ГЕОЭКОЛОГИЯ. ИНЖЕНЕРНАЯ ГЕОЛОГИЯ. ГИДРОГЕОЛОГИЯ. ГЕОКРИОЛОГИЯ, 2011, № 5, с. 439-449
ПРИРОДНЫЕ И ТЕХНОПРИРОДНЫЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 53.082.2 532.546 551.491.5
МОНИТОРИНГ УРОВНЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД ПО ДАННЫМ ПРЕЦИЗИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ
© 2011 г. Е. А. Виноградов, Э. М. Горбунова, Н. В. Кабыченко, Г. Г. Кочарян, Д. В. Павлов, И. С. Свинцов
Учреждение Российской академии наук Институт динамики геосфер РАН Ленинский проспект, д.38, к.1; Москва, 119334 Россия.
E-mail: gorbunova@idg.chph.ras.ru
Поступила в редакцию 19.04.2010 г.
Приведены результаты обработки данных наблюдений за уровнем напорного горизонта, вскрытого в скважине в интервале 76-115 м. Полученные ряды сопоставлены с объемной деформацией водо-вмещающего коллектора, теоретически рассчитанной по программе приливного анализа ETERNA 3.0. В длиннопериодной области выделены две составляющие: когерентная лунно-солнечным приливам и некогерентная им. Отмечено, что фазовый сдвиг между объемной деформацией коллектора и уровнем воды в скважине зависит не только от изменений напряженно-деформированного состояния массива горных пород, но и от положения пьезометрической поверхности водоносного горизонта. Рассмотрены некоторые особенности проявления лунно-солнечных приливов в вариациях уровня подземных вод. Для выделенных приливных волн определены амплитуды уровня, объемной деформации водовмещающих пород и фазовый сдвиг между полученными параметрами. Значение амплитудного фактора составляет 0.04-0.058 см/нанострейн.
Ключевые слова: высокоточные измерения, водоносный горизонт, длиннопериодный тренд, при-ливообразующая составляющая уровня, амплитудный фактор.
ВВЕДЕНИЕ
За прошедшие десятилетия накоплен значительный материал по мониторингу подземных вод, широко развернутому преимущественно в сейсмоактивных районах для оценки сейсмической опасности. В асейсмичном регионе, например, на северо-западе г. Москвы, в Московской (пос.Зеленый) и Калужской (г. Обнинск) областях, экспериментальные прецизионные наблюдения за вариациями уровня подземных вод и атмосферного давления проводились эпизодически в 1986, 1987, 1993 и 1994 гг. Опорные скважины оборудовались на разновозрастные водоносные горизонты, характеризующиеся различными гидрогеологическими параметрами.
В России приоритетные научно-методические и полевые изыскания по изучению барометрического и приливного откликов, поиску предвестников землетрясений выполняются ФГУП ВСЕГИНГЕО [6, 10], Камчатским филиалом Геофизической службы РАН [13], ФГУГП "Гидроспецгеология" [19]. Особое внимание уделяется направлению, связанному с изучением закономерностей фор-
мирования гидрогеодеформационного поля [4, 5]. За рубежом интенсивные исследования взаимосвязи гидрогеологических и сейсмологических явлений ведутся различными группами ученых США, Японии и др. [20, 22, 23].
Разработаны эффективные методики обработки получаемых рядов вариаций уровня, позволяющие учитывать влияние внешних помех. В частности, для формирования исходной базы данных используются программные средства информационной системы POLYGON, апробированной в Камчатском филиале Геофизической службы РАН (КФ ГС РАН) [12]. Для оценки корреляционных связей между экспериментальными и теоретическими параметрами - кросс-спектральный анализ временных рядов геофизических наблюдений [16] и программа приливного анализа ETERNA 3.0 [24].
Результаты синхронных измерений атмосферного давления, приливных деформаций и уровня подземных вод во многих работах используются как для расчета эффективности воздействия внешних факторов на флюидодинамический режим, так и для оценки характеристик пласта. При
этом, в ряде случаев атмосферное давление и воздействие лунно-солнечных приливов рассматриваются в качестве помех [1], требующих удаления для корректной обработки полученных данных, в других - в роли полезных сигналов, которые применяются для тестирования инерционности системы "водоносный горизонт - скважина" и информативности пунктов наблюдений [17].
В условиях стационарной фильтрации изучение амплитуд и фаз гармоник приливных колебаний, выраженных в вариациях уровня подземных вод, представляет особый интерес, являясь одним из методов диагностики состояния геологической среды [18, 20]. По данным прецизионных наблюдений за уровнем подземных вод и атмосферным давлением выполняется оценка пористости и во-допроводимости водовмещающих пород на основе теории пороупругости [2, 11, 21].
Геомеханическая система "водоносный напорный горизонт - скважина" тензочувствительна даже к кратковременным изменениям напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Так, например, известны случаи изменения пластового давления, проницаемости пласта и, как следствие, уровня воды в скважинах в результате воздействия на пласт волнами от удаленных землетрясений [13, 22] и искусственных виброисточников [14]. Небольшое по амплитуде воздействие может приводить к разрушению на некоторых участках заполнителя трещин, часто сформированного малопрочными глинистыми суспензиями [23].
