Система прогноза геодинамически неустойчивых зон западноуральского региона и оценка его сейсмического потенциала

Т.С. Блинова

СИСТЕМА ПРОГНОЗА ГЕОДИНАМИЧЕСКИ НЕУСТОЙЧИВЫХ ЗОН ЗАПАДНО-УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА И ОЦЕНКА ЕГО СЕЙСМИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА

Показаны основные методические аспекты прогнозирования геодинамически неустойчивых зон по комплексу геолого-геофизических и сейсмологических данных для Западно-Уральского региона. Определены основные принципы подхода к выделению геодинамически неустойчивых зон. Создана электронная база данных, на основе которой установлены связи геолого-геофизических параметров с сейсмичностью региона, и определены наиболее информативные параметры. Построены прогнозные карты максимальных магнитуд ожидаемых землетрясений для различных частей Западно-Уральского региона.

Составление карт сейсмического районирования имеет очевидное научное и практическое значение. В последнее время особую актуальность эта проблема приобрела для регионов, где количество землетрясений недостаточно для использования стандартных методов сейсмического районирования [12]. Горный институт Уральского отделения РАН проводит такие исследования в Западно-Уральском регионе, расположенном в пределах трех геоструктур земной коры: восточной окраине Восточно-Европейской платформы, Пре-дуральском краевом прогибе и Западно-Уральской складчатой зоне.

За последние несколько лет определены основные методические аспекты прогноза геодинами-чески неустойчивых зон Западно-Уральского региона. Эту систему прогноза отображает «Схема развития сейсмического районирования Западно-Уральского региона» (рис. 1).

Началом исследований явилось создание базы данных и разработка методики выделения геоди-

намически неустойчивых зон различных иерархических уровней. Они отличаются свойствами среды и динамикой процессов, которые стремятся к их дестабилизации под действием региональных и глобальных сил, и находят свое проявление в сейсмичности. С реализацией решения вопросов регионального сейсмического районирования Западно-Уральского региона разработан широкий круг методических и практических задач. На основании разработанных методов распознавания геодинами-чески неустойчивых зон были построены «Схемы распространения сейсмоактивных зон в Западно-Уральском регионе» масштабов 1:2500000 и 1000000 [2, 3]. Эти исследования были использованы для построения серии карт «Общего сейсмического районирования территории Российской Федерации (ОСР-97)».

Определены принципы подхода к региональному сейсмическому районированию платформенных областей и выделению на них геодинамически неустойчивых зон на примере Западно-Уральского

Рисунок 1. Схема сейсмического районирования Западно-Уральского региона.

региона [4]. Во-первых, необходимо добиваться однородности исходных геолого-геофизических данных для всего региона. Это, прежде всего, относится к каталогу землетрясений, активным разломам, гравитационным и магнитным аномалиям, новейшим и современным тектоническим движениям и т. д. Во-вторых, региональное сейсмическое районирование платформенных областей должно основываться на представлениях об иерархичности и ранговости структур сейсмичности и геофизической среды. На этом принципе и комплексе геолого-геофизических данных основано создание «Схематической карты блокового строения кристаллического фундамента Западно-Уральского региона» с выделением блоков второго порядка и создано представление о блоках первого порядка для региона [4]. В-третьих, представления о единстве тектонических процессов, приводящих к образованию характерных геологических структур, возникновению землетрясений и к появлению аномалий в геофизических полях, составляют основу предположения о том, что сходные по геолого-геофизическому строению зоны имеют близкие значения М . При реализа-

тах г г

ции идеи о существовании связи между Мтах и геолого-геофизическим признаками требуется выявить сходные по геолого-геофизическому строению и тенденциям развития зоны и дифференцировать их по значениям М Г7, 81.

