Эффекты сейсмичности в режиме подземных вод (на примере Камчатского региона)

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора геолого-минералогических наук

Эффекты сейсмичности в режиме подземных вод (на примере Камчатского региона)

25.00.07 - Гидрогеология

Копылова Г.Н.

Петропавловск-Камчатский- 2010

Работа выполнена в Камчатском филиале Учреждения Российской академии наук Геофизическая служба РАН

Официальные оппоненты: доктор геолого-минералогических наук

Владимир Егорович Глотов;

доктор геолого-минералогических наук

Юрий Федорович Мороз;

доктор геолого-минералогических наук

Василий Ионович Джурик

Ведущая организация: ОАО «Камчатгеология»

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Проведение режимных наблюдений на скважинах и источниках с целью поиска гидрогеологических предвестников землетрясений является одним из приоритетных направлений исследований по проблеме сейсмического прогноза. Большой вклад в развитие методологии таких исследований внесли отечественные ученые из Института физики Земли (И.Г. Киссин), ВСЕГИНГЕО (Г.С. Вартанян, Г.В. Куликов), Института сейсмологии Узбекистана (А.Н. Султанходжаев и др.), Сахалинского комплексного научно-исследовательского института, Института земной коры СО РАН и др.

В результате работ 70-80-х гг. XX в. выделены две основные разновидности гидрогеологических предвестников - гидрогеодинамические и гидрогеохимические (Киссин, Пиннекер, Ясько, 1982), но их сейсмопрогностическая информативность не оценена до настоящего времени. Это было обусловлено объективными недостатками используемых данных режимных наблюдений, которые имели в основном фрагментарный, несистематический характер. По этой причине ряд теоретических положений о формировании гидрогеологических предвестников имеет преимущественно гипотетический характер, а существующие методические рекомендации по проведению гидрогеологических наблюдений в целях прогноза землетрясений (Методические указания.., 1985; Методические рекомендации.., 1986 и др.) основаны, главным образом, на общих представлениях о связи изменений напряженно-деформированного состояния водонасыщенных горных пород и режима подземных вод.

Необходимым этапом развития гидрогеологического метода в целях прогноза землетрясений является достоверная диагностика изменений параметров режима скважин и источников под влиянием процессов подготовки и реализации землетрясений (гидрогеосейсмических вариаций), которые отражают специфические гидрогеодинамические и гидрогеохимические процессы в системах «скважина - резервуар подземных вод» и «источник - питающая водоносная система», характеризующихся различием режимообразующих условий.

Актуальными проблемами гидрогеологии как науки о подземных водах являются:

- установление закономерностей и особенностей проявления эффектов сейсмичности, в первую очередь, гидрогеологических предвестников землетрясений в режиме подземных вод в зависимости от параметров землетрясений и локальных гидрогеологических условий;

- разработка методологии построения моделей гидрогеодинамических и гидрогеохимических процессов в реальных системах «скважина - резервуар подземных вод» и «источник - питающая водоносная система» под влиянием сейсмических факторов;

- оценка информативности гидрогеологических предвестников для прогноза землетрясений.

Основу решения этих проблем составляют результаты обобщения данных многолетних специализированных наблюдений на скважинах и источниках в сейсмоактивных регионах.

Камчатский сейсмоактивный регион является уникальным объектом для изучения влияния сейсмичности на режим подземных вод и развития гидрогеологического метода поиска предвестников землетрясений с использованием комплексирования данных сейсмологических, геодезических и гидрогеологических наблюдений. Здесь в последние десятилетия проведены широкомасштабные наблюдения за сейсмичностью, современными деформациями земной коры и режимом подземных вод. Получены убедительные факты проявления предвестников в изменениях слабой сейсмичности (Соболев, 1999), в горизонтальных деформациях земной коры (Левин и др., 2004) и в режиме подземных вод (Копылова и др., 1994; Копылова, 2001, 2006 и др.; Хаткевич, Рябинин, 1998, 2004) перед землетрясениями с магнитудами порядка 7 и более.

