РАСЧЕТНЫЕ СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ЧАЭС В.И. Старостенко, А.В. Кендзера,

ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2005, Випуск 8
УДК 551.4
РАСЧЕТНЫЕ СЕЙСМИЧЕСКИЕ
ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ЧАЭС
В.И. Старостенко, А.В. Кендзера,
С.Т. Вербицкий, Ю.Т. Вербицкий,
И.Ю. Гурова., Ю.В. Лессовой
Институт геофизики им. С.И. Субботина НАН Украины, Киев
У зв'язку з проектуванням нового безпечного Конфаймента над об'єктом «Укриття» виникла необхідність побудови розрахункових акселерограм та визначення спектрів реакції,
що моделюють максимальний розрахунковий землетрус (сейсмічний рівень SL-2) на площадці Чорнобильської АЕС. З цією метою поблизу об'єкта «Укриття» була встановлена сейсмічна станція, обладнана широкополюсним сейсмометрами Guralp.
Результати дослідження будуть використовуватися для проектування безпечного Конфаймента над зруйнованим 4-м блоком ЧАЕС.
В связи с проектированием нового безопасного Конфаймента над объектом «Укрытие»
возникла необходимость построения расчетных акселерограмм и определения спектров реакции, моделирующих максимальное расчетное землетрясение (сейсмический уровень SL2) на площадке Чернобыльской АЭС. С этой целью вблизи объекта «Укрытие» была установлена сейсмическая станция, оборудованная широкополосными сейсмометрами Guralp.
Результаты исследования будут использоваться для проектирования безопасного Конфаймента над разрушенным 4-м блоком ЧАЭС.
Резюме. В связи с проектированием нового
безопасного Конфаймента над объектом
«Укрытие» возникла необходимость построения расчетных акселерограмм и определения
спектров реакции, моделирующих максимальное расчетное землетрясение (сейсмический
уровень SL-2) на площадке Чернобыльской
АЭС. Надежная методика решения этой задачи
предусматривала получение записей сейсмических событий из зоны Вранча непосредственно
на площадке АЭС. С этой целью вблизи объекта «Укрытие» была установлена сейсмическая
станция, оборудованная широкополосными
сейсмометрами Guralp. Полевые наблюдения
непрерывно проводились с 8 сентября 2004 г.
до 24 марта 2005 г.. Было зарегистрировано
несколько промежуточных по величине подкоровых землетрясений из зоны Вранча непосредственно на площадке ЧАЭС. Эти записи и
записи других сильных телесейсмических событий использовались для построения расчетных акселерограмм и спектров реакции единичных осцилляторов, моделирующих эффект
максимального расчетного землетрясения из
зоны Вранча на площадке ЧАЭС с учетом низкочастотны воздействий. Ранее эта работа не
могла быть выполнена вследствие отсутствия
широкополосных наблюдений. Результаты
исследования будут использоваться для проектирования безопасного Конфаймента над разрушенным 4-м блоком ЧАЭС.
Долгое время изучение сейсмической опасности в Украине связывалось лишь с территориями, расположенными в так называемых сейсмоактивных зонах, приуроченных к окраинам
тектонических платформ, горных сооружений и
предгорных прогибов. Полученная за последнее время в мире сейсмологическая информация свидетельствует о том, что внутренние части древних платформ, которые раньше относились к асейсмичным, также поддаются современным деформационным процессам, хотя
и более медленным чем их края.
Известно [1], что в ХХ веке произошли катастрофические землетрясения на следующих
платформах: Северо-Американской (Канадский
щит) М = 6,8, 16.11.1920 г.; СевероАфриканской, М = 7,0, 19.04.1935 г.; Индостанской, М = 6,5, 10.12.1967 г.; Австралийской, М
= 6,8, 14.10.1968 г.; Южно-Китайской, М= 7,8,
16.08.1976 г.; Туранской плите (Туркмения), М
= 7,0 и 7,3, 1976 и 1984 годы. В связи с этим,
при оценке сейсмической ситуации крупных
промышленных объектов, расположенных на
Восточно-Европейской
платформе
(ВЕП),
нельзя не учитывать потенциальную опасность
возникновения сейсмических событий высокого энергетического уровня, хотя они здесь проявляются значительно реже, чем в активных
районах.
© Старостенко В.И., Кендзера А.В.,
Вербицкий С.Т., Вербицкий Ю.Т.,
Гурова И.Ю., Лессовой Ю.В., 2005
152
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2005, Випуск 8
На ВЕП очаги землетрясений наблюдались
практически повсюду. Магнитуда сейсмических событий была, преимущественно, в пределах М=3,0÷4,0, реже - М=5,0÷5,8. Интенсивность сотрясений в эпицентре при самых сильных землетрясениях не превышала 7 баллов.
Исключением является лишь район современных активных грабенов Белого моря. На платформной части Украины известно лишь несколько ощутимых местных землетрясений. Их
очаги залегали в пределах земной коры, в результате чего сейсмический эффект имел локальный характер. Интенсивность сейсмических сотрясений в эпицентральной зоне достигала 6-7 баллов по шкале MSK-64.