тах

Далее было предпринято расширение базы данных и представление всех карт в электронном виде, а также расчет и построение различных карт с помощью системы «ГЕО» [9]. Был определен ряд новых признаков выделения геодинамически неустойчивых зон для Западно-Уральского региона [5]. Установлена связь систем разломов и глубинных разломов консолидированной коры с гео-динамически неустойчивыми зонами различных иерархических уровней, определены активные зоны сочленения разломов. Впервые построены карты плотности разломов консолидированной коры различных модификаций и установлена их связь с геотермическими характеристиками осадочного чехла и фундамента, с блоковым строением региона, с геодинамически неустойчивыми зонами различных иерархических уровней и с сейсмичностью. Показано отражение разломной тектоники в полях современных вертикальных движений земной коры. Установлено, что повышенные значения градиентов этого поля отражают их современную активность. Определено, что практически все геодина-мически неустойчивые зоны первого порядка располагаются в авлакогенах, которые являются межблоковыми системами и на новейшем этапе тек-

тонического развития, по всей видимости, находятся в стадии растяжения. Это еще раз подтверждает и объясняет их тектоническую и в большинстве случаев сейсмическую активность.

Расширенная база данных в электронном виде, а также представление о единстве тектонических процессов, вызывающих аномалии в геофизических полях, образования геологических структур и землетрясений позволили определить связи геолого-геофизических параметров с сейсмичностью практически для всех имеющихся геофизических параметров Западно-Уральского региона [6]. Для этих исследований была создана электронная база данных в масштабах 1:5000000, 1:2500000, которая насчитывает 70 карт, и каталог землетрясений с описанием 188 землетрясений. Исследования проводились с помощью геоинформационной системы «ГЕО» в различных ее подсистемах, одни из них дают возможность определять значения поля в любой точке и строить разрезы по любому из направлений с учетом сейсмичности, другие позволяют рассчитывать графики функций, вошедших в прогноз.

Исходя из третьего принципа, основываясь на модели геодинамически неустойчивых зон, представление о которых дает «Схема распространения сейсмоактивных зон Западно-Уральского региона» масштаба 1:2500000, и установленный характер связи геолого-геофизических параметров с сейсмичностью позволили построить «Прогнозную карту максимальных магнитуд ожидаемых землетрясений Западно-Уральского региона». Построение карты было осуществлено с помощью геоинформационной системы «ГЕО».

Основные вычисления связаны с нахождением функции прогноза Mmax от геолого-геофизических признаков. Для этого создается выборка пунктов, для которых наряду со значениями геолого-геофизических признаков указаны значения M .

L L J max

Параметры прогнозирующей функции находятся из условия наилучшей аппроксимации экспертных оценок в пунктах выборки. Найденная по выборке эмпирическая закономерность, связывающая оценки M с некоторым набором геолого-геофизичес-

max

ких признаков, экстраполируется на всю территорию региона [7, 8, 9].

Построение прогнозных карт максимальных магнитуд ожидаемых землетрясений для Западно-Уральского региона проводилось в три этапа: I - подготовка, ввод в компьютер и анализ исходных данных, II - нахождение прогнозирующей функции и построение варианта карты, III - анализ результатов и принятие решения о способе получения следующего приближения карты.

Результаты построения прогнозной карты M землетрясений Западно-Уральского

max L L

региона в трапеции (N = 55"- 60 0- IE=540- 600 Для построения прогнозной карты Mmax землетрясений этой части Западно-Уральского региона были проведены расчеты нескольких вариантов, различающихся количеством используемых геолого-геофизических признаков, различной совокупностью этих признаков, различными моделями зон, в которых определялись значениями магнитуд. Для построения прогнозных карт максимальных маг-нитуд ожидаемых землетрясений Западно-Уральского региона использовались карты масштаба 1:2500000. Предварительные исследования геолого-геофизических характеристик и геодинамики Западно-Уральского региона, связи этих характеристик с сейсмичностью и уровень ошибок аппроксимации экспертных оценок Mmax позволили выбрать из большого количества полученных прогнозных карт несколько вариантов. Для их расчета и построения была использована модель зон, в которой определены значения магнитуд, для Западно-Уральского региона, разработанная предыдущими исследованиями [2, 3].

