Сейсмический риск на территории г. Якутска

НАУКА И ОБРАЗОВАНИЕ, 2010, №2

НАУКИ О ЗЕМЛЕ

УДК 551.248

Сейсмический риск на территории г. Якутска

СВ. Шибаев, А.Ф. Петров, Б.М. Козьмин, Л.П. Имаева, К.В. Тимиршин

На основе сейсмотектонических и геофизических материалов, а также результатов дешифрирования аэрокосмоснимков изучена современная геодинамика Лено-Алданского плато, на котором располагается г. Якутск. Выявлен ряд активных разломов (Якутский, Кангаласский, Таба-гинский и др.), к которым приурочены эпицентры землетрясений с интенсивностью 4-6 баллов. Приводится морфокинематическая характеристика этих тектонических нарушений. Представлены расчеты вероятности повторения сильных сейсмических воздействий (от 5 до 8 баллов) в районе г. Якутска. Рассматривается понятие сейсмического риска, формы оценки и мероприятия, необходимые для его снижения.

Ключевые слова: сейсмический риск, землетрясения, разломы.

Modern geodynamics of the Lena-Aldan plateau, wherein the city of Yakutsk is located, is studied on the basis of seismotectonic and geophysical material as well as interpretation of aerial and space photos. A number of active faults are recognized (Yakut, Kangalassy, Tabaga etc.) to which epicenters of earthquakes with an intensity of 4-6 are confined. Morphological-kinematic characteristics of these tectonic dislocations are given. Calculations of probable recurrence rate of strong (5-8 in intensity) events in the area of Yakutsk are presented. The notion of a seismic risk, ways its evaluation, and arrangements for its decrease are discussed.

Key words: seismic risk, earthquakes, faults.

Первые исторические сведения о землетрясениях в Якутии относятся к ХУШ-Х1Х векам, когда в «Каталоге землетрясений Российской империи» И. В. Мушкетова и А. Н. Орлова, опубликованном в Санкт- Петербурге в 1893 г., было помечено: «Землетрясения в Якутске в 1770 и 1849 гг. и в Верхоянске в 1877 г.» и далее «1849 год 2 июля - землетрясение в Якутском остроге: раскачивались лампады перед образами, колыхалось пламя свечей, трещали стены домов». Судя по этому описанию интенсивность данного события могла достигать 4-5 баллов по шкале MSK-64. Землетрясение повторилось здесь 5 июля с силой в 3-4 балла и ощущалось также в Олекминске и по Вилюю.

Сейсмической станцией в г. Якутске, которая работает в составе Якутского филиала Геофизи-

ШИБАЕВ Сергей Валентинович - директор ЯФ ГС СО РАН, 8(4112)33-51-88; ПЕТРОВ Анатолий Фирсович - к.г-м.н., гл. геолог ЯФ ГС СО РАН; КОЗЬМИН Борис Михайлович - к.г.-м.н., в.н.с. ИГАБМ СО РАН; ИМАЕВА Людмила Петровна - к.г.-м.н., с.н.с. ИЗК СО РАН; ТИМИРШИН Константин Васильевич - к.г.-м.н., зам. директора по научной работе ЯФ ГС СО РАН.

ческой службы СО РАН с 1957 г., зарегистрировано более 100 близких сейсмических событий различной интенсивности в радиусе 100-150 км от города. В г. Якутске отмечены макросейсми-ческие (до 6 баллов) эффекты как от местных близких, так и транзитные сотрясения от удаленных сильных (8-9 баллов) землетрясений. Один из самых близких к городским кварталам подземный толчок произошёл 13 июля 1979 г. в 15 часов (магнитуда М=4,5; энергетический класс К=12) в 40 км к северо-северо-востоку от г. Якутска (район Кангаласской протоки). В его эпицентре наблюдались 5-6-балльные эффекты: в тихую погоду резко качались деревья, как при сильном ветре; люди у костра в испуге вскакивали с земли, слышали глухой гул [1]. Многоэтажные дома в г. Якутске неоднократно подвергались воздействию удаленных землетрясений. Например, 8-балльное Южно-Якутское землетрясение 1989 г. с М=6,6, эпицентр которого располагался на юге республики в 670 км к юго-западу от Якутска в пределах Станового хребта, ощущалось с макроэффектами на земной поверхности до 2-3 баллов, а на верхних этажах домов - до 4-5 баллов за счет раска-

