УДК 550.34:550.831.01
СВЯЗЬ СЕЙСМИЧНОСТИ С ИЗБЫТОЧНЫМИ МАССАМИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ НА ПРИМЕРЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ АЗИИ
Великанов А.Е., Аристова И.Л.
Институт геофизических исследований, Курчатов, Казахстан
Приводятся факты и примеры связи сейсмичности с локализованными избыточными массами земной коры, рас- положенными как на дневной поверхности в виде возвышений горных пород различной плотности, так и, в мень- шей степени, под дневной поверхностью в виде ограниченных объёмов пород с повышенной плотностью. Эти связи рассмотрены как в глобальном масштабе, так и на региональном уровне на территории Центральной Азии с использованием геодезических и гравиметрических данных в виде детальных карт цифровых моделей рельефа и аномалий силы тяжести в свободном воздухе, полученных по результатам высокоточных спутниковых съёмок.
ВВЕДЕНИЕ
Подавляющее количество эпицентров землетря- сений приурочено к горной местности. Чем выше от- носительная высота и крутизна гор, тем сильнее про- является сейсмичность территории, выраженная в количестве и силе землетрясений. И чем массивнее горные образования, тем значительнее глубина оча- гов землетрясений. Сопоставление геодезических карт рельефа местности и гравиметрических карт ло- кальных аномалий силы тяжести показывает, что гра- витационные аномалии часто вызваны как выступа- ющими на поверхность горными массами в виде воз- вышений, так и повышенной плотностью масс внут- ри земной коры.
В последнее десятилетие при анализе сейсмично- сти и гравиметрических карт на территории Казах- стана и прилегающих площадях в пределах Цент- ральной Азии была замечена приуроченность многих эпицентров умеренных и сильных землетрясений те- ктонического характера к локальным аномалиям и аномальным зонам силы тяжести. Особенно это ста- ло заметно при анализе гравиметрических карт в ре- дукции Фая и близким к ним по содержанию карт аномалий силы тяжести в свободном воздухе, при со- здании которых не вычитается промежуточный слой геологической среды и учитываются все формы по- ложительного рельефа возвышенной и горной мест- ности. Гравиметрические карты в редукции Буге (Bouguer gravity anomaly) дают возможность выявить аномалии силы тяжести, связанные с геологической средой повышенной плотности независимо от форм рельефа, как в равнинной, так и в горной местности.
Гравиметрические карты аномалий силы тяжести в свободном воздухе (free-air gravity anomaly) и в ре- дукции Фая (Faye gravity anomaly) дают возможность выявить локализованные аномалии с избыточной массой, связанные как с объёмами пород повышен- ной плотности, так и с участками пород с возвышен- ными формами рельефа, которые даже при нормаль- ной или пониженной плотности пород всё равно представляют возмущающую избыточную массу в данном месте [1]. Гравитационные возмущения лока- лизованных избыточных масс геологической среды
вызываются преимущественно периодическим дей- ствием лунно-солнечных приливных сил, которые спо- собствуют переходу пород на большей глубине в на- пряжённо-деформированное состояние и генерации сейсмотектонических напряжений в них.
ГЛОБАЛЬНАЯ СВЯЗЬ СЕЙСМИЧНОСТИ С ИЗБЫ- ТОЧНЫМИ ГОРНЫМИ МАССАМИ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ ИОКЕАНИЧЕСКОГО ДНА
Начало XXI века ознаменовалось широким ис- пользованием новых спутниковых технологий в ис- следованиях из космоса всей поверхности Земли.
Первым знаменательным событием явился полёт в феврале 2000 года космического челнока шаттла Ин- девор (США) с миссией SRTM (Shuttle Radar Topography Mission), который в течение 11 дней без перерыва независимо от метеорологических усло- вий, времени суток с высоты 233 км провёл высоко- точную радарную топографическую съёмку поверх- ности Земли от 56° южной широты до 60° северной широты. Эта съёмка позволила получить высокоточ- ную цифровую модель рельефа (ЦМР) с разрешени- ем 30 м (рисунок 1) [2].
