Г В Куликов ГИДРОГЕОДЕФОРМАЦИОННЫЙ МОНИТОРИНГ О землетрясениях

Г. В. Куликов ГИДРОГЕОДЕФОРМАЦИОННЫЙ МОНИТОРИНГ

О землетрясениях n n В России более 20 млн. человек постоянно испытывают угрозу разрушительных землетрясений. Американские ученые оценивают потери от природных катастроф за 10 -летие в 400 млрд. долларов, из которых 280 млрд. долларов могут быть сохранены, если 40 млрд. долларов будут затрачены на прогнозирование катастроф. В Концепции национальной безопасности Российской Федерации, утвержденной Указом Президента РФ от 17. 12. 1997 года № 1300, отмечается, в частности, что защита личности, общества и государства от чрезвычайных ситуаций природного характера и их последствий является важнейшей составляющей национальных интересов России. Государственным документом в деле обеспечения безопасности от природных катастроф является Постановление Совета Федерации от 30. 10. 2002 г № 434 -СФ «О мерах по предупреждению и ликвидации последствий катастрофических природных явлений» .

Разрушительные землетрясения n n n n 1455 год. Италия, Неаполь. Общее число жертв – 40 тысяч человек. 1556 год. В китайской провинции Шэньси землетрясением вызвано множество оползней и обвалов. Погибло 830 тысяч человек. 1737 год – Калькутта (Индия) - 300 тыс. погибших. 1755 год. Разрушен Лиссабон. Число жертв – около 60 тысяч. 1908 год. Сильное землетрясение в районе Мессинского пролива (Италия) разрушило город Мессину и унесло 120 тысяч жизней 1920 год – землетрясение в Китае (провинция Ганьсу) вызвало оползни. Погибло около 200 тысяч человек. 1923 год. Район Токио оказался в зоне землетрясения. Огромный ущерб нанесли пожары и цунами. Количество жертв 143 тысяч человек 1948 год – Ашхабад (Туркмения); до 100 тыс. погибших 1975 год. В провинции Ляонин (Китай) при сильном землетрясении (предсказанное) число жертв составило всего несколько десятков человек. Данный случай исключительный. 1976 год. Землетрясением был разрушен город Таншан и ряд поселков. Погибло около 650 тысяч человек. 1988 год. Спитак (Армения) - 25 тыс. погибших. 1990 год. Западный Иран - 40 -50 тыс. погибших 2003 г. Горный Алтай. Один удар за другим. 8, 4, снова 8 баллов. 11 тыс. лет назад землетрясение прорвало Босфор и в Черное море хлынула вода, затопив прибрежные села и города. 17 тыс. лет назад мощное землетрясение оторвало от нынешней Турции остров Самос.

Шкала интенсивности землетрясений Баллы Краткая характеристика (по С. В. Медведеву) I Колебания почвы отмечаются приборами. II Ощущаются в отдельных случаях людьми, находящимися в спокойном состоянии. III Колебания отмечаются немногими людьми IV Колебания отмечаются дребезжание стекол. V Качание висячих предметов, многие спящие просыпаются. VI Легкие повреждения в зданиях. VII Трещины в штукатурке и откалывание отдельных кусков, тонкие трещины в стенах VIII Большие трещины в стенах, падение карнизов, дымовых труб. IX В некоторых здания обвалы – обрушение стен, перекрытий, кровли. X Обвалы во многих зданиях. Трещины в грунтах шириной до 1 м. XI Многочисленные трещины на поверхности земли, большие обвалы в горах. многими людьми. Возможно

Шкалы интенсивности землетрясений Сопоставление наиболее часто используемых сейсмических шкал (по Н. В. Шебалину) Шкала Росси. Фореля 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Шкалы типа Меркалли - Канкани и шкала MSK- 64 Медведева – Шпонхойера - Карника 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Шкала Японского Метеорологического Агентства 0 1 2 3 4 5 6 7

