Суперкомпьютер смоделировал землетрясение в Калифорнии: почему удаленность от эпицентра не гарантирует безопасность

При проектировании городской инфраструктуры инженеры опираются на расчеты сейсмической опасности. Cчитается, что интенсивность подземных толчков зависит от двух факторов: магнитуды землетрясения и расстояния до тектонического разлома. Однако последние исследования показывают, что эта линейная логика не способна предсказать реальную картину разрушений. Движение земной поверхности во время землетрясения — это сложный физический процесс, который определяется направлением разрыва горных пород и трехмерной структурой подземных геологических слоев.

Ученые из Ливерморской и Берклиевской национальных лабораторий провели исследование сейсмической угрозы в зоне залива Сан-Франциско. Этот регион находится под постоянной угрозой: по оценкам Геологической службы США, вероятность землетрясения магнитудой 6.7 и выше на разломе Хейворд в ближайшее десятилетие превышает 14%. Чтобы понять, как именно поведет себя грунт при толчке магнитудой 7.0, исследователи отказались от стандартной статистики и обратились к прямому физическому моделированию с использованием суперкомпьютеров.

Ограничения эмпирических моделей прогнозирования

Современные строительные нормы базируются на так называемых эмпирических моделях движения грунта (Ground-Motion Models, или GMM). Эти модели создаются путем математического усреднения данных, записанных сейсмографами при тысячах прошлых землетрясений по всему миру.

Эмпирические модели хорошо описывают базовый закон: чем дальше от эпицентра, тем слабее колебания. Для оценки локальных свойств грунта они используют параметр Vs30 — среднюю скорость распространения сдвиговой сейсмической волны в верхних 30 метрах земли. Если верхний слой мягкий, модель предсказывает локальное усиление толчков.

Проблема заключается в том, что такие модели игнорируют глубокую геологию и специфику конкретного разлома. Они не учитывают, что находится на глубине одного или пяти километров, и не берут в расчет направление, в котором разрушается разлом. Исследователи решили проверить, насколько сильную погрешность дает этот усредненный подход.

Для этого они использовали вычислительную платформу EQSIM. Ученые создали цифровую копию региона залива Сан-Франциско, загрузив в компьютер данные о 34 типах геологических пород, их плотности и скорости проведения волн. Затем они симулировали 50 различных сценариев землетрясения на разломе Хейворд магнитудой 7.0, меняя точки начала разрыва и распределение напряжения в горных породах. Сравнение результатов симуляции с предсказаниями традиционных моделей GMM выявило большие расхождения.

Эффект направленности сейсмического удара

Первый фактор, который упускают усредненные модели, — это направленность разрыва. Разлом Хейворд имеет длину 64 километра. При землетрясении он не смещается по всей длине в одно мгновение. Процесс разрушения начинается в одной точке (гипоцентре) и распространяется вдоль линии разлома.

Согласно данным моделирования, фронт разрыва движется со скоростью, составляющей около 72% от скорости распространения самих сейсмических волн. Из-за этого возникает эффект направленности. Поскольку фронт разрыва движется почти так же быстро, как и волны, которые он генерирует, сейсмическая энергия накапливается и уплотняется перед ним.

Если землетрясение начинается на северном конце разлома и движется на юг, южные районы принимают на себя концентрированный, сжатый во времени сейсмический удар высокой амплитуды. В то же время в районах, расположенных позади фронта разрыва (на севере), энергия распределяется более равномерно, и интенсивность толчков снижается. Компьютерный анализ показал, что этот эффект создает выраженные зоны усиления колебаний, расходящиеся под углом примерно 45 градусов от оси разлома. Наиболее сильно этот эффект проявляется на средних частотах (период колебаний около 1.5 секунд).

Кроме того, плоскость разлома неоднородна. В ней существуют локальные зоны максимального сцепления. Когда фронт разрушения достигает такой зоны, происходит резкий выброс энергии. Это генерирует высокочастотные импульсы, которые создают сильные локальные разрушения вблизи самого разлома, что также невозможно предсказать с помощью усредненной мировой статистики.

Влияние глубоких осадочных бассейнов

Второй и самый значимый фактор, вызывающий ошибки в традиционных прогнозах, — это распространение волн через сложную подземную архитектуру региона. Разлом Хейворд делит геологию залива Сан-Франциско на две принципиально разные зоны.

К западу от разлома преобладает тонкий слой мягких отложений, под которым лежат твердые скальные породы. В этой зоне сейсмические волны ведут себя предсказуемо: они быстро проходят через скалу и затухают, не вызывая длительных колебаний.

К востоку от разлома ситуация кардинально отличается. Здесь тектонические процессы сформировали систему глубоких осадочных бассейнов — огромных подземных впадин, заполненных относительно мягкими осадочными породами. Например, глубина геологических бассейнов Ливермор и Купертино достигает 5-7 километров. Именно здесь традиционные модели, оценивающие только верхние 30 метров грунта, терпят неудачу.

Когда сейсмические волны покидают твердую материнскую породу и проникают в массив мягких осадочных отложений глубокого бассейна, законы физики заставляют их менять свои характеристики. Скорость распространения волны падает, но для сохранения энергии ее амплитуда резко возрастает.

Достигнув противоположного края осадочного бассейна, волны сталкиваются с вертикальной границей твердой скальной породы и отражаются обратно. Внутри таких структур возникает сейсмическая реверберация. Симуляции исследователей показали, что низкочастотные волны (с периодом колебаний около 5.0 секунд) многократно отражаются от краев бассейна Ливермор, поддерживая интенсивное движение грунта более 100 секунд после основного удара.

Практическое значение для инженерии

Инженерные конструкции обладают собственной резонансной частотой, и они наиболее уязвимы, когда частота сейсмической волны совпадает с частотой здания.

Высокочастотные волны (с периодом 0.3 секунды) опасны для жестких малоэтажных зданий. Среднечастотные волны (1.5 секунды), которые усиливаются за счет эффекта направленности разрыва, представляют угрозу для зданий средней этажности. Низкочастотные длинные волны (3.0 — 5.0 секунд), которые многократно усиливаются в глубоких осадочных бассейнах, несут максимальную опасность для высотных небоскребов, длиннопролетных мостов и эстакад.

Традиционные эмпирические модели показывают усредненную картину и предсказывают для восточных осадочных бассейнов залива Сан-Франциско относительно умеренные толчки на низких частотах. Физическое моделирование доказывает обратное: именно там возникнет максимальный резонанс, способный разрушить высотные здания.

Если инженеры продолжат проектировать крупную инфраструктуру, опираясь исключительно на глобальную статистику, они не заложат в конструкции запас прочности, необходимый для противостояния длительным низкочастотным колебаниям. Результаты этого исследования доказывают необходимость перехода к региональным физическим моделям оценки риска. Современные вычислительные мощности позволяют точно картировать распространение сейсмической энергии с учетом уникальной геологии каждого региона, предоставляя инженерам и градостроителям точные данные для защиты инфраструктуры до того, как произойдет катастрофа.

Источник:Seismological Research Letters