авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 8 |

Николаевна эффекты сейсмичности в режиме подземных вод (на примере камчатского региона)

-- [ Страница 3 ] --

Примечание: * знаком «+» отмечены водопроявления, в режиме которых обнаружены гидрогеосейсмические вариации; «-» - гидрогеосейсмические вариации не обнаружены.

Методика обработки временных рядов данных режимных наблюдений на самоизливающихся скважинах и источниках включала учет и компенсацию влияния факторов-помех - атмосферного давления, сезонности, многолетних трендов и осадков (Копылова, 1992; Копылова, Сугробов, Хаткевич, 1994). В изменениях химического состава напорных пресных и термоминеральных вод влияние экзогенных факторов-помех проявлено слабо. Это позволило уверенно выделить гидрогеосейсмические вариации в изменениях химического состава воды скважин ГК-1, № 1 Морозная, Г-1, ГК-15 и источников 1, 2, 3.

Методика обработки данных уровнемерных наблюдений включала разделение вариаций уровня воды на составляющие – барометрический отклик, приливный отклик, высокочастотный шум, тренд, и анализ поведения выделенных сигналов в сопоставлении с режимом выпадения осадков, температурой воздуха и с сейсмичностью (Копылова, Бормотов, 2004; Копылова, 2006; Копылова, Куликов, Тимофеев, 2007). Это позволило надежно диагностировать различные типы гидрогеосейсмических вариаций уровня воды.

В изменениях уровня в скв. ЮЗ-5 выявлены четыре типа гидрогеосейсмических вариаций: гидрогеодинамический предвестник Кроноцкого землетрясения (КЗ) 05.12.1997 г., М = 7.8, R = 200 км (I), косейсмические скачки повышения и понижения уровня вследствие изменения статического напряженного состояния резервуара при образовании разрывов в очагах местных землетрясений с М = 6.2-7.8, R = 128-328 км (II), постсейсмическое понижение в результате воздействия сейсмических волн от КЗ и последующее восстановление (III), свободные и вынужденные колебания уровня воды при прохождении поверхностных сейсмических волн от сильных удаленных землетрясений с M = 9.0–8.3, R = 1670–8250 км (IV). В связи с КЗ наблюдалось последовательное проявление вариаций уровня воды, соответствующих типам I (бухтообразное понижение уровня в течение трех недель с амплитудой 11 см), II (косейсмический скачок понижения уровня в момент землетрясения с амплитудой 12.2 см) и типу III (постсейсмическое понижение уровня в течение 3 мес. и его восстановление в течение двух лет).

В изменениях уровня воды в скв. Е1 выявлены постсейсмические и предсейсмические вариации продолжительностью недели-первые месяцы в связи с землетрясениям с М6-7 на гипоцентральных расстояниях до 320 км. Постсейсмические вариации проявляются в плавном повышении уровня воды с амплитудами от первых сантиметров до 30 см. Перед рядом сильных землетрясений наблюдалось понижение уровня с повышенной (0.07 см/сут) скоростью. Зависимость M  2.51lgR+0.6 определяет параметры землетрясений, вызывающих такие изменения уровня воды. При ретроспективном прогнозировании землетрясений с М  5.5 эффективность прогнозного признака «скорость понижения уровня воды не менее 0.07 см/сут» по методике (Гусев, 1974) составляет I = 1.8 при вероятности возникновения землетрясений в прогнозируемые интервалы времени р = 0.6. При повышении порога магнитуд прогнозируемых землетрясений до М6.6 эффективность прогнозного признака увеличивается до I = 2.7 при вероятности успешного прогноза р = 0.86. Полученные оценки информативности выявленного гидрогеодинамического предвестника позволяют использовать данные наблюдений за уровнем воды в скв. Е1 для среднесрочного прогноза сильных камчатских землетрясений с временем упреждения сутки – десятки суток (Копылова, 2001, 2008).

Гидрогеосейсмические вариации в изменениях уровня воды на стадиях подготовки землетрясений с М = 5.5-7 различаются в скважинах, контролирующих напорные пресные (скв. ЮЗ-5) и газонасыщенные подземные воды (скв. Е1). В изменениях уровня воды в скв. ЮЗ-5 гидрогеодинамические предвестники перед такими землетрясениями обычно не проявляются. В скв. Е1 наблюдается увеличение скорости понижения уровня воды в течение недель – месяцев. Это указывает на различие процессов формирования гидрогеодинамических предвестников в напорных подземных водах, содержащих и не содержащих газ в составе порового флюида. Лишь в случае КЗ, подготовка которого сопровождалась асейсмическими движениями по данным наблюдений на сети GPS-станций (Gordeev et al., 2001), наблюдалось синхронное проявление гидрогеодинамического предвестника в обеих скважинах в течение 3-х недель.

