Assessment of initial seismic impacts on the northern part of the Barents Sea shelf (Novaya Zemlya region) for the purpose of seismic microzoning in the areas of prospective hydrocarbon mining

Full Text

До 80–90-х годов прошлого столетия Арктическому региону в отношении изучения сейсмичности уделялось мало внимания. В целом Баренцевоморский регион считали асейсмичным или мало активным в сейсмическом отношении, что было связано с неразвитостью сети сейсмических станций, которые могли регистрировать сравнительно слабые землетрясения с магнитудами M ≤ 3.0–3.5 (микроземлетрясения − слабые землетрясения с магнитудой M < 3). После создания Баренцевоморской региональной сети мониторинга геодинамических процессов Кольского научного центра РАН и увеличения числа станций Норвежской сети NORSAR, сети Финляндии, Швеции и Дании и других с 1983 г. началась регистрация землетрясений с магнитудой в объемных волнах m_b > 3 на территории Баренцевоморского шельфа. Соперничество между скандинавскими и другими странами, с одной стороны, и России, с другой, инициировало создание новых сетей сейсмических станций, что привело к более детальному исследованию тектонических и сейсмических условий, в том числе Баренцево-Карского региона. Установка высокоширотного сейсмологического пункта на архипелаге Земля Франца-Иосифа (с/с ZFI) в 2011 г. позволила получать новые данные по слабой сейсмичности. К настоящему времени многие проблемы в области изучения сейсмичности Арктики еще остаются нерешенными.

В статье делается попытка оценить исходные сейсмические воздействия на основе имеющихся данных о тектонических и сейсмических условиях для района Новой Земли на Баренцевоморском шельфе.

УТОЧНЕНИЕ ИСХОДНОЙ СЕЙСМИЧНОСТИ РАЙОНА КОНТИНЕНТАЛЬНОГО ШЕЛЬФА СЕВЕРНОГО ЛЕДОВИТОГО ОКЕАНА В СЕВЕРНОЙ ЧАСТИ БАРЕНЦЕВА МОРЯ (р-н НОВОЙ ЗЕМЛИ)

Сейсмотектонические и сейсмологические условия в северной части Баренцева моря значительно отличаются от участков в его центральной части.

В целом, как отмечается в [1, 2, 6, 9], геодинамика и геологическое строение Баренцевоморского региона изучены фрагментарно, неполно, и требуются дальнейшие, более детальные исследования. Хотя изученность территории недостаточна, в то же время, по данным исследований Б.А. Ассиновской [4], центральная часть Баренцева моря отличается сравнительно спокойной обстановкой благодаря общему растяжению в течение длительного геологического времени. Обстановка общего растяжения создала здесь к неотектоническому этапу “жесткую рану”, образованную Баренцево-Северокарским грабен-рифтом [5].

По данным Е.А. Рогожина и др. [9], а также согласно современным представлениям, Баренцево-Карский регион можно охарактеризовать как сейсмически активный в зоне перехода “континент − океан”. Сосредоточенная сейсмическая активность свидетельствует о современной геодинамической активности тектонических нарушений, трассирующихся вдоль уступа шельфа и обрамляющих крупные грабены близмеридионального простирания. На современную геодинамическую обстановку Баренцевоморского региона влияют сейсмотектонические деформации в хребтах Гаккеля, Книповича и др. На фоне сдвиговых деформаций проявляется чередование участков с деформацией сжатия с участками растяжения [9]. Эти сдвиговые движения в районах океанических хребтов и грабенов приводят к обстановке сжатия, что подтверждается концентрацией здесь очагов землетрясений и характером их механизма. В областях сжатия (Свальдгардское поднятие, фьорды Шпицбергена и др.) концентрируются очаги землетрясений с максимальными магнитудами в объемных волнах m_bmax = 4.0÷4.4 [4]. Установлено, что сжатие северо-восточного направления, генерируемое Баренцево-Северокарским палеорифтом в зоне сочленения с Балтийским щитом, предопределило выделение здесь зоны возникновения очагов землетрясений (зоны ВОЗ) с подвижками типа взброса-сдвига. При этом горизонтальное сжатие меняет свое направление с северо-западного, преобладающего на щите, на северо-восточное. Таким образом, возникновение землетрясений на Новой Земле (взбросовые подвижки в очагах) обусловлено влиянием палеорифта с запада и кайнозойского Восточно-Новоземельского грабена с востока.

