Тема НИР ГЗ ИТПЗ РАН (0143-2019-0005)
Некоторые задачи геодинамики, разработка и использование математических методов изучения природных систем
Руководитель д.ф.-м.н. А.И. Горшков
Тема НИР ГЗ ИТПЗ РАН (0143-2019-0006)
Оценка сейсмической опасности, разработка и апробация методов прогноза землетрясений
Руководитель в период 2019-2021 гг. - чл.-корр. РАН, д.ф.-м.н. А.А. Соловьев
Руководитель в период 2021-2023 гг. - чл.-корр. РАН, д.ф.-м.н. П.Н. Шебалин
Тема НИР ГЗ ИТПЗ РАН (0143-2019-0007)
Развитие методов анализа сейсмических данных в целях изучения очага, среды, сейсмической опасности
Руководитель в период 2019-2021 гг. - д.ф.-м.н. М.В. Родкин
Руководитель в период 2021-2022 гг. - к.ф.-м.н. А.В. Варыпаев
Руководитель в период 2022-2023 гг. - к.ф.-м.н. А.И. Филиппова
Развитие сценарного подхода в задачах оценки сейсмической опасности и риска.
Руководитель: д.ф.-м.н. П.Н. Шебалин
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.
Комплекс аномалий в обобщенной окрестности сильного землетрясения; физика процесса и использование в целях прогноза.
Руководитель: д.ф.-м.н. М.В. Родкин
Предложенный и реализованный нами ранее метод построения и анализа обобщенной окрестности сильного землетрясения (ООСЗ) позволяет с недоступными иными способами подробностью и надежностью описать типовые особенности развития предвестникового и афтершокового процесса. При этом, пусть и менее подробные, ООСЗ могут быть построены для землетрясений разного типа (обычные неглубокие землетрясения, глубокие землетрясения, землетрясения зон СОХ, иные группы землетрясений), что позволяет перейти к исследованию различия физических механизмов землетрясений разного типа. В рамках проекта на основе данных построения и анализа ООСЗ для разных групп землетрясений будет (пока ретроспективным образом) решаться вопрос об эффективности использования этого подхода для прогноза сильных землетрясений. Будут уточнены характеристики ООСЗ для разных типов землетрясений и будут построены соответствующие им идеальные сценарии развития сейсмической неустойчивости. Сравнением с этими идеальными сценариями будет выявлено, в какой степени сильная случайная компонента сейсмического режима, доминирующая в каждом конкретном случае, мешает распознавать выявленные по результатам анализа ООСЗ систематические признаки подготовки сильного землетрясения. На основе использования этого комплекса признаков будет построен и опробован новый программный прогностический комплекс. Следует ожидать, что такой прогноз на основе всего комплекса реально наблюденных в ООСЗ предвестниковых аномалий окажется эффективнее существующих алгоритмов прогноза, но насколько существенным окажется это улучшение пока не ясно. Результаты такого подхода к задаче прогноза сильных землетрясений будут сопоставлены с результатами использования более общей методики выявления моментов времени изменения состояния сложных нестационарных динамических систем, разработанной в ИПМ им. М.В.Келдыша РАН.
Модель литосферы Восточной Арктики по данным о сейсмичности, геомагнитном поле, вещественном составе и термическом режиме
Руководитель к.ф.-м.н. А.И. Филиппова
Основной задачей проекта является построение актуальной комплексной геофизической модели литосферы Восточной Арктики (60–90° N, 90–190° E), наиболее адекватно описывающей характер сейсмического процесса и особенности глубинного строения, отраженные в магнитных свойствах, вещественном составе и термическом режиме литосферы. Актуальность исследования обусловлена тем, что существующие на данный момент немногочисленные модели литосферы рассматриваемой территории зачастую существенно различаются между собой и характеризуются низким пространственным разрешением, недостаточным для решения многих спорных вопросов современной геодинамики. В частности, остаются дискуссионными вопросы о положении границы Северо-Американской и Евразийской литосферных плит к югу от хребта Гаккеля, о природе растяжения на шельфе моря Лаптевых и др.
Вычислительные задачи геофизической магнитогидродинамики
Руководитель д.ф.-м.н. В.А. Желиговский
Геомагнитное поле - необходимое условие существования жизни на поверхности Земли. Оно препятствует срыву атмосферы Земли солнечным ветром и попаданию на нее потоков высокоэнергетических космических частиц. По современным научным представлениям, магнитное поле Земли, как и многих других астрофизических объектов, создается конвекцией электропроводного расплава во внешнем ядре. Это динамический процесс; по палеомагнитным данным раз в несколько сот тысяч - миллион лет происходят инверсии геомагнитного поля, в которых его полярность изменяется на противоположную. Остается ли магнитное поле на протяжении всей инверсии достаточно сильным для сохранения своих рассеивающих и защитных свойств, неизвестно. По результатам палеомагнитных исследований, 795 тысяч лет назад начался период неустойчивости магнитного поля, продолжавшийся 22 тысячи лет, в течение которых проходили увеличение и уменьшение напряженности поля, экскурсии магнитного полюса и коллапс дипольной компоненты поля, после чего 773 тысячи лет назад инверсия закончилась и началась современная эпоха Брюнес постоянной ориентации геомагнитного диполя. Некоторые измерения свидетельствуют, что в настоящее время, возможно, наблюдается начало новой инверсии (высказываются и противоположные точки зрения, см., например, Brown et al., PNAS 115, 2018, 5111-5116). Это придает практическую значимость и актуальность углубленному изучению процесса инверсии и механизмов гидромагнитной генерации магнитного поля как в линейной, так и нелинейной постановках.