научная статья по теме ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ – НОВАЯ РАЗНОВИДНОСТЬ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Математика

Текст научной статьи на тему «ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ – НОВАЯ РАЗНОВИДНОСТЬ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2014, том 459, № 2, с. 232-236

= ГЕОФИЗИКА

УДК 550.343+551.1

ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ - НОВАЯ РАЗНОВИДНОСТЬ ПРЕДВЕСТНИКОВ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ © 2014 г. И. Г. Киссин

Представлено академиком В.И. Осиповым 08.01.2014 г. Поступило 10.02.2014 г.

БО1: 10.7868/80869565214320152

Ранее было установлено, что отдаленные, часто высокоамплитудные, предвестники обусловлены подвижками блоков и деформациями в зонах разломов при подготовке некоторых сильных землетрясений [1, 2]. Многие наблюдения указывают на связь сейсмичности и фильтрационного поля земной коры [3]. Дополнительными исследованиями выявлены некоторые свойства фильтрационных эффектов, что позволяет рассматривать их как единую группу предвестников землетрясений, до сих пор не привлекавшую внимания.

Динамике геофизической среды посвящены довольно многочисленные работы, однако условия деформирования блоков и межблочных промежутков в результате сильных землетрясений и особенно при их подготовке остаются мало изученными. Данные о таких подвижках базируются на деформографических и геодезических измерениях — наземных и спутниковых (система GPS). Считают, что чувствительность последних для достаточно быстрых деформаций, развивающихся в течение дней и недель, не хуже 1—2 мм.

Перемещения блоков неизбежно сопровождаются изменениями фильтрационного поля, которые фиксируются по наблюдениям флюидного режима данной территории. Таким образом, этот режим может служить показателем межблоковых подвижек. Ламинарное течение жидкости в трещине определяется уравнением Буссинеска [4], в соответствии с которым средняя скорость течения в плоской щели

2

v = gm I

12s '

где m — толщина щели, s — коэффициент кинематической вязкости жидкости, I — градиент напо-

Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской Академии наук, Москва

ра. Согласно Е.С. Ромму [5], коэффициент проницаемости трещиноватой среды

к = Лит2,

где А — коэффициент, зависящий от ориентации трещин, п — трещиноватость. Поскольку скорость течения флюида и проницаемость трещиноватой среды находятся в квадратичной зависимости от степени раскрытия трещин, становится понятным, почему предвестники землетрясений, прежде всего, по флюидным и электромагнитным показателям, связанным с фильтрацией флюидов, нередко фиксируются со значительными амплитудами. Вместе с тем изменения толщины и степени раскрытости межблоковых промежутков (разломов) далеко не всегда доступны наблюдениям, а известные амплитуды таких изменений обычно невелики.

В табл. 1 представлены данные о сильных землетрясениях с магнитудой М от 4.7 и выше, флюидные предвестники которых образовались при изменениях фильтрационного поля. Некоторые из этих данных упоминались нами ранее, но они требуют рассмотрения с новых позиций. Проницаемость трещин при их раскрытии или закрытии сильно изменяется, что влияет на динамику флюидов, условия связи и миграции между различными зонами и, как следствие, вызывает эффекты по дебиту, давлениям, составу и температуре флюидов (рис. 1). Можно утверждать, что изменения проницаемости служат главной причиной этих эффектов, значит, и соответствующих типов флюидных предвестников.

Флюидные предвестники, связанные с изменением фильтрационного поля при подготовке землетрясений, имеют ряд особенностей.

1. Известно, что фильтрационное поле земной коры существенно изменяется в результате землетрясений. Теперь стало ясно, что к этим изменениям приводят и процессы подготовки очагов, причем на значительных расстояниях Я от назревающего очага (до 1000 км и даже более). Фильтрационные предвестники, среди которых выде-

ФИЛЬТРАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ

233

Таблица 1. Некоторые сильные землетрясения, у которых предвестники обусловлены изменениями фильтрационного поля

Землетрясения Флюидные предвестники

Амплитуда А, время

Место Дата М Время Я, км наступления экстремума уровня Н, дебита Q и температуры Т, повышение (+) и понижение (—) Примечания, ссылки

Узбекистан, Газлийские 08.04.1976 г., 7.0 39 сут 560 Н = -2.3 м, 6.8 сут М.Р. Миль-

землетрясения 17.05.1976 г. 7.3 40 сут 560 Н = -8.4 м, 28 сут кис, 1983 г.

Киргизия, Алайское 02.11.1978 г. 6.8 35 сут 180 Прекращение самоизлива [12]

землетрясение с Q = 12 л/с и снижение уровня воды, 30 сут

Таджикистан, Джирга- 26.10.1984 г. 6.4 2 сут 180 Н = +8.3 м, 2 сут [13]

тальское землетрясение

Иран, Копетдаг 26.12.1986 г. 5.0 37 сут 220 Н = -8.6 м, 15 сут [7]

Туркмения, Копетдаг 07.09.1987 г. 5.4 7 мес 70 Н = -57 м, 7 мес [7]

Иран, Копетдаг 16.08.1988 г. 4.7 1 сут 200 Н = -11.4 м, 1 сут Рой землетрясений

Иран, Копетдаг 18.08.1990 г. 5.7 19 сут 220 Н = -13.5 м, 1.5 сут [2]

