Город как экосистема

ДЕТАЛЬНОЕ СЕЙСМИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА

УДК: 550:721.011.27
Шифр научной специальности: 26.3:85.11

Аннотация

На Среднем Урале активно ведется гражданское и промышленное строительство. Здесь сосредоточены крупные города, промышленные предприятия. Эти инженерные объекты подвергаются воздействию ряда неблагоприятных природных факторов, одни из них – землетрясения, сопровождающие становление новейшего Уральского горного сооружения, возникшего в течение последних приблизительно 30 млн.лет на месте (точнее – в западной части) древнего (палеозойского) горно-складчатого сооружения, разрушенного процессами выветривания в мезозойско-кайнозойское время (в последние приблизительно 250 млн. лет) [1, 2, 3].

С 1788 по 2014 гг. в центральной части Уральского региона было отмечено порядка 43 ощутимых землетрясения силой от 3–4 до 5–6 баллов по шкале MSK-64 [4, 5] (рис.1, 2). Из них, согласно [5], лишь одно Билимбаевское землетрясение 17.08.2014 г. имело силу сотрясения в эпицентре 6 баллов по шкале MSK-64. Все остальные события были слабее. Анализируя графики на рис. 2, можно заключить, что Билимбаевское землетрясение произошло в особый период, когда отмечались достаточно резкие вариации скорости вращения Земли.

Очаги землетрясений, согласно [5, 6], локализованы преимущественно в породах кристаллического фундамента на глубинах от первых километров до 25 км. Большая часть эпицентров ощутимых Уральских землетрясений сосредоточена на Среднем Урале и прилегающих к нему частях Северного и Южного Урала преимущественно в пограничной зоне Восточно-Европейской платформы (ВЕП) и Уральского новейшего орогена (рис. 1). Ни севернее, ни южнее подобных областей относительно повышенной сейсмичности на Урале не имеется [6, 7].

Низкая сейсмическая активность и относительно невысокий сейсмопотенциал земной коры Среднего Урала, возможно, сопряжены с низкими амплитудами и скоростями деформации земной коры Урала в новейшее время (в последние 30 млн. лет). Согласно [8], новейшие движения (деформации) земной коры лучше всего характеризуют запасенную в земной коре сейсмическую энергию. В центральной части Уральского региона амплитуды новейших вертикальных движений (деформаций) земной коры оцениваются в пределах от 225–350 м до 400–700 м по [1,2].

На Тянь-Шане, являющемся таким же, как и Урал, новейшим эпиплатформенным эпипалеозойским орогеном, согласно [9], амплитуды вертикальных новейших деформаций составляют от 2-5 км до 10-14 км. Поэтому Тянь-Шань в отличие от Урала характеризуется высокой сейсмической активностью и высоким сейсмопотенциалом недр (рис. 3 а, б). Здесь ощутимые землетрясения происходят гораздо чаще, чем на Урале и характеризуются гораздо большим диапазоном энергии по сравнению с редкими и относительно слабыми уральскими сейсмическими событиями [10]. Области северных предгорий Тянь-Шаня, где амплитуда вертикальных новейших деформаций земной коры составляет менее 500 м, согласно [10], отнесены к областям тектонической стабилизации. В пределах этих областей отмечается редкое возникновение очагов землетрясений силой не более 7 баллов по шкале MSK-64.

По этому же критерию – амплитудам вертикальных деформаций земной коры за новейшее время (последние 30 млн. лет), Урал также может быть отнесен к областям тектонической стабилизации с редко возникающими очагами землетрясений с интенсивностью сотрясения в эпицентральных зонах, не превышающих 6,0–6,5 баллов по шкале MSK-64.

В 1940 г. данная Средне-Уральская область редко происходящих относительно слабых землетрясений в работе З.Г. Вейс-Ксенофонтовой и В.В. Попова [4] была выделена как район, где возможно возникновение очагов ощутимых землетрясений с силой сотрясения в эпицентрах до 6 баллов по шкале MSK-64. Эта схема является первой схемой сейсмического районирования центральной части Уральского региона (рис. 4).

