Очаги землетрясений формируются в разломных зонах, однако эти зоны не всегда сейсмически активны, что связано с особенностями протекания тектонических процессов в земной коре. Сейсмичности свойственна цикличность – повторяемость землетрясений, где временной промежуток между ними может составлять от нескольких до тысячи и более лет. Микросейсмические события повторяются существенно чаще – от долей до нескольких секунд. Во всех этих циклах присутствует фаза накопления и фаза сброса сейсмической энергии. Накопленная энергия не всегда разрушает зоны спайности плоскостей разрыва земной коры в связи с усиленной диссипацией энергии в окружающее пространство, снижающей уровень сил напряжения между геологическими блоками. Потери энергии вызываются силами неупругого сопротивления, которые в реальной среде весьма изменчивы. Более плотная геологическая среда может выдерживать большие силы внешнего воздействия, менее плотная – например, зона разлома – начинает проявлять себя в виде крипа или землетрясения. В скальных грунтах приобретенная энергия микросейсм лучше сохраняется, чем в рыхлых, в связи с чем высокочастотные группы волн поглощаются сильнее в рыхлых грунтах. Это проявляется на спектрограмме сдвигом снижения амплитуды высокочастотной области волн в более низкочастотную. Для нашей территории преобладающий спектр сигнала смещается с 10–15 Гц в более низкочастотную область – 6–12 Гц. Такой же примерно интервал преобладающих частот мы наблюдаем и при регистрации местных землетрясений. Считаем, что данный вид исследований можно использовать для решения ряда практических задач в условиях платформенной сейсмичности при строительстве особо важных объектов, для чего следует изучать не только формирование очагов будущих землетрясений, но и разрастание зон проницаемости для флюидов в грунтовых толщах четвертичных отложений [1].
Целью данной работы является разработка вспомогательного метода для проведения детального сейсмического районирования платформенных территорий с редкой сейсмичностью. Он основывается на замерах уровней микросейсм в разломных зонах и вне их. Полученные спектры, характеризующие изменения амплитуд спектральной плотности и энергетического уровня спектральной мощности, позволят провести дифференциацию территории на участки с повышенным и с низким фоном микросейсм.
Материалы и методы исследований
В административном отношении районы работ с пунктами наблюдений находятся в юго-восточной части Республики Коми: Усть-Куломский р-н (Фроловск, Керчомъя, Габово, Парма, Асыв-Вож, Озъяг, Югыдъяг, Белоборск) и Корткеросский р-н – Богородск. В тектоническом плане пункты наблюдений располагаются в зоне сочленения Волго-Уральской антиклизы, Мезенской синеклизы и Тиманского поднятия. Ранее здесь геофизиками Л.А. Самойлюком и Б.П. Травниковым, на основе аэро- и космоснимков, карт аномального магнитного и гравитационного полей были выделены линиаменты различного направления и кольцевые структуры, подтвержденные высокоточной аэромагнитной съемкой [2], а также сейсмологической характеристикой пород кристаллического фундамента и осадочного чехла [3, 4]. Авторы этих исследований предполагают, что здесь тектонические подвижки имеют в том числе взбросовый и взбросо-сдвиговый характер. Ожидаемая местная сейсмичность на данной территории по карте ОСР-97А и ОСР-97В отнесена по степени вероятности к зоне превышения сейсмической интенсивности землетрясений 5 баллов СШИ-17 в течение 50 лет – 10 % и 5 % соответственно. По карте ОСР-97С она отнесена по степени вероятности к зоне превышения сейсмической интенсивности землетрясений 6 баллов СШИ-17 в течение 50 лет – 1 % [5]. В целом, разломные зоны характеризуются дискретностью, анизотропностью, гетерогенностью; релаксация избыточных напряжений, накопленных в тектонически активных регионах, происходит двумя способами: квазихрупкое разрушение горной породы (землетрясение) и пластическая деформация – непрерывное асейсмическое скольжение вдоль разлома (крип) [6].
Модель разломной зоны и развития разновидностей очагов землетрясений, их стереограмм можно представить в виде схематического рисунка (рис. 1).