Целью исследования является развитие научно-методических основ гидрогеологического метода мониторинга геологической среды и поиска предвестников землетрясений с учетом типизации гидрогеосейсмических вариаций параметров режима подземных вод и феноменологических моделей гидрогеодинамических и гидрогеохимических процессов их формирования в реальных системах «скважина - резервуар подземных вод» и «источник - питающая водоносная система».

Основные задачи исследования:

1. Систематизация гидрогеосейсмических вариаций (гидрогеологических предвестников, ко- и постсейсмических изменений) в режиме скважин и источников Камчатки и оценка зависимости их проявления от параметров землетрясений (магнитуды М, гипоцентрального расстояния R, соотношения M/lgR) и локальных гидрогеологических условий.

2. Создание моделей гидрогеодинамических и гидрогеохимических процессов формирования гидрогеосейсмических вариаций в системах «скважина - резервуар подземных вод» и «источник - питающая водоносная система» на примере отдельных водопроявлений с учетом локальных гидрогеологических условий и данных режимных наблюдений.

3. Типизация эффектов сейсмичности в режиме подземных вод с учетом факторов сейсмического воздействия, видов и гидрогеологических особенностей режимных водопроявлений.

4. Оценка связи между проявлениями гидрогеологических предвестников с вариациями сейсмичности и современными деформациями земной коры на стадиях подготовки сильных землетрясений Камчатки.

Фактический материал. В работе используются данные многолетних (1971 - 2008 гг.) наблюдений на сети скважин и источников Камчатки (6 пьезометрических скважин, оборудованных системами цифровой регистрации уровня воды и атмосферного давления; 13 самоизливающихся скважин и источников, на которых проводятся наблюдения за вариациями дебитов, температуры, химического состава воды и газа с периодичностью один раз в 3-6 дней). Основная часть используемых данных получена Камчатской опытно-методической сейсмологической партией Геофизической службы РАН (с апреля 2005 г. Камчатский филиал Геофизической службы РАН, КФ ГС РАН).

Основные методы исследования:

- выявление и систематизация различных типов гидрогеосейсмических вариаций в изменениях многолетних временных рядов данных наблюдений на скважинах и источниках с использованием методов статистического анализа;

- математическое моделирование различных типов гидрогеосейсмических вариаций в изменениях параметров режима скважин и источников на основе современных теоретических моделей гидрогеодинамических и гидрогеохимических процессов в системах «скважина - резервуар подземных вод» и «источник - питающая водоносная система» при воздействии землетрясений;

- типизация гидрогеосейсмических вариаций в режиме подземных вод Камчатки с привлечением материалов специализированных гидрогеологических наблюдений в других сейсмоактивных районах мира;

- обобщение данных о проявлении среднесрочных сейсмологических, геодезических и гидрогеологических предвестников сильных (М ? 6.6) землетрясений Камчатки на основе современных теоретических моделей процессов подготовки землетрясений.

Научная новизна. 1. Впервые выполнено обобщение результатов многолетних специализированных гидрогеологических наблюдений в Камчатском сейсмоактивном регионе. На примерах отдельных скважин и источников дано описание различных типов гидрогеосейсмических вариаций в изменениях гидродинамических и физико-химических параметров режима напорных пресных и термоминеральных подземных вод в связи с местными и сильнейшими удаленными землетрясениями. Показано, что гидрогеосейсмические вариации, в зависимости от интенсивности сейсмического воздействия, могут состоять из нескольких частей: предшествующей землетрясению (гидрогеологических предвестников) и ко- и/или постсейсмической, либо из ко- и/или постсейсмической части, либо могут вообще не проявляться. Выявлены четыре вида гидрогеологических предвестников, в т. ч. новый вид предвестника на основе применения многомерного статистического анализа данных наблюдений на самоизливающихся скважинах и источниках. Установлено, что гидрогеологические предвестники проявляются в основном перед местными землетрясениями с М = 6.6-7.8, R = 90-320 км, M/lgR ? 3.1-3.5. Для некоторых видов предвестников оценена их сейсмопрогностическая эффективность и показано, что они могут использоваться для среднесрочного прогноза сильных землетрясений Камчатки.

