CC BY
35
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ МОНИТОРИНГ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ЗАДАЧ В СЕЙСМОАКТИВНЫХ РАЙОНАХ (НА ПРИМЕРЕ О. КУНАШИР)
Дмитрий Юрьевич Демежко
Институт геофизики УрО РАН, 620016, Россия, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 100, ведущий научный сотрудник, д.г.-м.н., тел. (343)267-19-96, e-mail: [email protected]
Анатолий Константинович Юрков
Институт геофизики УрО РАН, 620016, Россия, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 100, заведующий лабораторией геодинамики, к.г.-м.н., тел. (343)267-95-19, e-mail: akyurkov@mail. ru
Альберт Дмитриевич Дучков
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3, главный научный сотрудник, д.г.-м.н., тел. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]
Сергей Алексеевич Казанцев
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, проспект Академика Коптюга, 3, старший научный сотрудник, к.т.н., тел. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]
В докладе обсуждаются результаты длительного мониторинга температуры в 300 -метровой скважине на острове Кунашир. Анализ данных позволяет выделить три основных механизма, ответственных за температурные вариации: колебания жидкости в скважине под воздействием приливных сил, свободная тепловая конвекция жидкости, деформации земной коры, связанные с тектоническими землетрясениями. В качестве примера, рассмотрены вариации температуры в скважине на глубине 240 м при подготовке и реализации катастрофического землетрясения Тохоку.
Ключевые слова: остров Кунашир, землетрясение Тохоку (11.03.2011), мониторинг температуры в скважинах, температурные вариации и их природа.
TEMPERATURE MONITORING FOR SOLVING GEODYNAMIC PROBLEMS IN SEISMOACTIVE AREAS (EXAMPLE FROM KUNASHIR ISLAND)
Dmitry Yu. Demezhko
Institute of Geophysics UB RAS, 620016, Russia, Yekaterinburg, Amundsen street, 100, Leading research scientist, Doctor of sci. (geophysics), tel. (343)267-19-96, e-mail: [email protected]
Anatoliy K. Yurkov
Institute of Geophysics UB RAS, 620016, Russia, Yekaterinburg, Amundsen street, 100, Head of geodynamic laboratory, PhD (geophysics), tel. (343)267-95-19, e-mail: akyurkov@mail. ru
Albert D. Duchkov
Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, prospect akad. Koptug, 3, Principal research scientist, Doctor of sci. (geophysics), tel. (383)330-25-91, email: DuchkovAD @ipgg.sbras.ru
Sergey A. Kazantsev
Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, prospect akad. Koptug, 3, Senior research scientist, PhD (geophysics), tel. (383)330-25-91, e-mail: [email protected]
The report discusses the results of temperature monitoring in the 300-meters of depth boreholes, which is placed on the Kunashir island. Data analysis allows distinguishing three main mechanisms responsible for temperature variations: liquid fluctuations in the borehole under the influence of tidal forces, free thermal convection in liquid, crustal deformations associated with tectonic earthquakes. As an example, temperature variations were examined in a borehole at the depth of 240 m when preparing and realizing the catastrophic earthquake of Tohoku.
Key words: island Kunashir, earthquake Tohoku (11.03.2011), temperature monitoring in boreholes, temperature variations and their causes.
Высокая информативность временных характеристик теплового поля Земли при решении задач современной геодинамики известна давно. Наиболее удобным способом оценки этих характеристик является непрерывный температурный мониторинг в скважинах. Однако его полноценная реализация стала возможной лишь в последние десятилетия - с разработкой автономных станций температурного мониторинга. Наибольший практический интерес представляют температурные вариации, обусловленные изменениями в тектоническом режиме при подготовке землетрясения. Подобные вариации наблюдались во многих сейсмически активных районах [1-3], но ограниченные ряды этих наблюдений и недостаточная временная дискретизация не позволили идентифицировать различные физические процессы, обуславливающие температурные вариации в широком временном диапазоне - от первых минут до нескольких суток и более.
