ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2013, том 448, № 5, с. 583-587
= ГЕОФИЗИКА
УДК 550.348+551.1
О ВЗАИМОСВЯЗИ СЕЙСМИЧНОСТИ И ФИЛЬТРАЦИОННОГО ПОЛЯ ЗЕМНОЙ КОРЫ © 2013 г. И. Г. Киссин
Представлено академиком В.Н. Страховым 13.06.2012 г. Поступило 18.08.2012 г.
БО1: 10.7868/80869565213050186
В начальный период исследований по прогнозу землетрясений роль воды в сейсмических процессах и, в частности, влияние эффекта Ребиндера, рассматривались лишь в общем виде [1]. В настоящее время участие флюидов в развитии очагов землетрясений подтверждено многочисленными экспериментальными и натурными данными. В сообщении рассматриваются источники флюидов и возможности их поступления в зону подготовки сейсмических очагов, а также влияние развивающихся очагов на пути фильтрации флюидов. Воздействие флюидов на сейсмичность определяется несколькими факторами. К их числу относятся: зависимость касательных напряжений на плоскости разрыва в очаге землетрясения от давления флюида согласно закону Мора—Кулона; реологические условия при формировании очага; влияние эффекта Ребиндера на развитие трещин и другие.
Совершенно очевидно, что обсуждение влиянии флюидов приобретает смысл только при их наличии в сейсмоактивных зонах. Однако в сейсмологической литературе не затрагивается вопрос о флюидонасыщенности или отсутствии воды в местах формирования очагов землетрясений. Исключение составляют лишь работы по наведенным землетрясениям, связанным с нарушением водного режима (например, [2]). В исследованиях механизма землетрясений начиная от дила-тантно-дифузионной модели [3] и до работ наших дней флюиды обычно считают некоей субстанцией, которая всегда присутствует и может принять участие в процессе подготовки очага. Это не так, и подготовка землетрясения, разрядка накопившихся напряжений, происходят по-разному в зависимости от наличия флюидов, степени флюи-донасыщенности среды, а также возможности выделения воды при подготовке очага.
Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской Академии наук, Москва
Очаги землетрясений, зародившиеся в безводной среде, в дальнейшем могут развиваться с участием флюидов, поступивших по трещинам из ближайших флюидонасыщенных зон либо выделившихся вследствие метаморфической дегидратации пород при подвижке во время образования разрыва, под действием фрикционного тепла. По-видимому, при дальнейшем изучении развития деформации можно будет выделить очаги, образовавшиеся с участием флюидов и без них. Процессы метаморфизма, широко распространенные в земной коре, не только сопровождаются выделением или поглощением флюида [4], но и вызывают объемные эффекты, изменяют поле напряжений и могут служить источником сейсмических явлений. На этой основе была предложена метаморфогенная модель очагов землетрясений [5].
Проницаемость земной коры, по экспериментальным данным [6], снижается с глубиной от 6.2 • 10-16 ± 15 м2 у поверхности Земли до 8.6 х х 10~21 ±19 м2 в основании коры. Но это усредненные значения, которые не учитывают фильтрационную неоднородность коры. По содержанию флюидов в земной коре четко выделяют две части — осадочную и кристаллическую толщи. Водонасыщенность осадочных пород, в общем, убывает с глубиной, хотя нередки случаи ее инверсии. Сейсмическая активность встречается лишь в нижних частях достаточно мощной осадочной толщи, где порово-тре-щинные воды часто находятся под сверхгидростатическим, иногда близким к литостатическому, давлением, что повышает их роль в развитии очагов землетрясений.
Консолидированная кора, представленная кристаллическими породами, к которой относится основная часть очагов землетрясений, также неоднородна по содержанию флюидов. В ней выделены по характеру порово-трещинного пространства и фильтрационным показателям три типа пород: с повышенными значениями емкости пор и трещин, а также проницаемости; со сравнительно
НЕ
: Об
Рис. 1. Положение очагов землетрясений в фильтрационном поле консолидированной коры. 1 — массивы слабопроницаемые, практически сухие; 2—5 — флюидонасыщенные тела; 2 — субгоризонтальные зоны; 3 — субвертикальные и наклонные разломы (крестики — участки с изменением проницаемости); 4 — субвертикальные зоны концентрации очагов; 5 — зоны рассеянных скоплений флюидов; 6 — очаги землетрясений (пояснения в тексте).
малой емкостью связанных каналов (порядка десятых долей процента); с очень низкой пористостью и трещиноватостью, практически непроницаемые породы [7]. К первому типу относятся зоны разломов, ко второму — блоки и слои флюидонасыщенных пород, к третьему — массивы плотных пород. Подобная градация четко выделяется на геофизических разрезах по скоростным и электрическим характеристикам. В соответствии с последними выделены флюидные системы консолидированной коры: субгоризонтальные (приуроченные к волноводам и электропроводящим слоям), субвертикальные и наклонные (разломы), а также зоны с рассеянными скоплениями флюидов (отражающие участки) (рис. 1).
