СЕЙСМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ВОСТОЧНОЙ ОКРАИНЫ ВОСТОЧНО-ЕВРОПЕЙСКОЙ ПЛАТФОРМЫ В ПРЕДЕЛАХ ТРАПЕЦИИ φ N = 56 ˚- 67 ˚ –  λ Е = 48 ˚- 60 ˚

Блинова Т.С.

ORCID: 0000-0001-5254-9378, Доктор технических наук, Федеральное  государственное бюджетное учреждение науки Горный институт Уральского отделения Российской академии наук

СЕЙСМИЧЕСКИЙ ПОТЕНЦИАЛ ВОСТОЧНОЙ ОКРАИНЫ ВОСТОЧНО-ЕВРОПЕЙСКОЙ ПЛАТФОРМЫ В ПРЕДЕЛАХ ТРАПЕЦИИ φ N = 56 ˚- 67 ˚ –  λ Е = 48 ˚- 60 ˚

Аннотация

В статье рассмотрена методика сейсмического районирования  слабоактивных регионов, основанная на прогнозировании геодинамически неустойчивых зон по комплексу геолого-геофизических данных и определении сейсмического потенциала. Она применена для восточной окраины Восточно-Европейской платформы. Практическая значимость исследований связана с эксплуатацией и строительством  гражданских и промышленных объектов.

Ключевые слова: сейсмическое районирование, геодинамически неустойчивые зоны, максимальная магнитуда, геоинформационные системы.

Blinova T.S.

ORCID: 0000-0001-5254-9378, PhD in Engineering, Mining Institute of the Ural Branch Russian Academy of sciences

SEISMIC POTENTIAL OF THE EASTERN EDGE OF THE EAST EUROPEAN PLATFORM WITHIN TRAPEZOID φ N = 56 ˚- 67 ˚ –  λ Е = 48 ˚- 60 ˚

Abstract

The article describes the method of seismic hazard estimation of low active regions, based on the prediction of geodynamically unstable zones on a complex of geological and geophysical data and the definition of the seismic potential. It applied to the eastern edge of the East European platform. The practical significance of the research is related to the operation and construction civil and industrial objects.

Keywords: seismic hazard, geodynamically unstable zones, maximum magnitude, Geographical Information Systems.

Оценка сейсмической опасности слабоактивных территорий Западной и Восточной Европы, Урала, Западной и Центральной Сибири является важной проблемой. Землетрясения с магнитудами М = 5–6 могут вызывать разрушения жилья и другие нежелательные последствия. Сейсмическое районирование слабоактивных территорий проводится по разработанной в ГИ УрО РАН методике, основанной на прогнозировании геодинамически неустойчивых зон и определении сейсмического потенциала.

Методика.

Систему прогноза отображает схема методики сейсмического районирования слабоактивных территорий (рис. 1). Методика разработана  на примере Западно-Уральского региона [1]. Она применена для Тимано-Североуральского региона, Западно-Сибирской плиты и территории Соединённого Королевства Великобритании и Северной Ирландии [2–4]. Проведенные исследования подтвердили возможность использования методики в любых слабоактивных регионах мира [5].

Первым и важным этапом исследований является создание базы данных, которая включает геолого-геофизические параметры для региона и каталог тектонических землетрясений, произошедших с исторического периода по настоящее время.

В основу сейсмического районирования слабоактивных территорий положены  принципы,  основывающиеся на представлении об иерархичности

структур сейсмичности и геофизической среды, на масштабной однородности исходных геолого-геофизических данных, на соответствии масштабов и иерархических порядков выделяемых зон, а также на связи геолого-геофизических параметров с сейсмичностью.

 

Рис. 1 -  Схема методики сейсмического районирования слабоактивных территорий

 

Определены признаки распознавания геодинамически неустойчивых зон. Эти зоны отличаются свойствами среды и динамикой процессов, которые стремятся к их дестабилизации под действием региональных и глобальных сил, и находят свое проявление в сейсмичности. Региональная модель геодинамически неустойчивых зон является основой для следующего этапа исследований, который представляет собой построение прогнозных карт максимальных магнитуд возможных землетрясений.

