background image

GEOLOGICA CARPATHICA

, DECEMBER 2019, 70, 6, 483–493

doi: 10.2478/geoca-2019-0028

www.geologicacarpathica.com

The relation of the seismicity in the eastern part  

of the Ukrainian Carpathians and the distribution  

of electrical conductivity in the Earth’s crust

SVETLANA KOVÁČIKOVÁ

1, 

, IGOR LOGVINOV

2

 and VIKTOR TARASOV

2

1

Institute of Geophysics, Czech Academy of Sciences, Boční II/ 1401, 14131 Praha 4 – 14100, Czech Republic; 

 

svk@ig.cas.cz

2

Institute of Geophysics, National Academy of Sciences of Ukraine, Palladin av. 32, 03142 Kiev, Ukraine; anna_log@ukr.net

(Manuscript received February 6, 2019; accepted in revised form October 16, 2019)

Abstract: We present results of a study of the peculiarities of the seismicity and electrical conductivity distribution  

beneath the Ukrainian Eastern Carpathians. Based on the analysis of seismic data for the years 1999–2016, specific  

zones of concentration of earthquake sources related to the principal fault systems and their intersections have been  

distinguished.  This  paper  covers  two  zones,  one  linked  to  the  contact  of  the  Outer  Carpathians  and  the  Carpathian   

Foredeep and another one linked to the fault system transverse to the Carpathians strike. Both belts of earthquake sources 

concentration correlate well with the geoelectric models of the studied area obtained as a result of 2D and quasi-3D  

inversion. Most of the seismic events occur at the intersection of the mentioned seismic zones, at shallower depths, than 

the main conductive structures appear, concentrated at their marginal parts. The interrelation of both phenomena suggests 

their common explanation by processes occurring in active fault systems: fracturing, shear deformation, migration of 

highly mineralized fluids, high porous pressure, accumulation and release of tectonic stress. 

Keywords: Ukrainian Carpathians, seismicity, electrical conductivity.

Introduction

The Carpathian region is characterized by increased seismic 

activity which is irregularly distributed along the Carpathian 

Mts.  strike.  One  of  the  areas  of  increased  seismicity  is  the 

 territory  of  the  Ukrainian  Eastern  Carpathians  (sources  — 

Kostyuk et al. 1997; European-Mediterranean Seismological 

Centre  EMSC  http://www.emsc-csem.org;  Seismological 

 Bulletins of Ukraine 1999–2016 etc.). Currently, from 3–5 to 

20–30  earthquakes  with  a  magnitude  of  0.6–0.8  and  higher 

(reaching 4.2) are instrumentally registered during a year in 

the Ukrainian Carpathians; 60–75 % of them in the Transcar-

pathian  basin,  the  rest  in  the  Outer  flysch  Carpathians  and 

partly in the Carpathian Foredeep and the adjacent territories 

of the East European platform (EEP). For the purposes of this 

study, we analysed data from the Seismological Bulletins of 

Ukraine  for  the  years  1999–2016  and  compiled  a  summary 

catalogue of the Carpathian earthquakes for these years.

Geoelectrically, the Carpathians are characterized by sub- 

surface  low  resistivity  sedimentary  sequences  of  the  Car-

pathian  Foredeep  and  by  the  prominent  crustal  Carpathian 

conductivity anomaly CrCA (recently, for example, Twaróg et 

al.  2018;  Bezák  et  al.  2019;  Červ  et  al.  2019;  Logvinov  & 

Tarasov  2019).  Currently,  a  database  of  the  magnetotelluric 

(MT — natural electromagnetic field) data has been created, 

which  includes  practically  90  %  of  all  results  of  the  MT 

research in Ukraine. Using this database and on the basis of 

the 2D modelling through a network of 12 profiles, the areal 

distribution of geoelectric parameters in the depth interval of 

1–16 km for the territory of the Ukrainian Carpathians was 

obtained (Logvinov & Tarasov 2019). The quasi-3D thin sheet 

inversion made it possible to model the electrical conductivity 

distribution in a sheet approximating the upper boundary of 

the electrical anomaly source. 

Peculiarities in the distribution of earthquakes and increased 

conductivity within the Earth attract permanent interest from 

researchers. The results of geoelectric studies suggest narrow 

interrelation of the revealed conductive structures with fault 

tectonics and consequent geothermal and seismic activity in 

the  whole  Carpathians  (e.g.,  Kováč  et  al.  2002;  Toth  et  al. 

2002;  Majcin  et  al.  2014).  Following  the  above  mentioned 

course, the presented article aims to correlate the seismicity of 

the eastern part of the Ukrainian Carpathians with the geoelec-

tric parameters of the Earth’s crust, determined by 2D and 3D 

interpretational methods.  

