ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2007, № 5, с. 39-48
УДК 550.832.9:556.34.042
ОТКЛИК УРОВНЯ ВОДЫ В СКВАЖИНЕ ЮЗ-5, КАМЧАТКА, НА СУМАТРА-АНДАМАНСКОЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ 26 ДЕКАБРЯ 2004 г., М = 9.3
© 2007 г. Г. Н. Копылова, С. В. Болдина
Камчатский филиал Геофизической службы РАН, Петропавловск-Камчатский, 683006
Поступила в редакцию 25.12.2006 г.
В скважине ЮЗ-5, Камчатка, зарегистрированы вынужденные и свободные колебания уровня воды при прохождении сейсмических волн от Суматра-Андаманского землетрясения 26 декабря 2004 г., = 9.3, гипоцентральное расстояние 8250 км. Максимальная амплитуда колебаний уровня воды наблюдалась во время вступления поверхностных сейсмических волн с характерным периодом 2050 с и составляла не менее 5 см. Общая продолжительность вынужденных и свободных колебаний уровня воды составила около десяти часов. По имеющимся теоретическим моделям, описывающим колебательный режим вариаций уровня воды в скважине при воздействии сейсмических волн и при экспресс-наливах, выполнена оценка водопроводимости резервуара подземных вод. Полученные величины превышают величину водопроводимости по данным откачки не менее чем на два порядка. Предложена гипотеза, объясняющая временное повышение водопроводимости резервуара при прохождении сейсмических волн за счет нарушения структуры трещинно-порового пространства и резкого увеличения проницаемости водовмещающих пород.
ВВЕДЕНИЕ
Уровнемерные наблюдения в пьезометрических скважинах включают синхронную регистрацию вариаций уровня воды и атмосферного давления и традиционно рассматриваются в качестве эффективного способа контроля напряженно-деформированного состояния верхних горизонтов земной коры. Например, отклик уровней воды на земные приливы показывает, что уровнемерные наблюдения могут быть использованы для обнаружения небольших деформаций в коре порядка 10-8-10-9. Особый интерес к такому виду геофизических наблюдений вызван тем, что в изменениях уровней воды в скважинах обнаруживаются разнообразные вариации, вызванные процессами подготовки и реализации сильных землетрясений [1, 2]. Это указывает на необходимость углубленного изучения гидрогеодинамических процессов в системе скважина - резервуар под влиянием сейсмичности.
Воздействие сейсмических волн от сильных удаленных землетрясений может вызывать заметные вариации уровней воды в скважинах [1, 7]. После Аляскинского землетрясения 28.03.1964 г., Мж = 8.8 колебания уровней воды в скважинах наблюдались на расстояниях до 11 тыс. км от очага. Продолжительность вариаций уровней воды с амплитудами от первых сантиметров до 4.5 м составляла от часов до одних суток [1, 8].
Интересным фактом является то, что в близко расположенных скважинах отклики уровней воды на прохождение сейсмических волн могут су-
щественно различаться по амплитуде. Изучение таких вариаций уровня воды представляет интерес для геофизиков, сейсмологов и гидрогеологов: во-первых, с позиции использования систем скважина - резервуар в качестве своеобразных приемников сейсмических сигналов и, во-вторых, для оценки свойств резервуара, в первую очередь, его водопроводимости.
В работе приводится описание эффекта прохождения сейсмических волн от Суматра-Андаманского землетрясения 26 декабря 2004 г. Мж = = 9.3, проявившегося в изменениях уровня воды в скважине ЮЗ-5, Камчатка. На основе модели перемещения столба жидкости в скважине при развитии нестационарной воронки депрессии поро-вого давления при воздействии сейсмических волн [7] выполнена оценка водопроводимости резервуара подземных вод, вскрытого скважиной ЮЗ-5. Проводится сопоставление полученной величины с величинами водопроводимости, оцененными по приливному и барометрическому откликам уровня воды, по данным откачки из скважины и по аналитической зависимости, описывающей колебательный режим уровня воды при мгновенном наливе в скважину.
Данные наблюдений, параметры резервуара подземных вод и характеристика отклика уровня воды на землетрясение. Наблюдения на скважине ЮЗ-5 (53.169° с. ш., 158.414° в. д., глубина 800 м) проводятся Камчатским филиалом Геофизической службы РАН с использованием цифровой системы регистрации уровня воды и атмосферно-
Уровень воды, см
1 0
-1 -2 -3
Смещение, канал ЦЖ, м 0.01
0
-0.01
25.12
00 ч
06 ч
26.12
12 ч
18 ч
Рис. 1. Изменения уровня воды в скважине ЮЗ-5 во время Суматра-Андаманского землетрясения 26.12.2004 г., Мм/ = 9.3, в сопоставлении с записью смещений на канале ЬН2, сейсмостанция Петропавловск. Стрелками показаны вступления Р, 5-волн и Ь-волн.
го давления Кедр А2 (ООО "Полином", г. Хабаровск). Частота измерений составляет один раз в 10 мин. Точность регистрации уровня воды составляет 0.1 см, атмосферного давления - 0.2 мбар. Уровень воды в скважине расположен на глубине 1 м ниже поверхности земли. Характеристика геолого-гидрогеологических условий и описание конструкции скважины дается в [2, 3].