Рис.1. Схема сейсмотектоники района г. Якутска на основе дешифрирования космоснимка «Метеор»: 1 - активные разломы: а - установленные, б - предполагаемые; 2 - кинематика разломов: а - сдвиги, б - сбросы, в - взбросы и надвиги, г - неустановленной кинематики; 3а - эпицентры землетрясений с К>11 и К<10 (рядом приведен год их возникновения), 3б - сейсмодислокации, 3в - фокальный механизм Сетте-Дабанского землетрясения 1951 г. (белые области - действие напряжений сжатия, черные - растяжения), 3г - направление регионального сжатия. Цифрами (мм/год) показаны скорости современных вертикальных движений блоков земной коры. Разломы: 1 - Табагинский, 2 - Кангаласский. Во врезке (рис.1, А) утолщенными стрелками показана ориентация сжимающих усилий, действующих в очагах местных землетрясений по данным их фокальных механизмов

чивания высотных сооружений. Несколько раз сотрясения силой до 2 баллов были также замечены населением на девятых-двенадцатых этажах жилых домов при недавних 7-8-балльных Чаруо-динских землетрясениях, произошедших в 20052009 гг. в Южной Якутии. Приведенные сведения указывают на повышенный уровень местной сейсмичности, что обусловлено, прежде всего, тектоническим строением описываемой территории.

Якутск расположен на территории восточной части Сибирской платформы в пределах её крупных тектонических структур: Я^тского выступа

архейского фундамента и кайнозойской Нижнеалданской впадины. По результатам геолого-тектонических, геоморфологических и сейсмических исследований с использованием материалов дистанционных съемок были выявлены и изучены активные сейсмотектонические структуры, лине-аменты и разломы, контролирующие сейсмичность данного района, которые представлены на схеме сейсмотектоники (рис.1).

Сейсмотектонический анализ территории Лено-Алданского междуречья и левобережья р. Лены в районе г. Якутска показал, что в результате сжа-

Рис. 2. Карта аномального магнитного поля района г. Якутска. Темным цветом показаны отрицательные аномалии, серым - положительные. Субмеридиональной полосой отрицательных магнитных аномалий от устья р. Алдан к пос. Верх. Амга трассируется линия Якутского разлома. Белый кружок - эпицентр Кангаласского землетрясения 13 июля 1979 г.

тия (врезка, рис.1, А) со стороны окружающих Нижнеалданскую впадину горных сооружений на её северной окраине возникла Центрально-Верхоянская система субширотных левосторонних сдвигов и взбросо-сдвигов (Верхоянский, Усть-Алдан-ский) (рис.1), отделяющих широтную ветвь Верхоянской орогенной области от Предверхоянского краевого прогиба. Подвижки по этим разломам привели к формированию ряда небольших серповидных впадин растяжения (Таттинская, Усть-Алданская и др.), которые в результате последующих горизонтальных смещений оказались рассеченными диагональной системой молодых сдвигов (Амгинский, Табагинский, Кангаласский и др.).

Условия сжатия подтверждаются решениями фокальных механизмов землетрясений, возникших в пределах хребтов Черского, Верхоянского и Станового [1, 2]. В частности, на рис.1 приведена диаграмма механизма Сетте-Дабанского землетрясения 1951 г., произошедшего вблизи Кыллахско-го надвига со взбросовым смещением в его очаге.

Всё это свидетельствует о структурной перестройке данного региона в современную эпоху, когда под влиянием регионального тангенциального сжатия имеет место коробление краевых частей востока Сибирской платформы. По данным нивелирования I класса на фоне общего воздымания

территории со скоростью до 8 мм/год, отдельные участки Нижнеалданской впадины (центральная часть) стабильны (0 мм/год) или в целом испытывают слабое опускание до -4 мм/год, при этом левый берег р. Лены устойчиво поднимается со скоростью до 1 мм/год, а правый - в районе п. Нижний Бестях опускается со скоростью 38 мм/ год [3].