Для этого была выбрана геоинформационная система «ГЕО» [6]. Автор системы В.Г. Гитис использовал для выделения зон сейсмичности и их оцифровки скопления землетрясений, что трудно сделать в слабоактивных регионах. По этой причине нами предложено использовать геолого-геофизические данные для выделения зон, отличающихся по своим свойствами и геодинамическим характеристикам, и проводить их оцифровку по максимальной магнитуде землетрясения, попавшего в ту или иную зону [5]. Очевидно, что при анализе многочисленных геолого-геофизических данных, исследователь не в состоянии полноценно учесть большой набор фактов, а существующие в настоящее время представления о связи максимальных магнитуд (М_max) тектонических землетрясений с геолого-геофизическими признаками носят слишком общий характер, чтобы сформулировать проблему построения прогнозной карты максимальных магнитуд возможных землетрясений, как строго математическую задачу. Информационные модели позволяют объединить описательное знание, экспертные гипотезы, методологию обработки и анализа разнотипных данных и знаний и получить прогнозные карты М_max. Достоверность информационных моделей возрастает вместе с появлением новых данных и  новых экспертных знаний. При построении прогнозных карт максимальных магнитуд возможных землетрясений основные вычисления связаны с нахождением функции прогноза M_max от геолого-геофизических признаков. Для этого создается выборка пунктов, для которых наряду со значениями геолого-геофизических признаков указаны значения M_max. Таковыми являются геодинамически неустойчивые зоны [1–5]. Параметры прогнозирующей функции находятся из условия наилучшей аппроксимации экспертных оценок в пунктах выборки. Прогнозом M_max для всех остальных точек региона являются вычисленные по геолого-геофизическим признакам этих точек значения прогнозирующей функции.

Для восточной окраины Восточно-Европейской платформы проведен анализ геолого-геофизических и сейсмологических данных, применены признаки выделения геодинамически неустойчивых зон на основе комплексного анализа геолого-геофизических параметров, создана их региональная модель с применением ГИС-технологий и рассчитан сейсмический потенциал.

База данных.

В базу данных вошли следующие карты: карта гравитационного поля в редукции Буге  (http:/.topex.ucsd.edu/cgi-bin/det data.cgi), карта аномального магнитного поля (http://www.geomag.us/models/emag2.html), структурная схема поверхности Мохоровичича (http://www.igf.fuw.edu.pl/mohomap2007/), карта современных вертикальных движений земной коры (с «Карты СВДЗК по геодезическим данным на территорию СССР», ГУКК,1989 г.), карта мощности нижнего слоя земной коры (Г.В. Краснопевцева, Ю.К. Щукин, 1996, 2000), карта мощности промежуточного слоя земной коры (Г.В. Краснопевцева, Ю.К. Щукин, 1996, 2000), карта мощности верхнего слоя земной коры (Г.В. Краснопевцева, Ю.К. Щукин, 1996, 2000), карта теплового потока  (И.В. Голованова, В.А. Щапов, А.Д. Дучков, 2000), карта рельефа земной поверхности, тектоническая карта России, сопредельных территорий и акваторий (ред. Е. Е. Милановский, 2007).

Часть карт получена в геоинформационной системе «ГЕО» при помощи подсистемы преобразования знаний и фактов [6].  К ним относится карта разности максимальных и минимальных значений современных вертикальных движений земной коры и карта разности максимальных и минимальных значений глубины залегания границы Мохоровичича. Получены карты градиентов теплового потока, современных вертикальных движений земной коры, глубины залегания границы Мохоровичича, гравитационного и магнитного полей. В подсистеме построена карта разности максимальных и минимальных значений высот рельефа земной поверхности, карта градиентов и азимута градиента данного параметра.

Неотъемлемой частью базы данных, предназначенной для решения вопросов сейсмического районирования, является каталог землетрясений с магнитудой от 2.0 до 5.5 за период с 1788 по 2015 гг.

Выделение геодинамически неустойчивых зон.

Для выделения геодинамически неустойчивых зон была предложена методика профильного изучения геофизических параметров с применением геоинформационной системы «ГЕО» [5].