Постановка и проведение прецизионных измерений на территории геофизической обсерватории Института динамики геосфер РАН "Михнево" (ГФО "Михнево") чрезвычайно важны и информативны для регистрации отклика водоносного горизонта на низкоамплитудные воздействия различных типов, так как рассматриваемый платформенный регион относительно стабилен и характеризуется практически полным отсутствием влияния океанических приливов. Организация высокоточного мониторинга подземных вод направлена на оценку низкоамплитудных вариаций напряженно-деформированного состояния массива горных пород, обусловленных стационарным или эпизодическим воздействием внешних факторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
ГФО "Михнево" расположена на правом берегу р. Лопасня в 3 км западнее д. Починки Ступинского района Московской области, на северо-восточной окраине Приокско-Террассного биосферного заповедника, вне зоны активного техногенного воздействия.
Климат в районе ГФО "Михнево" относится к умеренно континентальному с холодной зимой и умеренно теплым летом. На протяжении 2007-2009 гг. атмосферное давление изменяется от 718.9 мм.рт.ст. до 774.3 мм.рт.ст., годовые перепады достигают 55.4 мм.рт.ст. Весенне-летние периоды наблюдений характеризуются относительно стабильным давлением 12-24 мм.рт.ст. по сравнению с осенне-зимними. Температура воздуха варьирует от - 20° до 26°. Переход температуры через 0° фиксируется в начале марта.
Основное количество осадков выпадает в летний и осенний периоды и обеспечивает дополнительное (относительно неравномерное) питание поверхностных водотоков, в том числе и реки Оки. Сезонные изменения уровня воды в реке отличаются высокой динамичностью, особенно в паводковый период. Амплитуды подъема уровня в паводок в течение 10-15 дней достигают 5 м.
ГФО "Михнево" приурочена к юго-западной окраине Московского артезианского бассейна и находится в зоне транзита подземных вод. Основное направление движения подземного потока - на северо-восток, соответствующее общей тенденции погружения водовмещающей толщи пород нижнего карбона. Абсолютные отметки уровня изучаемого водоносного комплекса за период наблюдений изменялись от 96.7 до 99.8 м и залегают значительно ниже уреза речной системы (долина реки Оки), выступающей в качестве основного источника питания на участках эрозионного размыва регионального водоупора (верейские глины среднего карбона).
Рассматриваемый алексинско-протвинский водоносный горизонт нижнего карбона приурочен к известнякам неравномерно трещиноватым с подчиненными прослоями мергелей, глин и доломитов, залегающим моноклинально с уклоном до 0.001 на северо-восток. Изучаемый массив анизотропен, характеризуется развитием серии магистральных трещин и открытой (активной) пористостью водовмещающих пород.
Режим подземных вод естественный, равнинного типа с сезонными вариациями пьезометрической поверхности. Продолжительность питания подземных вод растянута во времени, выделяются периоды весеннего и менее выраженного осеннего подъема уровня. По данным стационарного мониторинга (за 2007-2009 гг.), амплитуды годовых вариаций уровня составили 2.1 - 3.1 м. Максимально высокое положение уровня зафиксировано в июле 2008 г. на глубине 67.2 м, низкое значение - 70.3 м в октябре 2009 г.
В паводок скорость подъема уровня подземных вод достигает 10 см/сут, в остальные периоды -не превышает 1 см/сут.
Прослежена связь гидрологического режима р. Оки с нижезалегающим алексинско-протвин-ским водоносным горизонтом. По данным кросс-корреляционного анализа данных гидрологических и гидрогеологических измерений, сдвиг во времени между подъемами уровня воды в р. Оке по гидрологическим постам, расположенным в г. Серпухове и г. Кашире, и пьезометрической поверхностью достигает 65 суток, что обусловлено невысоким значением пьезопроводности и значительной удаленностью области питания подземных вод от пункта наблюдений [8].
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ НАБЛЮДЕНИЙ
В пределах территории ГФО "Михнево" с января 2007 г. выполняется регистрация уровня напорного водоносного горизонта с шагом 1 сут. С февраля 2008 г. в измерительной скважине проводятся регулярные прецизионные наблюдения за уровнем подземных вод с использованием датчика ЬМР3081 (Германия) синхронно с измерениями атмосферного давления (датчик абсолютного давления ДПМ-760, ИКИ, Россия). Интервал опроса параметров составляет 1 с, точность регистрации уровня - 0.1 мм, атмосферного давления - 0.1 гПа [15]. В июне и конце июля 2008 г. регистрация уровня прерывалась по техническим причинам, с 13 по 16 ноября 2008 г. - из-за опытно-фильтрационного опробования водоносного горизонта.
Наряду с экспериментальными измерениями сформирована база данных по внешним факторам, влияющим на режим подземных вод. В частности, систематизированы сведения по метеопараметрам (атмосферному давлению, температуре воздуха и количеству осадков), измеряемым каждые 3 часа на ближайшей метеостанции г. Серпухова. Данные по абсолютным отметкам уреза р. Оки обобщены по гидропостам ГУ "Московского ЦГМС-Р", расположенным в городах Серпухов и Кашира [3].
По результатам гидрогеолог
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.