Энергетическая классификация землетрясений Магнитуда (М или m) землетрясений – введена Б. Гуттенбергом и Ч. Рихтером. Для расчета М используется эмпирический закон изменения максимальной амплитуды сейсмической волны (А) или скорости колебания (А/Т) с эпицентральным расстоянием (Δ), т. е. расстоянием до эпицентра. Калибровочная функция: σ (Δ) : М = lg A + σ A(Δ) или М = lg A/T + σA/T (Δ), где Т – период волны. Максимально известное значение М приближается к 9. За год на земном шаре в среднем происходит землетрясений: 1 - с Магнитудой ≥ 8; 10 - с Магнитудой = 7 – 7, 9; 100 - с Магнитудой = 6 – 6, 9; 1000 - с Магнитудой = 5 -5, 9; 10 000 – с Магнитудой = 4 – 4, 9 Для перехода от М землетрясения к энергии (Е) сейсмических волн обычно пользуются соотношением: lg E = 11, 8 + 1, 5 M

В России для классификации землетрясений на близких расстояниях (до 1000 км) широко применяют шкалу энергетических классов (К). Под классом понимается логарифм энергии (в Дж) сейсмических волн, прошедших через окружающую очаг референц-сферу радиусом 10 км ( в таком понимании класс представляет собой разновидность магнитуды). Значения К определяются с помощью специальной номограммы по сумме амплитуд волн P и S. Ежегодно в среднем на Земле через землетрясения освобождается порядка 1019 Дж потенциальной тектонической энергии, которая, в конечном счете, идет на разрушение горных пород и их нагрев. Это соответствует 0, 01 % тепловой энергии, излучаемой Землей в космическое пространство. На главный пояс сейсмичности Земли, который узкой полосой обрамляет Тихий океан и связан с системой глубокофокусных желобов (в том числе Курило-Камчатским) приходится около 80 % мировой сейсмической энергии. Предельно высокая сейсмичность в этой области вызвана подвигом холодной океанической литосферы под материки, окружающие океан и окраинные моря.

Главные сейсмические пояса Земли 1. Тихоокеанский – узкой полосой обрамляет Тихий океан и связан с системой глубокофокусных желобов. Предельно высокая сейсмичность в этой области вызвана подвигом холодной океанической литосферы под материки, окружающие океан и окраинные моря. 2. Евроазиатский – протягивается с северо-запада на юго-восток и совпадает со складчатыми сооружениями альпийского возраста. К нему примыкает также ряд сейсмоактивных областей новейшей тектонической активизации. Землетрясения в этом поясе происходят в результате давления Евроазиатской плиты с одной стороны и Индийской, Аравийской и Африканской плит – с другой. 3. Срединно-океанических хребтов и континентальных рифтовых зон – характеризуется сейсмичностью, связанной с раздвижением литосферы.

Территория России находится в пределах Северной Евразии, сейсмичность которой обусловлена интенсивным геодинамическим взаимодействием крупных литосферных плит - Евроазиатской, Африканской, Аравийской, Индо-Австралийской, Китайской (Амурской), Тихоокеанской, Северо-Американской и Охотоморской. Наиболее подвижными и, следовательно, сейсмоактивными являются границы плит, где формируются крупные сейсмогенерирующие орогенические пояса: Альпийско-Гималайский - на юго-западе, Трансазиатский - на юге, пояс Черского - на северо-востоке и Тихоокеанский пояс - на востоке Северной Евразии. Каждый из поясов неоднороден по геолого-тектоническому строению, прочностным свойствам, геодинамике и состоит из своеобразно структурированных сейсмоактивных регионов.

n n n Все сейсмоактивные регионы имеют примерно одинаковую протяженность (около 3 тыс. км), обусловленную размерами древних и современных зон субдукции, расположенных по периферии океанов, и их орогенических реликтов на континентах. Преобладающее число очагов землетрясений сосредоточено в верхней части земной коры на глубинах до 15 -40 км. Землетрясения с очагами на глубинах до 650700 км происходят в Курило-Камчатской зоне субдукции. С глубиной залегания очагов от 70 до 300 км землетрясения проявляются, в основном, за пределами России: Восточные Карпаты (Румыния, зона Вранча, глубина до 150 км); Центральная Азия (Афганистан, зона Гиндукуша, глубина до 300 км); Большой Кавказ; центральная часть Каспийского моря (до 100 км и глубже).

