Оценка возможностей георадиолокации при изучении сейсмогенных нарушений и деформаций в донных осадках (на примере озера Уполокшское, северо-восток Фенноскандинавского щита)

В статье рассматривается опыт применения метода георадиолокации для изучения донных осадков водоемов, которые являются хорошими архивами различных геодинамических процессов голоцена, в том числе тектонических и палеосейсмических. Объектом изучения было малое озеро Уполокшское, расположенное на территории Кольского полуострова. Оно приурочено к зоне активного линеамента северо-западного простирания, протяженностью более 20 км, вдоль которого вытянута серия озовых гряд. Предшествующими исследованиями донные отложения озера изучались геологическими методами, в числе которых отбор керна, литологический и микропалеонтологический анализ осадков. В результате был выделен горизонт, обладающий признаками, которые указывают на катастрофические изменения условий осадконакопления вследствие одномоментного воздействия. Цель представленной работы – оценка уровня информативности георадиолокации при выявлении нарушений в донных осадках, а также поиск и изучение новых палеосеймодислокаций в рамках существующей гипотезы о распределении очагов сейсмической активности на Кольском полуострове в голоцене. Для этого при помощи георадара ОКО-2 с антенным блоком 150 МГц выполнена детальная съемка котловины озера Уполокшское, что позволило уточнить мощность и проследить положение главных стратиграфических горизонтов донных отложений, установленных ранее. Погрешность результатов георадиолокации при сопоставлении с данными бурения не превысила ±0.2 м, что соотносится с разрешающей способностью используемой антенны. В ходе исследования по данным георадиолокации подтверждено существование сейсмодислокаций, выявленных геологическими методами, а также обнаружены новые области смещения и деформации органогенных и минерагенных донных осадков. К таким объектам относятся вертикальные смещения с амплитудой от 1.3 до 1.7 м, а также оползневые тела, вызванные сейсмогравитационными обвалами. Помимо этого, по результатам работ была построена батиметрическая карта, по которой определено положение двух котловин озера, и модель изоповерхности кровли минерагенной толщи. В центральной части модели минерального основания наблюдается ряд отдельных ступенчатых блоков субширотного простирания, сформированных в результате сейсмических подвижек. В результате исследований на примере озера Уполокшское показано, что метод георадиолокации позволяет оценить минеральную и органогенную часть донных отложений и изучить их литостратиграфические особенности, а также выделить изменение структуры залегания донных осадков. При этом были закартированы даже мелкомасштабные нарушения.

1. Bayer P., Huggenberger P., Renard P., Comunian A., 2011. Three-dimensional high resolution fluvio-glacial aquifer analog: Part 1: Field. Journal of Hydrology 405 (1–2), 1–9. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2011.03.038.

2. Bubeck A., Wilkinson M., Roberts G.P., Cowie P.A., McCaffrey K.J.W., Phillips R., Sammonds P., 2015. The tectonic geomorphology of bedrock scarps on active normal faults in the Italian Apennines mapped using combined ground penetrating radar and terrestrial laser scanning. Geomorphology 237, 38–51. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2014.03.011.

3. Busby J.P., Merritt J.W., 1999. Quaternary deformation mapping with ground penetrating radar. Journal of Applied Geophysics 41 (1), 75–91. https://doi.org/10.1016/S0926-9851(98)00050-0.

4. Christie M., Tsoflias G.P., Stockli D.F., Black R., 2009. Assessing fault displacement and off-fault deformation in an extensional tectonic setting using 3-D ground-penetrating radar imaging. Journal of Applied Geophysics 68 (1), 9–16. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2008.10.013.

5. Daniels D.J., 2004. Ground Penetrating Radar. MPG Books Limited, Cornwall, 722 p.

6. Dentith M., O’Neill A., Clark D., 2010. Ground penetrating radar as a means of studying palaeofault scarps in a deeply weathered terrain, southwestern Western Australia. Journal of Applied Geophysics 72 (2), 92–101. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2010.07.005.