2. Впервые в мировой практике прецизионных уровнемерных наблюдений обнаружено проявление различных типов гидрогеосейсмических вариаций в изменениях уровня воды в отдельных скважинах: гидрогеодинамических предвестников, косейсмических скачков, ко- и постсейсмических эффектов прохождения сейсмических волн от местных и удаленных землетрясений.

На примере скважины ЮЗ-5 разработана модель гидрогеодинамических процессов в системе «скважина - напорный резервуар пресных подземных вод» при воздействии различных факторов сейсмичности, в т. ч. квазиупругой деформации резервуара на стадии подготовки и образования разрывов в очагах местных сильных землетрясений, прохождения сейсмических волн от местных и удаленных землетрясений. Выполнены количественные оценки пред- и косейсмической объемной деформации резервуара подземных вод и доказана принципиальная возможность получения таких оценок по данным уровнемерных наблюдений.

3. С использованием математической модели (Wang et al., 2004) и моделирования постсейсмических изменений дебита и химического состава воды Пиначевского источника рассмотрен механизм формирования гидрогеосейсмических вариаций химического состава термоминеральных подземных вод за счет смешивания флюидов с различным химическим составом в зонах повышенной водопроводимости. Показана зависимость динамики долговременных изменений химического состава воды термоминерального источника от интенсивности сейсмического воздействия.

4. Впервые предложена типизация гидрогеосейсмических вариаций в режиме напорных пресных и термоминеральных подземных вод с учетом комплекса факторов, определяющих основные особенности их формирования в системах «скважина - резервуар», «источник - водоносная система», в т. ч. факторов сейсмического воздействия, видов и локальных гидрогеологических условий режимных водопроявлений. Показана важная роль газогенерации в подземных водоносных системах в формировании гидрогеосейсмических вариаций параметров режима источников и скважин в сейсмоактивных регионах.

5. Впервые для Камчатского региона выполнено обобщение материалов о проявлениях среднесрочных сейсмологических, геодезических и гидрогеологических предвестников сильных землетрясений. На примере землетрясений 1987-1997 гг. установлено, что аномальные физико-химические состояния в подземных водоносных системах, сопровождающиеся формированием гидрогеологических предвестников, сопряжены по времени с заключительными стадиями развития сейсмического затишья, слабой форшоковой активизацией вблизи очаговых областей будущих землетрясений и горизонтальным сжатием земной коры континентальных районов.

Научная и практическая значимость работы определяются установленными закономерностями проявления гидрогеосейсмических вариаций в режиме скважин и источников Камчатки в зависимости от параметров землетрясений, а также предложенными моделями гидрогеодинамических и гидрогеохимических процессов их формирования в системах «скважина - резервуар» и «источник - водоносная система». Разработанные автором методы обработки и интерпретации данных режимных наблюдений на скважинах и источниках существенно расширяют возможности гидрогеологического мониторинга в части оперативного выделения гидрогеологических предвестников, количественной оценки пред- и косейсмической деформации резервуаров подземных вод, обоснованного использования гидрогеологических предвестников для среднесрочного прогноза землетрясений с учетом их сейсмопрогностической информативности.

Установленные автором связи между изменениями параметров режима подземных вод и сильными землетрясениями положены в основу алгоритмов оценки сейсмической опасности на Камчатке по данным наблюдений на самоизливающихся скважинах и источниках (Копылова и др., 1994) и по данным уровнемерных наблюдений в скважинах Е1 и ЮЗ-5 (Копылова, 2001, 2006, 2008). На основе указанных алгоритмов обеспечивается подготовка и предоставление в Камчатский филиал Российского экспертного совета по прогнозу землетрясений (КФ РЭС) заключений о сейсмической опасности по данным гидрогеологических наблюдений.

