Оценка исходных сейсмических воздействий для северной части шельфа Баренцева моря (р-н Новой Земли) для решения задач сейсмического микрорайонирования территорий освоения перспективных участков добычи углеводородов

Полный текст

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.

Об авторах

И. Г. Миндель

Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: igelab@mail.ru
Россия, 101000, г. Москва, Уланский пер., 13, стр. 2

Б. А. Трифонов

Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Email: igelab@mail.ru
Россия, 101000, г. Москва, Уланский пер., 13, стр. 2

М. Д. Кауркин

Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Email: igelab@mail.ru
Россия, 101000, г. Москва, Уланский пер., 13, стр. 2

В. В. Несынов

Институт геоэкологии им. Е.М. Сергеева РАН

Email: igelab@mail.ru
Россия, 101000, г. Москва, Уланский пер., 13, стр. 2

Список литературы

Дополнительные файлы