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

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 различные виды гидрогеологических предвестников землетрясений: гидрогеодинамические, гидрогеохимические и др. [Киссин, Пиннекер, Ясько, 1982], но их сейсмопрогностическая информативность не оценивалась. 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 имеют 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 или гидрогеосейсмических вариаций, которые отражают специфические гидрогеодинамические и гидрогеохимические процессы, протекающие 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 систематизация и обобщение 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 «скважинарезервуар подземных вод» и «источник — питающая водоносная система».

Основные задачи исследования:

1. Систематизация гидрогеосейсмических вариаций (гидрогеологических предвестников, кои постсейсмических изменений) в режиме скважин и источников Камчатки в связи с отдельными землетрясениями и оценка зависимости их проявления от параметров землетрясений (магнитуды М, гипоцентрального расстояния Я, соотношения М/^Я) и локальных гидрогеологических условий.

2. Создание моделей гидрогеодинамических и гидрогеохимических процессов в системах «скважина — резервуар подземных вод» и «источник — питающая водоносная система» под влиянием факторов сейсмичности 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, большая часть которых расположена на территории Петропавловского геодинамического полигона (6 пьезометрических скважин, оборудованных системами цифровой регистрации уровня воды и атмосферного давления- 13 самоизливающихся скважин и источников, на которых проводятся наблюдения за изменениями 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 с использованием 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 педрогеосейсмические вариации, в зависимости от интенсивности сейсмического воздействия, которая характеризуется соотношением магнитуды землетрясения М и его гипоцентрального расстояния R, могут состоять из нескольких частей: предшествующей землетрясению (гидрогеологических предвестников) и кои/или постсейсмической, либо из кои/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 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, кои 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 преди косейсмической объемной деформации резервуара напорных пресных 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 режимных водопроявлений и локальных гидрогеологических условий. 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 в системах «скважинарезервуар» и «источник — водоносная система» под влиянием сейсмичности. Разработанные автором методы обработки и интерпретации данных режимных наблюдений на скважинах и источниках существенно расширяют возможности гидрогеологического метода в части оперативного выделения гидрогеологических предвестников, количественной оценки преди косейсмической объемной деформации резервуаров напорных пресных 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 103−5 [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 в системе «скважина — напорный резервуар пресных подземных вод» при сейсмических воздействиях, 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 107 053- «Комплексные сейсмологические и геофизические исследования геодинамических процессов в зоне сочленения Курило-Камчатской и Алеутской островных дуг», № госрегистрации 107 054- «Влияние сейсмичности на режим подземных вод (на основе систематизации и моделирования гидрогеологических эффектов на пре-, кои постсейсмической стадиях землетрясений», № госрегистрации 01.2.006 5 660.

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. A.A. Любушиным, ИФЗ РАНпрограмма приливного анализа временных рядов ETERNA 3.0 [Wenzel, 1993]- программные средства информационной системы «POLYGON», созданные в КФ ГС РАН [Копылова, Латыпов, Пантюхин, 2003].

Исследование гидрогеодинамических процессов в системе «пьезометрическая скважина — напорный резервуар пресных подземных вод» проводилось 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; Rbeloffs, 1996; и др.], а также математической 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 C.B. 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 Ш-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 1981;2009 гг. в г. Петропавловске-Камчатском и на семинарах в КФ ГС РАН, Институте вулканологии, Институте космофизических исследований и распространения радиоволн КНЦ ДВО РАН, Петропавловск-Камчатскийв 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.

Выводы. 1. На основе анализа данных специализированных многолетних наблюдений на скважинах и источниках в сейсмоактивных районах Камчатки и мира предложена типизация гидрогеосейсмических вариаций в режиме напорных пресных и термоминеральных подземных вод, учитывающая основные факторы сейсмического воздействия на водоносные системы: изменение статического напряженного состояния водовмещающих пород при образовании разрывов в очагах, воздействие сейсмических волн, процессы подготовки землетрясенийвиды режимных водопроявлений (пьезометрические скважины, самоизливающиеся скважины и каптированные источники), гидрогеологические особенности (наличие или отсутствие газогенерации в водоносной системе) и параметры землетрясений (магнитуда, гипоцентральное расстояние).