Вторым знаменательным событием стало осуще- ствление семилетней (2002–2009) спутниковой гра- виметрической миссии GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), проведенной совместно NASA и Немецким аэрокосмическим центром. В рамках мис- сии GRACE проведены высокоточные детальные из- мерения аномалий поля силы тяжести Земли и их из- менений за пятилетний период. С использованием этих данных и последующих спутниковых миссий CHAMP (Challenging Mini Satellite Payload, 2000–
2010 гг.), GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer, 2009–2014 гг.), а также результа- тов наземных и морских гравиметрических съёмок построена наиболее точная карта глобального грави- тационного поля Земли WGM2012 (рисунок 2) [3].
Два вида информации пространственных данных: по геодезическим измерениям (различных форм земной поверхности) и по гравиметрическим определениям (масс пород под каждой формой поверхности), – тес- но взаимосвязаны между собой и дополняют друг друга при изучении различных геодинамических
сти и океанического дна, включая зоны островных дуг и срединно-океанических хребтов.
Однако имеются единичные места, где совпаде- ние зоны аномалий силы тяжести в свободном возду- хе с зоной сейсмичности не связано с возвышенными формами рельефа. Например, такая зона сейсмично- сти наблюдается в южной части Аравийского полу- острова, где она проходит с востока на запад из Ара-
тационных аномалий силы тяжести имеется. Напря- жённо-деформированное состояние недр под Охот- ским морем, по-видимому, вызывается многократ- ным появлением огромной избыточной водной мас- сы при периодическом (дважды в сутки) образовании высокого приливного горба (ориентировочно до 15–
25 м) в центральной, ближе к глубоководной, части Охотского моря.
Рисунок 1. Глобальная цифровая модель рельефа Земли [http://mapsof.net/the-world/elevation]
Рисунок 2. Глобальная карта аномалий силы тяжести в свободном воздухе WGM2012 [www.csr.utexas.edu]
Рисунок 3. Карта землетрясений мира за 1900–2007 гг. [https://i.ytimg.com/vi/ps3Y0UdEo08/maxresdefault.jpg]
В приполярных широтах есть территории Гренлан- дии и Антарктиды с сильно возвышенным рельефом до 5000 и более метров над уровнем моря (рисунок 1). Но здесь не отмечена глобальная связь возвышен- ных форм рельефа с сейсмичностью по причине низ- кой плотности ледниковых панцирей, покрывающих эти территории.
СВЯЗЬ СЕЙСМИЧНОСТИ С ИЗБЫТОЧНЫМИ МАС- САМИ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ НА ПРИМЕРЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ АЗИИ
Доступность детальных карт цифровых моделей рельефа и гравиметрических карт на обширных тер- риториях, составленные в международных центрах данных по высокоточным глобальным спутниковым съёмкам [4], а также наличие данных по произошед- шим землетрясениям позволяют объективно оценить связь сейсмичности с возмущающими избыточными массами геологической среды на территории Цент- ральной Азии.
Для анализа были использованы две основные таблицы сейсмичности по территории Центральной Азии в пределах координат 30–60° СШ и 40–100° ВД.
Первая из таблиц включала сведения только по зем- летрясениям с древнейших времён по 2009 г. с маг- нитудой MLH>3,5 [5]. Вторая таблица - сведения по всем землетрясениям за период с 2004 г. по 2017 г., зарегистрированным сетью сейсмических станций Института геофизических исследований (включая и очень слабые, практически неощутимые для челове- ка) [6]. Так как обе таблицы содержали неоднород- ные значения разных типов магнитуд (MPVA, mb, Ms, MLH, Mw и др.), вычисленных в разные периоды разными способами, для анализа сейсмичности были
использованы более однородные значения энергети- ческого класса K, которые имеют прямое отношение к высвобожденной в очаге сейсмической энергии. Ес- ли значения энергетического класса отсутствовали, то они вычислялись, исходя из значений магнитуд по определённым формулам. Таблицы сейсмичности были объединены в одну общую для периода с древ- нейших времён по 2017 г., включившую 207 272 зем- летрясений.