По историческим данным, приведенным в
[2], такие землетрясения проявились на границе
между Кировоградской и Черкасской областями – 7 баллов (в 1873 г.); в Донецкой области
(район Константиновки) – 6±1 балл (в 1937 г.);
Харьковской – 5-6 баллов (1858 и 1913 годы);
Черниговской – 5±1 балл (в 1905 г.); Тернопольской – 6 баллов (в 2002 г.) и в ряде других
мест. Во время последнего тернопольского
землетрясения на небольших участках грунта и
в капитальных сооружениях появились трещины шириной несколько сантиметров, что, по
шкале сейсмической балльности MSK-64,
свойственно значительно более сильным землетрясениям. Такие явления подтверждают общее правило, согласно которого: неглубокие
очаги землетрясений на платформах могут вызывать разрушительные эффекты даже при невысоких значениях магнитуд (М ≤ 4,5).
Сейсмическая опасность территории Украины определяется как глобальной, так и локальной тектонической активностью, связанной со
сложным
распределением
напряженнодеформированного состояния тектонических
структур. Наиболее опасными являются Крымский, Карпатский и Юго-Западный регионы
Украины [3].
На всей территории Украины наблюдаются
значительные макросейсмические проявления
землетрясений из сейсмогенной зоны Вранча,
расположенной на крутом изгибе горной дуги в
месте сочленения Восточных и Южных Карпат.
Последние сильные землетрясения здесь произошли в 1940, 1977, 1986 и 1990 годах. В Румынии и соседней Молдове они вызвали значительные разрушения, а события 1940 и 1977
лет, даже, человеческие жертвы.
Построенные в результате макросейсмических обследований карты изосейст землетрясений зоны Вранча показывают, что интенсивность сейсмических сотрясений плавно меняет-
ся от 7-8 баллов на юго-западе Одесской области до 3-4 баллов в северо-восточных районах
страны. Аномальное затухание колебаний
наблюдается в западных областях Украины. В
частности, невзирая на близость зоны Вранча, в
Закарпатье даже при самых сильных землетрясениях из этой зоны сотрясения не превышали
4 баллов. Сильные подкоровые землетрясения
из зоны Вранча могут ощущаться населением
практически на всей территории Украины. Более того, их ощущают даже жители Москвы и
Санкт Петербурга.
В целом, до 40% территории страны могут
быть охвачены непосредственным влиянием
опасных сейсмических событий и до 70% - общим влиянием землетрясений с подтоплением,
оползнями
и
другими
инженерногеологическими процессами, влияющими на
стойкость сооружений.
Неточность знаний о реальной сейсмической опасности, отображенная в действующей
еще с в 1976 года нормативной карте общего
сейсмического районирования Украины, изношенность основных фондов и вынужденная
экономия на охранных мероприятиях повышают вероятность возникновения техногенных
катастроф, связанных с природной геодинамической активностью и землетрясениями.
Работы, которые выполняются на территории Украины в отрасли сейсмической защиты
населения, жилья и промышленных сооружений регламентируются следующими основными документами:
 Постановлением Кабинета Министров
Украины от 28.06.97 г. № 699 ”Об утверждении
Положения о национальной системе сейсмических наблюдений и повышения безопасности
проживания населения в сейсмоопасных регионах, Положения о Межведомственной комиссии из сейсмического мониторинга и Программы функционирования и развития национальной системы сейсмических наблюдений и повышения безопасности проживания населения
в сейсмоопасных регионах”.
 ”Межгосударственной научно-технической программой создания системы сейсмологического мониторинга территорий странучастниц СНГ”, ратифицированной Верховной
Радой Украины 22 февраля 2000 г. Закон №
1487-ІІІ.
 Строительными нормами и правилами.
СНиП II-7-81* „Строительство в сейсмических
районах” в редакции в 1981 года с незначительными изменениями, принятыми Госкомстроем Украины.
153
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2005, Випуск 8
Изучение сейсмической опасности базируется на материалах сейсмических наблюдений,
выполняемых государственной сетью сейсмических станций, которая начала формироваться
в Украине еще с конца ХІХ века и, учитывая
аппаратурную и методическую сложность выполняемых работ, а также их научный характер, работает при Национальной академии наук
Украины. На рисунке 1 показана конфигурация
сети сейсмических и геофизических станций
НАН Украины.
На геофизических станциях, кроме сейсмологических датчиков, установлены магнитометры, экстензометры, метеорологические датчики и ряд других приборов, что позволяет
привлекать для решения задач геодинамического мониторинга, кроме сейсмологических
данных, также тесно связанные с ними данные
о флуктуациях других геофизических полей.