В режиме самоизливающихся скважин ГК-1, № 1 Морозная, ГК-15, Г-1 и Пиначевских источников гидрогеосейсмические вариации в изменениях дебитов, химического состава и температуры воды проявляются, в основном, в связи с землетрясениями с М  6.6. Выделены два вида гидрогеосейсмических вариаций: 1 - постсейсмические эффекты и 2 - предсейсмические вариации химического состава воды и газа перед землетрясениями, сменяющиеся постсейсмическими эффектами.

Статистически значимые предсейсмические вариации концентраций компонентов химического состава воды продолжительностью 2-9 мес. проявлялись в скв. ГК-1 перед землетрясениями 06.10.1987 г., М = 6.6 и 02.03.1992 г., М=6.8 (М/lgR=3.1-3.2). Понижение концентрации хлора в воде скв. ГК-1 имело бухтообразный характер (Копылова и др., 1994). Землетрясения происходили либо в нижней точке бухты, либо в начале роста концентрации хлора. Перед КЗ, M/lgR=3.11 фаза роста концентрации Cl- в воде скважины ГК-1 продолжалась около трех месяцев (Хаткевич, Рябинин, 1998, 2004). Более сложные формы предсейсмических вариаций компонентов химического состава воды проявлялись в связи с землетрясениями с интенсивностью воздействия M/lgR  3.1-3.5 в режиме скважины № 1 Морозная (понижение концентрации HCO3- и повышение концентраций Ca2+, Na+ и SO42- в течение 26 сут) и скважины Г-1 (плавное повышение концентрации HCO3- и понижение концентрации Сl-, Na+, SO42-, Ca2+ в течение четырех месяцев). Предсейсмические гидрогеосейсмические вариации концентраций компонентов химического состава воды и газа напорных пресных и термоминеральных подземных вод представляют гидрогеохимические предвестники камчатских землетрясений с М = 6.6-7.8, R  90-320 км (M/lgR  3.1-3.5).

Применение многомерного статистического анализа для обработки 10-летних (1986-1996 гг.) рядов данных наблюдений за дебитами, температурой воды, концентрациями Cl-, HCO3- и H4SiO4 на двух Пиначевских источниках и самоизливающихся скважинах ГК-1 и №1 Морозная позволило выделить новые виды гидрогеологических предвестников (П2) и постсейсмических эффектов (П3), проявляющихся в комплексных изменениях наблюдаемых параметров. Многомерный анализ заключался в построении частотно-временных диаграмм эволюции максимального собственного числа спектральных матриц, среднего значения и произведения покомпонентных канонических когерентностей многомерных рядов для выделения интервалов времени и частотных полос, в которых наблюдается увеличение коллективного (синхронного) поведения различных параметров режима подземных вод в пространственно разнесенных скважинах и источниках. Такие интервалы времени и частотные полосы выделялись по максимальным значениям информативных статистик, оцениваемым в скользящем временном окне (рис. 1).

Рисунок 1 - Частотно-временные диаграммы эволюции: 1- максимального собственного числа спектральной матрицы 2 – среднего значения квадратов покомпонентных канонических когерентностей; 3 – произведения покомпонентных канонических когерентностей 5-мерного ряда данных регистрации свободных газов, выделяющихся из скважины ГК-1 (метан, азот, аргон, углекислый газ, гелий). Пунктирными линиями обозначены моменты пяти сильных землетрясений. Стрелками обозначены моменты средних по силе землетрясений.

В качестве сейсмических событий, которые могли сопровождаться изменениями в режиме подземных вод, рассматривались пять землетрясений 1987-1996 гг. с М = 6.6-7.5. В изменениях всех многомерных временных рядов выделены сигналы предвестниковой синхронизации (П2), связанные с процессами подготовки таких событий. Подтверждением достоверности сигналов П2 служит их проявление по комплексу параметров режима подземных вод и наличие гидрогеохимических предвестников, выявленных экспертным способом перед большей частью рассматриваемых землетрясений.

Наличие сигнала П2 подтверждает масштабное воздействие процессов подготовки сильных землетрясений на гидродинамические, гидрогеохимические и гидрогеотермические элементы режима подземных вод. Объяснение сигнала П2 проводится в рамках представлений о площадном развитии приповерхностной зоны трещинной дилатансии в горных породах на стадиях подготовки сильного землетрясения (Алексеев и др., 2001; Гольдин, 2004, 2005). Развитие трещинной дилатансии в водоносных системах с неоднородным строением и различными по физическим и химическим свойствам флюидами может сопровождаться разнообразными гидрогеохимическими, температурными и гидродинамическими аномалиями, общим свойством которых является их приуроченность к определенному отрезку времени.

