Получить представление о сейсмичности Арктики

Многолетние исследования архангельских учёных из ФГБУН ФИЦКИА УрО РАН сфокусированы на уточнении сейсмичности западного сектора Российской Арктики, которая служит ценной информацией для решения фундаментальных научных задач и обеспечения безопасной эксплуатации инженерных объектов, расположенных на материковой и прибрежной частях. Каждая новая сейсмическая станция, открытая в Российской Арктике, расширяет представления о геодинамике северного региона страны

Изучение сейсмической активности Арктики, уточнение глубинного строения, проведение сейсмического районирования и оценка сейсмической опасности необходимы для безопасного потребления природных ресурсов и общего понимания эволюции развития Арктического бассейна.

Важно знать, что происходит в тех немногочисленных районах проявления сейсмичности, которые уже выделены в Арктике, и какая может быть сейсмическая активизация в ближайшие годы. С этой целью специалисты анализируют сейсмические записи регистрируемых платформенных и шельфовых землетрясений. Труднодоступность территорий арктических архипелагов усложняет поддержание в рабочем состоянии сейсмологического оборудования, а суровый климат и особенные геологические условия затрудняют полевые работы и выполнение исследовательских задач. Тем не менее собранные уникальные сведения закладывают основу для понимания сейсмической обстановки в Баренцево-Карском регионе и прилегающих областях.

Архангельские исследователи открыли пункты сейсмических наблюдений в российском секторе Арктики, например, ими установлены стационарные сейсмические станции на архипелагах Земля Франца-Иосифа и Северная Земля, в Амдерме, а в 2020 году была установлена станция на берегу Енисейского залива Карского моря, недалеко от поселка Диксон. В результате были получены новые данные о сейсмичности западного сектора Российской Арктики. Благодаря функционированию арктических станций специалисты ФГБУН ФИЦКИА УрО РАН проводят комплекс работ и уделяют внимание разным аспектам сейсмических исследований.

Какую новую информацию о сейсмическом режиме Арктической зоны получили ученые, в чем заключаются главные фундаментальные задачи и какие проблемы существуют при проведении сейсмического мониторинга – об этом рассказали сотрудники лаборатории сейсмологии Федерального исследовательского центра комплексного изучения Арктики имени академика Н.П. Лаверова Уральского отделения РАН (ФИЦКИА УрО РАН) (г. Архангельск) – заведующая лабораторией, заместитель директора по научной работе, доктор технических наук Галина Николаевна Антоновская и старший научный сотрудник кандидат физ.-мат. наук Константин Борисович Данилов.

«Арктический регион на сегодняшний день является наименее изученным регионом нашей планеты. Соответственно, вся информация, получаемая на основе геофизических сведений, актуальна и нужна для понимания эволюции региона; в частности, сейсмические данные позволяют уточнить глубинное строение Арктического региона (построить скоростные разрезы до глубин 300 км и более). На сегодняшний день существует целый набор карт геофизических полей Арктики, но все они построены на материалах магнитометрических и гравиметрических работ и глубинном сейсмическом зондировании (ГСЗ). Профилей ГСЗ в западном секторе Российской Арктики было выполнено мало и проводились эти работы в основном в Советском Союзе. Больше подобных масштабных сейсмических исследований не проводилось, – Галина Антоновская определила актуальность сейсмических наблюдений и изучение глубинной структуры Российской Арктики. – Например, на материковой части западного сектора Российской Арктики было выполнено всего 3 глубинных сейсмических профиля, на акватории немного больше – 6. Именно эти результаты ГСЗ по западному сектору Российской Арктики используются при создании карт Циркумполярной Арктики. При отсутствии сейсмических данных мощность земной коры, как правило, оценивается с помощью корреляционных соотношений между глубиной залегания поверхности Мохоровичича, топографией и аномалиями Буге. Поэтому любые новые знания о глубинном строении Арктического региона являются весьма важной и ценной информацией, необходимой для понимания эволюции развития Арктического бассейна и процессов современной геотектоники. Это фундаментальная задача и по силам лишь Академии наук».