Сейсмология владеет достаточно мощным
арсеналом расчетных методов, однако нужно
признать, что надежнее всего параметры прогнозируемых сотрясений в настоящее время
могут быть определены лишь на основе непосредственных наблюдений. К сожалению, для
выполнения этой задачи на территории Украины сейсмологическая сеть является не достаточно детальной. Она способна надежно контролировать сейсмичность лишь Карпатского и
Крымского регионов, где станции размещены
относительно плотно и могут без пропусков
регистрировать сейсмические события, начиная
с седьмого энергетического класса [4].
Рисунок 1 - Схема размещения сейсмических (светлые треугольники) и геофизических
(темные треугольники) станций НАН Украины
Усовершенствование сети сейсмологических наблюдений НАН Украины осуществляется по двум направлениям: путем увеличения
количества станций и путем переоснащения
современной аппаратурой уже существующих.
С началом прямого финансирования сейсмических наблюдений через НАН Украины в 2004
году сложились предпосылки для ее технического развития и расширения [3].
В Институте геофизики разработаны и
внедряются в практику режимных сейсмологических наблюдений современные цифровые
сейсмические станции. Цифровая сейсмическая
станция нового поколения DAS-04, автором
которой
является
кандидат
физикоматематических наук С.Т. Вербицкий, по основным своим параметрами не уступает лучшим заграничным аналогам [5]. В то же время,
ее стоимость - в несколько раз ниже от стоимости иностранных станции того же класса.
К цифровой сейсмической станции «КиевIRIS», оснащенной современной аппаратурой
американского производства IRIS2, за последнее время добавилось еще 3 сейсмические
154
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2005, Випуск 8
станции „Львов” „Симферополь” и „Дымер”
оснащенные английской сейсмологической аппаратурой GURALP. Девять сейсмических
станций Карпатского региона, оснащенны цифровой аппаратурой собственного производства
DAS-03 и DAS-04. Две крымские сейсмические
станции „Севастополь”, „Ялта”, а также сейсмические станции „о.Змеиный” и „НовоДнестровск”- оснащены цифровой аппаратурой
российского производства (Обнинск).
Опыт деятельности в отрасли сейсмической
защиты в развитых странах показывает, что
основной концепцией сейсмической защиты
должно стать внедрение сейсмостойкого проектирования и строительства жилья и промышленных объектов на базе объективных знаний о
количественных параметрах реально существующей сейсмической опасности в районах
их размещения и на конкретных строительных
площадках.
Знание реальной сейсмической опасности,
наравне с надежными данными о сейсмической
уязвимости сооружений, является необходимым для сейсмостойкого проектирования и
выработки антисейсмических мероприятий.
Доказательством правильности такой концепции может послужить сравнительный анализ
жертв и потерь при землетрясении 7.12.1988
года в Спитаке (Армения) с магнитудой М=6,9
и землетрясении 26.05.2003 году на острове
Хонсю (Япония) с М=7,0. Известно, что во втором случае, благодаря правильному учету потенциально возможных сейсмических влияний,
жертв не было, а материальные потери были
минимальными.
Основным звеном, которое поставляет объективные данные для деятельности в отрасли
защиты от землетрясений, являются сейсмические наблюдения.
Согласно сформулированной таким образом
концепции сейсмической защиты, работу по
подготовке сооружений, объектов и территорий
к будущим землетрясениям должны осуществлять за собственные средства их владельцы и
органы местного самоуправления. Государство,
представленное
центральными
органами,
должно обеспечить:
1). Надежную и унифицированную информацию о количественных параметрах реальной
сейсмической опасности в форме карт общего
сейсмического районирования территории
страны и базы цифровых записей колебаний
грунта, которые наблюдаются при местных и
удаленных землетрясениях в разных регионах.
2). Нормативную базу в виде Государственных строительных норм и правил, разработанную с учетом новых знаний о сейсмической
опасности территории страны и последних
научно-методических разработок в отрасли
сейсмической защиты. Нормативная база
должна регулярно возобновляться.
3). Законодательство, стимулирующее внедрение (владельцами и распорядителями объектов) инженерных мероприятий по понижению
сейсмического риска.
4). Координирующую роль в объединении
усилий в отрасли сейсмической защиты центральных и местных государственных органов,
научных и проектных учреждений, общественных организаций, предприятий и отдельных
владельцев.
5). Готовность подразделений МЧС, милиции, Министерства охраны здоровья и других
формирований быстрого реагирования к ликвидации катастрофических последствий сильных землетрясений.
В 1995-1996 годах были проведены работы по
уточнению сейсмической опасности территории
площадки Чернобыльской атомной станции
(ЧАЭС) и ее сейсмическому микрорайонированию. В результате было установлено, что на
площадке ЧАЭС раз в 100 лет может реализоваться 5-ти балльное «проектное землетрясение»
(ПЗ), а раз в 10000 лет– 6-ти балльное «максимальное расчетное землетрясение» (МРЗ). Сейсмическая балльность указана по шкале MSK-64.
Кроме этого были построены расчетные акселерограммы и спектры реакции, моделирующие ПЗ
и МРЗ на площадке ЧАЭС. Расчетные акселерограммы и спектры реакции были построены с
использованием данных средне- и узкополосых
сейсмических станций.