Указанная схема характеризует флюидную и фильтрационную неоднородности консолидированной коры. За пределами флюидных систем плотные породы практически не содержат свободной воды. Однако в консолидированной коре имеются породы, в минеральном составе которых содержится связанная вода. Подвергаясь метаморфической дегидратации, такие породы выделяют свободную воду. Таким образом, в консолидированной коре выделяются зоны, в которых свободная вода присутствует в порах и трещинах пород, массивы, в которых связанная вода может высвобождаться при метаморфической дегидратации, и массивы практически безводных пород. В зависимости от наличия или выделения флюидов находятся реология коры и характер ее деформаций, в том числе при подготовке и в результате землетрясений.
Распределение сейсмичности в земной коре указывает на то, что очаги землетрясений концентрируются преимущественно в верхних частях слоев, содержащих флюиды, или над их кровлей.
Именно так располагается большая часть очагов относительно субгоризонтальных флюидных систем (см. рис. 1). Это установлено для Байкальской рифтовой зоны, Северного Тянь-Шаня и некоторых других регионов [8]. Можно полагать, что приуроченность наиболее сейсмоактивных горизонтов земной коры к глубинам 10—25 км в какой-то степени определяется тем, что в этом интервале глубин чаще всего расположена кровля субгоризонтальных флюидных систем.
Еще одним фактом, подтверждающим роль флюидов в подготовке и развитии очагов землетрясений, служит субвертикальное расположение очагов и афтершоков в некоторых регионах [9]. Авторы этой статьи обратили внимание на столбообразные структуры сейсмогенных зон, к которым относится ряд сильных землетрясений — Дагестанского, Алтайского, Нефтегорского, Вранчских и др. Такие "гнездовые" скопления очагов не находятся в соответствии с тектоническими структурами, а, вероятно, связаны с восходящими потоками флюидов из низов коры или верхней мантии, что соответствует современным представлениям.
Изложенные данные указывают на существенную флюидную неоднородность консолидированной коры, которая обусловлена структурой фильтрационного поля коры и составом слагающих кору пород, содержащих связанную воду, и безводных. На современных или древних континентальных окраинах такая неоднородность усложняется за счет флюидосодержащих слоев, погруженных на глубину в зонах субдукции.
Дилатансия и развитие трещиноватости, сопровождающие сейсмические деформации, способствуют появлению новых фильтрационных путей и усиливают миграцию флюидов. К сейсмоактивным
О ВЗАИМОСВЯЗИ СЕЙСМИЧНОСТИ И ФИЛЬТРАЦИОННОГО ПОЛЯ
H, м
585
100 90 80 70 60 50
20
0
(а)
6 р
5 к
07.09.1987 г. M = 5.4, R = 70 км
1 гс 5 к
1
1984 1985 1986 1987 1988 1989 г.
H, м
10 11 12
13
14
15
16
17
18
19
20 21 22
23
24
25
26
(б)
M = 5.7 5.1 5.6
VIII
1990 г.
Рис. 2. Высокие и сверхвысокие амплитуды предвестников землетрясений при подвижке блоков в зоне Главного Ко-петдагского разлома (Туркмения). а — изменения уровня подземных вод (абс. отм.) в районе Казанджика, б — изменения глубины уровня по скважине 2 г в районе Ашхабада на расстояниях от эпицентров 90—220 км.
областям приурочены многие месторождения минеральных и термальных вод. В результате землетрясений увеличивается проницаемость земной коры, что вследствие обратной связи способствует дальнейшему развитию сейсмичности. Вероятно, это обстоятельство играет определенную роль в распространении афтершоков и их значительном преобладании по сравнению с форшоками землетрясений.
Приведенные данные указывают на существенную дифференциацию сейсмогенных зон по степени их флюидонасыщенности, возможности поступления или генерации флюидов при развитии очагов землетрясений. По этому признаку выделены следующие типы очагов землетрясений (см. рис. 1): I — в пределах флюидных резервуаров или по соседству с ними; II — множественные скопления очагов на субвертикальных путях миграции глубинных флюидов; III — с притоком воды при метаморфической дегидратации пород в зоне разрыва; IV — с притоком воды по путям фильтрации при подготовке очага; V — очаги в безводных породах.
Если влияние землетрясений на распространение фильтрационных путей в земной коре достаточно известно, то изменения фильтрационного поля при подготовке сейсмических событий до сих пор не привлекали внимания. Между тем этот фактор может иметь существенное значение при определении роли флюидов в механизме землетрясений и процессах их подготовки. При изучении предвестников землетрясений автором получены многочисленные данные об изменениях фильтрационного поля в период подготовки зем-
летрясений средней и большой магнитуды. Рассмотрим некоторые факты.
Подобные эффекты выявлены при многолетних наблюдениях за гидрогеодинамическими предвестниками, которые проводились в зоне Главного Ко-петдагского разлома (Туркменистан). Так, на Ка-занджикском участке по скважине, пересекающей этот разлом, зафиксированы предвестники двух землетрясений на расстояниях 220 и 70 км (рис. 2а). Перед вторым отмечено уникальное по амплитуде снижение уровня воды на 57 м [10]. Интересно, что такое снижение зафиксировано только
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.