CC BY
14
УДК 550.31(470.1)
СЕЙСМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ТИМАНО-СЕВЕРОУРАЛЬСКОГО РЕГИОНА
Т. С. Блинова1 В. В. Удоратин2 Н. В. Конанова2 Н. Н. Носкова2 Ю. В. Баранов1
1ГИ УрО РАН, Пермь; [email protected]
2ИГ Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар; [email protected], [email protected], [email protected]
Составление карт сейсмического районирования имеет очевидное научное и практическое значение. В последнее время особо актуальной эта проблема стала для регионов, где количество землетрясений недостаточно для использования стандартных методов сейсмического районирования. К таким регионам можно отнести слабоактивный Тимано-Североуральский регион. Сейсмическое районирование этого региона проводилось по методике прогнозирования гео-динамически неустойчивых зон на основе геолого-геофизических данных и определения сейсмического потенциала слабоактивных регионов, разработанной в Горном институте УрО РАН.
Ключевые слова: сейсмическое районирование, геодинамически неустойчивые зоны, максимальные магнитуды, геоинформационные системы, слабоактивные регионы.
SEISMIC POTENTIAL OF TIMAN-SEVEROURALSK REGION
T. S. Blinova, V. V. Udoratin, N. V. Konanova, N. N. Noskova, Y. V.Baranov
Mapping of seismic hazard has obvious scientific and practical importance. Recently, of particular relevance this problem has for regions where the number of earthquakes is not enough for to use standard methods of seismic hazard. Timan-Severouralsk region has low seismic activity. Determination of seismic hazard of this region was conducted by the previously developed of the technique for identifying geodynamically unstable zones based on geological and geophysical data and the definition of seismic potential of regions developed by MIUBRUS.
Keywords: seismic hazard, geodynamically unstable zones, maximum magnitude, Geographical Information Systems, regions of low seismic activity.
Восточно-Европейская платформа, в пределах которой располагается основная часть исследованной нами территории Тимано-Североуральско-го региона, относится к древним платформам земного шара (кратонам) — наиболее стабильным в сейсмическом отношении блокам земной коры. Однако их стабильность нельзя переоценивать. Как известно, за последние 200 лет в пределах данной платф ормы произошло более 120 ощутимых землетрясений. Так, одно из самых сильных землетрясений произошло на юге Республики Коми в 1939 г. За 10 лет инструментальных наблюдений на этой территории зарегистрировано порядка 15 землетрясений с магниту-дой до 4 [1].
Оценивая современное состояние проблемы комплексного изучения тектоники, внутреннего строения и сейсмичности Восточно-Европейс-
кой платформы, следует отметить, что главная ее сложность состоит в необходимости сейсмического районирования обширных платформенных регионов, т. е. в обнаружении тектонически активных и сейсмически опасных мест в условиях низкого геодинамического фона платформы. При этом использование известных методов оценки энергетического уровня сейсмичности, разработанных применительно к активным горным областям, в условиях слабоконтрастных геологических и геофизических аномалий затруднительно [2]. Поэтому одной из важнейших проблем региональной геофизики в Республике Коми является создание достоверной геолого-геофизической основы для уточнения модели строения земной коры и верхней мантии территории в связи с постановкой задач по оценке ее сейсмического потенциала.
В Горном институте УрО РАН (г. Пермь) были разработаны методика и принципы для идентификации геодинамически неустойчивых зон, в которых состояние, свойства и динамика происходящих процессов таковы, что делают эти зоны восприимчивыми к дестабилизации под действием региональных и глобальных тектонических сил [3], которая проявляется в сейсмичности. В связи с актуальностью изучения возникновения землетрясений в слабоактивных территориях древних и молодых платформ рассмотрена сейсмическая обстановка в Тимано-Североуральском регионе. Осуществлен процесс подготовки и построения прогнозных карт максимальных магнитуд возможных землетрясений с помощью геоинформационной системы «ГЕО» [4].
На первом этапе сейсмического районирования Тимано-Североураль-
ского региона создавалась электронная база геолого-геофизических и сейсмологических данных. При ее создании использовались данные, предоставленные Институтом геологии Коми НЦ УрО РАН, и карты, опубликованные в открытой печати. Полученная нами региональная геолого-геофизическая база данных представляет собой совокупность сведений о тектонике региона, геофизических полях и сейсмичности. База насчитывает 25 карт в электронном и пакет карт в графическом видах. База данных в электронном виде включает информацию:
— об аномальном магнитном поле (ATa) [5];
— о гравиметрическом поле в редукции Буге [6];
— горизонтальных градиентах магнитных и гравитационных аномалий;
— глубине залегания поверхности кристаллического фундамента [7, 8, 9];
— глубине залегания поверхности Мохоровичича [8, 10] и ее горизонтальных градиентах;
— о мощностях различных слоев консолидированной коры [10];
— плотности разломов [11];
— о неотектонических движениях земной коры, характеристиках рельефа [12];
— тепловом потоке [13].