Наиболее крупной дизьюнктивной структурой в районе г. Якутска является Якутский разлом (деструктивная зона) субмеридионального простирания, выраженный на картах магнитного поля мощной положительной аномалией с интенсивностью в 16 миллиэрстед (рис. 2). Существование данной деструктивной зоны подтверждается также материалами геологической съёмки и бурения. Зона разлома имеет сложное строение, в пределах которой обособляются блоки, разделённые нарушениями второго порядка. В целом, названный разлом в районе г. Якутска занимает всю долину р. Лены и установлен на её обоих берегах. На рис.2 показана трасса Якутского разлома (темная полоса) и обозначен эпицентр 6-балльного Кангаласского землетрясения 1979 г. Недавно 14 января 2008 г. в зоне Якутского разлома вблизи поселков Тюктюр и Октёмцы вновь произошло местное землетрясение с магнитудой М=3. Его гипоцентр располагался на небольшой глубине, поэтому строения в посёлках не пострадали. Важен сам факт нахождения гипоцентра землетрясения в зоне Якутского разлома, что свидетельствует о возможности в будущем появления здесь повторных сильных событий. На тектоническую активность рассматриваемого разрывного нарушения также указывают источники слабоминерализованных и ультрапресных вод («Булус» и др.), которые функционируют в долине и на правобережье р. Лены, не замерзающие в зимнее время. Там же отмечены и наледные явления.

Якутский разлом пересекается серией дизъюн-ктивов северо-западного и северо-восточного простирания, из которых основными и самыми активными в современную эпоху являются Табагинс-кий и Кангаласский сдвиги. Из них более сейсмоактивен Табагинский разлом, расположенный рядом с городом, который следится в магнитном поле полосой северо-западного простирания (рис.2), пересекая долину р. Лены вблизи Табагинского мыса. К нему в заречных районах на правом берегу и в Горном районе на левом берегу р. Лены приурочены очаги слабых и 4-6-балльных землетрясений. Практика показывает, что после проявления максимальной сейсмической активности на флангах разломов, как это наблюдается в зоне Табагинского дизъюнктива, обычно следует концентрация тектонических напряжений в их центральной части, что приводит впоследствии к воз-

никновению здесь гипоцентров ощутимых землетрясений. Именно на этом участке территории предполагается строительство совмещённого авто- и железнодорожного моста через р. Лену.

Комплекс представленных здесь геолого-геофизических данных был использован и вошел составной частью в «Карту общего сейсмического районирования Российской Федерации (ОСР-97)», в соответствии с которой г. Якутск находится в зонах сейсмической опасности в 6-8 баллов. По совокупности имеющихся сейсмологических и тектонических сведений на основе данных карт ОСР-97 для г. Якутска был проведен вероятностный анализ сейсмической опасности (ВАСО) в параметрах сейсмической интенсивности « I » - в баллах шкалы MSK-64 для периодов повторяемости сейсмического эффекта в среднем один раз в 100, 250, 500, 1000, 2500 и 5000 лет. При этом ВАСО в терминах пиковых ускорений вычислен как по зависимости между баллами и ускорениями, соответствующей шкале MSK-64, так и по формуле SHA-97, примененной В. И. Уломовым при составлении фрагмента карты Северной Евразии для мировой карты «Глобальной сейсмической опасности», созданной по программе GSHAP [4, 5]. Эти две зависимости (1 и 2), уравнения которых приведены в правой части рис. 3, являются пределами изменений величины пиковых ускорений при соответствующих периодах их повторяемости на средних грунтах г. Якутска, для которого составлены эти графики.

Используя полученные кривые зависимости интенсивности землетрясений «I» и пиковых ускорений от повторяемости сейсмических событий «Т» (рис.3), были рассчитаны и приведены в таблице их величины для 6 интервалов времени от 100 до 5000 лет. Табличные значения ожидаемых сейсмических воздействий, выраженные в баллах и ускорениях, подтверждают базовую сейсмичность района г. Якутска, принятую на нормативных картах ОСР-97, равную для объектов разного уровня ответственности в 6 баллов - карта А, 7 баллов - карта В и 8 баллов - карта С.