Методология построения модели гидрогеодинамических процессов формирования различных типов гидрогеосейсмических вариаций уровня воды в системе «скважина - напорный резервуар пресных подземных вод», а также созданные автором методы обработки данных уровнемерных наблюдений применялись при оценке информативности ряда скважин Роснедра Министерства природных ресурсов в сейсмоактивных районах России (Копылова, Куликов, Тимофеев, 2007). Методика обработки данных уровнемерных наблюдений на скважинах, направленная на оценку информативности отдельных скважин и выделение гидрогеосейсмических вариаций в изменениях уровня воды, внедрена в практику работ КФ ГС РАН, ОАО «Камчатгеология» и ФГУГП ВСЕГИНГЕО.

Представленные в диссертации результаты получены автором при выполнении плановых НИР КФ ГС РАН в 2001-2008 гг.: «Разработка и внедрение в практику методов и средств мониторинга сейсмической и вулканической активности на территории Камчатской области для поиска и исследования предвестников сильных землетрясений и извержений вулканов», № госрегистрации 107053; «Комплексные сейсмологические и геофизические исследования геодинамических процессов в зоне сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг», № госрегистрации 107054; «Влияние сейсмичности на режим подземных вод (на основе систематизации и моделирования гидрогеологических эффектов на пре-, ко- и постсейсмической стадиях землетрясений», № госрегистрации 01.2.006 05660.

Личный вклад автора. В основу работы положены результаты обработки и интерпретации данных многолетних специализированных наблюдений на сети скважин и источников КФ ГС РАН и ОАО «Камчатгеология», выполненные лично автором. При этом использовались: комплекс программных средств анализа многомерных временных рядов, разработанный д.ф.-м.н. А.А. Любушиным, ИФЗ РАН (Любушин, 2007); программа приливного анализа временных рядов ETERNA 3.0 (Wenzel, 1993); программные средства информационной системы «POLYGON» (Копылова, Латыпов, Пантюхин, 2003).

Исследование гидрогеодинамических процессов в системе «пьезометрическая скважина - напорный резервуар пресных подземных вод» проводилось автором с использованием положений линейной теории пороупругости (Rice, Cleary, 1976) и ее приложений для статически изолированных систем «скважина - резервуар» (Van der Kamp, Gale, 1983; Rojstaczer, Agnew, 1989; Roeloffs, 1996 и др.), а также теоретической модели (Cooper et al., 1965), описывающей вариации уровня воды в скважине при воздействии поверхностных сейсмических волн, и др. Модель постсейсмических изменений химического состава воды Пиначевского источника разрабатывалась с использованием математической модели (Wang et al., 2004).

Моделирование отдельных типов гидрогеосейсмических вариаций уровня в скважине ЮЗ-5 и постсейсмических вариаций химического состава воды Пиначевского источника выполнено совместно с С.В. Болдиной и П.В. Воропаевым, КФ ГС РАН. При этом постановка совместных исследований и разработка основных этапов создания моделей формирования гидрогеосейсмических вариаций параметров режима Пиначевского источника и скважины ЮЗ-5 принадлежит автору диссертационной работы.

Теоретические оценки объемной косейсмической деформации в районе скважины ЮЗ-5 при шести камчатских землетрясениях на основе модели дислокационного источника в однородном упругом полупространстве (Okada, 1985), используемые для подтверждения достоверности оценок величин косейсмической деформации по уровнемерным данным, получены совместно с д. ф.-м.н. Г.М. Стебловым и И.А. Сдельниковой, Геофизическая служба РАН.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались:

на международных симпозиумах, конференциях и совещаниях, в т. ч. «Prediction studies on earthquake and volcanic eruption by geochemical and hydrological methods», Токио, 1996; «Строение, геодинамика и металлогения Охотского региона и прилегающих частей Северо-Западной Тихоокеанской плиты», Южно-Сахалинск, 2002; «Проблемы сейсмологии III-го тысячелетия», Новосибирск, 2003; VI междисциплинарном симпозиуме «Закономерности строения и эволюции геосфер», Хабаровск, 2003; VI совещании по процессам в зонах субдукции Японской, Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг, Петропавловск-Камчатский, 2004; II международном симпозиуме «Активный геофизический мониторинг литосферы Земли», Новосибирск, 2005; I Российско-Японском семинаре «Проблемы геодинамики и прогноза землетрясений», Хабаровск, 2000; «Сейсмичность Северной Евразии», Обнинск, 2008; 5-ые научные чтения им. Ю.П. Булашевича, Екатеринбург, 2009;

