Гидрогеохимические предвестники землетрясений в высокосейсмичном регионе: на примере юго-восточной части полуострова Камчатка

Актуальность работы.

С 1977 г. на Камчатке проводятся непрерывные наблюдения за режимом подземных вод с целью поиска и изучения гидрогеологических предвестников землетрясений. Наблюдения осуществляются на базе сети пространственно разнесенных пунктовсамоизливающихся скважин и источников, расположенных в окрестности г. Петропавловска-Камчатского и объединенных в четыре гидрогеологические станции. Комплекс наблюдений включает в себя замеры атмосферного давления и температуры воздуха, замеры расхода и температуры воды самоизливающихся скважин и источников, отбор проб воды и газа для последующего их анализа в лабораторных условиях. В пробах анализируются основные показатели макрокомпонентного состава подземных вод, а так же растворенные в воде и свободные газы. В общей сложности, комплекс режимных опробований включает в себя измерение и анализ 25 параметров по каждому пункту наблюдения.

Актуальность проводимых на Камчатке исследований, вероятно, не нуждается в комментариях. В соответствие с новой картой сейсмического районирования ОСР-97, территория г. Петропавловска-Камчатского относится к девяти-десятибалльной зоне сейсмической активности. Даже одного этого обстоятельства вполне достаточно для того, чтобы обосновать любые сейсмопрогностические исследования, если, конечно, они осуществляются в рамках традиционной науки.

Результаты многолетних наблюдений за режимом подземных вод на Камчатке, проводимых с целью поиска и изучения предвестников землетрясений, в целом, совпадают с результатами подобных исследований в других сейсмоопасных регионах. К таковым, в первую очередь, относится сам факт обнаружения достоверных предвестниковых эффектов, преимущественно в изменениях макрокомпонентного и газового состава подземных вод. С другой стороны, анализ предвестниковых вариаций, зарегистрированных на Камчатке, обнажает и те же, общие для всех актуальные проблемы, которые до сих пор не нашли своего решения.

Одним из самых острых вопросов сейсмопрогностических гидрогеологических исследований является вопрос исключительного многообразия предвестниковых эффектов. Острота вопроса заключается в том, что форма изменения какого-либо показателя, его амплитуда, знак, время экстремума и т. д. являются ключевыми и, по сути, единственными характеристиками, на основании которых приходится делать вывод об изменениях напряженно-деформированного состояния среды и возможной связи этих изменений с процессами подготовки сильных сейсмических событий. Между тем, характер изменения того или иного показателя, в данном случае гидрогеохимического, будет зависеть от целого ряда факторов: геолого-тектонических и гидрогеологических условий, гидрогеохимических типов вод, конструкции скважины и т. д. Отсюда следует, что при анализе и интерпретации гидрогеохимических предвестииковых эффектов необходимо учитывать региональные особенности размещения сети наблюдательных скважин, а также местные особенности каждого конкретного пункта наблюдения.

Традиционно считается, что общей причиной возникновения предвестников является изменение напряженно-деформированного состояния верхних частей литосферы в результате процессов, развивающихся на стадии подготовки землетрясений. Это дает основание рассчитывать на значимые корреляции между относительными деформациями земной поверхности и изменениями гидрогеохимических параметров. С другой стороны, при изучении гидродинамических предвестников были обнаружены эффекты аномально большой амплитуды, несопоставимые с величинами относительных деформаций в пункте наблюдения [35]. Под эффектами аномально большой амплитуды рассматриваются эффекты, амплитуда которых на 1 — 2 порядка отличается от фоновых вариаций [37]. Пожалуй, самым ярким примером таких эффектов является предсейсмическое понижение уровня подземных вод в скважине, величина которого составила 57 м, имевшее необратимый характер [38]. Столь значительные изменения режима подземных вод было предложено связывать с аномально высокой тензочувствительностью точки наблюдения. Условия аномально высокой тензочувствительности предполагают так называемый перколяционный механизм образования высокоамплитудных предвестников, когда малые изменения сечения трещин при небольшом приросте давления вызывают очень сильные эффекты по таким показателям как электропроводность, проницаемость для флюидов и др. [79].