Ученый отметила, что «раньше, для построения ГСЗ профилей проводилась серия мощных взрывов. Сейчас же применяют и развивают пассивные сейсмические исследования. Например, мы для построения глубинных скоростных разрезов придерживаемся методики Льва Павловича Винника из Института физики Земли имени О.Ю. Шмидта РАН. Его метод P-S-приемных функций – один из самых современных и эффективных способов определения границ в коре и мантии по объемным волнам и изучения скоростных свойств переходных зон мантии».

В этой связи возникают разные главные задачи ученых ФИЦКИА УрО РАН. Как уточняет заведующая лабораторией, «для построения глубинных скоростных разрезов используются записи телесейсмических (далеких) землетрясений, зарегистрированные сейсмическими станциями. Чем более плотная сеть сейсмических станций, тем детальнее информацию о глубинном строении конкретного региона можно получить. Наша цель – построить 3D скоростную модель западного сектора Российской Арктики. Поэтому очень важно развивать сеть сейсмических станций в Арктике. Кроме того, полученную информацию мы используем для построения региональных годографов, которые учитывают специфику геологического строения земной коры региона и нужны для локации арктических землетрясений. Мы сейчас используем годограф, построенный нашими коллегами из Кольского филиала Единой геофизической службы РАН совместно с норвежскими сейсмологами. Но он «работает» для территории Баренцевоморского шельфа, для других районов Арктики, например, Карского шельфа, нужны свои годографы. А для этого нужно устанавливать сейсмические станции. Чем грозит применение «неправильного» годографа? Неточность в определении эпицентра землетрясения и, как следствие, ошибки в сейсмическом районировании территории».

«Арктику нужно исследовать и развивать, но нет должной заинтересованности в сейсмологических наблюдениях со стороны государства», – выражает озабоченность Галина Антоновская, обращая внимание на необходимость академических исследований, – сейсмическая сеть, помимо прямого назначения – непрерывных сейсмологических наблюдений, дает информацию об изменениях, происходящих в настоящее время в  Арктике в связи с потеплением климата, позволяет детализировать информацию о глубинном строении региона, что важно для понимания образования полезных ископаемых, выявления причинно-следственных связей и того, как происходит развитие Арктического бассейна. Это важные фундаментальные задачи.

Посмотрите, какое внимание уделяется сейсмическим наблюдениям в Арктике нашими зарубежными странами-партнерами. Сотни станций и десяток сейсмических групп установлено в Фенноскандии, на архипелаге Шпицберген 4 станции и одна сейсмическая группа, для изучения геодинамики Гренландии установлена сеть из 33 сейсмических станций. А у нас? Четыре станции на Кольском полуострове, включая сейсмическую группу (единственную! на всей территории Российской Арктики), и одна станция на архипелаге Шпицберген – все станции входят в сеть Кольского филиала Единой геофизической службы РАН. Еще десять станций, входящих в состав «Архангельской сейсмической сети», размещены на остальной территории западного сектора Российской Арктики. Подобная конфигурация сейсмических станций позволяет, с одной стороны, охватить весь регион, но их расположение крайне неравномерно, что затрудняет обработку слабых землетрясений, которых мы регистрируем достаточное количество».

«Следует отметить, что много арктических российских станций было закрыто в период «перестройки» – просто не было средств на их содержание. На севере Восточной Европейской платформы первые станции стали появляться с 2003 года благодаря инициативе члена-корреспондента РАН Феликса Николаевича Юдахина и при поддержке академика Николая Павловича Лавёрова. Много усилий в формирование платформенной сети внесла кандидат физ.-мат. наук, доцент Валентина Ивановна Французова. Постепенно был сформирован научный коллектив, который вырос в настоящую команду профессионалов, исследователей, интересующихся наукой. Я горжусь коллегами и дорожу их доверием мне», – подчеркнула ученый.

