Seismicity and seismic mode in Sverdlovsk Region

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Территория Свердловской области расположена в пределах крайней восточной окраины Восточно-Европейской платформы, средней, северной частей Уральской горно-складчатой системы и западной части Западно-Сибирской плиты. В настоящее время на территории области ежегодно регистрируется порядка 400 сейсмических событий разной природы — взрывы, горные удары, горно-тектонические события и тектонические землетрясения, последние из которых происходят редко. За период 1788–2022 гг. на территории области было отмечено порядка 30 тектонических землетрясений силой до 5.0–6.0 баллов по шкале MSK-64 в эпицентрах. Из них только одно событие — Билимбаевское землетрясение 17.08.1914 г. (M_S = 5.0, координаты эпицентра 57.09 с. ш., 59.80 в. д.) имело в эпицентре силу порядка 6.0 баллов по шкале MSK-64. За этот период было отмечено еще порядка 11 землетрясений, сила сотрясения в эпицентре во время которых оценивается ~4.0–5.0 баллов по шкале MSK-64, а магнитуда — от 3.0 до 4.7 [1–4, 7, 9, 13, 14, 17, 26, 27].

В последние годы наиболее сильные землетрясения на территории Свердловской обл. были зарегистрированы 29.03.2010 г. (M_S = 3.9; координаты эпицентра 58.85 с. ш., 59.17 в. д.) в 25 км к северо-западу от г. Качканар и 18.10.2015 г. (M_S = 4.4; координаты эпицентра 57.13 с. ш., 58.83 в. д.) в районе пос. Сабик Шалинского района, приблизительно в 40 км к западу-северо-западу от Билимбаевского землетрясения [2, 5, 6, 8, 11, 12, 26].

Свердловская область — активно развивающийся регион с большим количеством горнодобывающих предприятий, промышленных заводов, соседствующих с крупными городами. Помимо тектонических землетрясений на рассматриваемой территории регистрируется большое количество техногенных сейсмических событий (взрывы, горные и горно-тектонические удары). В связи с этим детальное сейсмическое районирование территории актуально для обеспечения сейсмической безопасности населения, существующих и планируемых к строительству зданий, сооружений. Основой сейсмического районирования является каталог землетрясений, однородный (унифицированный) по содержанию и представительный (на уровне современной изученности) для всей исследуемой территории.

Цель данной работы — составление сводного унифицированного каталога тектонических землетрясений, произошедших за период 1788–2022 гг. в исследуемом регионе, а также оценка сейсмического режима территории Свердловской области.

Исходные сейсмологические материалы

Область сейсмологических исследований определяют исходя из условия, что объект или территория, подлежащие оценке сейсмической опасности, располагались внутри этой области на расстоянии не менее 200 км от ее границ [23]. Сводный каталог тектонических землетрясений составляют в пространственных границах, выбранных в зависимости от степени изученности “окружающего” района и уровня сейсмичности, как правило, в радиусе не более 300 км от объекта.

Источниками для составления сводного унифицированного каталога тектонических землетрясений с эпицентрами в пределах района исследования послужили:

• Новый каталог сильных землетрясений на территории СССР (с древнейших времен до 1975 г.) [1];
• Каталог сейсмических событий Уральского региона с древнейших времен по 2002 г. [7];
• База данных “Землетрясения России” с 2003 г. по 2022 г. [2];
• Информация Службы срочных донесений ФИЦ ЕГС РАН [13];
• База данных сейсмологического мониторинга Западного Урала [26];
• Геофизические обсерваторские исследования на Урале [17].

Данные, содержащиеся в перечисленных выше каталогах, были подвергнуты взаимной проверке с целью взаимного дополнения источников и исключения недостоверной информации. В рассматриваемых сейсмологических каталогах часто приводятся разные магнитуды (mb, M_L, M_S), и (или) указан энергетический класс сейсмического события (K). Для составления сводного унифицированного каталога тектонических землетрясений Свердловской обл., прежде всего, была проведена работа по выборке из всех землетрясений только тектонических (исключены взрывы, горно-тектонические удары, импактные события, афтершоки). Магнитуды сейсмических событий были унифицированы, т. е. приведены к одной магнитуде — M_S.

В ежегодниках “Землетрясения России” [2] расчет магнитуды М в сводных каталогах сейсмических событий производится из значений магнитуд и энергетических классов, публикуемых в Сейсмологических бюллетенях ФИЦ ЕГС РАН и региональных каталогах подразделений ФИЦ ЕГС РАН по приведенным формулам в табл. 1.

