Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2023, № 3, стр. 47-55

ВВЕДЕНИЕ

Успешный прогноз готовящегося землетрясения возможен на основе выделения закономерностей проявления процесса его подготовки. Изучение процесса подготовки землетрясения представляет собой сложную задачу, определяемую не только выбором наблюдаемых физических явлений, которые сопровождают или вызываются подготовкой события, но и пространственно-временными характеристиками постановки таких наблюдений. Ясно, что изучение процесса подготовки землетрясения наиболее целесообразно в сейсмически активных областях, где события происходят часто. Однако именно это обстоятельство и затрудняет поиск закономерностей при изучении конкретного землетрясения. В связи с этим наблюдение за подготовкой землетрясения в условиях отсутствия помех от других событий позволяет более надежно выделить и изучить наблюдаемые физические явления. Поэтому исследование явлений, наблюдаемых при Катав-Ивановском землетрясении 05.09.2018 г., имеет важное значение.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Землетрясение в районе г. Катав-Ивановск Челябинской обл. с локальной мгновенной магнитудой M_L = 5.4 оказалось неожиданным для данного района, хотя для Уральского региона не исключена повышенная сейсмичность. В соответствии с нормативными картами ОСР-2015 данная территория относится по шкале MSK к сейсмической 6-балльной зоне при повторяемости землетрясений 1 раз в 5000 лет¹¹. Фактически произошло самое сильное землетрясение на Урале из зарегистрированных за период инструментальных наблюдений. До этого наиболее значимыми землетрясениями были Билимбаевское (1914 г.) с ориентировочной магнитудой M_L около 5 и Средне-Уральское (Битимское, 2015 г.) с магнитудой M_L 4.7. Координаты эпицентра, глубина очага и магнитуда события были получены по данным удаленных сетей – Казахстанской и Пермской (ближайшие станции были расположены в обсерватории Арти и г. Уфа). Этим обусловлены большие погрешности в определении координат гипоцентра и магнитуды землетрясения.

В геологическом отношении Катав-Ивановское землетрясение локализовано в зоне сочленения Башкирского антиклинория, сложенного рифейскими образованиями, и Предуральского краевого прогиба, сложенного флишево-молассовыми комплексами карбона-перми. Структура Башкирского антиклинория осложнена Каратауским блоком и Сулеймановской антиклиналью [8]. Установленная через некоторое время Горным институтом УрО РАН (г. Пермь) временная сеть сейсмических станций позволила более детально определить направление распространения афтершокового процесса.

В октябре 2018 г. Институтом геофизики УрО РАН были организованы мониторинговые температурные и радоновые наблюдения. Для проведения температурных измерений в водозаборной скважине (выведенной из эксплуатации) в г. Катав-Ивановск на глубине 95 м был установлен температурный логгер. За период наблюдений с 28.11.2018 по 23.05.2019 г. происходило увеличение температуры с градиентом 0.02°С в месяц (рис. 1) [7].

Рис. 1.

Изменение температуры в скважине на глубине 95 м [6].

Радон является одним из вероятных предвестников землетрясений. Аномальные концентрации радона изучались различными специалистами в почвенном воздухе [13, 16, 17], приземной атмосфере [11, 15] и грунтовой воде [12, 14]. В рамках проведенного исследования наблюдения за объемной активностью радона (ОАР) были организованы в двух точках г. Катав-Ивановск (№ 1 – “гостиница”, № 2 – “Первомайская, 21”). Измерения проводились непрерывно в адвективном режиме с 4-часовым накоплением импульсов.

Интерпретация получаемых данных основывалась на закономерностях поведения ОАР, установленных при подготовке землетрясений в Южно-Курильском регионе [4]. Выбор Южных Курил для изучения закономерностей отражения подготовки землетрясений был обусловлен большим количеством происходящих сейсмических событий в регионе и отсутствием существенных техногенных помех. Подобных условий нет ни в одном регионе России и мира. Для геодинамических условий зоны субдукции было установлено, что землетрясения отражаются на кривой ОАР только после прохождения максимума и только в том случае, если характеристики тектонического события соответствуют геодинамическому критерию (отношение магнитуды события к логарифму расстояния от эпицентра до станции мониторинга) больше 2.0. События разной удаленности от точки мониторинга отражаются на разных участках кривой ОАР. Для Южно-Курильского региона “дальние” (больше 180 км от точки мониторинга) землетрясения отражаются, начиная от точки максимума до выхода аномалии на фоновый уровень. “Ближние” землетрясения (расстояние от точки мониторинга меньше 130 км) отмечаются после выхода аномалии на фоновый уровень, в интервале времени до 28 сут [4].