Галина Антоновская убеждена, что «по данным Архангельской сейсмической сети создаются уникальные сейсмические каталоги Арктического региона, уточняется строение литосферы, строятся региональные и локальные годографы, что позволяет, например, повысить точность локации арктических землетрясений, а также выполнить уточнение эпицентров исторических землетрясений Арктики. Результаты важны для сейсмического районирования морских арктических акваторий РФ, освоение которых уже начато, а также материковых территорий, перспективных для промышленного освоения».

Как происходит обслуживание сейсмических станций?

«К сожалению, поставить сейсмическую станцию там, где хотелось бы нам, сейсмологам, практически невозможно. С одной стороны это финансовая сторона вопроса, а точнее практически ее полное отсутствие, а с другой – человеческий фактор, мародерство. Поэтому мы вынуждены ставить станции там, где есть инфраструктура (дорога, электричество, например) и где обитает человек, который будет присматривать за оборудованием. Вот и стараемся найти этот баланс. Например, на архипелаге Земля Франца-Иосифа одна станция стоит на территории пограничной заставы «Нагурская», а другая – на территории Национального парка «Русская Арктика». На Северной Земле станция стоит на базе научно-исследовательского стационара «Ледовая база Мыс Баранова» Арктического и антарктического научно-исследовательского института. Огромное спасибо коллегам за сотрудничество! В Архангельской области мы ставим станции на частных территориях. Как правило, в летне-осенний период у нас проводятся выезды на сейсмические станции для выполнения технических работ. 

За рубежом сейсмическую станцию можно спокойно поставить на полянке в лесу и никому в голову не придет что-то отвинчивать, ломать, тем более, воровать. В нашей стране подобное – роскошь. Например, 8 марта 2020 года произошло землетрясение в Ленском районе Архангельской области. Летом мы выехали в экспедицию для детального изучения эпицентральной зоны произошедшего платформенного землетрясения. Поставили временную сеть из 4 сейсмических станций для регистрации микрособытий. На поверхности земли были только солнечные панели. В результате одну станцию украли. Забрали не только солнечную панель, но унесли сейсмическую аппаратуру, которая представляет ценность только для специалистов. Полиция до сих пор не смогла найти ни оборудование, ни вредителя, сославшись, что в лесах ходили грибники. Подобные обстоятельства сильно усложняют проведение научных исследований», – сообщила ученый.

А сколько нужно сейсмических станций для локации землетрясений? Минимум три станции. Галина Антоновская подробно объяснила, в чем такая необходимость: «Применяя годограф и оценивая разность времени прихода продольных и поперечных волн, определяется расстояние от станции до эпицентра землетрясения. Местоположение его определяется методом засечек с различных станций. Сейсмические станции должны азимутально располагаться вокруг землетрясения, окружать эпицентр со всех сторон для повышения точности определения его местоположения. Три-четыре региональные сейсмические станции – это необходимый минимум для определения местоположения (локации) землетрясения магнитудой 4, а если события имеют меньшую магнитуду, например, как в арктическом регионе, тогда станций должно быть больше, и желательно, чтобы они ближе располагались к эпицентру землетрясения. Поэтому и устанавливают плотные сейсмические сети и сейсмические группы для повышения чувствительности сейсмологической сети, что позволяет в итоге регистрировать события разной величины. Если только одна станция зарегистрирует событие, то внести его в сейсмический каталог не представляется возможным, так как точность локации будет крайне низкой. Таковы правила. Мы сотрудничаем с Международным сейсмологическим центром, который формирует единую мировую базу о землетрясениях. После определения местоположения землетрясения, можно переходить к анализу очага события, изучения его природы.

К вопросу о нехватке сейсмических станций в Российской Арктике. Карское море принято считать асейсмичным регионом. После открытия сейсмической станции в районе поселка Диксон на базе геофизической станции Северного УГМС мы стали фиксировать слабые землетрясения. Например, событие 22 октября 2020 г., произошедшее в Карском море магнитудой 1.7. Землетрясение – это индикатор тектонических процессов. Это к вопросу о полноте наших знаний об этом регионе. К сожалению, остальные станции Архангельской сети это событие не зарегистрировали, а других станций в этом районе просто нет. Точность локации этого события крайне низкая, в сейсмический каталог подобная информация внесена не будет. И подобных случаев в нашей практике много, когда арктическое землетрясение регистрирует только одна сейсмическая станция. В результате, мы теряем весьма ценную информацию, понимая, что арктический регион – это перспективный к промышленному освоению район, а землетрясения, даже слабые, это тоже фактор опасности».

