Об опыте сейсм Шпицберген

В течение периода с 30 августа по 10 октября 1983 года силами Полярной экспедиции ПГО "Севморгеология" были проведены экспериментальные опытно-методические сейсмологические наблюдения в двух точках о. Западный Шпицберген с целью выяснения возможности изучения глубинного строения земной коры архипелага методом обменных волн далеких землетрясений (МОВЗ).

На основе всего имеющегося в СССР опыта исследований МОВЗ принято, что для получения надежного временного разреза необходимо получение на каждой точке не менее 5 записей землетрясений, пригодных для выделения обменных волн. В зависимости от удаленности района исследований от сейсмоактивных зон продолжительность наблюдений на точке составляет, в основном, 20-30 суток. В отдельные моменты усиления сейсмической активности оказывается достаточным 5-10 суток, в то же время при значительном удалении района исследований от основных сейсмоактивных зон (Тихоокеанский и Средиземноморско-Азиатский пояса) и высоком уровне микросейсм требуется 40 и более суток. Географическое положение архипелага Шпицберген позволяло предположить наличие неблагоприятных факторов для исследований МОВЗ.

1. Сейсмоактивные зоны с достаточно частой повторяемостью землетрясений находятся на расстояниях не ближе 40° (Средиземноморско-Азиатский пояс) и 60° (Тихоокеанский пояс).

2. Близость открытого и незамерзающего моря, являющегося источником высокого фона микросейсмических помех.

Регистрация землетрясений велась с использованием регистраторов "Черепаха". Сейсмографы помещались в деревянные короба высотой 0,5 м и площадью 1х1 м. Для предотвращения прямого воздействия атмосферных явлений короба закрывались деревянной крышкой и брезентом. Диапазон регистрируемых частот составил 0,5-16 Гц. При воспроизведении с помощью поляризационного сейсмического анализатора трехкомпонентная запись преобразовывалась в 21-компонентную, что существенно повышало эффективность распознавания и выделения полезных волн.

Обе точки находились в районе рудника Баренцбург: т.1 была расположена на коренных породах в 1,5 км от берега, т.2 - на галечниковых отложениях в 150 м от берега.

В течение всего периода наблюдений отмечался высокий уровень микросейсм. Частота волн-помех имела значения не выше 1-2 Гц, которые практически совпадают с частотой записи далеких землетрясений. Основным источником помех явилось волнение открытого моря, в пользу чего свидетельствуют следующие факторы.

1. Надежная изоляция сейсмографов от прямого воздействия ветра.

2. Низкие частоты волн-помех.

3. Повышенные амплитуды записи на вертикальной составляющей, характерные для релеевских волн. На т.2 влияние открытого моря затушевывается еще более сильным воздействием прибоя в фиорде (рис. 1).

4. Значительно большая инерционность изменения фона микросейсм по сравнению с колебаниями силы ветра (рис.2).

Всего на т.1 зарегистрировано 12 далеких землетрясений с эпицентральными расстояниями D° = 40-70°. Магнитуда землетрясений не ниже 5,5, в основном 5,7-6,3. Из этих 12 землетрясений на т.2, расположенной на галечниковых отложениях в прибрежной зоне, зарегистрировано лишь 4 с магнитудами 6,1 (D° = 60°), 6,3(D° = 45°) и 6,2(D°= 61°). Большая часть землетрясений характеризуется длинным, слабо затухающим цугом продольных волн и не может быть использована для выделения обменных волн. Пригодными для этой цели на т.1 оказались 4 землетрясения (рис.3), на т.2 - ни одного.

Кроме далеких, получены записи 44 близких землетрясений с D = 45-300 км. Записи типичны и характеризуются наличием двух основных групп волн: продольных Р и поперечных S (рис.4). Вслед за поперечными, интерферируя с ними, регистрируются поверхностные волны R. Частота Р и S-волн соответственно 3-5 и 2-4 Гц, интенсивность S-волн в 5-10 раз выше. Благодаря существенному различию частотных спектров волн близких землетрясений и микросейсм, применение частотной селекции при воспроизводстве сейсмограмм позволило получить надежные записи даже при высоком уровне помех (в том числе и на т.2). По особенностям записи (незначительные углы выхода, интенсивные поверхностные волны) все зарегистрированные близкие землетрясения можно отнести к типу коровых.

По результатам проведенных опытно-методических наблюдений можно сделать следующие выводы о возможностях проведения широкомасштабных сейсмологических наблюдений на архипелаге Шпицберген.

а. Исключается возможность установки станций непосредственно в прибрежной зоне (десятки и первые сотни метров от береговой линии). Тем самым снимается вопрос об использовании, в качестве производственного, водного транспорта.

б. Землетрясения с магнитудой < 5,5 не регистрируются из-за высокого фона микросейсм, основным источником которых является волнение открытого моря.

в. Всего за период наблюдений в Оперативном сейсмическом каталоге (ОСК) СССР отмечено 56 землетрясений с магнитудой ~5,5, из них зарегистрировано лишь 12 (табл.1), т.е. 21%. Для сравнения в 1986 и 1987 гг. за этот же период времени в ОСК отмечено соответственно 43 и 53 землетрясения с магнитудой ~5,5.