30.08.1990 г. 5.1 31 сут 90

09.09.1990 г. 5.6 40 сут 90

Китай, Таншаньское 28.07.1976 г. 7.8 73 сут 12 Н > +10 м, 5 сут Излив воды

землетрясение 6 сут 240 Н « +20 м, 6 сут Излив нефти

68 сут 200 Т = 5.2°С, 1 сут Снижение

10 сут 200 Т = 5.4°С, 3 сут температуры воды [14]

Турция, Измитское 17.08.1999 г. 7.4 155 сут 1380 Увеличение дебита само- [15]

землетрясение излива на 1.3 л/с, 155 сут

лена группа высокоамплитудных и отдаленных от будущего эпицентра эффектов, включенных в табл. 1, приурочены к разломам, проницаемость которых изменялась перед сильными (М > 6) и умеренной силы (М = 5—6) землетрясениями. Как уже отмечалось, такие изменения зависят от подвижности систем блоков, раскрытия или закрытия разломов. Часть эффектов принадлежит Главному Копетдагскому разлому, который разделяет Копетдагский мегантиклинорий и Туранскую плиту. В зоне этого разлома, где мониторинг проводится в течение нескольких десятилетий, помимо перечисленных наблюдался ряд флюидных предвестников с небольшими амплитудами [6].

2. Как показано на рис. 2, перемещения блоков и изменения проницаемости разломов перед землетрясениями развиваются очень неравномерно. Многие наблюдения свидетельствуют, что отдаленные от развивающегося очага на расстоянии Я3 фильтрационные эффекты по амплитуде значительно превышают более близкие (Я1 и Я2), которые вообще могут отсутствовать [1, 2]. Соотношения между параметрами землетрясений и флюидных предвестников, указанными в табл. 1

(М — А, М - Я, Я - А), определяются положением фильтрующих разломов, характеристиками этих разломов и флюидных систем, а также их реакцией на подготовку землетрясений. Для фильтрационных эффектов характерна значительная нелинейность, и они плохо подчиняются тем, преимущественно линейным, зависимостям предвестников, которые еще часто используются в прогнозных исследованиях.

3. Развитие фильтрационных эффектов-предвестников происходит сравнительно быстро (сутки, недели, реже месяцы). Их активная фаза (переход к экстремуму показателя) может быть импульсной, кратковременной и замедленной (рис. 3). Длительность этой фазы по эффектам, приведенным в табл. 1, для импульсных и кратковременных эффектов от 1 до 15 сут, а замедленное развитие эффекта продолжалось в течение 1—7 мес. Большая часть кратковременных эффектов развивалась быстро — в период не более 7 сут. Это значит, что при подготовке землетрясений происходили быстрые подвижки блоков и соответствующие деформации в разломах. Общая продолжительность фильтрационных эффектов зависит от

к1

,,,//// / ' ' '

(1) Ж1, Р1, С1, Т1

///////// у

(2) Ж2, Ръ С2, Т2

/7"

Я2

Яз

— Я

ч 1 2

Рис. 2. Схема изменений межблоковых контактов и их проницаемости при подготовке сильного землетрясения; 1 — очаг землетрясения; 2 — межблоковые контакты (разломы) с разной степенью подвижности; 3 — изменения проницаемости разных разломов, определяющие характер фильтрационных предвестников; Я1, Я2, Яз — эпицентральные расстояния.

Рис. 1. Схема взаимосвязи флюидонасыщенных зон, разделенных разломом, при изменении его проницаемости; 1 — флюидонасыщенные зоны (1) и (2), их показатели к, Ж, Р, С, Т — соответственно пьезометрический уровень и водопроводимость зоны, давление, химический состав и температура флюида; 2 — разлом; 3 — скважина; 4 — поток флюида; к2 > ку > к1, где ку — пьезометрический уровень по скважине в разломе. На схеме показано увеличение проницаемости разлома. При этом изменяются все показатели флюидов в разломе.

характера изменений напряженно-деформированного состояния и проницаемости разломов, среди эффектов встречаются длительные и даже необратимые изменения.

4. При подготовке землетрясений и сопутствующих деформациях разломов проницаемость трещин, как отмечалось, изменяется в квадратичной зависимости от деформаций, что часто определяет существенные изменения показателей флюидов. В зависимости от структуры разлома, его коллекторских свойств и фильтрационной связи с соседними блоками эти изменения на участках, где можно наблюдать предвестники, распространяются только в теле разлома или захватывают примыкающие зоны, в которых флюиды испытывают влияние разлома. Кроме того, фильтрационные эффекты зависят от изменений взаимной связи между флюидными системами и изначального различия показателей флюидов по обе стороны разлома. Если такие различия достаточно контрастны, то фильтрационные эффекты выражены с весьма значительной амплитудой. Примером служит уникальное по амплитуде сни-

жение уровня подземных вод (на 57 м) в пределах Главного Копетдагского разлома перед землетрясением с М = 5.4 и Я = 70 км. Механизм этого эффекта обусловлен возрастанием проницаемости разлома, разделяющего флюидные системы с большими различиями напоров (около 100 м) [7].

5. Указанные изменения фильтрационного поля, связанные с разломами, зависят также от ранга разломов в тектонической структуре (межплитные, внутриплитные и др.), который оказывает влияние на напряженно-деформированное состояние в зонах разломов. Примеры эффектов наиболее контрастных изменений такого поля в разломах, ограничивающих крупные подвижные плиты (Главный Копетдагский разлом, СевероАнатолийский разлом и его ответвления), приведены в табл. 1.

Изменения коллекторских свойств пород и фильтрационного поля, которые развиваются при подготовке землетрясений, оказывают существенное влияние не только на флюидные, но и на электромагнитные явления. Сей

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.

Показать целиком