книги из ГПНТБ / Карапетян Н.К. Спектры сейсмических колебаний на территории Армении

В 1962 г. были определены спектры сейсмовзрывных коле­ баний в скальных породахРезультаты этой работы были до­ ложены на заседании Европейской сейсмологической комиссии

амплитудные и фазовые спектры сейсмических волн при близ­ ких землетрясениях Кавказа, энергетические спектры сейсми­

[79, 104 п др.], при построении дисперсионных кривых фазо­ вых скоростей [82, 83 и др.] и при решении ряда других во­ просов.

В. Л- Бел отел овым и Н. В. Кондорской были получены амплитудные спектры объемных волн камчатских землетрясе­ ний на больших эпицентральных расстояниях д >>30э [6] . Ав­ торами указывается на отсутствие явно выраженной зависи­

этих спектров по их форме и установлена качественная зави­

100 землетрясений 10—14 энергетических классов, происшед­

глубинах от 5 до 150 км [103]. Для изучения влияния грунто­ вых условий на характеристики спектров колебаний им были организованы на территории г. Петропавловск-Камчатский сейсмометрические наблюдения в семи пунктах с различны­ ми грунтовыми условиями. Для спектрального анализа на записях колебаний В. В. Штейнберг выделил участки, несу­ щие не менее 75% общей энергии, аргументируя это тем. что именно эта часть колебательного процесса имеет решающее значение для сооружения. Однако для решения многих сей­ смологических задач представляет практический интерес по­ лучение спектров отдельно продольных, поперечных и поверх-

.21

для полного представления о спектрах близких землетрясении

паратуры они будут наблюдаться в частотном составе этих спектров.

Используя соотношения, полученные в результате анали­ за спектров 10—14 энергетических классов, В- В. Штейнбер-

ние является недостаточно обоснованным, так как исследо­ вание проводилось по повторным толчкам одного и того же

Л. А- Скорик получены спектры микросейсмических коле­ баний различных грунтов: галечников, скалы и лесса, заре­ гистрированных частотно-избирательной сейсмической стан­ цией (ЧИСС) системы К. К- Запольского [92].

Л. А. Скорик и 3. А. Осьмаковой была исследована зави­ симость спектров колебаний при слабых землетрясениях от энергии землетрясения и грунтовых условий в точке наблюде­ ний в условиях Таджикистана и сделаны выводы, носящие ка­ чественный характер [91].

Т. И. Кухтиковой и В. И. Французовой вычислены ампли­ тудные спектры поверхностных волн, записанных на станциях «Куляб» и «Хорог» на эпицентральных расстояниях от 1200 до 2000 км и проведено их сопоставление с преобладающими периодами, измеренными непосредственно из соответствующих сейсмограмм [63].

22

Получены также частотные составы колебании при разрушительных нурекских [64] и ташкентских [ 66 ] землетря­ сениях-

Под научным руководством Е. М. Бутовской группой научных сотрудников Института геологии и геофизики АН Узб. ССР получены амплитудные и энергетические спектры сейсмических волн в районе Восточной Ферганы, выявлены основные особенности этих спектров и изучено влияние грун­ товых условий на интенсивность амплитудных и энергетиче­ ских спектров [10].

Спектральные характеристики землетрясений Ашхабад­ ской зоны получены С. В. Пучковым и Дж . Гарагозовым вруч­ ную путем измерения всех амплитуд и периодов колебаний на участке максимальных амплитуд поперечной волны длитель­ ностью 5—10 сек [79]. Для некоторых землетрясений этой же зоны спектры получены машинным путем по методу, разра­ ботанному в ИФЗ АН СССР [ 1 7 ] . '

Для Гармского района Таджикской ССР с целью изучения частот сейсмических колебаний была использована частотноизбирательная станция ЧИСС, а также применена методика непосредственного измерения преобладающих периодов коле­ баний на записях землетрясений стандартной широкополос­ ной аппаратурой [96]. Проведено сопоставление измеренных преобладающих периодов с положениями максимумов соот­ ветствующих спектров, полученных с помощью ЧИСС и уста­ новлено, что преобладающие частоты имеют заниженные зна­ чения по сравнению с положением максимума и это система­ тическое отклонение составляет в среднем 10%. Исследована зависимость преобладающих частот от энергии' землетрясе­ ний, глубины очага, эпицентрального расстояния и грунтовых условий в местах расположения станций.

Для определения фазовых скоростей поверхностных волн по их фазовым спектрам широко применяется разработанный в ИФЗ АН СССР под руководством члена-корреспондента АН

СССР Е. Ф- Саваренского метод, согласно которому фазовую скорость поверхностных волн можно определить по разности фазовых спектров этих волн, или записанных на двух сейсми­ ческих станциях при одном и том же землетрясении или же записанных на одной сейсмической станции при двух земле­ трясениях, когда станции и эпицентры лежат на одной дуге большого круга [82, 83, 14, 11]. Этот метод был использован

23

нами при определении фазовых скоростей волн PL, распро­ страняющихся через Малый Кавказ [52].