Позднее, в 1949 г. Средний Урал и прилегающие к нему части Северного и Южного Урала выделялась на первой карте сейсморайонирования СССР как район возможных пятибалльных сейсмических сотрясений [7]. На карте сейсморайонирования СССР 1978 г. СР-78 Средний Урал как потенциально сеймичная область выделен не был, несмотря на то, что в работе [10], являющейся пояснением к данной карте, делается вывод, что район среднего течения р. Кама и Средний Урал (включая Свердловск) следует выделить как область возможных 6-балльных сейсмических сотрясений.

В 1997 г. по результатам Общего сейсмического районирования территории Российской Федерации ОСР-97 Средний Урал и прилегающие к нему части Южного и Северного Урала были отнесены к потенциально сейсмичным регионам, в которых при проектировании и строительстве инженерных сооружений необходимо учитывать сейсмичность [11,12]. Актуальной стала задача детального сейсмического районирования центральной части Уральского региона и оценки величины расчетной силы сейсмического воздействия на планируемые к строительству и реконструкции инженерные сооружения.

В рамках решения этой задачи нами по совокупности имеющихся на сегодняшний момент данных об ощутимой сейсмичности Урала, приведенных в работах [4,5,6,7,13], составлена схема детального сейсморайонирования центральной части Уральского региона (рис. 6). Методика построения схемы сейсмического районирования основывалась на использовании совокупности имеющихся на сегодняшний момент данных об ощутимой сейсмичности Среднего Урала и на использовании сейсмо-тектонического (сейсмо-геологического) подхода.

Согласно этой схеме, Средне-Уральская потенциально сейсмичная область, в пределах которой величина наибольшей возможной силы сейсмического воздействия оценивается от 5 до 6 баллов по шкале MSK-64, имеет эллипсовидную форму. Данная область вытянута в северо-западном направлении по азимуту около 330 градусов и охватывает территорию Среднего Урала от района Миасса и Челябинска на юге и юго-востоке до района Соликамска на северо-западе и от района г. Оса и г. Чернушка на юго-западе до района Туринска на северо-востоке. В пределах этой области, согласно [4,5], в прошлом отмечались ощутимые сейсмические сотрясения силой до 5–6 баллов по шкале MSK-64 (рис.1, 5).

В центральной части Средне-Уральской потенциально сейсмичной области выделяется зона, где величина наибольшей возможной силы сейсмического воздействия оценивается в 6 баллов по шкале MSK-64 (рис. 6). Область охватывает территорию Среднего Урала, соответствующую преимущественно Чусовскому новейшему понижению – участку долины р. Чусовая от района Екатеринбурга на юго-востоке до района города Чусовой на северо-западе. В пределах нее локализованы эпицентры наиболее сильных землетрясений Среднего Урала силой до 6 баллов по шкале MSK-64, магнитуда которых, согласно [5], оцениваетсяв 4,0–5,0 (рис. 5).

Вытянутость Средне-Уральской потенциально сейсмичной области в северо-западном направлении, по-видимому, не случайна, так как соответствует направлению основных геолого-тектонических структур рассматриваемого района. Большая ось Средне-Уральской потенциально сейсмичной области на западном склоне Среднего Урала и в районе к западу от Урала приурочена к участку пограничной зоны между Средне-Уральским участком Уральского новейшего орогена и Камско-Башкирским мегасводом древнего кристаллического фундамента ВЕП (рис. 6). Средне-Уральский участок новейшего Уральского орогена имеет общее северо-западное направление, по-видимому, отражающее направление древних геолого-тектонических структур существовавшего здесь ранее, согласно [3], поздневендского Урало-Тиманского орогена.

Анализ геофизических и геологических материалов, содержащихся в работе [14], свидетельствует о том, что упомянутая пограничная зона может представлять собой участок еще более крупной пограничной зоны, разделяющей крупные неоднородности в земной коре и верхней мантии (рис. 7). Эти неоднородности имеют характер трансорогенных структур. Данная пограничная зона, по-видимому, является долго живущей деформационной структурой земной коры, в пределах которой сохраняется тенденция к погружению земной поверхности. В вендское время этой структуре соответствовал Предтиманский предгорный прогиб, описанный в работе [3] (рис. 7). В мезозойское время ей соответствовала Чусовская эрозионно-структурная депрессия, а в новейшее время по этой зоне развилось Чусовское новейшее понижение. Эти структуры приведены и описаны в работе [2].