7. Ercoli M., Pauselli C., Frigeri A., Forte E., Federico C., 2013. Geophysical paleoseismology through high resolution GPR data: A case of shallow faulting imaging in Central Italy. Journal of Applied Geophysics 90, 27–40. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2012.12.001.

8. Ercoli M., Pauselli C., Frigeri A., Forte E., Federico C., 2014. 3-D GPR data analysis for high-resolution imaging of shallow subsurface faults: the Mt Vettore case study (Central Apennines, Italy). Geophysical Journal International 198 (1), 609–621. https://doi.org/10.1093/gji/ggu156.

9. Евзеров В.Я., Николаева С.Б. Пояса краевых ледниковых образований Кольского региона // Геоморфология. 2000. № 1. С. 61–73.

10. Fisher T.G., Jol H.M., Smith D.G., 1995. Ground-penetrating used to assess aggregate in catastrophic flood deposits, northeast Alberta, Canada. Canadian Geotechnical Journal 32 (5), 871–879. https://doi.org/10.1139/t95-083.

11. Gross R., Green A., Horstmeyer H., Holliger K., 2003. 3-D Georadar images of an active fault: efficient data acquisition, processing and interpretation strategies. Subsurface Sensing Technologies and Applications 4 (1), 19–40. https://doi.org/10.1023/A:1023059329899.

12. Jakobsen P.R., Overgaard T., 2002. Georadar facies and glaciotectonic structures in ice marginal deposits, northwest Zealand, Denmark. Quaternary Science Reviews 21 (8–9), 917–927. https://doi.org/10.1016/S0277-3791(01)00045-2.

13. Jol H., 2009. Ground Penetrating Radar Theory and Applications. Elsevier, Amsterdam, 544 p.

14. Kovacs A., 1991. Impulse Radar Bathymetric Profiling in Weed-infested Fresh Water. U.S. Army Corps of Engineers, 19 p.

15. Lagerbäck R., 1990. Late Quaternary faulting and paleoseismicity in northern Fennoscandia, with particular reference to the Lansjärv area, northern Sweden. Geologiska Föreningen i Stockholm Förhandlingar 112 (4), 333–354. https://doi.org/10.1080/11035899009452733.

16. Last W.M., Smol J.P. (Eds.), 2001. Tracking Environmental Change Using Lake Sediments. Volume 1: Basin Analysis, Coring, and Chronological Techniques. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht, 548 p. https://doi.org/10.1007/0-306-47669-X.

17. Lukashov A.D., 1995. Paleoseismotectonics in the Northern Part of Lake Onega. Geological Survey of Finland, Nuclear Waste Disposal Research. Report Yst-90. Espoo, 36 p.

18. Lukashov A., Rukosuev S., 1997. The role of glaciotectonics in the formation of drumlins in Russian Karelia. In: R. Kujansuu, M. Saarnisto (Eds.), Contribution to the origin of Quaternary deposits and their resources in Finland and the northwestern part of the Russian Federation. Geological Survey of Finland, Special Paper, vol. 24, p. 51–55.

19. Lunina O.V., Andreev A.V., Gladkov A.S., 2015. The 1950 Mw = 6.9 Mondy earthquake in southern East Siberia and associated deformations: facts and uncertainties. Journal of Seismology 19 (1), 171–189. https://doi.org/10.1007/s10950-014-9457-9.

20. Лунина О.В., Гладков А.С., Гладков А.А., Денисенко И.А. Среднекедровая палеосейсмодислокация в Байкальском хребте: структура и оценка смещений по данным георадиолокации // Геодинамика и тектонофизика. 2018. Т. 9. № 2. С. 531–555. https://doi.org/10.5800/GT-2018-9-2-0360.

21. Максимов Д.А., Толстобров Д.С. Георадарное зондирование в комплексе геологических исследований осадочных отложений Беломорского геоблока // Геотехнология и обогащение полезных ископаемых: Материалы VI Школы молодых ученых. Апатиты: КНЦ РАН, 2015. С. 56–59.