Эти зоны (рис. 2) проявляются в уменьшении глубины залегания границы Мохоровичича, что может быть связано с активизацией тектонических процессов, происходящих в верхней мантии. Выделено несколько участков, где значения глубины залегания границы Мохоровичича составляют 37–40 км, при изменении параметра для всей территории от 37 до 48 км. В пределах намеченных геодинамически неустойчивых зон градиенты гравитационного поля имеют небольшие значения 0–0.7 мГал/км, при этом на краях зон они повышаются до 1–2 мГал/км. Градиенты магнитного поля ведут себя аналогично, в пределах зон они имеют небольшие значения 1–8 нТ/км,  при  этом  на  краях  зон повышаются  и  составляют  8–25 нТ/км. Основным признаком выделения геодинамически неустойчивых зон на карте современных вертикальных движений земной коры является наличие нескольких обширных зон опускания, которые связаны с Камским водохранилищем и Воткинским водохранилищем, а также с районом г. Сыктывкар. Скорость опускания в районе Камского водохранилища достигает 6.9 мм/год, в районе Воткинского водохранилища – 7.4 мм/год,  в районе  г. Сыктывкар – 6.3  мм/год.  Градиенты  современных  вертикальных движений земной коры имеют пониженные значения в пределах зон и резко увеличиваются на краях.

 

Рис. 2 - Модель геодинамически неустойчивых зон

 

Для подтверждения выделенных по перечисленным признакам зон, необходимы знания о неотектонических движениях, происходящих в регионе. Известно, что если на схемах неотектонического районирования, полученных в результате дешифрирования космо- и аэрофотоснимков выделяются блоки осадочного чехла, испытывающие относительное воздымание и находящиеся в непосредственной близости от неотектонических глубинных разломов, такие зоны являются сейсмоактивными.

По перечисленным признакам была построена региональная модель геодинамически неустойчивых зон и оцифрована с использованием каталога землетрясений (рис. 2).

Сейсмический потенциал.

В геоинформационной системе «ГЕО» были рассчитаны несколько вариантов прогнозных карт максимальных магнитуд возможных землетрясений. Они различаются количеством используемых геолого-геофизических параметров, а также их совокупностью. Выбран вариант карты, характеризующийся наименьшими ошибками аппроксимации и в большей степени согласующийся  с распределением очагов, где уже происходили землетрясения со значениями магнитуд, близкими к максимальным.

Прогнозирующая функция при использовании теплового потока и его градиентов, разницы максимальных и минимальных значений глубины залегания границы Мохоровичича, аномального магнитного поля, разницы максимальных и минимальных значений современных вертикальных движений земной коры, гравитационного поля, мощности нижнего слоя земной коры и азимута градиента высот рельефа земной поверхности оказалась равной:

где φ_i (x_i) – кусочно-линейные функции признаков x_i, оцениваемыми параметрам которых являются значения ординат в точках излома.

Совместное рассмотрение гистограмм и функций φ_i (x_i) позволило сопоставить частоту и величину вкладов соответствующих значений в прогноз М_max для всего региона. Существенный вклад в прогноз вносят функции от  теплового потока, мощности нижнего слоя земной коры, градиентов теплового потока, разности максимальных и минимальных значений глубины залегания границы Мохоровичича, разности максимальных и минимальных значений современных вертикальных движений земной коры. Функции от аномального магнитного поля, гравитационного поля и азимута градиента высот рельефа земной поверхности меньше влияют на величину прогнозирующей функции. Ошибка аппроксимации для учебной выборки составила 0.77, а для контрольной – 0.93.  Их отношение близко к единице, что позволило сделать вывод об удовлетворительной экстраполируемости результатов.  Получена карта, характеризующая сейсмический потенциал региона (рис. 3).

