Землетрясения и подземные воды

Введение

     В последние 40-45 лет выяснилось, что  подземные воды могут влиять на процессы подготовки землетрясений, а некоторые  изменения количественных и качественных характеристик подземных вод  и газов служат предвестниками землетрясений.

     Каждый  год на земном шаре происходят несколько  сотен тысяч землетрясений, и  около ста из них - разрушительные, несущие гибель людям и целым  городам. Именно поэтому изучение предвестников  землетрясений столь актуально  в последние годы.

     Чтобы прогноз землетрясения был возможен, надо знать, как оно возникает. Основу современных представлений о  возникновении очага землетрясения  составляют положения механики разрушений. В какой-то момент трещина теряет устойчивость и начинает лавинообразно распространяться. В неоднородном материале перед образованием крупной трещины обязательно появляются различные предваряющие этот процесс явления - предвестники. На этой стадии увеличение по каким-либо причинам напряжений в области разрыва не приводит к нарушению устойчивости системы. Интенсивность предвестников с течением времени снижается. Стадия неустойчивости - лавинообразное распространение трещины возникает вслед за уменьшением или даже полным исчезновением предвестников.

     Предвестники  землетрясений весьма разнообразны. Для их выявления используются наблюдения за различными геофизическими полями. К ним относятся: геодезические наблюдения; наблюдения за деформациями земной коры; различные сейсмические наблюдения; геомагнитные и геоэлектрические наблюдения; гидрогеодинамические наблюдения и др. [6].

     Гидрогеодинамические предвестники связаны с изменением уровня воды в скважинах.   К ним относят эффекты, которые связаны с воздействием процессов подготовки землетрясений на динамику флюидов, распространённых в верхних зонах земной коры [4].

     Известно  много случаев, когда землетрясения  были вызваны деятельностью человека. Выяснилось, что эффективным инструментом воздействия человека на природные  сейсмические явления служит вода.

     К изменению сейсмической активности  приводит техногенная деятельность человека. Так, например, в районах  затопления при строительстве крупных  водохранилищ, усиливается тектоническая  активность — увеличивается частота  землетрясений и их магнитуда. Это  связано с тем, что масса воды, накопленная в водохранилищах, своим  весом увеличивает давление в  горных породах, а просачивающаяся  вода понижает предел прочности горных пород. Аналогичные явления происходят при добыче нефти и выемке больших количеств породы из шахт, карьеров, при строительстве крупных городов из привозных материалов [5].

     В своей работе мы будем рассматривать  лишь гидрогеодинамические показатели и их связь с сейсмичностью. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Гидрогеодинамические  эффекты землетрясений.

     Воздействия землетрясений на подземные воды различаются по характеру порождающих их деформаций, распространению и длительности эффектов.

   К гидрогеодинамическим  эффектам относятся: изменения уровня (дебита) подземных  вод; изменения температуры и качественных показателей подземных вод – их химического, изотопного и газового состава. Известны многочисленные примеры, указанных эффектов землетрясений. Гидрогеодинамические эффекты землетрясений, как и изменения по всем другим полям, различают по времени их проявления: предшествующие толчку (предвестники), сопутствующие (косейсмические) и последующие (постсейсмические) [4].

1.1 Предвестники землетрясений.

     Процессы  подготовки землетрясений вызывают изменения состояния насыщенной среды. Этим изменениям подвержены все  компоненты среды – твердые, жидкие и газообразные. К гидродинамическим (ГГД) предвестникам следует относить эффекты, связанные с воздействием процессов подготовки землетрясений  на динамику флюидов, распространённых в верхних зонах земной коры (вода, нефть, газ). В практике прогностических исследований основное внимание уделялось эффектам, выраженным в режиме подземных вод. На нефтяных месторождениях такие предвестники изучались по данным промысловых наблюдений. Среди газов, используемых в качестве индикаторов подготовки землетрясений, к наиболее распространённым объектам исследований относятся радон, гелий и водород. Эффекты-предвестники изучались преимущественно по газам, растворенным в подземных водах, но в последнее время всё большее распространение приобретают наблюдения за газами в подпочвенной атмосфере. Газовые эффекты обычно объединяют в группу газохимических предвестников [2].