2. Выделены три основных вида гидрогеосейсмических вариаций — косейсмические, постсейсмические, предсейсмические, соответствующих основным факторам сейсмического воздействия на режим подземных вод. Установлено различие в проявлении гидрогеосейсмических вариаций в режиме напорных вод без газа и в режиме термоминеральных газонасыщенных подземных вод. Это указывает на важную роль процесса газогенерации в формировании особенностей гидрогеосейсмических эффектов в режиме подземных вод сейсмоактивных регионов.

3. Показана зависимость пространственного проявления ко-, пости предсейсмических вариаций параметров режима подземных вод от величины магнитуды землетрясения. Полагается, что гидрогеологические предвестники в режиме напорных пресных и термоминеральных подземных вод обусловлены, в основном, развитием приповерхностной зоны трещиной дилатансии в насыщенных горных породах в процессе формирования мезоструктуры очаговой области землетрясения. Оценена область проявления гидрогеологических предвестников в режиме водопроявлений с нормальной тензочувствительностью в зависимости от параметров землетрясений: М> 3.371^- 0.84, где М — магнитуда землетрясения, Я — гипоцентральное расстояние, км.

Глава 5. О связи режима подземных вод с вариациями сейсмичности и деформациями земной коры на стадиях подготовки сильных землетрясений.

Камчатки.

Создание региональных моделей процессов подготовки сильных землетрясений может ' основываться на обобщении результатов регистрации предвестников, полученных сейсмологическими и геодезическими методами, и их дополнения данными других методов наблюдений, в частности, данными гидрогеологического метода, базирующегося на чувствительности параметров режима скважин и источников к изменениям напряженно-деформированного состояния флюидонасыщенных пород.

С 1977 г. на Камчатке проводятся целенаправленные исследования по поиску гидрогеологических предвестников землетрясений на сети станций Петропавловского полигона, включающих скважины и источники (раздел 1.1). По результатам измерений уровня воды в пьезометрических скважинах, дебитов, температуры воды, концентраций компонентов химического состава воды и газа самоизливающихся скважин и источников установлены основные закономерности проявления гидрогеологических предвестников камчатских землетрясений:

1. Аномальные изменения параметров химического и газового состава подземных вод в самоизливающихся скважинах и источниках (гидрогеохимические предвестники) наблюдаются преимущественно перед сильными (М = 6.6−7.8) землетрясениями на гипоцентральных расстояниях 11<90−320 км. Такие землетрясения характеризуются величинами 3.1−3.5 и интенсивностью сотрясений не менее 4−5 баллов по шкале МЭК-64 в пунктах наблюдений. Заблаговременность развития таких аномалий до землетрясений составляет десятки суток — месяцы (разделы 1.3−1.4).

2. Формирование гидрогеохимических предвестников обусловлено изменением условий гидродинамического взаимодействия подземных вод с различным химическим составом в" водоносных системах самоизливающихся скважин и источников. Источниками флюидов с различным химическим составом и физическими свойствами могут быть поровые воды водовмещающих сред с двойной пористостью при увеличении проницаемости низкопористых блоков и улучшения их гидравлической связи с высокопористыми блоками (зонами повышенной трещиноватости), либо гидравлически связанные зоны, содержащие подземные воды с различным химическим составом. Гидрогеохимические предвестники могут формироваться исключительно при изменении количественного соотношения между смешивающимися водами в водоносных системах или в стволе скважины (выводящем канале источника). Такие явления могут эффективно развиваться при изменении проницаемости водовмещающих пород вследствие неравномерного развития трещинной дилатанеии в объеме водоносных систем, содержащих в составе порового флюида газовую фазу (глава 4).

