ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2015, № 1, с. 73-82
УДК 556.332.52:551.466.7
ОТКЛИК ФЛЮИДОНАСЫЩЕННЫХ КОЛЛЕКТОРОВ НА ЛУННО-СОЛНЕЧНЫЕ ПРИЛИВЫ. ЧАСТЬ 1. ФОНОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПРИЛИВНЫХ КОМПОНЕНТ В СМЕЩЕНИИ ГРУНТА И УРОВНЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
© 2015 г. А. Н. Беседина1, Е. А. Виноградов1, Э. М. Горбунова1, Н. В. Кабыченко1, И. С. Свинцов1, П. И. Пигулевский2, В. К. Свистун3, С. В. Щербина2
Институт динамики геосфер РАН, г. Москва 2Институт геофизики Национальной академии наук Украины, г. Киев 3Днепропетровская геофизическая экспедиция "Днепрогеофизика", г. Днепропетровск
E-mail: emgorbunova@bk.ru Поступила в редакцию 16.09.2013 г.
В первой части данной работы исследован отклик разновозрастных структур на лунно-солнечные приливы, которые могут рассматриваться в качестве зондирующего сигнала для мониторинга состояния флюидонасыщенных коллекторов. Для выделения приливов из гидрогеологических, барометрических и сейсмических рядов применен комплексный подход к обработке данных, полученных на полигонах Института динамики геосфер РАН, Института геофизики НАН Украины и станции KIEV сейсмической сети IRIS. Выполнен сравнительный анализ экспериментальных и теоретических значений суточных и полусуточных приливных компонент в смещении грунта. Вариации приливов в уровне подземных вод сопоставлены с приливными компонентами, прослеженными в смещении грунта разновозрастных структур Московского и Украинского массивов, входящих в состав Восточно-Европейской артезианской области. Различие в откликах на приливы в уровне подземных вод и смещении грунта, вероятно, свидетельствует о влиянии дополнительных факторов на состояние массива, связанных, в частности, с прохождением сейсмических волн от землетрясений и изменением гидрогеодинамической обстановки.
DOI: 10.7868/S0002333715010032
ВВЕДЕНИЕ
Прецизионный мониторинг подземных вод развит преимущественно в сейсмоактивных регионах и направлен на анализ сейсмотектонической обстановки. Результаты гидросейсмологических исследований за рубежом представлены в многочисленных публикациях [Cooper, 1965; Igarashi, Wakita, 1991; Matsumoto, 1992; Roeloffs, 1998; King et al., 1999; Chia et al., 2002; Brodsky et al., 2003; Elkhoury et al., 2006; Doan, Cornett, 2007; Manga, Wang, 2007; Wang, Chia, 2008; Wang et al., 2009; Xue et al., 2013].
В России стационарная сеть высокоточных гидрогеологических наблюдений развернута Камчатским филиалом Геофизической службы РАН с 1996 г. для поиска гидрогеологических предвестников землетрясений на Дальнем Востоке [Копылова и др., 2012]. ВСЕГИНГЕО и ФГУГП "Гидроспец-геология" выполняют научно-методические исследования по изучению закономерностей формирования гидрогеодеформационного поля с использованием в основном стандартных методов с частотой замеров от 1 часа и более [Куликов, Во-лейшо, 2005; Святовец и др., 2008].
В пределах Восточно-Европейской платформы (ВЕП) прецизионные наблюдения за вариациями уровня подземных вод и атмосферного давления проводились ИФЗ РАН эпизодически — на северо-западе г. Москвы, в Московской области (пос. Зеленый) в 1991—1994 гг. и Калужской области (г. Обнинск) в 1987—1988 гг. [Багмет и др., 1989; Любушин и др., 1997]. Данные синхронных измерений атмосферного давления и уровня подземных вод использовались для расчета барометрической эффективности, амплитудно-частотных параметров выделенных гармоник приливных волн и фильтрационных характеристик водовме-щающих пород.
С февраля 2008 г. по настоящее время Институтом динамики геосфер РАН (ИДГ РАН) организован высокоточный мониторинг алексин-ско-протвинского водоносного горизонта на территории геофизической обсерватории ИДГ РАН "Михнево" (ГФО "Михнево"). Основная направленность исследований — диагностика состояния массива по реакции флюидонасыщенного коллектора на лунно-солнечные приливы [Кочарян и др., 2008].
Таблица 1.
Характеристика станций MHV KIEV
Тип сейсмометра STS-2 STS-1
Чувствительность, В/с/м 1500 2400
Угловая частота, Гц 0.00833 0.0028
С1973 года в Крымском сейсмоактивном регионе выполняется комплекс работ по изучению предвестников землетрясений. Закономерности проявления гидрогеодеформационного поля рассматриваются по 12 скважинам стандартными методами с частотой замеров от 1 часа до суток [Швырло и др., 2003]. В асейсмичных регионах Украины прецизионное изучение режима подземных вод начато Днепропетровской геофизической экспедицией "Днепрогеофизика" (ДГЭ). В 2007 г. высокоточные датчики были установлены в наблюдательных скважинах на производственной базе вблизи г. Днепропетровск, п.г.т. Михайловка Запорожской области и на полигоне Института геофизики НАН Украины (ИГ НАНУ) в г. Кривой Рог. Исследование приливов в режиме подземных вод Украинского массива до настоящего времени не проводилось.