     Наблюдения  за гидрогеодинамическими предвестниками занимают одно из первых мест в комплексе  прогностических исследований. Важная их особенность заключается в  том, что эти предвестники непосредственно  связаны с деформациями среды, развивающимися перед землетрясениями. Гидрогеодинамические предвестники, такие же как предшествующие эффекты по другим полям, разделяют по времени появления до сейсмического толчка на три категории: кратко-, средне-, и долгосрочные предвестники, соответственно часы-дни, недели-месяцы и года. Количество зарегистрированных предвестников убывает с увеличением эпицентрального расстояния, более половины их было отмечено в радиусе до 100 км от эпицентра землетрясения [4].

     Исходя  из существующих представлений о механизме сейсмических очагов, можно было полагать, что на разных стадиях подготовки землетрясения изменения режима подземных вод будут различными. Возрастание напряжений в области очага должно вызвать постепенное изменение пластового давления и, следовательно, уровня или напора подземных вод.

     На  более поздней стадии подготовки землетрясения следует ожидать  резких нарушений режима водоносных горизонтов, что связано с развитием  в очаге пластических деформаций и трещин-предвестников.

Рис 1. Изменение уровня подземных вод  перед землетрясением [2]. 

     При неглубоком положении очага образование  таких трещин может привести к  значительным изменениям напоров в  водоносных горизонтах, целостность  которых будет нарушена трещинами. Поскольку деформации, обусловленные  развитием процессов, предшествующих землетрясению, охватывает довольно большую  область вокруг потенциального очага, можно было ожидать, что столь  же широко распространяются и возмущения пьезометрических напоров водоносных горизонтов [2].

1.2 Косейсмические эффекты

        Косейсмические эффекты в системе скважина-водоносный горизонт определяются деформациями среды при прохождении через нее упругих волн, которые генерируются в очаге землетрясения. Прохождение волн нередко вызывает остаточные явления, и такого рода эффекты следует относить к постсейсмическим.  Изменение уровня воды в открытой скважине зависят от размеров скважины, водопроводимости, коэффициента упругой ёмкости и пористости водоносного горизонта, а также типа, периода и амплитуды сейсмических волн. Основной причиной гармонических колебаний уровня являются объёмные деформации (сжатие и расширение) водоносного горизонта под действием сейсмических волн, преимущественно волн Рэлея.[4] При прохождении волн за вызванными колебаниями уровня воды следуют свободные затухающие колебания (рис.1).

Реакция системы скважина-водоносный горизонт на волновые воздействия позволяет рассматривать эту систему как гидравлический сейсмограф.

      Гармонические колебания флюидного давления сопутствуют  распространению объёмных волн, однако их регистрация по колебаниям уровня воды возможна только в скважинах, имеющих  чувствительную аппаратуру с непрерывной  или достаточно частой регистрацией.

Рис. 2. Колебания уровня воды в скважине близ Перри (Флорида) при прохождении сейсмических волн [7,4]. 

      Помимо  гармонических колебаний, нередко  наблюдаются статические изменения  уровня – скачкообразные его смещения при прохождении волн. Такие смещения могут быть более или менее  длительными или необратимыми. В  этих случаях косейсмические эффекты переходят в постсейсмические [4]. На рис.3  показаны колебательные и скачкообразные вариации уровня воды в скважине в штате Флорида, вызванные катастрофическим Аляскинским землетрясением 27 марта 1964 г. с магнитудой 8,4. Здесь наряду с очень большой амплитудой колебаний (около 4 м) отмечен скачкообразный подъём уровня воды на 26 см [4]. 

Март 1964 г.

Рис. 3. Колебания уровня воды в скважине близ Перри (Флорида), вызванные землетрясением на Аляске 27 марта 1964 г [7,4]. 