Рис. 1. А) модель плотностного распределения трещин в зоне разлома: 1 – целостная область пород, 2 – зона блокового дробления, 3 – разломная зона, 4 – зона главного смещения. Б) модели стереограмм механизмов развития очага: сброс, взброс, сдвиг, врез
Ось сжатия Р находится в квадранте минусов, а ось растяжения Т – в квадранте плюсов. Оси напряжений характеризуются азимутом (Az) и углом их погружения относительно горизонта (PL). В зависимости от ориентации осей напряжений выделяется несколько режимов напряженного состояния земной коры. При горизонтальном растяжении и вертикальном сжатии создаются условия растяжения – сброс, при горизонтальном положении обеих осей – условия сдвига, и при вертикальном растяжении и горизонтальном сжатии – взброс.
Следует указать, что вышеприведенная разломная модель соответствует скальным и полускальным грунтам. В условиях перекрытия их мощными рыхлыми четвертичными отложениями на поверхности распространены линейно вытянутые обводненные локальные участки, с наибольшей степенью обводненности при осевой части разлома. Очаги типа «взброс» и «взброс – сдвиг» проявляют себя энергетически в 1,3 раза интенсивнее, чем при землетрясении, где очаг сформировался типа «сброс» или «сброс – сдвиг» [7], что распространено в большей степени в западной части борта Кировско-Кажимского авлакогена. Это следует из того, что в первом случае энергетический потенциал накопления выше, чем во втором, поэтому сейсмические толчки во временном промежутке формируются дольше, так как здесь присутствует эффект сжатия, и горные породы разрушаются при воздействии большей силы. При сбросах и сбросо-сдвигах в очаге преобладает эффект растяжения, в виду которого горные породы разрушаются при более низком энергетическом уровне, из-за чего сейсмические события могут проявляться чаще.
Для исследований данной территории были использованы следующие виды геофизической аппаратуры:
– электроразведочная станция Электротест-С/USB» для работы в условиях промышленных помех и сложных заземлений. Разрешение – 0,01 мВ; Диапазон измерения – (5×10-3÷3,86×103) Ом. Данная аппаратура использовалась для дифференциации рыхлых отложений по литологическому содержанию: пески, глины, суглинки, водононасыщенные грунты, – и прослеживания скального горизонта;
– сейсмическая станция ZetLab-048C с 24-разрядным АЦП. Трехкомпонентный пьезометрический датчик ускорения ВС-1313, Кпр. = 0,53 В/м/с2, полоса регистрируемых частот (0,1–400) Гц. Частота дискретизации от 50 до 1000 Гц. Данная аппаратура использовалась непосредственно для сейсмических измерений при различных режимах, позволяющих получать спектры и акселерограммы микросейсмических колебаний с разверткой сигналов 1D, 2 D, 3D в разломной зоне;
– метеостанция GEOS-11, точность работы: скорость ветра ± 2 %, температура ± 0,5 °C при 25 °C, влажность ± 2 % при 50 %rH, атмосферное давление ± 1,5 hPa (или 0,05 мм. рт. ст.) при 25 °C и др. Данная аппаратура использовалась для предупреждения приращений фоновых значений от ветровых воздействий на сейсмодатчик.
Источниками микросейсм в полосе исследуемых частот могут быть различные колебательные процессы, как непосредственно в земной тверди, так и в воздушной и водной среде. Они излучают колебания с различными частотами и амплитудами. В зависимости от поставленной задачи и пути ее решения весь спектр микросейсм можно разделить на полезные сигналы – «сигнал», способствующий решению задач и «шум», мешающий их решению (рис. 2).