В докладе приведены результаты температурного мониторинга в Курильском сейсмоактивном районе, выполненного в основном рамках совместных интеграционных проектов ДВО РАН и СО РАН (2009-2012). Измерения осуществляются с помощью автономного цифрового измерителя температуры (АИТ), разработанного в ИНГГ СО РАН [4]. Аппаратура обеспечивает измерения температуры в диапазоне -20 - +40 °С с точностью 0,02 К и чувствительностью 0,002 К. Температурный мониторинг в 300-метровой обсаженной скважине Kun-1 на о. Кунашир проводится нами с октября 2007 г и направлен на комплексное изучение факторов пространственно-временной изменчивости теплового поля Южных Курил и выявление изменений, связанных со сменой гидродинамического режима при подготовке тектонического землетрясения. Температуры регистрируются с периодичностью 30 минут на глубинах: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140, 160, 180, 200, 220, 240 м, а с сентября 2011 - также на глубинах 260 и 280м. Анализ полученных данных позволил выделить основные механизмы, ответственные за температурные вариации в диапазоне от нескольких минут до десятков - сотен суток на глубинах 40-280 м [5]: колебания столба жидкости в скважине под воздействием приливных сил; свободная тепловая конвекция жидкости, обусловленная положительным геотермическим градиентом (ок. 0,1 °С/м); деформации земной коры, связанные с подготовкой и реализацией тектонических землетрясений.
Приливные вариации температуры проявляются в виде суточных и полусуточных колебаний с амплитудой п-\0" °С. Данные о теоретических приливных деформациях земной коры позволили оценить деформационную чувствительность температурного поля (по совокупности волн М2, Б2, 01, К2 она составляет 210-4 °С/нанострейн).
Свободная тепловая конвекция проявляется хаотическими температурами с амплитудой п-10" °С в диапазоне от нескольких минут до суток. Математическое моделирование этого процесса показало, что восходящие и нисходящие течения представляют собой систему винтовых струй, сосредоточенных в центральной части канала и серии замкнутых тепловых ячеек вблизи его стенок. Пространственная структура течений и температурных возмущений постоянно меняется, что обеспечивает температурные вариации в широком диапазоне частот [6].
Низкочастотные (с периодом более суток) температурные колебания выявлены на глубинах 240 м и более и очевидно связаны с деформационными процессами. Механизм этой связи, по-видимому, гидродинамический. Ниже 240 м скважина вскрывает водоносный горизонт большой протяженности. Деформации земной коры приводят к изменению порового давления, которое передается на большие расстояния и приводит к водообмену между этим горизонтом и другими резервуарами, залегающими выше или ниже, в нашем случае в зако-лонном пространстве (скважина герметичная). Так, аномально высокое поровое давление будет компенсироваться притоком воды из горизонта, аномально низкое - поглощением. При движении заколонного потока вверх, установленные в скважине датчики регистрируют повышение температуры и наоборот. Моменту землетрясения соответствует локальный температурный минимум, отмечающий смену режима подземных вод. Анализ более полутора тысяч землетрясений с магнитудой М>4.5, происшедших за период наблюдений в радиусе Я <1000 км, показал, что пороговую характеристику землетрясений, уверенно фиксируемых изменениями температуры, можно описать соотношением М^(я) >2.5.
Рассмотрим вариации температуры в скважине при подготовке и реализации катастрофического землетрясения Тохоку (11.03.2011, М =9.0; Я = 700 км, M/Lg(Я) =3.2) (рисунок). В середине сентября 2010 г. началось снижение температуры на глубине 240 м, составившее за две недели 0,1 °С, а 27.09.2010 в 51 км от скважины произошло землетрясение М=5.1, M/Lg(Я) =2.9. В течение суток после этого землетрясения температура восстановилась. В последующие 5,5 месяцев снова происходило медленное снижение Т, составившее к моменту землетрясения Тохоку те же 0,1 °С. Сразу после землетрясения температура поднялась на 0,2 °С. При этом изменения уровня воды в скважине не наблюдалось, что указывает на локализацию движений подземных вод в заколонном пространстве скважины. Уменьшение температуры соответствует деформации растяжения, снижению порового давления и перетоку пластовых вод из верхних (холодных) горизонтов в нижние. Реализация землетрясения сопровождается сменой режима растяжения на режим сжатия и обратным перераспределением подземных вод [7].
04.09.10 03.11.10 02,тт1^1 03.03.11 02.05:^-_ 01.07.11 30.08.11
Дата
07.03.11 09.03.11 11.03.11 13.03.11 15.03.11
Дата
Рис. Изменения температуры на глубине 240 м (а, б) и вариации уровня воды в скважине (в). В нижней части рисунков (а, б) отмечены землетрясения, происшедшие в радиусе 1000 км от скважины в координатах дата - отношение магнитуды к логарифму эпицентрального расстояния (М/^ (Я).
