по космолинеаментам, забывая про определение: ВОЗ –это активные в четвертичное время геодинамические зоны и значит нужно мониторить снимки через столетия или тысячелетия.

Известно, что новейшими тектонодвижениями (криповыми и сейсмогенными) деформированы породы ВЧР и создан современный (альпийский) рельеф. На пенепленезированных (закрытых четвертичными отложениями) территориях сейсмогенез изучается тренчингом. Практически единственный способ, когда за Уралом можно надежно дополнить каталоги: Мушкетова И.В., специализированные и унифицированные Кондорской Н. В. Шебалина Н.В. и других сейсмологов (А. Чипизубов и др.).

Факт существования сейсмической эмиссии (сейсмический крип) в зонах активных разломов хорошо известен.

Необходимость регистрации крипа и других форм движений связана с недостаточной изученностью структурно-тектонических и геодинамических условий района работ, присущая зонам ВОЗ карт ОСР (домены определены с низкой надежностью). Предположения о рассеяной сейсмичности не оправдываются- она вся практически структурированна. Причина, как всегда - в недостаточных масштабах изучения.

По этому, при переходах ОСР-ДСР-CМР нужны более детальные сейсмологические наблюдения (больше и больше), так как активные структуры на закрытых территориях не картируются обычными геолого-геофизическими методами (Бугаев Е.Г., 2011).

При СМР по существу представляет проектный интерес прогноз сильных землетрясений с моментными магнитудами от 4,8. Разумеется, рассматриваем в теме СМР только местные землетрясения, что приводит обычно к не учету транзитных событий из-за затухания энергий на трассовых путях ОЧАГ-СРЕДА-ГРУНТ.

Поскольку прогноз времени события в будущем-невыполнимая сегодня задача, остается оценить силу проектного землетрясения района работ, в ряде случаев направление удара. Привлекаем сейсмологическую классификацию эпицентральных дистанций для местных событий.

Эпиплейстовые радиусы условно делят области равных значений интенсивности на три: очаговая 30-40 км, ближняя (100-150 км) и дальняя (150-200 км). Из этого следуют применения различных законов масштабирования реальных акселлерограмм.

Поскольку инженерно-геологическое районирование методически проходит без учета сейсмических, резонансных свойств грунтов - задача инструментальных работ нарастить геологию низкоимпедансных слоев “инфраакустикой,” выделить таксоны на основе упругих свойств литотипов четвертичных пород, пород коры выветривания, пород коренной основы.

Только нужно помнить, что для характерных длин волн на сейсмических расстояниях: 100 м - это характерный масштаб “микроструктуры” земной коры [Геомеханика и флюидодинамика. Николаевский В.Н., 1996]. Другими словами – в плане и разрезе меньше наземными сейсморазведочными методами не измерить.

С точки зрения СМР нужны литофации с близкими плотностями. Для этого анализируем таблицы нормативных свойств ИГЭ и объединяем выделенные геологами ИГЭ в литотипные таксоны, например по правилам еврокода-8 или на 4 градации как в СП14.13330 или как в программных продуктах зарубежных университетов.

Геологические возможности сейсморазведки помогают определить мощности сейсмореализующего слоя по регистрируемым временам t₀ отражающих и преломляющих границ, полученные на сейсмограммах. Справедливо считается, что эхо-глубины или акустические мощности, импедансы характеризуют сейсмореализующий слой.

В научных публикациях ищем формулу кумулятивного обратного уравнения макросейсмического поля района работ от сейсмологов. В случае отсутствия свежего корреляционного уравнения, что так же означает: за 25-30 лет в районе работ с радиусом 200 км ощутимых событий не зарегистрировано, принимаем ее из базы данных ОСР.

Все что выше я описал, является частью геодинамического анализа района работ (терминология ИЗК СО РАН, Леви К. Г.).

Все что ниже- называется инструментальный анализ, при СМР он ориентирован на грунты проектной площадки.

Выбор эталонных грунтов

При наличии в георазрезе вблизи проектного участка (в эпиплейстовых радиусах ближних зон) выходов коренных пород на дневную поверхность (обнажений или карьеров) выбор эталонной площадки представляет собой простую задачу.

Следует воспользоваться классификацией грунтовых оснований по сдвиговым волнам по международному классификатору International Code Council (1998), 2000 International Building Codе (Final Draft).

Bedrock type Shear wave velocity (m/s) Mass density (kg/m^3)

Soft Rock 700 2500

Rock 1100 2500

Hard Rock 1600 2500

Или с отечественной классификацией [8] или Eurocode 8.

При наличии на участке микрорайонирования выходов коренных пород, имеющих сейсмические параметры: V_s = >700 м/с; сейсмическая жесткость (импеданс) ρVs,> 1500 г/см³м/с; отношение скоростей продольных и поперечных волн Vp / Vs = 1,7 - 2,2, относящихся к I категории в качестве эталонных, следует принимать эти грунты, уменьшая на один балл величину исходной сейсмичности [5].

И совсем не простую задачу выбор эталона предстоит в области распространения многолетномерзлых пород и на закрытых территориях типа Западно-Сибирской плиты, Восточно-Европейской платформы, молодых плит (террейнов) и иных закрытых территориях, как например Кубанский прогиб.

Вопрос о выборе эталона часто не понимается инженерами. Их не настораживает словосочетание в РСН о специальных работах по выбору эталона. Например, в практике москвичей и краснодарцев существует выбор каких-то средних грунтов (2-й категории), забывая рекомендацию про сопровождающий учет макросейсмических результатов сильных событий, которых в исторической памяти для исследуемого района часто просто негде взять.

На картах ОСР и так значения интенсивностей сейсмологи увязали со средними грунтовыми условиями. То есть получаем в формуле Медведева С.В. отношения средних к средним грунтам. Тем самым применимость средних грунтов в модификации жесткостей при СМР становится незаконным способом.

На самом деле: скально-полускальные породы в районе работ (в радиусе до 40-150 км от площадки ищем акустический фундамент) нужны во - первых для определения АЧХ грунтов (нормирование спектров мощности микросейсм на эталонный спектр), во-вторых для выдерживания условий стационарности микросейсмических полей.

Здесь странным выглядит требование отдельных специалистов о стационарности микросейсмических полей, то есть по сути требование выделения сигнальной части на фоне шумовой в записях.

Но читайте, понимайте.

Достижениями астрономии установлена нестационарность метагалактики, соответственно планеты солнечной системы-это часть космоса, соответственно Земля как планета -это открытая система со своими геофизическими полями, в принципе нестационарными в времени и пространстве (вековые, годовые, суточные и прочие вариации абсолютно всех полей и их цикличность). Коллеги! И тогда Вы принимаете идеологию открытых систем.

А в методе жесткостей-нужно нормирование на эталон как аналог фундамента (Bedrock), из которого выходит волновая форма удара в мягкие породы ВЧР. Потому что, должно выдерживаться правило: главной эмпирической закономерностью инженерной сейсмологии является факт усиления сейсмического воздействия при уменьшении сейсмической жесткости грунтовых оснований (Bedrock) относительно пород коренной основы (medium или hard Rock или акустического фундамента).

Затруднительное положение возникает в случае отсутствия в районе работ пород первой категории. Следует перейти к условным приращениям по отношению к полускальным породам, со скоростям не менее 700 м/сек (как в МДС 22.1-2004 на транспортные сооружения) и перейти к грунтовым поправкам в виде коэффициентов (Алешин А.С., 2016 год и североамериканцы). Все остальные варианты не несут физического смысла, поэтому незаконны.