      Распространение упругих волн от очагов сильных землетрясений  вызывает не только колебания уровня подземных вод,  но и загрязнение воды глинистыми частицами. Такие загрязнения неоднократно наблюдались на телесейсмических расстояниях, они образуются под действием сейсмических волн, которые вызывают резкое кратковременное возрастание скорости движения подземных вод, увлекающих с собой мелкие частицы породы.

      Следует различать два типа скачкообразных изменений уровня воды в скважинах, вызванных землетрясениями. Первый - скачки уровня в эпицентральной зоне под действием вибрационного уплотнения гранулярных пород или образовавшихся сейсмических разрывов, что приводит к изменению путей циркуляции подземных вод и их давления. Заметим, что вибрационное уплотнение вызывает только повышение уровня воды, а на практике часто наблюдалось и его снижение [4].

  Ко второму виду относятся скачкообразные изменения уровня воды, которые наблюдаются на телесейсмических расстояниях (несколько тысяч километров) от эпицентров сильных землетрясений. Различные знаки смещений уровня отражают как разуплотнение, так и сжатие пород. Скачкообразные изменения уровня воды возникают при прохождении сейсмических волн, однако эти изменения сохраняются в течение более или менее длительного времени необратимый характер и переходят в категорию постсейсмических эффектов [4].

1.3 Постсейсмические эффекты

      Постсейсмические  эффекты отражают развитие связанных  с землетрясениями деформацией  в земной коре не только в эпицентральных зонах, но и на больших (телесейсмических расстояниях). В сейсмологии постсейсмические эффекты по деформационному и иным геофизическим полям не привлекли пока должного внимания. Исключение составляют лишь афтершоки сильных землетрясений и некоторые другие показатели сейсмического режима [3].

      Постсейсмические  эффект разнообразны по своим характеристикам и распределению в пространстве и времени. Применительно к различным геофизическим полям, включая гидрогеодинамическое поле, были выделены три типа постсейсмических эффектов:

1. Эффекты, которые появились в результате образования магистрального разрыва и сопутствующих ему деформаций в очаге землетрясения и на прилегающих к нему участках;
2. Эффекты, обусловленные деформациями на контактах блоков различных порядков в процессе релаксации или перестройки поля напряжений-деформаций после землетрясения
3. Эффекты, образовавшиеся после прохождения сейсмических волн, вызванных землетрясением, на различных эпицентральных расстояниях.

   Области проявления каждого типа эффектов определяются магнитудой, механизмом землетрясения  и эпицентральным расстоянием, а  также напряженно-деформированным  состоянием среды и ее структурой (рис.2). Бесспорно, в некоторых областях формируются смешанные типы, связанные с воздействием различных факторов.

      Постсейсмические  эффекты 1 типа по гидрогеодинамическим параметрам хорошо известны. Наряду с другими изменениями режима подземных вод они фигурируют в шкале интенсивности землетрясений как один из ее показателей. Эффекты 2 типа образуются на территории, значительно превышающей размеры области очага землетрясения. Их проявления известны на расстояниях до 500 км и более от эпицентров сильных землетрясений. Характер таких эффектов зависит от движений на контактах между блоками, равновесие которых нарушено землетрясением, а также от вибро- и тензочувствительности гидрогеологических структур. Условия формирования этих эффектов определяют их мозаичное распределение и отсутствие чёткой зависимости от эпицентральных расстояний. Такие эффекты наиболее сильно проявляются на месторождениях минеральных вод, которые обычно приурочены к зонам разломов [4].

      Постсейсмические  эффекты 3 типа обусловлены воздействием сейсмических волн на напряженную среду. Если образовавшиеся при этом гидрогеодинамические эффекты продолжаются только при  прохождении волн, они относятся  к эффектам косейсмическим. Если же изменения имеют остаточный или  необратимый характер, т.е. связаны  с неупругими деформациями, они переходят в постсейсмическую фазу [4]. 

Итак, на формирование постсейсмических эффектов влияют три главных фактора: деформации, связанные с сейсмическим разрывом, изменения поля напряжений-деформаций в системе блоков после землетрясения и воздействие сейсмических волн на разрядку напряжений, которые находятся на участке расположения наблюдательного пункта.