научная статья по теме О ВОЗМОЖНОСТИ ОЦЕНОК КОСЕЙСМИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПО ДАННЫМ УРОВНЕМЕРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ В СКВАЖИНЕ Геофизика

Текст научной статьи на тему «О ВОЗМОЖНОСТИ ОЦЕНОК КОСЕЙСМИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПО ДАННЫМ УРОВНЕМЕРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ В СКВАЖИНЕ»

УДК 556.33:550.348

О ВОЗМОЖНОСТИ ОЦЕНОК КОСЕЙСМИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ПО ДАННЫМ УРОВНЕМЕРНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ В СКВАЖИНЕ

© 2010 г. Г. Н. Копылова1, Г. М. Стеблов2, 3, С. В. Болдина1, И. А. Сдельникова3

1Камчатский филиал РАН Геофизической службы РАН, г. Петропавловск-Камчатский 2Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва 3Геофизическая служба РАН, г. Обнинск Поступила в редакцию 09.12.2008 г.

На примере шести камчатских землетрясений 1997—2004 гг. с Мк = 6.2—7.8, произошедших на расстояниях 128—316 км от скважины ЮЗ-5, представлен способ точечной оценки косейсмической объемной деформации по амплитудам скачков уровня воды во время землетрясений и величине приливной чувствительности уровня. Получена согласованность по амплитудам и знаку оценок косейсмической деформации из уровнемерных наблюдений и из модели протяженного дислокационного источника в однородном упругом изотропном полупространстве с параметрами подвижек в очагах, соответствующих фокальным механизмам из международного каталога СМТ. Непротиворечивый результат сравнения экспериментальных и теоретических оценок объемной косейсмической деформации указывает на высокие деформометрические свойства скважины ЮЗ-5 и возможность количественной оценки сейсмотектонической деформации по данным прецизионных уровнемер-ных наблюдений с дискретностью регистрации уровня воды не более 10 минут.

ВВЕДЕНИЕ

Уровнемерные наблюдения в скважинах являются одним из способов геофизического мониторинга сейсмоактивных регионов и поиска предвестников землетрясений [Киссин, 1993]. Чувствительность уровня воды к изменениям напряженно-деформированного состояния среды определяется деформированием водовмещающих пород и вариациями по-рового давления при подготовке землетрясений, образовании сейсмодислокаций и распространении сейсмических волн. Эффекты воздействия землетрясений на состояние системы скважина-резервуар могут проявляться в различных типах вариаций уровня воды, соответствующих статическому изменению напряженного состояния водовмещающих пород при образовании разрывов в очагах, прохождению сейсмических волн и процессам подготовки землетрясений [Копылова, 2006].

Образование разрывов в очагах сильных землетрясений сопровождается изменением статического напряженного состояния резервуаров напорных подземных вод на расстояниях до десятков—первых сотен км. Такой эффект проявляется в косейсмиче-ских скачках повышения и понижения уровня воды в скважинах, которые регистрируются через секунды—первые десятки секунд после образования разрыва и фиксируют реакцию порового давления на упругое деформирование водовмещающих пород. Как было показано в работе [^&кка, 1975], распределение по площади зон косейсмического сжатия и

расширения и, соответственно, зон проявления скачков повышения и понижения уровня вод в скважинах, определяется, в основном, механизмом очага землетрясения. Амплитуды косейсмических скачков обычно составляют десятые доли—первые десятки см.

Необходимым условием записи косейсмических скачков является дискретность регистрации уровня воды не более 10—15 минут. При регистрации уровня с большей дискретностью (например, 1 ч) косей-смические скачки не выявляются из-за их относительно малых амплитуд и коротких длительностей развития, или их маскировки за счет наложения более длительных и амплитудных эффектов прохождения сейсмических волн, связанных, в основном, с изменением водопроницаемых свойств системы скважина-резервуар. Последнее обстоятельство, т. е. практически одновременное воздействие двух факторов сейсмичности на состояние системы скважина-резервуар: изменения статического напряженного состояния резервуара подземных вод и динамическое воздействие сейсмических волн, осложняет выделение косейсмических скачков и часто приводит к неверным выводам в отношении их амплитуд, времени проявления и, соответственно, их связи с параметрами очагов землетрясений.

Проявление косейсмических скачков, а также наличие приливных вариаций уровня воды в отдельной скважине, могут рассматриваться в качестве показателей ее деформометрической чувствительно-

51

4*

сти и информативности при проведении геофизического мониторинга сейсмоактивных территорий, направленного на диагностику сейсмотектонических сигналов, в т.ч. гидрогеодинамических предвестников землетрясений [Киссин, 1993; Копыло-ва, Болдина, 2006; Яое1оА«з, 1988; Яс^^ег, 1988; Ясу81ас2ег, Л§пе^ 1989].

Фактор приливного воздействия на изменение напряженно-деформированного состояния земной коры при гравитационном взаимодействии в системе Земля—Луна—Солнце достаточно хорошо изучен и рассчитывается для произвольных точек поверхности Земли с точностью не хуже 50% по отношению к данным инструментальных измерений [Мельхиор, 1968]. Некоторое несоответствие теоретических оценок и данных инструментальных измерений приливных деформаций на поверхности Земли может быть вызвано наличием локальных гравитационных неоднородностей в точках измерений, а также влиянием океанического прилива, в составе которого присутствуют волны, аналогичные земноприливным по периоду, но отличающиеся по фазе.

