Studii seismicitate indusa la barajele Poiana Uzului (Bacau) si Izvorul Munteluii (Bicaz)

Autori: Felix Borleanu, Traian Moldoveanu, Mihaela Popa, Mihaile Diaconescu si Iren-Adelina Moldovan

Informatii trunchiate – contactati autorul Felix Borleanu (felix@infp.ro)

1. Introducere

Multiple studii efectuate in domeniul seismicitatii induse in regiuni distincte ale globului releva

faptul ca depozitele mari de apa (baraje) pot influenta generarea cutremurelor (Chander 1999, Chen and

Talwani, 1998). Cutremure pot fi provocate indeosebi de variatia stress-ului (tensiunii) cauzat de cantitatea

apei, de instabilitatea fracturilor respectiv a faliilor existente sub baraje cauzata de cresterea presiunii apei

in pori. Factorii enumerati, conduc la eliberarea prematura a unei energii de tip tectonic. Cutremurele pot

fi generate intr-o anumita regiune (unde exista baraje) daca zona respectiva se incadreaza intr-o anumita

etapa dintr-un ciclu bine definit (vezi, Gibson, 1997). Studiul seismicitatii induse releva in acest fel o mai

buna perspectiva in ceea ce priveste mecanimsele de generare a cutremurelor, evidentiind factorii care au

un rol deosebit in ceea ce priveste generarea cutremurelor din zonele adiacente. In aceasta etapa a studiului

ne propunem pe de o parte sa monitorizam activitatea seismica pentru o distanta epicentrala de 50 km in

jurul barajelor Poaiana Uzului si Izvorul Muntelui (Bicaz) pentru perioada 2010-2014, iar pe de alta parte,

sa investigam amanuntit cauzele care au dus la producerea seismicitatii locale calculand variatia numarului

de evenimente seismice in functie de adancime si magnitudine, corelarea dintre nivelul apei si seismicitatea

locala, spectrogamele pentru aceste evenimente, inregistrate de statiile seismice apropiate. De asemenea

pentru perioada analizata vor fi prezinta distributia deformatiilor elastice pentru cutremurele locale si curba

Benioff, care evidentiaza anii cu activitate seismica locala maxima.

2. Descrierea de ansamblu a factorilor geologici, geofizici si tectonici a regiunii

Geologia in jurul celor 2 baraje este prezentata pe o raza de 40 km in jurul barajului Izvorul

Muntelui (Bicaz) respectiv pe o raza de 18 km in jurul barajului Poiana Uzului, pentru a evidentia

principalele formatiuni structurale si tectonice in vederea unei corelari cu activitatea seismica. Hartile

geologice, ale celor 2 regiuni studiate sunt prezentate in Figurile 1 si 2. Acestea au fost modificate dupa

hartile geologice apartinand Institutul Geologic al Romaniei.

2.1 Localizarea si caracteristicile barajelor studiate

Lacul Bicaz este situat in partea de NE a Romaniei, in zona flisului Carpatilor Orientali. Este cel mai

mare (35km lungime pe o suprafata de 33 km2) lac artificial (antropic) amenajat pe raurile interioare din

Romania, fiind situat pe cursul superior al raului Bistrita. S-a format ca urmare a construirii barajului

hidroenergetic Izvorul Muntelui (Bicaz), un adevarat gigant cu o inaltime de 127 m. Acesta, asigura

alimentarea centralei hidroenergetice Bicaz-Stejaru. Izvorul Muntelui (Bicaz) este un baraj de greutate din

beton, principalele caracteristici (Cojocar, 2008) fiind redate in Figura 3.

Amplasamentul barajului Poiana Uzului este situat la o distanta medie de 80 km nord - vest de zona

epicentrala Vrancea, zona a carei seismicitate intermediara ca persistenta, concentrare si intensitati maxime

observate determina aspectul dominant al seismicitatii intreg teritoriului Romaniei. Este un baraj cu

contraforti, unul dintre putinele baraje de acest fel din Romania. Barajul are o inaltime de 84 m, lungimea

de 507 m. Lacul are o lungime de 3,75 km, o suprafata de 334 hectare si un volum de 98 milioane metrii

cubi. Adancimea maxima a lacului este de 64,7 m. Caracteristicile (Cojocar, 2008) principale ale barajului

sunt redate in Figura 4.