Последний по времени каталог коровых инструментальных и исторических землетрясений по данным ИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН приведен в табл. 1.

 

Таблица 1. Каталог коровых инструментальных и исторических землетрясений (по данным ИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН)

Год	Месяц	Число	Часы	Минуты	Секунды	Широта, градусы	Долгота, градусы	Глубина очага, км	Магнитуда
1503	6	30	0	0	0.00	69.70	33.20	16	6.9
1542	8	13	10	0	0.00	66.40	34.00	15	5.0
1758	12	6	0	0	0.00	68.88	33.00	10	3.5
1772	2	18	17	0	0.00	69.40	32.00	10	3.5
1772	2	18	0	0	0.00	69.50	32.60	20	5.8
1819	8	31	0	0	0.00	69.10	33.00	12	4.8
1892	9	5	18	50	0.00	66.80	29.60	17	3.5
1907	0	0	0	0	0.00	68.80	37.30	7	4.0
1917	2	6	20	0	0.00	69.20	35.10	10	3.3
1925	3	30	3	0	0.00	66.80	30.00	15	4.0
1936	1	1	6	0	0.00	66.20	43.30	7	3.5
1955	8	8	17	20	59.00	67.70	33.60	15	3.3
1960	2	2	12	32	30.00	66.80	29.30	20	4.7
1962	7	4	18	55	44.00	66.60	31.90	25	4.5
1966	1	22	23	46	48.00	66.70	33.20	0	3.5
1967	5	20	23	18	12.60	66.70	33.80	15	3.5
1968	10	24	20	13	45.20	69.10	32.70	18	3.8
1971	5	7	12	38	56.00	70.00	31.30	0	3.5
1971	9	15	9	15	13.30	67.12	48.25	10	3.9
1973	10	27	7	52	25.80	70.99	52.58	10	3.7
1973	10	27	8	3	58.20	71.02	52.70	10	3.7
1973	10	27	8	21	21.80	71.00	52.58	10	3.9
1973	10	27	9	13	51.30	71.24	51.80	10	3.9
1973	11	5	11	58	18.00	76.00	30.00	20	4.5
1974	9	30	9	11	42.20	67.70	33.70	7	4.2
1974	12	12	21	19	46.40	71.96	49.53	10	3.5
1977	10	9	10	59	58.80	73.47	53.98	10	3.9
1981	4	10	19	43	31.50	69.00	36.00	20	4.4
1986	8	1	13	56	37.10	72.93	55.76	10	3.7
1987	4	1	13	8	34.30	69.26	34.54	6	3.5
1987	6	25	5	24	8.20	68.53	36.49	12	3.4
1989	4	16	6	34	44.00	67.57	33.71	6	3.7
1990	6	16	12	43	26.10	68.52	33.09	8	3.4
1995	9	18	3	26	7.50	66.49	30.84	10	3.4
1995	11	9	1	10	27.20	66.79	33.14	10	3.5
1995	11	14	15	25	14.10	68.41	51.56	33	3.9
1997	8	16	2	11	1.90	72.50	57.69	0	3.8
1999	8	17	4	44	36.20	67.88	34.57	0	3.5
2001	10	22	9	47	34.10	66.46	33.04	10	3.6

 

В работах Б.А. Ассиновской 1990-1994 гг. приведена схема сейсмоактивных зон (зон ВОЗ) Баренцевоморского региона. На актуализированной версии карты зон ВОЗ Северной Евразии ОСР-97* [8], созданной с учетом корректировки линеаментно-доменно-фокальной (ЛДФ) модели зон ВОЗ (рис. 1), видно, что на склоне архипелага Новая Земля случались землетрясения с магнитудой Ms = 4.5¹.

 

Рис. 1. Фрагмент карт ОСР зон ВОЗ шельфа Баренцевоморского региона (по материалам ИФЗ им. О.Ю. Шмидта РАН) [5, 8].

 

Рассмотрим участок, расположенный на территории северо-восточной части континентального шельфа Баренцева моря в 40 км к западу от побережья архипелага Новая Земля севернее 74° с.ш., предположительно в домене с магнитудой Ms = 4.0±0.2. Его положение обозначено на рис. 2 и 3 прямоугольниками. Юго-восточная граница участка с учетом рис. 1 удалена от границы домена с Ms =4.5+0.2 не более чем на 25 км.

 

Рис. 2. Расположение участка изучения (прямоугольник) на мелкомасштабной карте возникновения землетрясения (ВОЗ) из базы данных ОСР-97 [8].

