УДК 551.24 

Аветисов Г.П., Зинченко А.Г., Мусатов Е.Е., Пискарев А.Л.

Сейсмическое районирование Арктического региона

 Аннотация

В рамки Арктического бассейна включены акватории Евразийского и Амеразийского суббассейнов Северного Ледовитого океана и прилегающих к ним шельфовых морей Евразии и Северной Америки (включая  острова и береговые зоны).

Для оценки современной тектонической активности привлечены следующие  геолого-геофизические материалы: тектоническое районирование,  сейсмологические,  гравиметрические и магнитометрические данные, информация по рельефу дна и амплитудам и скоростям новейших движений. 

 Диапазоны данных по каждому из указанных видов информации делились на несколько градаций, каждой из которых присваивались количественные характеристики. Весь регион разбивался на квадратные ячейки 2´2 см в масштабе карты 1:6000000. Для каждой ячейки высчитывалась количественная характеристика, равная сумме характеристик по отдельным методам. Суммирование проводилось с учетом веса каждого метода в оценке современной тектонической активности. Веса определялись экспертным путем. В результате для всего региона построена карта сейсмотектонического потенциала (СТП).

Далее по каждому методу выделены зоны разломов. Информация каждого метода о разломах также разбивались на градации в зависимости от степени надежности выделения, протяженности разлома и глубине заложения. Количественные характеристики по разломам суммировались по той же технологии, как и для СТП. В результате получена карта комплексных линеаментов на весь регион. Каждый линеамент охарактеризован количественным показателем. На карте комплексных линеаментов выделены дизъюнктивные узлы, также охарактеризованные числовым показателем.

По ряду признаков произведена оценка максимального возможного землетрясения в зонах наивысшего СТП.

Совместный анализ всех указанных выше данных позволил оценить магнитуды возможных землетрясений в пределах дизъюнктивных узлов,  комплексных линеаментов и зон вне их и построить карту возможных очагов землетрясений (ВОЗ).

Максимальной активностью (землетрясения с магнитудой 5.8-6.1) обладают дизъюнктивные узлы на срединно-океаническом хребте Гаккеля и в зоне его выхода на шельф моря Лаптевых. Такой же узел установлен в области пересечения континентального склона Евразии и желоба Франц-Виктория (Баренцево море). Разной степени повышенной активности обладают отдельные участки континентального склона, шельфа моря Лаптевых, архипелагов Шпицберген, Земля Франца-Иосифа, Новая Земля, Северная Земля, северные побережья Гренландии и Канадского Арктического архипелага. Локальные зоны ВОЗ выделены в пределах подводного хребта Ломоносова и прилегающих зон Амеразийского суббассейна, где землетрясения пока не зарегистрированы.

Карта ВОЗ дает возможность для расчета и построения карты сотрясений (балльности).

Табл. 10, илл. 4, список литературы – 31 назв.

Введение

Цель данной работы заключается в  попытке решения  прикладного вопроса о том, где  и какой магнитуды будут возникать землетрясения. Актуальность постановки и решения этого вопроса определяется насущной необходимостью освоения минерально-сырьевой базы Арктического региона, в первую очередь, его прибрежных и шельфовых зон.

Конечный продукт исследования - карта зон наиболее вероятного возникновения очагов землетрясений (ВОЗ).  Основой для построения этой карты, безусловно, является информация о сейсмическом режиме региона.

Привлечение информации по сейсмическому режиму является необходимым, но недостаточным условием для наиболее обоснованного выделения зон ВОЗ. Существует целый ряд геолого-геофизических критериев сейсмичности, всю совокупность которых, по существующим представлениям [Бончев и др., 1983; Борисов и др., 1975; Рейснер,1980], можно разделить на две группы.

Первая из них характеризует степень современной тектонической активности региона и свойства подверженной этому процессу среды. В общем случае, помимо информации о землетрясениях, к этим показателям относятся данные о скоростях и амплитудах современных движений, геоморфологические и батиметрические данные, особенности поля силы тяжести, характер рельефа опорных сейсмических границ литосферы, данные по тепловому потоку и др.     Совокупность этих параметров вместе с показателями сейсмического режима определяет сейсмотектонический потенциал (СТП) региона и характеризует способность среды накапливать потенциальную энергию. СТП оценивается в условных единицах, соответствующих использованному набору геолого-геофизических критериев.

Вторая группа геолого-геофизических критериев сейсмичности обеспечивает выявление мест возможной реализации накопленного СТП, т.е. мест, в которых возможно возникновение землетрясения.  В принципе таким местом может быть любая точка зоны повышенного СТП, однако наиболее вероятными участками являются разломы (линеаменты), а в пределах их дизъюнктивные узлы – зоны  пересечения разломов. Именно в пределах дизъюнктивных узлов ожидается возникновение сильнейших для данного региона землетрясений. Выявленные по совокупности геолого-геофизических критериев комплексные линеаменты и дизъюнктивные узлы также оцениваются в условных единицах.

Карты СТП и комплексных линеаментов являются основополагающими промежуточными материалами для построения карты зон ВОЗ, на которых вместо условных единиц показываются магнитуды возможных землетрясений.  Переход реализуется на основе совместного анализа указанных промежуточных материалов и данных о сейсмичности региона.

Сейсмичность (рис.1, 2)

Источником информации по землетрясениям явился созданный во ВНИИОкеангеология электронный банк арктических сейсмологических данных [Аветисов и др., 2001]. Вместо карты эпицентров построена более наглядная карта выделенной сейсмической энергии Е. 

Баренцево-Карский шельф

Акватория Баренцево-Карского шельфа и его обрамления в целом является районом с относительно слабой сейсмической активностью. Общее количество выделенной в его пределах сейсмической энергии Е за весь период инструментальных наблюдений составляет 2.6х10¹⁶Дж. Участки повышенной сейсмичности  явно тяготеют к окраинным частям бассейна.

Наиболее сейсмически активна межплитная сейсмоактивная зона подводного хребта Книповича. В поле выделенной сейсмической энергии осевая часть хребта проявляется дискретной полосой, в гребневой своей части имеющей средний уровень 10¹² - 10¹³ Дж. Поперечное сечение этой полосы асимметричное: спад энергии к Шпицбергенскому шельфу  более пологий, чем в сторону Гренландского моря. 