База данных в графическом виде содержит схему слоисто-блоковых структур литосферы европейского северо-востока России [14, 15], карту неотектонического районирования европейского севера СССР [12], карту тектонического районирования европейского севера СССР (поверхность фундамента) [9], схему сейсмического районирования северо-востока европейской части России [8]. Создан каталог землетрясений, произошедших на территории в пределах = 60—67°, = 48—60° за период с 1626 по 2011 гг., и построены карты расположения их эпицентров. Максимальная интенсивность землетрясений в регионе составила 7 баллов [8].
На втором этапе по комплексу геолого-геофизических данных на территории Тимано-Североуральско-го региона были выявлены геодина-мически неустойчивые зоны. Ранее нами было показано, что подобные зоны в слабоактивных регионах отчетливо проявляются в уменьшении глубины залегания границы Мохорови-чича [3, 16]. Такое поведение поверхности Мохо в пределах этих зон мо-
жет быть связано с активизацией тектонических процессов, происходящих в верхней мантии. По этому признаку мы наметили расположение геодина-мически неустойчивых зон в пределах изученной нами части территории Тимано-Североуральского региона. При этом было выделено несколько участков, где значения глубин залегания поверхности Мохоровичича минимальны и составляют 36—40 км, при фоновом значении этого параметра для всей территории от 36 до 48 км. Выявлено, что в зонах геодинамической неустойчивости мощность нижнего слоя земной коры увеличивается от 7 до 18 км, при вариации данного параметра в интервале от 7 до 23 км. Горизонтальные градиенты глубины залегания границы Мохоровичича в выделенных нами геодинамически неустойчивых зонах имеют небольшие значения, однако на краях этих зон величина данного параметра возрастает. Высокие значения горизонтальных градиентов глубины залегания поверхности Мохо свидетельствуют о резком изменении глубины данной границы на краях геодинамически неустойчивых зон и служат маркерами для их оконтуривания по площади.
В пределах намеченных нами гео-динамически неустойчивых зон на территории региона горизонтальные градиенты гравитационного поля в редукции Буге имеют небольшие значения — (1—90)-10-2 мГал/км, а на краях зон модули градиента поля силы тяжести сильно повышаются и достигают (100—200)-10-2 мГал/км. Горизонтальные градиенты магнитного поля ведут себя аналогично, но разница между ними менее резкая. В рассматриваемых зонах горизонтальные градиенты аномального магнитного поля имеют небольшие значения (1— 8 нТ/км), при этом на краях зон указанные градиенты также повышаются и составляют 8—25 нТ/км. Таким образом, возрастание значений горизонтальных градиентов потенциальных полей идентифицирует границы зон геодинамической неустойчивости.
Еще одним признаком наличия рассматриваемых зон в Тимано-Севе-роуральском регионе является тепловой поток, возрастающий от 48 до 63 мВт/м2, тогда как во всем регионе данный геофизический параметр изменяется в пределах 26—63 мВт/м2. Известно, что зоны разломов, особенно активных, являются областями с максимальной для района сейсмичностью. Места сочленения разломов, установ-
ленные на севере изученной нами части Тимано-Североуральского региона, сопряжены с зонами, выделенными по вышеперечисленным признакам.
Для подтверждения наличия гео-динамически неустойчивых зон необходимы знания о тектонических движениях, происходящих в регионе. Поэтому для определения сейсмоактивных участков мы использовали опубликованные схематические карты неотектонического районирования, полученные в результате дешифрирования космо- и аэрофотоснимков, на которых выделяются блоки осадочного чехла, испытывающие относительное воздымание и находящиеся в непосредственной близости от глубинных разломов. По этим картам было установлено, что практически для всех геодинамически неустойчивых зон характерна связь именно с неотектоническими движениями.