Основанные на расчетных акселерограммах
спектры реакции для ПЗ и МРЗ были рассчитаны Институтом геофизики Национальной академии наук Украины (SIG), Институтом геофизики Италии (ISMES), и Институтом ядерной
безопасности и защиты Франции (IPSN). Результаты показаны на рисунок 2. Спектры реакции, полученные ИГФ НАН Украины фактически совпали со спектрами ответа SL-2 (спектральный уровень 2), разработанными ISMES и
согласующиеся с рекомендациям Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ).
Однако, спектры реакции IPSN отличались от
аналогичных спектров, полученных ИГФ НАН
Украины для частот меньше 10 Гц.
155
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2005, Випуск 8
Рисунок 2 - Спектр реакции осцилляторов с 5 %-м затуханием (толстая линия) соответствующий
спектру SL-2 для максимальной горизонтальной компоненты.
Другие линии являются графиками спектров реакции осцилляторов на максимальные компоненты
расчетных акселерограмм, моделирующих движения грунта на площадке ЧАЭС
при землетрясениях зоны Вранча и местных землетрясениях
На время проведения исследований (19951996 гг.), полученные расчетные акселерограммы
и спектры реакции удовлетворяли потребностям
оценки сейсмической опасности объектов ЧАЭС,
так как собственные частоты последних лежали
вне низкочастотного диапазона. Но, большие
размеры проектируемого нового безопасного
«Конфайнмента» (НБК) над объектом «Укрытие», поставили под сомнение пригодность
низкочастотной ветви ранее полученных расчетных спектров и расчетных акселерограмм для
проектирования НБК. По предварительным
оценкам собственные частоты НБК могут лежать
в диапазоне 0,3 – 0,5 Гц. Возникла необходимость
уточнить расчетные спектры реакции и расчетные акселерограммы с учетом потенциально возможных низкочастотных воздействий.
Отсутствие записей сильных (близких к
максимально возможным) подкоровых землетрясений зоны Вранча, полученных непосредственно на площадке ЧАЭС, и невозможность
воспользоваться данными мирового опыта,
вследствие нетипичной ситуации, при которой
опасные низкочастотные сейсмические воздействия могут возникнуть за счет удаленных на
расстояние до 600 км сильных подкоровых румынских землетрясений, не позволили без дополнительных исследований однозначно ответить на вопрос, может ли возникнуть значительное усиление сейсмических колебаний на
низких частотах.
Известные расчетные методы также не позволяли надеяться получить надежный ответ на
этот вопрос, так как не оказалось достаточно
надежных материалов геолого-геофизических
исследований для создания адекватной латерально-неоднородной трехмерной модели среды в районе ЧАЭС, необходимой для производства обоснованных теоретических расчетов
возможного усиления сейсмических колебаний.
Надежные количественные оценки реально
существующей сейсмической опасностей площадки ЧАЭС было можно получить только на
основании данных инструментальных сейсмических наблюдений за землетрясениями из зоны
Вранча с помощью широкополосной аппаратуры
установленной непосредственно на площадке.
Для этой цели, вблизи объекта «Укрытие» была
установлена сейсмическая станция, оборудованная широкополосными датчиками CMG-40TD
(GURALP). Станция непрерывно работала с 8
сентября 2004 года по 24 марта 2005 года. Географические координаты станции: широта φ =
51,3934°N, долгота λ = 30,0765°E.
Внешний вид сейсмической станции представлен на рисунок 3. Проверка стабильности
параметров станции, контроль работы аппаратуры и считывание зарегистрированных колебаний выполнялись дистанционно из сейсмологических центров ИГФ НАН Украины через
локальную сеть ЧАЭС и Интернет.
По существующим геологическим данным,
строение среды под площадкой ЧАЭС характеризуется квазигоризонтальной структурой
осадочных слоев. Фундамент расположен на
глубине ниже 300 м [6].
156
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2005, Випуск 8
Рисунок 3 - Основное оборудование сейсмической станции ИГФ НАН Украины,
установленной на площадке ЧАЭС
Уровень и спектральное распределение сейсмического шума исследовались с помощью
анализа Фурье спектров ускорений сейсмических колебаний, зарегистрированных станцией
«ЧАЭС». В результате, были получены графики огибающих амплитудных спектров сейсмических шумов, зарегистрированных в течение
дневного времени, в утренние и вечерние (ночные) часы. Они представлены на рисунок 4. Из
рисунка следует, что максимальные микросейсмы в пределах низкочастотного диапазона -
намного ниже уровня спектра ускорений в колебаниях, вызванных сильными землетрясениями из зоны Вранча.
За время проведения широкополосных сейсмологических наблюдений на ЧАЭС удалось
зарегистрировать несколько землетрясений из
сейсмоактивной зоны Вранча, включая самое
сильное после 1990 года событие 27 сентября
2004 года. Его параметры: время в источнике 20:34:32.9; широта - 45.97°N; долгота - 26.75°E;
глубина очага - 76 км; магнитуда Mw = 6.0.