Вместе с тем изложенные выше среднестатистические расчеты по повторяемости сейсмических воздействий могут не совпадать с частотой реальных природных процессов. Известны, напри-

Повторяемость сейсмических воздействий и величина пиковых ускорений для средних грунтов г. Якутска

Карты ОСР-97 Т, лет I, баллы А, см/с2

- 100 5,0 25,0 27,7

- 250 5,9 46,7 55,3

ОСР-97А 500 6,4 66,0 81,1

ОСР-97В 1000 6,9 93,3 119,0

- 2500 7,5 138,5 184,3

ОСР-97С 5000 7,9 186,6 256,3

Рис. 3. Повторяемость сейсмического эффекта « I » в долях баллов на средних грунтах (грунт 2-й категории, по СНиП П-7-81*) в г. Якутске за различные периоды времени Т лет (слева). Вероятностный анализ сейсмической опасности в ускорениях А (см/с2), выполненный для средних грунтов г. Якутска по формулам 1 и 2 и соответствующим им кривым, приведенным на правом рисунке

мер, случаи нарушения этой последовательности, когда катастрофические землетрясения на одной и той же территории происходили не через 5000 лет, а через 8-10 лет и даже в течение одного года (бассейн р. Олёкмы, Камчатка, Япония, юго- восточная Азия - о-ва Суматра, Гаити и др.).

Для оценки уровня возможной сейсмической опасности для населения, промышленных объектов, мостов, нефте-, газопроводов и др. используется понятие «сейсмический риск».

«Сейсмический риск» большинством исследователей понимается как совокупность сейсмической уязвимости зданий и сооружений и уровня сейсмической опасности территории (площадки), на которой располагаются объекты. Существует несколько определений сейсмического риска. В работах ЦНИИСК и ИФЗ РАН понятие «сейсмический риск» связывается с вероятностью разрушения сооружений. При отсутствии населения и сооружений на территории, где может произойти сильное землетрясение, практически отсутствуют и риск, и «сейсмическая опасность». Таким образом, сейсмический риск можно определить как вероятность социальных, экономических и экологических потерь от возможных землетрясений за определённый промежуток времени в соответствии с сейсмической опасностью территории и уязвимостью находящихся на ней объектов. В конечном итоге сейсмический риск определяется суммой следующих компонент: природной сейсмической активностью, техногенной надёжностью среды обитания, возможностью предупреждения о землетрясении, отношением населения и органов власти к сейсмической опасности.

Большое число городов в сейсмоактивных регионах РФ исторически изначально строилось без учёта сейсмической опасности, поэтому их население постоянно подвержено сейсмическому риску. К этой категории относится и г. Якутск. В настоящее время сейсмическая опасность территории Республики Саха (Якутия) определяется по нормативным картам Общего сейсмического районирования (ОСР-97), которые по существу содержат данные о долгосрочном прогнозе возникновения на определённой территории землетрясений различной интенсивности. Однако предсказать точное время и место очередного землетрясения (краткосрочный прогноз) сейчас не представляется возможным. Поэтому наиболее целесообразным и эффективным методом смягчения сейсмического риска, особенно на вновь осваиваемых территориях, являются разработка сценариев воздействия землетрясений в сейсмоопасных зонах, оценка возможной уязвимости существующих и возводимых объектов, разработка мероприятий по сейсмоусилению зданий и сооружений и тем самым уменьшение риска экономических, социальных и экологических катастроф от воздействия землетрясений [6]. По далеко неполным данным статистики, в ХХ столетии от землетрясений на Земле погибло более 1,5 млн. человек, а экономический ущерб определяется сотнями триллионов долларов.

Город Якутск и его жители в настоящее время находятся в зоне сейсмического риска, обусловленного возможностью проявления на его территории землетрясений силой до 8 баллов, небла-

гоприятными инженерно-геологическими свойствами грунтов основания и отсутствия достаточной сейсмостойкости у подавляющего большинства существующих построек. Такая ситуация сложилась исторически, т.к. при выборе места Якутского острога наши предки руководствовались другими критериями. Накопленный в последние десятилетия горький опыт недостаточного учёта опасности разрушительных землетрясений привел к пониманию необходимости учёта и уменьшения дефицита сейсмостойкости зданий и сооружений в опасных районах.

