Сейсмический мониторинг и предварительная оценка сейсмичности района расположения Верхнетуломской ГЭС

Сейсмический мониторинг и предварительная оценка сейсмичности района расположения Верхнетуломской ГЭС

С.И. Петров, Е.О. Кременецкая, В.Э. Асминг, И.А. Кузьмин, Л.П. Нахшина

Кольский региональный сейсмологический центр ГС РАН

Аннотация. В предлагаемой статье приводятся предварительные результаты исследований степени сейсмической активности района Верхнетуломской ГЭС, характеризуемого сложным геологическим строением с широко развитой сетью неоднократно активизирующихся разломов различного возраста, что предполагает вероятность относительно повышенной сейсмичности. Об этом же свидетельствуют и некоторые исторические сведения о сейсмической активности района. Кроме того, в работе рассмотрены методические аспекты сейсмологических исследований, касающиеся особенностей сейсмомониторинга в условиях широкомасштабного технологического воздействия человека на приповерхностную часть земной коры. В последнем разделе рассматривается современное состояние системы мониторинга сейсмоактивности Кольского полуострова.

Abstract. The paper has considered the preliminary results of the researches of seismic activity of the Verkhne-Tuloma hydroelectric plant district characterised by a composite geological structure with a net of repeatedly activized faults of different age, that means the possibility of heightened seismicity. Some historical information about the seismic activity of the district have proved this fact. Besides, in the work some methodical aspects of seismological researches of seismomonitoring peculiarities under the conditions of the global technological anthropological influence on the surface of the Earth crust have been presented. In the last section the modern system of the seismoactivity monitoring of the Kola Peninsula has been analysed.

1. Введение

Известно (Панасенко, 1980), что уровень сейсмической активности Кольского полуострова оценивается исследователями, как невысокий, однако детальное изучение ее представляет интерес не только в научном плане, но имеет несомненно важное практическое значение, особенно если учитывать широко развитую в регионе сеть гидротехнических сооружений, объектов промышленности и атомной энергетики. К таким объектам, в частности, относится Верхнетуломская ГЭС, которая расположена в непосредственной близости от зоны относительно повышенной сейсмичности. Для обеспечения безопасного функционирования станции это необходимо учитывать.

2. Геологическое строение района

В геологическом отношении район расположения ГЭС находится в пределах Нотозерского блока, охватывающего один из узловых участков зоны сочленения Кольского и Беломорского мегаблоков северовосточной части Балтийского щита. Он имеет сложное блоковоскладчатое строение и характеризуется широким развитием большого количества разломов разного ранга и возраста. Наиболее крупными из них являются Главный и Северо-Сальнотундровский, ограничивающие блок с юго-запада и северо-востока, соответственно. Заложившись в архее, эти разломы неоднократно подновлялись в процессе геологического развития (Загородный, 1979; Козлов, 1979). С севера Нотозерский блок ограничен двумя разломами такого же ранга и возраста, одним из которых является туломский разлом северо-восточного простирания, протягивающийся вдоль реки Туломы. Кроме того, в пределах района распространены более мелкие и молодые по времени заложения (PRi-Pz) тектонические нарушения преимущественно северо-восточного простирания (рис. 1). Блоковый характер строения района обусловлен раннеархейскими тектоническими событиями, которые в позднем архее привели к формированию различных структурно-формационных зон, одним из фрагментов которых является Нотозерский блок, в пределах которого выделяются две структурных зоны: южная зона брахиструктур, сложенная в основном гранито-гнейсами тоналитового комплекса (ARi), и северная зона антиформного строения, сложенная биотитовыми, биотит-амфиболовыми и амфиболовыми гнейсами беломорской серии кольско-беломорского комплекса верхнего архея. Широкое распространение на указанной территории получили также интрузивные габбро-диориты, диориты и гнейсо-диориты (массив Анис), в различной степени метаморфизованные габбро-анортозиты нижнего архея и нижнепротерозойские (карельские) сланцеватые амфиболиты. Завершилось образование блоков в раннем протерозое.