Спектральные характеристики поверхностных волн Т. М. Сабитовой были использованы для оценки глубины очагов землетрясений, записанных на станциях «Фрунзе». «Душан­ бе», «Куляб», «Хорог», «Магадан» [84].

В. И. Кейлпс-Бороком показано, что преобладающий период в спектрах'поверхностных волн может служить отли­ чительным признаком подземных ядерных взрывов, так как при примерно одинаковых интенсивности, эпнцентральном расстоянии и пути распространения волн величина преобла­ дающего периода при взрывах в четыре раза меньше периода поверхностных волн при землетрясениях [54].

Е. Ф. Саваренским, С. А. Федоровым и Б. В. Гогичайшвплп при помощи спектрального анализа по записи сейсмических колебаний на сейсмограмме было воспроизведено истинное движение почвы, освобожденное от искажений, вносимых сейсмографом [86].

Спектральный анализ широко используется также при изучении сейсмовзрывных колебаний-

Интересные работы проведены И. И. Гурвнчем по теоре­ тическому исследованию спектральных особенностей продоль­ ных волн, распространяющихся в однородной абсолютно-упру­ гой или поглощающей средах от сферического излучателя [19], и установлению зависимости спектров сейсмических волн в поглощающей среде от веса заряда [20].

Зависимость преобладающих частот при взрыве от вели­ чины заряда экспериментально была изучена И. Л. Нерсесовым и А. В. Николаевым [77], а также Г. Г. Михотой [71 ]•

Л. В. Молотовой исследована зависимость частотных спектров сейсмических колебаний от условий взрыва [72].

Спектральные характеристики тонкослоистых пачек ис­ следованы И. С. Берзон [8]

Ф. Ф. Аптикаевым изучены зависимости видимых перио­ дов, соответствующих максимальному значению амплитуды,

восновном, продольных волн от расстояния, энергии взрывов

ифизико-механических свойств среды [2] .

При разработке сейсмического метода обнаружения и идентификации ядерных взрывов И. П. Пасечником изучен спектральный состав волн, возбуждаемых взрывами и земле­ трясениями, а также спектральный состав микросейсмиче­ ских помех [78]. На основе анализа этих спектров оценены минимальные уровни сигналов, выявлены пути повышения эффективной чувствительности сейсмоприемной аппаратуры и указаны оптимальные полосы ее пропускания.

24

Вопросы точности определения спектров сейсмических колебаний детально рассмотрены Н. П. Грудевой, Л. Н. Ма­ линовской и Б. Н. Наймарком [17].

С целью изучения сейсмичности территории Армянского нагорья и Малого Кавказа нами проведены исследования по определению спектрального состава сейсмических колебаний при микросейсмах, взрывах и землетрясениях. При этом раз­ работана методика определения спектрального состава коле­ баний почвы путем применения методов гармонического ана­ лиза, а также основанная на учете непериоднчностн сейсми­ ческих колебаний.

§ I . 1. ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРАЛЬНОГО СОСТАВА СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИИ ПУТЕМ ГАРМОНИЧЕСКОГО АНАЛИЗА

Методика определения спектрального состава колебаний почвы путем гармонического анализа заключается в следую­ щем [44]. Анализируемая кривая, которая может быть как акселерограммой или сейсмограммой землетрясения, так и записью микросейсм или взрывов, увеличивается примерно и 10 раз. Затем кривая, вернее ее средняя линия, делится нг. ряд участков вертикальными линиями, проходящими через характерные пики кривой. Каждый такой участок подвер­ гается гармоническому анализу, а именно с помощью ряда Фурье [93] представляется в виде суммы периодических сину­ соидальных колебаний:

здесь a0, au, и bk —коэффициенты Фурье-функции f(x). Для определения этих коэффициентов нами используется способ, предложенный Леманом [138].

Зная коэффициенты Фурье, можно определить амплитуду соответствующей гармоники по формуле:

вой. Для проверки полученных данных и для получения более длинных периодов колебаний участки рассматриваемой кри­ вой последовательно укрупняются и также подвергаются гар­ моническому анализу. Полученные значения периодов и со-

25

ответствующпе им значения ускорений или смещений сво­ дятся в таблицу. По способу Лемана можно получить десять гармоник, но нами берутся только первые пять гармоник как наиболее достоверные. Затем строится спектральная кривая по максимальным значениям смещений или ускорений для каждого периода, а также график частота случаев—период.

Предложенная методика определения спектрального со­ става колебаний почвы дает дискретные значения периодов и соответствующих им значений ускорений или смещений, что правильно для периодических функций. Сейсмические же ко­ лебания представляют собой непериодическую функцию с пе­ ременной амплитудой и периодом, имеющую сплошной спектр с преобладанием отдельных периодов. Следовательно, прини­ мая кривую колебания почвы за периодическую, мы тем са­ мым определяем спектр колебаний с некоторым приближе­ нием, практически допустимым, так как он позволяет судить с; характерных чертах частотного состава колебаний почвы данного района.

