ФИЗИКА ЗЕМЛИ, 2012, № 3, с. 52-65
УДК 550.34
ВЫЯВЛЕНИЕ ТЕХНОГЕННЫХ ИЗМЕНЕНИЙ СЕЙСМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПРИ ПОМОЩИ МЕТОДОВ НЕЛИНЕЙНОЙ ДИНАМИКИ
© 2012 г. С. Б. Турунтаев, С. В. Ворохобина, О. Ю. Мельчаева
Институт динамики геосфер РАН, г. Москва Поступила в редакцию 28.07.2011 г.
В результате нелинейного анализа данных о сейсмичности в районах воздействий на недра путем закачки жидкости, проведения взрывных работ, вибровоздействий показано, что техногенное воздействие приводит к возрастанию "упорядоченности" сейсмического режима и проявляется в формировании устойчивых состояний, характеризующихся конечным значением фрактальной размерности аттрактора и невысокой размерностью пространства вложения. Для объяснения возрастания упорядоченности сейсмического процесса рассматривается модель движения в разломных зонах, определяемого двухчленным законом трения. Наличие устойчивых состояний позволяет ставить не только задачу прогноза развития техногенной сейсмической активности, но и разработки технологий направленного воздействия на сейсмический режим.
ВВЕДЕНИЕ
Воздействие человека на недра при разработке месторождений полезных ископаемых, заполнении водохранилищ, добычи углеводородов, использовании геотермальной энергии и т.д. зачастую приводит к активизации сейсмических процессов — к появлению техногенной сейсмичности. Анализу техногенной сейсмичности посвящено множество публикаций [Simpson, 1986; Адушкин, Турунтаев, 2005; Николаев, 1994].
Основными вопросами, решаемыми при изучении техногенной сейсмичности, являются вопросы прогноза и предупреждения катастрофических землетрясений. В отличие от естественных землетрясений, вопрос о месте возможного землетрясения не актуален, оно ожидается в окрестности воздействия. Энергия землетрясения определяется, в основном, масштабами воздействия, но может и значительно превышать величину воздействия (так называемый триггерный эффект [Сырников, Тряпицын, 1990; Адушкин, Турунтаев, 2005]).
Особую актуальность в последнее время получила проблема отличия техногенной сейсмичности от естественной. Рост интереса к этой проблеме связан с далекими, казалось, от сейсмичности задачами уменьшения поступления в атмосферу парниковых газов: переходом к так называемым "зеленым" источникам энергии (среди которых — геотермальные электростанции) и закачкой CO2 в недра. Оказалось, что воздействие, которое при этом производится на недра, в ряде случаев приводит к возникновению сейсмических событий. Часть геотермальных электростанций расположена в сейсмически активных районах, что затрудня-
ет ответ на вопрос, является ли повышение сейсмической активности связанным с воздействием, или это просто вариация естественных процессов. Ответ на этот вопрос важен как для развития альтернативных источников энергии, так и для оценки промышленной безопасности и определения ответственности компаний за ущерб, причиняемый землетрясениями.
Эффективные методы анализа поведения сложных динамических систем (к числу которых относятся геофизические системы) разработаны в последние десятилетия в области нелинейной динамики. Эти методы позволяют, в частности, различать системы с разным типом устойчивости и выявлять изменение состояния системы при внешних воздействиях. Последнее утверждение основано на предположении, что если состояние системы претерпело изменение в результате воздействия, то анализируемые процессы в рассматриваемой системе будут содержать детерминированную составляющую, определяемую воздействием. Появление такой детерминированной составляющей должно привести к понижению фрактальной размерности аттрактора в фазовом пространстве состояний системы (если таковой выделяется) и к уменьшению размерности пространства вложения (числа существенных параметров, необходимых для описания поведения системы).
Наиболее популярным методом оценки размерностей аттрактора и пространства вложения является метод Грассбергера—Прокачиа [Огаз8-Ъег§ег, Ргосасе1а, 1983], описанный в многочисленных публикациях. Метод Грассбергера—Прокачиа в настоящей статье применен к анализу сейсмич-
ности в нескольких районах, подвергавшихся техногенному воздействию. В некоторых рассмотренных случаях техногенная природа сейсмичности являлась неочевидной.
В результате проведенных исследований получено два основных результата. Первый заключается в том, что для техногенной сейсмичности характерна более высокая степень упорядоченности сейсмического процесса, его предсказуемости. Вторым результатом является обнаружение изменения сейсмического режима в результате воздействий, довольно слабых по сравнению с энергетикой тектонических процессов. В статье приводятся также результаты нелинейного анализа модели типа га1е-апё-81а1е, которая предоставляет возможность описать механику изучаемого явления.