Investigated area, geoelectric  

and seismological data  

The Carpathian region in Ukraine is traditionally subdivided 

into the Carpathian Foredeep, the Transcarpathian Depression 

and  the  Carpathians  themselves  (Fig.  1),  the  major  part  of 

which  is  here  occupied  by  the  nappes  of  the  Outer  flysch 

Carpathians (Glushko & Kruglov 1986). The Prealpine base-

ment of the Ukrainian Carpathians is represented by the EEP 

complexes with the oldest represented by the Preriphean crys-

talline  rocks  (Archean-to-early  Proterozoic  with  geological 

background image

484

KOVÁČIKOVÁ, LOGVINOV and TARASOV

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2019, 70, 6, 483–493

Fig. 1. a — tectonic scheme of the Ukrainian Carpathians (according to Glushko & Kruglov 1986) with individual nappe boundaries (black 

dashed lines); b — distribution of earthquakes epicentres (crosses) and (1) — areas of their concentration (grey zones), (2) — main faults 

intersecting the surface of the crystalline basement: TCR — Transcarpathian, CHR — Chornoholova, UGK — Uzhok, PCR — Precarpathian, 

TNM  —  Tyachev–Nadvornyansk–Monastyrets  (Zayats  2013).  In  both  subfigures:  dotted  lines  —  boundaries  of  main  tectonic  elements:  

TC — Transcarpathian depression, C — Carpathians, CF — Carpathian Foredeep. GII, SG-I-67 — MT profiles discussed further; rectangle in 

the inset — studied area.

background image

485

SEISMICITY AND ELECTRICAL CONDUCTIVITY DISTRIBUTION BENEATH THE UKRAINIAN CARPATHIANS

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2019, 70, 6, 483–493

ages  more  than  1650  Ma)  followed  by  the  Neoproterozoic 

formed  during  the  Baikalian  tectonic  processes  (around  

850 Ma).  The territory is intersected by a complicated net-

work of faults parallel to the orogene axis and related to indi-

vidual thrust zones as well as transversal faults (Verkhovtsev 

2006; Zayats 2013).

Geoelectric investigations 

As an input for performing the 2D and quasi-3D geoelectric 

modelling, the experimental MT (both electric and magnetic 

components of the recorded natural electromagnetic field) and 

magnetovariational  data  (MV,  only  magnetic  components) 

from the Ukrainian Carpathians in the period range 1–6400 s 

(Gordienko et al. 2011; Logvinov 2015 and sources therein) 

and the results from the international profile PREPAN (Adám 

et al. 1997) have been used (Fig. 2a).  

For  the  2D  modelling  performed  using  the  REBOCC  

inversion algorithm (Siripunvaraporn & Egbert 2000), experi-

mental MT sites over the area were projected on eleven profile 

lines  (plus  profile  PREPAN).  Geoelectric  parameters  of  the 

subsurface layers were used as a priori information in the star-

ting interpretational model. Sedimentary layers play a signi-

ficant role in calculating the models of the electrical resistivity 

Fig. 2. a — Locations of MT field observation sites and profiles of the 2D inversion (Logvinov & Tarasov 2019); GII — along the II

nd 

interna-

tional Geotraverse and SG-I-67 — MT profiles discussed further; dashed lines: thin — boundaries of the principal units of the Ukrainian 

Carpathians (zones

 

CF, C, TC — see Fig. 1), thick — the EEP boundary

b — scheme of the Preriphean crystalline basement; c — scheme of 

the Baikalian basement (Zayats 2013); 1 — main faults intersecting the surface of the crystalline basement (see Fig. 1), RRD — Rava-Russian-

Davydenko  fault  (SW  boundary  of  the  Preriphean  platform);  2  —  contour  lines  of  the  Preriphean  basement  (in  km):  a  —  reliable,  

b — expected; 4 — contour lines of the Baikalian basement surface (in km).

background image

486

KOVÁČIKOVÁ, LOGVINOV and TARASOV

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2019, 70, 6, 483–493

(ρ) of the Earth’s crust. In the Ukrainian Carpathians region, 

the  Baikalian  basement  is  overlain  by  Meso-Cenozoic  sedi-

ments. Generally, according to the scheme on Figure 2c, the 

thickness  of  sedimentary  rocks  in  the  Carpathian  Foredeep 

and  the  folded  flysch  Carpathians  does  not  exceed  8  km 

(Zayats 2013). According to the logging data and the direct 

current methods, the rocks composing the flysch Car pathians 

are characterized by strongly varying values of ρ. For the Ceno-

zoic rocks, the resistivity values are generally 10–50 ohmm. 

The  resistivity  of  the  Mesozoic  and  Paleozoic  rocks  varies 

from 15–30 ohmm to 100 or more ohmm. Mesozoic to Ceno-

zoic deposits of the Carpathian foredeep are charac terized by 

ρ values varying from 3–5 ohmm to 10–30 ohmm, whereas  

the resistivity of Paleozoic rocks varies from 30–60 ohmm to 

100–150 ohmm. Details of the 2D  modelling along the pro-

files  were  described  in  Logvinov  &  Tarasov  (2018,  2019). 

Root  mean  square  deviation  rms  in  the  inversion  varied 

between 1.65 and 2.8. 

Currently available geological and geophysical information 

is obviously presented in the form of horizontal and vertical 

sections. In this work, horizontal sections at various depths are 

presented (Fig. 3a–e). For joint presentation of the 2D model-

ling results a three-dimensional matrix was constructed. At each 

modelling  profile,  the  spatial  coordinates  of  the  modelling 

cells were defined and a three-dimensional matrix was built 

(variables  are:  X  —  longitude,  Y  —  latitude,  Z  —  depth,  

ρ  —  electrical  resistivity).  With  respect  to  the  scale  of  the 

 profiles  network  and  the  horizontal  step  of  modelling  on  

the  profiles, the initial matrix for the construction of models of 

geo electric parameters was transformed into a matrix with the 

horizontal cell size 6 km × 6 km. The electrical resistivity (ρ

within  the  interval  of  100–1000  ohmm  was  assumed  as  the 

normal resistivity value. At this normal resistivity background, 

plots with ρ less than 40 ohmm are shown, giving more than 

90 % of contribution to the low resistivity objects (Rokityansky 

1982).  High  resistivity  structures  may  also  be  geologically 

interesting and features with ρ exceeding 1000 ohmm are also 

shown in the figures. The densest network of modelling pro-

files is located in the eastern part of the Ukrainian Carpathians, 

bounded  from  the  west  by  an  international  geotraverse  GII 

(Fig. 2, Kruglov & Gursky 2007). Therefore, the most condi-

tioned results from this area are used as the resistivity distribu-

tion in the Earth’s crust in the following. 

