ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2004, № 2, с. 66-81
УДК 550.34+553.065
ЛОКАЦИЯ ИСТОЧНИКОВ СЕЙСМИЧЕСКОГО ШУМА, СВЯЗАННОГО С ПРОЯВЛЕНИЕМ ГИДРОТЕРМАЛЬНОЙ АКТИВНОСТИ, МЕТОДОМ ЭМИССИОННОЙ ТОМОГРАФИИ
© 2004 г. Ю. А. Кугаенко, В. А. Салтыков, В. И. Синицын, В. Н. Чебров
Камчатская опытно-методическая сейсмологическая партия Геофизической службы РАН, г. Петропавловск-Камчатский Поступила в редакцию 18.07.2002 г.
Методом эмиссионной томографии проведено картирование источников эндогенного микросейсмического излучения на двух гидротермальных объектах Камчатки: Мутновском парогидротер-мальном месторождении и Начикинском месторождении термальных вод. При регистрации применена многоканальная сейсмическая антенна. Для реконструкции поля шумового излучения использовалась оценка меры подобия сейсмических сигналов: отношение энергии суммарного по всем датчикам группы сигнала к сумме энергий каждого датчика в отдельности, вычисляемое для каждой опрашиваемой точки под антенной. Пространственное положение выявленных аномалий сейсмического шума согласуется с данными о геометрии указанных гидротермальных систем, полем температур и распределением фазового состояния теплоносителя. При прохождении волн от удаленного землетрясения происходит перераспределение источников эмиссии в пространстве. Это подтверждает высокую чувствительность этого явления к внешним воздействиям. Полученные результаты свидетельствуют о практической реализуемости идей сейсмоэмиссионной томографии в районах гидротермальной активности и указывают на перспективность использования этого метода для картирования структурных неоднородностей, исследования поля разрушения и его мониторинга.
Ключевые слова: сейсмоэмиссионная томография, сейсмический шум, гидротермальные системы.
ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия в науках о Земле формируется новое направление исследований, которое определяют как сейсмологию микромасштаба, или сейсмологию сейсмических шумов. Оно основывается на концепции активной геофизической среды, ее нестабильности, нелинейности, открытости для энергообмена. Развитие новых представлений о среде и ее активности, выражающейся, в частности, в сейсмической эмиссии, позволило выделить новый самостоятельный канал геофизической информации - поле эндогенного микросейсмического излучения. Эндогенная составляющая сейсмического шума несет информацию о структуре и состоянии среды, о характере протекающих в ней процессов. Источники микросейсмического сигнала в высшей степени чувствительны к внешним воздействиям, в том числе геодеформационным процессам.
Методы, основанные на использовании естественной и наведенной сейсмической эмиссии для изучения земной коры, объединены общим названием "эмиссионная томография". Их эффективность и перспективность связаны в первую очередь со способностью геологических объектов к излучению микросейсмического шума. Сейсмоэмиссионная томография - одно из направлений, в кото-
ром осуществляется исследование эндогенных сейсмических шумов, направленное на выявление в среде локализованных источников сейсмического излучения. Она решает задачи, недоступные другим геофизическим методам исследования: это обнаружение в пространстве шумящих областей - "динамических неоднородностей", реконструкция поля разрушения среды.
Наиболее высокой эмиссионной активностью обладают зоны разломов, контакты блоков земной коры, области аномальной трещиноватости и раздробленности, магматические очаги. Она сопутствует геохимическим и геотермальным процессам. Мощным источником сейсмической эмиссии являются гидротермы. Повышенная эмиссионная активность отмечается на разработках нефти и газа, а также в зонах контакта рудных тел. Концентрация напряжений, предшествующих возникновению сильного землетрясения, вносит свой вклад в изменение свойств среды в объеме очага: обнаружено, что сейсмическая эмиссия пространственно тяготеет к очаговым зонам, наблюдается возрастание сейсмоэмиссионной активности в период подготовки землетрясения и ее спад после события. [Александров, Рыкунов 1992; Соболев, 1993; Салтыков и др., 1998] Систематический контроль поля эндогенного шума позволит следить за дина-
микой процессов, протекающих в среде, и осуществлять мониторинг вулканических областей, геотермальных резервуаров, зон подготовки землетрясений.
Имеется небольшой, но успешный опыт применения эмиссионной томографии [Николаев, 1986; Троицкий, 1987; Александров, Мирзоев, 1991; Александров, Рыкунов, 1992; Чеботарёва, 1997; Tchebotareva, 2000]. Первая крупная работа в этом направлении была выполнена в рамках Советско-Исландской геолого-геофизической экспедиции под руководством Л.Н. Рыкунова [Шубик и др., 1991]. Регистрация проводилась в 1988-1989 гг. на севере Исландии в неовулканической области, в зоне проявления высокой гидротермальной активности. Исследователи не располагали данными о конфигурации гидротермальной системы и были лишены возможности сопоставить с ними свои результаты.