Результаты исследований тензочувствительности гидродинамических систем, во многом уникальные нельзя напрямую экстраполировать на системы гидрогеохимические. Главной причиной этого является отсутствие примеров столь же больших изменений химического и газового состава подземных вод накануне сильных землетрясений. Более того, при рассмотрении гидрогеохимических эффектов речь идет, в подавляющем большинстве случаев, о предвестниковых изменениях, амплитуды которых не превышают нескольких среднеквадратических отклонений. Этому имеется вполне понятное объяснение. Заключается оно в том, что образование гидрогеохимических предвестниковых эффектов, соизмеримых по масштабам с гидродинамическими эффектами в условиях аномально высокой тензочувствительности, вряд ли возможно в принципе, поскольку для этого необходимы просто огромные градиенты концентрации растворенного вещества и газа между взаимодействующими элементами среды, что в реальных условиях практически исключено. Из этого следует закономерный вопрос, каким образом в гидрогеохимических системах могут и могут ли вообще проявляться условия аномально высокой тензочувствительности. Представляется, что данный вопрос является одной из самых актуальных задач исследований именно гидрогеохимических предвестников землетрясений и может иметь ряд важных следствий. В качестве одного из таких следствий можно рассматривать объяснение феномена изменения тензочувствительности гидрогазохимических систем во времени. В случае гидрогеодинамических эффектов переменная во времени тензочувствительность выражается в том, что одинаковые по величине относительные деформации на разных стадиях деформирования массива могут вызывать неодинаковые по амплитуде гидрогеодинамические эффекты [41].

Из сказанного выше следует, что в качестве наиболее актуальных вопросов исследования гидрогеохимических предвестниковых эффектов можно рассматривать:

1. вопрос о многообразии предвестниковых гидрогеохимических эффектов;

2. вопрос о региональных и/или местных особенностях формирования предвестниковых гидрогеохимических эффектов;

3. вопрос о тензочувствительности гидрогеохимических систем.

Рассмотренный круг вопросов имеет актуальность, прежде всего, в научном аспекте.

Важнейший прикладной аспект исследования любых предвестников землетрясений должен заключаться в оценке сейсмической опасности. Оценка сейсмической опасности, в свою очередь, должна основываться на максимально формализованных критериях, исключающих или минимизирующих субъективизм исследователя. Такая возможность предоставляется при использовании статистических методов и алгоритмов, направленных на извлечение скрытой информации из сложных нестационарных последовательностей и/или их совокупностей. Таким образом, в качестве одной из актуальных прикладных задач гидрогеологического мониторинга, ведущегося с целью прогноза сильных сейсмических событий на Камчатке, является внедрение в практику обработки данных натурных исследований новых методов и оценка их возможностей по идентификации, в частности, гидрогеохимических предвестников землетрясений.

Цель и задачи работы.

Цель работы: исследование гидрогеохимических эффектов, проявляющихся в режиме подземных вод перед сильными землетрясениями Камчатки.

Задачи исследований:

1. провести морфологическую типизацию гидрогеохимических предвестниковых эффектов, выявленных в режиме подземных вод камчатской сети гидрогеологического мониторинга;

2. провести анализ гидрогеохимических эффектов с учетом их морфологических типов;

3. дать интерпретацию механизмов формирования гидрогеохимических предвестниковых эффектов с учетом их морфологии, местных особенностей пунктов наблюдения;

4. провести обработку временных рядов гидрогеохимических наблюдений методом фликкер-шумовой спектроскопии на предмет идентификации предвестников сильных камчатских землетрясений, дать оценку возможностей метода.

Объект и предмет исследования.

Объектом исследования являются временные ряды изменения различных показателей химического и газового состава подземных вод. В качестве предмета исследования рассматриваются, выделяемые на основе определенных критериев, различные типы гидрогеохимических эффектов, предшествующие сильным сейсмическим событиям полуострова Камчатка.

Фактический материал и личный вклад автора.