The  resulting  resistivity  distribution  for  the  first  4  km  

(Fig. 3a) is in good agreement with the geoelectrical characte-

ristics of sedimentary rocks described above. An interesting 

feature  of  the  obtained  distributions  of  ρ  is  the  presence  of  

an arc-shaped area in the central part bounded by a contour 

line of 100 ohmm. At the south-west, it appears at the intersec-

tion of geographic coordinates 23°E and 48°N, a locality in the 

Transcarpathian depression. Further, the structure crosses the 

flysch Carpathians and in the area with coordinates of about 

23.5°E  and  48.5°N,  its  strike  is  close  to  the  Precarpathian 

fault’s stretching. In the described depth interval, three ano-

malous objects (ρ less than 10 ohmm) are allocated in the area. 

Beneath 5 km, only local high conductivity (or low resistivity) 

objects remain on the horizontal sections in the same areas as 

in the shallower depths. The highest conductivity values are 

observed in the central object at a depth of 5 km (with coordi-

nates of its centre approximately 24.3°E and 48.7°N). Beneath 

the  8  km  depth,  the  central  conductive  structure  splits  onto 

three separate high conductivity objects traced down to 16 km. 

Comparison  of  the  described  conductivity  distribution  with 

the fault tectonics allows us to associate individual conductive 

structures with faults of the Carpathians stretching and trans-

verse  (with  respect  to  the  Carpathians)  faults.  Such  feature  

is  quite  clearly  traced  down  to  the  depth  of  about  8  km. 

Another feature of this area is the presence of a high-resistivity 

structure  located  to  the  south  of  the  central  conductive 

 structure.  In  a  volumetric  presentation,  its  position  suggests 

encompas sing of the high-resistivity block by the conductive 

structure. In depth, this block disappears beneath the Baikalian 

basement surface (Fig. 2c). The central and eastern structures 

(limited by contour line ρ = 40 ohmm) can be traced through 

the whole depth interval presented in Figure 3, but their cen-

tres  migrate,  as  they  approach  the  Earth’s  surface.  Rapid 

change of the anomalous object’s position occurs in the depth 

interval of 8–10 km. This depth interval separates the conduc-

tive  objects  into  two  floors  also  by  the  conductivity  value.  

The largest conductivity is observed at a depth of 16 km and 

deeper, which indicates the location of their roots in the crys-

talline basement rocks (Fig. 2b).

The obtained 2D models were used as a priori layered 1D 

structure  and  the  source  depth  for  the  quasi-3D  geoelectric 

modelling based on the thin sheet theory applicable at quite 

long  periods  (the  range  of  hundreds  to  thousands  seconds) 

when, in a quasi-static approach, the electromagnetic wave-

length  exceeds  the  thickness  of  the  upper  crustal  layers 

(Schmucker 1970; Vasseur & Weidelt 1977). The upper boun-

dary of the electrical anomaly source is then approximated by 

a horizontally inhomogeneous sheet buried in a layered Earth. 

In this case, the electrical conductivity (reverse of the resisti-

vity) is replaced by the integrated conductance (Siemens) 

distribution over the sheet and the vertical changes of the con-

ductivity are neglected. In the procedure, only magnetic com-

ponents  of  electromagnetic  records  (induction  arrows)  were 

used. The method is sensitive mainly to the horizontal conduc-

tivity gradients which makes it suitable especially for tracing 

regional crustal conductors that may mark significant tectonic 

boundaries and structures. Details of the technique were pre-

sented in Kováčiková et al. (2005). The thin sheet applied in 

the inversion was located in a layered medium at the depth of 

8  km  approximating  the  upper  boundary  of  the  Carpathian 

conductivity anomaly. Its source is presumably located in the 

depth  interval  of  about  10–20  km  although  to  the  east,  it 

approaches the surface reaching about 8 or less km in Ukraine 

(Logvinov  2015).  Choice  of  the  modelling  parameters  and 

results was presented in Kováčiková et al. (2016). The model 

consisted of 46 × 46 cells; the cell size was 10 km × 10 km with 

respect to the used period range (400 s – 6400 s).  Starting with 

the normal conductance in the thin sheet (1000 S), the inver-

sion was performed up to 15 iterations and finished reaching 

background image

487

SEISMICITY AND ELECTRICAL CONDUCTIVITY DISTRIBUTION BENEATH THE UKRAINIAN CARPATHIANS

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2019, 70, 6, 483–493

the data weight value between two iterations (0.5 with respect 

to the induction vectors amplitudes reaching values of 0.7). 

Inversion  was  calculated  for  all  periods  separately  (400 s, 

900 s, 1600 s, 3600 s and 6400 s) with the best fit of the model 

at the period 1600 s. The average difference in amplitude was 

about 0.2 (16 %) and maximum 24° in azimuths. 