Рис. 2. Амплитудно-частотные уровни «шум» и «сигнал»: а – спектральная плотность наведенного «шум»; б – спектральная плотность «сигнал»; в – срез по частоте в условиях наведенного «шум» и «сигнал»; г – срез по времени в условиях наведенного «шум» и «сигнал». Примечание: серый цвет – кривая «шум»; черный цвет – кривая «сигнал»
На рис. 2, а, в частотном диапазоне М1 приведена спектральная плотность ускорений штормовых микрокросейсм и удаленных слабых землетрясений, кроме них здесь же фиксируются шумы, инициированные атмосферными и гидродинамическими воздействиями УГВ. В диапазоне частот М2 фиксируются местные землетрясения и микроземлетрясения, здесь к шумам можно отнести ветровое воздействие в приповерхностном слое земли и техногенное влияние. Этот «шум» проявляет себя довольно быстрым ростом амплитуд в полосе частот 5–20 Гц и одновременно быстрым снижением при его ослаблении (рис. 2, в). Микросейсмы, возникающие в результате микроциклов сжатия-растяжения и сдвига в разломных зонах, а также при криповых смещениях, мы отнесли к типу – «сигнал» (рис. 2, г). Микросейсмы, которые в общем спектре колебаний совпадали в частотном интервале, затрагивая исследуемую область «сигнал», были так же названы – «шум». Например, ветровые «шумы» в зависимости от силы ветра возбуждают различные частоты, в том числе и совпадающие с «сигналом», в результате которого резко увеличиваются амплитудные значения в условиях расширения полосы частот (рис. 2, а, в, г). Для снятия его влияния применялась фильтрация, которая частично позволяет срезать область частот «шум». Однако при совпадении «шума» и «сигнала» по частоте следует провести запись в условиях полного отсутствия полосы частот «шум», для этого необходимо, чтобы «сигнал» принял минимальное значение по уровню и приобрел максимально правильную устойчиво-симметричную форму (рис. 2, б, г). В связи с этим следует произвести несколько записей в условиях отсутствия ветрового воздействия, которое определяется метеостанцией, находящейся непосредственно в точке наблюдения, одновременно при достаточной удаленности от населенных пунктов, несущих с собой техногенные компоненты «шум».
Результаты исследования и их обсуждение
Как известно, сейсмические события проявляются в разломах, представляющих собой многокилометровые линейные зоны, которые хорошо просматриваются с высоты на аэро- и космоснимках. Что касается выявления их активности в современное время, то здесь возникают определенные трудности в подборе методик и критериев. В рамках уточнения схемы детального сейсмического районирования юго-восточной части Республики Коми были опробованы технологические возможности измерений уровня микросейсм на основе распределения частотных составляющих по спектральной плотности, м/с2/с и спектральной мощности (м/с2)/Гц1/2 (рис. 3).
В результате было выявлено, что в разломной зоне, в пункте приема микросейсм, наблюдается более высокоамплитудный спектр тренда колебаний, чем вне ее.
Данное явление можно объяснить с позиций квазихрупких микроразрушений в плоскости разрыва. В условиях более низкого акустического импеданса будет происходить повышение амплитуд и частот, т.е. спектр в этом случае смещается правее, в область шумов М2. С другой стороны, при повышенном декременте затухания среды в условиях пластических деформаций заметно снижаются амплитуда и частота сейсмической волны, здесь частотный интервал смещается с правой части в левую – М1 относительно всего спектра регистрации. Следовательно, в разломной зоне, в пункте приема сейсмических волн, мы будем регистрировать в какой-то момент времени более широкий спектр микросейсмических колебаний одновременно с увеличенным его амплитудным уровнем, чем в условиях более однородной среды. Всего было исследовано семь профилей с шагом наблюдений 500 м, каждый профиль состоял не менее чем из 10 точек, приведена упрощенная тектоническая схема района работ (рис. 4).
Рис. 3. Поведение микросейсм в разломной зоне по спектральной плотности (м/с2/с) и спектральной мощности (м/с2/Гц1/2): а – вне разлома, б – вблизи разлома
Рис. 4. Тектоническая схема района работ и пунктов измерений уровня микросейсм на участках разломных и вне разломных зон: 1 – границы стратиграфических подразделений, 2 – сбросы, 3 – взбросы, 4 – структуры неясного происхождения, 5 – сдвиго-взбросы, 6 – сдвиго-сбросы, 7 – линиаменты, определенные на основе космо- и аэрофотоматериалов, подтвержденные высокоточной аэромагнитной съемкой, 8 – речная сеть, 9 – населенные пункты, 10 – местоположение очага микроземлетрясения, 11 – пункт регистрации микроземлетрясения, 12 – микроколебания выше фоновых, 13 – фоновые микроколебания
Одновременно здесь же проводились замеры объемной активности Ra-222, которые показывали в разломных зонах ее повышенное содержание – до нескольких сот Бк/м3 и выше, а в неразломных зонах – существенно ниже.
