Лаборатория палеосейсмологии и палеогеодинамики №304

Палеосейсмология это подраздел более глобальной научной дисциплины - сейсмогеологии. Последняя посвящена изучению последствий сильных землетрясений, как современных, так и древних. Предмет же палеосейсмологии – изучение последствий древних сильных землетрясений.

Палеосейсмология подразделяется на три главные ветви. Первая: это, собственно, палеосейсмология, она изучает следы сильных землетрясений в грунтах и рельефе. Вторая: археосейсмология, она исследует сейсмические деформации в археологических и исторических памятниках. Третья: историческая сейсмология разыскивает информацию о землетрясениях в древних рукописях и публикациях.

Палеосейсмология идет рука об руку с сейсмотектоникой, наукой, изучающей положение очагов (современных и палео-) землетрясений в тектонических структурах земной коры.

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

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)≤ IoIX 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.

Заведующий лабораторией
Корженков Андрей Михайлович Заведующий лабораторией