Seismological data 

The summary catalogue of the Ukrainian Carpathians earth-

quakes for the years 1999–2016, mentioned in the introduc-

tion, contained data from eighteen Seismological Bulletins of 

Ukraine  for  the  years  1999–2016  issued  by  the  Institute  of 

Fig. 3. a–e — Distribution of the electrical resistivity in the upper part of the Ukrainian Carpathians crust from the 2D inversion at different 

depth levels; f — distribution of the integrated conductivity within the thin sheet at 8 km (result of the quasi 3D inversion for the period  

T=1600 s); 1 — main faults intersecting the surface of the crystalline basement (see Fig. 1); 2 — faults active during last 3 Ma (Verkhovtsev 

2006): SZ — Starosambir-Zmeinyi, RR — Ratnov-Rakhiv, KHK — Khust-Korets, CHN — Chertkov-Novolutsk; 3 — EEP boundary.

background image

488

KOVÁČIKOVÁ, LOGVINOV and TARASOV

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2019, 70, 6, 483–493

Geophysics NAS Ukraine, Simferopol. It listed data on 949 

events  limited  by  coordinates  21–26.8°E  and  47.5–50°N 

(Fig.1b)  their  source  times,  epicentre  coordinates,  focal 

depths,  magnitudes  M

SH

  (horizontal  component  magnitude) 

and  M

D

  (earthquake  duration  magnitude)  and  classification 

according  to  the  K-class  system  (Rautian  et  al.  2007).  Five 

zones of concentration of earthquake epicentres can be distin-

guished  within  the  Ukrainian  Carpathians  region.  They  are 

related to: the Transcarpathian Depression (Z1); Precarpathian 

fault (Z2); a belt stretching approximately from 22,5°E and 

48°N  to  24°E  and  50°N  (Z3);  another  belt  stretching  from 

23°E  and  47.8°N  to  26°E  and  50°N  (Z4);  an  area  limited  

by  the  longitudes  26–26.8°N  and  latitudes  48–49°N  (Z5).  

Of course, the selection of the zones is relative and conven-

tional  and  further  research  will  help  to  make  more  reliable 

conclusions. Characteristics of the Transcarpathian earthquakes 

are  described  in  many  studies  (e.g.,  Malytskyy  2006;  Gnyp 

2009;  Lozynyak  et  al.  2011;  Maksymchuk  et  al.  2011; 

Nazarevych et al. 2016). The zones Z3 and Z5 practically do 

not fall into the area of geoelectric parameters obtained by the 

2D modelling. Therefore, in this paper we consider characte-

ristics  of  earthquakes  concentrated  along  the  Precarpathian 

fault and in the belt Z4. The area of the most conditioned geo-

electric 2D modelling results is located east of the Geotraverse 

II line (GII in Fig. 2, Zverev & Kosminskaya 1980). According 

to the above mentioned database of the Ukrainian Carpathians 

earthquakes for the years 1999–2016, in the area of the most 

conditioned  2D  modelling  results,  the  earthquake  epicentre 

coordinates were defined at 280 points, 273 of them belonging 

to the energy class K

p

 (Rautian et al. 2007). At 243 points, not 

only the depth intervals but, specifically, the focal depths (with 

average δh varying for individual years from 1.62 to 0.3) have 

been defined since the year 2000. The magnitude M

sh 

(hori-

zontal  component  magnitude)  was  defined  for  the  periods 

1999–2003 and 2013–2016 (a total of 107 earthquakes), and 

the magnitude M

D

 (earthquake duration magnitude) — for 232 

earthquakes since the year 2002.

In Figure 4, the epicentres and depths of earthquake hypo-

centres, typical for the Z2 and Z4 zones and the position of  

the main fault zones are presented. The zone Z2 is linked to 

the  contact  of  the  flysch  Carpathians  and  the  Carpathian 

Foredeep and is characterized by a change of the earthquake 

hypocentre  depths  along  its  strike.  The  zone  Z4  is  located 

between  the  Tyachev–Nadvornyansk–Monastyrets  (TNM) 

and Khust–Korets (KHK) fault zones along its whole length. 

The normal value of hypocentres depth varies within the inter-

val of 2–4 km. At the same time, two nodes can be seen, where 

the hypocentres are observed in the depth interval of 2–16 km. 

One of the nodes (with approximate size 60 × 60 km) is located 

at  the  intersection  of  the  Transcarpathian  fault  (TCR)  and 

TNM (zone “n1” in Fig. 4a), the second one (with approxi-

mate size 50 × 20 km) — at the intersection of the Uzhok fault 

(UGK), the Precarpathian fault (PCR) and TNM (zone “n2” in 

Fig. 4a and detail in Fig. 4b). From the analysis of the epicen-

tres distribution presented in Figure 4a, another zone of earth-

quake  concentration  associated  with  the  KHK  fault  can  be 

identified — at the KHK line between its intersections with 

TCR and PCR (“z” in Fig. 4a). 

The  normal  value  of  the  hypocentre  depths  in  this  zone 

 corresponds to the depth of about 6 km, which as deeper than 

in surrounding areas. Regionally, it should be noted that the 

zone  Z4  divides  the  territory  of  the  flysch  Carpathians  into 

eastern and western parts. In the eastern part, the number of 

earthquakes is significantly lower than in the western part and 

the hypocentre depth exceeds 6 km. As was mentioned above,  

the M

sh

 magnitude was defined for the half number of earth-

quakes compared with the M

D

 magnitude. Therefore, in order 

to characterize the distribution of the zones of earthquake epi-

centre concentration Z2 and Z4, the magnitude M

D

 was used. 