Литосфера подразделена на ограниченное число тектонически обособленных плит. Выделение границ между ними проведено по размещению очагов землетрясений. Внутренние части плит практически асейсмичны (очень слабо сейсмичны, но есть исключения). Основное выделение сейсмической энергии происходит на границах между плитами. В большинстве случаев эти границы достаточно четкие (не везде).

Существует 3 рода взаимных перемещений тектонических плит и соответственно границ между ними: - ДИВЕРГЕНТНЫЕ границы, вдоль которых происходит раздвижение плит (спрединг). На дивергентных границах, вдоль спрединга, происходит непрерывное рождение новой океанской коры. Поэтому эти границы называют еще КОНСТРУКТИВНЫМИ (за счет океанской коры наращивается континентальная кора); - КОНВЕРГЕНТНЫЕ границы, на которых идет сближение плит, обычно выражающее подвигом океанской плиты под континентальную или под другую океанскую плиту (процесс субдукции). Столкновение двух континентальных плит, тоже обычно с некоторым подвигом одной под другую, называют коллизией; - ТРАНСФОРМНЫЕ границы, вдоль которых происходит горизонтальное скольжение одной плиты относительно другой по плоскости трансформного разлома. Все границы плит на поверхности Земли сочленяются друг с другом. Особый интерес представляют тройные сочленения, где сходятся 3 такие границы, причем они могут быть разного рода – оси спрединга, оси глубоководных желобов, зоны субдукции, трансформные разломы.

n n Площадь поглощаемой в зонах субдукции океанской коры равна площади коры, нарождающейся в зоне спрединга. Субдукция компенсирует спрединг, поэтому общая площадь Земли, ее объем и радиус могут оставаться неизменными, хотя в принципе возможен учет некоторых его изменений, предполагаемых гипотезами контрактации, пульсации и расширения Земли. Волочение литосферных плит астеносферным течением вследствие вязкого сцепления между литосферой и астеносферой не считается единственной и даже главной движущей плиты силой, поскольку вязкости литосферы и астеносферы существенно различаются. Большая роль отводится двум другим силам – отталкиванию литосферных плит от осей срединных хребтов под влиянием гравитации вследствие их значительного превышения над абиссальными равнинами, а также затягиванию в зоны субдукции вследствие того, что зрелая океанская литосфера тяжелее астеносферы, в которую она погружается

Сейсмическое районирование проводится на основе оценки и картирования ожидаемого поверхностного эффекта землетрясений в заданном регионе, деления территории на районы с различной степенью интенсивности ожидаемых землетрясений. Выполняется общее сейсмическое районирование, детальное сейсмическое районирование, сейсмическое микрорайонирование. n Общее сейсмическое районирование Карта общего сейсмического районирования (ОСР) составляется для всей территории страны в масштабе 1: 5 000 – 1: 1000 000. Для ее составления используются исторические данные и инструментальные наблюдения за землетрясениями, геолого-тектонические и геофизические карты, данные о движении блоков земной коры. Проводится выделение зон возможного возникновения очагов землетрясения, с различными их глубинами. Особое значение представляют мелкофокусные землетрясения. Наибольшую опасность представляют землетрясения с очагами на глубинах от 3 до 30 -50 км.

Детальное сейсмическое районирование Карта детального сейсмического районирования (ДСР) составляется в масштабе 1: 500 000 – 1: 100 000 для территорий крупных промышленных агломераций, густонаселенных провинций или территорий перспективного освоения, расположенных в сейсмоопасных регионах. Задача ДСР – уточнение данных ОСР на основе новых результатов более детальных геологогеофизических исследований, выполненных в регионе. Определение степени сейсмической опасности территорий проводится с учетом особенностей геоморфологических, инженерногеологических или геокриологических условий. n

n Сейсмическое микрорайонирование Карта сейсмического микрорайонирования (инженерная сейсмология) составляется в масштабе 1: 10 000 – 1: 50 000 для оценки степени сейсмической опасности застраиваемых территорий. Основная задача – уточнение данных общего или детального сейсмического районирования и определение степени сейсмической опасности застраиваемых территорий. При оценке сейсмической опасности и ожидаемых воздействий учитывается интенсивность и другие параметры упругих колебаний грунта под основанием сооружения и проявления неупругих (остаточных) деформаций грунта. Большое влияние на величину приращения сейсмического балла оказывают обводненность пород (уровень грунтовых вод), их литологический состав, температура (для многолетнемерзлых пород). Эффект землетрясений на поверхности обычно выражают в баллах сейсмической шкалы. Данные сейсмического районирования используются при проектировании и строительстве сейсмостойких сооружений и решении других практических задач на сейсмоопасных территориях. Карты сейсмического районирования являются нормативными документами.