 

Таблица 1. Расчет магнитуды М (M_LH, M_S) [2]

Регион Код центра	Формула расчета М	Глубина h, км	Условия применения	Автор	Период применения формулы
Восточно-Европейская платформа, Урал и Западная Сибирь. Восточная часть Балтийского щита
GSRAS	M = MS	≤ 70	определена MS	[16]	2003–2020 гг.
	M = MS + 0.8	> 70	определена MS	[16]	2003–2008 гг.
	M = 1.59 MPLP — 3.97	≤ 70	нет MS	[16]	2003–2012 гг.
	M = 1.59 MPSP — 3.67	≤ 70	нет MS	[16]	2003–2019 гг.
VMGSR	M = (КP – 4)/1.8			[20, 21]	2003–2019 гг.
KOGSR	М = 1.43 ML– 0.02 ML2–2.1			[15]	2003–2009 гг.
	М ≈ ML — 0.2				2010–2013 гг.
	М ≈ ML				2014–2020 гг.
OBGSR	М ≈ ML				2010–2020 гг.
MIRAS	М ≈ ML				2003–2007 гг.
					2014–2017 гг.
	М ≈ ML — 0.5				2008–2013 гг.
	M = (КР – 4)/1.8			[20, 21]	2014–2020 гг.
	M = 0.9 ML				2018–2020 гг.
IDG	М ≈ ML — 0.5				2005–2020 гг.
FCIAR	М ≈ ML				2013–2020 гг.
IGKRC	М ≈ ML				2017–2020 гг.
IGKR	М ≈ ML				2017–2020 гг.
	M = MS				2020–

 

Анализ сейсмического режима территории Свердловской области

Для анализа сейсмического режима территории Свердловской обл. использовался сводный унифицированный каталог, который насчитывал 156 тектонических событий магнитудой M_S ≤ 5.3 и охватывал период времени 1788–2022 гг. Предварительно из него были исключены афтершоки сильных и умеренных (M_S ≥ 3.8) тектонических землетрясений, поскольку их учет искажает параметры графика повторяемости и значения сейсмической активности [25]. В Уральском регионе афтершоки были зарегистрированы от двух землетрясений: 29.03.2010, M_S = 3.9 — г. Качканар; 04.09.2018, M_S = 5.0 — г. Катав-Ивановск. После исключения афтершоков сводный унифицированный каталог насчитывал 67 сейсмических событий с магнитудами 1.4 ≤ M_S ≤ 5.3. На рис. 1 приведена схема расположения эпицентров этих тектонических землетрясений за период 1788–2022 гг.

 

Рис. 1. Схема расположения эпицентров тектонических землетрясений (1.4 ≤ MS ≤ 5.3) за период 1788–2022 гг. Условные обозначения: 1 — эпицентры тектонических событий, магнитудой MS (шаг 0.5 ± 0.2): а — 1.5, б — 2.0, в — 2.5, г — 3.0, д — 3.5, е — 4.0, ж — 4.5, з — 5.0, и — 5.5; 2 — граница, соответствующая буферной зоне 300 км от административной границы Свердловской обл.; 3 — административная граница Свердловской обл.; 4 — территория расчета матрицы сейсмической активности А3.3.

 

В табл. 2 дано распределение числа событий в каталоге по годам и магнитудам (жирным шрифтом выделены периоды представительных наблюдений для различных магнитуд). Для всей рассматриваемой территории низшей представительной магнитудой была признана M_S = 2.5 (в период 2001–2022 гг.).

 

Таблица 2. Распределение числа событий в каталоге по годам и магнитудам

Годы	МS (шаг 0.5 ± 0.2)									N
	1.5	2.0	2.5	3.0	3.5	4.0	4.5	5.0	5.5
1701–1800	0	0	0	1	0	0	0	0	1	2
1801–1850	0	0	0	1	2	2	1	0	0	6
1851–1900	0	0	0	0	1	0	1	0	0	2
1901–1950	0	0	1	0	1	1	0	1	1	5
1951–2000	0	0	0	0	0	3	0	0	0	3
2001–2005	1	2	1	2	3	0	0	0	0	9
2006–2010	0	0	3	3	1	1	0	0	0	8
2011–2015	2	4	5	6	2	1	1	0	0	21
2016–2020	2	2	4	1	0	0	0	1	0	10
2021–2022	0	1	0	0	0	0	0	0	0	1
N	5	9	14	14	10	8	3	2	2	67
Nrepr			13	12	10	8	3	2	2	50

 

После уточнения периодов представительной регистрации различных магнитуд в соответствии с табл. 2 был сформирован сводный представительный каталог землетрясений региона, насчитывающий 50 событий в интервале магнитуд 2.5 ≤ M_S ≤ 5.5 за период 1788–2022 гг., который использовался при построении графика повторяемости.

