Кратковременные сейсмические наблюдения на Приполярном Урале в 2021 году

На территории Республики Коми сейсмологические наблюдения проводятся двумя станциями, расположенными на юге республики, что совершенно недостаточно в современных условиях (рис. 1). Для сравнения с соседними регионами: Уральская сейсмическая сеть [7] состоит из 13 сейсмостанций, Архангельская сейсмическая сеть – из 10 [8], некоторые из них представлены на рис. 1. Назрела насущная необходимость открытия новых сейсмических станций, особенно в северных горно-добывающих районах, и создания сейсмологической сети в Республике Коми. В связи с этим в июле 2021 г. были организованы экспедиционные рекогносцировочные работы на Приполярный Урал, целью которых являлась установка сейсмической станции локального и регионального уровней на севере республики. Для этого решались следующие задачи: рекогносцировка местности, выбор пункта наблюдения, наиболее оптимального с точки зрения уровня микро-сейсм и доступности необходимых коммуникаций; подготовка площадки под установку станции и собственно размещение регистрирующего оборудования; обработка поступающих данных и замеры микросейс-мического фона. Работы проводились в труднодоступном месте, в национальном парке «Югыд Ва», являющемся объектом федерального значения и всемирно- го природного наследия ЮНЕСКО. Это один из крупнейших природных резерватов не только в России, но и в мире.

Как оказалось, особых альтернатив при выборе места организации сейсмических наблюдений не было. Сейсмическая станция «Желанное» (ZHO) была установлена на г. Баркова, между ручьями Каменистый и Травянистый, на приустьевой площадке законсервированной штольни №16, на высоте 946 м, координаты 65.2004N, 60.279E (рис. 1, 2). Штольня №16 находится в центральной части западной зоны месторождения «Желанное», расположенного в центральной части Желаннинского кварцево-жильного и хрусталеносного поля в северо-западном крыле антиклинали Санаиз на Приполярном Урале. Выбор места объясняется близостью к электропитанию, наличием гидроизоляции и ан-тивандальной защиты, но в то же время удаленностью от антропогенной деятельности. С 2016 г. горные работы на руднике месторождения «Желанное» не ведутся, штольни и добычное оборудование законсервированы. Функционирует вахтовый поселок, расположенный в 1.5 км от места установки сейсмологической станции.

До недавнего времени территория северной части Урала (Полярный, Приполярный и Северный Урал) считалась асейсмичной. Лишь с расширением сейсмических сетей на севере и востоке европейской части

Рис. 1. Расположение сейсмических станций и региональных эпицентров в 2021 г.

Условные обозначения: 1–3 – сейсмические cтанции: 1 – стационарные ИГ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, 2 – временная ИГ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, 3 – Уральской и Архангельской сетей; 4 – региональные эпицентры в 2021 г.

Fig. 1. Locations of seismic stations and regional epicenters in 2021.

Legend: 1–3 – seismic stations: 1 – stationary IG FRC Komi SC UB RAS, 2 – temporary IG FRC Komi SC UB RAS, 3 – Ural and Arkhangelsk networks; 4 – regional epicenters in 2021

России стали регистрироваться события малых магнитуд. Так, например, 4 января 2015 г. практически всеми станциями мира зафиксировано землетрясение на Приполярном Урале с M_L = 4.6 [5], а это всего в 70 км от района исследований. На Полярном Урале 24 декабря 2012 г. произошло землетрясение с M_S = 3.2, которое рассчитано во множестве сейсмических центров [5]. Также зарегистрированы землетрясения на Северном Урале 28 января 2014 г., M_L = 3.2 и 21 марта 2015 г., M_L = 3.1 [5, 6]. В целом северная часть Урала характеризуется слабой рассеянной сейсмичностью.

Кроме того, на севере республики случаются низ-комагнитудные сейсмические события, обусловленные расположением здесь месторождений Печорского угольного бассейна, Тимано-Печорской нефтегазоносной провинции, а также множества месторождений различных руд и минерально-строительного сырья, разработка которых является причиной возникновения техногенных событий. Таким образом, установка сейсмической станции на севере республики позволит получать представления о природной сейсмичности региона и влиянии техногенной нагрузки на геологическую среду.

Методика исследований

Сейсмические наблюдения проводились сейсмостанцией, оснащенной короткопериодными сейсмоприемниками СМ-3КВ и цифровым регистратором SDAS (разработка НПП «Геотех+» совместно с ФИЦ «Единая геофизическая служба РАН»). Определение параметров региональных гипоцентров выполнялось в программе LOS [1] методом минимизации невязки времени в очаге, с использованием скоростной модели для Восточно-Европейской платформы [12], дополненной глубокими слоями модели AK-135 [10]. Энергетические величины событий [2] рассчитывались в программе WSG [4]. Исследование микросейсм производилось в программе Р. А. Дягилева MicroNoise v 1.3.1 [3] по спектрам мощности сейсмических шумов с применением спектральной оценки Бартлетта.

