Лаборатория 304

Исследование сильных землетрясений всегда начинается с детального исследования последствий современных сейсмических событий. Ученые-палеосейсмологии изучают их последствия, а потом переносят полученные знания на палеосейсмокатастрофы.

Для сотрудников лаборатории палеосейсмологии и палеогеодинамики таковым явилось Суусамырское землетрясение, произошедшее в Киргизия 19 августа 1992 года. По данным инструментальной сейсмологической сети её магнитуда (сейсмическая энергия) была оценена как Мs=7.3, интенсивность сейсмических колебаний определенная эпицентральным отрядом Io=9-10 баллов [Богачкин и др., 1997; Ghose et al., 1997, Korjenkov et al., 2004 и др.].

Эпицентральные группы ИФЗ РАН и Института сейсмологии НАН КР прибыли в эпицентральную зону названного землетрясения уже на следующий день после катастрофы и приступили к макросейсмическому обследованию. Сразу же бросался в глаза значительный сейсмоуступ - выход сейсмического очага на поверхность, простиравшийся субширотно - параллельно и рядом (южнее) со стратегическим шоссе "Бишкек-Ош" в районе дорожной отметки "162 км" (рис. 1 и 2).

Рис. 1. Фотография главного уступа восточного разрыва. Вид на юг (а). Поверхность на заднем плане была вздернута относительно поверхности на переднем плане по падающей к югу плоскости разрыва, приведшей к образованию субширотного сейсмоуступа. Новый рукав реки на переднем плане появился в связи с подпруживанием названным сейсмоуступом русла р. Суусамыр (на заднем плане). Валунно-галечный пляж, образовавшийся в связи с вздергиванием русла реки, виден вдоль северного берега р. Суусамыр; он особенно бросается в глаза вокруг восточного (левого на фотографии) окончания уступа. Близкий вид уступа, показывающий разрыв фронтального (крутого) крыла. Максимальная вертикальная компонента сейсмогенной подвижки составила 2,7 м (б). Обратите внимание на заметное складкообразование дерново-почвенного слоя перед его разрывами. Обе фотографии А. М. Корженкова, 1992 г.

Рис. 2. Сейсмогенная взбросо-сдвиговая структура, возникшая на поверхности двухметровой террасы р. Суусамыр в районе 162-го километра автодороги Ош-Бишкек (по Б.М. Богачкину и др., 1997) (план и профиль по линии А-Б): 1 – крутые флексурообразные уступы на северном крыле сейсмогенного вала; 2 – пологое южное крыло вала, 3 – уступы голоценовых террас; 4 – склоны позднеплейстоценовых террас; 5 – относительные высоты сейсмогенных уступов и голоценовых террас; 6 – водная поверхность; 7 – направление течения реки, 8-9 – валунно-галечниковые отмели (8) и перекаты (9), возникшие в русле реки в результате сейсмической подвижки; 10 – ложбина стока, по горизонтальному смещению которой отмечается правый сдвиг на 20-30 см; 11 – деревья и кустарники (на плане); 12-13 – аллювиальные валунно-галечниковые отложения голоцена (12) и верхнего плейстоцена (13); 14 – песчано-глинистые осадки плиоцена; 15 – деревья и кустарники (на профиле); 16 – предполагаемая плоскость сейсморазрыва; 17 – поверхность террасы до землетрясения.

Этот сейсмоуступ не был единственным в эпицентральной области. В 15 км к западу от него был обнаружен еще один сейсмический эскарп - более протяженный - 3.4 км, но менее высокий 1.5 м (рис. 3-5).

Рис. 3 Западный сейсмоуступ. Вид на восток, на заднем плане виден Арамсуйский хребет. Фото Б.М. Богачкина, 1992 г.

