1.2 Сейсмическое состояние Эльбрусской вулканической области
Кавказские Минеральные Воды и Приэльбрусье относятся к Северо-Кавказскому региону, который является одним из наиболее сложных геофизических районов Северного Кавказа.
Повышенный интерес к этому региону обусловлен, прежде всего, тем, что здесь расположен вулкан Эльбрус, который в настоящее время относят к числу «спящих» молодых вулканов [10].
Глубинное строение земной коры и верхней мантии рассматриваемого района было рассмотрено достаточно подробно в ряде работ.
Среди наиболее ярких научных публикаций восьмидесятых годов прошлого столетия следует выделить работы Гаретовской и др., Попова и др.
В этих работах освещены основные особенности строения района Кавказских Минеральных Вод и Приэльбрусья по сейсмическим данным.
Характеризуя состояние исследований в этой области, отметим, что научные результаты, полученные российскими учеными во второй половине прошлого столетия, не утратили своей актуальности и в настоящее время.
Они являются достаточно представительными по охвату геолого-геофизических вопросов.
Главные выводы работ этого периода взяты автором диссертации за основу при изучении всего комплекса задач, связанных с исследованием тепловых и наведенных волновых (сейсмических) процессов в районе Эльбрусского вулканического центра.
Работы наших выдающихся исследователей Эльбруса [11; 12; 13], проведенные в районе Эльбрусского вулканического центра, позволили наметить пути создания физико-геохимической модели вулкана.
В настоящее время удалось с высокой вероятностью указать на наличие магматического очага, который и сегодня находится в достаточно активном состоянии [14].
В течение последних двадцати лет российские геофизики провели ряд экспедиций на вулканическую постройку вулкана Эльбрус и выполнили достаточно большой объем полевых наблюдений и теоретических исследований [15], Ниже приведены некоторые наиболее характерные научные достижения, касающиеся изучения глубинного строения района Кавказских Минеральных Вод и Приэльбрусья.
Наиболее достоверным источником данных сведений о волновых процессах в земной коре Приэльбрусья являются результаты натурных наблюдений непосредственно в районе вулканической постройки.
На рисунке 3, который заимствован из работы приведены записи, отражающие ряд волновых структур (продольных и поперечных волн) в изучаемом регионе. Как правило, первые вступления здесь отчетливые и определяются на сейсмограммах достаточно надежно.
Обращает на себя внимание экспериментальный результат, который показывает, что на удалениях порядка 40-50 км в последующих вступлениях регистрируется волна большей интенсивности; а начиная с расстояний порядка ~70 км эти типы волн наблюдаются уже в виде интерференционного колебания, затухающего далее 80 км.
Записи первых вступлений на ~88 и ~103 км принадлежат более глубоким волнам, чем первые. Здесь авторы выделяют достаточно интенсивные колебания, которые доминирует на общем сейсмическом шумовом фоне.
По оценкам, проведенным в работе [14], эти характерные волновые процессы отражают резонансные особенности слоистой геофизической среды в исследуемом регионе и в первую очередь именно они несут информацию о тонкой структуре среды в районе магматического очага, который располагается в районе вулканической постройки Эльбруса.
При сопоставлении записи продольных волн от промышленных взрывов, наблюдаемых в районе Кавказских Минеральных Вод и Приэльбрусья, с волновой картиной профиля ГСЗ «Степное-Бакуриани» Г.В. Краснопевцева [16] в ряде случаев отмечает отчетливую сопоставимость основных зарегистрированных особенностей с характеристиками сейсмических волн в пределах Центрального Кавказа.
По ее утверждениям интенсивность S-волн здесь значительно выше, чем у волн Р.
По сравнению с последними относительные характеристики S-волн сохраняются, хотя запись первых волн S проще и затухание их более сильное. Такая особенность по-видимому связана с наличием магматического очага, который, как всякое локальное резонансное образование, изменяет структуру волнового поля в своей ближней зоне.
Приведенные результаты позволили построить примерную модель земной коры в изучаемом регионе.
Поскольку абсолютные времена вступлений сейсмических волн от взрывов на сейсмограммах МОВЗ определялись не всегда надежно, то за меру сходимости сравниваемых годографов принималась величина разности вступлений волн S и Р.
Для расчета теоретических годографов принималась многослойная модель земной коры.
Следует отметить и то обстоятельство, что в выбранную модель авторы цитируемой работы ввели слой с пониженной скоростью; последнее допущение было вызвано необходимостью согласования теоретического и экспериментального годографов волны Р.
Основой такого подхода послужило то обстоятельство, что качественным признаком наличия волновода в земной коре района Кавказских Минеральных Вод и Приэльбрусья может служить затухание первых продольных волн на удалениях около 80 км от источника.