Микросейсмический шум

Место размещения аппаратуры оказалось оптимальным с точки зрения наличия электропитания, транспортной доступности, удалённости от вахтового посёлка и, соответственно, низкого уровня микросейсм. В поселке рабочий персонал поддерживает жизнедеятельность оборудования, зданий и сооружений. Активность, связанная с туристической деятельностью, носит эпизодический характер в кратковременный сезон. Поэтому удаления станции от поселка на 1.5 км вверх (превышение по высоте 300 м) по склону г. Баркова (рис. 2) достаточно, чтобы уйти от техногенных помех. В межсезонье возможна регистрация морозобойных тресков озера Большое Балбанты, но в целом место установки оборудования около недействующих штолен тихое.

Была выполнена оценка микросейсмического шума станции «Желанное» (ZHO), уровень которого связан с обнаружением близких низкомагнитудных сейсмических событий (рис. 3, 4). Станция хоть и была монтирована на коренных породах, условия установки оказались неидеальные – шумы на частотах свыше 5 Гц обусловлены, вероятно, вибрацией ангаров, расположенных вблизи со станцией, под действием ветра (рис. 5). При этом помехи носят эпизодический характер и фильтруются на частотах 0.7–1.4 и 1–3, 2–8 Гц для телесейсмических и региональных событий соот-

Рис. 2. Вид на г. Баркова с хребта Малдынырд

Fig. 2. View of Mount Barkov from the Muldynyrd ridge

Рис. 3. Спектры мощности дневного шума сейсмических станций «Желанное», «Пожег» и «Сыктывкар» (компонента z) в сравнении с новыми моделями с высоким (NHNM) и низким (NLNM) уровнями шума [11]

Рис. 4. Спектры мощности ночного шума сейсмических станций «Желанное», «Пожег» и «Сыктывкар» (компонента z) в сравнении с новыми моделями с высоким (NHNM) и низким (NLNM) уровнями шума [11]

Fig. 3. Daytime seismic noise power spectra of ZHO, PZG, SYK seismic stations (component z) in comparison with new models with global New Models with High (NHNM) and Low (NLNM) noise levels according to Peterson [11]

ветственно. И всё же записи станции «Желанное» характеризуются относительно низким уровнем мощности сейсмического шума в сравнении со среднемировыми кривыми шума Петерсона (рис. 3, 4).

Также дополнительно был соотнесён уровень помех станции «Желанное» с микросейсмами станций «Пожег» (PZG) и «Сыктывкар» (SYK). В данных пунктах наблюдения спектральная картина сохраняет относительную устойчивость на протяжении достаточно длительного промежутка времени, поэтому на рис. 3 и 4 представлена характеристика суточного хода. Предсказуемо самым высоким уровнем шума характеризуется станция «Сыктывкар», т. к. она расположена в городской черте. Возможно, также оказывает влияние и расположение станции в пределах платформенной структуры, характеризующейся мощным осадочным слоем. На станции «Пожег» присутствует как высокочастотный техногенный шум, сопоставимый с шумом на станиции «Сыктывкар», так и естественные микросейсмы, мощность которых имеет промежуточное значение по трём станциям.

Результаты

Работы носили рекогносцировочный характер. Вместо запланированного продолжительного времени работы станции наблюдения получились краткосрочными, на это повлияли объективные и субъективные причины. На территории Республики Коми достаточно непросто найти подходящее место для сейсмологических наблюдений. Во-первых, неблагоприятные грунтовые условия. Четвертичные отложения образуют практически сплошной покров, представлены гравийно-галечными и песчано-глинистыми осадками. Неблагоприятным фактором являются также суровые природно-климатические условия, в том числе наличие криолитозоны в северных районах республики. Во-вторых, большую часть пространства республики

Fig. 4. Night seismic noise power spectra of ZHO, PZG, SYK seismic stations (component z) in comparison with global New Models with High (NHNM) and Low (NLNM) noise levels according to Peterson [11]

составляют малоосвоенные территории со слабой инфраструктурой, географической удаленностью и неравномерностью распределения населения. Помимо этого, на сроки и качество проведения наших работ влияли такие факторы, как пандемия, слабая техническая оснащенность и финансирование.

Сейсмическая станция на Приполярном Урале за 13 дней работы зарегистрировала 113 телесейсмиче-ских и 4 региональных сейсмических события. За то же время стационарная станция «Сыктывкар» ИГ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН записала 54 телесейсмических и 1 региональное событие. Станция «Пожег» в этот период работала с большими пропусками. Пример записи станций «Желанное» и «Сыктывкар» на открытом канале приведён на рис. 6. На сейсмограмме — запись землетрясения севернее Северной Земли 27 июля 2021 г., которое зафиксировала станция «Желанное» и не отразила станция «Сыктывкар».

Очевидно, что особый интерес представляют близкие сейсмические события. Одно из них зарегистрировано 2 августа 2021 г. и рассчитано нами по записям

Рис. 5. Вид сверху с горы Баркова

Fig. 5. Top view from Mount Barkova станций «Желанное» и «Амдерма» (рис. 1, 7), данные которой предоставлены коллегами из Архангельской сейсмической сети (AH) [9]. Основные параметры события: время в очаге t0 = 23:06:50.9, координаты — 67.5406N, 64.4211E при глубине 0 км, эллипс ошибок Az = 90°, Smin = 4.5 км, Smax = 23.2 км, энергетический класс по Т. Г. Раутиан Кр = 7.7, локальная магнитуда ML = 2.5. Близость события к г. Воркуте даёт основание предположить, что это горный удар на воркутинских угольных шахтах.