Данные по фокальным механизмам свидетельствуют о своеобразии тектонического режима этого сегмента Срединно-Арктического хребта. В отличие от режима нормального сброса, достаточно уверенно устанавливаемого на других фрагментах хребта (хребты Мона и Гаккеля), здесь при наличии заметной сбросовой составляющей весьма существенна, а во многих случаях преобладает, сдвиговая компонента [Аветисов, 1996].

Согласно данным о глубинах гипоцентров, полученных по фазе t_pP-P, сейсмоактивный слой на хребте Книповича имеет мощность » 15 км, его кровля и подошва залегают на глубинах 14-15  и 29-30 км соответственно, причем на гистограмме очевиден максимум на глубине 16 км.

График повторяемости землетрясений хребта Книповича за период 1964-1998 гг. и значений mb(ISC)=4.5-5.5 имеет вид: lgN= -1.25mb(ISC)+6.24, где N – количество землетрясений.

В пределах архипелага Шпицберген даже по телесейсмическим данным были очевидны две локализованные сейсмоактивные зоны: в районе Земли Гира на западном берегу пролива Стур-Фиорд и на острове Северо-Восточная Земля.

Эпицентральная зона Земли Гира имеет явно выраженное широтное простирание. Именно в ней зарегистрировано самое сильное землетрясение архипелага 18 января 1976 года, ощущавшееся с  интенсивностью до 5 баллов. Информация о глубинах шпицбергенских землетрясений до настоящего времени достаточно приблизительна, а зачастую и противоречива. Согласно оценке этого параметра, проведенной с использованием различных методических приемов, скорее всего землетрясения Шпицбергена являются приповерхностными (не глубже 10-15 км) [Панасенко и др., 1987].

Единственное фокальное решение по событию 18 января 1976 года дает сдвиговый механизм.

На Северо-Восточной Земле в процессе экспедиционных наблюдений [Mitchell et al., 1990] было зарегистрировано свыше 100 микроземлетрясений с магнитудами от 0.6 до 3.9. В пределах установленной ранее по телесейсмическим данным широкой эпицентральной зоны детальные исследования позволили выделить два основных сгущения, имеющих северо-северо-западное простирание, совпадающее с простиранием закартированных здесь геологами разломов, и отстоящих друг от друга на 15 км.

График повторяемости землетрясений Шпицбергена, рассчитанный на основе наблюдений за 1964-1998 гг., имеет вид lgN= -1.22mb(ISC)+5.03.

Еще одним участком повышенной сейсмичности на северном обрамлении Баренцевского шельфа является желоб Франц-Виктория. В северной его части произошли два сильных землетрясения в 1948 году и 6 землетрясений с mb(ISC) от 3.9 до 4.7 за период  1967 - 1995 гг.

По трем решениям фокальных механизмов получен сдвиговый или сбросо-сдвиговый механизм с широтной осью растяжения и нодальными плоскостями, ориентированными вдоль простирания желоба.

На северо-восточном обрамлении Баренцево-Карского шельфа повышенная сейсмичность установлена на Северной Земле, где эпицентры тяготеют к проливам архипелага и его западному обрамлению (желоб Воронина). Начиная с 1948 года, здесь зарегистрировано пять землетрясений с магнитудами 4.0-5.0 (Е до 10¹³ Дж).

На юге частыми, но, в основном, относительно слабыми землетрясениями характеризуется область сочленения Баренцевоморской плиты и Балтийского щита. В пределах ее за период с 1967 года известны три  землетрясения с mb(ISC)  4.4, 4.6 и 4.7. Эти землетрясения ощущались в районе эпицентра с интенсивностью до 4-6 баллов.

На востоке наблюдениями последних лет выделена Новоземельская сейсмоактивная зона [Ассиновская, 1994]. Эпицентр землетрясения 1 августа 1986 года (магнитуда 4.6), расположенный на восточном побережье Новой Земли в районе пролива Маточкин Шар, приурочен к области пересечения субмеридиональных и субширотных разломов, имеющей четкое выражение в рельефе:  переход от низкогорья к прибрежно-морской равнине  амплитудой до 700 метров.

Лаптевоморский шельф

В северной части Лаптевоморского шельфа прослеживается линейная сейсмоактивная зона, в пределах которой Е достигает значений 10¹³-10¹⁴Дж. Эта зона является южным завершением Срединно-Арктического сейсмического пояса, трассирующего дивергентную границу  Евразийской и Северо-Американской литосферных плит.  В районе 77°N линейность пояса нарушается. Следует отметить, что совместное представление всех землетрясений, демонстрируя сейсмологические достижения в регионе, дает в какой-то степени искаженное, и визуальное, и по существу,  представление об его сейсмичности, обусловленное резкими различиями уровня сейсмологической изученности различных участков. Кроме того, хотя слабое и сильное землетрясения в каждом конкретном месте, как правило, являются продуктом одного и того же тектонического процесса, тем не менее, они отражают реакцию на тектонические напряжения разнопорядковых слоев и блоков литосферы, существенно отличающихся по своему геологическому строению, раздробленности, упругим свойствам. Это проявляется в различиях распределения землетрясений по латерали и вертикали, фокальных механизмах, скоростях и времени накопления напряжений.  Поэтому, кроме показа всех имеющихся данных, представляется целесообразным заострить внимание на информации по сильным (магнитуда ≥4) событиям за период после 1964 года, т.е. с начала публикаций каталогов Международного сейсмологического центра. За более ранний период включены только наиболее сильные землетрясения с М≥6. Вся имеющаяся по землетрясениям информация, отобранная в результате реализации такого подхода, представлена на рис.3.

Ранее нами высказывалась мысль о том, что  продолжение действия рифтогенных процессов на шельфе моря Лаптевых может привести  к образованию здесь либо микроплиты, либо системы трансформных разломов типа Шпицбергенской [Аветисов, 1996; Avetisov, 1993, Avetisov, 1999]. Как видно на рис.3, после отфильтрования слабых событий и учета землетрясений последних лет уже сейчас можно говорить об очевидном проявлении в центральной части шельфа Лаптевской микроплиты (ЛМП) [Аветисов, 2000]. Наиболее уверенно прослеживаются ее северная, восточная и южная границы, менее надежно - западная. Намечаются два тройных сочленения: в северной части шельфа примерно на 126°Е и на юге в губе Буор-Хая.