На территории Тимано-Северо-уральского региона нами выделено пять геодинамически неустойчивых зон: Сысольская, Мезенская, Северо-Тиманская, Ижемская и Верхнепечорская (рис. 1). Самая значительная по площади и по интенсивности сейсмических событий Сысольская зона находится в пределах Кировско-Кажим-ского авлакогена и прилегающих к нему областей Сысольского и Коми-Пермяцкого сводов Волго-Уральской антеклизы Русской плиты. Второй по этим же показателям является Ижем-ская зона, занимающая центральную часть Ижма-Печорской моноклинали Тимано-Печорской плиты. На западе территории региона выделены Севе-ро-Тиманская и Мезенская геодинами-чески неустойчивые зоны, одинаковые по интенсивности и располагающиеся в пределах одноименных тектонических структур. Верхнепечорская геодинамически неустойчивая зона находится на юге Тимано-Печорской плиты и отмечается самой низкой интенсивностью.
Далее с использованием каталога землетрясений была построена региональная модель зон геодинамической неустойчивости в геоинформационной системе «ГЕО», благодаря которой выявленные нами зоны были охарактеризованы количественными показателями вероятной (потенциальной) интенсивности сейсмических событий.
На следующем этапе исследований была составлена прогнозная карта максимальных магнитуд возможных землетрясений в Тимано-Северо-
Рис. 1. Модель геодинамически неустойчивых зон, рассчитанная в геоинформационной системе «ГЕО», цветом показаны значения магнитуд.
уральском регионе. Построение таких карт базируется на подготовке, вводе в компьютер и анализе исходных данных, на нахождении прогнозирующей функции и построении первого варианта карты. А затем после анализа результатов принимается решение о способе получения карты следующего приближения.
Для построения результирующей прогнозной карты максимальных маг-нитуд (Мтах) возможных землетрясений в Тимано-Североуральском регионе с помощью модели геодинамичес-ки неустойчивых зон были проведены расчеты нескольких вариантов карт, в которых определялись значения маг-нитуд, различающихся количеством используемых геолого-геофизических параметров, а также их совокупностью. Нами был выбран вариант карты (рис. 2), рассчитанный по модели геодинамически неустойчивых зон, в ко-
тором отсутствует Верхнепечорская зона, выделяющаяся не по всему комплексу признаков.
Прогнозирующая функция в системе «ГЕО» дается в виде формулы [4]
I
Р («) = (, а),
■=1
где (х ,, а) — кусочно-линейная функция от признака х,, в которой узлы заранее заданы, а вектор оцениваемых параметров а определяет значения функции в узлах. Начальные значения узлов излома переменных х1 задаются автоматически, затем они могут быть изменены пользователем. Выбранный класс функций позволяет при относительно малой размерности вектора параметров учесть имеющиеся у специалистов представления о непрерывной зависимости прогноза от геолого-геофизических признаков и о характере нелинейности искомой законо-
мерности. Кроме того, этот класс функций удобен при интерпретации результатов прогноза: каждую из функций ф. (x) можно интерпретировать как нелинейный вклад признака x( в прогноз, а прогнозное поле — как сумму полей нелинейно преобразованных признаков [4].
Прогнозирующая функция была получена в результате использовании следующих карт: карты глубины залегания поверхности Мохоровичича, мощности верхнего и мощности промежуточного слоев земной коры, горизонтальных градиентов аномального магнитного поля и гравитационного поля в редукции Буге, а также горизонтальных градиентов рельефа земной поверхности и теплового потока. Ошибка аппроксимации учебной выборки составила 0.71, контрольной — 0.96, а их соотношение оказалось близким к единице, что позволило сделать вывод об удовлетворительной экстра-полируемости результатов «обучения».
Далее прогнозные значения карты M возможных землетрясений
max 1
мы сопоставили с распределением очагов уже произошедших землетрясений со значениями магнитуд, близкими к максимальным. На ней выделяется участок с Mmax=5.0, что вполне сопоставимо с историческими сведениями о землетрясениях в данном участке региона. В Тимано-Северо-уральском регионе сейсмичность связана с блоковым строением земной коры, определяющим развитие зон аномальных тектонических напряжений, которые концентрируются в зонах сочленения блоков, различающихся по строению, физическим и геометрическим параметрам и разделенных глубинными разломами. На прогнозной карте максимальных маг-нитуд возможных землетрясений в этом регионе повышенные значения связываются с северной частью Вол-го-Уральского геоблока в зоне сочленения Кировско-Кажимского авлако-гена и прилегающих к нему Сысоль-ского и Коми-Пермяцкого сводов.
