УДК 550.34 + 550.341

PACS 91.30.pb

Закономерности затухания ускорений в Западных Гималаях

О.О. Эртелева1, Ф.Ф. Аптикаев1, С.Н. Сомала2, Дж.Р. Кайал3, М.Ч. Рагхучаран2

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

2 Индийский технологический институт, г. Хайдарабад, Индия

3 Национальный технологический институт, г. Агартала, Индия

Автор для переписки: О.О. Эртелева, e-mail: ertel@ifz.ru

Аннотация. Оценки сейсмических воздействий для инженерных расчетов сейсмостойкости сооружений начинаются с оценки сейсмической опасности. С этой целью сейсмологическими и сейсмотектоническими исследованиями выделяются сейсмогенерирующие структуры, для которых оцениваются максимально возможные магнитуды, повторяемость магнитуд, типы подвижек по разлому, расстояния от разломов до строительного объекта и грунтовые условия на строительной площадке. Затем необходимо оценить изменения амплитуд ускорений с расстоянием – выявить закономерности затухания пиковых ускорений. В статье рассматриваются различные методики оценки законов затухания ускорений с расстоянием. Показано, что наивысшую точность имеют эмпирические оценки средних значений амплитуд для различных расстояний. При этом никаких заданных априори выражений для описания кривых затухания амплитуд не применяется. В Институте физики Земли (Москва) по мировым данным показано, что в инженерном диапазоне ускорений выделяются три зоны, различающиеся затуханием и зависимостями от механизма очага и грунтовых условий. Каждой зоне соответствует свое уравнение затухания. Для каждого уравнения оценено соответствующее среднеквадратичное отклонение. Методика оценки затуханий по эмпирическим данным применена для района Гархвал Гималайского сейсмического пояса. Использованы записи сильных движений, зарегистрированные при сильных землетрясениях рассматриваемого района Индии: Дхарамсала (26.04.1986, MW = 5.5), Уттаракаши (20.10.1991, MW = 6.8) и Чамоли (28.03.1999, MW = 6.5). Построена кривая затухания для района Гархвал. Эмпирические данные аппроксимируются найденными уравнениями затухания со среднеквадратичным отклонением около 50% против 100% при полуэмпирическом методе. Рассмотрен вопрос о региональных особенностях затухания в рассматриваемом регионе Гималаев. Полученные результаты полезны при оценке сейсмической опасности / сейсмического риска в Гималаях.

Ключевые слова: пиковое ускорение, магнитуда, расстояние, механизм очага, грунтовые условия, затухание, сильные движения, сейсмотектоника, Западные Гималаи, Гархвал

Цитирование: Эртелева О.О., Аптикаев Ф.Ф., Сомала С.Н., Кайал Дж.Р., Рагхучаран М.Ч. Закономерности затухания ускорений в Западных Гималаях // Вопросы инженерной сейсмологии. 2019. Т. 46, № 2. С. 74–86. https://doi.org/10.21455/VIS2019.2-7

Литература

Аптикаев Ф.Ф. Сейсмические колебания при землетрясениях и взрывах. М.: Наука, 1969. 113 с.

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. Инструментальная шкала сейсмической интенсивности. М.: Наука и образование, 2012. 176 с.

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

Аптикаев Ф.Ф., Эртелева О.О. Генерирование искусственных акселерограмм методом масштабирования реальных записей // Физика Земли. 2002. № 7. С. 39–45.

Аптикаев Ф.Ф., Эртелева О.О. Методы прогноза параметров сейсмического движения грунта, включая построение локального спектра и синтетической акселерограммы // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2012. № 2. С. 15–19.

Давиденков Н.И. О рассеянии энергии при вибрациях // ЖТФ. 1938. Т. 8, № 6. С. 15–21.

Садовский М.А., Писаренко В.Ф., Штейнберг В.В. О зависимости энергии землетрясения от объема очага // ДАН СССР. 1983. Т. 221, № 3. С. 598–602.

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

Составление карты детального сейсмического районирования Ставропольского края. Т. 1–6. М.: Изд-во ИФЗ РАН, 1996.

Филиппов А.П. Колебания упругих систем. Киев: Изд-во АН УССР, 1956. 322 с.

Эртелева О.О., Аптикаев Ф.Ф., Баруа Саураб, Баруа Сантану, Бисвас Р., Калита А., Деб С., Каял Дж.Р. Прогноз параметров сильных движений грунта на плато Шиллонг и прилегающих территориях (Северо-Восточная Индия) // Вопросы инженерной сейсмологии. 2011. Т. 38, № 3. С. 5–21.