О механизме подготовки землетрясения n n Модель дилатантно-диффузионная или диффузионнодилатантная - ДД (Шольц, Сайкс и Аггарвал из Колумбийского университета США). Суть ее заключается в том, что по мере нарастания двух- или многостороннего сжатия однородного образца пород в нем возникает множество микротрещин, объем их увеличивается – дилатансия. В образовавшуюся дополнительную емкость диффузионно устремляется вода, смачивая шовные поверхности микротрещин, затем порода разрушается. Модель лавинно-неустойчивого трещинообразования – ЛНТ (В. И. Мячкин, Б. В. Костров, Г. А. Соболев, О. Г. Шамина, ИФЗ РАН), где якобы имеет место примерно то же самое, что и в предыдущей модели, но по мере сжатия микротрещиноватость лавинообразно нарастает и трещины группируются в плоскости будущего магистрального разрыва. Для участия воды и газов в этом процессе в модели ЛНТ не нашлось.

ПРОГНОЗЫ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ Предвестники землетрясения подразделяются на долгосрочные и кратковременные. К долгосрочным предвестникам относятся: n деформации земной поверхности на большой площади; n изменения отношения скоростей волн P и S, значений скорости волн Р, анизотропии волн S; n уменьшение наклона графика повторяемости, переориентация осей напряжений в очагах «фоновых» землетрясений, повышение или понижение микросейсмичности, возникновение предваряющих глубокофокусных толчков, изменение частотного состава сейсмических волн; n изменения электрического сопротивления пород, вариаций теллурических токов и геомагнитного поля; n ускорения свободного падения и другие предвестники. Для оценки времени (ΔТ) действия долгосрочных предвестников используется ориентировочное соотношение ΔТ (годы) = 0, 5 М - 2, 9 Магнитуда (М) готовящегося землетрясения коррелирует с радиусом площади предваряющих деформаций r (км) М=2 lg r + 4, 5

К краткосрочным предвестникам землетрясений относятся: n вариации наклонов земной поверхности; n флуктуации высокочастотных акустических и электромагнитных полей в приземном слое атмосферы; n флуктуации режима подземных вод, газов и др. Эти изменения могут наблюдаться за несколько дней, часов и даже минут до землетрясения. Трудности предсказания землетрясений усугубляются тем, что на многих участках сейсмоактивных зон литосфера находится в предельно напряженном состоянии и небольшие добавочные напряжения могут вызвать проявление землетрясения. Естественными факторами «спускового» действия могут быть лунно-солнечные приливы или даже большие перепады атмосферного давления, космическое воздействие и др.

ПРОБЛЕМА ПРОГНОЗА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ n n При сейсмическом районировании указывается только максимально возможная магнитуда землетрясения (на заданной территории) для расчета специальных сейсмических конструкций, возведение которых регламентируется строительными нормами и правилами. Результаты долгосрочного прогноза землетрясений также учитываются при планировании капитального строительства. Они позволяют подойти к оценке сейсмического риска территории с учетом уязвимости застройки и населения.

n Среднесрочный прогноз (предсказание сейсмического события за несколько месяцев до его проявления) позволяет провести заблаговременно, лишь ограниченные профилактические меры. Из-за неопределенности точного времени землетрясения эвакуация населения и приостановка деятельности производственных объектов для предотвращения катастрофических последствий могут привести к значительному социальному напряжению и огромным экономическим потерям. Краткосрочный (оперативный) прогноз с выдачей своевременного сигнала сейсмической тревоги, должен указывать место (с точностью до первых десятков километров), время (с точностью до первых суток) и силу землетрясения (с точностью до единиц магнитуды). Краткосрочный прогноз крайне необходим для принятия срочных мер по сведению к минимуму возможные катастрофические последствия землетрясения. Только на основании краткосрочного прогноза может быть осуществлена остановка производств и эвакуация населения. Поэтому он должен быть исключительно обоснованным и ответственным. Краткосрочный прогноз основан на непрерывном слежении за развитием геодинамических процессов, главное - на заключительной стадии подготовки землетрясения, которая характеризуется резкой активизацией изменения напряженно-деформируемого состояния недр. n