На современном этапе, согласно схеме скоростей современных вертикальных движений земной коры, которая приведена в работе [15], в пределах Чусовского новейшего понижения также сохраняется тенденция относительного погружения и замедления воздымания земной поверхности (рис. 8). Не исключено, что под этой структурой в земной коре и верхней мантии существует современная зона относительного субгоризонтального растяжения. Схема развития подобных зон погружения приведена в работе [16].

На современном этапе Чусовское новейшее понижение и прилегающие к нему участки –  наиболее сейсмически активная структура центральной части Уральского региона, здесь локализованы эпицентры наиболее сильных 5-6-балльных по шкале MSK-64 землетрясений Среднего Урала, магнитуда которых, согласно [5], оценивается в 4,0–5,0 в том числе Билимбаевского 17.08.1914 г. и события 23.05.1798 г., магнитуда которых оценивается как порядка 5,0 (рис. 1, 5, 6, 8). Не исключено, что редко происходящие землетрясения подобной силы будут возникать в этой зоне и в будущем. Чусовское новейшее понижение и прилегающие к нему территории можно рассматривать как зону возможного возникновения очагов наиболее сильных на Среднем Урале ощутимых землетрясений (как зону ВОЗ) силой порядка 6 баллов по шкале MSK-64. Согласно зависимости между баллами сейсмических сотрясений и пиковыми ускорениями движения грунта, приведенной в работе [17], последние в пределах Чусовского новейшего понижения можно оценить как порядка 50 см/с² по шкале MSK-64, а на остальной части Средне-Уральской потенциально сейсмичной области, где наибольшая величина силы сейсмического воздействия оценивается как порядка 5 баллов по шкале MSK-64, пиковые ускорения оцениваются как порядка 25 см/с² по шкале MSK-64.

На северо-западном продолжении осевой зоны Средне-Уральской потенциально сейсмичной области протягивается цепочка эпицентров горных ударов и природно-техногенных землетрясений на месторождениях Кизеловского угольного бассейна и Верхне-Камского месторождения минеральных солей, а также 3-5-балльных по шкале MSK-64 землетрясений в районе г. Добрянка и д.Тихая (рис. 6). На юго-восточном ее продолжении располагается эпицентр Сысертского землетрясения 10.07.1892 г., сила которого оценивается как порядка 4–5 баллов по шкале MSK-64. В юго-восточной части Средне-Уральской потенциально сейсмичной области вблизи юго-восточного продолжения ее оси располагается Златоуст-Миасс-Кыштымский сейсмичный район, в пределах которого за последние 250 лет были отмечены наиболее сильные (около 4–5 баллов по шкале MSK-64, согласно [4,5]) сейсмические сотрясения Южного Урала. Эпицентры этих землетрясений могли быть локализованы в осевой зоне или в ближней зоне геодинамического влияния Главного Уральского глубинного разлома (рис. 6).

На основании изложенного можно заключить, что инженерно-сейсмические условия в центральной части Уральского региона благоприятные и безопасные. Это обусловлено невысокой сейсмической активностью земной коры и благоприятными сейсмогрунтовыми условиями рассматриваемого региона, характеризующимися преимущественным развитием наиболее благоприятных в инженерно-сейсмическом отношении скальных грунтов первой категории по сейсмическим свойствам по классификации СН и П II -7-81*, представленных палеозойскими и допалеозойскими горными породами. Эти грунты перекрыты неравномерной мощности (от 0,0 м до 10–15 м и более) чехлом коры выветривания, четвертичных и техногенных отложений. Опыт инструментальных сейсмических наблюдений на Среднем Урале свидетельствует о том, что приращения силы сейсмического воздействия на земной поверхности в пределах региона в зависимости от грунтовых условий небольшие и составляют в основном менее 0,5 балла (0,2–0,4 балла) по шкале MSK-64. Схема сейсмического районирования центральной части Уральского региона (рис. 6), построенная с использованием данных о наблюденных сейсмических сотрясениях, отражает это обстоятельство. Эту схему рекомендуется использовать для оценки величины расчетной силы сейсмического воздействия на планируемые к строительству и реконструкции инженерные сооружения.