CHNPP backgroung noise level (vertical component)
10000
10-6 m/sec
1000
100
10
1
0,01
20:20 - 07:20
07:20 - 10:00
10:00 - 23:20
earthquake at 27.10.2004
0,1
1
freq, Hz
10
100
Рисунок 4 - Огибающие спектров Фурье ускорения сейсмических движений грунта, вызванных техногенными и естественными шумами. Линия с ромбиками соответствует спектру вечернего (ночного) шума, зарегистрированного в период суток от 20:20 до 7:20 (время по Гринвичу). Линия с кубиками соответствует спектру утреннего шума от 7:20 до 10:00. Линия с треугольниками - для дневного шума с 10:00 до 23:20. Прерывистая линия – огибающая спектра Фурье ускорения колебаний,
зарегистрированных на площадке ЧАЭС при землетрясении 27.10.2004 года из зоны Вранча
157
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2005, Випуск 8
Рисунок 5 - Велосиграмма землетрясения 27.10.2004 г. из зоны Вранча,
рассчитанная по его записи на площадке ЧАЭС с использованием
частотных характеристик регистрирующих каналов
На площадке ЧАЭС удалось зарегистрировать также катастрофическое землетрясение 26
декабря 2004 года, произошедшее вблизи Северной Суматры, которое принадлежит к сильнейшим землетрясениям зарегистрированным с
1990 года на планете. Как видно из приведенной ниже таблицы, по величине оно занимает
4-5 позицию среди землетрясений с М≥8 за период с 1900 по 2005 год, а за последние 40 лет –
оно самое сильное.
Таблица - Крупнейшие землетрясения (с М>8.5) в мире за период с 1900 г. по данным [7]
№ п.п.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Район очага землетрясения
Чили
Аляска (Пролив принца Вильяма)
Аляска (Остров Андреанова)
Камчатка
Северная Суматра
Побережье Эквадора
Аляска (Остров Рат)
Тибет (Ассам)
Камчатка
Индонезия (Море Банда)
Курильские острова
Дата
1960 05 22
1964 03 28
1957 03 09
1952 11 04
2004 12 26
1906 01 31
1965 02 04
1950 08 15
1923 02 03
1938 02 01
1963 10 13
Землетрясение проявилось с интенсивностью 9 баллов в Банда Ачех, 8 - в Меулабох, 6 в Медане, на Суматре и 3-5 баллов на части
территории Бангладеш, в Индии, Малайзии, на
Малдивах, Мьянме, Сингапуре, Шри-Ланке и
Таиланде [8]. Интенсивность сейсмических сотрясений определена по Модифицированной
шкале Меркалли [9]. Сейши наблюдались в
Индии и Соединенные Штатах. На Суматре
наблюдались камнепады и оползни.
Магнитуда
9.5
9.2
9.1
9.0
9.0
8.8
8.7
8.6
8.5
8.5
8.5
Широта
38.24 S
61.02 N
51.56 N
52.76 N
3.30 N
1.00 N
51.21 N
28.50 N
54.00 N
5.05 S
44.90 N
Долгота
73.05 W
147.65 W
175.39 W
160.06 E
95.78 E
81.50 W
178.50 E
96.50 E
161.00 E
131.62 E
149.60 E
Одна из современных теорий происхождения значительной части землетрясений на планете основывается на механизме взаимного
перемещения литосферных плит [10]. В местах
столкновения возникают крупные сейсмоактивные пояса. Происходит деформация самих
плит, максимальная вблизи их краев и значительно уменьшающаяся при удалении от них.
На неоднородностях строения плитных комплексов возникает концентрация упругих
158
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2005, Випуск 8
напряжений. А при превышении предела прочности происходит разрушение среды, образование разломов и формирование пограничных
«субплит» и отдельных блоков земной коры,
которые взаимодействуя с крупными плитами и
между собой, создают сложную напряженнодеформационную ситуацию в межплитовых
пространствах и в самих плитах.
Важность анализа тектонической ситуации в
районе очага землетрясения 26 декабря 2004
года для Украины определяется тем, что территория страны расположена вблизи мощного
Азорско – Средиземноморского – Альпийского
- Трансазийского сейсмогенного пояса планеты, на продолжении которого расположены
эпицентры катастрофических землетрясений
вблизи Суматры. Это хорошо видно на карте
распределения очагов сильных землетрясений,
представленной на рисунок 6.
Рисунок 6 - Распределение очагов сильных землетрясений на поверхности Земли [10]
Сейсмогенный пояс, влияющий на сейсмичность территории Украины, образовался вследствие столкновения крупных тектонических
плит: Евразийской, Африканской и Арабской, а
также образованных на их стыке меньших Анатолийской и Черноморской субплит. На суше
он протягивается от Пиринейского полуострова
на западе до Гималайских гор на востоке. Подобно другим сейсмическим поясам здесь существуют районы повышенной сейсмической
активности, большая часть которых относится
к молодой альпийской складчатости. Тесное
соседство на юго-западе и юге с этим поясом
определяет сейсмическую опасность территории Украины [11].
