УДК 550.344.33 + 550.341

PACS 91.30.pb, 91.30.-f

СТОЯЧИЕ ВОЛНЫ В ЭПИЦЕНТРАЛЬНЫХ ОБЛАСТЯХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Ф.Ф.Аптикаев, О.О. Эртелева

ФГБУН Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия

Автор для переписки: Ф.Ф. Аптикаев, e-mail: felix@ifz.ru

Аннотация. Часто резкое увеличение или уменьшение уровня сейсмических волн не может быть объяснено существующими методами сейсмического микрорайонирования, тем более что при 8–9 баллах усиления амплитуды на рыхлых грунтах не происходит, скорее наоборот, амплитуды на рыхлых грунтах несколько ниже, чем на скальных. Затухание сейсмических волн при больших амплитудах определяется уже не свойствами среды, а уровнем колебаний. Декремент поглощения при этом резко возрастает, и резонансные свойства грунтов притупляются вплоть до полного исчезновения. Более того, ближняя зона расположена над очаговой зоной, где происходит не только поглощение, но и выделение энергии. В статье рассматриваются три процесса, которые могут объяснить аномальные вариации амплитуд сейсмических волн. Во-первых, с удалением от разлома амплитуда может возрастать, поскольку разрыв может возникать не в месте максимальных деформаций, а в месте минимальной прочности среды, т.е. в области ранее образовавшегося разлома. Однако такая модель плохо согласуется с тем фактом, что зоны аномальных амплитуд часто расположены симметрично относительно разлома. Вторая причина возрастания амплитуды с удалением от разлома состоит в том, что в плоскости разлома энергии, естественно, быть не может; разлом только дает возможность высвобождения накопленной энергии деформаций в прилегающей среде. Следовательно, энергия сейсмических волн при распространении от поверхности разлома будет возрастать до тех пор, пока элементы среды будут выделять энергии больше, чем поглощать. Такая модель подтверждается эмпирическими данными. Масштабирование амплитуд ускорений при землетрясениях с различными магнитудами хорошо выполняется сдвигом по оси расстояний, а не по оси амплитуд, как принято считать. Многими исследователями показано, что по эмпирическим данным максимальный уровень ускорения в очаговой области не зависит от магнитуды, а определяется типом подвижки по разлому. Эмпирически показано, что уровень ускорений при 9–11 баллах одинаков. Сейсмическая интенсивность выше 9 баллов определяется уже не амплитудой ускорения, а остаточными деформациями, т.е. изменениями в рельефе. Явление чередования зон усиления и ослабления амплитуд при одинаковых грунтовых условиях, наблюдаемое в очаговых областях землетрясений, не объясняется и двумя описанными процессами. Авторы предлагают для обсуждения идею, объясняющую все вышеуказанные явления – возникновение стоячих волн в очаговой области. В статье приводятся сведения о появлении аномальных вариаций амплитуд, которые могут быть объяснены теорией стоячих волн. При этом зоны аномального повышения и понижения амплитуд могут быть проинтерпретированы как зоны узлов и пучностей стоячих волн. Предлагаются эмпирические уравнения для расстояний, на которых могут появляться зоны узлов и пучностей.

Ключевые слова: магнитуда землетрясения, стоячие волны, узлы, пучности, тектонические разломы, грунтовые условия

Цитирование: Эртелева О.О., Аптикаев Ф.Ф. Стоячие волны в эпицентральных областях землетрясений // Вопросы инженерной сейсмологии. 2018. Т. 45, № 3. С. 45–??. DOI: 10.21455/VIS2018.3-4

ЛИТЕРАТУРА

Алешин А.С. Континуальная теория сейсмического микрорайонирования. М.: Научный мир, 2017. 302 с.

Аптикаев С.Ф. Особенности колебаний поверхности грунта вблизи техногенных сейсмических источников // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2001. № 1. С. 7–15.