Распределения землетрясений Центральной Азии по глубине расположения очагов и энергетическому классу
Проведён анализ распределения землетрясений Центральной Азии по глубине расположения очагов и энергетическому классу (рисунок 4).
Из рисунка 4-а видно, что 93 % землетрясений имеют глубину, относящуюся к интервалу 0–50 км, т.е. являются поверхностными или коровыми.
При детализации интервала глубин 0–50 км (ри- сунок 5-а) оказывается, что подавляющая часть зем- летрясений распределилась в интервале 0–5 км. Не- значительная часть землетрясений – всего 6,8 %, от- носится к среднефокусным (до глубины 300 км), и только 0,07 % – к глубокофокусным (глубиной более 300 км). Это свидетельствует о том, что большая часть сейсмотектонических процессов происходит практически у поверхности Земли и в земной коре, с глубиной, в верхней мантии, эти процессы затухают.
Обращает на себя внимание небольшой пик количе- ства землетрясений (около 5000 событий в разные го- ды) в интервале глубин 30–35 км, очаги которых рас- пределились над границей Мохо, разделяющей зем- ную кору от верхней мантии (рисунок 5-б).
а) по глубине (через 50 км)
б) по энергетическому классу
Рисунок 4. Гистограммы распределения землетрясений Центральной Азии
Гистограмма распределения землетрясений Цент- ральной Азии по энергетическому классу (рисунок 4- б) позволяет выделить три группы ощутимых земле- трясений: 1) сильные – K≥15 (с примерными магни- туды MLH≥6,5 в количестве 437); 2) умеренные – K≥12,5 (MLH≥5,5 в количестве 2438); 3) слабые – K≥9 (MLH≥3,5 в количестве 27616). Оставшаяся зна- чительная часть слабо ощутимых землетрясений со значениями энергетического класса K<9 (MLH<3,5 в количестве 176781), зарегистрированных инструмен- тально преимущественно с 2004 г., отнесена к группе очень слабых землетрясений. По каждой выделенной группе проведен временной анализ с построением ги- стограмм распределения землетрясений по годам и сезонный анализ распределения землетрясений по месяцам года (рисунок 6).
С целью повышения количественной представи- тельности при построении гистограмм временного анализа сильных, умеренных и слабых землетрясе- ний использовались данные, только начиная с 1900 г.
Из гистограммы временного анализа для слабых зем- летрясений (рисунок 6-в) видно, что представитель- ная информация началась с 1960 г., что связано с пе-
а) по глубине (через 5 км)
б) строение земной коры над границей Мохо [по Дронову В.П. (с авторскими уточнениями)]
Рисунок 5. Распределение землетрясений по глубинам очагов
На гистограммах всех групп землетрясений (ри- сунок 6-а–г) отмечаются всплески количества сейс- мических событий, позволяющие судить о периодах сейсмической активности по годам. Так, например, заметны 5–10-летние периоды активности с количе- ственными максимумами в 1961, 1974, 1984, 1990, 2005, 2009, 2017 гг. На гистограммах распределения землетрясений по месяцам года практически по всем группам – от сильных до слабых землетрясений, – можно выделить периоды сезонной активизации сейсмичности, связанные с периодами весеннего ус- корения (март–апрель–май) и осеннего замедления (август–сентябрь–октябрь) вращения Земли при её годовом перемещении по солнечной орбите.