Наибольшее количество информации по фокальным механизмам получено для восточной границы ЛМП, где 5 определений согласованно дают нормально-сбросовый механизм с горизонтальной осью растяжения ортогональной простиранию границы. Обе нодальные плоскости имеют субмеридиональное простирание, совпадающее с простиранием границы микроплиты и выделяемых здесь структурно-тектонических элементов, и углы падения 40-50°.

Единственное решение для южной границы  также дало близкий к нормально-сбросовому механизм с осью растяжения ортогональной границе. Нодальные плоскости имеют простирания 114° и 315° и углы падения соответственно 36° и 56°. Наряду с доминирующей сбросовой составляющей устанавливается незначительное горизонтальное скольжение, соответствующее левостороннему сдвигу. Согласно существующей по этому землетрясению макросейсмической информации, 5-балльная изосейста имеет овальную форму с большой осью, ориентированной на северо-запад - юго-восток вдоль простирания структур.

Одно имеющееся решение для западной границы также показало доминирующий нормально-сбросовый механизм с незначительной сдвиговой составляющей. Субгоризонтальная ось растяжения имеет простирание, промежуточное между простираниями намечающейся границы микроплиты и проходящего здесь Усть-Ленского прогиба. Из двух нодальных плоскостей одна имеет простирание 8°, совпадающее с простиранием границы, и угол падения 40° под микроплиту, а вторая - простирание 142°, совпадающее с простиранием Усть-Ленского прогиба, и угол падения 59° на юго-запад. Если за плоскость разрыва принять первую нодальную плоскость, также получим незначительное левостороннее движение.

Очевидно, что в целом ЛМП, окруженная со всех сторон достаточно активными сейсмическими зонами, должна испытывать значительные тектонические нагрузки, которые могут разряжаться в ослабленных зонах внутри микроплиты. Подтверждением этому может служить землетрясение с магнитудой 5.1, происшедшее в зоне пересечения разлома Лазарева и трассируемого цепочкой достаточно сильных землетрясений разлома запад-северо-западного простирания, протягивающегося от о.Столбовой и почти в створе с ним.  Напрашивающимся в первую очередь выводом является предположение о том, что внутри плиты должно доминировать горизонтальное сжатие, как реакция на обрамляющее ЛМП горизонтальное растяжение. Однако решение фокального механизма упомянутого выше землетрясения также дало нормально-сбросовый механизм с незначительной сдвиговой компонентой. Нодальные плоскости имеют простирания 31° и 175° и падения соответственно 65° на юго-восток и 29° на запад. Параметры второй нодальной плоскости хорошо совпадают с параметрами разлома Лазарева, установленными по сейсмическим данным МОГТ [Драчев, 2000]. По-видимому, следует считать, что весь шельф моря Лаптевых в настоящее время находится в режиме горизонтального растяжения, которое приводит к растаскиванию литосферных блоков в субширотном направлении.

Для шельфа моря Лаптевых и дельты Лены известно 13 определений глубин гипоцентров. Все полученные значения попадают в диапазон 6-24 км, что позволяет считать землетрясения  внутрикоровыми.

Несколько большая, чем на шельфе моря Лаптевых, мощность сейсмоактивного слоя устанавливается в зоне перехода от Евразийского суббассейна к шельфу: до 20 км. Этот факт уже сам по себе свидетельствует о возможности возникновения здесь более сильных, чем на шельфе, землетрясений. Другой особенностью сейсмоактивного слоя в зоне перехода является значительно более глубокое залегание его по сравнению и с шельфом (на 10-12 км), и, как будет показано ниже, с океанической частью (на 4-6 км).

График повторяемости землетрясений моря Лаптевых и его обрамления за период 1964-1998 гг. и значений mb(ISC)=4.5-6.0 имеет вид: lgN= -0.71mb(ISC)+3.23.

Общее количество сейсмической энергии в пределах сейсмоактивной зоны моря Лаптевых (S»400000 км²) достигло величины 2.1´10¹⁶ Дж, на 1000 км² - 0.5´10¹⁴ Дж.

Восточно-Сибирско - Чукотский шельф

Повышенной сейсмичностью Восточно-Сибирского шельфа обладает лишь  самая западная его часть, где отмечено 6 землетрясений к северу и юго-западу от о. Новая Сибирь. Первое из этих землетрясений (самое южное) было зарегистрировано лишь в декабре 1973 года.

Фокальное решение для этого землетрясения методом первых вступлений [Аветисов, 1978, Fujita and Koz’min, 1992], дало сдвиговый механизм с незначительной взбросовой компонентой. Почти вертикальные нодальные плоскости имели субмеридиональное и субширотное направления.

На Чукотском шельфе повышенной сейсмичностью обладают его юго-западная, южная и юго-восточная части.

Количественная информация о глубинах гипоцентров для данного региона отсутствует. Малое количество землетрясений не позволяет также рассчитать и построить график повторяемости.

Общее количество сейсмической энергии, выделившейся в данном регионе (S=500000 км²), составило 1.1´10¹⁵ Дж, на 1000 км² - 0.2´10¹³ Дж.

Евразийский суббассейн

Главной особенностью распределения эпицентров землетрясений здесь является концентрация их вдоль центрально-осевой полосы суббассейна. Указанная полоса эпицентров без очевидных перерывов прослеживается от Шпицбергенской зоны разломов до Лаптевоморского шельфа, трассируя осевую и близосевую зоны срединно-океанического хребта Гаккеля. На значительном своем протяжении он имеет отчетливо выраженную осевую рифтовую долину, глубина которой в отдельных местах достигает 5 км, что на 1-2 км ниже уровня обрамляющих ее гребней хребта. Геоморфологически хребет вырождается, не доходя 200-250 км до континентального склона моря Лаптевых [Нарышкин, 1987].

Сейсмический пояс, трассирующий хребет Гаккеля, имеет практически постоянное простирание и среднюю ширину, не превышающую 20-30 км. К настоящему моменту  количество выделенной сейсмической энергии вдоль хребта находится на уровне 10¹³ - 10¹⁴ Дж. Наиболее заметные отклонения эпицентров от осевой линии устанавливаются на участке между 40° и 80°E, где практически линейный фрагмент пояса длиной порядка 300 км смещен к северу на 100-120 км в своей западной части и далее на восток относительно плавно выходит на генеральную осевую линию. Согласно батиметрическим данным на этом участке становится менее отчетливой, вплоть до полного исчезновения, осевая рифтовая долина. Следует отметить, что указанные участки нарушения непрерывности срединно-океанического сейсмического пояса находятся в створе с выделяемыми на шельфе Евразии субмеридиональными желобами Франц-Виктория и Воронина.