Рис. 1. Схема изосейст наблюденных сотрясений в баллах шкалы MSK-64 ощутимых землетрясений в центральной части Уральского региона за 1788–2013 гг.
Сост. А.Н. Гуляев. Институт геофизики УрО РАН. Компьютерная графика А.Ю. Осиповой. Схема совмещена с тектонической картой Урала 1983 г., под ред. И.Д. Соболева. Цифрами на изосейстах обозначены год сейсмического события и сила сотрясения в баллах по шкале
MSK-64.

Рис. 2. Графики распределения во времени магнитуд (верхний график (а) и интенсивностей сотрясений в эпицентрах в баллах шкалы MSK-64 (средний график(б)) в центральной части Уральского региона за 1788–2010 гг. в сопоставлении с графиком вариаций длительности суток в мс (вариаций скорости вращения Земли) по Н.С. Сидоренкову. 2004 г.(нижний график.) Сост. А.Н. Гуляев. Институт геофизики УрО РАН, 2005–2010. Компьютерная графика А.Ю. Осиповой

Рис. 3 а. График повторяемости землетрясений Среднего Урала за 1788-2013 гг. в сопоставлении с подобными графиками других сейсмичных регионов.
Сост. А.Н. Гуляев. Институт геофизики УрО РАН, 2005–2013

Рис. 3 б. График средних временных интервалов в годах между ощутимыми землетрясениями различной магнитуды Среднего Урала за период 1788-2013 г. в сопоставлении с подобными графиками других сейсмичных регионов.
Сост. Гуляев А.Н., Институт геофизики УрО РАН, 2005-2013

Рис. 4. Схема сейсмичности Урала по З.Г. Вейс-Ксенофонтовой. 1940. Желтым цветом показана область, где величина силы сейсмического воздействия оценивается в 5 баллов, коричневым цветом – до 6 баллов. Компьютерная графика Н.В. Михайловой 

Рис. 5. Схема изосейст наибольших наблюденных сейсмических сотрясений в баллах шкалы
MSK-64 в центральной части Уральского региона за 1788-2014 гг. Подосновой схемы является фрагмент тектонической карты Урала под ред. И.Д. Соболева
Сост. А.Н. Гуляев. Институт геофизики Уро РАН. 2012. Компьютерная графика А.Ю. Осиповой

Условные обозначения к рис. 5:

Цифрами в кружках обозначены: 1– Восточно-Европейская платформа (ВЕП),
2 – Предуральский прогиб, 3 – Западно-Уральская внешняя зона складчатости и надвигов,
4 – Центрально-Уральское поднятие, 5 – Тагило-Магнитогорский прогиб, 6 – Восточно-Уральское поднятие, 7 – Восточно-Уральский прогиб, 8 – Зауральское поднятие,
9 – Тюменско-Кустанайский прогиб, 10 – Тобольско-Кушмурнское поднятие.

Цифрами в прямоугольниках обозначены наиболее крупные разломы: 1 – Главный Уральский, 2 – Турьинский, 3 – Серовско-Маукский, 4 – Мурзинский (Зауральский, Свердловский),
5 – Магнитогорский (Мелентьевско- Илимбаевский), 6 – Челябинский, 7 – Красноуфимский.

Черной сплошной линией показаны контуры «обнаженного» Урала.

Зеленым цветом показаны области, в пределах которых величина силы сейсмического воздействия составила от 3 до 4 баллов по шкале MSK-64.

Желтым цветом показаны области, в пределах которых величина силы сейсмического воздействия составила порядка 4 баллов по шкале MSK-64.

Светло-коричневым цветом показаны области, в пределах которых величина силы сейсмического воздействия составила порядка 5 баллов по шкале MSK-64.

Коричневым цветом показаны области, в пределах которых величина силы сейсмического воздействия составила порядка 6 баллов по шкале MSK-64.

Рис. 6. Схема сейсмического районирования центральной части Уральского региона.
Сост. А.Н. Гуляев. Институт геофизики УрО РАН. 2014. Компьютерная графика Н.В. Михайловой

Условные обозначения к рис. 6:

Цифрами в кружках обозначены: 1– Восточно-Европейская платформа (ВЕП),
2 – Предуральский прогиб, 3 – Западно-Уральская внешняя зона складчатости и надвигов,
4 – Центрально-Уральское поднятие, 5 – Тагило- Магнитогорский прогиб, 6 – Восточно-Уральское поднятие, 7 – Восточно-Уральский прогиб, 8 – Зауральское поднятие,
9 – Тюменско-Кустанайский прогиб, 10 – Тобольско-Кушмурнское поднятие.