Уменьшение сейсмического риска на территории Республики Саха (Якутия) в ближайшие годы связывается с выполнением мероприятий по повышению сейсмостойкости зданий и сооружений, которые предусмотрены РЦП«Повышение устойчивости жилых домов, основных объектов и систем жизнеобеспечения в сейсмических районах Республики Саха (Якутия) на 2009-2013 годы», принятой 23 апреля 2009 г. Программа предполагает разработку правил сейсмической паспортизации существующих несейсмостойких объектов, уточнение исходного сейсмического балла территории города в целом и его отдельных участков, изучение динамики изменения и современного состояния физических свойств грунтов, проведение работ по сейсмическому микрорайонированию, составление проектов усиления зданий и сооружений с учётом сейсмического риска их разрушения под воздействием расчётной силы землетрясений.

Приведённые выше материалы свидетельствуют об актуальности и необходимости оценки сейсмического риска территории Якутска, поскольку в городе подавляющее большинство зданий построено без сейсмоусиления. Здесь по официальным данным около 500 домов признаны аварийными, а в течение 20 последних лет ежегодно происходит разрушение 1-2 домов даже без воздействия землетрясений.

Опыт оценки сейсмического риска в других регионах Российской Федерации показывает, что для получения достоверных данных по сейсмическому риску необходимо выполнить ряд последовательных операций. В первую очередь производится оценка сейсмической опасности территории города, для чего составляются карты детального и сейсмического микрорайонирования. Для территории г. Якутска работы по составлению таких карт не проводились, но по имеющимся характеристикам инженерно- геологических условий, уровню сейсмической активности и результатам научных исследований можно уверенно утверждать о наличии на территории города зон с сейсмической опасностью в 7 и 8 баллов.

Следующей составляющей сейсмического риска является оценка уязвимости территории застройки. Под уязвимостью следует понимать отношение состояния и свойств объекта, связанных с процессом эксплуатации, техногенными и природными воздействиями, к первичному состоянию и свойствам [7]. С экономической точки зрения, уязвимость определяется как отношение стоимости восстановления здания или сооружения к их первоначальной стоимости: Уе(Н) = Пе/П, где Уе(Н) -степень уязвимости (вероятность разрушения) объектов при событии Н; Пе - стоимость восстановления разрушенных объектов; П - первоначальная стоимость объектов.

При оценке уязвимости предлагается выполнение нескольких последовательных действий: классификация объектов риска по их внутренним свойствам (по степени их реакции на заданное сейсмическое воздействие); паспортизация объектов на заданной территории, т.е. отнесение каждого объекта к определённому классу, оценка его стоимости и уязвимости); определение функции уязвимости для каждого класса объектов или оценка соотношения между сейсмическим воздействием и степенью ущерба.

Паспортизацию зданий и сооружений рекомендуется проводить в следующей последовательности: изучение физических свойств грунтов основания (мёрзлые, талые, пучинистые, засолённые, обводнённые и др.); выполнение исследований по сейсмическому микрорайонированию; выделение на территории города зон по уровню сейсмической опасности; классификация объектов в каждой зоне; определение количества объектов каждого класса в каждой зоне; определение функции уязвимости объектов каждого класса; состояние конструкций зданий и сооружений. При этом функция уязвимости, связывающая степень ущерба с силой сейсмического воздействия от землетрясения, определяется в основном эмпирическим путём, а именно степенью разрушения конструкций под воздействием землетрясений. Для этого рассчитываются коэффициент повреждаемости Ка (средняя степень повреждения однотипных зданий), экономические затраты на восстановление разрушенных (повреждённых) зданий.

К = £ . Л а /Ы, где - степень повреждений зданий; п. - число однотипных зданий с повреждением N - общее число зданий одного типа.