На завершающем этапе определена связь прогнозных карт максимальных магнитуд возможных землетрясений с тектоникой региона. В южной его части землетрясения с наибольшими магнитудами приурочены к авлакогенам, которые являются межблоковыми зонами. В отдельных частях Кировско-Кажимского и Камско-Бельского авлакогенов на региональное поле напряжений, действующее на их границы, накладывается поле напряжений, возникающее на границах блоков составляющих эти авлакогены. Границы блоков связаны с генеральными или региональными разломами сдвигового типа. Наиболее активные зоны охватывают самую восточную часть Восточно-Европейской платформы, Предуральский прогиб и Западно-Уральскую зону складчатости. Для центральной и северной части региона сейсмичность связана с блоковым строением, определяющим развитие зон аномальных тектонических напряжений. Они концентрируются в зонах сочленения блоков земной коры, которые различаются по строению, физическим и геометрическим параметрам и разделены глубинными разломами. Значения максимальных магнитуд связываются с северной частью Волго-Уральского геоблока. Здесь происходит резкое погружение кристаллического фундамента Сысольского свода в Кировско-Кажимский авлакоген по системе ступенеобразных сбросов, осложненных сдвигами, обусловленными  погружением  северной части  авлакогена  в  Вычегодский прогиб. Границам этого прогиба являются глубинные разломы активные в наше время.

 

Рис. 3 – Карта максимальных магнитуд возможных землетрясений восточной окраины Восточно-Европейской платформы

 

Получена модель геодинамически неустойчивых зон и прогнозная карта максимальных магнитуд возможных землетрясений для восточной окраины Восточно-Европейской платформы. Она обоснована связью распределения сейсмического потенциала с тектоникой и геодинамикой региона.

 

Литература

1. Блинова Т.С. Прогноз геодинамически неустойчивых зон. – Екатеринбург: УрО РАН, 2003. – 163 с.
2. Блинова Т.С. Потенциальная сейсмичность Западно-Сибирской плиты // Отечественная геология. – 2009. – №4. – С.73–81.
3. Блинова Т.С. Сейсмический потенциал Тимано-Североуральского региона / Блинова Т.С, Удоратин В.В., Конанова Н.В., Носкова Н.Н., Баранов Ю.В. // Вестник Института геологии Коми НЦ УрО РАН. – 2012. – №1. – С. 18-21.
4. Blinova T.S. An integrative approach to seismic hazard and its application to the UK region / Blinova T.S., Evans J.R., Booth D.C., Semerikova I.I., Baranov Y.V. // Russian Journal of Earth Sciences. – 2012. – V. 12, №. 4, June. – Режим доступа: http://dx.doi.org/10.2205/2012ES000519.
5. Блинова Т.С. Сейсмичность и сейсмическое районирование слабоактивных территорий / Блинова Т.С., Удоратин В.В., Дягилев Р.А., Баранов Ю.В., Носкова Н.Н., Конанова Н.В. – Пермь: ГИ УрО РАН, 2015. – 178 с.
6. Гитис В. Г. Основы пространственно-временного прогнозирования в геоинформатике. / Гитис В. Г., Ермаков Б. В. – М.: Физматлит, 2004. – 256 с.

References

1. Blinova T.S. Prognoz geodinamicheski neustojchivyh zon. – Ekaterinburg: UrO RAN, 2003. – 163 s.
2. Blinova T.S. Potencial'naja sejsmichnost' Zapadno-Sibirskoj plity // Otechestvennaja geologija. – 2009. – №4. – S.73–81.
3. Blinova T.S. Sejsmicheskij potencial Timano-Severoural'skogo regiona / Blinova T.S, Udoratin V.V., Konanova N.V., Noskova N.N., Baranov Ju.V. // Vestnik Instituta geologii Komi NC UrO RAN. – 2012. – №1. – S. 18-21.
4. Blinova T.S. An integrative approach to seismic hazard and its application to the UK region / Blinova T.S., Evans J.R., Booth D.C., Semerikova I.I., Baranov Y.V. // Russian Journal of Earth Sciences. – 2012. – V. 12, №. 4, June. – Rezhim dostupa: http://dx.doi.org/10.2205/2012ES000519.
5. Blinova T.S. Sejsmichnost' i sejsmicheskoe rajonirovanie slaboaktivnyh territorij / Blinova T.S., Udoratin V.V., Djagilev R.A., Baranov Ju.V., Noskova N.N., Konanova N.V. – Perm': GI UrO RAN, 2015. – 178 s.
6. Gitis V. G. Osnovy prostranstvenno-vremennogo prognozirovanija v geoinformatike. / Gitis V. G., Ermakov B. V. – M.: Fizmatlit, 2004. – 256 s.