Введение к работе
Актуальность темы Известно, что цунами подвержены как побережья Тихого океана, так и многие зоны Средиземного и Черного морей, ряд зон Атлантического и Индийского океана Эти волны, при выходе на берег, могут достигать большой высоты, превращаясь в страшное стихийное бедствие Основным методом предотвращения человеческих жертв и уменьшения материального ущерба является эвакуация населения прибрежных районов на возвышенные места суши, вывод судов из береговой зоны в открытое море и принятие ряда других оперативных мер Это возможно осуществить только при своевременном оповещении о цунами береговыми службами Однако, в ряде случаев, цунами появляется неожиданно, что может быть либо когда источник цунами находится в шельфовой зоне (поскольку такое цунами проходит расстояние до берега за считанные минуты), либо являться следствием неразвитости береговых служб (как это было, например, на побережьях стран Юго-Азиатского региона во время атаки катастрофического цунами 26 декабря 2004 г в Индийском океане, когда погибло около 300 000 чел) Причем, необходимо отметить, что, в ряде случаев катастрофических цунами, землетрясений либо не отмечалось, либо они имели умеренные магнитуды Как правило, такие цунами генерируются очагом, расположенным в ближнеполевой зоне (локальные цунами) Природа таких (аномальных) цунами до настоящего времени до конца не выяснена Число сообщений об аномальных цунами за последние десятилетия значительно возросло и изучение их природы, механизмов появления и характера распространения является очень важным для оценки и снижения риска катастрофических последствий от таких цунами Очевидно, что кроме принятия оперативных мер, необходимо проводить предварительное цунамирайонирование побережий, где существует опасность катастрофических цунами, с учетом возможной природы возникновения таких событий В настоящее время, когда правительством России принята программа комплексного развития экономики Дальнего Востока в целом и, в частности, освоения нефтегазовых месторождений на шельфе о Сахалин, защита береговых сооружений, портов от грозного стихийного бедствия - цунами,
является одним из важнейших вопросов обеспечения безопасности морских побережий этих районов
Цель работы. Целью настоящей диссертационной работы является развитие представлений о механизме генерации катастрофических (в том числе аномальных) цунами сейсмическим очагом, обоснование методики расчета (на базе анализа фактического материала о накате на берег) катастрофических цунами как от умеренных, так и от сильных и сильнейших землетрясений и развитие аналитических моделей наката, проведение численного моделирования генерации катастрофических цунами, используя новые модели динамических очагов землетрясения и оползневых процессов, детальный анализ процесса формирования очага цунами и распространения генерированной волны по акватории, прогноз на основе этих результатов параметров возможного цунами с источником в зоне сейсмической бреши в районе средних Курил Научная новизна. При численном моделировании генерации, распространения и наката волн цунами были впервые использованы современные модели для движений дна океана в очаге землетрясения, позволяющие детально исследовать связь характеристик рассчитанного волнового поля цунами с кинематикой и динамикой движения блоков в очаге землетрясения Подробное исследование эволюции характеристик волнового поля в режиме реального времени, высоты волн, скорости и других необходимых для анализа процесса параметров, позволило детально изучить динамику таких процессов как формирование очага цунами, формирование фронтов волн в процессе генерации цунами и его накат на берег, в том числе на формирующийся в процессе оползания береговой склон Впервые исследованы процессы генерации, распространения и наката волны цунами при сходе подводного оползня на базе модели оползневого тела как упругопластической среды Показано, что, в отличие от имеющихся представлений о формировании очага цунами 26 декабря 2004 г в Индийском океане, в сейсмическом очаге имело место разнонаправленное движение блоков, в тч высказана гипотеза о возможном вертикальном смещении блоков андаманского сегмента вниз Наиболее значимым результатом является моделирование и прогноз возможного цунами от многоблокового сейсмического источника в зоне сейсмической бреши в районе средних
Курил, подтвердившийся реальным событием землетрясения и цунами 15 ноября 2006 г, когда эпицентр реального землетрясения пришелся на границу между двумя блоками многоблокового очага, использованного для предварительного численного моделирования генерации цунами сейсмической брешью в районе средних Курил Основные положения, выносимые на защиту:
На основании анализа эмпирического материала, проведенного в диссертации, показано, что максимальный заплеск волн цунами на берегу существенно определяется фазой головной волны, подходящей к берегу