Такая гипотеза отвечает современным представлением о геодинамике планеты, данным о
современных горизонтальных движениях земной коры и рассчитанным параметрам механизмов крупных региональных землетрясений
[12,13]. Векторы скорости движения Анатолийской плиты и ее близкого окружения имеют
западную и юго-западную ориентацию, а
Евразийской плиты – северо-восточную. Очевидно, что напряжения, которые при этом
накапливаются на стыках плит и отдельных
блоков земной коры, должны постоянно разряжаться в крипових движениях и землетрясениях разной величины, вплоть до максимально
возможных для данного района.
Сейсмоактивный пояс вблизи Суматры возник вследствие столкновения Евразийской, Индийской и Австралийской тектонических плит
[14]. Ниже представлена информация о проявлении катастрофического землетрясения 26
декабря 2004 года вблизи Северной Суматры и
его наибольшего афтершока 28 марта 2005 г.
Очаг катастрофического землетрясения 26
декабря 2004 года возник в районе, высокая
сейсмичность которого хорошо известна сейсмологам. Сейсмичность этого района и механизм очага землетрясения подробно рассмотрены в ряде научных публикаций [14-17].
Следует отметить, что все землетрясения,
представленные в Таблице, подобно землетрясению 26 декабря 2004 года, были событиями
со сверх-разрывами и происходили в зонах
субдукции, где одна тектоническая плита подползала под другую.
159
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2005, Випуск 8
Очаг катастрофического землетрясения 26
декабря 2004 года вблизи острова Суматра
находился на продолжении СредиземноморскоАльпийского-Трансазийского сейсмоактивного
пояса, охватывающего южные, юго-западные
области Украины и территории соседних стран.
В этом поясе происходили такие мощные землетрясения, как Шемахинское 13 февраля 1902
г. – в Азербайджане, Ялтинское 11 сентября
1927 г. – в Крыму, Чхалтинское 16 июля 1963 г.
– в Грузии и многие другие. С поясом связаны
также землетрясения, происходящие на территории Румынии в сейсмогенной зоне Вранча,
сильнейшие из которых ощущаются практически по всей территории Украины.
Наиболее сильные землетрясения происходят в средней части пояса. Примером могут
служить землетрясения с М≥8, произошедшие
в Средиземном море 26 июня 1926 г. и в Турции – 15 сентября 1939 г., а также 20.06.1990
года в Табхазе (Иран) с магнитудой Mw = 7,4,
при котором погибло 35 тысяч человек; землетрясение с магнитудой Mw = 7,5 в Измите
(Турция), которое произошло 17.08.1999 года и
унесло жизни 17 тысяч человек и ряд других
событий.
В статье [18] высказано предположение о
схожести процессов, происходящих на всем
протяжении сейсмоактивного пояса, образованного столкновением Африканской, Индийской и Евразийской мегаплит. Такое утверждение, на наш взгляд, требует более веских доказательств, однако не лишено права на существование. Дальнейшее изучение сейсмологической и геодинамической ситуации на всем
протяжении пояса может помочь в определении их общих черт и существенных различий.
Для украинской геофизики важно изучать
опыт таких землетрясений и использовать полученные выводы для изучения сейсмической
опасности на территории страны. Не менее
важная задача – практическое использование
записей сильных землетрясений с целью уточнения и уменьшения сейсмического риска для
особо важных промышленных техногенно- и
экологически- опасных объектов, к которым
относится Чернобыльская АЭС.
С помощью анализа записей землетрясения
26 декабря 2004 года в районе острова Суматра,
полученных широкополосными сейсмическими
станциями, установленными непосредственно
на площадке ЧАЭС и на сейсмической станции
«Киев», входящей в мировую сеть станций IRIS
удалось решить вопрос о потенциальной возможности существенного увеличения сейсмических колебаний в низкочастотной области за
счет влияния грунтовых условий в районе площадки ЧАЭС. Обе станции были оборудованы
идентичной сейсмологической аппаратурой
фирмы GURALP CMG-40TD.
В то время, как сейсмическая станция
«ЧАЭС» расположена на мощной толще осадочных пород, с существенно отличающимися
по латерали скоростными и плотностными
свойствами, сейсмическая станция «Киев» расположена на выходе скальных пород. Существенно различаются также шумовые условия в
месте установки станций. На площадке ЧАЭС,
вследствие большой техногенной нагрузки,
уровень помех является очень высоким. На
станции «Киев» микросейсмический шум минимальный.
Станция «Киев» расположена на расстоянии
около 70 км от «ЧАЭС» Относительно очага
землетрясения 26.12.2004 года в районе острова
Суматра, лучи сейсмических волн к этим станциям распространяются в столь узком лучевом
конусе, что влиянием среды на всем пути распространения волн, кроме среды вблизи свободной поверхности Земли, можно пренебречь.