Figura 1 Harta geotectonica a zonei lacului de acumulare Bicaz. Scara 1:200.000 (dupa harta

geologica a Romaniei, scara 1: 200.000). Dreptunghiul rosu delimiteaza lacul Bicaz si zona adiacenta.

Literele (A,B si C –albastre) reprezinta faliile aflate in imediata apropiere

Figura 2 Harta geotectonica a zonei lacului de acumulare Poiana Uzului (dupa harta geologica a

Romaniei scara 1:50.000). Dreptunghiul albastru delimiteaza lacul Poiana Uzului si zona adiacenta.

Literele (A,…,N –albastre) reprezinta faliile aflate in imediata apropiere.

Figura 3 Principalele caracterisitci ale barajului Izvorul Muntelui (sectiune transversala)

Figura 4 Principalele caracterisitci ale barajului Poiana Uzului (sectiune in plan)

2.2. Proprietati geofizice si tectonice

Ansamblul structural al zonei cristalino-mezozoice este afectat de un sistem de falii orientate E-V,

respectiv transversal la structura principala. In general faliile sunt verticale, uneori insotite de decrosare. Cel

mai fragmentat sector este cel situat la N de Borsec-Tulghes. Pe unele portiuni ale contactului dintre zona

subcarpatica si platforma moldoveneasca se remarca trasee ale faliei pericarpatice. Este cazul traseului situat la

N de V. Trotus. (vezi Moldoveanu et al 2011).

Barajul Bicaz este strabatut numai de faliile de sariaj ale incalecarilor flisurilor cretacice, cea mai

importanta fiind linia (Falia A, Figura 1) prin care Panza de Ceahlau incaleca Panza flisului curbicortical.

Planul de sariere se intinde pe o directie N-S. Acest sariaj este de mare amploare avand o lungime de 400

km, incepe din fata bucegilor si depaseste granitele tarii la nord in Ucraina. Alt plan de sariere, situat mai

la vest, este cel al incalecarii flisului Barremina-Aptian peste flisul Albian –Vraconian (Falia B, Figura 1)

cu o dezvoltare tot N-S si o lungime de 140 de km. Alt element structural prezent in aria Barajului Bicaz

este o faliere inversa (Falia C, Figura 1) pe o directie NV-SE, situate la est de linia, 10 km. Alte elemente

structural prezente sunt anticlinale si sinclinale cu dezvoltare locala si fara importanta tectonica.

Barajul Poiana Uzului este strabatut de sariajul Seriei sisturilor negre peste stratele de Poiana

Uzului (linia D din Figura 2), lungime estimate 19 km si de falierea inversa (linia E din Figura 2) de la

limita de contact dintre stratele de Poiana Uzului si stratele Gresiei de Tarcau, lungime estimata 25 km.

Amandoua aceste elemente tectonice au o directie N-S, iar compartimentele vestice incaleca, respectiv se

ridica,peste compartimentele estice, caracteristica specifica Carpatilor Orientali. Falia K (Figura 2), este o

falie verticala cu compartimentul sud estic ridicat si care decroseaza stratele pe directie nord est cu o

lungime 400-500m. Lungime a faliei este de 10 km si subtraverseaza lacul de acumulare Poiana Uzului

Alte elemente tectonice din zona Nordica a Barajului Uzului sunt;

Falia A (Figura2), falie verticala, cu compartimentul sud-estic ridicat, se dezvolta pe o directie NE-

SW, lungimea faliei este estimata la 3,7 km

Falia B (Figura 2), tot o falie verticala, cu compartimentul estic ridicat, se dezvolta pe o directie

N-S, lungimea estimate a faliei este de 12 km.

Falia C (Figura 2), este tot o falie vertical cu compartimentul estic ridicat, se dezvolata pe o directie

N-S, lungimea estimate a faliei este de 10 km.

Falia F (Figura 2), este o falie vertical cu compartimentul vestic ridicat, se dezvolta pe o directie

N-S, lungimea estimate a faliei este de 4,7 km pune in cantact elementele gresiei de Tarcau cu depozitele

de molasa. La este de aceasta falie este situata o alta falie mult mai mica de numai 2 km cu compartimentul

estic ridicat si orientare N-S.