22. Землетрясения и микросейсмичность в задачах современной геодинамики Восточно-Европейской платформы. Книга 1. Землетрясения / Ред. А.А. Маловичко, Н.В. Шаров, Ю.К. Щукина. Петрозаводск: Изд-во КарНЦ РАН, 2007. 381 с.

23. McCalpin J.P. (Ed.), 2009. Paleoseismology. 2nd edition. Academic Press, New York, 629 p.

24. McClymont A.F., Green A.G., Kaiser A., Horstmeyer H., Langridge R., 2010. Shallow fault segmentation of the Alpine fault zone, New Zealand revealed from 2- and 3-D GPR surveying. Journal of Applied Geophysics 70 (4), 343–354. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2009.08.003.

25. McClymont A.F., Green A.G., Villamor P., Horstmeyer H., Grass C., Nobes D.C., 2008. Characterization of the shallow structures of active fault zones using 3‐D ground‐penetrating radar data. Journal of Geophysical Research: Solid Earth 113 (B10), B10315. https://doi.org/10.1029/2007JB005402.

26. Meyers R.A., Derald G., Harry M.J., Peterson C., Smith D., 1996. Evidence for eight great earthquake-subsidence events detected with ground-penetrating radar, Willapa barrier, Washington. Geology 24 (2), 99–102. https://doi.org/10.1130/0091-7613(1996)024<0099:EFEGES>2.3.CO;2.

27. Геологическая карта Кольского региона. Масштаб 1:1000000 / Ред. Ф.П. Митрофанов. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2001.

28. Mörner N.A., 2004. Active faults and paleoseismicity in Fennoscandia, especially Sweden. Primary structures and secondary effects. Tectonophysics 380 (3–4), 139–157. https://doi.org/10.1016/j.tecto.2003.09.018.

29. Neal A., 2004. Ground-penetrating radar and its use in sedimentology: principles, problems and progress. Earth-Science Reviews 66 (3–4), 261–330. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2004.01.004.

30. Николаева С.Б. Палеосейсмические проявления в северо-восточной части Балтийского щита и их геолого-тектоническая позиция // Геоморфология. 2001. № 4. С. 66–74.

31. Nikolaeva S.B., Lavrova N.B., Denisov D.B., 2017. A catastrophic Holocene event in the lake bottom sediments of the Kola Region (Northeastern Fennoscandian Shield). Doklady Earth Sciences 473 (1), 308–312. https://doi.org/10.1134/S1028334X17030072.

32. Николаева С.Б., Лаврова Н.Б., Денисов Д.Б., Толстобров Д.С. Следы катастрофических процессов в донных осадках озер западного побережья озера Бабинская Имандра (Кольский регион) // Известия Русского географического общества. 2016. Т. 148. № 4. С. 38–52.

33. Nikolaeva S.B., Nikonov A.A., Shvarev S.V., Rodkin M.V., 2016b. Comprehensive paleoseismic geological studies in a key site in Southwestern Kola Peninsula (northeast of the Fennoscandian Shield). Doklady Earth Sciences 469 (1), 656–660. https://doi.org/10.1134/S1028334X16070138.

34. Омельяненко А.В., Христофоров И.И. Особенности георадиолокации обводнённых сред // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2012. № 9. С. 127–132.

35. Overgaard T., Jakobsen P.R., 2001. Mapping of glaciotectonic deformation in an ice marginal environment with ground penetrating radar. Journal of Applied Geophysics 47 (3–4), 191–197. https://doi.org/10.1016/S0926-9851(01)00064-7.

36. Pasanen A., 2009. Radar stratigraphy of the glaciotectonically deformed deposits in the Isoniemi area, Haukipudas, Finland. Bulletin of the Geological Society of Finland 81 (1–2), 39–51. https://doi.org/10.17741/bgsf/81.1.002.

37. Reicherter K.R., Reiss S., 2001. The Carboneras Fault Zone (southeastern Spain) revisited with Ground Penetrating Radar – Quaternary structural styles from high-resolution images. Netherlands Journal of Geosciences – Geologie en Mijnbouw 80 (3–4), 129–138. https://doi.org/10.1017/S0016774600023799.