Аптикаев Ф.Ф. Распространение сейсмических волн в поглощающей среде // Геофизика и математика. Материалы 1-й Всероссийской конференции. М.: ОИФЗ РАН, 1999. С. 8–9.

Аптикаев Ф.Ф. Сейсмические волны при землетрясениях и взрывах. М.: Наука, 1969. 104 с.

Аптикаев Ф.Ф. Стоячие волны в эпицентральной области // В сб.: Сейсмические волновые поля. М.: Наука, 1992. С. 101–103.

Аптикаев Ф.Ф., Копничев Ю.Ф. Учет механизма очага при прогнозе параметров сильных движений // ДАН СССР. 1979. Т. 247, № 4. С. 822–825.

Гоби-Алтайское землетрясение. М.: Изд-во АН СССР, 1963. 392 с.

Давиденков Н.И. О рассеянии энергии при вибрациях // ЖТФ, 1938. Т. VIII, вып. 6. С. 438–499.

Еманов А.Ф., Селезнев В.С., Бах А.А. Когерентное восстановление полей стоячих волн как основа детального сейсмологического обследования инженерных сооружений // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2007. № 3. С. 20–24.

Еманов А.Ф., Красников А.А. Применение метода стоячих волн для исследования сейсмоизолированных зданий // Вопросы инженерной сейсмологии. 2015. Т. 42, № 4. С. 37–64.

Иващенко А.И., Кузнецов Д.П., Ким Чун Ун и др. Нефтегорское землетрясение 27 (28) мая 1995 г., остров Сахалин // Нефтегорское землетрясение 27 (28) мая 1995 г. Информационно-аналитический бюллетень Федеральной системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений. Специальный выпуск. 1995. С. 48–67.

Красников А.А., Еманов А.Ф. Поле стоячих волн сейсмоизолированных зданий // 50 лет сейсмологического мониторинга Сибири: Тез. докл. Всерос. конф. с междунар. участием. Новосибирск, 2013. С. 154–156

Новый каталог сильных землетрясений на территории СССР (с древнейших времен до 1975г.). М.: Наука, 1977. 535 с.

Павленко О.В. Сейсмические волны в грунтовых слоях: нелинейное поведение грунта при сильных землетрясениях последних лет. М.: Научный мир, 2009. 284 с.

Савельев И.В. Курс общей физики. Том 2. М.: Наука, 1988. 496 с.

Селезнев В.С., Еманов А.Ф., Бах А.А., Данилов Л.А., Красников А.А. Детальное инженерное и сейсмологическое изучение зданий и сооружений стоячими волнами // VI Российская национальная конференция по сейсмостойкому строительству и сейсмическому районированию. Сочи, 2005. С. 1512.

Сорокин Е.С. Метод учета неупругого сопротивления материала при расчете конструкций на колебания // В сб.: Исследования по динамике сооружений. М.: Госстройиздат, 1951.

Составление карты детального сейсмического районирования территории Ставропольского края. В 6 томах. М.: ИФЗ РАН, 1996.

Чернов Ю.К. Сильные движения грунта и количественная оценка сейсмической опасности территорий. Ташкент: ФАН, 1989. 295 с.

Шимамото Т., Ватанабе М., Сузуки И. Поверхностные разрывы при Нефтегорском землетрясении 27 (28) мая 1995 г. // Нефтегорское землетрясение 27 (28) мая 1995 г. Информационно-аналитический бюллетень Федеральной системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений. Специальный выпуск. 1995. С. 101–116.

Aptikaev F. Review of empirical scaling of strong ground motion for seismic hazard analysis/Selected Topics in Earthquake Engineering – from earthquake source to seismic design and hazard mitigation. Edited by M.D. Trifunac. Int. Conf. on Earthq. Eng., 2009, Banja Luka, Republic of Srpska, B&H. P. 27–54.