Рис. 4. Сейсморазрывы у подножия хр. Суусамыр-Тоо на западной периферии Суусамырской впадины (по Б. М. Богачкину и др., 1997). Разрывы рвут позднеплейстоценовый аллювиально-пролювиальный конус выноса, выходящий из крутого горного склона Суусамырского хребта, простирающегося в ЗСЗ направлении. Обратите внимание на кулисное расположение двух сегментов сейсмоуступа в центре рисунка. Общее простирание западного поверхностного разрыва 3,4 км.

Рис. 5. Западная стенка траншеи, пройденной Su Zongzheng et al. (1996) через западный сейсмоуступ. Разлом слегка выгибается вверх: угол его падения в верхней части составляет 14º, азимут падения 205º, в то время как в нижней части угол падения составляет только 10º. Горизонтальное смещение по надвигу около 95 см. Стратиграфия: 1 - красно-коричневые глины с бороздами скольжения, 2 - серо-зеленая глина и ил с небольшой галькой, 3 - черная почва.

Кроме сейсмоуступов: так называемых первичных - сейсмотектонических дислокаций сильное землетрясение спровоцировало образование ряда вторичных - сейсмогравицационных форм рельефа. К ним относятся оползни, гравитационные трещины. Имеются также промежуточные - гравитационно-сейсмотектонические нарушения: грабены (рис. 6), валики сжатия во фронте оползней, волны в асфальтовом полотне (рис. 7).

Рис. 6. Грабены глубиной 2 м и шириной до 10 м сформированы в гребневой части хребта Чет-Корумды (средняя высота 2600 м над ур. моря). Вид на восток. Они образовались в связи с проседанием центральной части хребта в результате сильных толков во время землетрясения. Бассейн р. Суусамыр (средняя высота 2200 м над уровнем моря) виден на заднем плане фотографии внизу. Фото А. М. Корженкова, 1993 г.

Рис. 7. Волны сжатия в асфальтовом покрытии шоссе "Бишкек-Ош"

Все эти сейсмодислокации были нанесены на карту (рис. 8) и по ней была отрисована карта изосейст Суусамырского землетрясения с использованием Шкалы МСК-64 (рис. 9).

Рис. 8. Сейсмодислокации на территории Суусамырской впадины и ее горного обрамления. 1 - сейсмоуступы, 2 - оползни в скальных и рыхлых грунтах, 3 - значительные трещины, 4 - грязевые выбросы, 5 - места отстреливания фрагментов горных пород, 6 - эпицентр землетрясения, 7 - линии неотектонических краевых разломов [Korjenkov et al., 2004]

Рис. 9. Карта-схема изосейст Суусамырского землетрясения [Korjenkov et al., 2004]. 1 – Изосейсты и значения сейсмической интенсивности; 2 – краевые новейшие разломы: Чонкурчакский (1), Иссык-Атинский (2), Каракольский (3), Арамсуйский (4), Северо-Джумгальский (5), Кызылойский (6), Южно-Таласский (7), Северо-Кетмень-Тюбинский (8), Северо-Кавакский (9), Южно-Кавакский (10); 3 – секущие структуры: а – поперечное поднятие Арсланбоб-Меркенское (V), б – поперечный прогиб Каракуль-Балхашский (IV), в – диагональные поднятия и флексурно-разрывные зоны: Таласо-Ферганская (I), Арамсуйская (II), Сонкельская (III); г – флексурно-разрывные зоны: Чонташская (VI), Толук-Джерди-Каиндинская (VII), Аламединская (VIII).

Наряду с сейсмодислокациями, выраженными в рельефе, а также в рыхлых и скальных грунтах, при Суусамырском землетрясении образовался целый спектр деформаций в строительных конструкциях (рис. 10-13): обрушения, наклоны, выдвижения и повороты. Обычно эти обрушения и повреждения так или иначе связаны с направлениями на эпицентральные зоны сильных землетрясений, что позволяет определять макросейсмические эпицентры, часто не совпадающие с инструментальными данными. Так, эпицентр Суусамырского землетрясения, определенный сетью сейсмических станций, не совпал ни с одной изосейстой высших баллов, отрисованной по макросейсмическим данным (рис. 8, 9).