Моменты землетрясения Тохоку и его форшока отмечены вертикальными пунктирными линиями
Проведенные исследования свидетельствуют о комплексном характере температурных изменений в сейсмически и вулканически активных районах. На низкочастотные колебания, связанные с геодинамическими процессами, накладываются более высокочастотные, вызываемые свободной тепловой конвекцией и приливными колебаниями уровня воды в скважине. При этом сами геодинамические процессы могут иметь различную природу. Все перечисленные явления оперируют в различных частотных диапазонах, что открывает возможности их эффективного разделения. Несмотря на очевидную информа-
тивность геотермического мониторинга геодинамических процессов говорить о его прогностических возможностях пока рано. Необходимо локализовать область, сейсмический режим в которой наиболее тесно связан с температурными изменениями в исследуемой скважине, и более точно установить соотношения между параметрами землетрясений и температурных колебаний. Уверенной идентификации «тектонического сигнала» в геотемпературном поле будет способствовать расширение сети мониторинга, которая должна охватывать несколько соседних островов. Это позволит выделять согласованные температурные изменения.
В 2009 г. мониторинг температуры организован нами и в другом сейсмоактивном регионе Росссии - в Байкальской рифтовой зоне. Здесь измерения Т проводятся аналогичной аппаратурой (термокоса и АИТ) в стометровой скважине, расположенной на территории обсерватории «Талая» (южное побережье оз. Байкал). В результате были выявлены разнопериодные вариации температуры, которые по нашему мнению объясняются техническими причинами и не связаны с эволюцией сейсмического процесса [8].
Исследования проводились при поддержке Программы фундаментальных исследований, выполняемых совместно организациями УрО и СО РАН: проект «Теоретические и экспериментальные исследования температурных вариаций в геологической среде, связанных с геодинамическим режимом земной коры, климатическими изменениями и техногенными воздействиями» (УрО РАН -№12-С-5-1023, СО РАН - №45).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Nakamura Y and Wakita H. Precise temperature measurement of groundwater for earth-quake-prediction study // Pure and Applied Geophysics.- 1984.- V. 122,- No 2-4- P. 164-174.
2. Зубаков С.И. Термические предвестники землетрясений //Физика Земли.- 1992.- №8.-P. 72-82.
3.. Buntebarth, G.,V.M. Belikov, G.A. Ishankuliev, G. Kumsiashvili. Jerks and long-term variations in borehole temperatures in the Transcaucasus and near the Kopet-Dagh Front Fault in Turkmenistan // Cahier du Centre European de Geodynamique et de Seismologie, Luxembourg.-1997.- No 14.- P. 65-79.
4. Казанцев С.А., Дучков А.Д. Аппаратура для мониторинга температуры и измерения теплофизических свойств мерзлых и талых пород // Международная конференция «Криогенные ресурсы полярных и горных регионов. Состояние и перспективы инженерного мерзлотоведения». - Тюмень: ИКЗ СО РАН.- 2008.- С. 236-239.
5. Демежко Д.Ю., Юрков А.К., Уткин В.И., Климшин А.В. О природе температурных вариаций в скважине Kun-1 (о. Кунашир) // Геология и геофизика.- 2012.- Т. 53.- № 3.- С. 406-414.
6. Миндубаев М.Г., Демежко Д.Ю. Свободная тепловая конвекция в буровых скважинах: численное моделирование и экспериментальные данные // Мониторинг. Наука и технологии.- 2012.- №4.- С. 12-18.
7. Демежко ДЮ., Юрков А.К., Уткин В.И., Щапов В.А. Температурные изменения в скважине Kun-1 (о. Кунашир), вызванные землетрясением Тохоку (11.03.2011 г., M = 9.0) // Доклады РАН.- 2012.- Т. 445.- №2.- С. 200-204.
8. Пермяков М.Е., Дучков А.Д., Демежко ДЮ., Казанцев С.А. Результаты изучения геотемпературного поля в скважине обсерватории «Талая» (южное побережье оз. Байкал). // ГЕО-Сибирь-2011. Т.2. Недропользование. Горное дело. Новые направления и технология
поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых. Ч. 1: сб. матер. VII Междунар. научн. конгресса «ГЕ0-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. -Новосибирск: СГГА.- 2011.- Т. 2.- Часть 1. - С. 27-31.
© Д.Ю. Демежко, А.К. Юрков, А.Д. Дучков, С.А. Казанцев, 2013