В последние годы для восточной части Украинского щита и центральной части Русской плиты сформированы представительные базы гидрогеологических данных, которые использованы для изучения реакции флюидонасыщенных коллекторов на лунно-солнечные приливы [Горбунова и др., 2009; Виноградов и др., 2011а] и удаленные сейсмические события [Виноградов и др., 2011б; Пигулевский, Свистун, 2011а; 2011б]. Апробация методов прецизионных гидрогеологических наблюдений в условиях ВЕП — относительно спокойного региона — способствовала получению качественно новой информации по вариациям уровня подземных коллекторов, связанных с прохождением сейсмических волн [Кочарян и др., 2011].
1. МЕТОДИКА РАБОТ
Экспериментальные скважины, пробуренные на территории научно-исследовательских полигонов, оборудованы на разновозрастные водоносные горизонты автономными прецизионными датчиками. В настоящее время на полигоне ИГ НАНУ используется погружной прецизионный датчик уровня подземных вод — МШЭгуег-Ю (производство Голландия), для наблюдения за атмосферным давлением — ВагоЭгуег с периодом регистрации 5 минут. Чувствительность датчиков при записи уровня воды — 0.1 см, атмосферного давления — 1 мм рт.ст. На территории ГФО "Михнево" в экспериментальной скважине установлен
погружной прецизионный датчик уровня LMP308Í (производство Германия) с разрешением 0.1 мм и периодом опроса 1 с, на поверхности размещена цифровая метеостанция (VOntage Pro-2).
Для выделения приливов в сейсмических рядах привлечены данные станций KIEV и MHV, расположенных соответственно вблизи г. Киев и на территории ГФО "Михнево" (табл. 1).
Результаты синхронных прецизионных наблюдений за режимом подземных вод, метео- и сейсмическими параметрами систематизированы в единую базу данных по опорным пунктам наблюдений, расположенным на полигонах ИГ НАНУ и ИДГ РАН. Первичная обработка экспериментальных данных выполнялась по методике, разработанной в ИДГ РАН, позволяющей проводить фильтрацию сигнала в низко- и высокочастотном диапазонах, выделять полезные сигналы — приливы в сейсмических и гидрогеологических рядах, очищенные от длиннопериодного тренда и влияния атмосферного давления [Горбунова и др., 2009].
По децимированным исходным данным атмосферного давления, уровня воды и скорости смещения грунта для полигонов ИГ НАНУ за период с 01.11.2010 г. по 31.05.2011 г. и ИДГ РАН за период с 21.12.2010 г. по 31.05.2011 г. были построены амплитудные спектры. Новая частота дискретизации составила 1/300 Гц. Для определения смещения грунта по вертикальной компоненте в приливных волнах использовалась методика, учитывающая также и гравитационные свойства инерционной массы сейсмометра, которая позволила повысить чувствительность датчика в области периодов приливных волн [Кабыченко и др., 2011]. Теоретический расчет смещения и деформации грунта в приливных волнах по вертикальной компоненте флюидонасыщенного коллектора применительно к координатам сейсмических станций KIEV и MHV выполнен с использованием программного пакета ETERNA 3.0 [Wenzel, 1994].
Сопоставление огибающих приливов, выделенных по экспериментальным и расчетным данным в смещении грунта, направлено на обнаружение информативных участков, подтверждающих наличие линейной зависимости между упругой деформацией водовмещающих пород и гидрогеологическим откликом. На основе сравнительного анализа амплитуд суточных и полусуточных приливов, прослеженных в уровне подземных вод и смещении грунта по вертикальной компоненте, рассчитан амплитудный фактор для разновозрастных структур. Интервалы с искажением формы экспериментальной огибающей приливов относительно теоретической необходимо исключать при оценке фазового сдвига и проницаемости флюи-донасыщенных коллекторов.
700 680 660 640 620 600
см
см
]_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_I_
120 100 80 60 40 20
СЧ СЧ со го го
го т 12
7
0
24571
сч о о
ГО чо
12
ч ч ч
оо о
^
сч'
сч о
Рис. 1. Режим подземных вод на полигонах ИГ НАНУ (темная линия) и ИДГ РАН (светлая линия). Шаг по времени 5 мин, по оси ординат — уровень подземных вод, соответствующий высоте столба воды над датчиком).
2. ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКАЯ ОБСТАНОВКА ПУНКТОВ НАБЛЮДЕНИЙ
На территории расположения ГФО "Михнево" подземные воды получают преимущественное развитие в пределах осадочного чехла, приуроченного к южной окраине Московской синеклизы. Водовмещающие породы представлены известняками неравномерно трещиноватыми с подчиненными прослоями глин, мергеля и доломитов и относятся к коллекторам трещинно-порового типа. В наблюдательных скважинах в интервалах 25.8—26.5 м и 46—56.6 м вскрыт безнапорный каширский водоносный горизонт в лопасненской и нарской толщах среднего карбона, в интервале 92—115 м — напорный алексинско-протвинский водоносный горизонт нижнего карбона. Прецизионные наблюдения с 2008 г. проводятся за нижним горизонтом [Горбунова и др., 2009].
Полигон ИГ НАНУ вблизи г. Кривой Рог расположен в пределах Украинского кристаллического щита, представляющего собой выступ докем-брийского фундамента на юге ВЕП. В наблюдательной скважине № 14431 глубиной 815 м вблизи г. Кривой Рог пройдены метаморфизованные породы архея Криворожско-Кременчугской шовной зоны (ККШЗ), которые относятся к коллекторам трещинного типа. Статический уровень залегает на 106 м.
Режим подземных вод ВЕП подвержен
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.