3. В изменениях уровня воды в скважине Е1 гидрогеодинамический предвестник в форме понижения уровня воды в повышенной скоростью в течение суток — первых месяцев регулярно проявляется перед землетрясениями с М>5 на гипоцентральных расстояниях до 350 км (раздел 1.3).

4. Наиболее яркие аномалии химического состава воды самоизливающихся скважин и синхронные вариации уровня воды в двух пьезометрических скважинах (рис. 1.7) наблюдались перед сильнейшим Кроноцким землетрясением с М = 7.8, R = 320 км [Копылова, 2006; Хаткевич, Рябинин, 1998,2004].

В главе 5 рассматривается связь выявленных аномалий в режиме подземных вод с изменениями слабой сейсмичности и деформациями земной коры на стадиях подготовки сильных землетрясений с учетом сейсмотектонических условий Камчатского региона. В основу исследования положены опубликованные материалы сейсмологических, геодезических и гидрогеологических наблюдений, полученные В. Ф. Бахтиаровым, Е. И. Гордеевым, А. А. Гусевым, В. М. Зобиным, Г. Н. Копыловой, Н. М. Кравченко, В. Е. Левиным, В. И. Левиной, М. А. Магуськиным, Г. В. Рябининым, В. А. Салтыковым, Г. А. Соболевым, С. А. Федотовым, Ю. М. Хаткевичем, В. Н. Чебровым и другими.

Характеристика сейсмотектонических условий Камчатского региона и вариации сейсмического режима в 1962;2000 гг. Полуостров Камчатка находится на стыке литосферных континентальных мегаплит Евразийской, Северо-Американской и Тихоокеанской океанической плиты. В качестве плит меньшего порядка в районе выделяются Охотоморская плита континентального типа и Беринговоморский блок [Имаев и др., 2000] (рис. 5.1А). Границы плит трассируются сейсмическими поясами. Наиболее интенсивная сейсмичность приурочена к контакту Тихоокеанской и Охотоморской литосферных плит.

Определяющим фактором тектонического развития Камчатского региона является высокая скорость движения Тихоокеанской плиты, составляющая 9 см/год [Minster, Jordan, 1978]. Движение Тихоокеанской плиты создает источник фронтальных напряжений сжатия северозападного направления в зоне контакта Тихоокеанской и Охотоморской плит. Особенности геодинамики и тектономагматических процессов в этой зоне в позднеплиоцен-четвертичное время связываются с развитием глубокой наклонной сейсмофокальной зоны, в пределах которой сосредоточены более 90% камчатских землетрясений, в т. ч. сильнейшие с магнитудами до 8.5−9 (рис. 5.1Б). В южной части полуострова Камчатка эта зона рассматривается как область относительного смещения надвигающегося континентального островодужного блока и пододвигающегося океанического блока [Федотов и др., 1985].

Рисунок 5.1 — Характеристика сейсмических условий Камчатки: А — схема расположения сейсмических поясов, сходящихся в районе Камчатки и границы литосферных плитТОТихоокеанская плита, СА — Северо-Американская плита, ЕА — Евразийская плита, БББеринговоморский блок, ОХ — Охотоморская микроплитаБ — разрез сейсмофокальной зоны для участка, показанного на врезке [по Федотов и др., 1985]: 1 — контур сейсмофокальной зоны- 2 -граница Мохоровичича- 3 — морское дно- 4 — вулканы- 5 — положение оси желобаВкумулятивный график выделения сейсмической энергии в 1962;2000 гг. и моменты землетрясений с М > 6.8 (табл. 5.1) — 1−1У — периоды сейсмических активизаций.

Заключение

.

Основные научные и практические результаты, полученные в предыдущих публикациях автора и в настоящей диссертационной работе:

1. По данным многолетних специализированных наблюдений на скважинах и источниках Камчатки впервые дано систематическое описание гидрогеосейсмических вариаций параметров режима напорных пресных и термоминеральных подземных вод, проявляющихся в связи с местными и удаленными сильнейшими (М > 7.6) землетрясениями. В зависимости от соотношения величин магнитуды и гипоцентрального расстояния землетрясений гидрогеосейсмические вариации параметров режима таких скважин и источников могут состоять из пред-, кои постсейсмических частей, каждая из которых определяется различными факторами сейсмического воздействия.