Рассмотрим один из вариантов прогнозных карт M землетрясений (рис. 2).

Прогнозирующая функция при использовании теплового потока региона, рельефа границы Мохо-ровичича, гравитационного поля, модуля градиента современных вертикальных движений земной коры, модуля градиента теплового потока, модуля градиента высот рельефа дневной поверхности и модуля градиента отношения аномалий силы тяжести к аномальному магнитному полю оказалась равной

7

Б(х) = 5,90 + Хф1(х1).

1=1

Ошибка аппроксимации для учебной выборки составляет - 0,37, для контрольной выборки - 0,42. Отношение ошибок на учебной и контрольной выборках близко к единице, что позволило сделать вывод об удовлетворительной экстраполируемос-ти результатов обучения.

Было проведено сопоставление прогнозных значений Мтах землетрясений с распределением очагов, где уже происходили землетрясения со значениями магнитуд, близких к максимальным. Для описанного варианта прогнозной карты в районе Билимбаевского землетрясения (район Билимба-евского завода, в 56 км к северо-западу от г. Екатеринбурга) значение максимальной магнитуды составило 5,5, что совпадает с инструментальны-

ми данными. Для других полученных прогнозных карт эти значения занижены по сравнению с данными каталога. Исходя из этого, можно отметить, что прогнозная карта максимальных магнитуд ожидаемых землетрясений, приведенная на рис. 2, наилучшим образом отвечает распределению сейсмичности и геодинамическим представлениям о развитии региона.

Резулътаты построения

прогнозной карты! M землетрясений

Г Г max Г

Западно-Уралъского региона в трапеции

cpN = 54°-61 °- E = 48°-60°

Построено несколько вариантов прогнозных карт Mmax землетрясений всего Западно-Уральского региона. Остановимся на одном из них (рисунок 3).

Прогнозирующая функция при использовании аномального магнитного поля, осредненного с радиусом R=125 км, и модуля его градиента, теплового потока региона и модуля его градиента, глубины залегания границы Мохоровичича, современных вертикальных движений земной коры, ампли-

туды неотектонических вертикальных движений, модуля градиента аномального магнитного поля оказалась равной

F(x) = 5,31 + £ ф1(х1).

i=1

Ошибка аппроксимации для учебной выборки варианта - 0,93, а для контрольной выборки соответственно - 1,12. Отношение ошибок на учебной и контрольной выборках близко к единице, что позволило сделать вывод об удовлетворительной эк-страполируемости результатов обучения.

Было проведено сопоставление прогнозных значений Mmax землетрясений с распределением очагов, где уже происходили землетрясения со значениями магнитуд, близких к максимальным. На рис. 3 для территории Пермской области контурам изосейсты 5,5 соответствует пять землетрясений, близких к максимальным. Для Кировской области также выделяется участок, с М =5,5, что вполне сопоставимо с данными об

max

исторических землетрясениях, хотя по поводу данных о максимальных магнитудах в этом рай-

Рисунок 3. Прогнозная карта максимальных магнитуд ожидаемых землетрясений Западно-Уральского региона в трапеции фЫ = 54°-61° - ХЕ = 48°-60° с нанесенными на нее эпицентрами землетрясений

оне нет единого мнения [1, 11]. Аналогичная зона получена и для северной части Татарстана, и, хотя здесь порог магнитуд не превышает 4,0, по данным исследователей Татарстана, в регионе могут происходить тектонические землетрясения с М = 5,5-6 [10].

max ' L J

При построении каждого из вариантов карт было использовано 25 параметров, 7-8 основных и около 17 дополнительных, которые влияли на создание выборки и выбор основных параметров. Обобщив результаты по геолого-геофизическим признакам, вошедшим в различные варианты прогноза, установлено, что существенный вклад в прогноз вносит тепловой поток и его градиент, глубина залегания границы Мохоровичича, современные вертикальные движения и их градиент, градиент рельефа дневной поверхности, амплитуда новейших

вертикальных движении, а также гравитационное и магнитное поле и градиент их отношения.