Для дальнейшего развития идей и методов эмиссионной томографии необходимо проведение исследований в районах, где в рамках существующих представлений о среде должна присутствовать интенсивная эндогенная составляющая микросейсмического излучения, и о строении которых имеется независимая информация, полученная ранее другими методами. Высокая изученность ряда природных объектов Камчатки позволяет провести такие исследования, речь идет в первую очередь о молодых вулканических областях и гидротермальных системах. В данной статье представлены результаты работ по эмиссионной томографии на двух месторождениях термальных вод южной Камчатки, где локальная сейсмичность не наблюдается: Начикинском гидротермальном месторождении и Мутновском месторождении парогидротерм.
Микросейсмичность и сейсмическая эмиссия на гидротермальных месторождениях
Вопрос поиска, изучения и индустриального освоения гидротермальных систем становится все более актуальным на фоне топливно-энергетических проблем современного мира. Сейсмическая эмиссия, один из уровней единого сейсмического процесса, наряду с микросейсмичностью может применяться при исследовании этих объектов.
Месторождения гидротерм молодого и современного вулканизма чрезвычайно сложны. Обычно пористость толщ вмещающих пород мала, поэтому в большинстве случаев условия для локализации подземных вод имеются лишь в секущих эти структуры трещинных зонах. Источники тепла и горячих водных масс, обеспечивающих наблюдаемую интенсивность теплопотерь в течение продолжительного времени, связываются с внедрением в водоносные слои глубинного тепло-
носителя - магмы или надкритического флюида [Аверьев, 1966].
Наряду с традиционным набором методов (сейсморазведка, магнитная и гравиметрическая съемка, электрозондирование и измерение теллурических токов, тепловая и инфракрасная съемка, термометрия приповерхностного слоя) для исследования гидротермальных месторождений используются и сейсмические шумы [Douse, Sorrells, 1972; Iyer, Hitchcock, 1974; 1976; Douse, Laster, 1979]. Такие наблюдения проводились, в частности, на крупных высокотемпературных месторождениях Калифорнии, Невады, Юты, в Иеллоус-тонском национальном парке. Предполагалось, что случайные флуктуации давления в гидротермальном резервуаре порождают сейсмический шум, регистрируемый на поверхности. Исследовались сигналы в диапазоне частот 0.5-10 Гц. Работы были направлены на построение поверхностного распределения интенсивности шума на территории месторождений и изучение спектров сигналов. Попыток локализации глубинных источников сигнала и применения для этого какой-либо специальной техники расчетов не предпринималось, несмотря на большое количество регистрирующих станций.
На Камчатке рекогносцировочные сейсмические работы с целью обнаружения микроколебаний гидротермального происхождения проводились в 1971 году на Больше-Банном месторождении термальных вод [Фирстов, Широков, 1972] и на Мутновском месторождении парогидротерм [Гордеев и др., 1979]. Практически все выявленные зоны максимального уровня сигнала приурочены к поверхностным термопроявлениям.
Таким образом, опробование методики исследования сейсмических шумов для гидротермальной разведки не принесло желаемых результатов: изучение только поверхностного распределения интенсивности сейсмических шумов не несет информации о глубинных особенностях строения месторождения, а связано в основном с поверхностными термопроявлениями либо с активностью незначительного приповерхностного слоя, в то время как основной целью проведенных работ были данные о строении подземной системы гейзеров и выделение продуктивных площадей геотермальных зон.
Микроземлетрясения наблюдаются на большинстве крупнейших гидротермальных систем Земного шара, и наибольшая сейсмоактивность в одних и тех же регионах характерна для площадей с наибольшей тепловой активностью [Ward, 1972]. Подавляющее число землетрясений гидротермальных систем характеризуется магнитудой до 4.5 и глубиной проявления очагов до 6, редко до 13 км. Однако не все гидротермальные системы, использующие тектонические нарушения различных
порядков в качестве водоносных структур, сейсмоактивны.
Микросейсмичность может являться индикатором смены режимов месторождений, связанной с глубинными механизмами их деятельности. Особый интерес возникает к микросейсмическим явлениям, инициируемым в результате эксплуатации месторождений. Они позволяют получить информацию о конфигурации гидротермальных систем и используются для мониторинга. Обычно указывают три основных фактора, ответственных за появление землетрясения при вскрытии скважинами водоносного пласта [Барабанов, 1994]. Это:
- изменение эффективных напряжений в скелете горной породы за счет изменения порового или трещинного давления жидкости,
- изменение коэфициента трения вдоль трещин сдвига, ориентированных в соответствии с региональным полем напряжений,
- формирование зародышей трещин за счет быстрых геохимических реакций типа гидратация-дегидратация на контакте твердая фаза -жидкость, а также температурных деформаций.
Результаты сопоставления временного режима техногенной сейсмичности с темпами э
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.