Рисунок 3 - Экспериментальные времена глубинных волн для ПВ Тырныауз и теоретические годографы, рассчитанные для вероятной модели земной коры районов КМВ и Приэльбрусья.Теоретические годографы: 1 - продольных волн, 2 - поперечных волн; 3 - наблюденные времена сейсмических волн, 4, 5 — теоретические годографы коровых отражений.
Таблица 1 - Значения скоростных параметров геофизической среды.
Интервал
глубин,
км
|
 ,
км/с
|
 ,
км/с
|
Интервал глубин, км
|
.км/с
|
, км/с
|
0-1
|
3,10
3,30
|
1,80
1,85
|
15-24
|
5,95
6,00
|
3,43
3,47
|
1-6
|
5,80
6,00
|
3,35
3,47
|
24-29
|
6,40
6,45
|
3,70
3,74
|
6-11
|
6,20
6,25
|
3,58
3,61
|
24-44
|
6,90
7,00
|
4,00
4,05
|
11-15
|
5,80
5,85
|
3,35
3,38
|
44
|
8,1
|
4,68
|
Полученные в результате интерпретации сейсмических волновых процессов, наведенных взрывами в карьере Тырныаузского месторождения, значения скоростных параметров геофизической среды в изучаемом районе приведены в таблице 1, а представление о соответствии теоретического и экспериментального годографов для рассматриваемого случая можно получить, если обратиться к рисунку 3.
Сейсмический потенциал Приэльбрусья оценен картой «Общего сейсмического районирования Северной Евразии» (ОСР-97 ) и характеризуется в основном 8-ми и 9-ти балльными зонами интенсивности сотрясений (на средних грунтах в баллах шкалы MSK-64). Границы этих зон рассчитаны при 10%, 5% и 1% вероятностях превышения расчетной интенсивности в течении 50 лет (периоды сотрясений 500, 1000 и 5000 лет соответственно процентам вероятности).
Исторически на территории Кабардино-Балкарии известны сильные и разрушительные землетрясения. Наиболее значительный ущерб принесло 8-ми балльное землетрясение 1350 г. (100 лет) с М=5.9 в Чегемском ущелье, когда под обвалами в горах было погребено несколько селений. Часть сильных землетрясений в ближайших сопредельных районах ощущалась в населенных пунктах КБР.
В Эльбрусской глубинной кольцевой структуре эпицентры слабых землетрясений (КР≤7) расположились по периметру внутреннего кольца структуры, оконтуренного слабыми аномалиями гелия и характеризующимися выделением глубинных газов (Rn, CO2) в подземных водах.
Сейсмическая сеть и ее регистрационные возможности Современное состояние сейсмической сети ГС РАН на Северном Кавказе позволяет регистрировать без пропусков землетрясения с М≥1.0-1.5 на большей части территории Республики, благодаря созданию и развитию сетей Северо-Осетинского филиала и лаборатории мониторинга Кавказских Минеральных Вод ГС РАН. В 2006-2009 гг. эта сеть получила развитие, непосредственно на территории Кабардино- Балкарской Республики (рисунок 4), где в 2006-2008 гг. были установлены две новые станции: «Нальчик» и «Нейтрино» [17]. Эти станции оснащены цифровым 24-разрядным регистрационным оборудованием «UGRA» («Микросейсм», Обнинск), широкополосным сейсмометром СМ3 – ОС в «Нальчике» и короткопериодным СМ3-КВ на «Нейтрино».
Рисунок 4 - Современная сеть сейсмических станций на территории КБР и ее ближайшего окружения по состоянию на январь 2011 г.
Введение в эксплуатацию этих станций позволило существенно расширить регистрационные возможности региональной сейсмической сети в районе Эльбрусского вулканического центра
Получить оценки представительной магнитуды по результатам статистического анализа каталога Северного Кавказа для этого района пока не представляется возможным из-за относительного небольшого периода времени работы станции «Нейтрино» и слабой сейсмичности в регионе.
В связи с этим был применен метод оценки представительных магнитуд землетрясений, основанный на анализе уровня шумов на сейсмических станциях. Как известно, основным фактором, ограничивающим способность сейсмостанций к обнаружению сейсмических источников и оценке их параметров, являются микросейсмические помехи. Последние вызываются суммарным воздействием множества факторов.
Проведено исследование возможных оценок дальности регистрации, исходя из уровня микросейсмических шумов на станциях «Нейтрино» и «Нальчик».
Для получения представительных оценок уровня микросейсмического шума было выбраны записи, свободные от записей землетрясений и не содержащие записей штормовых бурь и прочих колебаний в виде интенсивных помех, в том числе и техногенного характера.
Для корректного использования такого способа при оценке возможной регистрируемой магнитуды на определенном расстоянии, измерения амплитуды микросейсмического шума выполнялись на «симулированной» записи СКМ-3. «Симуляция» записи аналоговых приборов по цифровым записям производилась в программе WSG [18].