В диссертационной работе используются данные многолетних (1985 — 2006 гг.) непрерывных наблюдений за режимом подземных вод на сети самоизливающихся скважин, расположенных в окрестности г. Петропавловска-Камчатского. Данные наблюдений получены сотрудниками Лаборатории гидросейсмологии КФ ГС РАН под руководством Ю. М. Хаткевича. Кроме этого, в работе используются данные регионального и оперативного каталога землетрясений Камчатки КФ ГС РАН.

С момента зачисления в штат сотрудников КФ ГС РАН в 1996 г. автор диссертации принимал непосредственное участие в режимных гидрогеологических наблюдениях на сети самоизливающихся скважин и источников, выполнял обработку данных, участвовал в подготовке научно-технических отчетов и публикаций.

Методы исследования.

В диссертационной работе используются, главным образом, два общенаучных метода исследования: абстрактно-логический и статистико-вероятностный. Абстрактно-логический метод, с применением таких его инструментов как анализ и синтез, аналогия и формальная логика, используется в задачах морфологической типизации предвестниковых гидрогеохимических эффектов и интерпретации механизмов их образования. Статистико-вероятностный метод используется в задачах анализа предвестниковых гидрогеохимических эффектов. Кроме этого, в задаче обработки временных рядов данных гидрогеохимических наблюдений используется специальный метод исследования — метод фликкер-шумовой спектроскопии, разработанный С. Ф. Тимашевым (Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л. Я. Карпова, г. Москва).

Научная новизна и практическая значимость работы.

Научная новизна представленной диссертационной работы заключается, прежде всего, в самом подходе к анализу предвестниковых гидрогеохимических эффектов, по результатам которого проводится интерпретация механизмов их образования. В основе этого подхода лежит характер изменения перед землетрясением того или иного показателя гидрогеохимического режима, его морфологический тип. Данный подход не является самоочевидным, как это может показаться на первый взгляд. К примеру, механизм образования предвестниковых эффектов можно рассматривать с точки зрения генетических особенностей каждого конкретного показателя. В качестве другого примера можно привести работу [6], где за основу интерпретации механизма образования гидрогеохимических эффектов выступает изменение перед землетрясением различных свойств временных рядов: среднего значения, дисперсии, спектра колебаний. Столь пристальное внимание к форме предвестниковых вариаций в данной работе обусловлено тем, что характер изменения того или иного показателя накануне сильных землетрясений оказывается тем единственным, что достоверно известно как о самом процессе, если под ним подразумевать изменение напряженно-деформированного состояния среды, так и о состоянии системы «пластскважина», которое также может меняться со временем. Анализ характера изменения гидрогеохимических показателей перед землетрясениями позволил объединить их в две группы: медленные изменения длительностью 300 суток и более и быстрые изменения, длительность которых не превосходит первых десятков суток. Объединение всех предвестниковых гидрогеохимических эффектов в две группы предопределило их раздельный анализ. Анализ быстрых и медленных предвестниковых эффектов позволил обнаружить между ними существенные различия. Эти различия легли в основу интерпретации механизмов их формирования. Для медленных изменений гидрогеохимических показателей предложен деформационный механизм, для быстрых изменений — перколяционный механизм образования предвестников. Полученный результат позволяет ответить на важнейшие вопросы гидрогеологического мониторинга, а именно на вопрос о многообразии гидрогеохимических предвестниковых эффектов и на вопрос о тензочувствительности гидрогеохимических систем. Кроме этого, научную новизну и практическую значимость имеют некоторые промежуточные результаты. К ним, в первую очередь, относятся результаты анализа распределения вероятности времен экстремумов предвестниковых эффектов. Так, показано, что распределение времен экстремумов для всех выделенных типов вариаций подчиняется распределению вероятности Вейбулла. Оценка параметров распределения Вейбулла дала возможность определить наиболее вероятный промежуток времени между экстремумом предвестниковой аномалии и моментом сейсмического события. Этот результат может иметь большое практическое значение при оценке сейсмической опасности по данным наблюдений за гидрогеохимическим режимом подземных вод Камчатки. Важный практический результат получен и при оценке возможностей метода фликкер-шумовой спектроскопии применительно к задаче идентификации предвестниковых вариаций, что дает основание включить данный метод анализа в алгоритм оценки сейсмической опасности для г. Петропавловска — Камчатского и его окрестностей.