Последующие тектонические процессы в основном приводили к субвертикальным разрывам, к слабым горизонтальным и к значительным вертикальным неоднородным перемещениям блоков и их частей (Пожиленко, 1978, 1984). Необходимо отметить, что на протяжении всей истории тектонического развития района отмечается унаследованность движений по зонам наиболее крупных разломов. С геологической и тектонической точек зрения узлы пересечения указанных разломов могут являться сейсмогенными, особенно если учитывать их длительное развитие и постоянную активизацию в различные геологические периоды. Одним из таких узлов, расположенным в 5-7 км от ГЭС, является зона пересечения Туломского, Главного и субширотного, отделяющего Нотозерский блок от Затуломского, разломов.

Геоморфологическое изучение Баренцевоморского побережья Кольского полуострова, в частности, берегов Кольского залива, вблизи которого располагается интересующая нас территория, показывает, что послеледниковое поднятие суши относительно уровня моря в последние примерно 2 тыс. лет происходило со средней скоростью до 5 мм/год (Никонов, 1977). Согласно "Карте современных вертикальных движений земной коры Восточной Европы М 1:10 000 000" (1973) этот район в настоящее время испытывает поднятие со скоростью порядка 1 мм/год.

3. Исторические сведения

Описываемый район проявляет заметную сейсмическую активность. Здесь в отдаленном и недавнем прошлом отмечен ряд землетрясений интенсивностью до 6 баллов. В различных документах

сожалению, очень скудные сведения о

1 - щелочные ультраосновные породы;

2 - плагиомикроклиновые гранитоиды;

3 - базиты и гипербазиты Карельской

габбро-перидотитовой формации (а) и мелкие интрузии нерасчлененных базитов и гипербазитов АЯ2 и РТ (б);

4 - карельский комплекс сланцеватых

амфиболитов;

5 - габбро-диориты (а), диориты и гнейсо-

диориты (б) массива Анис;

6 - габбро-анортозиты массивные (а) и

рассланцованные (б);

7 - супракрустальные породы Кольско-

Беломорского комплекса;

8 - гранодиорито-гнейсы и гранито-гнейсы

комплекса основания;

9 - геологические границы установленные

(а) и предполагаемые (б);

10 - разрывные нарушения крупные

Рис. 1. Структурно-тектоническая схема района (Пожиленко, 1984) - 6 декабря 1758 г. - "... в г. Кола и его окрестностях произошло сильное землетрясение,

ХУШ-Х1Х веков удалось обнаружить следующие, к землетрясениях в районе г. Колы:

продолжавшееся, по одним данным, три часа, а по другим - полчаса". Эпицентр его располагался в районе Карасйоки (Норвегия); по другим данным - вблизи г. Колы. Магнитуда землетрясения оценивается равной 4.3.

- 18 февраля 1772 г. - "... в окрестностях г. Кола было землетрясение, продолжавшееся минуту, причем многие здания поколебались и черепица попадала с крыш. Землетрясению предшествовал подземный шум, как бы от телеги, идущей по каменной мостовой". Разные источники содержат согласные данные, указывающие, что эпицентр землетрясения располагался вблизи г. Колы или несколько восточнее его. Приведенное описание землетрясения позволяет оценить интенсивность сотрясений близкой к 6 баллам. Магнитуда землетрясения принимается равной 5 или немного больше.

- 31 августа 1819 г. - "... землетрясение в г. Коле ... колебания были настолько сильны, что разбросало кучи песку и мебель". Эпицентр землетрясения располагался в районе Лофотенских островов, где сотрясения достигли разрушительной силы.

- 21 февраля 1873 г. - "... в Коле ... раздался подземный удар и произошло землетрясение, продолжавшееся 5 минут; оно было настолько сильным, что дома шатались и вся утварь падала, несчастий, однако, не было". Эпицентр располагался невдалеке от г. Колы. Магнитуда его принимается равной примерно 5. В сообщении также говорится, что перед землетрясением "... на восточной стороне неба появился огромной величины шар темно-багрового цвета и скрылся на западе, в этот момент и раздался удар". Эта фраза - довольно весомое указание на метеоритную природу землетрясения. Однако по ряду заслуживающих внимания соображений, обсуждать которые здесь нет необходимости, вероятность его метеоритного происхождения очень мала.

В документах прошлого встречено еще несколько скудных и неопределенных указаний на землетрясения, возможно, случившиеся в районе г. Колы, но достоверность их очень низка.

