Лекция 6. Гидрогеодеформационный мониторинг для целей сейсмопрогноза (система R-STEPS ). Общие сведения и требования к сети наблюдений

Поисками надежных предвестников сейсмических катастроф человек занимается с давних времен. Созданные к настоящему времени многообразные сейсмопрогностические разработки значительно различаются как по детальности и обоснованности предлагаемых решений так и по физическим возможностям и достоверности их реализации.

Среди множества известных подходов к решаемой проблеме заметное место принадлежит гидрогеологическим методам, поскольку подземные воды, являясь по существу несжимаемой субстанцией, воспринимают всевозможные стрессы, которые испытывают горные породы, и поэтому представляют собой высокочувствительное «рабочее тело», дающее возможность отслеживать быстротекущие эволюции смены состояния обширных геологических толщ.

Многолетние исследования особенностей функционирования подземной гидросферы привели к обнаружению новой разновидности естественного поля - гидрогеодеформационного (ГГД) поля Земли, изменение состояния которого диктуют процессы эволюции напряженно-деформированного состояния земной коры, развивающиеся в реальном времени в пределах всех геологических сооружений планеты.

Результаты комплексных исследований ГГД-поля были признаны научным открытием (диплом № 273) и зарегистрированы в 1982 г. с формулой: Явление глобально распространенных быстропротекающих пульсационных изменений в гидрогеосфере, обусловленное способностью последней реагировать на изменения напряженно-деформированного состояния литосферы (Гидрогеологический эффект Вартаняна - Куликова).

В последние годы исследования закономерностей функционирования ГГД-поля Земли, выполнявшиеся во ВСЕГИНГЕО, обеспечили возможность создания комплексной технологии слежения за геодинамическими процессами, предваряющими сильные землетрясения (система МУАР), а затем дали подходы к решению одной из наиболее сложных задач современности - краткосрочному прогнозу разрушительных сейсмических событий (система R-STEPS - Regional Earthquake Short Term Prediction System).

Система МУАР и ее последующая модификация - система RE-STEPS - развивались и апробировались на региональной сети ГГД-мониторинга, создание которой было начато в 1985 г. в сейсмически активных регионах России, Грузии, Армении, Азербайджана, Украины, Молдавии, Казахстана, Туркмении, Киргизии, Узбекистана. К 1991 году сеть включала около 170 пунктов наблюдений, представленных гидрогеологическими скважинами особой конструкции и полуавтоматическими регистрирующими комплексами конструкции ВСЕГИНГЕО.

Все работы в упомянутых регионах выполнялись по единой программе и методике, что обеспечило получение исключительно ценной информации о быстрых процессах, протекающих на обширных пространствах геодинамически

активной Евразии. В настоящее время технология ГГД-мониторинга как основа слежения за развитием геодинамической обстановки в крупных регионах признана патентными службами России, США, Италии, Греции, Ирана, Турции, а также патентным ведомством Европейского Союза.

Огромный фактический материал, наработанный с 1982 г., показал, что:

- технология мониторинга ГГД-поля (в обеих модификациях - МУАР и R-STEPS) обеспечивает надежное отслеживание малейших эволюций поля напряжений-деформаций, охватывая при этом весьма протяженные ареалы;

- ГГД-мониторинг для своей реализации требует согласованных действий всех специалистов, работающих по данной проблеме в различных регионах России и сопредельных государств. Последнее обстоятельство требует обязательного объединения усилий государств, заинтересованных в разрешении данной проблемы, с целью создания системы ГГД-мониторинга как важнейшего информационного элемента Международной системы сейсмической безопасности;

- анализ полученного материала выявил множество новых черт поведения ГГД-поля, что потребовало совершенствования ранее разработанных методик и послужило основой для постановки специальной работы во ВСЕГИНГЕО по разработке новых методических указаний.