Защищаемые положения.

1. Разработана морфологическая типизация гидрогеохимических предвестников землетрясений. Выделены четыре основных типа изменения гидрогеохимических показателей перед сильными сейсмическими событиями полуострова Камчатка: бухтообразные, ступенчатые, импульсные и скачкообразные. Четыре типа предвестниковых гидрогеохимических изменений объединены в две группы: медленные (бухтообразные и ступенчатые) и быстрые (импульсные и скачкообразные). Показано, что медленные и быстрые изменения, в большинстве случаев имеют противоположенные знаки.

2. На основе морфологической типизации и анализа гидрогеохимических эффектов дана интерпретация механизмов формирования гидрогеохимических предвестников землетрясений Камчатки. Показано, что процессы формирования предвестниковых гидрогеохимических эффектов могут иметь деформационную и/или перколяционную природу. Рассмотрена проблема тензочувствительности гидрогеохимических систем.

3. На основе большой совокупности данных многолетних гидрогеологических наблюдений на Камчатке (1985 — 2006 гг.) дана оценка возможностей метода фликкер-шумовой спектроскопии, применительно к задаче идентификации предвестников сильных камчатских землетрясений.

Доклады на конференциях и совещаниях.

Результаты исследований, вошедшие в диссертационную работу, докладывались на конференциях и совещаниях: «Современный вулканизм Курило — Камчатской и Алеутско-Аляскинской островных дуг: вопросы вулканоопасности, цунамиопасности, магмообразования, землетрясений и геодинамикисравнительный анализ». ПетропавловскКамчатский, 1998; «Geophysical investigation of the active volcanoes: prognosis and mechanism of volcanic eruption». Kamchatka, 1998; «Геология и полезные ископаемые Камчатской области и Корякского автономного округа». Петропавловск — Камчатский, 1999; «Проблемы сейсмичности Дальнего Востока. Новая карта сейсмического районирования ОСР-97, её роль и значение для Петропавловска — Камчатского и области». Петропавловск — Камчатский, 1999; «Проблемы сейсмичности Дальнего Востока». Петропавловск-Камчатский, 2000; «Современный вулканизм: прогноз, динамика, и связанные с ним процессы в недрах Земли и окружающей среде». Петропавловск-Камчатский, 2001; «Геотермальные и минеральные ресурсы областей современного вулканизма». Петропавловск — Камчатский, 2005.

Структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Общий объем диссертации составляет 170 страниц. Диссертация содержит 56 рисунков и 7 таблиц.

Список литературы

включает 83 наименования.

Выводы.

Обобщая вышеизложенное, можно утверждать, что метод фликкер-шумовой спектроскопии является эффективным инструментом для идентификации гидрогеохимических предвестников землетрясений. Результаты анализа вариаций ПН, рассчитанного для основных показателей макрокомпонентного и газового состава подземных вод, показывают наличие в исходных временных рядах разномасштабных интервалов нестационарности, многие из которых ассоциируются во времени с наиболее значимыми сейсмическими событиями, произошедшими в период с 1985 по 2006 гг. Это является основанием для использования метода фликкер-шумовой спектроскопии в системе мониторинга сейсмической опасности юго-востока полуострова Камчатка.

Заключение

.

Как было представлено во введении к диссертационной работе, в качестве наиболее актуальных проблем в исследовании гидрогеохимических предвестников землетрясений рассматриваются: проблема морфологического многообразия предвестниковых эффектовпроблема механизмов образования предвестниковых эффектов и зависимость их от региональных и/или местных геолого-гидрогеологических условийпроблема тензочувствительности гидрогеохимических системпроблема объективной идентификации предвестниковых эффектов в сильно нестационарных временных рядах.