В феврале 1956 г. начала функционировать сейсмическая станция Апатиты. С вводом в работу на станции высокочувствительной сейсморегистрирующей установки (июнь 1957 г.) ее приборы стали ежегодно регистрировать из северных румбов до 20-25 близких сейсмических событий малой интенсивности. Точное определение местонахождения большинства их эпицентров до настоящего времени невозможно. Но уже в 1958 г. было выдвинуто предположение, что очаги некоторых из них могут располагаться в области сочленения долин рек Кола и Тулома.

Достоверность приведенных выше сообщений отдаленного прошлого о землетрясениях в г. Коле и догадки о приуроченности очагов некоторых регистрируемых с севера микроземлетрясений к области сочленения разломных зон долин рек Колы и Туломы были доказаны самой природой. В районе Кольского залива и на близких к нему участках Мурманского берега 24 октября 1968 г. ощущалось землетрясение. Оно хорошо записано рядом близких сейсмических станций и о нем с мест поступило много сообщений. Колебания почвы интенсивностью до 4 баллов отмечены в Мурманске, Североморске, Полярном, Ура-Губе, Западной Лице, на о. Кильдин и ряде других населенных пунктов. Площадь распространения ощутимых сотрясений не менее 40 тыс. кв. км. Совместный анализ записей сейсмической станции Апатиты и финских сейсмических станций показал, что были четыре толчка, очевидно, из одного очага, разделенные интервалами 7, 18 и 7.5 секунд. Последний толчок был наиболее сильным. Его магнитуда оценивается равной 4.3. Эпицентр землетрясения располагался рядом с г. Кола к западу от него. Его координаты - 68.9° С, 32.9° В - определены надежно с высокой точностью: радиус погрешности менее 10 км. Глубина очага - примерно 30 км - оценена ориентировочно.

Изложенное однозначно указывает, что в районе г. Колы - п.г.т. Мурмаши можно ожидать землетрясения интенсивностью до 5-6 баллов. Вопрос об интервале их повторяемости остается открытым из-за необеспеченности данными о землетрясениях прошлого за более длительное время и в количестве минимально необходимом для статистического анализа временного распределения событий. Тем не менее, возможно не будет большой ошибки, если при расчетах сейсмического риска принять, что землетрясения интенсивностью до 5-6 баллов в районе г. Колы и п.г.т. Мурмаши следует ожидать каждые 50-100 лет. В целом распределение очагов землетрясений с учетом их интенсивностей наглядно иллюстрируется приведенной здесь картой сейсмичности Кольского полуострова (рис. 2).

За последнее время наиболее значительное землетрясение региона произошло 16 июня 1990 г. в районе г. Мурманска. Магнитуда землетрясения ML = 4.0, интенсивность колебаний в эпицентре I0 = 4-5 баллов. Несмотря на то, что землетрясение произошло днем в 12:43:52.2 (GMT), оно хорошо ощущалось практически по всему Мурманскому побережью, и особенно в г. Мурманске.

Таким образом, из вышеизложенного следует, что район размещения каскадов Туломской ГЭС является сейсмически активным, и, поскольку на основе имеющихся скудных данных о сейсмических событиях прошлого невозможно составить корректный прогноз проявлений сильных землетрясений на

данной территории, то совершенно очевидна необходимость проведения непрерывного сейсмического мониторинга с учетом всех указанных ниже особенностей сейсмических проявлений.

- М=2.5 - 2.95

' - М=3 - 3.99 • - М.=4 - 4.99

- М=3-5.95

М=6...

Рис. 2. Карта сейсмичности Кольского полуострова, включающая известные исторические землетрясения с 1700 г.

