Лекция 7. Гидрогеодеформационный мониторинг для целей сейсмопрогноза (система R-STEPS ). Методика наблюдений и их обработки

В качестве унифицированных гидрогеологических показателей на специализированной наблюдательной сети рекомендуются: уровень подземных вод, электропроводимость воды и температура подземных вод, а для контроля за влиянием внешних факторов – атмосферное давление.

Уровень подземных вод является легко регистрируемым и наиболее чувствительным индикатором геодинамических процессов, проявляющихся в изменении напряженно-деформированного состояния водонасыщенных горных пород. Из опыта работ диапазон изменения уровня подземных вод может колебаться от долей сантиметра до нескольких метров. Наряду с регистрацией колебания уровня подземных вод чувствительность аппаратуры должна обеспечить контроль за влиянием приливных и атмосферных возмущений, амплитуда которых зависит как от гидрогеологических условий пункта наблюдений так и его местоположения, и может изменяться от долей сантиметра до 15 см. В настоящее время реально достигаемая погрешность измерения колебаний уровня подземных вод составляет ± 1 см. Такими характеристиками обладают практически все средства измерения уровня воды в скважинах, используемые при гидрогеологических исследованиях. Для специализированной наблюдательной сети в целях прогноза землетрясений регистрацию изменений уровня подземных вод предполагается осуществлять измерительными комплексами типа «Радиус» (изготовитель ФГУНПП «Геологоразведка»).

Учитывая, что электропроводимость воды является интегральной характеристикой химического состава подземных вод, наблюдения за ней следует признать более перспективными, чем изучение вариаций содержания макро- и особенно микроэлементов, так как последние не всегда присутствуют в подземных водах в количествах, достаточных для надежного определения их концентраций существующими методами. Кроме того, наблюдения за электропроводимостью требуют значительно меньших затрат, чем проведение химических анализов.

Температура подземных вод является самостоятельным индикатором процессов, развивающихся в период сейсмической активности. Диапазон измеряемых температур в зависимости от глубины вскрытия подземных вод может составлять от 5°С до 100°С. Исходя из опыта гидрогеологических наблюдений в целях прогноза сильных землетрясений, ожидаемые колебания температуры за счет изменения напряженного состояния пород находятся в пределах 5°С. Датчик температуры устанавливается в интервале вскрытия водоносного горизонта и периодически его необходимо калибровать по образцовым термометрам первого разряда не реже одного раза в год.

Атмосферное давление является фактором, влияющим на изменение гидрогеологических показателей подземных вод, поэтому значения атмосферного давления необходимо постоянно регистрировать.

Информативность выбранного объекта наблюдений (водоносного горизонта) для контроля за геодинамическими процессами, в том числе предваряющих сильные землетрясения, оценивается по реакции уровня подземных вод на возмущения, вызываемые лунно-солнечными приливами. Для этого в

выбранной гидрогеологической скважине в сейсмически спокойный период в течение трех суток проводят непрерывные или дискретные измерения (с частотой не меньше одного измерения в час) колебаний уровня подземных вод при постоянном контроле атмосферного давления. Исходя из того, что изменения напряженного состояния горных пород при тектонической активизации являются по своей физической сущности аналогом изменений напряженного состояния, вызываемого процессами сжатия и растяжения горных пород под действием лунно-солнечных приливно-отливных возмущений, результаты измерений сопоставляют с графиком теоретических поправок на приливные изменения силы тяжести для данного района.

Объект наблюдения признается пригодным для организации режимных наблюдений, если в результате корреляционного анализа данных об изменении уровня подземных вод с графиком поправок на приливные изменения силы тяжести выявляется реакция уровня подземных вод на приливные возмущения. При этом минимально фиксируемая амплитуда приливного эффекта в уровне подземных вод должна быть не менее 2 см.

Для получения объективной картины изменения гидрогеологических показателей во времени частота наблюдений должна быть не реже ежечасовых замеров, а при возможности - непрерывной. Кроме того, регистрация периодических изменений уровня подземных вод под влиянием лунно-солнечных приливных возмущений позволит контролировать качество работы измерительной аппаратуры, так как в этих целях лунно-солнечные возмущения будут играть роль природного эталонного сигнала, периодически воздействующего на систему «водоносный горизонт - скважина».

Информация, получаемая в результате гидрогеологических наблюдений, должна подвергаться обработке в региональном центре и сводиться к контролю качества полученных данных и их предварительной компьютерной обработке. Данные по наблюдаемым параметрам должны заноситься в компьютер и храниться в виде файлов.