Процессы взаимных перемещений геологических блоков, воздействие эндогенных и экзогенных процессов вызывают напряжения на границах этих сооружений, а также в пределах внутриплитных пространств. Совокупное действие названных естественных факторов, а в некоторых случаях и техно-

генных процессов формируют глобально функционирующее поле напряжений-деформаций. Существование такого поля регистрируется путем регионального мониторинга напряженно-деформированного состояния геологической среды, где постоянно в реальном времени возникают и разрушаются гигантские короткоживущие структуры растяжения и сжатия. Эти незримые изменения качественного состояния геологических толщ проявляются в многообразных формах экзо- и эндогеодинамических процессов, имеющих в большинстве случаев разрушительный характер. В тех районах Земли, где скорость накопления напряжений преобладает над скоростью их релаксации, одновременно могут существовать участки земной коры, находящиеся в состоянии, близком к пределу длительной прочности. Отражением такого состояния является повышенная сейсмичность и связанные с этим эндо- и экзогенные геологические процессы.

Нормальное функционирование системы ГГД-мониторинга возможно лишь на базе специализированной региональной наблюдательной сетигидрогеологических скважин, обеспечивающей получение исходной информации о режиме подземных вод как производной развития геодинамических процессов в регионе.

Несмотря на то, что исходные данные по формальным показателям являются собственно гидрогеологическими (например, уровни подземных вод), сущность величин, получаемых в результате последующих вычислений, приобретает геомеханическую или, более точно, геофизическую природу.

При реконструкции состояния ГГД-поля исследователи оперируют показателями относительной деформации горных пород (сжатие, растяжение), на основе чего воспроизводится пространственное распределение короткоживущих структур деформации на конкретный момент времени в пределах ареала мониторинга.

Установленные в результате исследований особенности функционирования ГГД-поля за последние 15 лет дали возможность утверждать, что:

ГГД-поле имеет глобальное развитие и представлено широким разнообразием (по форме и размерам) короткоживущих структур деформации, возникающих и разрушающихся в пределах ареала наблюдений в течение суток - месяцев, граничащих друг с другом, замещающих друг друга и в короткие интервалы времени видоизменяющих общий рисунок регионального (глобального) поля напряжений.

В асейсмические периоды ГГД-поле отличается хаотическим, быстро сменяющимся рисунком, однако по мере «созревания» сильного землетрясения хаос сменяется упорядоченностью, формированием устойчивых во времени и в пространстве структур сжатия и растяжения. После разрядки сейс-

мической энергии в большинстве случаев регистрируется разрушение длительно существовавшей структуры ГГД-поля и восстановление структурного хаоса;

в процессе подготовки землетрясений даже умеренной мощности принимают участие массивы горных пород на площадях, затрагивающих многие сотни и даже первые миллионы квадратных километров;

скоротечность эволюции геодинамической обстановки и дальнодействие возмущающего деформационного импульса (формирование которого обусловлено совокупным воздействием на матрицу факторов эндо-, экзо-, космогенной и даже техногенной природы) позволяет осуществлять устойчивый мониторинг развития геодинамической обстановки на весьма протяженных ареалах;

методы ГГД-мониторинга, разработанные для контроля геодинамической обстановки, обеспечивают возможность высокочувствительной регистрации объемных изменений (до d · 10^-7 - 10^-9) горных пород с любой наперед заданной (или меняющейся по необходимости) временной дискретностью;

анализ карт, получаемых на любой заданный момент времени, обеспечивает возможность принятия решения о характере развития геодинамической обстановки и оценки степени ее опасности с точки зрения возможных сейсмических событий.

Региональная сеть ГГД-мониторинга состоит из системы наблюдательных скважин, обеспечивающих изучение эволюции состояния гидрогеосферы. Исходя из установленной зависимости максимального радиуса проявления аномальных эффектов от магнитуды землетрясения, минимальная плотность сети наблюдений для изучения процессов, предваряющих землетрясения с магнитудой 6 и более, должна составлять - один пункт на площадь 40 000 км2, а с магнитудой 5 - один пункт на площадь 10 000 км2.

Наряду с изучением долговременного режима подземных вод наблюдательная сеть должна обеспечить изучение краткосрочных аномальных эффектов, предваряющих разрушительные землетрясения.

Наблюдательная сеть должна создаваться с учетом возможности максимального использования существующих гидрогеологических скважин, а также скважин, пробуренных в иных целях, но пригодных для проведения гидрогеологических режимных наблюдений.