- на всесоюзных и всероссийских совещаниях, в т. ч. на научно-техническом семинаре «Методика и организация наблюдений за режимом подземных вод для прогноза землетрясений», ВСЕГИНГЕО, 1983; «Гидрогеохимические исследования на прогностических полигонах», Алма-Ата, 1983; VI вулканологическом совещании, Петропавловск-Камчатский, 1985; «Напряженное состояние литосферы, ее деформации и сейсмичность», Иркутск, 2003; «Современная геодинамика и сейсмичность Центральной Азии: фундаментальный и прикладной аспекты», Иркутск, 2005; XVIII и XIX совещаниях по подземным водам Сибири и Дальнего Востока, Иркутск, 2006, Тюмень, 2009; на 9-ых и 10-ых Геофизических чтениях им. В.В. Федынского, Москва, 2007, 2008; «Проблемы современной сейсмологии и геодинамики Центральной и Восточной Азии», Иркутск, 2007; «Тектонофизика и актуальные вопросы наук о Земле», Москва, 2008; а также на региональных научных конференциях и научных семинарах 1981-2009 гг. в г. Петропавловске-Камчатском; в Институте земной коры СО РАН, Иркутск, Институте тектоники и геофизики ДВО РАН, Хабаровск, в Институте физики Земли РАН, Москва.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 68 работ, в т.ч. 31 статья в журналах из списка ВАК и 37 статей в материалах международных, всероссийских и всесоюзных симпозиумов, совещаний и конференций.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и списка литературы. Текст диссертации содержит 219 страниц машинописного текста, включая 63 рисунка, 17 таблиц и список литературы из 300 наименований.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность академикам РАН С.А. Федотову и Е.И. Гордееву, директору КФ ГС РАН к.т.н. В.Н. Чеброву, а также к.г.-м.н. В.М. Сугробову и Ю.М. Хаткевичу за постановку и поддержку многолетних гидрогеосейсмологических исследований на Камчатке.

Полезные советы и ценные критические замечания на различных этапах подготовки и обсуждения работы автор получала от д.г.-м.н. Г.А. Карпова, д.г.-м.н. А.В. Кирюхина, к.т.н. В.А. Дрознина, д.ф.-м.н. А.А. Гусева, к.ф.-м.н. В.А. Салтыкова, к.ф.-м.н. В.А. Широкова, к.т.н. М.А. Магуськина, к.г.-м.н. Г.В Рябинина, к.ф.-м.н. П.П. Фирстова, д.ф.-м.н. А.В. Викулина, д.г.-м.н. Ю.Ф. Мороза, д.г.-м.н. И.Г. Киссина, академика РАН С.В. Гольдина.

Автор выражает особую признательность д.ф.-м.н. А.А. Любушину (Институт физики Земли РАН, г. Москва), Ю.М. Хаткевичу, С.В. Болдиной, П.В. Воропаеву, Ю.К. Серафимовой (КФ ГС РАН), к.г.-м.н. В.А. Бормотову (Институт тектоники и геофизики ДВО РАН, г. Хабаровск), Н.Н. Смолиной (ОАО «Камчатгеология»), д.ф.-м.н. Г.М. Стеблову, И.А. Сдельниковой (Геофизическая служба РАН, г. Обнинск), к.г.-м.н. Э.М. Горбуновой (Институт динамики геосфер РАН, г. Москва), д.г.-м.н. Г.В. Куликову, к.т.н. В.М. Тимофееву (ВСЕГИНГЕО), Владимиру Стейскалу (Институт геофизики АН ЧР, г. Прага) за плодотворное научное сотрудничество.

Защищаемые положения:

1. Гидрогеосейсмические вариации в режиме скважин и источников Камчатки могут состоять из гидрогеологических предвестников, ко- и постсейсмических изменений в зависимости от соотношения величин магнитуды и гипоцентрального расстояния землетрясений. Выявленные разновидности гидрогеодинамических и гидрогеохимических предвестников проявляются преимущественно перед местными сильными землетрясениями (М=6.6-7.8, R=90-320 км) и могут использоваться для их среднесрочного прогноза.

