CC BY
109
ВЛИЯНИЕ СИЛЬНЫХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ НА ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ РАЗЛОМНОЙ ЗОНЫ
/р\ пл-i о
Черкашин В.И., Алиев И.А., Алибеков А.А., Идармачев И.Ш.
Институт геологии ДНЦ РАН
В статье рассматриваются данные электрического зондирования осадочных пород в скважине, полученные на станции режимных наблюдений, которая расположена в окрестности г. Избербаша в Дагестане. С целью наблюдения за кажущимся сопротивлением пород используется специальная установка для высокоточных непрерывных измерений, разработанная Институтом геологии ДНЦ РАН. Анализ данных за период наблюдений 2010-2011 гг. показывает влияние сейсмоволнового процесса сильных землетрясений на гидродинамический режим разломной зоны. Аномалии перед относительно близкими землетрясениями обусловлены криповыми подвижками в области подготовки очага на завершающей стадии, которые вызывают сжатие-растяжение водонасыщенных пород, где расположены электроды измерительной установки.
The article deals with electrical sounding data of sedimentary rocks in the well received routine observations at the station, which is located in the vicinity of the town of Izberbash in Dagestan. To observe the apparent resistivity, a special unit for precision continuous measurements developed by the Institute of Geology of Dagestan Science Center is used. Analysis of the data for the observation period 2010-2011 shows the influence seismic process of strong earthquakes in the hydrodynamic regime of the fracture zone. Anomalies before earthquakes are caused by relatively close creep advances in training focus on the final stage, which causes compression and stretching water-saturated rocks, where the electrode measuring system.
Ключевые слова: разломная зона, кажущееся электрическое сопротивление, магнитуда, афтершоки, электрическое поле.
Keywords: fracture zone, apparent resistivity, magnitude, aftershocks, electric field.
Введение
Последние годы все больше авторов [5, 8 и др.] рассматривают геологическую среду как активную диссипативную динамическую систему
взаимодействующих между собой блоков земли, а сильные землетрясения происходят в результате потери устойчивого состояния в системе крупных блоков. Существует ряд признаков перехода среды в неустойчивое состояние. Эти процессы имеют аналогию с теорией фазовых переходов [3, 4], когда вблизи критических точек в системе резко возрастают флуктуации различных параметров. В работе [6] показано, что в
ряде случаев сильные землетрясения предваряются возникновением
квазипериодических флуктуаций
различных геофизических полей, которые свидетельствуют о том, что система блоков находится в неустойчивом равновесии, а так как они находятся в поле постоянно меняющихся тектонических напряжений, достаточно даже слабого внешнего (триггерного) воздействия для потери равновесия. Триггерами могут служить, например, лунно-солнечные приливы, нутации вращения оси земли, Чандлеровские колебания Земли, воздействие сильных землетрясений и многое другое. В настоящей статье
рассматриваются данные импульсных аномалий кажущегося сопротивления пород в скважине, свидетельствующие о неустойчивом состоянии среды в разломной зоне, простирающейся вдоль западного берега Каспия.
Исходные данные
В работе использованы данные кажущегося сопротивления осадочных пород в скважине, полученные авторами в Дагестане на станции «Избербаш» с координатами ф=42,5; ^=47,8 за период наблюдений 2010-2012 гг. Расположение пункта наблюдений показано на рисунке
1.
Рис. 1. Схема расположения пункта наблюдений за кажущимся сопротивлением, разломов и движением субплит (пункт наблюдений отмечен звездочкой)
Здесь же приведена схема глобальной тектоники плит, согласно которой Аравийская плита перемещается на север со скоростью 2-3 см/год, что определяет происходящие здесь тектонические процессы. Турецкая и Иранская субплиты выдавливаются на Запад и Восток соответственно, а Восточный Кавказ оказывается зажатым между Кавказом и Скифско-Туранской плитой. В свою очередь территория Дагестанского клина имеет генетическую связь с областью активного сочленения Кавказ-
Копетдагской альпийской геологической структурой. Эта область, разделяющая Южный и Северный Каспий, характеризуется узкой полосой очагов землетрясений, максимальными
градиентами изостатических
гравитационных аномалий, магнитного
сопротивления
специально
прецизионных
«Георезистор»
поля, теплового потока и другими геофизическими полями [7].