Совершенно неожиданным оказалось, что наиболее информативным для различных вариантов, в которых использовались разные модели зон и прогнозные карты строились для различных по площади регионов, оказался тепловоИ поток. Вероятно, либо до конца не изучен температурный режим платформы, либо данные о тепловом потоке содержат погрешности.

Таким образом, разработана система прогноза геодинамически неустоичивых зон на основе комплексного анализа геолого-геофизических и сеисмологических данных и построено несколько вариантов прогнозных карт максимальных магни-туд ожидаемых землетрясении для Западно-Уральского региона.

Список использованной литературы:

1. Ананьин И.В. Европейская часть СССР, Урал, Западная Сибирь // Новый каталог сильных землетрясений на территории СССР с древнейших времен до 1975 г. М.: Наука, 1977. С. 465-470.

2. Блинова Т.С. Выделение сейсмоактивных зон в Западно-Уральском регионе по комплексу геологических данных // Сейсмичность и сейсмическое районирование Северной Евразии. М.: ОИФЗ РАН, 1995. Вып. 2-3. С. 331-342.

3. Блинова Т.С., Маловичко А.А. Прогноз региональных геодинамически неустойчивых зон по комплексу геолого-геофизических и сейсмологических данных для территории Западно-Уральского региона // Материалы «X Межотраслевого координационного совещания по проблемам геодинамической безопасности». Екатеринбург, 1997. С. 75-79.

4. Блинова Т.С., Маловичко А.А. Сейсмичность и принципы подхода к региональному сейсмическому районированию платформенных областей на примере Западно-Уральского региона // Материалы Международной конференции «Проблемы геодинамики, сейсмичности и минерагении подвижных поясов и платформенных областей литосферы». Екатеринбург: Институт геофизики УрО РАН, 1998. С. 29-30.

5. Блинова Т.С., Маловичко А.А. Связь нарушенности земной коры с региональными геодинамически неустойчивыми зонами в Западно-Уральском регионе // Материалы Международной конференции «Геодинамика и геоэкология». Архангельск: Институт экологических проблем Севера УрО РАН, 1999. С. 36-38.

6. Блинова Т.С. Характер связи сейсмичности с геолого-геофизическими полями для территории Западно-Уральского региона // Материалы научной сессии Горного института УрО РАН по результатам НИР в 1999 г., 10-14 апреля 2000. Пермь, 2000. С. 89-94.

7. Гитис. В.Г., Миронов М.А., Бунэ В.И. и др. Прогноз М землетрясений на основе метода аппроксимации интервальных экспертных оценок // Изв. АН СССР, Физика Земли, №4, 1986. С. "25-31.

8. Гитис В.Г., Деарт Д.А. и др. ГЕО - Экспертная система для геолого-геофизического прогноза // Экспертные система: состояние и перспективы. М.: Наука, 1989. С. 119-130.

9. Гитис В.Г., Вайншток А.П., Деарт Д.А. и др. Геоинформационная система «ГЕО», версия 2.5 (ГИС «ГЕО 2.5»). М.: ИППИ РАН, 1995. 123 С.

10. Мирзоев К.М., Рахматуллин М.Х., Гатиятуллин Р.Н. Татарстан (с древнейших времен по 1994 год) // Землетрясения Северной Евразии в 1994 году. М.: Геофиз. служба РАН, 2000. С. 44-56.

11. Никонов А.А., Мокрушина Н.Г., Лубягина Л.И. Исторические землетрясения Вятского края // Вестник Вятского государственного педагогического университета. №2, 2000. С. 76-80.

12. Решение научно-координационного совещания Роскомнедра и РАН «Глубинное строение, геодинамика, сейсмичность ВосточноЕвропейской платформы» // Недра Поволжья и Прикаспия. Саратов: Нижне-Волжский НИИГГ, 1996. Вып. 13 (спец.). С. 92-95.