Ambraseys N.N., Bilham R. A note on the Kangra MS = 7.8 earthquake of 4 April 1905 // Current Science. Current Science Association. 2000. V. 79, No. 1. P. 45–50.

Anderson J.G., Hough S.E. A model for the shape of the Fourier amplitude spectrum of acceleration at high frequencies // Bull. Seism. Soc. Amer. 1984. V. 74. P. 1969–1993.

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 (ed. Mihailo D. Trifunac). International conference on earthquake engineering (2009, Banja Luka). Banja Luka, Republic of Srpska, B&H: N.I.G.D. Nezavisne novine, 2009. P. 27–54.

Aptikaev F., Kopnichev Yu. Correlation between seismic vibration parameters and type of faulting // Proc. of VII WCEE. Istanbul, Turkey, 1980. Geosci. Aspects. Pt. 1. V. 1. P. 107–110.

Aptikaev F.F., Erteleva O.O. Accuracy of seismic treatments using source models // Proc. of XIV WCEE, 2008. CD, ID 03-01-0011.

Baruah Santanu, Saikia S., Baruah Saurabh, Bora P., Tatevosian R.E., Kayal J.R. The September 2011 Sikkim Himalaya earthquake Mw 6.9: is it a plane of detachment earthquake? // Geomatics, Natural Hazards and Risk. 2016. V. 7, No. 1. P. 248–263. https://doi.org/10.1080/19475705.2014.895963

Bilham R. Raising Kathmandu // Nature Geoscience. 2015. V. 8, No. 8. P. 582–584. https://doi.org/10.1038/ngeo2498

Bilham R., England Ph. Plateau ‘pop up’ in the great 1897 Assam earthquake // Nature. 2001. No. 410. P. 806–809. https://doi.org/10.1038/35071057

Bommer J.J., Stafford P.J., Akkar S. Current empirical ground-motion prediction equations for Europe and their application to Eurocode 8 // Bull. Earthquake Eng. 2010. V. 8(1). P. 5–26. https://doi.org/10.1007/s10518-009-9122-9

Boore D.M. Stochastic simulation of high frequency ground motion based on Seismological Models of Radiated Spectra // Bull. Seism. Soc. Amer. 1983. V. 73. P. 1865–1894.

Boore D.M. Simulation of ground motion using the stochastic method // Pure Appl. Geophys. 2003. V. 160, No. 3–4. P. 636–676. https://doi.org/10.1007/PL00012553

Boore D.M. SMSIM – FORTRAN programs for simulating ground motions from earthquakes: Version 2.3 – a revision of OFR 96-80-A. USGS, 2005.

Bureau G.J. Near-source peak ground acceleration // Earthquake Notes. 1981. V. 52, No. 1. P. 81.

Campbell K.W. Near-Source Attenuation of Peak Horizontal Acceleration // Bull. Seism. Soc. Amer. 1981. V. 71, No. 6. P. 2039–2070.

Cotton F., Campillo M., Deschamps A., Rastogi B.K. Rupture history and seismotectonics of the 1991 Uttarkashi, Himalayan earthquake // Tectonophysics. 1996. V. 258, No. 1–4. P. 35–51. https://doi.org/10.1016/0040-1951(95)00154-9

Dainty A.M. A scattering model to explain seismic Q observations in the lithosphere between 1 and 30 Hz // Geophys. Res. Lett. 1981. No. 8. P. 1126–1128.

De Natale G., Iannaccone G., Martini M., Zollo A. Seismic sources and attenuation properties at the Campi Flegrie Volcanic Area // Pure Appl. Geophys. 1987. V. 125. P. 883–917.

Duke C.M., Johnsen K.E., Larson L.E., Engman D.C. Effects of site classification and distance on instrumental indices in the San Fernando earthquake. University of California, Los Angeles. School of Engineering and Applied Science, UCLA-ENG-7247, 1972. 29 p.

Erteleva O.O., Aptikaev F.F. Empirical scaling of peak ground acceleration // Proceedings of the 2nd annual International conference on Geological and Earth Sciences (GEOS 2013). 28–29 October 2013, Phuket, Thailand. GSTF, 2013. P. 137–138. ISSN: 2251–3353. https://doi.org/10.5176/2251-3353_GEOS13.41

Fletcher J.B. Source parameters and crustal Q for four earthquakes in South Carolina // Seism. Res. Lett. 1995. V.66, No. 4. P. 44–58.