Итак, на данный момент собранные и обработанные сведения дают ученым основание для составления предварительной картины геодинамики.

«Арктика не является регионом, в котором происходят сильные землетрясения. Тем не менее, ежегодно в Арктике регистрируется около 1000 землетрясений магнитудой от 1,5 до 5 и выше. Сильные землетрясения большей частью приурочены к арктически хребтам Гаккеля, Книповича, Мона. Открытие арктических станций позволило выявить сейсмические события на окраине континентального шельфа, в арктических желобах, на архипелаге Новая Земля, зафиксированы единичные события на Баренцевоморском шельфе в районе сверхглубоких впадин. Повторюсь, землетрясения – это индикатор тектонических процессов. Почему в Южно-Баренцевоморской впадине произошли землетрясения? Какова природа этих событий? Как известно, мощность осадочного чехла в районе Южно-Баренцевоморской впадины порядка 15 км, тем не менее, землетрясения зафиксированы. Мы провели исследования и выявили, что ультрамедленные спрединговые хребты Мона, Книповича и Гаккеля осуществляют динамический контроль сейсмической активности платформенных и шельфовых территорий. Оценили время распространения возмущений от рифтов до шельфа и континентальных структур, что позволило нам выдвинуть гипотезу о том, что возмущения, идущие от океанических хребтов, являются триггерным механизмом для проявления землетрясений. Эти новые знания предстоит развивать дальше», – резюмирует Галина Антоновская.

Недавно на геофизическую станцию Колба имени В.В. Ходова Северного управления по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды вблизи поселка Диксон была отправлена арктическая экспедиция по установке очередной

сейсмологической станции. Сотрудник лаборатории сейсмологии Константин Данилов принял участие в установке широкополосной сейсмической аппаратуры фирмы Nanometrics (Канада). Работа в арктических широтах накладывает свою специфику. Поэтому ученые используют специализированную аппаратуру, подтвердившую надежность в суровых арктических условиях.

Архангельский ученый уточнил, как происходит выбор места установки сейсмической аппаратуры и что важно учитывать при выборе оптимальных условий приёма сигнала:

«Исходя из ограниченного финансирования, мы не можем поставить станцию в абсолютно безлюдном месте, поэтому транспортная доступность является одним из основных факторов. Другой фактор – сохранность оборудования, поэтому в Арктике мы размещаем сейсмические станции на действующих научных и геофизических станциях, базах национального парка и пр. Пункт установки следует выбрать из учета сочетания различных факторов: геологических особенностей, уровня фоновых микросейсм, наличия инфраструктуры. Такой фактор, как полярная ночь, не позволяет использовать круглогодично солнечные панели, поэтому станцию ставим в районе действующей базы/станции и электропитание на сейсмическое оборудование, как и сбор данных мы осуществляем стандартным, но надежным способом – посредством кабелей.

После того как определено, где технически может быть установлена сейсмическая станция, производится выбор наиболее «тихого» места – с минимальным уровнем микросейсмического фона, в котором и будет осуществлена установка оборудования. Полученные результаты сопоставляются с минимальным и максимальным уровнями микросейсм по модели Петерсона».

Существуют ли какие-то сложности при установке приборов? Какие ведутся работы по оптимизации условий регистрации сигнала?

«Сложность заключается в наличии знаний и опыта установки сейсмических станций. Этому ведь не учат в институтах. Необходимы знания от марки цемента до способов передачи данных. Эти знания добываются исключительно экспериментальным путем, путем проб и ошибок.