Цифрами в прямоугольниках обозначены наиболее крупные разломы: 1 – Главный Уральский, 2 – Турьинский, 3 – Серовско-Маукский, 4 – Мурзинский (Зауральский, Свердловский), 5 – Магнитогорский (Мелентьевско- Илимбаевский), 6 – Челябинский, 7 – Красноуфимский.

Черной сплошной линией показаны контуры «обнаженного» Урала.

Коричневым цветом показана область, в пределах которой величина расчетной силы сейсмического воздействия оценивается: а) на объекты основного (массового) строительства и повышенной ответственности в плане сейсмобезопасности в 6 баллов по шкале MSK-64. Пиковые ускорения движения грунта при этом оцениваются в 50 см/с² по шкале MSK-64 и в 60 см/с² по шкале SHA -97; б) на особо ответственные объекты в 7 баллов по шкале MSK-64. Пиковые ускорения движения грунта при этом оцениваются в 100 см/с² по шкале MSK-64 и в 129 см/с² по шкале SHA -97.

Желтым цветом показана область, в пределах которой величина расчетной силы сейсмического воздействия оценивается: а) на объекты основного (массового) строительства и повышенной ответственности в плане сейсмобезопасности в 5 баллов по шкале MSK-64. Пиковые ускорения движения грунта при этом оцениваются в 25 см/с² по шкале MSK-64 и в 28 см/с² по шкале SHA -97; б) на особо ответственные объекты в 6 баллов по шкале MSK-64. Пиковые ускорения движения грунта при этом оцениваются в 50 см/с² по шкале MSK-64 и в 60 см/с² по шкале SHA -97

Треугольником вершиной вниз обозначена геофизическая обсерватория «Арти» Института геофизики УрО РАН

Рис. 7. Положение Средне-Уральской сейсмичной области (сейсмодомена) на тектонической схеме зоны сочленения Восточно-Европейской платформы и Западно-Сибирской плиты. Сост. А.Н. Гуляев. Институт геофизики УрО РАН., 2013. г., c использованием схемы тектоники Тиманид по Пучкову В.Н. 2010. [3], карты аномального магнитного поля, осредненного с радиусом 125 км по Р.Т. Васильеву, 1987г. [14] и схемы эпицентров сейсмических событий, составленной с использованием данных, приведенных в работах [4,5,13]. Компьютерная графика Осиповой А.Ю.
Черными звездочками отмечены эпицентры ощутимых землетрясений.
Самые большие звездочки соответствуют эпицентрам землетрясений с магнитудой порядка 5,0, самые маленькие – с магнитудой 2,0-2,5.
Черные треугольники – эпицентры горных ударов и природно-техногенных землетрясений на горно-рудных предприятиях.
Черные утолщенные линии – контуры новейшего Урало-Тиманского орогена и Кокчетавского выступа.
Красные линии – изодинамы отрицательных значений аномального магнитного поля осредненного с радиусом 125 км
Синие линии – изодинамы положительных значений аномального магнитного поля осредненного с радиусом 125 км.

Рис. 8. Положение эпицентров природных ощутимых землетрясений (черные звездочки), горных ударов и природно-техногенных землетрясений (черные треугольники) на схеме изолиний скоростей современных вертикальных движений земной коры в мм в год по данным повторных нивелировок первого и второго класса за период 1915–1980 гг. относительно фундаментального репера 340, расположенного в юго-западной части сквера Оперного театра в Екатеринбурге по И.И. Кононенко, Н.И. Халевину, М.А. Блюмину, В.Р. Ященко 1990
Оттенками коричневого цвета показаны участки относительного вздымания земной поверхности в мм в год, значения которых показаны на сплошных изолиниях.
Оттенками зеленого цвета показаны участки относительного погружения земной поверхности в мм в год, значения которых показаны на пунктирных изолиниях.
Желтым цветом показаны относительно стабильные участки со скоростями воздымания от 0,0 до 0,5 мм в год.
Толстыми черными линиями показаны контуры «обнаженного» Урала и Тимана

Библиография

1. Новейшая тектоника Урала. Т. V / под ред. А.П. Сигова, В.А. Сигова. – Саратов: изд-во Саратовского ун-та, 1975, 104 с.