Полученные нами выводы хорошо согласуются с опубликованными ранее данными о приуроченности эпицентров практически всех известных природных землетрясений Тима-но-Североуральского региона к зонам контакта глубинных блоков консолидированной коры, разнородных по плотностному составу вмещающих горных пород [17]. Они подтверждают, что плотные глубинные горные породы, обладающие повышенными
О i.O !.}
Рис. 2. Прогнозная карта максимальных магнитуд ожидаемых землетрясений в Ти-мано-Североуральском регионе. Кружками обозначены эпицентры землетрясений.
значениями акустической жесткости, видимо, отвечают за накопление различного рода сейсмических деформаций и за их последующую разгрузку в приграничных зонах.
Выводы
Создана база геолого-геофизических и сейсмологических данных по Тимано-Североуральскму региону. Показаны основные методические аспекты прогноза геодинамически неустойчивых зон на основе комплексного анализа геолого-геофизических и сейсмологических данных. Получена модель геодинамически неустойчивых зон региона, построенная с применением ГИС-технологий. Выявлено, что приграничные районы геофизических неоднородностей на разных глубинных уровнях земной коры являются определяющими при-
знаками при составлении схематической карты сейсмического потенциала исследуемой территории. Построена прогнозная карта максимальных маг-нитуд возможных землетрясений в Тимано-Североуральском регионе.
Литература
1. УдоратинВ. В. Сейсмологическое районирование // Атлас Республики Коми. М.: Феория, 2011. С. 64-65. 2. ЩукинЮ. К. Карта сейсмотектоники Восточно-Европейской платформы и ее горно-складчатого обрамления // Проблема геодинамики, сейсмичности и минерагении подвижных поясов и платформенных областей литосферы: Материалы международной конференции. Екатеринбург: Институт геофизики УрО РАН, 1998. С. 232-234. 3. Блинова Т. С. Прогноз геодинамически неустойчивых зон.
Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 163 с. 4. Гитис В. Г., Ермаков Б. В. Основы пространственно-временного прогнозирования в геоинформатике. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. 256 с. 5. Карта аномального магнитного поля (ATa) территории СССР и некоторых прилегающих акваторий, масштаб 1:10000000 / Под ред. З. А. Макаровой, Н. Т. Шмияровой, МинГео СССР, ВСЕГЕИ, 1975. 6. Гравиметрическая карта России, увязанная с картами по территории стран СНГ. М 1:2500000 / Гл. ред. О. В. Петров. Федеральное агентство по недропользованию. Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский научно-исследовательский геологический институт им. А. П. Карпинского» (ВСЕГЕИ). 2008. 7. Структура платформенного чехла Европейского Севера СССР / Под ред. В. А. Дедеева. Л.: Наука, 1982. 200 с. 8. Удоратин В. В. Глубинное строение и сейсмичность юга Республики Коми. Екатеринбург, 2002. 72 с. 9. Фундамент Тимано-Печорского нефтегазоносного бассейна / Л. Т. Белякова, В. И. Богацкий, Б. П. Богданов и др. / Под ред. Е. Г. Довжиковой,
A. М. Плякина. Киров: ОАО «Кировская областная типография», 2008. 288 с. 10. Юдахин Ф. Н, ЩукинЮ. К., Макаров В. И. Глубинное строение и современные геодинамические процессы в литосфере Восточно-Европейской платформы. Екатеринбург: УрО РАН, 2003. 299 с. 11. Малышев Н. А. Разломы Европейского Северо-Востока СССР в связи с нефтегазо-носностью. Л.: Наука, 1986. 112 с. 12. Рыжов И. Н. Неотектоника Европейского Севера СССР. Л.: Наука, 1988. 96 с. 13. Щапов В. А. Тепловое поле Урала // Уральский геофизический вестник. Екатеринбург, 2000. №1. С. 126-130. 14. Дедеев В. А, Шустова
B. Е. Геоблоки европейской части СССР. Сыктывкар, 1976. 52 с. (Научные доклады / Коми фил. АН СССР. Вып. 25). 15. Запорожцева И. В., Пыс-тин А. М. Строение дофанерозойской литосферы Европейского Северо-Востока России. СПб.: Наука, 1994. 112 с. 16. Блинова Т. С. Потенциальная сейсмичность Западно-Сибирской плиты // Отечественная геология, 2009. № 4.
C. 73-81. 17. Конанова Н. В., Удоратин В. В. Взаимосвязь плотностных не-однородностей консолидированной коры европейского северо-востока России с эпицентрами землетрясений // Вестник ИГ Коми НЦ УрО РАН. 2011. № 4. С. 2-4.
Рецензент д. г.-м. н. Ю. А. Ткачев