Эффекты воздействия факторов сейсмичности на режим отдельных скважин и источников имеют индивидуальные особенности в зависимости от параметров землетрясений и локальных гидрогеологических условий, определяющих характерные закономерности в проявлении гидрогеосейсмических вариаций в изменениях гидродинамических и гидрогеохимических показателей. Предсейсмические гидрогеосейсмические вариации (гидрогеологические предвестники) проявляются в основном в связи с наиболее сильными сейсмическими событиями с величинами отношения М/^И. > 3.1 (М = 6.6−7.8, Я = 90−320 км).

Применение методов многомерного статистического анализа для обработки данных • комплексных наблюдений за режимом самоизливающихся скважин и источников позволило выделить новый вид гидрогеологического предвестника, а именно среднесрочное в течение недель-месяцев увеличение синхронизации в совокупном изменении дебитов, температуры воды, концентраций компонентов химического и газового состава подземных вод. Такой предвестник выявлен перед пятью сильными землетрясениями 1987;1996 гг., сопровождавшимися в районе г. Петропавловска-Камчатского сотрясения от 5−6 до 4 баллов по шкале М8К-64. Проявление такого вида гидрогеологического предвестника однозначно 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.

2. На примере скважины ЮЗ-5 дано феноменологическое описание гидрогеодинамических процессов в системе «скважина — напорный резервуар пресных подземных вод» при воздействии основных факторов сейсмичности. При этом учитывались оцененные упругие и фильтрационные параметры резервуара подземных вод, геометрические размеры скважины, выполнялось математическое моделирование инерционного эффекта водообмена и различных типов гидрогеосейсмических вариаций уровня воды на основе современных теоретических моделей гидрогеодинамических процессов в системе «скважина-резервуар».

Косейсмические скачки уровня воды при местных сильных землетрясениях и гидрогеодинамический предвестник перед Кроноцким землетрясением (в форме понижения уровня в течение трех недель) представляют статически изолированный отклик порового давления на квазиупругую деформацию водовмещающих пород. Такой отклик уровня управляется, в основном, упругими параметрами резервуара подземных вод. Процессы течения воды в таком случае не имеют существенного значения и ими можно пренебречь в диапазоне периодов проявления статически изолированного отклика уровня воды, который определяется экспериментально по результатам барометрического и приливного анализа вариаций уровня воды и моделирования инерционного эффекта водообмена в системе «скважина — резервуар».

Вместе с тем, процессы течения воды в резервуаре и гидродинамического взаимодействия между резервуаром и стволом скважины имеют существенное значение при формировании разнообразных типов постсейсмических вариаций уровня, вызванных прохождением сейсмических волн. Особенности вариаций уровня в таких случаях определяются строением скважины, водопроводящими свойствами водовмещающих пород, составом порового флюида, а также амплитудно-частотным составом максимальных фаз колебаний грунта.

3. На примере скважин Камчатки апробирована методика обработки и интерпретации многолетних данных уровнемерных наблюдений, направленная на выделение гидрогеосейсмических вариаций уровня воды и разработку феноменологических моделей поведения отдельных систем «пьезометрическая скважина — напорный резервуар пресных подземных вод» при сейсмических воздействиях. Разработанная методика и ее элементы, в частности, оценка деформометрических свойств скважин на основе анализа приливного и барометрического откликов уровня воды [Копылова, 2009а], использовались для обработки данных уровнемерных наблюдений в других регионах [Копылова, Бормотов, 2004; Копылова и др., 2009; Stejskal е! а1., 2009]. По этой методике оценены деформометрические свойства 32-х наблюдательных скважин Роснедра и КФ ГС РАН [Копылова, Куликов, Тимофеев, 2007]. Для 13-ти скважин установлен статически-изолированный барометрический отклик и оценены величины приливной чувствительности уровня воды (Ау — 0.015−0.250 см/10″ 9). Полагается, что такие скважины могут использоваться для количественной оценки сейсмотектонической деформации водовмещающих пород и при построении принципиально новых количественных карт гидрогеодеформационного (ГГД) — поля. Установлен рост величин приливной чувствительности уровня воды Ау с увеличением глубины контролируемого интервала водовмещающих пород (рисунок). Методическим следствием такой зависимости является предпочтительное использование для гидрогеодинамического мониторинга скважин, вскрывающих напорные пресные подземные воды на глубинах не менее первых сотен метров.