4. Методические аспекты сейсмологических исследований

Многолетние исследования землетрясений на Кольском полуострове и анализ сейсмических проявлений в других регионах показывают, что весьма важным моментом в прогнозе сейсмичности того или иного района является не только (и не столько) фиксация сильных событий, но и необходимость постоянного наблюдения за фоновыми характеристиками землетрясений. Подобный подход полностью отвечает современным представлениям (Аптикаев и др., 1986; Садовский, 1992), в соответствии с которыми проявление слабых землетрясений рассматривается, как свидетельство активизации тектонических нарушений и как один из возможных предвестников сильного землетрясения. Детальное сейсмическое районирование на основе регистрации слабых событий позволяет выделять зоны, в которых регулярно проявляются эти события, что может служить признаком вероятного возникновения очагов сильных землетрясений (зон ВОЗ). При этом необходимо учитывать события, возникающие в результате проведения промышленных взрывов, поскольку при взрывных работах используются заряды преимущественно средней и малой мощности, которые регистрируются на сейсмограммах как события малых энергий, что в конечном итоге отображается на картах в виде ложных очаговых зон (ЛОЗ). Отсюда следует, что для получения реальной картины зон ВОЗ необходимо отличать природные сейсмические явления от искусственных (промышленные взрывы) явлений, которые занимают значительное место среди зарегистрированных колебаний земной поверхности. Самые общие требования для решения этой задачи сводятся к следующему:

1. Наличие разветвленной сети сейсмических станций.

2. Сейсмоприемники должны обладать высокой чувствительностью и определенными амплитудно-частотными характеристиками.

3. Предпочтение должно отдаваться цифровой записи с последующей компьютерной обработкой данных.

4. Должны быть известны районы проведения горных и других работ с применением технологических взрывов.

5. Необходимо привлечение данных о времени взрывов и их мощности.

Помимо перечисленных требований, существует целый ряд тонких методических особенностей в процессе обработки сейсмических данных, которые достаточно детально обсуждаются в литературе, и в частности, на наш взгляд, наиболее полно освещены в сводке "Местные взрывы и землетрясения" (Годзиковская, 1995), где приведены данные сейсмологических наблюдений в обширном регионе от Кавказа до Чукотки. По этим данным при исследованиях в рамках детального сейсмического районирования (ДСР) выявлен целый ряд ЛОЗ и показана возможность проведения дискриминации взрывов для получения объективного сейсмического фона, необходимого при геодинамическом мониторинге.

5. Современное состояние системы мониторинга сейсмоактивности

Как указывалось выше, регулярные инструментальные наблюдения сейсмической активности на Кольском полуострове были начаты в 1956 г. на сейсмической станции Апатиты. До 1992 г. региональная сеть сейсмических станций состояла из аналоговых сейсмических станций с записью на фотобумагу. В 1991 г. на сейсмостанции Апатиты была установлена цифровая трехкомпонентная станция, которая состояла из трех сейсмометров типа S-13, аналого-цифрового преобразователя типа Nanometric RD-3 и персональной ЭВМ PS-2. Привязка к единому времени осуществлялась с помощью системы Omega. Программное обеспечение позволяло осуществлять сбор, обработку и архивацию данных. Хранение данных производилось на накопителе на магнитной ленте типа стриммер. В дальнейшем в рамках соглашения о научном сотрудничестве между Кольским научным центром РАН и норвежской сейсмической службой NORSAR были проведены работы по созданию регионального центра сбора и обработки данных. Сведения об аппаратурном и программном обеспечении указанного центра приведены в ранее опубликованных работах (Асминг, 1997; Кузьмин и др., 1997), здесь же ограничимся лишь самым общим описанием.

В 17 км от г. Апатиты была создана малая сейсмическая группа сейсмометров, расположенных на двух концентрических окружностях и в центре. На внешнем круге расположены 5 сейсмометров, а на внутреннем - 3 сейсмометра. Все сейсмометры типа Geotech S-500 ориентированы для измерения вертикальной компоненты. В центре системы установлены три сейсмометра того же типа для измерения двух горизонтальных и одной вертикальной компонент. Аналоговая информация от каждого датчика по кабелю поступает на центральный пункт, где производится преобразование в цифровой код с помощью дигитайзеров типа RD-3 и RD-6. Информация с каждого дигитайзера по отдельному радиоканалу передается в региональный центр данных, размещенный в здании КРСЦ, и поступает на подсистему сбора и первичной обработки данных. Система обработки данных состоит из 4-х рабочих станций типа SUN SPARC, нескольких персональных ЭВМ, подсистемы сбора и первичной обработки информации на базе контроллера NORAC, SUN X-терминала и маршрутизатора сети Cisco. Все компоненты системы образуют локальную сеть Ethernet, которая через маршрутизатор Cisco и спутниковый канал соединяется с локальной сетью норвежской сейсмической службы NORSAR. Через локальную сеть NORSAR региональный центр данных имеет прямой доступ к глобальной сети Internet и, соответственно, к национальным и международным базам сейсмических данных и к международной сети сейсмических станций (рис. 3). Результаты автоматической обработки данных сетью за 1995-1996 гг. приведены на рис. 4.