В тот же день, 2 августа 2021 г. (t ₀ = 18:49:16), станция «Желанное» зафиксировала горно-тектонический удар в г. Североуральске (рис. 1, 8) на Североуральском бокситовом руднике [7]. Рассчитанные координаты: 60.256N, 59.855E, h = 0 км, К р = 9.6, M_L = 3.2.

Также на записях станции «Желанное» за 29 и 30 июля 2021 г. присутствуют вступления волн, похожие на два слабых события (рис. 9). Поляризационный анализ показывает северное направление прихода P-волн,

06:22:30                   06:23:24                   06:24:18                   06:25:12                   06:26:06

Рис. 6. Фрагмент сейсмической записи вертикальной компоненты станций «Желанное» и «Сыктывкар». Землетрясение севернее Северной Земли, 27.07.2021, t₀ = 06:17:57, mb = 4.7, I₀ = 5

Fig. 6. Fragment of the seismic record of the vertical component of the Zhelannoye and Syktyvkar stations. Earthquake north of Severnaya Zemlya, 07.27.2021, t₀ = 06: 17: 57, mb = 4.7, I₀ = 5

23.07:30.000                           23.09:00.000                           23.09:30.000

Рис. 7. Трёхкомпонентные записи станций «Амдерма» и «Желанное» сейсмического события 2 августа 2021 г. в 15 км от Воркуты, отфильтрованные в полосе 2–12 Гц

Fig. 7. Three-component records of the AMDE1 and ZHO stations of a seismic event 15 km from Vorkuta on August 2, 2021, filtered in the 2-12 Hz band

18:50:25              18:51:11

18:51:57              18:52:43

Рис. 8. Фрагмент волновых форм техногенного землетрясения на Североуральском бокситовом руднике 2 августа 2021 г., z-компоненты станций «Пожег», «Сыктывкар», «Желанное»

Fig. 8. Fragment of waveforms of a technogenic earthquake at the Severouralsk bauxite mine on August 2, 2021, z-components of the ZHO, PZG, SYK stations

18:42:00

18:42:16

18:42:32

18:42:48

18:43:04

Рис. 9. Сейсмограммы станции «Желанное» возможных сейсмических событий неизвестного происхождения 29 июля (а) и 30 июля (б) 2021 г., M_L = 1.7. Фильтр 1–6 Гц

Fig 9. Seismograms of ZHO station of possible seismic events of unknown origin on July 29 (a) and July 30 (b) 2021, ML = 1.7. Filter 1–6 Hz но очень неустойчив, как и решение по одной станции. Эпицентральные окружности событий проходят через северные районы республики и, возможно, это взрывы на горных выработках Полярного Урала в Воркутинском районе Республики Коми или в прилегающих районах Ямало-Ненецкого автономного округа. Достоверно сло-цировать и идентифицировать эти «события» не представляется возможным, поэтому они в нашем каталоге будут отмечены как «неизвестного происхождения».

Выводы

Впервые проведены сейсмологические наблюдения на Приполярном Урале, которые хоть и носили кратковременный характер, но продемонстрировали оптимальные условия регистрации. Была выполнена оценка микросейсмического шума. Амплитудно-спектральный состав помех в пункте наблюдения показал преобладающее значение энергии микросейсм в высокочастотной части спектра. По мере уменьшения частот энергия снижается и становится на один-два порядка ниже.

Приемлемое качество регистрации станции «Желанное» позволило понизить порог представительности регистрируемых сейсмических событий и увеличить регистрационную статистику. За короткий период работы было зарегистрировано в 2 раза больше событий, чем за это же время на стационарной станции «Сыктывкар». Конечно, сложно делать какие-то масштабные выводы по результатам двухнедельной работы станции. Однако сейсмологические наблюдения на 50

Приполярном Урале показали принципиальную возможность регистрации низкомагнитудных региональных событий, в частности в Воркутинском горно-добывающем районе, и просто отличное качество записи событий выше M_L = 3.0. Всё так же актуальной остается задача идентификации слабых сейсмических событий. Для этого необходимы продолжительный период наблюдений и представительная статистика сейсмических событий.

Открытие новой сейсмической станции на севере Республики Коми позволит осуществлять мониторинг горно-добывающих районов республики, а также сформирует примитивную региональную сейсмическую сеть на её территории. Тем самым появится возможность изучения природной и техногенной сейсмичности региона.

Авторы глубоко признательны коллегам из ФИЦ ЕГС РАН Апатитов, Архангельска, Обнинска и Перми за предоставленные записи сейсмических событий и консультирование, всему составу геологического отряда №6 сезона 2021 г. Института геологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, а также сотрудникам И.В. Соловьёву и В. И. Арихиной за неоценимый вклад при проведении данных исследований.