а) K≥15
б) K≥12,5
в) K≥9
г) K<9
Рисунок 6. Гистограммы временного (по годам) и сезонного (по месяцам) распределения землетрясений Центральной Азии по энергетическим классам
ги за счёт инерционных подвижек избыточных гор- ных масс, происходящих при ускорении или замед- лении вращения Земли. На гистограмме сезонной сейсмичности группы очень слабых землетрясений (рисунок 6-г) виден высокий январский количествен- ный всплеск землетрясений. Он связан с увеличени- ем активности ледниковых землетрясений на горных хребтах Тянь-Шаня в зимний период, когда нараста- ет избыточная масса ледников. Здесь самым холод- ным месяцем считается февраль, когда температура не поднимается выше −30° С. Количество леднико- вых землетрясений зимой (декабрь–март) достигает 30 и более (до 100–130) событий в сутки при средне- годовом количестве 10–20 событий, из которых боль- шая часть происходит в ночной период при смене температурного режима.
Пространственное распределение сейсмично- сти на картах цифровой модели рельефа и аномалий силы тяжести в свободном воздухе Далее было рассмотрено пространственное рас- пределение сейсмичности на картах цифровой моде- ли рельефа (рисунок 7) и аномалий силы тяжести в
Пространственный анализ сейсмичности террито- рии Центральной Азии показал, что большая часть зон сближенных эпицентров землетрясений совпада- ет с возвышенными формами рельефа с избыточной массой геологической среды (рисунок 7), приурочен- ными к зонам аномалий силы тяжести в свободном воздухе (рисунок 8). Интенсивность сейсмичности по количеству и силе землетрясений зависит от ин- тенсивности высотного и гравиметрического гради- ентов в зонах быстрого увеличения значений высоты и силы тяжести, а также от размеров этих зон на пе- риферии площадей, занимаемых локализованными объёмами избыточных масс. Основные подвижки блоков пород с избыточной массой, вызывающих зе- млетрясения, могут происходить в зонах активных тектонических разломов, расположенных (или обра- зовавшихся) у подошвы горных возвышений.
Связь сейсмичности с избыточными горными массами геологической среды устанавливается не только в сейсмичных горных районах, но и в других, менее возвышенных, а также на равнинных асейсми- чных территориях.
1 – эпицентры землетрясений по возрастанию энергетического класса для значений: 5; 9; 12,5; ≥15;
2 – эпицентр катастрофического землетрясения; 3 – контур СИП
Рисунок 7. Цифровая модель рельефа территории Центральной Азии [http://gis-lab.info/qa/srtm.html]
с эпицентрами землетрясений с исторических времён по 2017 г.
Рисунок 8. Карта аномалий силы тяжести в свободном воздухе территории Центральной Азии [http://bgi.omp.obs-mip.fr/data-products] с эпицентрами землетрясений с исторических времён по 2017 г.
а) карта аномалий силы тяжести в свободном воздухе б) цифровая модель рельефа
Рисунок 9. Распределение эпицентров землетрясений в районе Каракумов и Кызылкумов Центральной Азии с исторических времён до 2017 г.
На равнинных и низменных площадях, перекрытых чехлом рыхлых отложений, аномалии силы тяжести указывают на местонахождение подземных возвы- шений более плотных коренных пород. На эти мас- сивы горных пород также действуют приливные лун- но-солнечные силы, приводя их в напряжённо-де- формированное состояние. Примером таких анома- лий силы тяжести меньшей интенсивности, чем в горных районах, являются районы Каракумов и Кы- зылкумов (рисунок 9), к которым приурочены эпи- центры единичных слабых землетрясений, хотя по цифровым моделям рельефа здесь нет возвышений земной поверхности.
На низменных равнинных территориях с мощным чехлом рыхлых отложений в Прикаспийской впади- не, а также в акватории Каспийского моря аномалии силы тяжести выявляют сводовые поднятия с залежа- ми углеводородов над выступами более плотных ко- ренных пород на глубине 5–10 км (рисунок 8). При добыче углеводородов в этих районах с напряжённо- деформированным состоянием пород зарегистриро- ваны техногенные землетрясения, связанные с изме- нением массы технологической среды на глубинах добычи.