 

Рис. 3. Карта эпицентров сейсмических событий в районе архипелага Новая Земля за период 1986-2010 гг. [6] (цифровые обозначения соответствуют № в табл. 2). Прямоугольником показано положение площадки изучения.

 

Таблица 2. Список сейсмических событий, зарегистрированных в районе Новой Земли за период 1986-2010 гг. [6, 10]

№ на рис. 3	Дата	Время в очаге	φº	λº	Глубина очага, h, км	Магнитуда	Источник
1	01.08.1986	13:56:37.07	72.9	55.8	10	mb =4.8	ISC Bulletin: bulletin search
2	16.08.1997	02:10:59.18	72.6	56.9	10	ML=2.5	Тот же
3	23.02.2002	01:21:12.17	74.3	55.8	10	mb =3.0	ISC Bulletin: bulletin search; NORSAR Reviewed Regional Seismic Bulletin
4	08.10.2003	23:07:19.70	75.6	62.9	-	ML=2.6	Тот же
5	14.03.2006	20:57:02.40	75.1	53.1	-	ML=2.2	- « -
6	30.03.2006	10:46:02.43	70.9	51.0	0	ML=2.3	- « -
7	26.06.2007	03:19:19.40	73.4	53.4	-	ML=2.8	- « -
8	05.03.2006	23:17:35.73	76.8	64.3	-	ML=2.5	- « -
9	11.10.2010	22:48:28.82	76.3	64.3	19.4	mb =4.7	- « -

Примечание: m_b — магнитуда в объемных волнах; ML – локальная магнитуда (в шкале Рихтера) в настоящее время применяется в США и некоторых др. странах [3].

 

На мелкомасштабной карте зон ВОЗ (см. рис. 2) из базы данных ОСР-2014, с учетом изменений 2015 г., участок исследования расположен в пределах домена с магнитудой Ms = 4.0-4.5 (рассеянная сейсмичность). От линеаментов (сейсмогенерирующих разломов) с магнитудами до 5.1-6.0 площадка находится на незначительном (около 40 км) удалении от наиболее близких из них (см. рис. 3).

На новейших картах сотрясений Баренцевоморского региона с периодами повторяемости 1 раз в 500, 1000 и 5000 лет (соответственно карты ОСР-А, ОСР-В и ОСР-С, по последним данным ИФЗ РАН) показаны изолинии сейсмичности (рис. 4). Как видно на этих картах, рассматриваемый участок попадает в большой район, находящийся между изосейстами в 3.0 балла (в районе Новой Земли) и 4.5 баллов (в районе г. Мурманска), причем карты сотрясений составлены с шагом 0.5 баллов. Для более детального проведения изосейст в районе изучаемого участка (например, в 3.5 и 4.0 баллов) в настоящее время явно не хватает необходимой сейсмологической информации.

 

Рис. 4. Фрагмент карт ОСР-А, ОСР-В и ОСР-С по последним данным ИФЗ РАН.

 

За весь период инструментальных сейсмологических наблюдений каталог ISC (International Seismological Centre) содержит информацию о 59 сейсмических событиях из этого района. Большинство из них – ядерные взрывы, проводимые на полигоне Новая Земля. Воздушные ядерные испытания были прекращены в 1963 г.², последние подземные ядерные взрывы проведены 24 октября 1990 г. Была проанализирована имеющаяся информация о взрывах в районе Новой Земли [10]. В результате анализа из каталога ISC были выбраны данные о сейсмических событиях, не подтвержденных как взрывы и имеющих, вероятно, естественную природу (табл. 2). Все они датируются позже 1990 г., за исключением события № 1 (см. табл. 1).

В табл. 3 приведены основные параметры эпицентра землетрясения, произошедшего 4 марта 2014 г. на архипелаге Новая Земля, полученные по данным сейсмологических центров – NORSAR Reviewed Regional Seismic Bulletin и Архангельской сейсмологической стационар-обсерваторией.