С п е к т р а л ь н ы й с о с т а в а к с е л е р о г р а м м з е м л е т р я с е и и i"i

Изложенная методика использована нами для определе­ ния спектрального состава колебаний почвы при некоторых сильных Калифорнийских землетрясениях [43] по акселеро­ граммам, полученным на сейсмических станциях США, рас­ положенных в разных пунктах с различными грунтовыми условиями и оснащенных акселерографамн с прямой оптиче­ ской регистрацией.

Частотная характеристика приборов такова [68], что уве­ личение ускорения колебания грунта для диапазона периодов примерно от 0,1 сек и более является постоянным. Эти аксе­ лерограммы были любезно предоставлены нам С. В. Медве­ девым.

По максимальным значениям ускорений для каждого периода, определенных по вышеизложенной методике, по строены спектральные кривые. На рис. 1.1а представлена, в качестве примера, спектральная кривая ускорений колебаний почвы при землетрясении 11.III 1933 г. По оси абсцисс отложе­ ны значения периодов, а по оси ординат—амплитуда гармо­ ники, выраженная в долях ускорения силы тяжести g- Полу­ ченные спектры представлены не в обычном виде линейных спектров (вертикальных прямых, параллельных оси ускоре­ ний), а в виде ломаных линий, соединяющих концы этих вертикалей, т. е. огибающих линейных спектров. Такое чисто

26

0SO

условнее представление сейсмических спектров способствует лучшему прослеживанию характера изменения интенсивности колебаний от периода и выявлению преобладающих периодов. Для наглядности ординаты на графиках не приведены. Пунк­ тирными линиями соединены точки, значения которых полу­ чены гю укрупненным участкам.

Для рассмотренных землетрясений Хаузиер, Мартел и Альфорд определили спектральные кривые с помощью электроанадога [116]. Полученные таким путем кривые являюто. спектральной реакцией здания, тогда как построенные нами спектральные кривые относятся к колебаниям почвы. Тем не менее, представляет интерес сравнение спектральных кривых, полученных при одном и том же землетрясении для почвы и для фундамента здания при нулевом затухании.

В табл- 1.1 приведены максимальные величины (пики) ускорении и соответствующие им значения периодов для спектра ускорений почвы, полученные нами, а также для спектра ускорений реакции здания, полученные Г. В. Хаузнером, Р. Р. .Мартелем и И. Л. Альфордом с помощью электро­ аналога [116]. В таблице буква Г—горизонтальная составляю­ щая, а цифра рядом с буквой Г—угол в градусах между направлением на эпицентр и регистрируемым колебанием

27

переходе от спектра ускорений почвы к спектру ускорений реакции здания.

Из построенных спектральных кривых наиболее резко выраженным пиком ускорения обладают спектры колебании

затем резко уменьшающийся с увеличением периода больше 0.5 сек.

Спектральные кривые обеих горизонтальных составляю­ щих семибалльного землетрясения 11.1X 1938 г., записанного станцией Ферпдале, имеют одинаковый характер, отличный от остальных построенных спектральных кривых. Спектральная кривая семибалльного землетрясения З.Х 1941 г. получена по записи той же станции Ферпдале. Однако эта спектральная кривая несколько отличается от двух предыдущих. Если в тех случаях наибольшее количество пиков наблюдалось в диапазо­ не периодов от 0,05 до 0,5 сек, то теперь этот диапазон расширя­ ется до 0,7 сек. Но «плотность» спектра, т. е. число пиков на оп­ ределенном интервале 0,05—0,5 сек, во всех трех случаях для станции Ферндале одна и та же и меньшая по значению, чем для станции Холистер, записавшей восьмибалльное землетрясение 9.III 1949 г. В то же время для обеих горизонтальных состав­ ляющих станции Холистер получается одинаковая «плотность» спектра. Спектральная кривая семибалльного землетрясения

нием низких частот. Это, возможно, вызвано тем обстоятель­ ством, что приборы на этой станции расположены на рыхлом

Г. В. Хаузнер [118]. «Плотность» спектра для станции Спэтль такая же, что и для станции Холистер. Семибалльное земле­ трясение 18. V 1940 г. записано станцией Эль-Центро. Спек­ тральная кривая характерна тем, что здесь имеются три пика максимальных ускорений примерно одинаковой величины (0,035—0,036g) при периодах 0,16; 0,33 и 0,51 сек. «Плот­ ность» спектра на интервале 0,05—0,5 сек такая же, как и для станции Ферндале. Но, пожалуй, наиболее интересным из

28

Таблица 1.1

Значения максимальных ускоренны и соответствующих пм периодов

29