Исходя из того, что расстояние от точки мониторинга до эпицентров афтершоков Катав-Ивановского землетрясения было около 10 км, они были отнесены к событиям “ближней” зоны. На рис. 2 приведен фрагмент записи поведения ОАР с 06.11.2018 по 10.03.2019 г. на станции № 1 и обозначены наиболее значимые афтершоки (по данным ФИЦ ЕГС РАН). Максимум 23.11.2018 г. вызван процессом подготовки группы афтершоков, произошедших 07.12.2018 г. Они отметились после выхода аномалии ОАР на фоновые значения. Максимумы 01.01.2019 и 06.01.2019 г. вызваны процессом подготовки афтершоков, произошедшими 10.01–14.01.2019 г. Эти события в кривых ОАР также отразились как события “ближней” зоны. Снижение амплитуды ОАР от афтершока 13.01.2019 г. объясняется ранее полученной закономерностью, когда при двух последовательных сейсмических событиях, следующих с промежутком времени менее 25 сут, радон не успевает накопиться в поровом пространстве [5]. По сейсмологическим данным афтершоковый процесс практически завершился в мае 2019 г. Магнитуда толчков после 13.03.2019 г. была в основном меньше 2.0, и они не отразились в кривых ОАР.

Рис. 2.

Фрагмент записи вариаций ОАР на станции № 1 (г. Катав-Ивановск) с 6.11.2018 г. по 10.03.2019 г. Стрелками обозначены моменты афтершоков, сбоку указаны их параметры: дата и отношение магнитуды события к логарифму расстояния от эпицентра землетрясения до точки мониторинга.

Отмеченные закономерности поведения ОАР характерны для зоны сжатия в зоне проведения радонового мониторинга. Косвенным подтверждением наличия сжимающих напряжений могут служить некоторые физические явления, отмеченные в зоне Катав-Ивановского землетрясения.

Несмотря на довольно ощутимые проявления данного землетрясения, по эмоциональной реакции населения и повреждению жилых и производственных объектов значительно большее внимание привлекло неординарное для Урала явление – грязевой оползень (рис. 3) [7].

Рис. 3.

Фрагмент оползня с горы Песчаная. Катав-Ивановск, сентябрь 2018 г. [6].

Момент схода оползня точно не установлен. Информация о нем была получена в 20 числах сентября 2018 г. от местного населения. Неясно, связан ли оползень непосредственно с главным толчком, либо он инициирован последовавшими афтершоками. Изучение оползня позволило определить некоторые его характеристики и, самое главное, инициировало изучение особенностей состояния геологической среды в период, предшествовавший землетрясению 2018 г. В первую очередь был выполнен анализ сейсмологических данных. Составлен каталог произошедших сейсмических событий и выделившейся энергии за период с 2006 по 2018 г. [3, 6]. Согласно известным сейсмологическим прогностическим критериям (повышение сейсмической активности перед землетрясением и наличие сейсмической “бреши” (паузы)) приведенные данные явно не свидетельствовали о назревающем событии или его подготовке.

Других мониторинговых наблюдений за явлениями, отражающими процесс подготовки землетрясений в районе землетрясения, до события не проводилось. При сейсмологическом опросе после землетрясения жители рассказали о необычных природных явлениях, отмеченных в окрестностях района землетрясения. Так, в 2009 г. было зафиксировано появление термальной воды в 8-метровой водозаборной скважине в пос. Минка Усть-Катавского ГО по адресу ул. Первомайская, 27. По бытовым измерениям ее максимальная температура достигала 54°С. Описание аномального явления приводится по публикации в газете “Среди вершин” (https://smotrim.ru/article/1388534; https://sv-uk.ru/news-2/community/incident/zemletryasenie-mozhno-bylo-predskazat/). По данным из глубокой параметрической скважины Леузинская-1, расположенной в башкирской части Юрюзано-Сылвенской впадины Предуральского прогиба, вода с температурой 54°С должна быть на глубине порядка 2.5–3.0 км [2, 10]. Учитывая ее охлаждение при подъеме, можно говорить и о глубинах более чем 3 км. Таким образом, это уникальное явление свидетельствовало о том, что уже в 2009 г. в горных породах на глубине происходил процесс сжатия, который характерен для очага готовящегося землетрясения.

Из других, отмеченных населением необычных природных явлений, проявившихся уже после землетрясения, например, приток “грязной” воды в частную водозаборную скважину в селе Аратское Катав-Ивановского района после третьего ощутимого афтершока. По словам владельца, скважину пришлось дважды промывать. Очевидно, что это тоже свидетельствовало о проявлении процесса сжатия, который не прекратился после основного толчка.