2. Геология СССР. Т. XII. Ч. 1. Кн. 2. – М.: Недра, 1969. – 304 с.

3. Пучков, В.Н. Геология Урала и Приуралья (актуальные вопросы стратиграфии, тектоники, геодинамики и металлогении) / В.Н. Пучков. – Уфа, 2010. – 279 с.

4. Вейс-Ксенофонтова, З.Г., Попов, В.В. К вопросу о сейсмической характеристике Урала / З.Г. Вейс-Ксенофонтова, В.В. Попов // Труды Сейсмологического института АН СССР. – 1940. – № 104.–12 с.

5. Степанов, В.В. Землетрясения Урала и сильнейшие землетрясения прилегающих территорий Западной Сибири и Восточно-Европейской платформы / В.В. Степанов [и др.] – М.: ЦСГНЭО, 2002. – 135 с. 

6. Кашубин, С.Н. Сейсмичность и сейсмическое районирование Уральского региона / С.Н. Кашубин [и др.] – Екатеринбург: УрО РАН, 2001. – 124 с.

7. Землетрясения и микросейсмичность в задачах современной геодинамики Восточно-Европейской платформы. Кн. 1: Землетрясения / под ред. Н.В. Шарова, А.А. Маловичко, Ю.К. Щукина. – Петрозаводск, 2007. – 380 с.

8. Друмя, А.В., Шебалин, Н.В. Землетрясение: где, когда почему? /А.В. Друмя, Н.В. Шебалин. Землетрясение. – Кишинев: Штиинца, 1985. – 193 с.

9. Геология СССР. Т. XXV: Киргизская ССР. Геологическое описание. Кн. 2. – М.: Недра, 1972. – 314 с.

10. Сейсмическое районирование территории СССР / отв. ред. В.И. Бунэ и Г.П. Горшков – М.: Наука, 1980. – 306 с.

11. Комплект карт Общего сейсмического районирования территории Российской Федерации ОСР-97 масштаб 1:8000 000, объяснительная записка и список городов и населенных пунктов, расположенных в сейсмоопасных районах / гл. ред. В.Н. Стахов, В.И. Уломов. – М., 1999. – 56 с.

12. Строительные нормы и правила. Строительство в сейсмичных районах. СНиП II-7-81* – М.: Госстрой России, 2000.

13. Гуляев, А.Н, Осипова, А.Ю. Сейсмичность Среднего Урала и строительство в регионе [Электронный ресурс] / А.Н. Гуляев, А.Ю. Осипова // Архитектон: известия вузов. – URL: http:// archvuz.ru/2013_2/20.

14. Глубинное строение слабосейсмичных регионов СССР. Ответственный редактор член-корреспондент АН. АрмССР И.Л. Нерсесов.– М.: Наука, 1987. – 235 с.

15. Кононенко, И.И. Современная геодинамика Урала / И.И. Кононенко, Н.И. Халевин, М.А. Блюмин, В.Р. Ященко. – Свердловск, 1990. – 93 с.

16. Ромашов, А.Н. Планета Земля: тектонофизика и эволюция /А.Н. Ромашов. – М.: Едиториал УРСС, 2003. – 264 с.

17. Технический регламент проведения работ по общему сейсмическому районированию территории Российской Федерации (ОСР) [проект]. Свод правил. Ч. 1. Основные положения. Концепция и методические принципы. Ч. 2. Приложения к своду правил ОСР. – М., 2010. – 160 с.

Ссылка для цитирования статьи

Гуляев А.Н. ДЕТАЛЬНОЕ СЕЙСМИЧЕСКОЕ РАЙОНИРОВАНИЕ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЧАСТИ УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА [Электронный ресурс] /А.Н. Гуляев //Архитектон: известия вузов. – 2014. – №4(48). – URL: http://archvuz.ru/2014_4/24 

Лицензия Creative Commons
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons "Attrubution-ShareALike" ("Атрибуция - на тех же условиях"). 4.0 Всемирная