При изучении геодинамических процессов для прогноза землетрясений используются в первую очередь данные по уровню подземных вод в скважинах. Все остальные измеряемые параметры служат дополнительной информацией для оценки характера геодинамических процессов. Следует обращать

внимание на изменение УПВ более чем на 2 см за час и производить проверку данных на предмет ошибок измерений или других причин, не связанных с геодинамическими процессами. В тектонически спокойный период графики изменения параметров должны носить плавный характер. На графике изменения уровня подземных вод должны отмечаться периодические изменения уровня, обусловленные реакцией подземных вод на лунно-солнечные периодические возмущения. На графиках изменения температуры и электропроводимости из-за меньшей чувствительности этих параметров, связанной с погрешностью применяемой аппаратуры и методикой измерений, изменения, связанные с лунно-солнечными периодическими возмущениями, могут не регистрироваться.

Предварительный анализ полученных данных заключается в выявлении по графикам аномальных эффектов в нормальном ходе изменения параметров. В связи с тем, что система наблюдений рассчитана на выявление аномальных эффектов только для сильных землетрясений (с магнитудой более 5 – 6 для сейсмоактивных регионов) система обработки имеет свою специфику. Выявление аномальных эффектов-предвестников может быть выполнено только при обработке данных на региональном уровне.

Частота поступления данных от региональных центров один раз в декаду в тектонически спокойный период и при проявлении аномальных эффектов один раз в сутки. Система наблюдений, применяемая в специализированной региональной гидрогеологической наблюдательной сети, основана на том, что определение индикаторов геодинамических процессов проводится одновременно во всех пунктах наблюдений. Анализируя колебания гидрогеологических показателей во времени, в режимных данных выделяются аномальные изменения величины наблюдаемых признаков.

Отчетным материалом системы обработки данных являются карты состояния ГГД-поля и пояснительные записки к ним, в которых оценивается геодинамическая ситуация региона, направленность геодинамических процессов и возможность возникновения сейсмических событий.

Для построения карт ГГД-поля рекомендуется использовать Surfer 6.04 for Windows. Эта программа позволяет на основе нерегулярной сетки скважин проводить построение карт состояния ГГД-поля в изолиниях с переходящими зонами по степени интенсивности. Для расчета и построения карт используются значения относительных деформаций, отражающих направленность (растяжение-сжатие) и интенсивность (градации в условных единицах с различным шагом) напряженно-деформационных процессов.

Расчет значений относительных деформаций выполняется по формуле

е = b / ( b + ( Hр - Hт ),

где b – база (поправочный коэффициент), принимает значения от 1 до 100. Значение b подбирается в процессе проведения работ и согласуется с Головным информационно-прогностическим центром обработки;

Hр – реперное значение УПВ в скважине берется на момент начала функционирования скважины с условием, что по другим скважинам на это время также есть значения УПВ (для возможности создания единого реперного начала отсчета по времени).

Hт – текущее значение УПВ в данной скважине.

Полученное значение е приписывается к текущему моменту времени.

Набор карт состояния ГГД-поля на различные даты в случае наличия аномалий позволяет контролировать характер и темпы эволюции аномалии с последующим пересчетом этих данных в прогнозные показатели. Для построения карты изолиний параметра напряженности е для всех скважин рассчитывается параметр е на 09 ч по Гринвичу на каждые сутки. Затем выполняется построение карты изолиний с задаваемым шагом изолиний – 0.02, при минимальном значении е – 0.90 и максимальном – 1.25. Минимум и максимум е следует корректировать, если диапазон изменения е шире, чем предложенные значения, а шаг изолиний необходимо уменьшить, если это позволит увеличить наглядность аномалий. Подбор параметров построения карт изолиний проводится в процессе пробных построений. Затем при окончательном построении подобранные минимальные и максимальные значения е и шаг изолиний для карт на разные моменты времени не изменяются и остаются одинаковыми для всех карт. Для оценки текущего изменения геодинамической обстановки региона карты строятся с интервалом времени – одна карта в сутки на 09 ч утра по Гринвичу. В ГИПЦ ВСЕГИНГЕО передаются ежемесячные карты параметра е на 30-е число каждого месяца (для февраля 28-е или 29-е числа), т.е. один раз в месяц по одной карте. Закраска областей между изолиниями выполняется следующим образом: градациями розового цвета (от темного к светлому) в диапазоне е до 1 (области сжатия); градациями синего цвета (от светлого к темному) в диапазоне е больше 1 (области растяжения).

Осн.: 2[1-6]

Доп.: 5[1-15]

Контрольные вопросы:

1. Какие унифицированные гидрогеологические показатели рекомендуются для специализированной наблюдательной сети ГГД-мониторинга?

2. Какой показатель используется для расчета и построения карт ГГД-поля?

3. По какой формуле производится расчет значений относительных деформаций?

4. В чем заключается предварительный анализ полученных данных ГГД-мониторинга?

5. Что является отчетным материалом системы обработки данных ГГД-мониторинга?

Модуль 2