Данная диссертационная работа может рассматриваться как скромная попытка поиска путей решения затронутых проблем. Для этого, в качестве объекта исследования, использовался большой массив данных многолетних гидрогеохимических наблюдений, проводящихся в таком высокосейсмичном регионе как Камчатка. Непосредственным предметом исследований являлись разнообразные эффекты гидрогеохимического режима подземных вод, значимо проявляющиеся перед сильными сейсмическими событиями.

Первой задачей исследований являлась задача морфологической типизации предвестниковых гидрогеохимических эффектов, проводимая с той целью, чтобы свести все разнообразие предвестниковых вариаций к нескольким наиболее характерным типам. Решению этой задачи предшествовала процедура компенсации или минимизации различного рода помех в исследуемых временных рядах гидрогеохимических наблюдений. Отдельные части этой процедуры включали компенсацию длиннопериодных (более 1000 суток) трендов и сезонной составляющей, очищение временных рядов от одиночных случайных выбросов и подавление эффекта квантования.

Морфологическая типизация гидрогеохимических предвестниковых эффектов позволила выделить четыре наиболее характерных типа эффектов: бухтообразные, ступенчатые, импульсные и скачкообразные. Четыре типа предвестниковых эффектов удалось объединить в две группы, включающие в себя относительно медленные (бухтообразные и ступенчатые) и относительно быстрые (импульсные и скачкообразные) изменения. Важным обстоятельством явился тот факт, что наиболее распространенные формы предвестникового сигнала, а именно бухтообразная и импульсная формы, имели разные знаки. Бухтообразные вариации, в большинстве случаев, представляли собой медленное уменьшение перед землетрясением концентраций растворенного вещества и газа, импульсные формы, напротив, выглядели как резкое увеличение и такое же резкое восстановление значений наблюдаемых показателей. Столь существенное отличие быстрых импульсных вариаций от медленных бухтообразных позволило сделать предположение о различии в механизмах их образования. Кроме этого, при морфологической типизации обращено внимание на то, что последовательность проявления предвестниковых эффектов разного типа является уникальной для каждой отдельно взятой системы «пласт — скважина» .

Задача второго этапа исследований гидрогеохимических предвестников заключалась в статистическом анализе их параметров (времени предвестника, времени экстремума, амплитуды изменения), а также в оценке корреляции между этими параметрами и характеристиками ассоциируемых с ними сейсмических событий (энергетический класс, эпицентральное расстояние). Анализ проводился раздельно для быстрых импульсных и медленных бухтообразных предвестниковых эффектов, что отличало его от подобных исследований других авторов. Наиболее важные результаты были получены при анализе корреляции между характеристиками сейсмических событий и параметрами предвестниковых эффектов. В частности, оказалось, что значимые коэффициенты корреляции получены только для параметров бухтообразных аномалий макрокомпонентного состава воды, в то время как для параметров импульсных и скачкообразных эффектов ранговые коэффициенты корреляции оказались незначимыми. Важный, главным образом, с практической точки зрения результат получен при оценке функции плотности вероятности распределения времен экстремальных значений предвестниковых вариаций. Показано, что, независимо от типа предвестниковых эффектов, распределение времен экстремальных значений надежно описывается распределением Вейбулла, имеющего близкие параметры и в случае быстрых импульсных эффектов и в случае медленных бухтообразных вариаций. Оценка параметров распределения Вейбулла позволила определить наиболее вероятное время возникновения экстремума гидрогеохимических предвестниковых эффектов. Этот результат может использоваться для выдачи экспертных заключений о вероятном времени возникновения сильного сейсмического события.