La sud de Barajul Uzului sunt urmatoarele elemnte tectonice:

Falia G (Figura 2), este o falie de decrosare (alunecare), in care comaprtimentul nordic se

deplaseaza spre nord-vest in raport cu cel sudic si care decroseaza si digitatia H (Figura 2) cu 600m.

Falia G (Figura 2) are o directie NW-SE si se dezvolta pe o lungime de 3,4 km iar digitatia H

(Figura 2)cu o orientare N-S se dezvolta pe o lungime 14 km

Digitatia I (Figura 2), se dezvolta pe o directie N-S pe o lungime de 7,5 km, pune in conatcat

elemnete ale Gresiei d etarcau cu elemnte ale digitatiei de Ciunget. Falia J (Figura 2), este o falie verticala avand compartimentul sud-estic ridicat cu o orientare NE-

SV, lungimea ei fiind de 2,4 km. Falia are in plus o componenta de strike slip, deoarece depalseaza stratele

spre nord - est pe o distanta de 100m.

Falia L (Figura 2), este o falie de strike slip care deplaseaza stratele spre sud vest pe o directie de

500 m. Falia are o orientare NE-SV si se dezvolta pe o lungime de 3,3 km

Falia M (Figura 2), este tot o falie de strike slip care deplaseaza stratele spre nord-est cu 650m.

Este orientata NE-SV si se dezvolata pe o lungime de 5,4 km

Falia N (Figura 2), este o panza de sariaj care pune in conatact stratele de Ciunget cu stratele de

Plopu. Falia are o directie NE-SV si o lungime de 8 km.

Suprapunand harta amplasamentelor constructiilor hidrotehnice (R.N.C.L.D., 2000) pe Harta

miscarilor crustale verticale recente (Zugravescu et al., 1998; 1999; 2000), constatam ca unele dintre

acestea, cum sunt: Izvorul Muntelui–Bicaz, Poiana Uzului, se plaseaza in aria de ridicare cu valori de +2

mm ÷ +3 mm/an (Polonic et al., 2005).

3. Analiza seismicitatii locale

3.1. Barajul Izvorul Muntelui (Bicaz)

Pentru analiza seismicitatii locale in jurul barajului Bicaz, s-a utilizat catalogul de cutremure Romplus,

imbunatatit (Oncescu et al. 1999), selectand o raza de 0,3 grade. In perioada 984- august 2015 , conform

catalogului mentionat s-au produs 32 evenimente seismice (Tabelul 1). Epicentrele evenimentelor produse

pana in anul 2010 au fost reprezentate cu negru pe harta din Figura 6, in timp ce epicentrele evenimentelor

seismice generate in perioada ianuarie 2010 – august 2015 sunt marcate cu rosu, in aceeasi figura.

Amplasamentele barajului si a statiei seismice cu ajutorul careia este monitorizata seismicitatea locala sunt

reprezentate pe harta cu verde, respectiv albastru. Deoaece epicentrele (in special cele de culare rosie) sunt

foarte grupate in spatiu, am luat in calcul prezenta in zona a unor cariere. Utilizand programul Google Earth

au fost identificate vizual cele 2 cariere marcate cu roz in Figura 6.

Figura 6 Distributia epicentrelor produse pe o raza de 0,3 grade in jurul barajului Bicaz. Cu

negru sunt reprezentate epicentrele evenimentele seismice produse in perioada 984 – 2009 iar cu

rosu cele produse in perioada 2010 – august 2015. Amplasamentele barajului si statiei seismice ce

monitorizeaza seismicitatea locala sunt reprezentate cu verde respective albastru. Carierele sunt

reprezentate cu roz.