Рис. 10. Обрушение крыши чабанского дома в направлении эпицентра Суусамырского землетрясения. Фотография А. М. Корженкова, 1992 г.

Рис. 11. Разрушенный кумбез (надмогильный памятник) над пос. Кыйчактала. Простирание трещин СВ 50⁰. Фото А. М. Корженкова, 1992 г.

Рис. 12. Выдвижение верхней части надмогильного памятника села Бель-Алды в сторону эпицентра.

Рис. 13. Вращение по часовой стрелке надмогильного памятника, кладбище с. Бель-Алды. Фото А.М. Корженкова, 1992 г.

Исследовав последствия современного сильного землетрясения, мы обратили внимание на то, что на территории Суусамырской впадины имеются похожие, хотя и оглаженные, оплывшие формы рельефа. Это были следы древних сейсмокатастроф. Их изучением занимается наука Палеосейсмология. До Суусамырского землетрясения никто не знал, что в Суусамырской долине могут быть сильные землетрясения: никто не изучал палеосейсмодислокации. Старая оценка сейсмической опасности была 7-8 баллов.

В центральной части Суусамырской впадины имеется субширотный Айгыр-Джальский хребет - внутривпадинное поднятие. В нем имеются водные и ветровые "бреши": 1) долины современных водотоков, пропиливающих растущий хребет и 2) брошенные долины - свидетельства бывшего течения рек, сухие в настоящее время (лишь ветер "гуляет" в оставленной части речной долины), поднятые над долиной на различную высоту импульсными тектоническими движениями (рис. 14-17). Данные по современному сильному землетрясению, а также по древним палеосейсмокатастрофам в Суусамырской впадине послужили основой по изменению оценки сейсмической опасности региона в сторону ее увеличения.

Рис. 14. Отвод рукавов конуса выноса р. Токойлу (по Корженкову и др., 2003): 1 – заболоченная территория, 2 - русла рек, 3 – ветровые бреши, 4 – трасса Айгырджальского разлома, 5 – дорога Ош-Бишкек, 6 – положение траншей, 7 – геоэлектрические профили, 8 – сейсмоуступ. Заболоченные пространства перед барьером указывают на эффект подпруживания. А-А’ – сегмент уступа (С-С’), который был пройден траншеями. Уступ формирует барьер 1,4-2 м высотой, который простирается по азимуту, несколько отличающемуся от простирания хребта Айгырджал.

Рис. 15. Ветровая брешь, вздернутая на 17 м над современным руслом р. Токойлу. она указывает на врезание в хр. Айгарджал во время его раннего - более медленного воздымания. Ветровая брешь была активным руслом р. Токойлу еще 2,5 тыс. лет назад (Чедия и др., 1997). Перед ветровой брешью находится отведенное современное русло р. Токойлу, маркируемое линией деревьев. Эта ветровая брешь показана на рис. 14 в виде небольшой стрелки через хр. Айгырджал. Вид на юг, на дальнем плане видны снежные вершины хребта Суусамыр.

Рис. 16. Вверху: Топографический профиль (на основе топокарты), перпендикулярный простиранию уступа через конус выноса р. Токойлу (по Корженкову и др., 2003). Внизу: Топографический профиль через уступ, расположенный на аллювиально-пролювиальном конусе выноса р. Токойлу, вычерченный на основе данных полевого нивелирования (по Корженкову и др., 2003). Траншея обозначена заштрихованной областью на северном крыле уступа.

Рис. 17. Разрез восточной траншеи, расположенной на северном крыле уступа в долине р. Токойлу (по Корженкову и др., 2003): 1 – мелкозернистый материал, перекрытый почвой; 2 –песок и галька, аллювиальный клин; 3 – валунники, отложения аллювиального конуса выноса. Отметим массивный пойменный слой толщиной 75-90 см, желто-коричневый, алевритисто-илистый, тонкозернистый, линзообразный. Слой перекрыт почвенным горизонтом, который постепенно выклинивается к югу. Ниже пойменных отложений обнажается массивный валунно-галечник конуса выноса. Возрастные определения образцов SUU-1 и SUU-2 были получены методом инфракрасной люминесценции.