Большинство сейсмических событий в интересующем нас районе идентифицированы как взрывы на рудниках в Заполярном. Это еще раз иллюстрирует необходимость постановки специальных работ по разбраковке взрывов и естественных сейсмических событий, а также по изучению сейсмического воздействия промышленных взрывов на конструкции каскада Туломских ГЭС.

Рис. 3. Сеть станций, используемая для Рис. 4. Результаты автоматической регистрации

сейсмомониторинга Кольского полуострова сейсмических событий на Кольском полуострове

за 1995-1996 гг.

6. Заключение

Результаты исследований степени сейсмической активности в районе Верхнетуломской ГЭС показали, что нельзя считать этот район сейсмически спокойным. Анализ исторических сведений и современных данных дает основание говорить о том, что в этом районе возможны землетрясения силой до 6 баллов.

Для изучения сейсмического режима в районе действующих гидротехнических сооружений

необходимо осуществлять непрерывный сейсмический мониторинг интересующего района.

Для точной локации сейсмических событий необходимо иметь сеть сейсмических станций и проводить сбор и обработку данных в едином обрабатывающем центре, оснащенным современной вычислительной техникой. Одной из проблем при сейсмическом мониторинге в настоящее время является различение сейсмического сигнала от землетрясений и промышленных взрывов.

Кольский региональный сейсмологический центр имеет хорошо оснащенную сеть станций и центр сбора и обработки сейсмических данных, который через спутниковый канал связи имеет выход на региональную сеть высокоточных сейсмических групп, а также на международный центр сейсмических данных. Наличие дополнительной информации с мировой сети станций позволяет более полно и точно проводить сейсмическое районирование на территории Кольского полуострова.

Литература

Аптикаев Ф.Ф., Ибрагимов Р.Н., Кнауф В.И., Коган Л.А. Методические рекомендации по детальному сейсмическому районированию (проект). В кн.: Детальные инженерно-сейсмологические исследования. М., Наука, с.184-211, 1986. Асминг В.Э. Программный комплекс для автоматизированной обработки сейсмических записей "EL".

Приборы и методика геофизического эксперимента. Мурманск, с.125-132, 1997. Годзиковская A.A. Местные взрывы и землетрясения. М., Наука, 98 е., 1995.

Загородный В.Г. Некоторые геотектонические аспекты регионального метаморфизма северо-восточной части Балтийского щита. В кн.: Проблемы метаморфизма докембрия. Апатиты, КФАН СССР, с.3-16, 1979.

Карта современных вертикальных движений земной коры М 1:10 000 000. М., ГУГК, 1973. Козлов М.Т. Разрывная тектоника северо-восточной части Балтийского щита. Л., Наука, 140 е., 1979. Кузьмин И.А., Кременецкая Е.О., Асминг В.Э., Коломиец A.C. Региональная система мониторинга сейсмоактивности Европейского севера России и прилегающих районов Арктики. Приборы и методика геофизического эксперимента. Мурманск, с.77-83, 1997. Никонов A.A. Голоценовые современные движения земной коры. М., Наука, 240 е., 1977. Панасенко Г.Д. Сейсмичность восточной части Балтийского щита. В кн.: Сейсмичность и современные

движения земной коры восточной части Балтийского щита. Апатиты, КФАН СССР, с.7-24, 1980. Пожиленко В.И. Структурные элементы и формы в супракрустальных породах Нотозерского района и последовательность их образования. В кн.: Тектоника и глубинное строение северо-восточной части Балтийского щита. Апатиты, КФАН СССР, с.37-44, 1978. Пожиленко В.И. Структурное районирование и история формирования складчато-метаморфических комплексов Нотозерского района. В кн.: Геология докембрия Кольского полуострова. Апатиты, КФАН СССР, с.30-39, 1984. Садовский М.А. Прикладная сейсмология последних десятилетий века. Изв. АН СССР. Физика Земли, № 2, с.10-22, 1992.