А, объемная приливная чувствительность, см/10'9 О 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3.

Рисунок — Зависимость величин приливной объемной чувствительности уровня воды Av от средней глубины открытого интервала водовмещающих пород (Н). 1 — скважины (номера скважин приводятся по [Копылова, Куликов, Тимофеев, 2007]- 2 — тренд линейной зависимости Av от Н- 3 — 95%-ный доверительный интервал зависимости Av = (0.22±-0.4)Н+(0.376±-0.3 054). R — коэффициент линейной корреляции.

4. По данным о косейсмических скачках уровня воды в скважине ЮЗ-5 и величине объемной приливной чувствительности уровня выполнены количественные оценки объемной косейсмической деформации при шести местных землетрясениях. Хорошее соответствие величин и знака косейсмической деформации в районе скважины по данным уровнемерных наблюдений с результатами расчетов по модели дислокационного источника в однородном упругом полупространстве показывает, что по уровнемерным данным возможна оценка объемной деформации резервуара подземных вод при развитии сейсмотектонических процессов, сопровождающихся квазиупругой деформацией водовмещающих пород.

5. По данным многолетних уровнемерных наблюдений оценена сейсмопрогностическая информативность гидрогеодинамического предвестника, проявляющегося в увеличении скорости понижения уровня воды в скважине El перед землетрясениями с M > 5 и с M > 6.6 на расстояниях до 350 км. Эффективность предвестника по (Гусев, 1974) составляет 1= 1.8−3.2 при вероятности его связи с землетрясениями р = 0.70 — 0.86. Полученные оценки показывают, что этот предвестник может использоваться в комплексе с другими сейсмопрогностическими данными для среднесрочного прогноза камчатских землетрясений. На основе этого предвестника с 2002 г. осуществляется оценка опасности возникновения сильных землетрясений на Камчатке с выдачей регулярных сообщений в Камчатский филиал Российского экспертного совета по прогнозу землетрясений.

6. По данным специализированных уровнемерных наблюдений в шести скважинах Камчатки выявлены основные закономерности проявления гидрогеосейсмических вариаций уровня воды в связи с сильнейшими (М = 7.6−9.0) землетрясениями.

В зоне 5−6-балльных сотрясений от Кроноцкого землетрясения, M = 7.8, R = 310 км последовательно проявлялись гидрогеодинамический предвестник, косейсмический скачок порового давления и длительное постсейсмическое понижение уровня воды.

Прохождение поверхностных сейсмических волн от удаленных сильнейших землетрясений (М = 7.6−9, R = 750−8800 км) может сопровождаться положительными и отрицательными остаточными смещениями уровня воды или его колебаниями с остаточным смещением или без него. Особенности вариаций уровня воды в конкретной скважине определяются ее строением (техническим способом обеспечения связи скважины с водовмещающими породами, длиной фильтра, эффективной высотой водной колонны), гидрогеологическими условиями (водопроводимостью резервуара, наличием газовой фазы в составе порового флюида), магнитудой и удаленностью землетрясения, а также амплитудно-частотным составом максимальных фаз колебаний грунта.

7. На основе математической модели [Wang et al,. 2004], схематизации локальных гидрогеологических условий и моделирования постсейсмических изменений дебита и концентрации хлора в воде Пиначевского источника 1 рассмотрен механизм формирования вызванных сейсмичностью гидрогеохимических аномалий в режиме термоминеральных подземных вод за счет смешивания вод с различным химическим составом в зонах повышенной водопроводимости. На примере Пиначевского источника 1 показана зависимость состояния питающей его водоносной системы во времени от интенсивности сейсмического воздействия.