На хребте Гаккеля доминируют типичные для срединно-океанических хребтов фокальные механизмы нормального сброса и сдвига с осью растяжения субортогональной линии эпицентров и, следовательно, простиранию хребта [Аветисов, 1996].

Согласно подавляющему количеству определений глубин гипоцентров, сейсмоактивный слой под хребтом Гаккеля имеет такую же мощность, как в зоне перехода к Лаптевоморскому шельфу (20 км), но находится на более высоком гипсометрическом уровне (кровля и подошва на глубинах  10 и 30 км соответственно). Однако главной особенностью гистограммы является то, что в отличие от пришельфовой и шельфовой зон она, как и на хребте Книповича, имеет ярко выраженный максимум на глубинах 18-20 км [Аветисов, 2000].

График повторяемости близок к полученному для хребта Книповича и имеет вид  lgN= -1.29mb(ISC)+6.68: угловые коэффициенты практически одинаковы, а большее значение свободного члена для хребта Гаккеля объясняется большей его протяженностью.

Общее количество выделившейся на хребте Гаккеля (S=40000 км²) сейсмической энергии составило 5.5´10¹⁵ Дж, на 1000 км² - 1.4´10¹⁴ Дж.

Амеразийский суббассейн

Основная масса установленных эпицентров тяготеет к восточной и южной перифериям суббассейна. Распределение эпицентров весьма неравномерно: они образуют явные сгущения, чередующиеся с участками очевидных разрежений.

 Самая северная зона повышенной сейсмичности установлена  северо-западнее Канадского Арктического архипелага в районе 80-82°N и 105-130°W. Несмотря на значительную удаленность от станций, здесь зарегистрировано 57 землетрясений, из которых 13 имеют магнитуду от 4.0 до 4.9, а два свыше 5.0 (Е до 10¹²-10¹³ Дж). Облако эпицентров расположено в районе глубин дна от 200 до 2000 метров, т.е. в зоне перехода от шельфа к абиссали. Севернее эпицентры более рассеяны, что возможно связано со снижением точности локализации.

Наиболее сейсмически активной областью Амеразийского суббассейна  является море Бофорта и его материковое обрамление. Землетрясения здесь группируются в три основные зоны: на юго-восточном побережье в устье и долине Маккензи (135°-137°W); в юго-западной части вдоль 144-145°W с очевидным сгущением на акватории непосредственно в прибрежной зоне; на акватории в зоне сочленения шельфовой и океанической зон.

График повторяемости, базирующийся, к сожалению, на небольшом количестве материала, имеет вид lgN= -1.20mb(ISC)+5.09.

Общее количество сейсмической энергии, выделившейся в пределах сейсмоактивных участков моря Бофорта (S=60000 км²), составило 2.9´10¹⁴ Дж, на 1000 км² - 0.5´10¹³ Дж.

Сейсмотектонический потенциал

Как указано выше, набор геолого-геофизических данных, которые могут быть использованы для построения карты СТП, весьма широк. Однако в каждом конкретном случае этот диапазон оказывается значительно суженным, что, в первую очередь, определяется степенью изученности региона.

Для расчета СТП Арктического региона нами, помимо сейсмологических данных, использованы материалы по тектоническому районированию, а также гравиметрические данные, информация по рельефу дна и амплитудам и скоростям новейших движений.  При анализе гравитационного поля  использовались  карты аномалий силы тяжести в редукции Фая. Предпочтение, которое отдается карте аномалий Фая в качестве основного отчетного документа, основывается на том, что исследуемая область охватывает глубоководные и шельфовые регионы, островные архипелаги и континентальные прибрежные районы с существенно разнородным глубинным строением,  различной степенью и, возможно, характером изостатической компенсации. В этих условиях применение аномалий Фая, наиболее близких к наблюденным, уменьшает возможность появления ложных аномальных эффектов. В то же время интерпретация гравитационных аномалий в отдельных регионах выполнена на основе анализа целого набора карт аномалий, рассчитанных различными способами, с использованием ряда поправок и фильтраций.

Очевидна различная степень информативности использованных геолого-геофизических критериев. Относительный вклад каждого из них   определялся экспертным путем. Каждый из экспертов в соответствии со своим видением проблемы расставил все типы исходной информации по степени их вклада в оценку современной тектонической активности региона. Экспертная оценка дала следующее распределение мест параметров: сейсмологический, тектонический, гравиметрический градиент, батиметрический градиент, градиент амплитуд современных движений, скорости современных движений.

Логичным решением представляется лидирующая роль в этом вопросе сейсмологических данных. На первый взгляд, может показаться странной низкая оценка роли информации по современным движениям. Это обстоятельство объясняется тем, что для акваториальной зоны региона, которая составляет подавляющую часть от его общей площади, отсутствуют прямые натурные измерения неотектонических параметров, и количественные параметры получены на основе косвенных признаков.

С учетом занятого места каждому виду информации и градациям внутри них были присвоены различные весовые коэффициенты, которые учитывались при расчете СТП (табл.1).

Таблица 1

Весовые оценки градаций различных видов исходной информации при определении сейсмотектонического потенциала

По сейсмологическим данным подчеркнута роль участков со значениями lgE>13. Им присвоен наибольший вес 6, на две единицы превышающий вес следующей градации. Это представляется целесообразным в связи с тем, что участки с такой   сейсмической активностью чаще всего имеют землетрясения с магнитудой свыше 5, близкой или достигающей магнитуды максимальных зарегистрированных землетрясений или максимально возможного землетрясения.  Такие же значения lgE могут быть в случае ряда землетрясений с магнитудами 4-4.5, что также свидетельствует о весьма высокой современной тектонической активности.