Основные выводы по главе 1. 1. Гидрогеосейсмические вариации выделены в режиме водопроявлений, контролирующих напорные пресные и термоминеральные подземные воды азотно-метанового и азотного состава, распространенные в вулканогенно-осадочных и терригенных отложениях позднемелового и неогенового возраста. Влияние сейсмичности не выявлено в изменениях уровня воды в скважинах, вскрывающих безнапорные и слабонапорные подземные воды в рыхлых четвертичных отложениях.

В зависимости от соотношения величин магнитуды М и гипоцентрального расстояния землетрясений R гидрогеосейсмические вариации могут состоять из нескольких частей: пред-, ко и постсейсмических, каждая из которых определяется различными факторами сейсмического воздействия. Гидрогеологические предвестники проявляются, в основном, в связи с сейсмическими событиями с М = 6.6-7.8, R = 90-320 км, M/lgR  3.1. Влияние сейсмичности в режиме отдельных скважин и источников имеет индивидуальные особенности проявления в зависимости от локальных гидрогеологических условий, включающих состав, возраст, фильтрационные свойства водовмещающих пород, особенности строения водоносных систем, химический и газовый состав порово-трещинных флюидов.

2. Выявлены четыре разновидности гидрогеологических предвестников и оценена их сейсмопрогностическая информативность:

- гидрогеохимические предвестники, проявляющиеся в аномальных изменениях химического и газового состава воды в самоизливающихся скважинах, контролирующих термоминеральные и напорные пресные подземные воды (для землетрясений с М  6.6 р = 0.6-0.8);

- гидрогеодинамические предвестники в форме увеличения скорости понижения уровня воды в скв. Е1 перед землетрясениями с М  5 на расстояниях до 350 км (р = 0.70-0.86, I = 1.8-3.2) и в форме бухтообразного понижения уровня воды в скважинах Е1 и ЮЗ-5 в течение трех недель перед Кроноцким землетрясением, М = 7.8, синхронного с развитием асейсмических движений в области очага по данным наблюдений на сети GPS-станций;

- новый вид предвестника в форме увеличения синхронизации в изменениях многомерных временных рядов данных гидрогеологических наблюдений на самоизливающихся скважинах и источниках (для землетрясений с М = 6.6-7.5 р = 0.6-1.0). Проявление такого вида предвестника указывает на развитие аномальных физико-химических состояний в водоносных системах напорных пресных и термоминеральных подземных вод Камчатки на стадиях подготовки землетрясений с М  6.6.

Наиболее характерными разновидностями гидрогеосейсмических вариаций при местных землетрясениях являются косейсмические скачки уровня в пьезометрических скважинах при образовании разрывов в очагах землетрясений с М  6.0 и постсейсмические изменения уровней, дебитов, температуры и химического состава воды при прохождении сейсмических волн. Отдельный вид эффектов сейсмичности представляют разнообразные вариации уровня воды в пьезометрических скважинах в результате прохождения поверхностных сейсмических волн от сильнейших землетрясений с М  7.6 на расстояниях до 8.5 тыс. км.

3. Установлено различие в изменениях уровня воды в скважинах, контролирующих напорные пресные (скв. ЮЗ-5) и газонасыщенные подземные воды (скв. Е1), на стадиях подготовки землетрясений с М = 5.5-7. Лишь в случае сильнейшего Кроноцкого землетрясения наблюдалось одновременное проявление гидрогеодинамического предвестника в обеих скважинах, синхронного по времени с аномальными перемещениями GPS-станций. Это указывает на возможность проявления различных механизмов образования гидродинамических предвестников в скважинах, контролирующих газонасыщенные резервуары подземных вод.