Уровень шумов измерен на «симулированной» записи короткопериодного канала типа СКМ-3 в полосе частот 2-5 Гц, наиболее характерной для записей близких и региональных землетрясений. Использовались записи микросейсмического шума в ночное время в январе и феврале 2010 г.
В ходе выполненных исследований была замечена особенность на записях локальных и региональных землетрясений станцией «Нейтрино», заключающая в том, что вопреки имеющимся представлениям, в Р- волне на вертикальной компоненте почти всегда регистрируется сигнал слабее, чем в этот же момент на одной из горизонтальных компонент, соответствующей направлению прихода луча. Вероятно, это объясняется спецификой регистрации сейсмических лучей в штольне на глубине около 2000 м.
Регистрация слабых роевых землетрясений на Северном Кавказе предваряющих относительно сильное землетрясение отмечалась неоднократно в пределах структур Кавказских Минеральных Вод и Терско-Каспийского прогиба.
На территории КБР такое явление зарегистрировано 21 июня 2002 г. за два месяца до относительно сильного землетрясения 22 августа 2002 г. С КР=11.7 в 10 км к северо-западу от его эпицентра. Рой начался 21 июня в 05h57m и состоял из более 30 слабых землетрясений с КР=5.5-9.3, сильнейшим из которых был толчок 21 июня в 13h51m с КР=9.3.
Для 19 землетрясений с КР=6.3–9.3 были определены параметры по данным сети станций. Остальные более слабые события зарегистрированы лишь на ближайших станциях «Куба-Таба» и «Шиджатмаз». В исследовании записей роевых событий обращает на себя внимание факт похожести волновых форм (рисунок 4).
Рисунок 5 - Записи 13 землетрясений роя 21 июня в интервале от 05h57m до 07h40m с КР=5.5 ч 8.1 на вертикальной компоненте станции «Шиджатмаз» – SHA. Записи отфильтрованы в полосе 1–10 Гц.
В 1992–1997 гг. исследования сейсмической активности в районе Эльбруса были продолжены подразделениями ГС РАН. В 1992 г. на северном склоне Эльбруса (рисунок 5) на высоте 3600 м над уровнем моря была установлена сейсмическая станция «Эльбрус», входившая в состав.
На рисунке 6 приведена запись события 11 мая 2010 г. в 13h 51m. Условно выделенные вступления Р- и S- волн имеют различную поляризацию. В начале записи события наблюдаются нечеткие вступления, при этом первый цуг не имеет устойчивой поляризации.
При фильтрации в полосе 1.2−6 Гц событие довольно уверенно выделяется на всех компонентах, с явным преимуществом по амплитуде на компонентах Z и E–W.
График движения частиц, построенный через 0.6 с от начала записи позволяет сделать вывод о линейной поляризации колебаний и азимуте на эпицентр в направлении на северо-запад. Аналогичные по волновой картине события были зарегистрированы 11 мая в 13h 29m и 13h 45m.
Рисунок 6 - Графики движения частиц в разные моменты записи локального события 11 мая 2010 г. (а, б, в) и трехкомпонентные записи «Нейтрино» отфильтрованные в полосе 1.2−6 Гц (г).
Расстояние, определенное по разности вступлений фаз, примерно равно 20 км, что близко с расстоянием от станции «Нейтрино» до Эльбруса. «Симулирование» записи прибора Вуда-Андерсена позволило оценить значение локальной магнитуды ML=0.5, что соответствует энергетическому классу К=3.5.
Спектральный состав событий, зарегистрированных сейсмостанцией «Нейтрино», аналогичен спектральному составу событий, зарегистрированных в 1984 г. и 1997 г., и имеет максимум на частотах 1–4 Гц
Другие локальные события, регистрируемые на станции «Нейтрино» имеют более высокочастотный состав колебаний. Например, 11 мая 2010 г. в 21h 32m зарегистрировано местное землетрясение, эпицентр которого находился в том же направлении (Az=269ϒ) от станции, но в непосредственной близости, примерно в 2.5−3 км от места регистрации. Локальная магнитуда его составила ML= −0.2.
На рисунке 13 представлены его записи, отфильтрованные в полосе 8−22 Гц. Соотношение более выраженной записи в начале на одной из горизонтальных компонент, ближе соответствующих азимуту распространения, и более выраженной S - волны на противоположной компоненте, выявленное на записях сильных землетрясений, сохраняется и этом случае.
Природа регистрируемых низкочастотных событий пока достоверно не определена и требует продолжения исследований с использованием локальных площадных сейсмических групп, одна из которых в ближайшем будущем будет установлена в штольне Баксанской нейтринной обсерватории.
Таким образом, накопленные опыт и отработанные в других районах Северного Кавказа методики, позволяют достаточно детально исследовать и идентифицировать записи слабых сейсмических событий на территории Республики Кабардино-Балкария.
|