Both zones were divided into cells with a size of 30 × 30 km 

(Fig. 5a), in which the magnitudes (Fig. 5b) were defined, with 

the Z2 cell No. 5 completely coinciding with the Z4 cell No. 6. 

The  Transcarpathian  node  of  earthquake  concentration  is 

charac terized by the cells 2 and 3. The node at the intersection 

of the UGK, PCR and TNM can be characterized by the distri-

bution of the M

D

 magnitude in the cells 5 and 6. Although at 

this time, it is difficult to provide a serious correlation, as in 

the vicinity of the second node, the earthquake parameter esti-

mation is complicated by the absence of the required quality 

network of seismic stations (a list of the Carpathian seismic 

stations is given, for example, in Verbitsky et al 2013). A sig-

nificant  difference  of  the  folded  Carpathians  earthquake 

parameters west of Z4 from the eastern part is also evident in 

the distribution of released seismic energy. A fast decrease of 

earthquake  parameters  during  transition  from  the  flysch 

Carpathians to the Carpathian Foredeep can be visible in zone 

Z4 (difference between sections 1–6 and 7–12). In zone Z2 we 

can see decrease of folded Carpathians earthquake parameters 

west and east of Z4 (Z2 sections 1–5 and 6–8). 

Discussion 

With respect to the earthquake distribution in depth, hori-

zontal sections reflecting the main peculiarities in distribution 

of both parameters were selected for comparison of geoelec-

tric and seismological data (Fig. 6). The difference between 

the models resulting from the 2D and 3D geoelectric model-

ling methods can be explained by more smooth distribution of 

magnetic responses applied in the quasi-3D modelling. 

A slice representing a depth interval of 4–6 km (Fig. 6b) 

demonstrates  a  regional  change  in  conductivity  anomalies: 

above the depth of 4 km, a good conductivity of the rocks of 

the  Carpathian  Foredeep  in  the  south-east  is  visible,  disap-

pearing  at  a  greater  depth. At  depths  between  2  and  7  km,  

the number of seismic events is about 100, whereas at greater 

depths  their  number  rapidly  decreases  to  14–15  within  the 

depth intervals of 7–9 km and 9–11 km, 6 events within the 

depth interval of 11–13 km and 4 earthquakes within the depth 

interval of 13–17 km. In a depth interval of 2–11 km, most  

of  the  hypocentres  are  located  outside  the  contours  of  the  

most conductive parts of the anomalous structures (less than 

background image

489

SEISMICITY AND ELECTRICAL CONDUCTIVITY DISTRIBUTION BENEATH THE UKRAINIAN CARPATHIANS

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2019, 70, 6, 483–493

10 ohmm). The belt of earthquake epicentre locations within 

the  Z4  zone  correlates  well  with  the  conductive  structure 

strike, and the decrease of the earthquake numbers with depth 

is  accompanied  by  a  decrease  in  the  number  of  local  con-

ductive  structures  as  well  as  decrease  of  their  integrated 

conductivity.

Correlation of the conductivity distribution with the number 

of earthquakes is clearly visible in the thin sheet modelling 

results (Fig. 6h, i). Above the sheet located at a depth of 8 km, 

93  seismic  events  within  the  depth  interval  of  5–7  km  are 

observed,  and  only  17  earthquakes  are  observed  within  the 

depth interval of 7–9 km. According to the thin-sheet model-

ling results, it can be also seen, that earthquakes occur mostly 

in the marginal parts of the conductive structures.

As  was  mentioned  above,  the  sedimentary  cover  of  the 

Ukrainian Carpathians is represented by the Meso- to Cenozoic 

rocks  of  variable  thickness,  lithology,  and  level  of  dia-, 

cata- and metagenetic stages of transformation of the carbon-

bea ring material. Paleozoic rocks occurring in the Carpathians 

are transformed under the high temperature and pressure con-

ditions to a degree that makes their classification as sedimen-

tary rocks doubtful. General knowledge about the changes in 

the  properties  of  primary  sedimentary  formations  under  the 

influence of high pressure and temperature when immersed in 

deep sedimentary basins suggests, that during heating, which 

corresponds to their deep sections, the late katagenesis can be 

reached at the depth of 3.5–7.5 km with the temperatures of 

100–200 °C; below the depth of 10 km and with temperature 

of  300  °C  the  rocks  transform  into  metamorphic  rocks  and 

cannot be assumed to belong to sediments (Gordienko et al. 

2011). 