Аналогичная ситуация, но меньшей интенсивно- сти складывается в районах добычи твёрдых полез-
вскрышных пород, избыточная масса которых дости- гает объёмов искусственно созданных водохрани- лищ, где также происходят техногенные землетрясе- ния. Известны случаи сильных техногенных земле- трясений на Кузбассе на громадных угольных разре-
представляют собой гравитационно-возмущающие избыточные массы геологической среды, генерирую- щие сейсмичность при периодическом действии лун- но-солнечных приливных сил, которые приводят по- роды на глубине в напряжённо-деформированное со- стояние.
ЛИТЕРАТУРА
1. Великанов, А.Е. Учёт гравитационных факторов геологической среды при оценке сейсмической опасности для ядерных установок на территории Семипалатинского полигона / А.Е. Великанов, И.Л. Аристова // Тезисы X Международной конференции «Мониторинг ядерных испытаний и их последствий», 06–10 августа 2018 г, г. Алматы. – С. 98–102.
2. GIS-Lab. Описание и получение данных SRTM [Электронный ресурс, 2014]. – Режим доступа: http://gis- lab.info/qa/srtm.html.
3. Center for Space Research. At the confluence of science, engineering, space, and high-performance computing [Электронный ресурс, 2018]. – Режим доступа: https://www.csr.utexas.edu.
4. International Gravimetric Bureau (BGI). Data/Products [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://bgi.omp.obs- mip.fr/data-products.
5. Mikhailova, N.N. Central Asia earthquake catalogue from ancient time to 2009 / N.N. Mikhailova, A.S. Mukambayev, I.L. Aristova, G. Kulikova, S. Ullah, M. Pilz, D. Bindi // Annal of Geophysics. – 2015. – Vol 58, No 1. – 9 p.
6. Казахстанский национальный центр данных. Каталог землетрясений KNDC [Электронный ресурс, 2018]. – Режим доступа: http://www.kndc.kz/index.php/ru/sejsmicheskie-byulleteni/automatic-bulletin.
ОРТАЛЫҚ АЗИЯ ҮЛГІСІНДЕ ГЕОЛОГИЯЛЫҚ ОРТАНЫҢ АРТЫҚ МАССАЛАРЫМЕН СЕЙСМИКАЛЫЛЫҚТЫҢ БАЙЛАНЫСЫ
А.Е. Великанов, И.Л. Аристова
Геофизикалық зерттеулер институты, Курчатов, Қазақстан
Әр тығыздығындағы таужыныстар үстіртері түрінде жер бетінде және, кіші бөлігінде, жер беті астында, жоғары тығыздығымен таужыныстардың шектелген көлемдері түрінде, жер қыртысының жергіліктелген артық массаларымен сейсмикалылықтың байланысы туралы деректері мен үлгілері келтіріледі. Бұл байланыстар, жоғары дәлді жерсеріктік түсірулер нәтижелері бойынша алынған белдемнің цифрлық модельдерінің түбегейлі карталары және бос ауада ауырлық күшінің аномалиялары түріндегі геодезиялық және гравиметрлік деректерін қолданып, жаһандық және аймақтық масштабында қарастырылған.
THE CONNECTION OF SEISMICITY WITH EXCESS MASSES OF THE GEOLOGICAL ENVIRONMENT BY THE EXAMPLE OF CENTRAL ASIA
A.E. Velikanov, I.L. Aristova
Institute of Geophysical Research, Kurchatov, Kazakhstan
The facts and examples of seismicity connection with localized excess masses of the earth's crust, located both on the earth's surface in the form of different elevations of different density rocks, and to a lesser extent at depths under the day surface in the form of limited volumes of rocks with high density are described. These relationships are shown both globally and regionally for Central Asia using geodetic and gravimetric data in the form of detailed maps of digital elevation models and free-air gravity anomalies obtained from high-precision satellite imagery.