2. Разработанная методика обработки и интерпретации данных уровнемерных наблюдений позволяет выделять сейсмически индуцированные составляющие в изменениях уровня воды, давать феноменологическое описание гидрогеодинамических процессов их формирования в системах «скважина - резервуар», оценивать информативность отдельных скважин для их использования в системе гидрогеодинамического мониторинга и сейсмического прогноза.

3. Особенности проявления различных типов гидрогеосейсмических вариаций уровня воды определяются фильтрационными и упругими параметрами резервуаров подземных вод, строением скважин, наличием и параметрами статически изолированного отклика уровня на изменение напряженно-деформированного состояния водовмещающих пород.

4. Формирование гидрогеосейсмических вариаций в изменениях химического состава источников и самоизливающихся скважин происходит при наличии в водоносных системах контрастных по химическому составу вод и их смешивании в зонах повышенной водопроводимости.

5. Эффекты сейсмичности проявляются главным образом в изменениях режима скважин и источников, контролирующих напорные пресные и термоминеральные подземные воды, и имеют индивидуальные особенности в зависимости от параметров землетрясений, наличия или отсутствия газогенерации в водоносной системе. Предложенная типизация гидрогеосейсмических вариаций учитывает комплекс факторов сейсмического воздействия на водоносные системы, виды и локальные гидрогеологические особенности режимных водопроявлений.

6. Формирование среднесрочных гидрогеологических предвестников приурочено к заключительным стадиям сейсмического затишья, форшоковой активизации вблизи очаговых областей будущих сильных землетрясений в Камчатской сейсмоактивной зоне и сопровождается горизонтальным сжатием коры континентальных районов.

В диссертации применяются следующие термины с соответствующими определениями:

Сейсмичность - совокупность отдельных землетрясений и процессов их подготовки.

Факторы воздействия сейсмичности на режим подземных вод включают:

1 - изменение статического напряженного состояния резервуаров напорных подземных вод при образовании разрывов в очагах землетрясений;

2 - деформацию водовмещающих пород при излучении сейсмических волн;

3 - процессы подготовки землетрясений, которые могут сопровождаться упругой деформацией водовмещающих пород и развитием в них трещинной дилатансии (Соболев, 1993; Алексеев и др., 2001; Гольдин, 2004, 2005).

Гидрогеосейсмические вариации параметров режима подземных вод (гидрогеосейсмические вариации) - изменения уровня воды в пьезометрических скважинах, дебитов, температуры, минерализации воды и концентраций компонентов химического состава воды и газа самоизливающихся скважин и источников, вызванные подготовкой и реализацией отдельных землетрясений. Могут состоять из одной или нескольких частей, включающих предсейсмические, ко- и постсейсмические вариации, каждая их которых характеризуется формой, амплитудой и продолжительностью.

В понятиях системы «скважина - резервуар подземных вод» и «источник - питающая водоносная система» используется термин «водоносная система», включающий объективное единство конечного объема водонасыщенных горных пород и гидрогеологических процессов, обеспечивающих величину напора и водную разгрузку, особенности химического состава, температуры разгружаемой подземной воды и их изменения.

Эффекты сейсмичности в режиме подземных вод - выявленные и систематизированные в связи с отдельными землетрясениями гидрогеосейсмические вариации с указанием их формы, амплитуды, продолжительности и описание гидрогеодинамических и гидрогеохимических процессов их формирования в системах «скважина - резервуар подземных вод» и «источник - питающая водоносная система».

Сейсмопрогностическая информативность гидрогеологического предвестника характеризуется двумя величинами: параметром связи предвестника и землетрясений р=m/n, где m - число землетрясений в ограниченном районе, перед которыми предвестник проявлялся; n - общее число таких произошедших землетрясений, и прогнозной эффективностью предвестника I (Гусев, 1974), показывающей, во сколько раз использование предвестника улучшает прогноз землетрясений по сравнению со случайным угадыванием.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 «Систематизация гидрогеосейсмических вариаций в режиме скважин и источников Камчатки» дается характеристика геолого-гидрогеологических условий района работ и системы специализированных гидрогеологических наблюдений. Приводится описание гидрогеосейсмических вариаций в режиме скважин и источников, контролирующих напорные пресные и термоминеральные подземные воды, рассматриваются особенности их проявления в зависимости от параметров землетрясений и локальных гидрогеологических условий.

