CC BY
60
УДК 551.24:528.7 (202), К78
ВАРИАЦИИ ПРИЛИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ*
Владимир Юрьевич Тимофеев
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией, тел. (383)335-64-42, e-mail: [email protected]
Екатерина Ивановна Грибанова
Сибирский филиал Геофизической службы СО РАН, 630090, г. Новосибирск, пр. Академика Лаврентьева, 13-3, научный сотрудник
Дмитрий Геннадьевич Ардюков
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, [email protected]
Антон Владимирович Тимофеев
Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 3, младший научный сотрудник, [email protected]
Изучение современных смещений и деформаций земной коры необходимы для решения различных задач геофизики в широком пространственном и временном спектре. Измерения деформаций проводятся различными методами в штольнях и скважинах. В работе представлены результаты измерений на комплексной станции Талая (Байкальский регион). Вариации приливных параметров позволяют оценивать параметры зоны трещиноватости и провести сравнение с уровнем сейсмической активности региона.
Ключевые слова: модель приливной деформации Земли, лазерный деформограф, измерения в штольне и в скважине, землетрясения в Байкальском регионе.
VARIATION OF TIDAL PARAMETERS AND EARTHQUAKES
Vladimir Yu. Timofeev
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Doctor of Science, Chief of the Laboratory, e-mail: [email protected]
Ekaterina I. Gribanova
Siberian Branch of Geophysical Survey SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 13-3 Lavrentieva Prospect, Scientific Worker
Dmitrii G. Ardyukov
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Ph. D., Senior Scientific Worker, e-mail: [email protected]
Работа была выполнена в рамках Интеграционного проекта СО РАН № 76, проекта Президиума РАН № 4.1 и Программы РАН ОНЗ 6-2.
Anton V. Timofeev
Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 3 Koptyug Prospect, Scientific Worker, e-mail: [email protected]
Current study of crust displacement and strain are impotent for geophysics tasks in time and in space. Different methods were used for deformation's measurements into underground gallery and into key-hole. Experimental measurement results at Talaya station (Baikal region) were presented. Variation of tidal parameters allowed us estimate of cracking zone and of regional seismic activity.
Key words: Tidal model of the Earth; laser extensometer; measurements into underground gallery and into key-hole; earthquakes at Baikal region.
Приливные деформации Земли охватывают всю планету от её центра до
о
поверхности, имеют амплитуду порядка единиц 10- , а приливная сила точно рассчитывается [1, 2]. Экспериментальный выбор приливных моделей Земли проведен с использованием данных, полученных с помощью цифровых приливных гравиметров [3, 4]. Результаты измерений приливных деформаций более подвержены локальным поверхностным воздействиям. Задачи нашего исследования включали: приливный анализ данных лазерного деформографа, полученных в 90-метровой штольне; выделение многолетнего тренда и аномальных особенностей, связанных с землетрясениями; сравнение результатов приливного анализа, полученных в штольне и в скважине; выбор моделей приливных эффектов, оценка модели для зоны трещиноватости.
Рассмотрим результаты, полученные на пункте комплексных наблюдений Талая (Байкальская рифтовая система) (рис. 1).
51,683 Скважина, водн.уровень, Н = 552 м |_
Гравит.пункт, Н = 553 м •си
L = 333 м ......................
GPS пункт, _ Штольня, Н =563 м Н = 578 м Of
- 51,678 40°N
103,635 103,636 103,637 103,638 103,639 103,64 103,641 103,642 103,643 103,644 103,645
Рис. 1. Комплексная станция Талая, координаты (широта и долгота в градусах). Показано положение пунктов измерений: скважина, штольня, гравиметрический пункт и пункт космической геодезии. Сплошной линией показана приблизительная ориентация горной долины
Он находится на северной границе юго-западной части БРС и Сибирской платформы. Границей является глубинный разлом, пересекающий литосферу (мощность земной коры 45 км). По результатам геологических и сейсмологических исследований регион отличается сдвиговым левосторонним движением по Главному Саянскому разлому, расположенному в 3-5 км к северу от станции. Ориентация долины, на бортах которой расположены пункты измерений с. Талая, показана на рис. 1.
Высокоточные измерения различных видов деформаций и наклонов в БРС начаты на сейсмостанции Талая (51.68°Ы, 103.65оЕ) весной 1985 года. Положение станции определяет сложный характер локального деформирования. Для исключения поверхностных эффектов измерения проводятся в штольнях на глубине более 50 м. Штольня станции Талая имеет длину 90 м и шесть поперечных штреков длиной до 25 м. Здесь проводятся измерения в двух азимутах с помощью лазерного деформографа. Наличие современных приливных моделей позволяет проводить исследования приливных деформаций, используя датчики, установленные в скважинах или штольнях. Экспериментально установлено, что отражение эффектов полости и локальных особенностей земной коры (линейных зон трещиноватости, зон глубинных разломов) в приливных деформациях для станций Талая достигают 10 % в амплитуде и 9° в фазовом сдвиге. Измерять вариации во времени позволяет лазерный приливный деформограф (база 25 м), метрологические характеристики которого стабильны во времени, т.к. они привязаны к фазе и длине волны лазера. Ещё одним методом приливных исследований являются измерения в скважинах. Они проясняют природу вариаций. Рассмотрим отражение локальных эффектов в приливных вариациях водного уровня в скважине на станции Талая. Цифровая запись уровня воды проводится на скважине с 2007 года практически круглый год за исключением нескольких зимних месяцев (перемерзание воды в скважине). Здесь используется ультразвуковой датчик чувствительностью до 0.1 мм. Приливные вариации для скважины №1608 на сейсмостанции Талая, пробуренной в монолитных мраморах, достигают 2 мм. Наличие приливных вариаций малой амплитуды свидетельствует о том, что в данном случае можно использовать модель «ограниченная полость» [1]. Изменение уровня для этой модели записывается как:
если в знаменателе выражение, включающее радиус, много меньше выражения, включающего объём (в нашем случае это объём трещин в породе), получаем:
где А = dV/V - дилатация, г^ - радиус скважины, р - плотность воды, g - ускорение силы тяжести, V - объём трещин, dV - его изменение, К - модуль объёмного сжатия воды. Из приливного анализа уровня, проведенного в сравнении с объёмной деформацией, получено значительное положительное значение сдвига фазы. Чтобы исключить этот парадокс, далее был проведен анализ и вы-
dH = dV / [лА + (р-^У / К,)],
(1)
dH = А-К/р%
(2)
брана компонента деформации с минимизацией фазового запаздывания - горизонтальная деформация в азимуте 130^ (рис. 2).