Градации по тектоническому положению выбраны исходя из следующих соображений. Наибольший вес, как самым тектонически активным областям, присвоен участкам границ плит. К ним относятся осевая зона Евразийского суббассейна и отдельные участки шельфа моря Лаптевых, совпадающие с границами указанных плит и ЛМП (рис. 3).  К зонам альпийского горообразования отнесена западная часть Шпицбергена. Следующая градация соответствует зонам сочленения областей с континентальной и океанической корой. К ним отнесен  континентальный склон, приевразийский склон хребта Ломоносова, а также   западное, северное и восточное ограничения блока Чукотский купол – хребет Нортуинд. В эту градацию не включены  районы, где тип коры является дискуссионным: приамеразийский склон хребта Ломоносова, а также ограничения системы хребтов Менделеева – Альфа (рис.2). К зонам окраинно-материковых дислокаций отнесены архипелаги Шпицберген (за исключением зоны альпийского орогенеза), Земля Франца-Иосифа, Новая и Северная Земля, Новосибирские острова. Такой же вес присвоен прибрежным районам Евразийского континента (за исключением Западной Сибири), Северной Америки и Гренландии.

Диапазоны гравиметрических и батиметрических данных разбиты на четыре градации с весовыми характеристиками от 0 до 3 в зависимости от конкретных значений градиентов.

По три градации выделено для неотектонических данных, причем весовые характеристики приданы лишь зонам современных поднятий.

Построение карты СТП включало в себя выполнение следующих операций.  Планшет масштаба 1:6 000 000, охватывающий весь исследуемый регион, разбивался на квадраты со стороной 1 см (60 км); в квадраты последовательно сносились цифровые характеристики геолого-геофизических критериев с каждой из исходных карт в соответствии с весовыми характеристиками градаций; брались максимальные значения, попадающие в квадрат;  весовые характеристики суммировались, и находилось их среднее, которое относилось к центру квадрата; по стандартной методике проводились изолинии разных значений СТП.

Комплексные линеаменты и дизъюнктивные узлы

Как указывалось выше,  разломы являются областями реализации накопленного средой СТП, т.е. местами возможного возникновения очагов землетрясений. Места возникновения наиболее сильных землетрясений - участки пересечения  разломов (дизъюнктивные узлы). 

С целью последующего построения карты комплексных линеаментов вначале разломы выделялись по данным различных методов. Были привлечены сейсмологические, гравиметрические, магнитометрические и неотектонические данные, а также информация о рельефе дна. Очевидно, что, как и в случае с СТП, информативность каждого метода различна, поэтому вклад их оценивался введением различных весовых коэффициентов. Роль каждого метода оценена экспертным путем. В результате места распределились следующим образом:  сейсмология, гравиметрия, магнитометрия, рельеф дна, неотектоника.

Карта комплексных линеаментов составлялась на основе всей совокупности описанных выше данных по разрывной тектонике региона. Каждому виду информации присваивались весовые коэффициенты, конкретная величина которых определялась оценкой вклада метода и рангом разрывного нарушения. Весовые коэффициенты приведены в табл.2.

Таблица 2

Сейсмологическим данным придан вес, величина которого не меньше суммы весов всех остальных методов. Это сделано для того, чтобы сейсмически активные нарушения, по каким-либо причинам не проявившиеся в других геолого-геофизических полях, не потерялись  при последующей оценке сейсмической опасности.

Построение карты комплексных линеаментов включало в себя выполнение следующих операций:  на планшет выносились разломы I и II рангов, выделенные по сейсмологическим данным; с ними совмещались разломы, выделенные по другим данным и расположенные от них в полосе ±1 см в масштабе карты. Окончательному, комплексному, разлому присваивался вес равный сумме весов всех составляющих его разломов; на планшет выносились незадействованные разломы I ранга по гравиметрическим данным и с ними по той же методике совмещались все незадействованные разломы, выделенные по другим данным. Окончательному, комплексному, разлому присваивался вес равный сумме весов всех составляющих его разломов.

Далее подобная процедура реализовывалась для незадействованных разломов I ранга по магнитометрическим и другим данным. После этого процесс повторялся для незадействованных разломов II ранга. Участки комплексных линеаментов в пределах изометричных сгущений эпицентров или зон единичных эпицентров выделялись в качестве самостоятельных линеаментов. Их весовое значение повышалось на 7 (табл.2,  столбец 7). На карту комплексных линеаментов не выносились разломы ниже I ранга, выделенные по данным какого-либо одного метода.

Суммарные веса и длина линеаментов послужили основанием для ранжирования их по надежности выделения и степени потенциальной опасности. По этим параметрам выделено 3 ранга комплексных линеаментов (колонка 3 табл.3), включающих в себя 8 градаций, каждой из которых присвоен весовой коэффициент (колонка 4).

Таблица 3

Ранжирование комплексных линеаментов

Определение рангов и весовых коэффициентов комплексных линеаментов позволяет реализовать следующий шаг – определение весовых коэффициентов зон пересечения линеаментов (дизъюнктивных узлов). Весовые характеристики узлов получены путем перемножения весов разломов, образующих дизъюнктивный узел.  Произведение весов, а не их сумма, позволяет увеличить диапазон значений  числовых характеристик и, тем самым, облегчить ранжирование узлов.

Вся совокупность весовых значений узлов была разбита на 4 группы, которым, таким образом, соответствуют 4 категории дизъюнктивных узлов (табл.4).

Таблица 4

Оценка дизъюнктивных узлов

Подавляющее большинство узлов образовано пересечением двух разломов.

В этом случае к I категории относятся узлы, образованные только разломами I ранга высшей градации, ко II категории – разломами I и II рангов, к III категории – разломами II ранга, к IV категории – разломами III ранга. В значительно более редких случаях, когда узел образован более чем двумя разломами, указанный выше порядок меняется. Например, к I категории может быть отнесен узел, с двумя разломами II ранга и одним разломом III ранга (7×7×3=147 или даже 6×6×3=108), а ко II категории с разломом II ранга и двумя разломами III ранга (6×3×3=54). 

Зоны возникновения очагов землетрясений (ВОЗ)

При построении зон ВОЗ осуществляется переход от условных количественных характеристик, которые рассчитывались для сейсмотектонического потенциала, узлов и линеаментов, к значениям магнитуд землетрясений. Очевидно, что одноранговые узлы и линеаменты, располагающиеся в зонах различного сейсмотектонического потенциала, могут быть по-разному сейсмически опасны. Определение сейсмической опасности узлов, линеаментов и зон свободных от них базируется на совместном рассмотрении карт узлов и линеаментов, сейсмотектонического потенциала и эпицентров. Весь процесс состоит из трех стадий. На первой устанавливаются магнитуды землетрясений в пределах каждого дизъюнктивного узла, на второй – каждого линеамента за пределами узлов, на третьей – зон без линеаментов и узлов. Фактически используются магнитуды уже случившихся землетрясений, хотя очевидно, что в идеале должна привлекаться магнитуда максимального возможного землетрясения M_max. Оценить ее и использовать можно только для зон максимального СТП.