 

Таблица 3. Основные параметры эпицентра землетрясения на архипелаге Новая Земля 04.03.2014 г. по данным различных сейсмологических центров [6]

Сейсмологический центр	Время в очаге	φ°	λ°	Глубина очага h, км	Магнитуда	Источник
NORSAR	04:42:32.9	74.50	56.82	0	ML=3.2	NORSAR Reviewed Regional Seismic Bulletin
Архангельская сейсмическая сеть	04:42:36.0	74.78	57.30	15	ML=3.2	Архангельская сейсмологическая стационар-обсерватория

 

На карте (см. рис. 3) показаны землетрясения из каталога ISC (см. табл. 2), произошедшие на Новой Земле за период с 1986 по 2010 г., данные о которых приведены Я.В. Конечной в работе [6]. Следует отметить, что, по данным Е.А. Рогожина и др. [9], в пределах зоны Новой Земли происходили землетрясения с магнитудой m_b = 4.1-5.3.

Наиболее интенсивные землетрясения с магнитудами m_b = 4.7-4.8 (номера 1 и 9 в табл. 2) зарегистрированы на западном и восточном склонах архипелага. Все землетрясения из табл. 2, 3 местные: разница между вступлением поперечных волн относительно вступления продольных волн t_S−t_P ≈ 2÷5 c. Принимая во внимание сведения о землетрясениях, зарегистрированных на склоне архипелага, а также данные, приведенные на рис. 1, 2 и 4, можно с некоторым допущением принять в пределах рассматриваемого участка при повторяемости сотрясений 1 раз в 500 лет магнитуды местного землетрясения Ms = 4.0, а при повторяемости 1 раз в 1000 лет – Ms = 5.0.

РАСЧЕТ ИСХОДНЫХ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ

На примере рассматриваемого участка (см. рис. 3) исходные сейсмические воздействия анализировались с учетом изложенных выше сведений и некоторой неопределенности из-за недостаточной изученности тектонической и сейсмической обстановки в доменах с Ms = 4.0÷4.5 и линеамента вдоль западного склона архипелага Новая Земля с возможной максимальной магнитудой Ms = 6.0.

Оценка интенсивности сотрясений на исследованном участке проведена по известной формуле макросейсмического поля Н.В. Шебалина:

I (балл) = 1.5Мs – 3.5lgR + 3.0,

где Мs – максимальная магнитуда, R – гипоцентральное расстояние в километрах.

Тогда при Мs = 4.0 и R(H) = 12 км, где H – глубина очага в километрах [очаг находится непосредственно под площадкой (рассеянная сейсмичность), согласно данным из табл. 1 и 2, на глубинах 10-15 км, в расчетах принимается равным 12 км], получим I = 5.2 балла на грунтах II категории по сейсмическим свойствам, что несколько превышает оценку по картам ОСР-97. При расчетах обе горизонтальные компоненты считались одинаковыми по уровню, равными более интенсивной. Это намного повышало точность расчетов, так как воздействия становятся независимыми от ориентации компонент в пространстве. Соотношение между вертикальной и горизонтальными компонентами принималось равным 0.6-0.7 для интенсивностей 7 и 8 баллов.

Величины максимальных ускорений (PGA) были оценены по зависимости В.И. Уломова из [7]:

lgPGA (cм/с²) = 0.301×I – 0.107.

Тогда при величине I = 5.2 балла PGA=29 cм/с² на грунтах II категории по сейсмическим свойствам, а на скальном грунте (I категории) PGA будет оцениваться в 15 cм/с² .

Как отмечалось выше, юго-восточная граница исследуемого участка удалена от границы домена с M_S = 4.5+0.2 не более чем на 25 км. Тогда при Н = 12 км гипоцентральное расстояние R = 28 км и I = 4.7 балла на грунтах II категории по сейсмическим свойствам. На скальном грунте PGA = 10 cм/с².

Следует отметить, что участок изучения находится на территории северо-восточной части континентального шельфа Баренцева моря в 40 км к западу от побережья архипелага Новая Земля (см. рис. 4), и для него от линеамента с Мs = 6.0 были получены значения PGA = 29 cм/с² на скальном грунте.

Основные параметры сейсмических воздействий (Ta_max, t) оценивались по известным зависимостям Ф.М. Аптикаева [3], приведенным в новейших СП 283.1325800.2016³. Результаты такого анализа показаны в табл. 4.

 

Таблица 4. Таблица результатов анализа параметров сейсмических воздействий в районе участка исследования, расположенного в северной части Баренцева моря вблизи архипелага Новая Земля

Зона с магнитудой,Ms	Гипоцентральное расстояние,R, км	PGA,см/с2	Преобладающий период, Т,с	Продолжительностьколебаний, τ
Домены
Ms=4.0	10-15(12)	15	0.14-0.16(15)	3-4
Ms=4.5	28	10	0.17-19(18)	3-4
Линеамент вдоль западного склона архипелага Новая Земля
Ms=6.0	45	29-30(30)	0.28-0.32(0.28)	4-5

Примечание: в скобках приведено значение, принятое при расчетах.