In  Figure  7,  geological  sections  of  the  upper  part  of  the 

Carpathian crust along two profiles bounding the studied area 

(Figs. 1, 2) are presented. Profile A–B (practically coinciding 

Fig. 4. a — distribution of epicentres (crosses) and depths of hypocentres H (km) of the Ukrainian Carpathians earthquakes for the years 

1999–2016 (see introduction); 1 — main faults: TCR, CHR, UGK and TNM (see Fig.1); 2 — faults active during last 3 Ma (see Fig. 3) ; areas 

z, n1, n2 bounded by white dashed lines — zones of earthquake concentration; b — detailed seismicity image in the zone of intersection of  

the UGK, PCR and TNM fault zones.

background image

490

KOVÁČIKOVÁ, LOGVINOV and TARASOV

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2019, 70, 6, 483–493

with the geotraverse GII) is adopted from the Tectonic map  

of  Ukraine,  1:1 000 000  (Kruglov  &  Gursky  2007),  profile  

SG-1-67  —  according  to  Zayats  (2013).  The  profiles  are 

aligned along the S-W border of the Borislav-Pokuty nappe 

(Fig. 1a). Along both profiles, variations of thickness of for-

mations  of  various  ages  in  the  Carpathians  tectonic  units 

(Krosno zone, Skyba and Borislav-Pokuty nappe) associated 

with seismicity within the zones Z2 and Z4 can be seen. Below 

the  depth  of  2–4  km,  the  information  about  the  geological 

structure of these tectonic zones is not clear due to the absence 

of boreholes and detailed areal seismic investigations. Accor-

ding to the geological sections, to the S-E of the GII within  

the rock strata beneath the Cretaceous deposits, the Paleogene 

rocks contribution rises.  From the point of view of geoelec-

trics, an important characteristic of the sections is distribution 

of well-conductive Neogene sediments of the Sambir nappe 

beneath the overlying Cretaceous deposits of the whole Skyba 

nappe.

Deeper, metamorphic rocks of either Hercynian (at the profile 

SG-1-67) or even older age (Profile A–B) occur. According to 

the Preriphean basement scheme (Fig. 2b), the TNM fault is 

located  within  the  zone  of  rapid  change  in  the  thickness  of 

sedimentary rocks above the Baikalian basement, and of the 

entire thickness of the Preriphean rocks. To the N-W from the 

fault, the gradient of increase of the thickness of deposits is 

smaller than to the S-E of it. This conclusion is confirmed also 

in the presented sections (Fig. 7). As was mentioned above, 

abrupt changes of the geoelectrical parameters can be obser-

ved.  The  resistivity  of  structures  within  the  Skyba  zone 

increases with depth down to the depth of 8 km (Figs. 3, 7), 

what confirms a conclusion about the sedimentary character of 

deposits of the Prebaikalian tectogenesis.

Distribution  of  low  resistivity  structures  and  location  of 

seismic  events  outside  the  area  of  anomalous  conductivity 

suggests  possible  geological  mechanisms.  We  can  suppose 

that seismicity is associated with stress occurring at the mar-

gins of the low resistivity structures, which are conditioned by 

rocks saturated with fluids. Fluid inflow may occur from both 

the Neogene sediments immersed under the Cretaceous ones 

and  from  deeper  horizons  of  the  Earth’s  crust,  what  is  sug-

gested  by  the  existence  of  conductive  structures  at  depths 

exceeding 10 km. A complex of factors, such as rheological 

stratification of the crust, the high-temperature fluids pressure 

and differential tectonic stresses, leads to stress accumulation 

and  brittle  deformation  at  the  margins  of  such  areas,  while 

inside, the stress is redistributed with respect to the equivalent 

rheology of the medium and the hydrodynamics of the fluids 

(Ellsworth 2013; Nazarevych & Nazarevych 2013). Another,  

a more controversial factor that can be responsible for location 

of  seismic  events  on  the  margins  of  electrically  anomalous 

objects in the studied area is the possible existence of frag-

mentary zones of partial melting (where elastic energy cannot 

be accumulated) related to thermal activation at the intersec-

tion of deep fault systems (Korchin et al 2013; Kováčiková et 

Fig. 5. a — Distribution of the earthquake epicentres (crosses), in which the magnitudes MD were defined; b — relation of the magnitudes MD 

for Z2 and Z4 and the earthquakes number N; numbers in circles — the cell numbers.

background image

491

SEISMICITY AND ELECTRICAL CONDUCTIVITY DISTRIBUTION BENEATH THE UKRAINIAN CARPATHIANS

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2019, 70, 6, 483–493

Fig. 6. Compilation of geoelectric results and seismicity in the Ukrainian Carpathians; a–g — distribution of the electrical resistivity obtained 

as a result of the 2D modelling at depths of 3 (a), 5 (b), 6 (c), 8 (d), 10 (e), 12 (f) and 15 km (g); h, i — integrated conductivity (S) distribution 

in a thin sheet calculated for the electromagnetic variations period T=1600 s at a depth of 8 km (h, i); crosses — hypocentres (H) of earthquakes 

at different depth intervals. Sk — Skyba nappe, Kr — Krosno nappe, CF — Carpathian Foredeep; deep faults — UGK, TCR, TNM — see 

Figs.1, 2.

background image

492

KOVÁČIKOVÁ, LOGVINOV and TARASOV

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2019, 70, 6, 483–493

al. 2016). In this case the seismicity occurs outside zones of 

partial melting where elastic energy cannot accumulate.

Conclusion

The analysis of the distribution of low resistivity structures 

and seismicity in the Ukrainian Carpathians allows us to make 

conclusions about their narrow correlation. In the geoelectric 

models, both conductive sediments of the Carpathian Foredeep 

and structures corresponding to the crustal CrCA can be dis-

tinguished. Distribution of the conductive structures suggests 

their relation to faults parallel to the Carpathians strike as well 

as transversal faults (the TNM zone).