График (закон) повторяемости

Один из ключевых законов сейсмологии — Гутенберга-Рихтера [28], описывающий зависимость логарифма числа событий с определенной магнитудой в некотором регионе от величины этой магнитуды. Эмпирически было выявлено, что эта зависимость линейная:

lg N = a – b·M (1)

где N — число событий с магнитудой M, a и b — константы.

Сама эта зависимость обычно называется частотно-магнитудным распределением либо графиком повторяемости, а коэффициент b — наклоном графика повторяемости, либо b-value. Этот параметр несет смысл соотношения между числом событий с малыми и большими магнитудами, т. е. чем больше его значение, тем больше малых событий по сравнению с большими.

Наклон графика повторяемости землетрясений имеет большое теоретическое и практическое значение и может, в частности, использоваться для прогноза сильных землетрясений. Для этой цели необходимо анализировать изменение параметра b-value во времени. Перед большим землетрясением значение параметра b-value уменьшается с последующим увеличением после землетрясения [22]. Известно также, что величина параметра b-value зависит от тектонического напряжения в среде, изменений температуры, порового давления и степени неоднородности среды и, соответственно, может нести в себе информацию об этих величинах. Поэтому подобные исследования актуальны для изучения природы сейсмичности, а также процессов, происходящих в недрах.

Для целей сейсмического районирования число событий в каждом интервале магнитуд нормируется на свой период представительной регистрации T_repr, так что:

lg N / T_repr = –b·M_s + a (2)

Параметр N / T_repr — это среднее число событий за год в соответствующем интервале магнитуд. График повторяемости оценивает средний период повторения землетрясений с данной магнитудой на территории детального сейсмического районирования. Под периодом представительной фиксации землетрясений T_repr определенного интервала магнитуд понимается период времени, в течение которого землетрясения в пределах этого интервала магнитуд фиксируются без пропусков на рассматриваемой территории. При этом дискретизация шкалы магнитуд проводится через 0.5 единицы магнитуды с центральными значениями 3.0; 3.5; 4.0; и т. п., а соответствующие им интервалы магнитуд: 2.8–3.2; 3.3–3.7; 3.8–4.2 и т. д. [23].

В табл. 3 события cводного представительного каталога землетрясений разнесены по числу событий в соответствующих интервалах магнитуд с учетом периода их представительного наблюдения.

На основании данных табл. 3 методом линейной ортогональной регрессии был построен ненормированный график повторяемости, дающий представление о средних периодах повторения землетрясений соответствующих магнитуд на всей рассматриваемой территории по каталогам за период 1788–2022 гг. (рис. 2).

 

Таблица 3. Распределение числа событий по интервалам представительных наблюдений и магнитудам

MS (шаг 0.5 ± 0.2)	Годы	Trepr, лет	N	N/Trepr	lg(N/Trepr)
2.5	2003–2022	20	13	0.6500	–0.1871
3.0	2002–2022	21	12	0.5714	–0.2430
3.5	1813–2022	210	10	0.0476	–1.3222
4.0	1809–2022	214	8	0.0374	–1.4273
4.5	1847–2022	176	3	0.0170	–1.7684
5.0	1914–2022	109	2	0.0183	–1.7364
5.5	1798–2022	225	2	0.0089	–2.0512

 

Рис. 2. Региональный график повторяемости в интервале магнитуд 2.5 ≤ MS ≤ 5.5 по материалам за период 1788–2022 гг.