В интервале глубин 310-800 м ствол скважины не обсажен. Здесь скважина вскрывает гидравлически связанный резервуар напорных подземных вод в позднемеловых отложениях, представленных чередованием слоев алевролитов и филлито-видных сланцев. Радиус скважины в этом интервале гм/ = 0.084 м. Радиус обсадной трубы в области колебаний уровня воды гс = 0.123 м. Зоны водопритоков общей мощностью 100 м приурочены к слоям трещиноватых алевролитов. Гидравлическая связь подземных вод в пределах вскрытой толщи позднемеловых пород обусловлена интенсивным развитием в ней трещиноватости.
В [3] приводится оценка пористости, упругих и фильтрационных свойств вскрытого резервуара подземных вод на основании анализа приливного и барометрического откликов уровня воды. Получены следующие величины:
удельная упругая емкость ^, м-1 18.7 х 10-7,
дренированная сжимаемость скелета р, Па-1
пористость, ф
водопроводимость Т/г^ , с-1
13.8 х 10-11, 0.12,
2.8 х 10-5-2.8 х 10-2.
Оценка водопроводимости резервуара по данным откачки из скважины. По данным откачки из скважины, которая проводилась по окончании бурения, дебит ) составил 0.00148 м3/с при понижении уровня воды 5 = 17.55 м. Оценка величины коэффициента водопроводимости резервуара Т = кт, где к - коэффициент фильтрации, т - вскрытая мощность резервуара, проводилась по модели линейного стока для неограниченного резервуара [4, с. 93]:
О л X т 2п Т гм;
(1)
где X - эмпирический коэффициент, равный -0.7; гм/ - радиус скважины в области связи с резервуаром (гм; = 0.084 м). Величина т принималась равной суммарной мощности зон водопритоков в трещиноватых алевролитах (100 м).
По (1) величина Т = 0.9 х 10-4 м2/с. Отсюда величина к = 0.9 х 10-6 м/с, а величина Т/ г^ = 1 х 10-2 с-1.
Таким образом, величина Т/г^, полученная по данным откачки, примерно соответствует верхней границе диапазона значений, оцененных по приливному и барометрическому отклику уровня воды в скважине ЮЗ-5.
Запись Суматра-Андаманского землетрясения на сейсмостанции Петропавловск. 26 декабря 2004 г. в 0 ч 58 мин в районе о. Суматра, Индонезия, произошло землетрясение с магнитудой Мм/ = 9.3, которое вызвало катастрофическое цунами и огромные человеческие жертвы в странах Юго-Восточной Азии. Координаты эпицентра землетрясения 3.30° с. ш. и 95.78° в. д., глубина 10 км, гипоцентральное расстояние Я до скважины ЮЗ-5 составляет 8250 км. Это землетрясение было зарегистрировано на сейсмостанции Петропавловск (53.024° с. ш., 158.653° в.д.), расположенной на расстоянии ~20 км от скважины ЮЗ-5. В работе использована запись этого землетрясения на канале ЬЖ (http://www.iris.washington.edu/).
Сейсмические волны на сейсмостанции Петропавловск регистрировались более 50 мин: с 01 ч 10 мин до примерно двух часов. Амплитуда вертикального смещения достигала 2 см (рис. 1).
В спектре мощности смещений по каналу LHZ выделяются максимумы на периодах 17 с, 20 с, 32 с и примерно 45 с (рис. 2а). На рис. 26 представлен динамический спектр мощности смещений по каналу ЬЖ.
Эффект прохождения сейсмических волн в изменениях уровня воды. Прохождение сейсмических волн от этого землетрясения вызвало заметные колебания уровня воды в скважине ЮЗ-5. В таблице приводятся данные 10-минутной регистрации уровня воды и атмосферного давления за период времени с 25 декабря 18 ч 00 мин по 26 де-
3Е-5 -
2Е-5 -
1Е-5 -
10 20 30 40 50 60 Период сейсмических волн, с
70
Частота, Гц 0.10 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01
50
100 150 200 250 300 Минуты от 26.12.2004 г., 01 ч 05 мин
350
-11 -13
Рис. 2. Спектральный анализ записи смещений на канале КЖ во время Суматра-Андаманского землетрясения 26.12.2004 г., сейсмостанция Петропавловск: а - спектр мощности по методу максимальной энтропии Бурга (длина записи - 60 мин после вступления Р-волн); б - динамический спектр мощности, построенный в окне 10 мин с шагом 2 мин. Длина записи составляет 365 мин и включает 5 мин до вступления Р-волн и 360 мин после вступления Р-волн. Эллипсом выделен частотный диапазон, соответствующий периодам поверхностных сейсмических волн 40-50 с.
кабря 18 ч 00 мин. На рис. 1 представлен график изменений уровня воды в сопоставлении с записью смещений поверхности земли на канале LHZ, сейсмостанция Петропавловск. Предварительная обработка записи уровня воды включала компенсацию барометрических вариаций и выделение колебаний в диапазоне периодов 20 мин - 5 ч с использованием фильтра высоких частот.
Вступление Р-волн (01 ч 10 мин 09 с) и 5*-волн (01 ч 20 мин 49 с) сопровождалось колебаниями уровня воды с амплитудой не менее 0.5 см. Вступление ¿-волн (01 ч 32 мин 57 с) сопровождалось изменениями уровня воды с амплитудой не менее 5 см. Затем, в течение примерно девяти часов, наблюдались затухающие свободные колебания уровня воды с амплитудами 0.5-0.2 см. Отношение максимальной амплитуды изменения уровня воды в скважине к максимальному смещению по-
верхности земли во время прохождения ¿-волн составляет не менее 2.5. Интервал наблюдений 10 мин не позволяет более точно оценить максимальную амплитуду изменения уровня воды и коэффициент усиления вариаций уровня воды по отношению к вертикальному смещению поверхности земли.
В изменениях
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.