Методология краткосрочного прогноза землетрясений должна определять условия, необходимые и достаточные для решения этой сложной проблемы, которые требуют: 1. Знания (с определенной точностью) расположения очага готовящегося сильного землетрясения и наличия сейсмотектонической картографической основы с выделенными сейсмогенерирующими зонами; 2. Создания комплексной, наблюдательной сети для непрерывного слежения за геодинамическим состоянием недр сейсмоопасных регионов и за состоянием очага готовящегося землетрясения; 3. Ведения мониторинга по широкому комплексу параметров (геофизических, гидрогеологических, геодезических и др. ); 4. Представления в режиме реального времени всей первичной информации с наблюдательных пунктов в центры ее обработки и комплексного анализа; 5. Оснащения аналитических центров мощной вычислительной техникой, обеспечивающей обработку и анализ информации в течение очень короткого времени; 6. Ведения банка данных наблюдений в автоматизированном режиме по всем регистрируемым параметрам. Банк должен содержать данные за весь период наблюдений; 7. Создания: а) методики быстрого, рангового распознавания геодинамической ситуации в районах прогнозируемых очагов землетрясений; б) искусственного интеллекта, автоматически осуществляющего ранговое распознавание геодинамической ситуации с выдачей на экран компьютера соответствующего сообщения; в) программного обеспечения автоматизированного построения аналитической картографической основы для оценки геодинамического состояния недр.

n n Необходимым и чрезвычайно трудным является решение главной проблемы - создания специализированного искусственного интеллекта для автоматизированного анализа огромных массивов данных наблюдений. Наиболее объективное распознавание образов сейсмотектонических ситуаций может быть осуществлено с помощью постоянно действующих геодинамических моделей (ПДГМ), созданных на основе огромного массива данных многолетних наблюдений в сейсмоактивных регионах. При этом, геодинамическая модель каждого сейсмоактивного региона должна, прежде всего, отражать его геодинамический режим (коллизионный, рифтовый, субдукционный).

О функционировании геодинамического мониторинга Федеральным агентством по недропользованию проводятся работы по созданию гидрогеодеформационной, газо-гидрогеохимической и геофизической основы комплексного геодинамического мониторинга в сейсмоактивных регионах России. Созданы: а) региональная, наблюдательная сеть ГГД мониторинга в Северокавказском, Байкальском, Алтае-Саянском и Дальневосточном сейсмоактивных регионах (около 100 наблюдательных пунктов); б) полигоны комплексных наблюдений за геофизическими, гидрогеодинамическими, газо-гидрогеохимическими и гидротермическими полями на Северном Кавказе, в Байкальском, Алтае-Саянском регионах и на о-ве Сахалин. Система наблюдений является единообразной по регистрируемым параметрам;

n n Функционирует в автоматизированном режиме электронный банк данных ГГД мониторинга, который содержит всю информацию многолетних наблюдений. Он обеспечивает быстрый поиск данных за любой период наблюдений и автоматизированное построение картографической основы для оценки геодинамической обстановки на различных этапах сейсмотектонической активизации, развития процессов подготовки землетрясений (по различным регионам и различным очагам землетрясений); Региональная, наблюдательная сеть ГГД мониторинга находится на завершающем этапе оснащения автоматизированными регистрирующими комплексами и средствами телеметрии, обеспечивающими передачу информации в цифровом виде в режиме реального времени непосредственно с пунктов наблюдений в центры ее обработки и анализа.