 

Средние значения спектра на интенсивной компоненте горизонтальных колебаний b = 3.6.

На основе совместного анализа имеющихся записей землетрясений в районе Новой Земли на уровне 0.7 от PGA и полученной продолжительности колебаний из домена с Ms = 4.0 (см. табл.4) величина τ принималась равной около 4 с, а от землетрясения из линеамента вдоль западного склона архипелага Новая Земля τ = 4-5 с.

На основании указанных выше сведений с учетом некоторых неопределенностей в изучении сейсмических условий на шельфе Баренцева моря предлагается принять следующие параметры для расчета синтезированных акселерограмм на поверхности скального грунта:

• для домена с Ms = 4.0 и R(H) = 12 км – PGA = 15 см/с², преобладающие периоды соответственно Т = 0.14-0.16 с, продолжительность колебаний τ = 4 с;
• для линеамента Ms = 6.0 и R = 45 км – PGA = 29-30 см/с², Т = 0.28-0.32 с, τ = 4-5 с.

СИНТЕЗИРОВАНИЕ ИСХОДНЫХ РАСЧЕТНЫХ АКСЕЛЕРОГРАММ НА ПОВЕРХНОСТИ СКАЛЬНОГО ГРУНТА

На основании исходных параметров воздействий, приведенных выше, были получены синтезированные акселерограммы на поверхности скального грунта. Расчет синтезированных акселерограмм производился в специализированной программе PSEQGN. Входными параметрами для расчета служили величины максимального ускорения (PGA), преобладающего периода колебаний в ускорениях (Ta_max, с) и продолжительности колебаний (τ, с).

На рис. 5 и 6 приведены примеры синтезированных акселерограмм и спектров реакции (горизонтальные компоненты XY) на поверхности скального грунта от землетрясения из домена с Ms = 4.0 и R(H)=12 км и из линеамента вдоль правого склона архипелага с Ms = 6.0 и R=45 км для исследуемого участка.

 

Рис. 5. Синтезированная акселерограмма (горизонтальные компоненты XY) на поверхности скального грунта от землетрясения из домена с Ms = 4.0 и R = 12 км (а), спектр реакции 5% (б).

 

Рис. 6. Синтезированная акселерограмма (горизонтальны компоненты XY) на поверхности скального грунта от землетрясения из линеамента с Ms = 6.0 и R = 45 км (а), спектр реакции 5% (б).

 

ВЫВОДЫ

Полученные по рассмотренной методологии расчетные исходные воздействия на поверхности скального грунта от землетрясений из домена с Ms = 4.0 и линеамента с Ms = 6.0 могут быть использованы (служить входными параметрами) при расчетах ожидаемых сейсмических воздействий для участков, расположенных в северной части Баренцева моря (район Новой Земли), с учетом местных грунтово-геологических условий.

Примечания:

¹ Ms – магнитуда по поверхностным волнам – основной тип магнитуд, используемый при оценке сейсмической опасности, определяется по макросейсмическим данным с использованием уравнения макросейсмического поля [3].

² Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой. URL: http://www.mid.ru/adernoe-nerasprostranenie/-/asset_publisher/JrcRGi5UdnBO/content/id/609152.

³ СП 283.1325800.2016 Объекты строительные повышенной ответственности. Правила сейсмического микрорайонирования. URL: http://docs.cntd.ru/document/456069594.

About the authors

I. G. Mindel

Sergeev Institute of Environmental Geoscience, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: igelab@mail.ru
Russian Federation, 13, str.2, Ulanskii per., Moscow 101000

B. A. Trifonov

Sergeev Institute of Environmental Geoscience, Russian Academy of Sciences

Email: igelab@mail.ru
Russian Federation, 13, str.2, Ulanskii per., Moscow 101000

M. D. Kaurkin

Sergeev Institute of Environmental Geoscience, Russian Academy of Sciences

Email: igelab@mail.ru
Russian Federation, 13, str.2, Ulanskii per., Moscow 101000

V. V. Nesynov

Sergeev Institute of Environmental Geoscience, Russian Academy of Sciences

Email: igelab@mail.ru
Russian Federation, 13, str.2, Ulanskii per., Moscow 101000

References

Supplementary files