С целью измерения кажущегося
использовалась разработанная для
наблюдений станция [2] непрерывного
действия, которая состоит из следующих основных узлов: 24-разрядного АЦП, сопряженного с ПК, слаботочного
питающего генератора разнополярных импульсов и программного обеспечения. Для электрического зондирования используется симметричный 4-электродный зонд, установленный в
скважине глубиной 50 м. Расстояние между питающими электродами равно 9 м. Приемные электроды разносом 3 м расположены в середине между
питающими электродами.
Геометрический коэффициент установки
равен К=19. В режиме вариометра относительная погрешность суточных данных не превышает 0,05%.
Осадочные породы (сарматские отложения) области расположения измерительного зонда полностью водонасыщены и имеют низкое значение удельного электрического
сопротивления, р=1.4 Ом-м. Для измерений используется специально
пробуренная необсаженная скважина, которая после установки зонда была заполнена глинистым раствором, для того чтобы изолировать зонд от влияния атмосферных осадков, давления и других экзогенных помех.
На рисунке 2 представлен график нормированных значений кажущегося сопротивления для периода наблюдений 2010-2012 гг.
Рис. 2. График кажущегося сопротивления, полученный на станции «Избербаш» в период сильных землетрясений в Японии 11.03.2011, Турции 23.10.2011 и Азербайджане 07.05.2012 (в скобках указаны эпицентральные расстояния)
В этом периоде наблюдений в Японии
11.03.2011 произошло катастрофическое землетрясение с максимально возможной магнитудой М=9,0 и длиной разрыва в очаге 400 км. Развернутый график, относящийся к данному событию, показан на рисунке 3.
Перед землетрясением видны выбросы, повторяющиеся через интервалы временами А1=5-6 суток. Амплитуды выбросов составляют 0,5-
0,8%, т. е. превышают погрешность измерений на порядок, поэтому они не могут быть обусловлены аппаратурой. Сразу после землетрясения происходит нарушение формы импульсов, которые
наблюдались до толчка. Далее, спустя 12 суток после землетрясения, начиная с 23.03.2011, происходит резкое уменьшение кажущегося сопротивления на 3,3%. Длительность аномалии равна 13 суткам. После восстановления
аномалии, начиная 04.04.2011,
кажущееся сопротивление вновь
уменьшается на 1,5% в течение 8 суток, но в последующем восстановление кривой не происходит, что свидетельствует о процессе неупругой деформации пород. После смещения кривой на нижнюю точку колебательный процесс, который наблюдался до землетрясения, вновь повторяется.
1,01
0,99
0,98
0,96
Р к,Ом*м
Л * *-*, А ил /* 1 Л*
К / * V | ¡У V У V
л/
К л/
.<*•
Рис. 3. Фрагмент графика кажущегося сопротивления до и после мегаземлетрясения в Японии 11.03.2011 (время землетрясения отмечено стрелкой)
Природа повторяющихся выбросов на графике в относительно спокойное время и аномалий, которые появляются после землетрясения, не ясна, однако можно предположить, что нарушение импульсных колебаний периодом 5-6 суток вызвано волновым процессом в блоковой системе. Сейсмические волны, вызывая сжатие-растяжение
водонасыщенных пород, приводят к изменению их электрического
сопротивления. С другой стороны, волновой процесс в зоне разлома может вызвать движение воды снизу вверх по разлому. Этот процесс в миниатюре довольно наглядно представлен на видео в Интернете, заснятом в парке Токио во время землетрясения 11.03.2011, где показано, как во времени меняются зазоры трещин на асфальтовой дорожке, а в отдельных местах вода, пульсируя, фонтанирует из трещин.
Во время волнового процесса инжекция воды снизу вверх по разлому может вызвать уменьшение кажущегося сопротивления в результате изменения порового пространства породы и минерализации воды, где находится измерительный зонд. Запаздывание аномалии от времени, когда произошло землетрясение, связано с тем, что движение воды из нижних слоев в верхние занимает определенное время, которое зависит от фильтрационных свойств пород. Если процесс движения
воды снизу вверх по разломной зоне приобретает масштабный характер, то он способен вызвать подвижку блоков по разлому в виде землетрясения или крипа. На рисунке 3 видно, что после восстановления бухтообразной аномалии сразу начинается уменьшение
кажущегося сопротивления, которое показывает смещение графика относительно уровня, которое было до землетрясения. Данное смещение графика можно интерпретировать как результат неупругой деформации по разлому. Таким образом, все три разные аномалии кажущегося сопротивления после землетрясения позволяют дать им следующую интерпретацию. Процесс сжатия-растяжения пород привел к выдавливанию воды в зоне разлома снизу-вверх, что могло привести к подвижке блоков в форме крипа.