Следовательно, различие в частотном составе
наблюдаемых сейсмических колебаний грунта
при землетрясении из района Суматры, можно
полностью отнести за счет влияния сложного
трехмерного строения осадочного чехла под
Чернобыльской АЭС.
На рисунке 7 приведены амплитудные спектры Фурье ускорения колебаний грунта,
наблюдаемые на компоненте «восток-запад» на
станции «ЧАЭС» и станции «Киев». Видно, что
осадочный слой под ЧАЭС может существенно
усиливать амплитуды ускорений сейсмических
колебаний при землетрясениях в диапазонах
частот: 0,35 – 0,45 и 0,9 - 1,2 Герц. Аналогичное усиление наблюдается и на компоненте
«север-юг». При этом cущественного увеличения колебаний на вертикальной составляющей
в диапазоне колебаний 0,2 – 1 Гц на станции
«ЧАЭС» не наблюдается. Следовательно, основное усиление колебаний формируется за
счет поперечных волн и волн Лява.
Использование синхронных записей Суматринского землетрясения и записей полученных
на сейсмической станции «Киев», входящей в
мировую сеть станций IRIS, совместно с данными о параметрах максимальных землетрясений в опасных для площадки ЧАЭС сейсмоактивных зонах, позволило разработать новый
график спектра реакции, моделирующего максимальную горизонтальную компоненту сейсмических воздействий на площадке Чернобыльской АЭС при МРЗ по данным ИГФ НАН
160
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2005, Випуск 8
Украины и фирмы BECTEL в редакции 2005
года. График спектра реакции и соответствующие ему расчетные акселерограммы, модели-
рующие МРЗ на площадке ЧАЭС представлены
на рисунках 8 и 9.
Рисунок 7 - Сравнение амплитудных спектров Фурье ускорений колебаний грунта,
наблюдаемых на станции «ЧАЭС» (тонкая линия), и станции «Киев» (жирная линия)
Рисунок 8 - Огибающая спектров реакции единичных осцилляторов с 5% значением собственных
затуханий, моделирующая с 84,1% вероятностью не превышения максимальную горизонтальную
компоненту сейсмических воздействий при МРЗ из локальных сейсмоактивных зон и зоны Вранча
на площадке ЧАЭС. По вертикальной оси отложено ускорение колебаний единичных осцилляторов
в единицах ускорения свободного падения g (1g=9,8 м/с2), по горизонтальной оси отложена частота
осцилляторов в герцах. SIG – спектры реакции на землетрясения зоны Вранча по эксперименталь-
161
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2005, Випуск 8
ным данным ИГФ НАН Украины, BEB – теоретические спектры реакции, построенные BECTEL,
TACIS – результаты моделирования землетрясения SL2, представленные на рисунке 2
Рисунок 9 - Трехкомпонентная расчетная акселерограмма, моделирующая МРЗ на площадке ЧАЭС.
Акселерограмма полностью соответствует спектру реакции, представленному на рис. 1, в диапазоне
частот 0,1 - 20 Гц. По вертикальной оси отложено ускорение в долях g (g=9,8 м/с2) ,
по горизонтальной – время в часах, минутах и секундах.
Полученные характеристики сейсмической
опасности одобрены Минстройархитектурой
Украины и будут использоваться при проектировании нового безопасного «Конфайнмента»
на площадке Чернобыльской АЭС.
Выводы. Сейсмические записи землетрясения вблизи Северной Суматры, полученные
украинскими станциями «Чернобыль» и «Киев», позволили получить ответ на вопрос о возможности возникновения значительных усилений сейсмических колебаний сооружений
ЧАЭС в области низких частот за счет местных
и сильных удаленных землетрясений.
Как показал анализ амплитудных спектров,
при землетрясениях в диапазоне частот 0,35 –
0,45 и 0,9 – 1,2 Гц возможно существенное
усиление амплитуды ускорений сейсмических
колебаний за счет влияния грунтовых условий
осадочного чехла под ЧАЭС. При этом, основное усиление колебаний осуществляется за счет
поперечных волн и поверхностных волн Лява.
Полученные результаты позволили разработать новую редакцию графика спектра реакции,
моделирующего максимальную горизонтальную компоненту сейсмических воздействий на
площадке Чернобыльской АЭС при МРЗ.
Под действием природных и техногенных
факторов геотектонические и инженерногеологические условия постоянно претерпевают изменения во времени, что может оказывать
существенное влияние на сейсмическую опасность данной территории. В связи с этим, уровень сейсмической опасности должен время от
времени переопределяться на основании данных всестороннего мониторинга окружающей
среды.
Перечень ссылок
1. Рейснер Г.И. Очередной урок сейсмическому районированию. // Физика Земли. – 1993. - № 3.
– С. 109-112.
2. Новый каталог сильных землетрясений на территории СССР с древнейших времен до 1975 г.
/Отв.ред. Н.В.Кондорская, Н.В.Шебалин - М.: Наука, 1977. - 535 с.