Еще одним явлением, также связанным с проявлением процесса сжатия, можно считать образование “грязевых” пробок в скважинах на южном водозаборе Катав-Ивановска. Глубина водозаборных скважин находится в пределах 100 м. По мере эксплуатации в предшествовавший землетрясению период некоторые скважины для сохранения дебита нуждались в регулярной промывке. В ряде случаев из-за снижения и невозможности восстановления дебита их выводили из эксплуатации. При проверке таких нерабочих скважин было установлено, что 2 скважины, выведенные из эксплуатации, оказались глубиной 20 и 35 м вместо 100 м. В них образовались пробки из плотной субстанции (грязи). Глубина одной из проверенных нерабочих скважин была равна 100  м. Для проведения мониторинга в ней 28.10.2018 г. была установлена температурная станция (температурный логгер) на глубине 95 м. Для технического обслуживания станцию подняли 23.05.2019 г. При повторном спуске логгера 20.06.2019 г. оказалось, что глубина скважины стала равна 65 м. Поскольку скважина была полностью обсажена, то очевидно произошел подъем вещества более плотного, чем вода, и воду, как поршнем, выдавливало через устье скважины. Это свидетельствовало о том, что процесс сжатия сохранялся до мая 2019 г. В настоящее время ее глубина сохраняется на уровне 65 м, что косвенным образом может свидетельствовать о прекращении процесса сжатия. Как уже отмечалось, землетрясение 05.09.2018 г. сопровождалось продолжительным афтершоковым процессом. По сейсмологическим наблюдениям, афтершоки практически прекратились только к маю 2019 г. Это совпадает с временем прекращения изменения глубины наблюдательной скважины.

Произошедшие на Урале в последние годы два довольно крупные, по местным масштабам, сейсмические события говорят о наличии геодинамической активности данного региона. Предыдущее, сопоставимое по магнитуде с Катав-Ивановским, землетрясение случилось в 1914 г. Если посмотреть на расположение этих землетрясений c учетом геологических особенностей площадей, на которых произошли сейсмические события, то можно отметить их приуроченность к обрамлению, практически асейсмичной зоны, выделенной в пределах Русской платформы, располагающуюся в пределах Предуральского краевого прогиба, Башкирского антиклинория. Выделение асейсмичной зоны проводилось по отсутствию на данной площади известных землетрясений (рис. 4). Более наглядная картина получается, если рассмотреть положение очагов всех известных на сегодняшний день землетрясений на Урале. Они в основном располагаются в обрамлении выделенной асейсмичной зоны. Наличие тектонических напряжений в обрамлении асейсмичной зоны подтверждается результатами GPS-наблюдений, выполненных сотрудниками Института геофизики УрО РАН. Векторы движения реперов различаются и по величине, и по направлению (табл. 1). Расчет векторов движения реперов относительно обсерватории Арти, расположенной в пределах асейсмичной зоны, показывает их встречное направление на северной и южной границах зоны, что может свидетельствовать о процессе сжатия (рис. 5) [9].

Рис. 4.

Фрагмент геологической карты Среднего и Южного Урала [1] с расположением эпицентров наиболее крупных землетрясений на Урале с 1698 по 2018 г. Пунктирной линией отмечено ориентировочное положение асейсмичной зоны по [3, 6].

Рис. 5.

Схема движения отдельных блоков Урала относительно обсерватории АРТИ. 1 – города; 2 – эпицентр землетрясений; 3 – станция GPS; 4 – зона “Уфимского выступа” (асейсмичная зона); 5 – направление движения реперов GPS; 6 – границы основных геологических структур Урала. Структуры первого порядка по [8]: I – Восточно-Европейская платформа, II – Предуральский краевой прогиб, III – Западно-Уральская зона складчатости, IV – Центрально-Уральское поднятие, V – Тагильско-Магнитогорский прогиб, VI – Восточно-Уральское поднятие, VII – Восточно-Уральский прогиб, VIII – Зауральское поднятие.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате анализа инструментальных наблюдений и аномальных природных явлений в районе Катав-Ивановского землетрясения 2018 г. подтверждается наличие зоны сжатия, которая активизировалась за несколько лет до тектонического события. Предположительно, активизация связана с продолжающимся движением (по данным GPS-наблюдений) Евразии на северо-восток-восток со скоростью 28 мм в год. Отдельные блоки могут двигаться с иными скоростями, что может приводить к возникновению тектонических напряжений в них.

Мониторинговые радоновые и температурные наблюдения в зоне землетрясения показали возможность оперативного контроля изменения геодинамической обстановки в области готовящегося землетрясения в Уральском регионе. Полученные закономерности поведения объемной активности радона при подготовке землетрясений в Южно-Курильском регионе оказались применимы в условиях Урала.

Для дальнейшего наблюдения геодинамической активности Среднего и Южного Урала необходимо продолжение мониторинга радона и температуры на северных и южных границах выделенной асейсмичной зоны.