Comparison  of  the  2D  and  quasi-3D  geoelectric  models 

with earthquakes distribution indicates concentration of most 

hypocentres outside the conductive zones and suggests asso-

ciation of both phenomena with fluid migration conditioned 

by a complex of factors. Of course, specification of the nature 

of  the  seismicity  and  geoelectric  characteristics  of  rocks  in  

the  studied  area  requires  further  research,  nevertheless,  the 

achieved  degree  of  correlation  of  the  geoelectric  data  and  

the seismicity makes it possible to recommend the use of geo-

electric  data  in  combination  with  other  geological  and  geo-

physical information in construction of seismic zonation maps. 

Acknowledgements: We thank Anton Kushnir and two ano-

nymous  reviewers  for  the  detailed  review  and  constructive 

comments and suggestions.

References

Adám A., Ernst T., Jankowski J., Jozwiak W., Hvožďara M., Szarka 

L., Wesztergom V., Logvinov I. & Kulik S. 1997: Electromag-

netic  induction  profile  (PREPAN95)  from  the  East  European 

Platform (EEP) to the Pannonian basin. Acta Geodaet. Geophys. 

Hung. 32, 203–233. 

Bezák V., Vozar J., Pek J., Klanica R., Bielik M. & Majcin D. 2019: 

Geophysical  Modeling  of  Contact  Area  Between  Outer  and 

 Inner Western Carpathians (Slovakia). In: On Significant Appli-

cations of Geophysical Methods. Advances in Science, Techno-

logy  &  Innovation.  Springer,  Cham,  135–137.  https://doi.org/ 

10.1007/978-3-030-01656-2_30

Fig. 7.  Schematic  geological  cross-sections  of  the  Carpathians  region  along  the  seismic  profiles A–B  (GII  in  Kruglov  &  Gursky  2007)  

and SG-1-67 (Zayats 2013) and 2D resistivity models and seismic events along both profiles: 1 — boreholes, 2 — Palaeogene deposits,  

3 — Neogene basaltic rocks, 4 — earthquake hypocentres; N — Neogene, K — Cretaceous, Mz — Mesozoic deposits, Pz — Paleozoic,  

Pr — Proterozoic, Ar — Archean; TCR, CHR, UGK, PCR — deep faults (see Figs.1, 2), BPN — Borislav-Pokuty nappe.

background image

493

SEISMICITY AND ELECTRICAL CONDUCTIVITY DISTRIBUTION BENEATH THE UKRAINIAN CARPATHIANS

GEOLOGICA CARPATHICA

, 2019, 70, 6, 483–493

Červ V., Menvielle M., Kováčiková S. & Pek J. 2019: Refined models 

of the conductivity distribution at the transition from the Bohe-

mian Massif to the West Carpathians using stochastic MCMC 

thin sheet inversion of the geomagnetic induction data. Geophy 

s. 

J. Internat. 218, 3, 1983–2000. https://doi.org/10.1093/gji/ggz265

Ellsworth  W.L.  2013:  Injection-induced  earthquakes.  Science 341, 

6142. https://doi.org/10.1126/science.1225942

Glushko  V.V.  &  Kruglov  S.S.  (Eds.)  1986:  Tectonic  map  of  the 

Ukrainian Carpathians, 1:200000. Mingeo USSR, 6 sheets.

Gnyp A.  2009:  Refining  Locations  of  the  2005  Mukacheve,  West 

Ukraine, Earthquakes Based on Similarity of their Waveforms. 

Acta  Geophysica  57,  2,  330–345.  https://doi.org/10.2478/

s11600-008-0071-5

Gordienko V.V., Gordienko I. V., Zavorodnyaya O.V., Kovacikova S., 

Logvinov. M., Tarasov V.N. & Usenko O.V. 2011: Ukranian Car-

pathians  (geophysics,  depth  processes).  Logos,  Kiev,  1–128  

(in Russian).   

Korchin V.A., Burtnyj P.A. & Kobolev V.P. 2013: Thermobaric Petro-

physical  Modelling  in  Geophysics.  Naukova Dumka,  Kiev, 

1–312 (in Russian).

Kostyuk O., Sagalova Ye., Rudenska I., Pronyshyn R. & Kendzera O. 

1997:  Catalogue  of  Carpathian  regіon  earthquakes  for  1091–

1990.  Proceedings  of  NTSh.  — Lviv, 1997,  1,  121–137  (in 

Ukrainian). 

Kováč M., Bielik M., Hók J., Kováč P., Kronome B., Labák P., Moczo 

P., Plašienka D., Šefara J. & Šujan M. 2002: Seismic activity and 

neotectonic  evolution  of  the  Western  Carpathians  (Slovakia)

EGU Mueller Special Publication Series 3, 167–184. 

 

https://doi.org/10.5194/smsps-3-167-2002

Kováčiková S., Červ V. & Praus O. 2005: Modelling of the conduc-

tance  distribution  at  the  eastern  margin  of  the  European  Her-

cynides. Studia Geoph. et Geod. 49, 403–421.

Kováčiková S., Logvinov I., Nazarevych A., Nazarevych L., Pek J., 

Tarasov V. & Kalenda P. 2016: Seismic activity and deep con-

ductivity  structure  of  the  Eastern  Carpathians.  Stud.  Geophys. 

Geod. 60, 2, 280–296. https://doi.org/10.1007/s11200-014-

0942-y

Kruglov S.S. & Gursky D.S. (Eds.) 2007: Tectonic Mapof the Ukraine 

M 1:1000000. State Geological Survey, UkrGGRI, Kiev (in Rus-

sian).