При оценке риска важнейшим показателем также являются плотность населения, плотность застройки, этажность, год постройки и т.д. Для этого территория города делится на участки, в пределах каждого из которых учитываются строительные объекты с различной этажностью, конструктивными особенностями и числом жителей

(жилые дома, школы, административные здания, объекты культуры, котельные и т.д.). В итоге можно выполнить качественную оценку риска, определить уровень возможной повреждаемости данного типа сооружений и оценить возможные потери от землетрясений различной интенсивности [7]. После проведения процедур вычисления средней этажности существующих зданий и экспрессной оценки численности населения рассчитывается полный экономический ущерб как сумма отдельных видов ущерба для всех зон различной балльности на территории города. Экономические потери от землетрясений различной интенсивности оцениваются с учётом результатов сейсмического микрорайонирования.

Специальные исследования сейсмического риска, связанного с застройкой территории и плотностью населения г. Якутска, не проводились. Имеется лишь фактический материал по инженерно-геологическим изысканиям под строившиеся объекты, но динамика изменения физических свойств грунтов в процессе эксплуатации не обобщалась. Результаты сейсмического микрорайонирования, проведённые на некоторых городских площадках, показали наличие 6, 7 и 8-балльных зон сотрясаемости, а следовательно и разного уровня сейсмического риска на них.

В черте города Якутским аэрогеодезическим предприятием в 80-х годах прошлого века был заложен техногенный полигон, на котором проводились замеры вертикальных движений блоков земной коры. Установлено, что в пределах городской территории имеются несколько блоков, характеризующихся различной скоростью и направлением движения от + 0,6 до - 0,7 мм/год. Линии, разделяющие блоки, интерпретируются как разломы земной коры. В частности, один из разломов прослеживается примерно вдоль ул. Лермонтова. К этому участку приурочены массивы талых пород, обнаруженные при строительстве стадиона «Туймаада», что может служить косвенным подтверждением существования данного разлома. Ещё одна зона крупного разлома прослеживается вдоль левого крутого склона долины р. Лены.

Одними из отрицательных факторов, повышающих уровень сейсмического риска в г. Якутске, являются отсутствие ливневой канализации и ежегодно увеличивающиеся площади подтопления (заболачивания), постоянные утечки из инженерных сетей, нарушение правил инженерной подготовки (в частности подсыпка грунта) территории перед началом строительства объектов. Развитие крио-пэгов в грунтах основания зданий приводит к разрушению свайных фундаментов, сваи «не несут» нагрузку зданий. Всё это, в сочетании с возможными сейсмическими воздействиями и активными тектоническими движениями, а также данные о глобальном потеплении климата позволяют отнести всю территорию города в зону высокого сейсмического риска, уровень которого необходимо систематически оценивать, повышая устойчивость зданий и сооружений к воздействию землетрясений.

Литература

1. ИмаевB.C., ИмаеваЛ.П., КозьминБ.М. Сейсмотектоника Якутии. - М.: ГЕОС, 2000. - 226 с.

2. МокшанцевК.Б., КозьминБ.М., ГусевГ.С., Петров А.Ф. и др. Сейсмическое районирование территории по комплексу геолого-геофизических данных // Сейсмическое районирование Якутии и сопредельных территорий. - Якутск: Якут. кн. из-во, 1975. - С.78-87.

3. БочаровГ.В., ГусевГ.С., ПетровА.Ф., СпекторВ.Б. Карта современных вертикальных движений земной коры Якутии м-ба 1: 2 500 000. - ЯкутАГП, 1997.

4. Сейсмическое районирование территории Российской Федерации- ОСР-97. К1рга на 4 листах / Гл. редакторы В. Н. Страхов и В. И. Уломов; ОИФЗ РАН. - М.: НПП «Текарт», 2000.

5. Уломов В.И. Сейсмичность // Большая Российская энциклопедия (БРЭ). Т. 1. - М.: Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 2004. -С. 34-38.

6. Петров А. Ф., Шибаев С.В., Козьмин Б.М., Тимир-шин К. В. Сейсмичность и сейсмостойкое строительство в Якутии// Наука и техника в Якутии. - Новосибирск, 2007. - С.65-70.

7. ЗаалишвилиВ.Б., МожиевХ.Н. Сейсмический риск существующей застройки на территории г. Владикавказа // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. - 2008. - №№4. - С.40-43.