Gansser A. The Geology of the Himalayas. London: Wiley Interscience, 1964. 289 p.

Graizer V.M., Kalkan E. Ground motion attenuation model for peak horizontal acceleration from shallow crustal earthquakes // Earthquake Spectra. 2007. V. 2, No. 3. P. 585–613. https://doi.org/10.1193/1.2755949

Hanks T.S., Johnson D.A. Geophysical assessment of peak accelerations // Bull. Seism. Soc. Amer. 1976. V. 66. P. 659–689.

Hough S.E., Bilham R., Ambraseys N., Feldi N. The 1905 Kangra and Dehradun earthquakes // Geol. Surv. India, Sp. Pub. 2005. V. 85. P. 15–23.

Joshi A. Analysis of strong motion data of the Uttarkashi earthquake of 20th October 1991 and the Chamoli earthquake of 28th March 1999 for determining the mid crustal Q value and source parameters // ISET J. Earthquake Tech. 2006. V. 43, No. 1–2. P. 11–29.

Joshi A., Mohanty M., Bansal A.R., Dimri V.P., Chadha R.K. Use of strong motion data for frequency dependent shear wave attenuation studies in the Pithoragrah region of Kumaon Himalaya // ISET J. Earthquake Tech. 2010. V. 47, No. 1. P. 25–46.

Kayal J.R. Microearthquake activity in some parts of the Himalaya and the tectonics model // Tectonophysics. 2001. V. 339, No. 3–4. P. 331–351. https://doi.org/10.1016/S0040-1951(01)00129-9

Kayal J.R. Recent large earthquakes in India: seismotectonic perspective // IAGR Memoir. 2007. No. 10. P. 189–199.

Kayal J.R. Microearthquake seismology and seismotectonics of South Asia. Springer, 2008. 503 p.

Kayal J.R., Ghosh B., Chakraborty P., De R. Aftershock study of the Uttarkashi earthquake of October 20, 1991 by a temporary microearthquake network. // Geol. Soc. India Mem. 1995. No. 30. P. 25–41.

Kayal J.R., Sagina R., Singh O.P., Chakraborty P.K., Karunakar G. Aftershocks of the March 1999 Chamoli earthquake and seismotectonic structure of the Garhwal Himalaya // Bull. Seism. Soc. Amer. 2003. V. 93, No. 1. P. 109–117. https://doi.org/10.1785/0119990139

Kayal J.R., Arefiev S.S., Baruah S., Hazarika D., Gogoi N., Gautam J.L., Baruah Santanu, Dorbath C., Tatevossian R. Large and great earthquakes in the Shillong plateau – Assam valley area of Northeast India Region: Pop-up and transverse tectonics // Tectonophysics. 2012. V. 532. P. 186–192. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2012.02.007

Khattri K.N., Tyagi A.K. Seismic patterns in the Himalayan plate boundary and identification of areas of high seiemic potential // Tectonophysics. 1983. V. 96. P. 281–297.

Kuk V. A procedure determined S1 and S2 earthquake acceleration with use of macroseismic data / Technical committee on earthquake ground motion and seismic evaluation of nuclear power plants organized by IAEA and held in Moscow, USSR, 24–28 March 1986. Working material. Vienna, Austria, 1989. P. 269–275.

Kumar D., Teotia S.S., Khattri K.N. The representation of attenuation characteristics of strong ground motions observed in the 1986 Dharamsala and 1991 Uttarkashi earthquakes by available empirical relations // Current Science. 1997. V. 73. P. 543–548.

Kumar D., Khattri K.N., Teotia S.S., Rai S.S. Modeling of accelerograms of two Himalayan earthquakes using a novel semi-empirical method and estimation of accelerograms for a hypothetical great earthquake in the Himalaya // Current Science. 1999. V. 76. P. 819–830.

Kumar D., Sarkar I., Sriram V., Khattri K.N. Estimation of the source parameters of the Himalaya earthquake of October 19, 1991, average effective shear wave attenuation parameter and local site effects from accelerograms // Tectonophysics. 2005. V. 407. No. 1–2. P. 1–24. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2005.06.006

Kumar D., Ram S.V., Khattri K.N. A study of source parameters, site amplificatopn functions and average effective shear wave quality factor QS eff from analysis of accelerogram of 1999 Chamoli earthquake, Himalaya // Pure Appl. Geophys. 2006. V. 163. No. 7. P. 1369–1398. https://doi.org/10.1007/s00024-006-0078-2

Kumar R.M., Hazarika P., Prasad S., Saha S. Tectonic implications of the September 2011 Sikkim earthquake and its aftershocks // Current Science. 2012. V. 102. No. 5. P. 788–792.