 

В аналитической форме график повторяемости имеет вид:

lg(N/T_repr) = –(0.6446 ± 0.1093) ⋅M_S +

+ (1.3307 ± 0.4508), R_c = 0.93499. (3)

Весьма высокий коэффициент линейной корреляции R_c = 0.93499 свидетельствует о достаточно высокой надежности полученного результата. Из анализа графика повторяемости (см. рис. 2) можно сделать вывод, что тектонических землетрясений в рассматриваемом регионе происходит достаточно мало. Их зафиксированная представительная магнитуда на сегодняшний день 2.5 ≤ M_S ≤ 5.5, и происходили они за период 1788–2022 гг. в среднем с периодичностью менее 1 события в год, на что указывают отрицательные значения lg(N/T_repr). Параметр b-value получился равным 0.6446, что меньше, чем в сейсмичных регионах, например, на Северном Кавказе, где этот параметр составляет 0.957 [18]. Это указывает на то, что даже слабых тектонических землетрясений, по сравнению с сильными (M_S ≥ 3.8), в рассматриваемом регионе происходит не много и редко.

Возможно, в качестве “сейсмической разгрузки” в Уральском регионе выступает достаточно развитая горнодобывающая промышленность с буровзрывными работами, деятельность которой периодически “ослабляет” сейсмический потенциал геологической среды, не позволяя накопить достаточно энергии для более частой реализации землетрясений, по крайней мере, предположительно в приповерхностной части (на глубине до первых километров). А может быть, в каком-то случае буровзрывные работы, наоборот, выступают своеобразным “триггером”, способствующим возникновению тектонических событий. Кроме того, нельзя исключать и другие факторы, воздействующие на геологическую среду. Данный вопрос требует отдельного изучения и выходит за рамки данной статьи.

Сейсмическая активность

Для детального знания повторяемости землетрясений различных магнитуд на рассматриваемой территории строилась матрица сейсмической активности A_3.3, являющаяся аналогом сейсмической активности A₁₀ [23, 24], которую вместе с матрицей M_max используют для расчета сейсмической сотрясаемости. В матрице сейсмической активности A_3.3 (магнитуда M_S = 3.3 соответствует землетрясениям с энергетическим классом К=10, тем самым сохраняется преемственность в оценках величины сейсмической активности к исследованиям прошлых лет, и обеспечивается сопоставимость полученных результатов) значения сейсмической активности отнесены к центрам узлов координатной сетки. Расчеты велись по территории (см. рис. 1), укладывающейся в координаты 53.0–67.5 с. ш., 45–78 в. д. по сетке с размерами ячеек 5 × 5 км. Сейсмическую активность рассчитывают по формуле [23, 24]:

A₀ = (1 – 10^–b)/ 10^{–b(Mmin – M0)} ∙ (T₀S₀)/(TS) ∙ N_S, (4)

где b — наклон графика повторяемости (в данном случае b = 0.6446, в соответствии с формулой (3)); M_min = 2.5 — наименьшая представительная магнитуда (уровень представительности); M₀ = 3.33 — магнитуда землетрясений, которой соответствует рассчитываемая активность A₀; S₀ — принятая в соответствии с A₀ единица нормирования по площади (в данном случае S₀ = 31415.93 км², соответствующая радиусу осреднения R =100 км), Т₀ — единица времени (один год); S — площадь площадки осреднения; Т — период представительного наблюдения землетрясений (лет); N_S — общее число землетрясений различных магнитуд M ≥ M_min, наблюденных за время T на площади S.

В данной работе сейсмическая активность A₀, по сути дела, является отражением среднего числа землетрясений с магнитудой M₀ в год на площади в 31415.93 км² или в радиусе 100 км от каждой точки расчета (рис. 3). Другими словами, можно сказать, что землетрясения с магнитудой М = 3.33 на площади в радиусе 100 км от каждой точки расчета, расположенных в пределах территории со значением изолинии 0.01 в среднем происходят 1 раз в 100 лет.

 

Рис. 3. Схема сейсмической активности А3.3 территории Свердловской области.

 

В целом, рассматриваемая территория является слабо дифференцированной по величине сейсмической активности (А_3.3), которая варьирует в диапазоне значений 0.001 ≤ A_3.3 ≤ 0.011. При этом наиболее высокие значения A_3.3 наблюдаются в западной части Свердловской обл. в пределах координат 5730′–58 с. ш., 5830′–60 в. д. Расчет сейсмической активности выполнялся по программе “seismicActivity”, реализованной на языке программирования C++ (автор: Д. Д. Бызов).

Распределение гипоцентров землетрясений по глубине

Распределение гипоцентров землетрясений по глубинам строятся раздельно для сильных и умеренных [M_S ≥ 4.3 (3.8)] и слабых [M_S ≤ 4.2 (3.7)]. Рекомендуемый шаг распределения по глубине Δh равен 5 км [23].