Logvinov I.M. 2015: Deep Geoelectrical Structure of the Central and 

Western Ukraine. Acta Geophysica, 63, 5, 1216–1230. https://

doi.org/10.1515/acgeo-2015-0049

Logvinov I.M. & Tarasov V.N. 2018: Electric resistivity distribution 

in the Earth’s crust and upper mantle for the southern East Euro-

pean  Platform  and  Crimea  from  area-wide  2D  models.  Acta 

Geophys. 66, 2, 131–139. https://doi.org/10.1007/s11600-018-

0125-2

Logvinov I.M. & Tarasov V.N. 2019. Electric resistivity of the crust 

and mantle for East European Platform in the western part of 

Ukraine  from  the  2D  inversion.  Geofizicheskij  Zhurnal 41, 1, 

44–75  (in  Russian).  https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.

v41i1.2019.158863 

Lozynyak P.Yu., Nazarevych A.V. & Nazarevych L.Ye. 2011: Neo-

gene  and  modern  geodynamics  and  seismicity  of  Transcarpa-

thians lithosphere. Geodynamics 2, 11, 170–172 (in Ukrainian). 

https://doi.org/10.24028/gzh.0203-3100.v41i1.2019.158863

Majcin D., Bilčík D., Kutas R., Hlavňová P., Bezák V. & Kucharič L. 

2014:  Regional  and  local  phenomena  influencing  the  thermal 

state  in  the  Flysch  belt  of  the  northeastern  part  of  Slovakia. 

 Contributions to Geophysics and Geodesy 44, 4, 271–292. 

Maksymchuk V.Yu., Klymkovych T.A., Tregubenko V.I., Kuznietsova 

V.H.  &  Yakas  Yu.V.  2011:  Geoelectromagnetic  monitoring  of 

seismotectonic processes in the Transcarpathian active seismic 

zone. Geodynamics 11, 2, 190–192 (in Ukrainian). 

Malytskyy D. 2006: Seismicity of the Carpathian region. Internatio­

nal Journal of Physical Sciences 1, 2, 85–92.

Nazarevych A.V. & Nazarevych L.Ye 2013: Geodynamics, Tectonics 

and Seismicity of Carpathian Region of Ukraine. Geodynamics 

2, 15, 247–249 (in Ukrainian).

Nazarevych A.V., Nazarevych L.Ye. & Shlapinskyy V.E. 2016: Seis-

micity, geology, seismotectonics and geodynamics of Tereblya- 

Ritska HPS area (Ukrainian Transcarpathians). Geodynamics 1, 

20, 170–192 (in Ukrainian). 

Rautian T.G., Khalturin V.I., Fujita K., Mackey K.G. & Kendall A.D. 

2007: Origins and Methodology of the Russian Energy K-Class 

System and Its Relationship to Magnitude Scales. Seismol. Res. 

Lett. 78, 6, 579–590. https://doi.org/10.1785/ gssrl.78.6.579

Rokityansky  I.I.  1982:  Geoelectromagnetic  Investigation  of  the 

Earth’s Crust and Mantle. Springer Verlag, Berlin Heidelberg, 

1–382.

Schmucker  U.  1970: Anomalies  of  Geomagnetic  Variations  in  the 

Southwestern  United  States.  Bull. Scripps Inst. Oceanogr. 13, 

University of California Press, San Diego, La Jolla, CA, 1–165.

Siripunvaraporn  W.  &  Egbert  G.  2000: An  efficient  data-subspace 

 inversion method for 2–D magnetotelluric data. Geophysics 65, 

3, 791–803. https://doi.org/10.1190/1.1444778

Toth L., Monus P., Zsiros T. & Kiszely M. 2002: Seismicity in the 

Pannonian  Region  —  earthquake  data.  EGU  Stephan  Mueller 

Special Publication Series of the European Geosciences Union 

3, 9–28. 

Twaróg A., Stefaniuk M., Sechman H. & Guzy P. 2018: Integrated 

analysis of geoelectric and surface geochemical data for explora-

tion  of  subsurface  hydrocarbon  accumulations  (Carpathian 

 Foredeep,  SE  Poland).  Journal of Petroleum Science and 

Enginee ring,  167,  524–537.  https://doi.org/10.1016/j.petrol. 

2018.04.026

Vasseur G. & Weidelt P. 1977: Bimodal electromagnetic induction in 

non-uniform thin sheets with an application to the northern Pyre-

nean induction anomaly. Geophys. J. R. Astr. Soc. 51, 669–690. 

Verbitsky S.T., Stasyuk A.F., Chuba M.V., Pronishin R.S., Verbitsky 

Yu.T.  &  Keleman  I.N.  2013:  Seismicity  of  the  Carpathians  in 

2012. Seismological Bulletin of the Institute of Geophysics NAS 

Ukraine for 2012, 22–29 (in Russian).

Verkhovtsev V. 2006: Newest vertical crustal movements in Ukraine, 

their relationship with linear and circular structures. In: Power 

Earth, its geological and environmental displays, scientific and 

practical use. Kyiv Nat. Univ., 129–137 (in Ukrainian).

Zayats K. 2013: The structure of minerals of the Western region of 

Ukraine on the basis of seismic studies and the directions for oil 

and gas exploration studiesLviv, 1–136 (in Ukrainian). 

Zverev S.M. & Kosminskaya I.L (Eds.) 1980: Seismic models of the 

lithosphere of the principal geological structures at the territory 

of the USSR. Nauka, Moscow, 1–184 (in Russian).