Рис. 2. Определение ориентации линейной деформации по минимуму фазового сдвига (приливный анализ для полусуточной волны М2 уровня
воды в скважине станции Талая)
Подобное направление деформации можно объяснить наличием системы трещин вдоль горной долины по ручью Талая, ориентированной в азимуте 40°^ т.е. ортогонально приложенной силе (рис. 1). Физическая модель системы линейных трещин - сильфон показана на рис. 3. Определим параметры системы трещин. Для приливной волны М2 из приливного анализа имеем отношение dH/ds = 0.10 мм/нанострейн (при теоретической амплитуде деформации 6.6505 нанострейн (10-9), экспериментальной амплитуде уровня 0.675 мм). Сравним выражения в правой и левой частях для соотношения dH = Для dHт (теоретическая) = = 1.56 мм. Таким образом, эксперимен-
тальное значение в два раза ниже теоретических расчётов. Полагая, что в формуле (1) соотношения в знаменателе приблизительно равны, можно оценить объём. Для скважины на Талой при г№ = 0.07 метра в соответствии с выражени-
9 9 ^ ^
ем п-г ъ = 0.015 м = (р^ У/Къ) получаем для объёма V = 3 ■ 10 м . Пусть объём охватывает систему близповерхностных трещин. Предположим, система включает десяток трещин, шириной 0.01 м и глубиной 100 м, в этом случае их протяженность составит 300 м вдоль долины.
Сравнение результатов приливных анализов штольневых и скважинных измерений показывает сходный характер долговременных вариаций (2005-2009 гг.) в эпоху Култукского землетрясения 27.08.2008 года. Из приливного анализа данных лазерного деформографа получен график изменения во времени амплитудного фактора и фазового запаздывания для приливной полусуточной волны М2 (рис. 4).
Рис. 3. Физическая модель. Система ориентированных трещин, работающая как сильфон. Ориентация системы трещин 40°К, ориентация оси сильфона (направление приливной силы) 130°М Точка - возможное положение скважины. Система с одной степенью свободы - сильфон, работает, как пружина, ориентированная вдоль оси сильфона
0,72 0,7 0,68 0,66 0,64 0,62
■■_■ ■■■■■
- —
0,6
—1—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—I—
Рис. 4. Вариации значения амплитудного фактора (отношение экспериментального результата к теоретическому значению). Период
наблюдений - с 1995 по 2014 гг. Лазерный деформограф, два ортогональных 25-метровых плеча, штольня сейсмостанции Талая
Из анализа следует наличие отклонений от среднего в периоды сильных землетрясений (1999 и 2008 гг.). График вариаций фазового сдвига выявил его переход на новый уровень (изменение на 2 градуса), что свидетельствует об изменении трещиноватости в зоне разлома в результате близкого (25 км) Култук-ского землетрясения (М = 6.3) при растяжении в эпицентральной области. Для станции Талая скачок в момент Култукского землетрясения (27.08.2008,
М = 6.3, в 25 км) позволил оценить изменение деформации - косейсмическое растяжение величиной 110-6. Определения 3D-смещений проводилось по данным GPS-измерений. Получены косейсмические смещения величиной -2 ± 2 мм (N), +10 ± 2 мм (E), -15 ± 5 мм (V). Используя экспериментальные косейсмические параметры, решая обратную задачу итерационным методом, было выбраны параметры землетрясения, которые оказались сходными с сейсмологическими определениями
В результате многолетних исследований (1995-2014 гг.) сделаны следующие выводы. Вариации амплитуд и фаз приливной деформации по результатам многолетних измерений в Байкальской рифтовой зоне могут достигать 3 % в амплитуде и до 3° в сдвиге фаз, что может быть вызвано изменением структуры и гидродинамических условий в зоне трещиноватости вдоль долины Талая и в зоне Главного Саянского разлома. Положение осей деформации изменилось после регионального землетрясения (27.08.2008, М = 6.3, 25 км).
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Melchior P. Tidal interactions in the Earth Moon system // Chronique U.G.G.I., N210, Mars/Avril, MHN, Luxembourg, - 1992. - P. 76-114.
2. Dehant V, Defraigne P, Wahr J. Tides for a convective Earth. // J. Geoph. Res. - 1999 -104. - B1. - P. 1035-1058.
3. Timofeev V., M. van Ruymbeke, Woppelmans G., 2006, Tidal gravity observations in Eastern Siberia and along the Atlantic coast of France. // Journal of Geodynamics. - 2006. - V. 41. -P. 30-38.
4. Ducarme B., Timofeev V.Yu., Everaerts M. A Trans-Siberian Tidal Gravity Profile (TSP) for the validation of the ocean tides loading corrections. // Journal of Geodynamics. - 2008. - doi: 10.1016/j.jog.2007.07.001
© В. Ю. Тимофеев, Е. И. Грибанова, Д. Г. Ардюков, А. В. Тимофеев, 2015