Оценка магнитуд возможных максимальных землетрясений

Максимальная магнитуда, снятая с графика повторяемости уже случившихся землетрясений, тем ближе к максимальной возможной M_max, чем больше временной диапазон наблюдений. В какой-то степени, отсутствие возможности увеличить временной диапазон наблюдений удается скомпенсировать привлечением информации по тектонически однотипным сейсмоактивным зонам. Зоной наивысшего СТП (³2.5) в нашем регионе является область срединно-океанического рифтогенеза: хребет Книповича, Шпицбергенская зона разломов, хребет Гаккеля, северная часть шельфа моря Лаптевых. Начиная с 1964 года, с момента, когда определения магнитуд стали достаточно унифицированными и надежными, в пределах указанного района максимальные зарегистрированные землетрясения имели магнитуды mb=5.9-6.1 и Ms=6.2-6.3. Основанием для того, чтобы считать их близкими к максимальным возможным в зонах океанического рифтогенеза, является тот факт, что практически подобные данные имеются для всего Срединно-Атлантического хребта. Несколько большие магнитуды (mb до 6.3-6.4) возможны в зонах крупнейших трансформных разломов. В рамках исследуемого региона подобные землетрясения возможны, на наш взгляд, на шельфе моря Лаптевых, где рифтогенным процессам подвергнута континентальная литосфера, и генеральный раскол ее еще не сформирован. 

Таким же сейсмотектоническим потенциалом обладает локальная зона Земли Геера на юге о. Западный Шпицберген. Здесь максимальное зарегистрированное землетрясение имело mb=5.5-5.6 и   Ms=5.9-6.3, что близко к указанным значениям для Срединно-Арктического пояса.

Проведена также оценка M_max на основе полученных разными авторами эмпирических связей ее с  геометрическими параметрами сейсмогенных блоков [Шебалин, 1971; Уломов, 1988; Садовский, 1999].

Следует иметь в виду, что упомянутые  эмпирические зависимости в силу объективных причин получены по материалам наблюдений в сейсмоактивных зонах, связанных с конвергентными границами плит, где доминирующим напряжением является горизонтальное сжатие. По отношению к нему среда способна испытывать гораздо большие избыточные напряжения, чем при растяжении или сдвиге. Поэтому при равных параметрах сейсмоактивного слоя (мощность, глубина залегания) в конвергентных сейсмоактивных зонах M_max будет больше, чем в дивергентных. Это предположение подтвердилось сравнением зависимостей М=f(Н) (Н – глубина гипоцентра) для моря Лаптевых и Средней Азии: среднеазиатская зависимость дает значения магнитуды большие на 0.3-0.4 [Аветисов, 2000].

На основании всех приведенных данных представляются обоснованными для Арктического региона  значения mb_max=5.8-6.1 и M_max=6.6-6.8. Эти максимальные значения могут ожидаться в дизъюнктивных узлах I ранга, расположенных в зонах максимального СТП.

Методика построения

Как указывалось выше, первым этапом построения карты ВОЗ является оценка магнитуд землетрясений в пределах дизъюнктивных узлов. Такая оценка осуществлена лишь для узлов, расположенных в зонах СТП больше 1.0.

Результаты проведенного определения магнитуд представлены в табл.5.

Таблица 5

Оценка магнитуд в пределах дизъюнктивных узлов

В колонке “Обучение” показано количество узлов, в которых, или вблизи которых, зарегистрированы землетрясения с mb_max или близкой к ней магнитудой. В колонке “Экстраполяция” приведено количество узлов, в которых такие землетрясения не зарегистрированы, и которым магнитуда была приписана с использованием обучающих узлов. Из данных  последней колонки, в которой показано общее количество установленных в регионе узлов, следует, что все узлы получили магнитудную оценку на основе “Обучения” и “Экстраполяции”.

Далее произведена оценка магнитуд комплексных линеаментов за пределами дизъюнктивных узлов, а также вне пределов линеаментов и узлов. В силу большой, как правило,  протяженности разломов, пересекающих участки с землетрясениями и без них, для их магнитудной оценки не удается использовать прием, реализованный для дизъюнктивных узлов. Согласно общепринятым методическим рекомендациям [Бончев и др., 1983], считается, что максимальная магнитуда здесь должна быть меньше, чем в дизъюнктивных узлах с таким же СТП. В основу оценки зон вне линеаментов и узлов положен принцип, согласно которому максимальная магнитуда   в этих зонах должна быть меньше, чем в пределах линеаментов с таким же СТП. Зоны с СТП < 1.0 считаются асейсмичными. С учетом этих принципов, а также данных табл.5, произведена магнитудная оценка линеаментов, отраженная в табл.6.

Таблица 6

Оценка магнитуд в пределах и вне

комплексных линеаментов

Ширина зон ВОЗ в пределах линеаментов определяется, естественно, геометрическими параметрами линеаментов (шириной, наклоном плоскости разрыва, глубиной заложения). Надежная информация по этому вопросу практически отсутствует. Для оценки ширины наиболее важных зон, связанных с линеаментами первого ранга,  нами использованы косвенные признаки. К такой зоне, в первую очередь, относится осевая область срединно-океанического хребта. За ширину ее принята ширина рифтовой долины и ширина трассирующей ее линии эпицентров землетрясений, которые составляют 20-30 км. Вынужденно постулируется, что линеаменты более низких рангов имеют не превышающую это значение или меньшую ширину. С учетом мелкого масштаба результирующей карты для всех линеаментных зон ВОЗ принята одинаковая, выше указанная ширина.

Описание по регионам (рис.2 и 4)

Баренцево-Карский шельф

Юго-западная часть Баренцева моря, горло Белого моря и прилегающие к ним прибрежные районы Северной Норвегии, Кольского полуострова и полуострова Канин являются зоной ВОЗ, в которой ожидаются землетрясения с магнитудами (mb) 3.4-3.7. Она связана с областью шовного сочленения воздымающегося в настоящее время Балтийского щита и погруженной южной части шельфа, в частности, Тимано-Печорского и Канино-Варангерского блоков байкальской консолидации, а также Южно-Баренцевского блока, характеризующегося отсутствием либо значительным утонением гранито-метаморфического слоя. В пределах этой зоны ВОЗ существуют линеаменты и дизъюнктивные узлы, в которых ожидаются землетрясения с магнитудами  3.8-4.1 и даже 4.2-4.5.