Количественная оценка параметров приливного отклика уровня воды в скважине: амплитуд отдельных приливных волн и разностей фаз между фазами приливных волн в изменениях уровня воды и соответствующими фазами приливного потенциала, позволяет получить величину приливной чувствительности уровня воды, которая может использоваться при оценке косейсмической деформации в районе скважины в качестве нормирующего коэффициента [Копылова, Болдина, 2006; Яое1ойз, 1988; Яо]81ас2ег, 1988]. В случае проявления статически изолированного отклика уровня воды в скважине на изменения напряженно-деформированного состояния резервуара подземных вод, при котором течением подземных вод (фильтрацией) и инерционностью водообмена между скважиной и резервуаром можно пренебречь, величина приливной чувствительности строго определяется упругими параметрами резервуара [Копылова, Болдина, 2006; Яо]81ас2ег, Л§пе^, 1989]. В случае сильного искажения пороупругой реакции уровня воды на земные приливы и косейсмическую деформацию приливные вариации и косейсмические скачки в изменениях уровня воды не регистрируются (например, в скважинах, вскрывающих грунтовые воды со свободной поверхностью), и такие скважины не являются информативными для количественной оценки сейсмотектонической деформации. Отсюда следует, что регистрация косейсмических скачков является важным показателем деформометриче-ской чувствительности уровня воды в отдельных скважинах.

Скважина ЮЗ-5 (53.17° с. ш., 158.41° в. д., глубина 800 м, уровень воды находится на глубине 1.5 м) (рис. 1) вскрывает в интервале 310—800 м напорные подземные воды в метаморфизованных алевроли-

тах и сланцах верхнемелового возраста. На этой скважине с сентября 1997 г. осуществляется регистрация уровня воды и атмосферного давления с дискретностью 10 минут [Копылова, 2006]. Наблюдения проводятся Камчатским филиалом Учреждения Российской академии наук Геофизической службы РАН (КФ ГС РАН). В течение всего времени наблюдений точность регистрации вариаций уровня составляла ±0.1 см, атмосферного давления — ±0.2 гПа.

В скважине ЮЗ-5 по реакции уровня воды на вариации атмосферного давления обнаружен статически изолированный барометрический отклик воды на изменения напряженно-деформированного состояния среды в диапазоне периодов часы-первые десятки суток. Для нее также установлен неискаженный приливной отклик уровня воды на периодах приливных волн полусуточной и суточной групп [Копылова, Болдина, 2006].

В 1997-2004 гг. в изменениях уровня воды в скважине ЮЗ-5 зарегистрированы шесть косейсмиче-ских скачков с амплитудами 0.25-12.0 см во время местных землетрясений с М = 6.2-7.8, произошедших на расстояниях R = 128-316 км до инструментальных гипоцентров (рис. 1, табл. 1). Скачки уровня регистрировались, в основном, в течение 10-минутного интервала, включающего момент землетрясения. В четырех случаях наблюдалось понижение уровня воды, в двух случаях - его повышение [Копылова, 2006]. Максимальная амплитуда косейсмического скачка понижения уровня воды (ДА = -12 см) наблюдалась во время Кроноцкого землетрясения 5.12.1997 г., Mw = 7.8 (№ 1 в табл. 1 и на рис. 1). Следует отметить, что в результате этого землетрясения в изменениях уровня воды были выявлены три последовательно проявившихся типа вариаций, соответствующих гидрогеодинамиче-скому предвестнику, косейсмическому скачку и длительному постсейсмическому понижению и восстановлению [Копылова, 2006].

В настоящей работе проводится оценка величин объемной косейсмической деформации водо-вмещающих пород в районе скважины ЮЗ-5 при шести землетрясениях (рис. 1, табл. 1) по амплитудам косейсмических скачков с использованием расчетной величины приливной чувствительности уровня воды по отношению к теоретической объемной деформации (Av), полученной из приливного анализа среднечасовых вариаций уровня воды. Для сравнения приводятся теоретические оценки объемной косейсмической деформации в районе скважины ЮЗ-5 при всех шести землетрясениях по модели дислокации в однородном упругом изотропном полупространстве [Okada, 1985]. Для определения параметров подвижек в очагах использованы фокальные механизмы из международного каталога Global CMT (http://www.globalcmt.org/). По фокальным механизмам землетрясений с помощью указанной модели построены горизонталь-

0 10 20 30 Номера 10-минутных измерений

Рис. 1. Схема расположения скважины ЮЗ-5, эпицентров землетрясений 1—6 (табл. 1) и очага Кроноцкого землетрясения 5.12.1997 г., МЦ) = 7.8 по афтершокам первых суток: 1 — эпицентры землетрясений; 2 — эпицентры афтершоков Кроноцкого землетрясения с 5 по 12 декабря 1997 г.; 3 — диаграммы механизмов СМТ землетрясений (а); (б) — косей-смические скачки уровня, зарегистрированные во время землетрясений 1—6 (см. табл. 1). По горизонтальной шкале отложений номера 10-минутных измерений уровня, выключающие 19 измерений до землетрясений (моменты землетрясений показаны вертикальной пунктирной линией) и 19 измерений после землетрясения.

ные распределения объе

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

Пoхожие научные работыпо теме «Геофизика»