Что касается регистрации сейсмических событий, то за три полевых сезона было зарегистрировано всего одно землетрясение, относящееся по уровню энергетической мощи скорее всего к микроземлетрясению, чем к слабому землетрясению (рис. 5). Время в очаге произошедшего микросейсмического события 7.06.2016 (14h19m54.7s).
Рис. 5. Акселерограмма микроземлетрясения и его двойной логарифмический спектр
В результате обработки акселерограммы этого события и привлечения региональных сейсмических данных ГСЗ [8] были определены его сейсмологические параметры. Для определения гипоцентрального расстояния была использована формула
ts – tp 
,
где ts – время прихода поперечной волны, tp – время прихода продольной волны, Δ – эпицентральное расстояние, Vp = 6,40 км/с – средняя скорость Р волны по всему разрезу, Vs = 3,75 км/с – средняя скорость S волны по всему разрезу, ts – tp – время отставания S волны от Р волны (на этом расстоянии составила 1,95 с), глубина очага определялась по фазе продольных волн – р и р', где р – начало вступления волны, распространяющейся из гипоцентра, а р' – первая преломленная волна, при скорости 6,7 км/с, тогда время ее вступления будет 1,76 с, что дает расчетную глубину Н ≈ 12 км, гипоцентральное расстояние с учетом глубины очага 12 км составила Δг = 17,66 км, тогда эпицентральное расстояние Δэ = 12,94 км, М – магнитуда сотрясения по максимальной амплитуде смещения S волны составила 1,17 единиц. Преобладающий период Р волны на спектре составил – 0,09 с или 11,0 Гц, S волны – 0,13 с или 7,7 Гц. По компонентам величин амплитуд ускорений (ах, ау, az) было определено азимутальное направление Аz = 350 °относительно п.н. Габово (60 °59'08.41" N; 53 °44'23.72" E) с последующим определением координат (61 °05'48.65" N; 53 °42'18.30" E). В тектоническом плане данное микросейсмическое событие относится к Вочско-Лупъянской ступени, перекрытой четвертичными отложениями (IV11), в нижнепермских слоях она выделяется в виде слабовыпуклой субгоризонтальной поверхности, полого (1–2 м/км) погружающейся к юго-западу и северо-западу от верховьев р. Вочь.
Выводы
В результате проведенных сейсмических исследований в разломных и приразломных зонах, находящихся в юго-восточной части Республики Коми, а именно в зоне сочленения Волго-Уральской антеклизы, затрагивающей геологические структуры различного порядка: Вычегодский прогиб, Кировско-Кажимский прогиб, Тиманская гряда и Коми-Пермяцкий свод – было определено:
– с помощью программы ожидания сейсмического события «Детектор STA/LTA» было зафиксировано местное микроземлетрясение с волновой картиной акселерограммы, присущей для очага «взброс»;
– сейсмические наблюдения показали, что на основе инструментальных измерений можно определить отличительный характер изменения спектральной плотности и энергетической мощности потока микросейсм в разломных зонах и за его пределами;
– в разломных зонах спектральная плотность проявляет себя в виде устойчивого повышенного фона дискретных составляющих, относящихся к типу микросейсм «сигнал»; если «сигнал» неустойчив, меняет свои дискретные составляющие, то эти микросейсмы переходят в разряд сигнала «шум»;
– для более успешного разделения микросейсм «сигнал» и «шум» в условиях регистрации энергетической мощности потока микросейсм необходимо использовать временные интервалы затишья экзогенных и техногенных шумов;
– микросейсмы в спектральной плотности и энергетической мощности потока формы «сигнал» резко выделяются своим постоянством во времени. Такой «сигнал», скорее всего, отвечает законам распространения сейсмической волны в реальных геологических средах;
– частотный диапазон измерения микросейсм платформенных территорий тектонического происхождения составляет 6–12 Гц.
Недостатком является сложность дифференциации типов «сигнал» и «шум», а также отсутствие количественной характеристики временных условий прогноза формирования очага землетрясения. Однако мы считаем, что вероятностный прогноз вполне обоснован в рамках детального сейсмического районирования.