Протяженная субмеридионально ориентированная зона ВОЗ располагается в западной части шельфа Баренцева моря на стыке его с шельфом и глубоководной частью Норвежского моря. В этой зоне вне линеаментов и дизъюнктивных узлов возможны землетрясения с магнитудами 3.8-4.1, а в пределах их – до 5.0-5.3. Еще западнее, уже за пределами отчетного планшета, расположена система линейных зон ВОЗ в глубоководной части Норвежско-Гренландского бассейна, приуроченная к подводному хребту Книповича. В осевой части этой системы ожидаются землетрясения с магнитудами до 4.6-4.9, а в пределах линеаментов и узлов до 5.4-5.7.

В северо-западной части шельфа Баренцева моря повышенной сейсмичностью выделяется испытывающий в настоящее время воздымание Свальбардский блок. На всей территории архипелага Шпицберген даже в зонах свободных от линеаментов и узлов возможны землетрясения с магнитудами 4.2-4.5, а в южной части о. Западный Шпицберген (Земля Геера) до 4.6-4.9. В пределах же двух генеральных систем субширотных и субмеридиональных линеаментов и связанных с ними дизъюнктивных узлов магнитуды могут достигать 5.0-5.3. Помимо Земли Геера, можно выделить высокоактивные узлы на о. Северо-Восточная Земля и восточнее о. Эдж.

Зона ВОЗ с ожидаемыми магнитудами 3.4-3.7, а в осевой части – 3.8-4.1 проходит от Шпицбергена до Земли Франца-Иосифа вдоль приевразийского континентального склона. Она заметно расширяется в районе желоба Франц-Виктория. В пределах линеаментов возможны землетрясения с магнитудами до 4.2-4.5, а в дизъюнктивном узле, образованном на пересечении линеаментов континентального склона и желоба Франц-Виктория, – до 5.0-5.3.

Зоны ВОЗ с ожидаемыми магнитудами землетрясений 3.8-4.1 установлены в пределах испытывающих в настоящее время воздымание архипелагов Земля Франца-Иосифа, Новая Земля и Северная Земля. На Земле Франца-Иосифа в пределах линеамента вдоль пролива Британский канал магнитуды могут достигать 4.2-4.5. На Новой Земле наибольшие магнитуды до 4.6-4.9 возможны в районе пролива Маточкин Шар. На Северной Земле наибольшая сейсмическая активность ожидается в северной части архипелага: возможны землетрясения с магнитудами до 4.2-4.5.

Лаптевоморский шельф

В северную часть моря Лаптевых из Евразийского суббассейна внедряется система зон ВОЗ, в осевой части которой, даже вне линеаментов и узлов, возможны землетрясения с магнитудами до 4.6-4.9. В линеаментах и узлах, расположенных в зоне континентального склона, возможны максимальные для Арктики землетрясения с магнитудами 5.8-6.1.

На шельфе указанная зона ВОЗ протягивается восточную часть акватории, где в пределах линеаментов и узлов возможны землетрясения с магнитудами до 5.4-5.7. Восточное ответвление этой зоны протягивается в пределы Восточно-Сибирского моря.

 Другая линейная субширотная зона ВОЗ располагается в южной части акватории и  дельте Лены. На востоке она сочленяется с восточной зоной, на западе прослеживается до восточного побережья Таймыра. В пределах ее в линеаментах и узлах магнитуды землетрясений могут достигать 5.0-5.3.

Восточно-Сибирско – Чукотский шельф

Можно выделить лишь две низко магнитудные зоны ВОЗ. Восточная зона охватывает район о.Врангеля и побережья Колымы и Чукотки, испытывающие в настоящее время  воздымание. Здесь возможны землетрясения с магнитудами до 3.8-4.1. Западная зона протягивается из моря Лаптевых и замыкается непосредственно к югу от о. Новая Сибирь. Здесь возможны землетрясения с магнитудами 4.2-4.5.

Евразийский суббассейн

Вдоль осевой зоны суббассейна протягивается система линейных зон ВОЗ, обусловленная  тектоническими процессами на дивергентной границе Евразийской и Северо-Американской литосферных плит. На западе эта зона продолжается в Норвежско-Гренландский бассейн, на востоке – в пределы шельфа моря Лаптевых. Общая ширина системы определена шириной подводного рифтогенного хребта Гаккеля, центральная, наиболее сейсмически активная область соответствует осевой части хребта – рифтовой долине.  На пересечении рифтовой долины с трансформными разломами выделяется 9 дизъюнктивных узлов I ранга, расположенных в зонах максимального СТП. В пределах этих узлов возможны землетрясения с максимальными для Арктического региона магнитудами 5.8-6.1.

В линеаментах, ограничивающих хребет Гаккеля, могут происходить землетрясения с магнитудами до 4.6-4.9, а в местах их пересечения с поперечными разломами – до 5.0-5.3.

На окраинах суббассейна, помимо уже упоминавшихся зон ВОЗ континентального склона, выделяются локальные зоны повышенной активности в приполюсной части хребта Ломоносова. Здесь возможны землетрясения с магнитудами до 3.8-4.1.

Амеразийский суббассейн

Зоны ВОЗ различной интенсивности тяготеют, главным образом, к периферийным областям суббассейна. В североамериканском секторе они протягиваются от Северной Гренландии вдоль Канадского Арктического архипелага до моря Бофорта и Аляски, захватывая как прибрежную часть суши, так и прилегающую акваторию. С севера эти зоны в основном ограничены бровкой шельфа, лишь на отдельных участках, в первую очередь в море Бофорта, выходя в глубоководную часть. Вне узлов и линеаментов ожидаются землетрясения с магнитудами 3.4-3.7 и 3.8-4.1. Только в море Бофорта установлены локальные зоны, в которых  магнитуды могут достигать 4.2-4.5.