162
ЕКОЛОГІЯ І ПРИРОДОКОРИСТУВАННЯ, 2005, Випуск 8
3. Старостенко В.І., Кендзера О.В. Проблеми сейсмічного Захисту населення і важливих об‘єктів
в Україні //Екологія і природокористування. - Дніпропетровськ: ІППЕ. Вип. 5, 2003. – С. 36-47.
4. Кендзера О.В. Стан та перспективи розвитку сейсмологічної служби України. – Вісник КНУ,
Геологія, випуск 19. – Київ: ВПЦ “Київський університет”, 2001. – С.15-24.
5. Кендзера О., Вербицький Т., Вербицький С., Вербицький Ю. Цифровий сейсмограф для регіональних спостережень та результати його випробувань. - Геодинаміка, Том 1, Львів: ЛАГТ, 1998. С.120-126.
6. Strakhov V.N., Starostenko V.I., Kharitonov O.F., Aptikaev F.F., Barkovsky E.V., Kedrov O.K.,
Kendzera A.V., Kopnichev Yu. F., Omelchenko V.D. and Palienko V.V. Seismic Phenomena in the Area
of Chernobyl Nuclear Power Plant. - OPA, Geophys. J., 1998, Vol.17, pp.389-409.
7. US Geological Survey. USGS earthquake hazards program, largest earthquakes in the world since
1900, EQ Facts & Lists, Earthquake Lists, 2005 -http://neic.usgs.gov/neis/eqlists/10maps_world.html)
8. Harinarayana T. and Hirata N. Destructive Earthquake and Disastrous Tsunami in the Indian Ocean,
What Next? - International Association for Gondwana Research, Japan. - V. 8, No. 2, 2005. - P.246-457.
9. Wood, H. O., and Neumann, F. Modified Mercalli Intensity Scale of 1931. - Bulletin of the
Seismological Society of America, vol. 21, 1931. - P.277-283.
10. Earthquakes and Plate Tectonics. (2004) USGS -http://wwwneic.cr.usgs.gov/neis/general
/handouts/rift_man.html
11. Кендзера О.В., Омельченко В.Д. Сучасний стан сейсмологічних досліджень в Україні
//Будівництво в сейсмічних районах України. Доповіді IV науково-технічної конференції, м.Ялта,
18-21.05.1999 р. – С.21-26.
12. Пустовитенко Б.Г. Механізм очагов ощутимых землетрясений Крымско-Черноморского региона последних 20 лет //Сейсмологический бюлетень за 2000 год. – Сімферополь: ИГФ НАН Украины. – С. 59-63.
13. Паталаха Е.И., Гончар В.В., Сенченков И.К., Червинко О.П. Индерторный механизм в геодинамике Крымско-Черноморского региона. Прогноз УВ и Сейсмоопасности. – Киев, 2003. – 226 с.
14. Triyoso, W. Understanding the potency of Giant Thrust Earthquake along Sumatra Subduction
zone: The Effect of Sudden Stress/Strain Loading, - Geophysics & Met. Dept ; FIKTM-ITB BandungIndonesia, 2005. - http://emsc-csem.org/
15. Newcomb, K. R. & McCann, W. R. Seismic history and seismotectonics of the Sunda arc. - Journal of Geophysical Research, v.92, 1987. - P.421-439.
16. Hanus, V., Spicak, A. & Je, V. Sumatran segment of the Indonesian subduction zone: morphology
of the Wadati-Benioff zone and seismotectonic pattern of the continental wedge. - Journal of. SE Asia
Earth Science, 13, 1996. - P.39-60.
17. Krishna, M.R., and Sanu T.D. Shallow seismicity, stress distribution and crystal deformation pattern in the Andaman-West Sunda arc and Andaman Sea, noertheastern Indian Ocean. - J. Seismology, v. 6,
2002. - P.25-41.
18. Armijo, R., Meyer, B. & Hubert, A. Westward propagation of the North Anatolian fault into the
northern Aegean: Timing and kinematics. Geology 27, 1999. – P.267-270.
V.I. Starostenko, А.V. Кеndzera, S.Т.
Verbitsky, Yu.Т. Verbitsky, I.Yu
Gurova, Yu.V. Lessovoy
SETTLEMENT SEISMIC INFLUENCES FOR
CHERNOBYL NUCLEAR POWER STATION
Institute of geophysics of Nas of Ukraine, Kiev
For designing new safe confiment above object "Shelter" there was a necessity of construction
settlement аcсеlеrograм and definition of spectra of reaction simulating the maximal settlement
earthquake (seismic level SL-2) on the platform Chernobyl nuclear power station. With this purpose near to object "Shelter" the seismic station equipped broadband seismometers Guralp was
established. The results of research will be used for designing safe Конфаймента above destroyed
the 4-th block of Chernobyl nuclear power station.
Поступила в редколлегию 28 сентября 2005 г.
Рекомендовано членом редколлегии член.-корр. НАН Украины А.Г. Шапарем
163