Aptikaev F., Erteleva O. Standing waves and macroseismic field: empirical and theoretical evidences // Proc. 1st ECEES, Geneva, Switzerland, 2006. CD, ID 1291. Abstract book, ID 1289. P. 175.

Aptikaev F.F. Standing Waves near Explosion Origin // Tr. of the Internat. Seminar on Deconvolution. Praha, 1971.

Aptikaev F.F., Kopnichev Yu.F. Corellation of strong ground motion with earthquake mechanism // Proc. VII WCEE, Istanbul, Turkey, 1980. Geosci. Aspects, pt.1, vol.1, p. 107–110.

Bommer, J. J., Martínez-Pereira, A. The effective duration of earthquake strong motion // J. Earthq. Eng. 1999, Vol. 3, no. 2. P. 127–172. DOI: 10.1080/13632469909350343 

Campbell K.W. Near-source attenuation of peak horizontal acceleration // Bull. Seism. Soc. Amer. 1981. Vol. 71, No. 6. P. 2039–2070.

Chiaruttini C., Siro L. The correlation of peak ground horizontal acceleration with magnitude, distance, and seismic intensity for Friuli and Ancona, Italy, and the Alpide belt // Bull. Seism. Soc. Amer. 1981. Vol. 71, No. 6. P. 1993–2009.

Chung Wai-Ying, Bao-Zhu Wei, Brantley B.J. Faulting mechanisms of the Liyang, China, Earthquakes of 1974 and 1979 from Regional and Teleseismic Waveforms – Evidence of Tectonic Inversion under a Fault-Bounded Basin // Bull. Seism. Soc. Amer. 1995. Vol. 85, № 2. P. 560–570.

Duke C.M. et al., Effects of site classification and distance on instrumental indices in the San Fernando earthquake. Rpt. UCLA-ENG-7247. Los Angeles, 1972. 50 p.

Graizer V., Kalkan E. Modular filter based approach to ground motion attenuation modeling // Seismol. Res. Lett. 2011. Vol. 82, No. 1. P. 21–31. DOI: 10.1193/1.4000140 

Graizer V., Kalkan E. Prediction of spectral acceleration response ordinates based on PGA attenuation // Earthquake Spectra. 2009. Vol. 25, No. 1. P. 39–69.DOI: 10.1193/1.3043904 

Joyner W.B., Boore D.M. Peak horizontal acceleration and velocity from strong-motion records including records from the 1979 Imperial Valley, California, earthquake // Bull. Seism. Soc. Amer. 1981. Vol. 71, № 6. Pp. 2011-2058.

Lee V.W., Manić M., Bulajić B., Herak D., Herak M., Stojković M. and Trifunac M.D. Microzonatiom of Banja Luka for performance-based earthquake-resistant design // Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2015. Vol. 78. P. 71–88. DOI: 10.1016/j.soildyn.2014.06.035 

Mc Guire R.K., Barnhard T.P. The usefulness of ground motion duration in predicting the severity of seismic shaking. Preprint. 1979. 17 p.

Neumann R. Earthquake intensity and related ground motion. Seattle Univ., Wash. Press, 1954. 77 p.

Skarlatoudis A.A., Somerville P.G., Thio H.K., Bayless J.R. Broadband strong ground motion simulations of large subduction earthquakes // Bull. Seism. Soc. Amer. 2015. Vol. 105, No. 6. P. 3050–3067. DOI: doi.org/10.1785/0120140322

Trifunac M.D. Preliminary analysis of the peaks strong earthquake ground motion-dependence of peaks on earthquake magnitude, epicentral distance, and recording site conditions // Bull. Seism. Soc. Amer. 1976. Vol. 66, No. 1. P. 132–162.

Wells D.L., Coppersmith K.J. New empirical relationships among magnitude, rupture length rupture width, rupture area, and surface displacement // Bull. Seism. Soc. Amer. 1994. Vol. 84, No. 4. P. 974–1002.