За период наблюдений второе сильное землетрясение магнитудой М=7,2 (с координатами ф=38,7; ^=43,5) произошло
23.10.2011 в Турции в районе озера Ван на расстоянии 600 км от пункта наблюдения. Перед ним зафиксированы две различной формы аномалии уменьшения кажущегося сопротивления с амплитудами 2,8 Ом-м и 3,4 Ом-м. Длительности первого скачкообразного изменения равны трем суткам, а второго
- одиннадцати суткам. Главный толчок землетрясения совпадает с начальным периодом второй аномалии. Уменьшение
кажущегося сопротивления началось 22 числа, т. е. за сутки до землетрясения. Аномалии перед сильным
землетрясением позволяют
предположить, что они обусловлены краткосрочными предвестниками
деформационной природы, которые
приводят к сжатию-растяжению зоны разлома.
Из землетрясений, которые произошли в 2012 г. в регионе, можно выделить одно глубокофокусное ^=80 км) с
магнитудой М=5,8 (по данным ГС РАН), а по данным NEIC (Геологической службы США), магнитуда главного
толчка mww=5,6 ф=11 км). Эпицентр
располагается в 150 км от пункта наблюдения. Перед ним вначале
наблюдается медленное понижение кажущегося сопротивления на 0,6% за период времени 03.01 - 09.02.2012, а затем скорость уменьшения резко возрастает, максимальная амплитуда аномалии составляет 2,1%. После достижения графиком своего минимума кажущееся сопротивление увеличивается в течение 5 суток, но при этом полного восстановления кривой до уровня, которое было в начале графика, не произошло. Такое смещение графика по вертикали является характерным признаком неупругой деформации в среде.
На рисунке 2 также видны скачкообразные изменения кажущегося сопротивления перед землетрясением 07.05. 2012 г. с длительностями, равными 3-4 суткам, и амплитудами 1,3-2,6%. Подобного рода скачки наблюдались и перед землетрясением в Турции
23.10.2011 г. В отличие от первых двух случаев землетрясений после главного толчка третьего землетрясения не наблюдается уменьшение кажущегося
сопротивления значительной амплитуды.
В заключение анализа полученных данных можно сделать вывод о том, что зарегистрированные на станции «Избербаш» аномалии кажущегося
сопротивления до и после сильных землетрясений связаны с процессами
сжатия-растяжения пород в зоне разлома. Уменьшение кажущегося сопротивления после катастрофического землетрясения в Японии в результате воздействия
сейсмических волн указывает на изменение флюидного режима в небольшом объеме пород ^~100 м3), в центре которого находится
измерительный зонд. Очевидно, что это не «точечный» процесс, а, скорее всего, под гидродинамическим воздействием оказывается разломная зона, так как в ней деформационные процессы максимальны. Процесс смещения графика по оси ординат после сильных землетрясений показывает на неупругую деформацию породы, которая является следствием криповой подвижки блоков по разлому.
Полученные нами данные
подтверждаются результатами
электрометрических наблюдений в других районах. Так, например, авторы работы [1] показали, что предвестники электросопротивления и
электротеллурического поля на Ашхабадском полигоне обусловлены изменением флюидодинамической
обстановки в разломной зоне под действием поля тектонических напряжений в земной коре.
Для проверки данного вывода параллельно с электрическим
зондированием на станции «Избербаш», начиная с 2012 г., были начаты измерения электрического сигнала на приемных электродах. Разность потенциалов на электродах складывается из
электрического поля, возникающего
около них, и разности потенциалов поляризации. Так как электроды зонда установлены в скважине в 2007 г., можно считать разность потенциалов
поляризации уже установившейся, а вариации электрического сигнала АЦэл. на электродах будут определяться фильтрационными процессами в породе, которые происходят в окрестности электродов. Если порода испытывает сжатие или растяжение, то такой процесс приводит к возникновению градиента давления поровой воды, следовательно, и электрокинетическим процессам в породе. На рисунке 4 приведены графики суточных значений рк и АЦэл. для периода времени за 2012 г.