В соответствии с приведенными выше данными регистрировалось одно в 10 суток землетрясение, пригодное для выделения обменных волн. Для набора 5-7 таких землетрясений потребуется продолжительность наблюдений на точке не менее 50 суток. За один сезон продолжительностью 3 месяца (с учетом организации и ликвидации) при наличии 10-12 регистраторов и авиаобеспечения (полеты в среднем 1 раз в 5-7 дней) возможно изучение профиля длиной порядка 100 км (10-12 точек с шагом 9-10 км). При площадной расстановке регистраторов за несколько сезонов может быть получена пространственная картина глубинного строения архипелага или отдельных его регионов, от которой легко перейти к профильным сечениям в любом интересующем направлении.

д. Кроме далеких землетрясений, уверенно с периодичностью в среднем 1 событие в сутки регистрируются близкие землетрясения. На основе регистрации близких землетрясений может быть получена следующая геологическая информация:

- выявление местоположения и глубинности зон современной тектонической активности,

- определение скоростных характеристик среды, необходимых при построении глубинного разреза земной коры по данным МОВ3.

Высокая геологическая эффективность материалов по близким землетрясениям возможна лишь в случае площадной расстановки регистраторов.

Информация о глубинном строении земной коры под т.1

по данным обменных волн землетрясений

Вся информация, полученная по результатам выделения обменных волн, представлена в табл.2.

Скоростная характеристика среды определена на основании данных ГСЗ, проведенных в центральной части о. Западный Шпицберген в 1978 году [3]. Малодетальные наблюдения ГСЗ (4 стационарные станции, разбросанные на десятки километров друг от друга в центральной и северной частях о. Западный Шпицберген, и 12 взрывов в Ис-фиорде и Стур-фиорде) позволили получить лишь общее представление о глубинной структуре. В результате моделирования и решения прямой задачи наилучшего совпадения теоретических и наблюденных годографов удалось добиться при модели среды, указанной на рис.5.

Сравнение результатов ГСЗ и МОВЗ показало хорошее совпадение для горизонтов I, VI и М. Горизонт I соответствует подошве осадочного чехла (4 км по данным ГСЗ), горизонт VI - границе между "гранитным" и "гранулито-базитовым" слоями (23 км), горизонт М - подошве земной коры (35 км). В "гранитном" слое по данным ГСЗ отмечена лишь слабая (перепад скоростей 0,05 км/с) инверсионная граница на глубине 16 км. В то же время в "гранулито-базитовом" слое выделены три горизонта на глубинах 27, 30 и 32 км, из которых первый и третий - инверсионные.

По данным Е.О. Кременецкой [1], полученным на основе выделения волн, отражающихся от дневной поверхности и границ раздела в районе точки наблюдений, глубина залегания раздела М в районе Баренцбурга составила 33 км, в пределах земной коры отмечается граница раздела на глубине 20 км.

Информация об эпицентрах близких землетрясений

В работе [2] получены два типа годографов: первый - для землетрясений срединно-океанического хребта, волны которых распространяются по смешанному океаническо-континентальному пути, второй - для землетрясений Шпицбергена, волны которых распространяются в пределах коры континентального типа. По первой группе землетрясений вклад океанического участка пути увеличивается с увеличением эпицентрального расстояния и становится определяющим при его величине свыше 200 км. Именно для таких удалений и построен годограф в [2].

Подавляющее большинство зарегистрированных станциями ПМГРЭ землетрясений этой группы имеют эпицентральные расстояния 120-140 км, что дало основание использовать для них, как и для землетрясений второй группы, годограф второго типа. Следует отметить, что сравнение показало его близкое сходство с известным годографом Розовой.

Положение эпицентров определено для 24 из 44 зарегистрированных землетрясений. Точность построений всего по двум, да еще близко расположенным друг к другу станциям невелика и позволяет лишь наметить зоны повышенной сейсмичности.

Наиболее явное сгущение эпицентров устанавливается практически к западу от станций наблюдений на расстоянии 120-140 км (рис.6). Оно приурочено к восточному склону хребта Книповича, являющегося фрагментом глобальной системы рифтовых срединно-океанических хребтов.

Отдельные эпицентры отмечены вдоль западного побережья южной части о. Западный Шпицберген.

Вторая зона повышенной сейсмичности, по-видимому, не связанная с процессами рифтогенеза, намечается в районе Стур-фьорда. Характерно, что эпицентры тяготеют не к осевой, а к прибрежным его зонам. Сгущение из трех эпицентров приурочено к зоне выхода из Стур-фьорда в пролив Фримана, разделяющий острова Баренца и Эдж.

Один эпицентр получен в заливе Вейде-фьорд, внедряющемся с севера вглубь о. Западный Шпицберген.

Список литературы

1. Кременецкая Е.О. О глубинном положении некоторых сейсмических границ Кольского полуострова и о. Западный Шпицберген / / Геофизические исследования на Европейском Севере СССР. Апатиты, изд. Кольского филиала АН СССР, 1983. С.44-50.

2. Панасенко Г.Д., Кременецкая Е.О., Аранович З.И Землетрясения Шпицбергена. М., 1987. 82 с.

3. Селлевол М. Изучение земной коры сейсмическими методами на Шпицбергене. 1978 (перевод с англ.). Л., 1986.