3.1.1 Separarea seismicitatii artificiale de cea naturala

In vederea separarii celor 2 tipuri de evenimente s-a aplicat tehnica corelarii incrucisate. Considerand ca

sursa este unica, pentru evenimentele artificale vom determina coeficientii de corelare pentru evenimentele

care formeaza un grup in Figura 6. Astfel, ne asteptam la valori ridicate de corelare pentru evenimentele

produse in acelasi loc. Pentru a stabili intervalul de frecvente in care vor fi corelate evenimentele seismice,

am calculat in prealabil spectrogramele pentru 2 evenimente seismice distincte inregistrate pe componenta

verticala, ce are o esantionare de 20 samples/second (BHZ) a statiei Bicaz (Figura 14). Se observa din cele

2 reprezentari ca intervalul de frecvente caracterizat de energie maxima este cuprins intre 0,8 si 6 Hz. In

acest scop formele de unda (disponibile) ale evenimetelor produse dupa instalarea statiei BIZ (Tabelul 1),

inregistrate de componenta BHZ, au fost filtrate folosind un filtru trece banda intre 0,8 si 6 Hz. Ulterior au

fost marcati timpii de sosire ai undelor P, fiind selectate ferestre de 8 s (0,3 s inainte si 7,7 s dupa) in jurul

timpilor de sosire (ai undei P) pentru a se calcula coeficientii de corelare. In urma aplicarii acestei analize

s-a constatat ca un numar de 17 evenimente (marcate cu bold in Tabelul 1) sunt caracterizate de coeficienti

de corelare mai mari de 0,5. Formele de unda ale acestor evenimente inregistrate de componeta BHZ a

statiei seismice BIZ sunt redate in Figura 15 iar coeficientii de corelare determinati sunt reprezentati sub

forma unei matrici de corelare incrucisata in Figura 16.

Figura 14 Spectrogramele aferente evenimentelor seismice produse pe data de 14.09.2012, 14:20

(sus) respectiv 28.11.2012, 12:48 (jos). Pentru calcul au fost utilizate datele seismice inregistrate

de statia BIZ (componenta BHZ) pentru ferestre de timp de aproximativ 60 s.

3.1.2 Corelarea seismicitatii locale cu variatia nivelului apei

Compararea variatiei nivelului apei din baraj cu seismicitate locala (Figura 17), a fost realizata pentru

perioada ianuarie 2010 –mai 2014, fiind evidentiat faptul ca variatiile nivelului apei (care nu au fost

semnificative in aceasta perioada) nu favorizeaza in mod semnificativ aparitia cutremurelor in regiunea

selectata.

Informatii trunchiate – contactati autorul Felix Borleanu (felix@infp.ro) 3.2 Barajul Poiana Uzului

Pentru analiza seismicitatii locale in jurul barajului Poiana Uzului, s-a utilizat catalogul de cutremure

Romplus, imbunatatit (Oncescu et al. 1999), selectand evenimentele seismice distribuite pe o raza de 0,3

grade. In perioada 984- august 2015 , conform catalogului mentionat s-au produs 38 evenimente seismice

(Tabelul 2). Epicentrele evenimentelor produse pana in anul 2010 au fost reprezentate cu negru pe harta din

Figura 18, in timp ce epicentrele evenimentelor seismice generate in perioada ianuarie 2010 – august 2015

sunt marcate cu rosu, in aceeasi figura. Amplasamentele barajului si a statiei seismice cu ajutorul careia

este monitorizata seismicitatea locala sunt reprezentate pe harta cu verde, respectiv albastru. La fel ca si in

cazul anterior carierele care au fost identificate in aceasta regiune au fost marcate cu roz in Figura 18.

Figura 18. Distributia epicentrelor produse pe o raza de 0,3 grade in jurul barajului Poiana

Uzului. Cu negru sunt reprezentate epicentrele evenimentele seismice produse in perioada 984 –

2009 iar cu rosu cele produse in perioada 2010 – august 2015. Amplasamentele barajului si statiei

seismice ce monitorizeaza seismicitatea locala sunt reprezentate cu verde respective albastru.

Carierele sunt reprezentate cu roz.

Informatii trunchiate – contactati autorul Felix Borleanu (felix@infp.ro)

Bibliografie selectiva

Cojocar (2008) Hidroconstructii, Vol I, Constructii hidroenergetice (Editia a II-a, revizuita),I Press Image,

Bucuresti, 2008

Constantinescu, L., Marza, V., (1980) A computer-compiled and computer-oriented catalogue of

Romania’s earthquakes during a millennium, Rev. Roum. Geophys. 24, 193–234, 1980

Farrell, J., Husen, S., Smith, R.B., (2009) Earthquake swarm and b-value characterization of the

Yellowstone volcano-tectonic system, / Journal of Volcanology and Geothermal Research 188 (2009) 260–

276

Gibson, G., 1997. Earthquakes and dams in Australia. In Proceedings of the

Australian Earthquake Engineering Society Conference. Brisbane Australia p (pp. 8-1).