Из них видно, что аномалии кажущегося сопротивления совпадают с изменением электрического поля, при этом в начале и в течение суточного
периода (10.02.2012) оба параметра (рк и лиэл) уменьшаются скачком на 0,18% и 93,6 мВ. Период бухтообразного
изменения графика поля составляет почти 3 месяца.
Рис. 4. Графики кажущегося сопротивления (1) и электрического поля (2) в скважине на станции «Избербаш» перед землетрясением в Азербайджане с М=5.8 (время землетрясения отмечено стрелкой)
Процесс его восстановления начался после землетрясения 7.05.2012 г. Максимальная амплитуда изменения поляризации электродов составляет 142 мВ. Особенностью данной аномалии является то, что она была зарегистрирована на малых разносах электродов - всего 3 м. Из этого следует, что поле возникло вблизи электродов в результате сжатия-растяжения
водонасыщенных пород. Полученные нами данные подтверждают результаты авторов [1] на Ашхабадском полигоне: 1
- о фильтрационной природе аномалий; 2
- возникновении аномалий АЦэл. величиной в десятки милливольт вне зависимости от длины разносов приемных электродов.
Выводы
На одном из наблюдательных пунктов на западном побережье Каспия, где проводятся прецизионные измерения кажущегося сопротивления осадочных пород в скважине, за период 2011-2012 гг. зарегистрированы следующие аномалии кажущегося сопротивления:
- после катастрофического землетрясения в Японии (М=9),
произошедшего 11.03.2011 на удалении 7500 км от измерительного пункта;
- до и после сильного землетрясения М=7,2, происшедшего на территории Турции на расстоянии 600 км;
- перед землетрясением умеренной силы М=5,8, происшедшим на границе Азербайджана, Грузии и Дагестана на расстоянии 150 км.
Аномалии кажущегося сопротивления обусловлены процессом сжатия-растяжения пород. Воздействие сейсмоволнового процесса от сильных удаленных землетрясений приводит к кратковременному изменению
флюидодинамического режима зоны разлома, на котором расположен пункт наблюдений. Запаздывание аномалии от момента, когда произошло
землетрясение, объясняется движением флюида снизу вверх по разлому.
Аномалии кажущегося сопротивления и электрического поля перед относительно близкими
землетрясениями, возможно, связаны с криповыми подвижками в области подготовки очага на завершающей стадии, которые вызывают сжатие -растяжение водонасыщенных пород, где расположены электроды измерительной установки.
Примечания
1. Авагимов А. А., Жуков В. С., Лагутинская Л. П., Милькис М. Р. Связь электротеллурических потенциалов с движением подземных вод // Прогноз землетрясений. 1986. № 7. С. 169-175. 2. Идармачев Ш. Г., Алиев М. М., Абдулаев Ш.-С. О., Хаджи Б. А. Станция для электрического зондирования «Георезистор». Современная геодинамика, глубинное строение и сейсмичность платформенных территорий и сопредельных регионов // Мат-лы Международной конференции. Воронеж. 2001. С. 86-87. 3. Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Статистическая физика. М. : Наука,
1976. С. 584. 4. Паташинский А. З., Покровский В. Л. Флуктуационная теория фазовых
переходов. М. : Наука, 1982. С. 382. 5. Садоский М. Б., Лукк А. А., Сидорин А. Я., Сидорин И. А. Проблемы интерпретации временной структуры геофизических полей. М. : ИФЗ РАН, 1993. 100 с. 6. Сидорин А. Я. Квазипериодические флуктуации геофизических полей при переходе среды в неустойчивое состояние // Изучение природы вариаций геофизических полей. М. : ИФЗ РАН, 1994. С. 79-89. 7. Уломов В. И., Поляков Т. П., Медведева Н. С. Динамика сейсмичности
бассейна Каспийского моря // Физика Земли. 1999. № 12. С. 76-82. 8. Benjamin T. B.
Difurcation phenomena in steady flows of a viscous fluid. I. Teory. II. Exsperiment // Proc. Roy. Soc. London A. 1978. V. 359. P. 1-43.
Статья поступила в редакцию 26.02.2013 г.