В главе 2 «Формирование эффектов сейсмичности в системе «пьезометрическая скважина  напорный резервуар пресных подземных вод» рассматривается методика построения модели гидрогеодинамических процессов формирования различных типов гидрогеосейсмических вариаций уровня воды в системе «скважина – напорный резервуар пресных подземных вод» на примере скв. ЮЗ-5. В основу разработки модели положены:

- выделенные четыре типа гидрогеосейсмических вариаций уровня воды в скв. ЮЗ-5 (I-IV);

- результаты кросс-спектрального анализа вариаций уровня воды и атмосферного давления и оценка статически изолированной величины барометрической эффективности Eb;

- результаты приливного анализа вариаций уровня воды по программе ETERNA 3.0 (Wenzel, 1994) и оценки величин приливной чувствительности уровня по отношению к теоретической площадной (As) и объемной деформации (Av);

– приложения теории пороупругости (Rice, Cleary, 1976) для статически изолированных систем «скважина – резервуар» (Rojstaczer, Agnew, 1989 и др.);

- оцененные упругие параметры и пористость резервуара подземных вод;

- результаты обработки данных опытно-фильтрационных работ и оценка величины водопроводимости резервуара подземных вод (Т);

- математическая модель инерционности водообмена между скважиной и резервуаром подземных вод при гармонических вариациях порового давления (Hsieh et al., 1987);

- математическая модель (Cooper et al., 1965), описывающая отклик уровня воды в скважине на прохождение поверхностных сейсмических волн;

- решение одномерного уравнения математической теории диффузии для удаленного точечного источника возмущения (Карслоу, Егер, 1964; Crank, 1975);

– результаты моделирования гидрогеосейсмических вариаций уровня воды в скв. ЮЗ-5.

В разделе 2.1 дано краткое изложение теории пороупругости применительно к системам «скважина – резервуар» в статически изолированных условиях. По результатам кросс-спектрального и приливного анализа часовых записей уровня и атмосферного давления оценены параметры барометрического и приливного отклика уровня в скв. ЮЗ-5. По поведению амплитудной передаточной функции от вариаций атмосферного давления к изменениям уровня воды оценен диапазон периодов проявления статически изолированного барометрического отклика (часы – первые десятки суток). С использованием полученных величин барометрической эффективности и приливной чувствительности уровня воды оценены упругие параметры и пористость резервуара подземных вод (Копылова, Болдина, 2005). Для скважины ЮЗ-5 построена модель инерционности водообмена в системе «скважина – резервуар» с использованием математической модели (Hsieh et al., 1987). Результаты моделирования с учетом оцененных параметров резервуара - водопроводимости Т, упругой емкости S и геометрических размеров скважины, показали, что водообмен между скважиной и резервуаром не искажает отклик уровня воды на гармонические вариации порового давления на периодах 6 ч (Болдина, Копылова, 2006). Инерционный эффект водообмена может ослаблять отклик уровня на периодические вариации порового давления в диапазоне периодов не более секунд-первых минут. Это позволяет использовать оцененную величину приливной чувствительности уровня воды Av, см/10-9 во всем диапазоне периодов статически изолированного отклика уровня воды в качестве нормирующего коэффициента для оценки сейсмотектонической деформации D, 10-9 по амплитуде аномального изменения уровня воды h, см по формуле: D = -h/Av.

С использованием величины Av=0.161 см/10-9 выполнены оценки величин косейсмической деформации при шести камчатских землетрясениях по амплитудам косейсмических скачков уровня воды (рис. 2) и предсейсмической деформации на стадии подготовки КЗ по амплитуде гидрогеодинамического предвестника (D=710-8) (Копылова, 2006). Величины и характер косейсмической деформации в районе скважины ЮЗ-5 (D1) согласуются с теоретическими величинами (D2), полученными по модели дислокационного источника в однородном упругом полупространстве (табл. 2). Некоторое расхождение в оценках D1 и D2 обусловлено ошибками оценивания объемных деформаций, присущих обоим методам (Копылова и др., 2010).

На примере скважины ЮЗ-5 показано, что в системах «скважина  - напорный резервуар пресных подземных вод» может проявляться статически изолированный отклик уровня воды на изменения порового давления в широком диапазоне периодов - от первых минут до не менее первых десятков суток. В этом диапазоне такие системы могут использоваться для количественной оценки квазиупругой пред- и косейсмической деформации водовмещающих пород.

Рисунок 2 - Схема расположения скважины ЮЗ-5, эпицентров землетрясений, сопровождавшихся косейсмическими скачками уровня и очага Кроноцкого землетрясения 05.12.1997 г., Mw=7.8 по афтершокам первых суток: 1 – эпицентры землетрясений; 2 – эпицентры афтершоков Кроноцкого землетрясения; 3 – диаграммы механизмов CMT землетрясений (а); б – косейсмические скачки уровня, зарегистрированные во время землетрясений 1-6. Моменты землетрясений показаны вертикальной пунктирной линией.

Таблица 2 - Данные о землетрясениях и косейсмических скачках уровня воды в скважине ЮЗ-5 и оценка косейсмической деформации



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 8 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.