Наблюдательная сеть на территории Петропавловского геодинамического полигона состоит из десяти пунктов, в т. ч. 6 пьезометрических скважин, 10 самоизливающихся скважин и 3 каптированных источника. Уровнемерные наблюдения включают измерения уровня воды и атмосферного давления с интервалом опроса 10 мин. Чувствительность регистрации уровня воды составляет 0.2-0.1 см, атмосферного давления - 0.2 гПа. На самоизливающихся скважинах с периодичностью один раз в 3-6 сут измеряются дебит и температура воды; производится отбор проб воды с определением концентраций в воде ионов Na⁺, K⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Li⁺, Cl^-, SO₄^2-, HCO₃^-, H₄SiO₄ и H₃BO₃ и газов O₂, N₂, Ar, CH₄, CO₂ He, H₂ (Рябинин, Хаткевич, 2004, 2009). Характеристика режимных водопроявлений с учетом геолого-тектонических и гидрогеологических условий приводится в табл. 1.

Таблица 1 - Гидрогеологическая характеристика наблюдательных скважин и источников

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 SO₄^2- в течение 26 сут) и скважины Г-1 (плавное повышение концентрации HCO₃^- и понижение концентрации Сl^-, Na⁺, SO₄^2-, 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).

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.

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).

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 E_b;

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

- 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 A_v, 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/A_v.

С использованием величины A_v=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., M_w=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

Примечание: * - гипоцентральное расстояние от скважины ЮЗ-5 до средней точки плоскости смещения.

В разделе 2.2 рассматриваются различные вариации в изменениях уровня воды в шести пьезометрических скважинах Камчатки при прохождении сейсмических волн от сильнейших (М ? 7.6) землетрясений, произошедших на территории Камчатского края (Кроноцкое 05.12.1997 г., М = 7.8; Олюторское 20.04.206 г, М = 7.6) и в районах Тихоокеанского и Альпийского сейсмических поясов на расстояниях до 8500 км.

В разделе 2.2.1 с использованием математической модели (Cooper et al., 1965), описывающей отклик уровня воды в скважине на прохождение поверхностных сейсмических волн, приводятся результаты моделирования вариации уровня воды в скв. ЮЗ-5 при Суматра-Андаманском землетрясении 26.12.2004 г., М = 9 с оценкой водопроводимости резервуара Т (Копылова, Болдина, 2007).

Прохождение сейсмических волн от этого землетрясения вызвало заметные колебания уровня воды в скв. ЮЗ-5. Вступление L-волн сопровождалось изменениями уровня воды с амплитудой не менее 5 см. Затем в течение примерно девяти часов наблюдались затухающие свободные колебания уровня с амплитудами 0.5-0.2 см. Отношение максимальной амплитуды изменений уровня воды в скважине к максимальному смещению поверхности земли во время прохождения L-волн составляет не менее 2.5.

На рис. 3 представлена расчетная зависимость усиления вариаций уровня воды в скв. ЮЗ-5 по отношению к изменению напора в резервуаре в зависимости от периода сейсмической волны . Принималось, что величина водопроводимости резервуара может изменяться в диапазоне четырех порядков, а величина водоотдачи постоянна и составляет 2010^-5.

Рисунок 3 - Изменение амплитудного соотношения между вариациями уровня воды в скважине ЮЗ-5 и изменением напора в резервуаре x₀/h₀ в зависимости от параметра системы скважина-резервуар T/r_w² и периода сейсмической волны .

Результаты моделирования показывают, что усиление вариаций уровня воды по отношению к изменению напора в резервуаре могло произойти при прохождении сейсмических волн с периодом = 44 с при величине не менее 1 с^-1, где r_w - радиус скважины в области фильтра.