На основании аналитических расчетов наката цунами на берег, проведенных в диссертации для разных классов волновых импульсов, обоснована возможность существенного усиления волны цунами при подходе ее к берегу впадиной (откат воды от берега) и оценены условия, при которых возможно это усиление
Проведенный в диссертации детальный анализ результатов численного моделирования генерации, распространения и наката волны цунами при движении подводного оползня, рассчитанного в рамках упругопластической модели осадочной толщи, и сопоставление с результатами других моделей позволили сделать вывод, что упругопластическая модель оползневого тела наиболее адекватно описывает реальный цунамигенный процесс при сходе оползня
При проведенном в диссертации численном моделировании волнового поля цунами 26 декабря 2004 года в Индийском океане, на основе клавишной модели цунамигенных землетрясений получено, что волновая картина цунами на поверхности Индийского океана, зафиксированная в данных спутниковой альтиметрии, наиболее адекватно описывается при использовании многоблокового сейсмического очага, в котором при землетрясении имело место разнонаправленное движение блоков
5 Приведенное в диссертации численное моделирование возможного
цунами, вызванного землетрясением в зоне сейсмической бреши в
районе средних Курил, выполненное автором на базе клавишной
модели цунамигенных землетрясений за полгода до реального события,
позволило предсказать характер распространения волновых фронтов от
источника и возможные высоты волн на берегу
6 Проведенное в диссертации численное моделирование цунами от возможного многоблокового очага в зоне остаточной сейсмической бреши в районе северо-восточной части средних Курил позволяет получить возможные высоты заплеска по побережью от такого источника и провести сопоставление полученных волновых характеристик в расчетной акватории с волновыми характеристиками реализованного цунами (15 ноября 2006 г ) с очагом в районе юго-западной части средних Курил
Практическая значимость. Выполненные автором научные исследования вносят существенный вклад в понимание закономерностей появления катастрофических цунами от умеренных, сильных и сильнейших землетрясений Проведенные исследования позволяют адекватно оценить цунамиопасность при сходе подводных оползней для любых морских акваторий при слабых и умеренных землетрясениях и при техногенных событиях Результаты диссертационной работы могут быть использованы при прогнозировании возможности локальных цунами, вызванных землетрясениями, очаги которых расположены в шельфовой зоне, оползневых цунами, вызванных как естественными, так и техногенными причинами Созданная методика моделирования генерации, распространения и наката волн цунами, проведенного для реальной батиметрии акватории, позволяет рассчитать детали волнового поля цунами как в открытом океане, так и вблизи побережья, в зависимости от кинематики и динамики движения блоков в сеймическом очаге Наиболее важным практическим результатом диссертации является оценка цунамиопасности для Курило-Камчатского региона в рамках динамической модели сейсмического очага в зоне сейсмической бреши в районе средних Курил (о Симушир), получение волновых характеристик при генерации и распространении цунами за полгода до реализовавшегося землетрясения и цунами (15 ноября 2006 г), оценка характера формирования очага цунами и распространения волн цунами при возможном многоблоковом цунамигенном землетрясении, для любой морской акватории, в т ч для зоны остаточной сейсмической бреши в районе средних Курил Результаты также могут быть
использованы в сейсмостойком строительстве, цунамираионировании и т д Результаты диссертационной работы были также использованы в следующих исследовательских проектах
«Анализ природы аномально сильных цунами и их связь с геотектонической моделью очага землетрясения» ( РФФИ № 01-05-64548 (2001-2003 гг, рук проекта - Мазова Р X ))
«Комплексный анализ и математическое моделирование подводных оползней, генерируемых ими волн цунами и придонных турбидитных потоков» (РФФИ № 05-05-64685 (2005-2007 гг - рук Лобковский ЛИ), (рук раздела по динамике волн цунами-Мазова Р X )
«Promoting of Combined Approach to Investigating Risks of Earthquakes, Landslides, and Tsunamis in Coastal, Shelf, and Continental Slope Areas ("COMSHELFRISKS")», EU Project No 502247 (2005-2006), Project Coordinator - LLobkovsky (рук раздела "Wave Dynamics"-Мазова P X ) (см сайт проекта "COMSHELFRISKS" http //shelfrisks org/ waves/index asp)
Фактический материал: Эмпирические данные для статистического анализа цунами были взяты, в основном, из «Каталогов цунами на побережье Тихого океана» (С Л Соловьев, Ч Н Го, 1974, 1975), а также из других известных каталогов, и для недавних цунами - из опубликованных результатов обследования последствий цунами на прибрежных территориях международными экспедициями и дополнительных данных, предоставленных G Papadopoulos (Греция) и A Kimmich (Швейцария) Дополнительные данные по цунами на побережье Чили-Перу были предоставлены J Ramirez R (университет г Антофагаста, Чили) Материалы по строению дна океана в зоне сейсмической бреши, использованные для выделения блоков предполагаемого многоблокового сейсмического источника для генерации цунами, были предоставлены ИО РАН по результатам морской экспедиции «Курилы-2005» (37-й рейс НИС «Академик Лаврентьев»)