Kumar S., Kumar D., Rastogi B.K. Source parameters and scaling relations for small earthquakes in the Kachchh region of Gujarat, India // Nat. Hazards. 2014. V. 73. P. 1269–1289. https://doi.org/10.1007/s11069-014-1133-4

Kusham D.K. The 2011 Sikkim earthquake (MW = 6.9) of the Himalaya: Estimates of earthquake source parameters and representability of attenuation characteristics // J. Asian Earth Sci. 2019. V. 169. P. 237–243.

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

Mandal P., Rastogi B.K., Gupta H.K. Recent Indian earthquakes // Current science. 2000. V. 79, No. 9–10. P. 1334–1346.

Masuda T., Suzuki Z. Objective estimation of source parameters and local Q values by simultaneous inversion method // Phys. Earth Planet Int. 1982. V. 30. P. 197–208.

Menke W., Vadim L., Sethi R. Seismic attenuation in the crust at the mid-Atlantic plate boundary in south-west Iceland // Geophys. J. Int. 1995. V. 122. P. 175–182.

Midorikawa S. Semi-empirical estimation of peak ground acceleration from large earthquakes // Tectonophysics. 1993. V. 218. P. 287–295.

Molnar P. A review of the seismicity and the rates of active under thrusting and deformation at the Himalaya // J. Himalayan Geol. 1990. No. 1. P. 131-154.

Nakata T. Geomorphic history and crustal movements of foot hills of the Himalaya. Sendai Institute of Geography, Tohoku University, 1972. 77 p.

Ni J.F., Barazangi M. Seismotectonics of the Himalayan collision zone: Geometry of the underthrusting Indian Plate beneath the Himalaya // J. Geophys. Res. 1984. V. 89. P. 1147–1163.

Rajendran K., Parameswaran R.M., Rajendran C.P. Revisiting the 1991 Uttarkashi and the 1999 Chamoli, India, earthquakes: Implications of rupture mechanisms in the central Himalaya // J. Asian Earth Sci. 2018. V. 162. P. 107–120. https://doi.org/10.1016/j.jseaes.2018.04.012

Satyabala S.P., Bilham R. Surface deformation and subsurface slip of the 28 March 1999 MW = 6.4 west Himalayan Chamoli earthquake from InSAR analysis // Geophys. Res. Lett. 2006. V. 33, L23305. https://doi.org/10.1029/2006GL027422

Seeber L., Armbruster J.G., Quittmeyer R. Seismicity and continental subduction in the Himalayan Arc / Zagros, Hindu Kush, Himalaya, Geodynamic Evolution. H.K. Gupta and F.M. Delany, eds. Geodyn. Ser. 1981. V. 3. P. 215–242.

Seismological research letters. 1997. V. 68, No. 1. 227 p.

Singh V.N., Mittal A. Synthetic accelerograms for two Himalayan earthquakes using convolution // Current science. 2005. V. 88, No. 8. P. 1289–1297.

Sivaram K., Kumar D., Teotia S.S., Rai S.S., Prakasam K.S. Source parametes and scaling relations for small earthquakes in Kumaon Himalaya, India // J. Seismol. 2013. V. 17. P. 579–592. https://doi.org/10.1007/s10950-012-9339-y

Sriram V., Kumar D., Khattri K.N. The 1986 Dharamsala earthquake of Himachal Himalaya – Estimates of source parameters, average intrinsic attenuation and site amplification functions // J. Seismol. 2005. V. 9, No. 4. P. 473–485. https://doi.org/10.1007/s10950-005-1418-x

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. V. 66, No. 1. P. 189–219.

Valdiya K.S. Aspects of tectonics: Focus on south-central Asia. New Delhi: Tata McGraw Hill Pub. Co. Ltd., 1984. 319 p.

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. V. 84, No. 4. P. 974–1002.