В некоторых регионах юга России имеется значительное количество археологических и архитектурных памятников, деформации в которых могут быть информативными для оценки сейсмической опасности. Этой областью знаний занимается Археосейсмология - наука изучающая археологические памятники с целью выявления в них сейсмогенных деформаций и последующей параметризации по ним древних сильных землетрясений. У археосейсмологии - четыре основные задачи: установить

1) Являются ли выявленные деформации сейсмически наведенными.

2) Какова была сила - магнитуда древнего землетрясения (какая высвободилась сейсмическая энергия).

3) Где располагался древний эпицентр: откуда пришло максимальное суммарное сейсмическое воздействие.

4) Когда произошло землетрясение.

Немыслимые поначалу задачи частично можно решить.

1) Систематический характер деформаций в строительных конструкциях: преобладающие повреждения и разрушения в стенах определенных ориентировок может быть спровоцирован только сильной сейсмической активностью, но никак не военными действиями, статической нагрузкой или просадками грунта.

2) Местная сейсмическая интенсивность современных землетрясений определяется с помощью макросейсмических шкал, например шкалы МСК-64. Эти же шкалы с известными оговорками можно применять и для оценки местной сейсмической интенсивности древних сейсмических событий.

3) Для локализации исторической эпицентральной зоны необходимо вспомнить про древнее китайское изобретение: сейсмоскоп (рис.18). Если использовать деформации в строительных конструкциях, как кинематические индикаторы, известные в структурной геологии, то можно определить - направление прихода максимальных, суммарных сейсмических колебаний, направление на эпицентральную зону исторического землетрясения (рис. 19-20).

Рис. 18. Древний китайский сейсмограф.

Рис. 19. Наклоны, обрушения и выдвижения верхних частей зданий во время сильных землетрясений. а — схема наклона здания при сильных землетрясениях (по [Rapp, 1986] с изм.); б  — схематическое изображение смещения верхней части современного памятника на кладбище в с. Бель-Алды в направлении эпицентра Суусамырского (МS = 7.3, I0 = IX–X) землетрясения 1992 г. в Кыргызстане.

Рис. 20. Вращение элементов здания (по А.М. Корженкову и Э. Мазору, 2001): а - сейсмические лучи перпендикулярные к стене не вызывают вращения; в - сейсмические лучи, направленные под углом к стене, приводят к вращению элементов здания; с - сейсмический удар, подходящий вдоль биссектрисы между перпендикулярными стенами здания, вызывает противоположное вращение в этих стенах.

Керченский и Таманский полуострова имеют многочисленные археологические памятники (рис. 21), деформации в которых могут быть использованы для уточнения оценки сейсмической опасности. Весной 2016 г. нами был исследован археологический памятник Полянка (рис. 22) на Азовском побережье Крыма. В исследовании принимали участие: Р.Н. Вакарчук, А.М. Корженков, А.С. Ларьков, А.В. Мараханов, А.А. Масленников, А.Н. Овсюченко [Масленников и др., 2017].

Рис. 21. Древние городища и активные разломы в районе Керченского пролива

Рис. 22. Схема рвов и уступов в районе городища Полянка

Нами были выявлены сейсмотектонические дислокации (рис. 23): рвы - оперяющие разрывы Южно-Азовской сейсмогенерирующей зоны, проходящей по дну Азовского моря близ берега.

Рис. 23. Сейсморвы в районе городища Полянка. а) Ров СЗ простирания. б) Строение рва субширотного простирания.

Раскоп Полянка состоит из двух частей: верхней, от строений которой мало что осталось, за исключением внушительного зольника и нижней (рис. 24-32). Нами было проведено тщательное археосейсмологическое обследование руин археологического пямятника.