Сведения об авторах

АПТИКАЕВ Феликс Фуадович – доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник, ФГБУН Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, г. Москва, Д-242, ул. Большая Грузинская, д. 10. Тел.: (499) 254-24-85. E-mail: felix@ifz.ru

ЭРТЕЛЕВА Ольга Олеговна – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, ФГБУН Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, г. Москва, Д-242, ул. Большая Грузинская, д. 10. Тел.: (499) 254-24-85. E-mail: ertel@ifz.ru 

STANDING WAVES IN EPICENTRAL AREA OF EARTHQUAKE

F.F.Aptikaev, O.O.Erteleva

Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

Corresponding author: F.F. Aptikaev, e-mail: felix@ifz.ru

Abstract. Often a sharp increase or decrease in the level of seismic waves cannot be explained by existing methods of seismic microzonning. Especially the amplification of the amplitude on soft ground, when intensity is 8–9, does not occur, rather the contrary. Attenuation of seismic waves for large amplitudes isn’t determined by the properties of the medium, but the vibration level. The decrement of the absorption sharply increases, and the resonant properties of soils blunted until the complete disappearance. Moreover, the areas is located above the source area, where not only an absorption, but also the release of energy. The article discusses three processes that can explain the abnormal variation of the amplitudes of seismic waves. First, with distance from the fault, the amplitude may increase, because the gap may occur not in place of the maximum deformation but the minimum strength of the medium, i.e. in the previously formed fault. However, this model does not agree with the fact that the zones of abnormal amplitudes are often located symmetrically with respect to the fault. The second reason for the increasing amplitude with distance from the fault due to the fact that in the fault surface energy, of course, cannot be. The rift only allows the release of stored energy of deformation in the surrounding environment. Therefore, the energy of the seismic waves during the propagation from the fault would increase as long as the elements of the environment will allocate more energy than to absorb. This model is confirmed by empirical data. The scaling of the amplitudes of the accelerations during the earthquakes with different magnitudes is well executed shift along the axis of distances, not along the axis of the amplitudes, as is commonly believed. It is shown by many researchers that the maximum level of acceleration in the source area does not depend on the magnitude but depends on the type of movement along the fault. It is empirically shown that the levels of acceleration for intensities 9–11 are the same. Seismic intensity above 9 isn’t determined by the amplitude of the acceleration but of residual deformation, i.e., changes in the topography. The phenomenon of alternation of zones of gain and weakening of amplitudes under identical soil conditions observed in epicentral areas of earthquakes is not explained also by two described processes. Authors offer for discussion the idea explaining the specified phenomena - origin of standing waves in focal area. Data on appearance of the abnormal variations of amplitudes which can be explained with the theory of standing waves are provided in article. At the same time zones of the abnormal increase and reduction of amplitudes can be interpreted as zones of nodes and antinodes of standing waves. Empirical equations for distances at which zones of nodes and antinodes can appear are offered.

Keywords: earthquake magnitude, standing waves, nodes, antinodes, tectonic faults, ground conditions

About the authors

APTIKAEV Felix Fuadovich - Doctor of Physics and Mathematics, Professor, Chief Researcher. Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences. 123242, Moscow, D-242, ul. Bolshaya Gruzinskaya, 10. Tel .: (499) 254-24-85. E-mail: felix@ifz.ru

ERTELEVA Olga Olegovna - Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Leading Researcher, Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences. 123242, Moscow, D-242, ul. Bolshaya Gruzinskaya, 10. Tel .: (499) 254-24-85. E-mail: ertel@ifz.ru

Cite this article as: Aptikaev F.F., Erteleva O.O. Standing waves in epicentral area of earthquake, Voprosy Inzhenernoi Seismologii (Problems of Engineering Seismology), 2018, Vol. 45, No. 3, pp. 45–56. [in Russian]. DOI: 10.21455/VIS2018.3-4

English translation of the article will be published in Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online), https://link.springer.com/journal/11990), 2019, Volume 55, Issue 3.