City as ecosystem

DETAILED SEISMIC ZONING OF THE CENTRAL PART OF THE URALS REGION

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

Abstract

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

References

1. Sigov, A.P., Sigov, V.A. (eds.) (1975) The Latest Tectonics of the Urals. Vol. V. Saratov: Saratov University Publishing (in Russian).

2. The Geology of the USSR. Vol. XII. Part 1. Book 2. Moscow: Nedra. 1969 (in Russian).

3. Puchkov, V.N. (2010) The Geology of the Urals and Cisurals. Ufa: DizainPoligrafServis (in Russian).

4. Veis-Ksenofontova, Z.G., Popov, V.V. (1940) On Seismic Characterisation of the Urals. Moscow, AN SSSR (in Russian).

5. Stepanov, V.V. (2002) Earthquakes in the Urals and the Most Intensive Earthquakes in the Adjoining Areas of Western Siberia and Eastern European Platform. Moscow, ZSGNEO (in Russian).

6. Kashubin, S.N. (2001) Seismicity and Seismic Zoning of the Ural Region. Ekaterinburg: UrO RAN (in Russian).

7. Sharov, N.V., Malovichko, A.A. and Shchukin, Yu.K. (eds.)(2007) Earthquakes and Microseismicity in the Modern Geodynamics Issues of the Eastern European Platform Book 1: Earthquakes. Petrozavodsk: Karelian Scientific Centre of the Russian Academy of Sciences (in Russian).

8. Drumia, А.V., Shebalin, N.V. (1985) An Earthquake: Where, When, Why? Kishinev: Stiinta (in Russian).

9. The Geology of the USSR. Vol. XXV: Kirgiz SSR. Geological Description. Book 2. Moscow, Nedra. 1972 (in Russian).

10. Bune, V.I., Gorshkov, G.P. (1980) Seismic Zoning of the Territory of the USSR. Moscow: Nauka (in Russian).

11. Stakhov, V.N., Ulomov, V.I. (1999) A Set of Maps of General Seismic Zoning of the Russian Federation Territory OSR-97 scale 1:8000 000, an explanatory note and list of cities and settlements located in earthquake areas. Мoscow. 1999 (in Russian).

12. Building Norm and Rules. Building in Earthquake Zones. SNiP II-7-81* Moscow: Gosstroy Russii. 2000 (in Russian).

13. Gulyaev, А.N, Osipov, A.Yu. (2013) The Seismicity of the Middle Urals and Building Construction in the Region [Online] Architecton: Proceedings of Higher Education. Available from: http://archvuz.ru/en/2013_2/20 (in Russian).

14. Nersesov, I.L. (ed.) (1987) The Deep Structure of the Seismically Quiet Regions of the USSR. Мoscow: Nauka (in Russian).

15. Kononenko, I.I., Khalevin, N.I., Blyumin, M.А, Yashchenko, V.R. (1990) Modern Geodynamics of the Urals. Sverdlovsk: UrO AN SSSR (in Russian).

16. Romashov, A.N. (2003) Planet Earth: Tectonophysics and Evolution. Moscow, Editorial URSS (in Russian).

17. Technical Regulation for Seismic Zoning of the Territory of the Russian Federation (OSR). Code of Rules. Part 1. Main Provisions. Concept and Methodological Principles. Part 2. Supplements to the Code of Rules OSR. Мoscow. 2010 (in Russian).

Citation link

Gulyaev A.N. DETAILED SEISMIC ZONING OF THE CENTRAL PART OF THE URALS REGION [Online] //Architecton: Proceedings of Higher Education. – 2014. – №4(48). – URL: http://archvuz.ru/en/2014_4/24 

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