Хочется отметить, что в Арктике достаточно шумно, несмотря на то, что техногенных источников там не так много. Существенный шум вызван ветрами, морскими явлениями и т.д., поэтому идеально устанавливать сейсмический датчик в скважину. Такие приборы существуют, но они дороже, используемых нами. К тому же организация скважины – это также дополнительные финансовые затраты: надо пробурить скважину ниже уровня промерзания грунтов, а это специализированная техника. Как видите, всё упирается в финансирование. Мы проводим исследования за счет грантовой деятельности, объем финансирования которых весьма скромен. По мере наших сил и возможностей мы заглубляем сейсмическую аппаратуру, но это, конечно, не тот результат, который мы могли бы иметь, если бы датчик был установлен в скважину. Тем не менее, благодаря нашим усилиям получены новые знания о сейсмичности Арктики.

Вообще при установке и обслуживании сейсмических станций мы постоянно узнаем что-то новое. Особенно когда мы говорим про Арктику. Прогресс не стоит на месте. Мы ориентируемся на опыт зарубежных коллег, работающих в Арктике, пытаемся почерпнуть их идеи. Конечно, мы бы желали расширить сеть сейсмических станций, применить современные возможности сбора и передачи данных, опробовать автономную установку аппаратуры в скважинном исполнении… Но пока у нас на все это нет возможностей», – Константин Данилов обозначил трудности, возникающие в полевых исследованиях.

Как проходит настройка и обслуживание приборов?

«В общем все просто: придумать код станции, задать частоту дискретизации, настроить источник точного времени (GPS), прописать основные настройки станции в специализированной программе обработки данных, настроить архивирование данных на съемных носителях. Анализируя сейсмические данные, мы сразу можем сказать о возникшей неисправности. Как правило, все они связаны либо со сбоями в работе аппаратуры, либо с герметизацией сейсмического бункера. К сожалению, такое случается. Ехать на удаленные станции дорого. Но самое главное, что добраться до станции возможно далеко не всегда. В результате остановившаяся станция может «молчать» продолжительное время. Вот почему очень важно ставить качественную аппаратуру. На данный момент опытным путем мы пришли к выводу, что наиболее надежной является аппаратура канадской фирмы Nanometrics. Кроме того, организованный канал связи через спутниковую систему позволяет удаленно подключаться к станции и проводить необходимые манипуляции», – Данилов указал на специфику работы.

На какой глубине работает это оборудование?

«В Арктике мы заглубляемся на 0,5-1 м, это наш финансовый предел. Заливаем бетонный фундамент, устанавливаем герметичный мини-бункер. Данный бункер утеплен и разбит на два отсека. В нижнем отсеке установлен датчик. В верхнем – регистрирующая и передающая аппаратура», – конкретизировал ученый.

Темой исследования Константина Данилова является изучение глубинного строения верхней части земной коры по данным фоновых микросейсмических колебаний, в рамках которого он изучает, как достаточно крупные объекты (грабены, поднятия), так и локальные (кимберлитовые трубки). По словам ученого, «использование пассивных методов весьма перспективно в виду того, что исключается необходимость создания искусственного источника сейсмических сигналов, например, взрывов. Микросейсмы есть всегда и везде и представляют собой малые фоновые колебания твердой поверхности Земли и являются суперпозицией, вообще говоря, несвязанных между собой колебательных процессов от различных, как по положению, так и по природе, сейсмических источников. Микросейсмы предоставляют ученым возможность исследования земных недр и выявления особенностей геологических структур широкого диапазона масштабов. Непосредственно данные сейсмической сети я не использую, в силу их редкой расстановки. Для моих исследований применяется та же сейсмическая аппаратура, но устанавливаемая вдоль профилей и очень часто. Расстояние между станциями зависит от поставленной задачи и колеблется от нескольких десятков метров до километров. Это аналог сейсморазведки, но с применением другого типа оборудования и методик анализа данных. В результате, достаточно оперативно удается получать дополнительную информацию, не всегда доступную для других методов».

Таким образом, лаборатория сейсмологии ФГБУН ФИЦКИА УрО РАН, опирающаяся на приоритеты и академические традиции, а также на результаты наблюдений созданной ими Архангельской сейсмической сети в Арктике, дает предварительную оценку сейсмической обстановке в разных сейсмотектонических областях.