38. Sambuelli L., Bava S., 2012. Case study: A GPR survey on a morainic lake in northern Italy for bathymetry, water volume and sediment characterization. Journal of Applied Geophysics 81, 48–56. https://doi.org/10.1016/j.jappgeo.2011.09.016.

39. Sambuelli L., Calzoni C., Pesenti M., 2009. Waterborne GPR survey for estimating bottom-sediment variability: A survey on the Po River, Turin, Italy. Geophysics 74 (4), B95–B102. https://doi.org/10.1190/1.3119262.

40. Schwamborn G.J., Dix J.K., Bull J.M., Rachold V., 2002. High-resolution seismic and ground penetrating radar-geophysical profiling of a thermokarst lake in the western Lena delta, northern Siberia. Permafrost and Periglacial Processes 13 (4), 259–269. https://doi.org/10.1002/ppp.430.

41. Шалаева Н.В., Старовойтов А.В. Основы сейсмоакустики на мелководных акваториях. Учебное пособие. М.: Изд-во МГУ, 2010. 256 с.

42. Шитов М.В., Бискэ Г.С., Сумарева И.В. Позднеголоценовое сейсмическое событие в Юго-Восточном Приладожье. II. Параметры // Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 7: геология, география. 2010. № 3. С. 18–28.

43. Шварев С.В. Послеледниковые тектонические движения и формирование террас озера Имандра (Кольский полуостров) // Геоморфология. 2003. № 4. С. 97–104.

44. Smith C.A., Nyberg J., Bergman B., 2017. Comparison between hydroacoustical and terrestrial evidence of glacially induced faulting, Lake Voxsjon, Central Sweden. International Journal of Earth Sciences 107 (1), 169–175. https://doi.org/10.1007/s00531-017-1479-4.

45. Старовойтов А.В. Интерпретация георадиолокационных данных. Учебное пособие. М.: Изд-во МГУ, 2008. 192 с.

46. Старовойтов А.В., Токарев М.Ю., Марченко А.Л., Субетто Д.А., Рыбалко А.Е., Алешин М.И. Возможности георадиолокации при изучении четвертичных отложений // Труды Карельского научного центра РАН. Серия Лимнология. Океанология. 2016. № 5. С. 62–75. https://doi.org/10.17076/lim268.

47. Tamura T., Murakami F., Nanayama F., Watanabe K., SaitoY., 2008. Ground-penetrating radar profiles of Holocene raised-beach deposits in the Kujukuri strand plain, Pacific coast of Eastern Japan. Marine Geology 248 (1–2), 11–27. https://doi.org/10.1016/j.margeo.2007.10.002.

48. Тарабанько А.В. Применение георадиолокации при изучении разрывных нарушений, связанных с коровыми землетрясениями в районе реки Поперечная (Южная Камчатка) // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2007. № 1. С. 154–158.

49. Tronicke J., Villamor P., Green A.G., 2006. Detailed shallow geometry and vertical displacement estimates of the Maleme Fault Zone, New Zealand, using 2D and 3D georadar. Near Surface Geophysics 4 (3), 155–161. https://doi.org/10.3997/1873-0604.2005041.

50. Vladov M.L., Pyatilova A.M., 2009. Influence of the water layer upon the depth of ground radar investigations in freshwater reservoirs. Moscow University Geology Bulletin 64 (1), 59–62. https://doi.org/10.3103/S0145875209010098.

51. Владов М.Л., Старовойтов А.В. Введение в георадиолокацию. Учебное пособие. М.: Изд-во МГУ, 2004. 153 c.

52. Weill P., Tessier B., Mouaze D., Bonnot-Courtois C., Norgeot C., 2012. Shelly cheniers on a macrotidal flat (MontSaint-Michel bay, France) – internal architecture revealed by ground-penetrating radar. Sedimentary Geology 279, 173–186. https://doi.org/10.1016/j.sedgeo.2010.12.002.

53. Зыков Д.С. Новейшая геодинамика Северо-Карельской зоны (Балтийский щит). М.: ГЕОС, 2001. 146 с.