Xu W., Bürgmann R., Li Z. An improved geodetic source model for the 1999 MW = 6.3 Chamoli earthquake, India // Geophysical Supplements to the Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2016. V. 205, No. 1. P. 236–242. https://doi.org/10.1093/gji/ggw016

Yamada M., Olsen A.H., Heaton T.H. Statistical Features of Short-Period and Long-Period Near-Source Ground Motions // Bull. Seism. Soc. Amer. 2009. V. 99, No. 6. P. 3264–3274. https://doi.org/10.1785/0120090067

Сведения об авторах

ЭРТЕЛЕВА Ольга Олеговна – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. E-mail: ertel@ifz.ru

АПТИКАЕВ Феликс Фуадович – доктор физико-математических наук, профессор, главный научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. E-mail: felix@ifz.ru

СОМАЛА Сурендра Надх – доцент, факультет гражданского строительства, Индийский технологический институт, Хайдарабад. Хайдарабад–502285, Индия. E-mail: surendra@iith.ac.in

КАЙАЛ Джнана Ранджан – профессор, Национальный технологический институт, Агартала. Агартала–799046, Индия. E-mail: jr.kayal@gmail.com

РAГХУЧАРАН Маникья Чоудари – аспирант, факультет гражданского строительства, Индийский технологический институт, Хайдарабад. Хайдарабад–502285, Индия. E-mail: ce15resch11009@iith.ac.in

Acceleration attenuation regularities in Western Himalaya

O.O. Erteleva1, F.F.Aptikaev1, S.N. Somala2, J.R. Kayal3, M.C. Raghucharan2

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

2 Indian Institute of Technology, Hyderabad, India

3 National Institute of Technology, Agartala, India

Corresponding author: O.O. Erteleva, e-mail: ertel@ifz.ru

Abstract. The first stage of the seismic treatment assessment for earthquake engineering design is seismic hazard assessment. For this purpose during seismological and seismotectonic researches the sesmogeneric structures are selected. Then, the maximal credible magnitudes, the corresponding recurrence periods, the faulting types, the distances between the selected faults and the construction sites, the ground types at the site are investigated. And at last it is necessary to assess the acceleration amplitudes decay – to investigate the attenuation acceleration regularities. In this article various techniques for assessment of acceleration attenuation with distance in the epicentral zones of earthquakes are considered. It’s shown that the empirical estimations of mean values of the amplitudes for various distances yield the highest accuracy. Any a priori given expressions for attenuation curves aren't applied. At the Institute of Physics of the Earth (IPE), Moscow, using the world-wide strong ground motion database, it is shown, that in the engineering range of accelerations, the zones differing with attenuation and dependences on the source mechanism and ground conditions are identified. Each zone has the own attenuation equation with the corresponding standard deviation. Such methodic of acceleration attenuation assessment is applied for Garhwal region, Himalayas Seismic Belt. The near-field strong ground motion records registered in the near fields of the recent strong earthquakes in the western part of the Himalayas. Strong motion records of the 1986 Dharamsala (MW = 5.5), 1991 Uttarkashi (MW = 6.8) and1999 Chamoli (MW = 6.5) earthquakes are used. The attenuation curve for Garhwal is designed. Empirical data are approximated with the developed attenuation equations having rms deviation of about 50% against 100% by a semi-empirical method. The problem of the regional features at the region under investigation is discussed. These results are much useful for seismic hazard / risk evaluation in the Himalayas.

Keywords: peak acceleration, magnitude, distance, source mechanism, ground type, attenuation, strong ground motion, seismotectonics, Western Himalaya, Garhwal

About the authors

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, ul. Bolshaya Gruzinskaya, 10, building 1. E-mail: ertel@ifz.ru

APTIKAEV Felix Fuadovich – Doctor of Physical and Mathematical Sciences, Professor, Chief Researcher, Schmidt Institute of Physics of the Earth of the Russian Academy of Sciences. 123242, Moscow, ul. Bolshaya Gruzinskaya, 10, building 1. E-mail: felix@ifz.ru

SOMALA Surendra Nadh – Dr., Assistant Professor, Department of Civil Engineering, Indian Institute of Technology Hyderabad. Hyderabad–502285, India. E-mail: surendra@iith.ac.in

KAYAL Jnana Ranjan – Professor, Dr., previously: Geological Survey of India, presently: National Institute of Technology, Agartala. Agartala–799046, India. E-mail: jr.kayal@gmail.com

RAGHUCHARAN Manikya Choudari – Ph.D. Student, Department of Civil Engineering, Indian Institute of Technology, Hyderabad. Hyderabad–502285, India. E-mail: ce15resch11009@iith.ac.in

Cite this article as: Erteleva O.O., Aptikaev F.F., Somala S.N., Kayal J.R., Raghucharan M.C. Acceleration attenuation regularities in Western Himalaya, Voprosy Inzhenernoi Seismologii (Problems of Engineering Seismology). 2019. V.46, No. 2. P. 74–86. [in Russian]. https://doi.org/10.21455/VIS2019.2-7

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