Рассмотренный механизм изменений химического состава подземной воды также может применяться для качественного описания процессов формирования гидрогеохимических предвестников в системах «самоизливающаяся скважина — резервуар подземных вод».

8. Впервые предложена типизация гидрогеосейсмических вариаций в режиме напорных пресных и термоминеральных подземных вод, учитывающая основные факторы сейсмического воздействия на водоносные системы (изменение статического напряженного состояния водовмещающих пород при образовании разрывов в очагах, воздействие сейсмических волн, процессы подготовки землетрясений), виды режимных водопроявлений (пьезометрические скважины, самоизливающиеся скважины и каптированные источники), гидрогеологические особенности (наличие или отсутствие газогенерации в водоносной системе) и параметры землетрясений (магнитуда, гипоцентральное расстояние).

Показано существенное различие в проявлении гидрогеосейсмических вариаций в режиме напорных пресных подземных вод без газа и в термоминеральных газонасыщенных подземных водах. Это указывает на важную роль процесса газогенерации в формировании особенностей гидрогеосейсмических эффектов в режиме подземных вод сейсмоактивных регионов. Показана зависимость пространственного проявления ко-, пости предсейсмических вариаций параметров режима подземных вод от величины магнитуды землетрясения. Оценена область проявления гидрогеологических предвестников в режиме водопроявлений, характеризующихся нормальной тензочувствительностью: М > 3.37¹¹ — 0.84, где М — магнитуда землетрясения, Ягипоцентральное расстояние, км.

Предложенная типизация эффектов влияния сейсмичности в режиме напорных пресных и термоминеральных подземных вод, а также зависимость проявления гидрогеологических предвестников от параметров землетрясений могут использоваться при планировании и проведении работ по гидрогеологическому мониторингу сейсмоактивных территорий.

9. На основе обобщения материалов о проявлениях сейсмологических, геодезических и гидрогеологических предвестников сильных (М > 6.6) камчатских землетрясений установлено, что среднесрочные предвестники в изменениях химического состава напорных пресных и термоминеральных подземных вод возникают на заключительных стадиях формирования сейсмического затишья на обширных участках Камчатской сейсмоактивной зоны, во время слабой активизации в области потенциальных очагов землетрясений. Им может предшествовать горизонтальное сжатие континентальных районов по геодезическим данным. Это показывает, что проявление таких гидрогеологических предвестников отражает стадию подготовки сильных землетрясений, сопровождающуюся изменением условий гидродинамического взаимодействия подземных вод с различным химическим составом, содержащихся в различных фрагментах водоносных систем. В соответствии с современными представлениями о процессах подготовки землетрясений в качестве основного механизма формирования таких предвестников рассматривается изменение водопроницаемых свойств водовмещающих пород при развитии приповерхностного слоя трещинной дилатансии.

Перед сильнейшим Кроноцким землетрясением, Муу—7.8 проявлялся гидрогеодинамический предвестник в течение трех недель в синхронных изменениях уровня воды в двух скважинах, расположенных на расстоянии 200 км от очага. В качестве механизма формирования такого предвестника рассматривается преимущественно упругая деформация расширения водовмещающих пород при развитии асейсмических движений в окрестности будущего очага.

Таким образом, по результатам анализа данных многолетних гидрогеологических наблюдений в Камчатском сейсмоактивном регионе показана принципиальная возможность развития двух типов гидрогеологических процессов в подземных водоносных системах на стадиях подготовки сильных землетрясений: 1 — изменение водопроницаемых свойств водовмещающих пород и условий гидродинамического взаимодействия контрастных по химическому составу флюидов- 2 — реакция порового давления на упругую деформацию водовмещающих пород при развитии асейсмических движений, предшествующих сильному землетрясению.