МЕТОД АНАЛИЗА ДАННЫХ
В статье [Ога88Ъег§ег, Ргосасе1а, 1983] был предложен метод оценки размерности аттрактора и пространства вложения по одномерному ряду наблюдений. Метод основан на построении по исходным значениям измеряемой величины х так называемых г-векторов размерности т ^ = = (х, х+т,X+2т,...,X+т(т-1)) и вычислении корреляционного интеграла:
N
с(£) = N2 X0 (41 ^ - 1)
=1
где т — временная задержка, N — объем выборки,
0(х) — функция Хевисайда: 9(х) =-Т'Х _ 0 , £ — па-
[0, х < 0
раметр близости. Для малых £ корреляционный
интеграл С(е) к гл, где ё — фрактальная корреляционная размерность аттрактора, которая оценивается по наклону линейного участка зависимости 1п С от 1п б. Если при увеличении размерности г-векторов оцениваемая размерность аттрактора увеличивается, значит, искомый аттрактор "не помещается" целиком в пространство данной размерности. "Насыщение" зависимости й(т) (выход на "плато") в точке ё* и т*, когда дальнейшее увеличение размерности т не приводит к увеличению оценки корреляционной размерности аттрактора, является свидетельством того, что система обладает устойчивым состоянием.
При расчете корреляционного интеграла существенным является выбор временной задержки т. Так как компоненты г-векторов должны быть независимы, величина т определялась как значения временного сдвига, при котором автокорреляционная функция анализируемых временных рядов
имела первый минимум и первый ноль [Малинец-кий, Потапов, 2002].
Одной из проблем анализа неравномерных временных рядов, к которым относятся ряды сейсмических событий, является необходимость их преобразования к равномерному виду, т.е. к такому, в котором интервалы между моментами наблюдений являются постоянной величиной. В работе [СИеИё2е е! а1., 2006] было предложено использовать не значения наблюдаемой величины, а значения интервалов между событиями, составляющими рассматриваемый временной ряд. Получаемый ряд будет равномерным по параметру "номер наблюдения". Предложенный прием был протестирован на нескольких примерах и затем получил некоторое распространение. Вместе с тем, помимо очевидной потери информации о значениях наблюдаемой величины и отсутствия теоретического обоснования допустимости такого приема, этот метод не может применяться к исходно равномерным временным рядам. Применение такого подхода к каталогам, содержащим афтершоки, приводит к получению нереально низких оценок корреляционной размерности, что продемонстрировано в работе [Ворохобина и др., 2011].
В настоящей работе в качестве параметра, характеризующего состояние сейсмического процесса в рассматриваемом регионе, использовалась сейсмическая активность. Под сейсмической активностью понималась сумма корней кубических из энергий сейсмических событий за некоторый интервал времени (для разных наборов данных интервал бы различен). Расстояние между точками в фазовом пространстве г-векторов задавалось метрикой пространства и определялось как верхний
( т \
предел 8ир(г,к - £д) и в соответствии с Эвклидо-
V к=1 )
вой метрикой, коррелированной на размерность
(
пространства
К'
т
ХАРАКТЕРИСТИКА ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ДАННЫХ
Описанный метод оценки наличия и размерности аттракторов по одномерным временным рядам применялся к пяти наборам данных: сейсмичность и характеристики добычи и закачки жидкости в районе Ромашкинского месторождения нефти, сейсмическая активность до и после проведения крупномасштабных взрывов на р. Бурлыкия и р. Уч-Терек, Кыргызстан, сейсмичность в районе гидротермальных электростанций Гейзеры, Калифорния, США, микросейсмический фон, реги-
стрируемый по технологии активной низкочастотной сейсморазведки (АНЧАР), и сейсмичность в районе Бишкекского геофизического полигона РАН (Северный Тянь-Шань, Кыргызстан), зарегистрированная до и во время интенсивного электромагнитного воздействия.
В 1982—1983 гг., после более 30 лет разработки Ромашкинского нефтяного месторождения в его районе стали отмечаться сейсмические события. Развернутой в 1985 г. и модифицированной в 1996 г. сетью сейсмостанций ежегодно регистрировалось от 100 (в начальный период наблюдений) до 10—20 (в настоящее время) локальных землетрясений с магнитудами от 0.1 до 4.0 и глубинами гипоцентров 1—6 км. Отмечалась высокая корреляция изменений активности сейсмических событий с вариациями дисбаланса между объемами закачиваемой и добываемой жидкостей [Адушкин и др., 2000]. В последние годы на фоне уменьшения объемов добычи и закачки сейсмическая активность существенно снизилась.
Два крупномасштабных химических взрыва были проведены на реках Бурлыкия и Уч-Терек в Кыргызстане [Китов и др., 1990]. Взрывы проводились для сброса горной породы в русло рек с целью создания плотины. Рассматриваемый район (географические координаты 40°—44° с.ш. и 71°—76° в.д.) является сейсмически активным. Взрыв на р. Бурлыкия имел тротиловый эквивалент 700 т, на реке Уч-Терек — 1500 т. На Бурлыкии взрыв был произведен 8 февраля 1975 года, анализируемые в настоящей работе данные о сейсмических событиях охватывают период с 10 февраля 1973 года по 6 февраля 1976 года. На Уч-Тереке взрыв произведен 11 июня 1989 года, сейсмические данные взяты за период с 11 июля 1987 г. по 11 июля 1990 г. Таким образом, в каждом случае использовались каталоги сейсмических событий, зарегистрирова
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.