Рис. 24. Раскоп Полянки в конце мая 2016 г. Наверху – остатки поселения 4-3 вв. до н.э., он него остался большой зольник. Внизу – поселение 2-1 вв. до н.э. Вид на ЮВ.

Рис. 25. Верхний и нижний раскопы Полянки. Субширотная стена на верхнем раскопе наклонилась к югу и повернулась против часовой стрелки (против сил гравитации).

Рис. 26. Полянка. а) Снимок сверху с квадрокоптера, б) схематическая зарисовка стен памятника с указанием направления и углов наклона и локализацией наших полевых точек наблюдения.

Рис. 27. Детальный снимок средней части Полянки. Видны различные фазы строительства, стены-крепиды, дугообразные в плане изгибы стен.

Рис. 28. а) Дугообразный изгиб (в плане) и наклон на север одной из широтных стен на Полянке. б) Схематическая внемасштабная модель образования деформации

Рис. 29. Выгибание на запад с последующим изломом(?) меридиональной стены

Рис. 30. Значительный наклон к северу одной из широтных стен на Полянке

Рис. 31. «Пропеллерный» в плане изгиб широтной стены как к северу (на переднем плане), так и на юг (на дальнем плане)

Рис. 32. «Отошедшая» вниз и развернувшаяся в свой западной части по часовой стрелке стена-крепида

Все полученные нами деформации были проанализированы, а наклоны и выдвижения элементов строительных конструкций были нанесены на график (рис. 33) из которого видно, что стены ВСВ простирания наклонились преимущественно на север, а перпендикулярные стены - на запад. Это наблюдение позволило нам определить направление на эпицентральную зону исторического землетрясения - 63 г. до н.э., располагавшуюся к ЗСЗ от городища (рис. 34), видимо вдоль зоны Южно-Азовского разлома.

Рис. 33. Распределение наклонов стен различных простираний на археологическом памятнике Полянка

Рис. 34. Схематическая модель построек Полянки. Большая часть субширотных стен наклонились на север – по уклону рельефа (хотя 2/5 от общего числа этих стен наклонилась в противоположную сторону), субмеридиональные стены наклонились преимущественно на восток, что никак не связано с рельефом. Сейсмические колебания распространялись с ЗСЗ

Нам удалось выявить и местный, небольшой, сейсмогенный, по-видимому вторичный, оперяющий разрыв (рис. 35), который деформировал - сместил каменную кладку нескольких стен городища. Этот факт подразумевает, что эпицентральная зона - главный разрыв землетрясения 63 года, находилась в непосредственной близости от Полянки.

Рис. 35. Сейсмогенный разрыв в субширотной стене

Нами также были проведены мелкофокусные сейсморазведочные работы (рис. 36) в районе сейсморва к югу от городища. Интерпретация этих материалов показала сложную ступенчатую разрывную - сбросовую подпокровную структуру, что подразумевает неоднократные подвижки по этой зоне разрывов, по крайней мере в голоцене и позднем плейстоцене.

Рис. 36. Сейсморазведочное профилирование через разломную зону в районе археологического памятника Полянка

Выводы:

1) Большинство наблюденных деформаций стен на Полянке – сейсмически наведенные.

2) Направление максимального суммарного сейсмического воздействия при втором зарегистрированном землетрясении было – с ЮЗ.

3) Сила толчков была не менее (VIII)≤ Io ≤ IX баллов

4) Возраст сейсмических событий:

- 3 в. до н.э. (обрушение в море поселения, оставившего большой зольник),

- 63 г. до н.э. (основные деформации обнаруженные на памятнике),

- 3 в. н.э. (большие глыбы обрушившиеся на памятник)

5) В Крыму находятся сотни памятников, таких как Полянка. Необходимо их детальное обследование, наряду с выявлением сейсмотектонических деформаций в рельефе и грунтах – выходах древних сейсмических очагов на поверхность.

Только после этих работ можно приступить к новой оценке сейсмической опасности Крымского полуострова, на территории которой ведутся интенсивные работы по гражданскому и военному строительству.