Личный вклад автора: Всего по теме диссертации автором опубликовано более 80 научных работ, из них лично (шесть) и в соавторстве - 34 статьи в реферируемых журналах и сборниках трудов, а также свыше 40 работ в тезисах докладов на российских (всесоюзных) и
международных конференциях Они отражают основные результаты диссертации Автором, по материалам источников, обоснована основная гипотеза о применимости разработанной в Институте океанологии РАН клавишной модели сейсмических очагов для расчета генерации волн цунами Ей разработан алгоритм для численной реализации генерации волн цунами на базе клавишной (многоблоковой) модели цунамигенных землетрясений В области численного моделирования генерации и распространения волн цунами и наката их на берег автор принимала непосредственное участие Вклад автора в этих исследованиях состоял в постановке задачи, в тестировании и уточнении модели, а также в выполнении анализа результатов расчета, обработке полученных материалов и интерпретации полученных результатов Статистическая обработка большого эмпирического материала, собранного автором, выполнялась ей лично Она принимала участие в постановке задач и разработке аналитических моделей процесса наката волн цунами на берег Автор принимала активное участие в комплексной программе исследования Курило-Камчатского региона, в частности ею были высказаны и проверены ряд гипотез, связывающих интенсивность волн цунами на о Сахалин и других побережьях Охотского моря с локализацией очага землетрясения в районе северо-восточной и юго-западной частей сейсмической бреши средних Курил Апробация результатов работы. Основные результаты отражены в более, чем 80 работах и частично представлены в ее разделе сайта http //shelfhsks org/waves/mdex asp Результаты работы докладывались на III съезде советских океанологов (Ленинград, 1987), V Всесоюзной научно-технической конференции «Проблемы гидромеханики в освоении океана» (Киев, 1987), Совещании по теоретическим основам, методам и аппаратурным средствам прогноза цунами (Обнинск, 1988), Конференции по берегозащите (Сочи, 1989), Международной конференции по нелинейным и турбулентным процессам в физике (Киев, 1989), Int Tsunami Workshop (Новосибирск, 1989), Int Workshop on Long-Wave Run-up (Catalma Isl, California, USA, August 1990), Int Conference HAZARDS'91 (Perugia, Italy, 1991), Conference on Tsunami (Antofagasta, Chile, 1992), Int Conference HAZARDS'93 (Qumgdao, China, 1993), Int Symposium on Marine Positioning (INSMAP'94) (Hannover, Germany, 1994), II Int Workshop on Long-Wave Runup Models
(Friday Harbor, San Juan Isl, Washington, USA, September 1995), Int Conference on Tsunamis (Pans, France, 1998), Int Workshop on Tsunami Risk Assessment (Москва, 2000), 21st Meeting of Int Association of Sedimentologists (Davos, Switzerland, 2001), IX Int Symposium HAZARDS'02 (Antalya, Turkey, 2002), 26 Совещании по тектонике плит (Москва, 2003), VI Международном конгрессе по математическому моделированию (Нижний Новгород, 2004), EGU General Assembly (Vienna, Austria, 2005), 22nd Int Tsunami Symposium (Chania, Crete Isl, Greece, 2005), 11th Int Symp HAZARDS'06 and 2nd Int Workshop on Earthquake Prediction (Patras, Greece, 2006), EGU General Assembly (Vienna, Austria, 2007), семинарах ИПФ АН СССР (ИПФ РАН), ГПИ (НГТУ), а также включены в новые результаты, представленные на заседаниях в Президиуме РАН и Правительстве РФ (2006), посвященных проблеме землетрясений и цунами на тихоокеанском побережье России (Сахалин, Курило-Камчатка)
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, а также списка литературы, включающего 232 наименования и 2 приложений Работа изложена на 349 стр машинописного текста, включая 221 рисунок и 23 таблицы Благодарности. Автор отмечает большую роль академика С Л Соловьева, который во многом сформировал ее научное мировоззрение в изучении явления цунами Автор искренне благодарит д ф -м н , проф Лобковского Л И , который поставил задачу изучения генерации цунами, исходя из реального сейсмотектонического процесса в очаге цунамигенного землетрясения, в частности, на основе разработанной в ИО РАН клавишной модели сильнейших землетрясений, за обсуждение многочисленных вопросов по данной тематике Автор благодарит своего первого научного руководителя д ф -м н, проф Пелиновского Е Н , в соавторстве с которым были получены большинство аналитических результатов по динамике наката волн цунами Автор признательна научному консультанту, Заслуженному деятелю науки РФ, д ф -м н , проф. Петрухину Н С за полезные советы при подготовке и написании работы Автор также благодарна своим соавторам д ф -м н, проф Гарагашу И А , к г -м н Баранову Б В , к ф -м н Катаевой Л Ю и другим, совместная работа с которыми позволила наилучшим образом реализовать задуманные исследования