Gutenberg, B., Richter, C. F., (1944) Frequency of earthquakes in California, Bull. Seism. Soc. Am., 34,

185–188, 1944

http://www.neamt.ro/Date_gen/Bicaz/Lac_Izv_Muntelui.html

http://www.orasuldarmanesti.ro/portal/bacau/orasuldarmanesti/portal.nsf/AllByUNID/Barajul-Valea-

Uzului-00000A12?OpenDocument

Ioane D., Ion D., (2005) A 3D crustal gravity modelling of the Romanian territory, Journal of the Balkan

Geophysical Society , Vol. 8, No. 4

Leland timothy Long (1974) Earthquake sequences and b values in the southeast United States Bulletin of

the Seismological Society of America February 1974 vol. 64 no. 1 267-273

Moldoveanu T., Stan E., Stoian V., Cosneanu I., (2011) Interpretare seismograme inregistrate la statia

seismica Baraj Izvorul Muntelui pe perioada 01.01.2009 – 31.12.2010 (ANII2009 – 2010)

Moldoveanu T., Stan E., Stoian V., Cosneanu I., (2014) Studiu de sinteza si interpretare a datelor

privind urmarirea seismicitatii locale si regionale - baraj Poiana Uzului in perioada 01.12.2013 -

01.12.2014

Nicolescu, A., Rosca, V., (1991), Romania. The Bouguer anomaly map, scale 1: 1,000,000. Geological

Institute of Romania

Oncescu, M. C., Mirza, V., Rizescu, M., and Popa, M., (1999) The Romanian earthquake catalogue between

994-1997, Vrancea Earthquakes: Tectonics, Hazard and Risk Mitigation, edited by: Wenzel, F. and Lungu,

D., Ser.: Advances in Natural and Technological Hazards Research, Kluwer Academic Publishers, 43–47,

1999.

Polonic, G., Zugrăvescu, D., Toma I., (2005) Dinamica recentă a blocurilor tectonice St. cerc. GEOFIZICĂ,

tomul 43, p. 79–93, Bucureşti,

Radu, C., Apopei I., and Utale, A., (1980) Contributions to the study of the seismicity of Romania (in

Romanian). In Progrese in Fizica Symposium (Cluj-Napoca 1980).

Raileanu V., (2009) Caracterizarea geologica si parametrii elastici ai amplasamentelor statiilor seismologice

si de accelerometere din reteaua Institutului National de C-D pentru Fizica Pamantului, (Cercetari privind

managementul dezastrelor generate de cutremurele romanesti, coordonator Gheorghe Marmureanu) Editura

Tehnopress, ISBN:973-702-701-9 (in Romanian)

Schorlemmer D. and Wiemer S. (2004) Earthquake statistics at Parkfield: 1. Stationarity of b values,

OURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL. 109, B12307, doi:10.1029/2004JB003234

Telesca L., Alcaz V., Sandu I., 2012 Analysis the 1978–2008 crustal and sub-crustal earthquake catalog

Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 12, 1321–1325, 2012

Veliciu, S.: An Overview on Identifying and Assessing Geothermal Reservoirs, lecture, European

Summer School on Geothermal Energy Applications, Oradea, Romania (2001)

Wiemer, S., Zuniga F. (1994). ZMAP-a software package to analyze seismicity. EOS,Transactions, Fall

Meeting, AGU, 75, 456.

Zugrăvescu, D., Polonic, G., Horomnea, M., Dragomir, V. (1998), Recent vertical

crustal movements on the Romanian territory, major tectonic compartments and their relative dynamics.

Rev. roum. de Géophysique, 42, 3–14.

Zugrăvescu, D., Polonic, G., Horomnea, M., Dragomir, V. (1999), Crustal vertical

recent movemets and the geodynamic compartments on the Romanian territory. 2nd Congr. BGS, July 5–

9, Istanbul, Turkey, Abstract volume 300.

Zugrăvescu, D., Polonic, G., Horomnea, M., Dragomir, V. (2000), A new drawing

mode of the recent vertical crustal movements map on the Romanian territory. XXV Gen.

Assembly of the EGS, Nice, France, April 25–29.