Распределение гипоцентров землетрясений по глубине — важный элемент изучения сейсмического режима и позволяет судить о глубинах залегания сейсмоактивного слоя и его мощности на исследуемой территории. Эти сведения также необходимы для расчета сейсмической сотрясаемости. Представление о распределении сейсмичности по глубине в пределах всей исследуемой территории дают рис. 4, на которых раздельно представлены сведения о распределении по глубине гипоцентров слабых (1.5 ≤ M_S ≤ 3.7) и сильных и умеренных (3.8 ≤ M_S ≤ 5.3) землетрясений.

Из анализа рис. 4 в пределах территории расчета матрицы сейсмической активности А_3.3 можно выделить три основные группы, в которых гипоцентры тектонических землетрясений приурочены к интервалам глубин 0–5, 10–15 и 20–25 км. Кроме того, как можно заметить на рис. 5, наблюдается сейсмическая активность в интервале глубин 35–40 км. Сюда относятся землетрясения: 13.02.1904 г. (M_S = 5.3, h = 40 км, координаты эпицентра 56.5 с. ш., 73.6 в. д.), 13.09.1958 г. (M_S = 3.9, h = 35 км, координаты эпицентра 57.2 с.ш, 58.4 в. д.). В целом, очаги большей части ощутимых землетрясений территории исследования локализованы в интервале глубин 10–15 км (рис. 5). Этот глубинный сейсмоактивный интервал соответствует глубинам развития пород дорифейского кристаллического фундамента, что согласуется с расчетной 3D разломно-блоковой плотностной модели Урала и прилегающих территорий [10, 19].

 

Рис. 4. Распределение гипоцентров слабых тектонических землетрясений: а — 1.5 ≤ MS ≤ 3.7, б — 3.8 ≤ MS ≤ 5.3, по глубине за период 1788–2022 гг. в пределах территории исследований.

 

Рис. 5. Диаграмма распределения гипоцентров тектонических землетрясений по глубине за период 1788–2022 гг. в пределах территории исследований.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненной работы впервые составлен сводный унифицированный каталог тектонических землетрясений исследуемой территории за период 1788–2022 гг., содержащий 156 событий магнитудой M_S ≤ 5.3. На его основе, после исключения афтершоков, уточнения периодов представительной регистрации различных магнитуд построен график повторяемости тектонических событий. Положение графика ниже оси абсцисс указывает на слабую сейсмическую активность региона. Землетрясения с магнитудой 2.5 ≤ M_S ≤ 5.5 происходили за период 1788–2022 гг. в среднем с периодичностью менее 1 события в год. Полученный наклон графика повторяемости b-value равен 0.6446 ± 0.1093.

Для детального знания повторяемости землетрясений различных магнитуд на рассматриваемой территории построена матрица сейсмической активности A_3.3. В целом, рассматриваемая территория слабо дифференцирована по величине сейсмической активности (А_3.3), которая варьирует в диапазоне значений 0.001 ≤ A_3.3 ≤ 0.011. При этом наиболее высокие значения A_3.3 наблюдаются в западной части Свердловской обл. в пределах координат 5730′–58 с. ш., 5830′–60 в. д. Фоновые значения сейсмической активности (А_3.3 = 0.001) характерны для восточной части территории области, расположенной в пределах Западно-Сибирской плиты.

В пределах территории расчета матрицы сейсмической активности А_3.3 выделены три основные группы, в которых гипоцентры тектонических землетрясений приурочены к интервалам глубин 0–5, 10–15 и 20–25 км. В целом, очаги большей части ощутимых землетрясений территории исследования локализованы в интервале глубин 10–15 км.

Полученные данные являются частью работ по детальному сейсмическому районированию территории Свердловской обл.

About the authors

A. Yu. Osipova

Bulashevich Institute of Geophysics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: seismolab@mail.ru
Russian Federation, ul. Amundsena, 100, Yekaterinburg, 620016

V. Yu. Osipov

Bulashevich Institute of Geophysics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: seismolab@mail.ru
Russian Federation, ul. Amundsena, 100, Yekaterinburg, 620016

D. D. Byzov

Bulashevich Institute of Geophysics, Ural Branch, Russian Academy of Sciences

Email: seismolab@mail.ru
Russian Federation, ul. Amundsena, 100, Yekaterinburg, 620016

References

Supplementary files