Многочисленные зоны ВОЗ в пределах линеаментов имеют разнообразные простирания. Протяженная зона, в которой возможны землетрясения с магнитудами 4.2-4.5 и даже 4.6-4.9, трассирует северное побережье Гренландии. Далее на запад она прослеживается  в пределы северо-восточной части Канадского Арктического архипелага, где в отдельных местах пересечения ее с серией субмеридиональных зон землетрясения могут достигать магнитуд 5.0-5.3. В западной прибрежной зоне архипелага  и прилегающей акватории система взаимно перпендикулярных зон ВОЗ с магнитудами преимущественно 3.4-3.7 образует большое количество узлов, в которых возможны землетрясения с магнитудами 4.6-4.9, а в море Бофорта – 5.0-5.3. Отдельные линеаменты и дизъюнктивные узлы с возможными землетрясениями до 4.6-4.9 расположены на акватории к северу от Аляски.

В приазиатской части суббассейна  зоны ВОЗ установлены лишь на самом северо-востоке, в пределах Колымы и Чукотки, а также на поднятии о.Врангеля. Здесь возможны землетрясения с магнитудами до 3.8-4.1.

На самом севере суббассейна в приполюсной части выделены уже упоминавшиеся выше зоны ВОЗ над хребтом Ломоносова.

В центральной части суббассейна низко магнитудная зона ВОЗ (до 3.8-4.1) получена в районе Чукотского купола и хребта Нортуинд. 

Заключение

В результате проведенного исследования выделены высоко сейсмичные, слабо сейсмичные и асейсмичные на данном этапе изученности области.

Установлено, что максимальные для региона землетрясения с  mb 5.8-6.1 возможны в дизъюнктивных узлах  осевой части Евразийского суббассейна. Зоны ВОЗ с магнитудами 5.4-5.7 установлены на шельфе моря Лаптевых вдоль границ выделяемой здесь Лаптевской микроплиты.

Помимо зон ВОЗ, связанных с областями рифтогенеза, повышенной активностью отличаются районы современного воздымания: архипелаги Шпицберген, Новая Земля, Земля Франца-Иосифа и Северная Земля, а также побережья Канадского Арктического архипелага, Кольского полуострова, Гренландии и Чукотки. В пределах Земли Франца-Иосифа и Канадского Арктического архипелага землетрясения указанных магнитуд еще не регистрировались. Зоны ВОЗ с  магнитудами 5.0-5.3 выделены в море Бофорта.

Большая часть внутренних областей глубоководного бассейна и шельфовых морей, являются слабо сейсмичными и асейсмичными. Впервые зоны ВОЗ с магнитудами до 3.8-4.1 выделены над хребтом Ломоносова,  северо-восточной частью хребта Альфа, Чукотским куполом и хребтом Нортуинд, на о.Врангеля.

Используя известные соотношения, можно оценить балльность сотрясений в эпицентральных зонах некоторых сейсмоактивных областей. В осевой зоне Евразийского суббассейна, а также на шельфе моря Лаптевых интенсивность сотрясений на поверхности может достигать 8 баллов, на Шпицбергене  и в море Бофорта 7-8 баллов, на Новой Земле – 6-7 баллов, на Земле Франца-Иосифа – 5-6 баллов.

Следует иметь в виду, что указанные значения балльности являются осредненными. Различия инженерно-геологических условий в каждом конкретном участке могут давать приращения балльности до ±2 баллов, в результате чего даже в слабо активных зонах возможно проявление сотрясений в 6 и более баллов.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ гранты 01-05-65450 и 01-05-65481.

Список литературы

Аветисов Г.П. О механизме напряжений в очаге одного арктического землетрясения //Геофиз.методы разведки в Арктике. Л.,  НИИГА, 1978. С.145-148.

Аветисов Г.П. Сейсмоактивные зоны Арктики. СПб., ВНИИОкеангеология. 1996. 183 с.

Аветисов Г.П.. Еще раз о землетрясениях моря Лаптевых //Геолого-геофизические характеристики литосферы Арктического региона. СПб., ВНИИОкеангеология. 2000. Вып.3. С.104-114.

Аветисов Г.П., Винник А.А., Копылова А.В. Модернизированный банк арктических сейсмологических данных  //Российский геофизический журнал. 2001. Вып.23-24. С.42-48.

Ассиновская Б.А. Сейсмичность Баренцева моря М., РАН.1994.128 с.

Бончев А., Буне В.И. и др. Методика составления прогнозной карты сейсмического районирования территории Народной Республики Болгарии //Вопросы инженерной сейсмологии. М., Наука, 1983. Вып.24. С.5-35

Борисов Б.А., Рейснер Г.И., Шолпо В.Н. Выделение сейсмоопасных зон в альпийской складчатой области. М., Наука, 1975. 139 с.

Драчев С.С. Тектоника рифтовой системы дна моря Лаптевых  //Геотектоника. 2000. №6. С.43-58.

Нарышкин Г.Д.  Срединный  хребет  Евразийского бассейна Северного Ледовитого океана. М., Наука, 1987. 72 с.

Панасенко Г.Д., Кременецкая Е.О., Аранович З.И. Землетрясения Шпицбергена М., изд. МГК АН СССР. 1987. 83 с.

Рейснер Г.И. Геологические методы оценки сейсмической опасности. М., Недра, 1980. 174 с.

Садовский М.А. Геофизика и физика взрывов. Избранные труды. М., Наука, 1999. 335 с.

Уломов В.И. Очаговая сейсмичность и долгосрочный прогноз землетрясений //Проблемные вопросы сейсмологии Средней Азии. Ташкент, ФАН, 1988. С.32-87.

Шебалин Н.В. О предельной магнитуде и предельной балльности землетрясения //Физика Земли. 1971. №6. С.12-20.

Avetisov G.P. Some aspects of lithospheric dynamics of Laptev Sea (English translation)  //Physics of the Solid Earth. 1993a. V.29. №5. P.402-412.

Avetisov G.P. Geodynamics of the zone of continental continuation of Mid-Arctic earthquakes belt (Laptev Sea) //Physics of the Earth and Planetary Interiors. 1999. №114. P.59-70.

Fujita K., Koz’min B.M. Seismicity of the Amerasian Arctic shelf and its relationship to tectonic features //Proceedings International Conference on Arctic Margins Anchorage, Alaska. 1992. P.307-312.

Mitchell B.J., Bungum H. et al. Seismicity and present day tectonics of the Svalbard region //Geophys.J.Intern.1990. V.102. P.139-149.