На основании результатов морфологической типизации и анализа предвестниковых гидрогеохимических эффектов, а также с учетом проведенных ранее исследований, дана интерпретация механизмов формирования предвестниковых вариаций химического и газового состава воды наблюдательных скважин. Показано, что механизмы формирования медленных бухтообразных и ступенчатых эффектов, вероятнее всего, имеют деформационную природу и могут быть обусловлены либо преимущественно фильтрационными, либо преимущественно емкостными свойствами водонасыщенных горных пород. В качестве механизма образования быстрых импульсных и скачкообразных эффектов, по аналогии с гидрогеодинамическими предвестниками аномально большой амплитуды, предложена перколяционная модель, основанная на резком (скачкообразном) изменении проницаемости отдельных элементов водонасыщенных горных пород, находящихся на пороге протекания. Привлечение феноменологического аппарата теории перколяции для интерпретации механизма образования гидрогеохимических эффектов позволяет ответить на некоторые актуальные вопросы, возникающих при изучении гидрогеохимических предвестников землетрясений. Так, вопрос о многообразии предвестниковых эффектов легко решается, если допустить возможность совместного проявления деформационных и перколяционных механизмов. В этом случае, образование того или иного типа предвестников будет зависеть от относительного вклада деформационных или перколяционных процессов в изменение химического и газового состава воды на стадии подготовки землетрясения. При этом, может наблюдаться достаточно сложная картина, представляющая собой чередование, например, отрицательных бухтообразных и положительных импульсных эффектов для одной и той же системы «пласт — скважина». Чередование того или иного типа предвестниковых эффектов во временных рядах гидрогеохимических наблюдений может являться показателем состояния наблюдательной системы в данный момент времени, уровня ее тензочувствительности. К примеру, если в пределах зоны влияния скважины отсутствуют элементы, находящиеся на пороге протекании, то реакция системы «пласт — скважина» на изменение напряженно-деформированного состояния среды будет соответствовать длительности и величине деформаций. Если же один или несколько элементов системы находятся в состоянии близком к порогу перколяции, то при плавном изменении напряженно-деформированного состояния среды, реакция системы будет представлять собой скачкообразное или импульсное изменение. Перколяционные гидрогеохимические эффекты могут и не иметь связи с процессами подготовки землетрясений. Поскольку единственным условием перколяционного перехода является наличие в элементе среды критической концентрации проводящих включений, явление протекания с образованием гидрогеохимического эффекта может произойти и при любом другом воздействии на среду, к примеру, под воздействием приливных деформаций. Возможность возникновения гидрогеохимических эффектов, которые не ассоциируются с сильными землетрясениями, продемонстрирована на примере результатов обработки данных гидрогеохимических наблюдений методом фликкер-шумовой спектроскопии. Эти результаты показывают, что различного рода нерегулярности типа скачков, всплесков и т. д., могут обнаруживаться на временных интервалах, где сильные сейсмические события отсутствуют. Под нерегулярностями типа всплесков и скачков на соответствующем масштабном уровне подразумеваются именно быстрые скачкообразные и импульсные предвестниковые эффекты, механизм образования которых, как полагается в данной работе, имеет перколяционную природу. Возможность возникновения гидрогеохимических эффектов, которые не связаны непосредственно с процессами подготовки сейсмических событий, можно назвать одной из главных проблем прогноза землетрясений. В связи с этим, задача надежной идентификации подобного рода «ложных предвестников», основанная на понимании механизмов их образования и на представлениях об инициирующих такие изменения процессах, может рассматриваться как одна их актуальнейших задач дальнейших исследований.

Итоги диссертационной работы можно представить в виде следующих положений.

1. На основе большого массива данных гидрогеохимических наблюдений на Камчатке проведена морфологическая типизация предвестниковых эффектов. При этом впервые обращено внимание на существенные различия в продолжительности и характере изменения этих эффектов, что послужило отправной точкой ко всему последующему исследованию и легло в основу интерпретации механизмов их образования.

2. Проведен анализ предвестниковых гидрогеохимических эффектов, в результате которого впервые дана оценка закона распределения вероятности времен экстремумов, что имеет большое практическое значение для оценки сейсмической опасности по данным наблюдений за режимом подземных вод на Камчатке.

3. С учетом результатов морфологической типизации и анализа гидрогеохимических предвестников землетрясений дана интерпретация механизмов их формирования. Впервые рассмотрена проблема тензочувствительности гидрогеохимических систем.

4. Впервые, в большом объеме, представлены результаты применения метода фликкер-шумовой спектроскопии для идентификации предвестников землетрясений по данным наблюдений за гидрогазохимическим режимом подземных вод. Показано, что метод ФШС может занять достойную нишу в комплексе методов мониторинга сейсмической опасности юго-востока полуострова Камчатка.