В составе региональных сетей могут создаваться полигоны. Заложению полигонной сети предшествует анализ ранее выполненных геологических, гидрогеологических, геофизических и других работ, технико-экономическое обоснование, а также крупномасштабные заверочные комплексные исследования с бурением специализированных гидрогеологических скважин. В полигон могут быть объединены ряд скважин региональной наблюдательной сети, размещенных, как в аномальных геолого-структурных позициях, так и на участках сильно разреженной сети. В этой связи, площадь полигона для отдельных регионов может достигать тысяч квадратных километров, т.е. представлять ту же региональную сеть с расширенной функцией.

Полигонная сеть в идеальном исполнении должна представлять собой автоматизированную экспериментальную сеть, оснащенную современными средствами измерений, обработки и передачи информации. В таком виде сеть работает в круглосуточном режиме. Простой в измерениях более 3 ч считается аварией с невосполнимой потерей информации. Установление причин и ликвидация последствий должны оформляться соответствующим актом.

Структура, объем и регламент информационного обмена для полигонов остаются общепринятыми для всей системы ГГД-мониторинга. В структуре ФССН России на базе полигонов предусмотрено также создание геофизических отрядов быстрого реагирования для оперативного и расширенного проведения наземных геофизических наблюдений в местах выявленных аномалий.

Наблюдательная скважина должна вскрывать напорный водоносный горизонт с глубиной залегания уровня воды ниже поверхности Земли. Выбираемый для наблюдений водоносный горизонт должен иметь устойчивый естественный режим и быть изолированным от возможного воздействия техногенных и климатических факторов.

Техническое состояние наблюдательной скважины должно надежно обеспечивать гидравлическую связь скважины с водоносным горизонтом и исключать перетоки из других водоносных горизонтов и наоборот. Наблюдательная скважина должна располагаться на участках, выбор которых проводится по данным сейсмического районирования и специального полевого обследования.

Конструкция наблюдательной скважины должна обеспечивать возможность проведения измерений стандартизованными аппаратурой и оборудованием и в обязательном порядке исключать несанкционированный доступ в ствол. Наблюдательная скважина должна обеспечивать круглогодичные наблюдения за режимом подземных вод. В условиях низких температур должны быть проведены мероприятия, исключающие перемерзание скважины.

В пределах региона одну, или несколько наблюдательных скважин желательно совмещать с существующей сетью метеорологических станций и пунктов.

На наблюдательной скважине необходимо осуществить плановую и высотную привязку, которая должна обеспечить вычисление географических координат пункта наблюдения, абсолютной отметки высоты устья скважины и поверхности земли в предустьевой части.

Наблюдательная скважина должна быть обеспечена непрерывным электропитанием от стационарной электросети, а также аварийным электропитанием. Измерительные комплексы, работающие на автономном источнике электроэнергии, должны иметь запасные блоки питания пока сеть не будет полностью переоснащена автономными средствами измерений.

Помещение, где находится скважина, должно исключать несанкционированный доступ к устью скважины и регистрирующей аппаратуре.

Осн.: 2[1-6]

Доп.: 5[1-15]

Контрольные вопросы:

1. Объясните гидрогеологический эффект Вартаняна – Куликова.

2. Что такое гидрогеодеформационное (ГГД) поле Земли?

3. Что позволяют осуществить исследования закономерностей функционирования ГГД-поля Земли?

4. В каком году было начато создание региональной сети ГГД-мониторинга в сейсмически активных регионах России, Грузии, Армении, Азербайджана, Украины, Молдавии, Казахстана, Туркмении, Киргизии, Узбекистана?

5. На базе каких скважин строится специализированная региональная наблюдательная сеть системы ГГД-мониторинга?

6. Какова минимальная плотность сети наблюдений для изучения процессов, предваряющих землетрясения с магнитудой 6 и более?

7. Какая длительность простоя измерений в автоматизированной экспериментальной сети ГГД- мониторинга, оснащенной современными средствами измерений, обработки и передачи информации считается аварией с невосполнимой потерей информации?

8. Каким должен быть выбираемый для наблюдений ГГД-мониторинга водоносный горизонт?