О гидрогеодеформационном мониторинге в сейсмоопасных регионах n n Разработке и развитию ГГД мониторинга послужили результаты комплексных исследований, которые 26 лет назад (1982 г) были признанны научным открытием (диплом № 273), с формулой: «Явление глобально распространенных быстропротекающих пульсационных изменений в гидрогеосфере, обусловленное способностью последней реагировать на изменения напряженнодеформированного состояния литосферы (Гидрогеологический эффект Вартаняна - Куликова)» . Обнаружена новая разновидность естественного поля гидрогеодеформационное (ГГД) поле Земли. Гидрогеологический метод, разработанный на основе научного открытия, обеспечивает слежение в режиме реального времени за происходящими изменениями напряженно-деформированного состояния земной коры, за геодинамическими процессами, предваряющими сильные землетрясения

В 1998 г. была разработана Концепция создания и эксплуатации системы геодинамического мониторинга для целей прогноза сильных землетрясений (Г. С. Вартанян, А. В. Липилин и др. ). Научные положения этой Концепции и результаты 10 -15 летних наблюдений за геодинамическим режимом подземных вод в сейсмоактивных регионах позволили разработать «Методические указания по ведению ГГД мониторинга для целей сейсмопрогноза (система RSTEPS)» , согласованные с МЧС России и в 2000 году утвержденные МПР России. В «Методических указаниях…. » изложены теоретические основы, методические принципы и технология ведения ГГД мониторинга.

Гидрогеологические показатели ГГД мониторинга В качестве унифицированных показателей при ведении ГГД n n n n мониторинга применяются: - уровень подземных вод; - электропроводность и температура подземных вод; - атмосферное давление, как внешний фактор, влияющий на уровенный режим подземных вод. Уровень подземных вод является легко регистрируемым и наиболее чувствительным индикатором геодинамических процессов. Наряду с регистрацией изменения уровня подземных вод, ведется контроль за влиянием приливных и атмосферных возмущений. Электропроводность подземных вод является интегральной характеристикой их химического состава. Температура подземных вод является самостоятельным индикатором процессов в период сейсмической активизации. Колебания температуры вследствие изменения напряженного состояния пород находятся в пределах 50 С. Датчик температуры устанавливается в интервале вскрытия водоносного горизонта. Атмосферное давление является фактором, влияющим на гидродинамический режим подземных вод, поэтому оно постоянно регистрируется.

Оценка информативности объекта наблюдений n n n Информативность выбранного под наблюдение водоносного горизонта для контроля за геодинамическими процессами (в том числе предваряющими сильные землетрясения) оценивается по реакции уровня подземных вод на возмущения, вызываемые лунно-солнечными приливами. Объект наблюдения признается пригодным для ведения ГГД мониторинга, если в результате корреляционного анализа об изменении уровня подземных вод с графиком поправок на приливные изменения силы тяжести выявляется реакция уровня подземных вод на приливные возмущения. Для получения объективной картины изменения гидрогеологических показателей во времени, как показал опыт многолетнего ведения ГГД мониторинга, частота наблюдений должна быть не реже ежечасовых замеров, а при возможности - непрерывной.

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ СИСТЕМЫ ГГД-МОНИТОРИНГА 1. Система наблюдений за сейсмоподготовительными процессами должна: иметь региональный характер; охватывать сейсмические пояса и сопрягающиеся с ними зоны «устойчивых» областей. 2. Функционирование системы геодинамического мониторинга определяется: - систематическими наблюдениями за эволюциями геофизических процессов, протекающих в реальном времени в исследуемом районе; - выдачей текущей информации об уровне сейсмической опасности в регионе наблюдений; - выявлением сигналов-предвестников предстоящего землетрясения; - выдачей сигнала сейсмической опасности для соответствующих правительственных инстанций, ответственных за объявление сейсмической тревоги. 3. Выбор комплекса методов мониторинга геодинамических процессов осуществляется на основе анализа: - степени информативности прогностических показателей; - уровня их чувствительности и экспрессности; - оценки технологических и экономических показателей; - оценки современного состояния технической базы и возможностей быстрого развертывания производства требуемой аппаратуры.

4. Для оперативного представления исходной информации с наблюдательных пунктов в центры ее обработки и анализа геодинамической обстановки в рамках системы мониторинга функционирует телекоммуникационная (включая телеметрическую) служба. 5. Технология геодинамического мониторинга обеспечивает возможность детального изучения пространственно-временных изменений напряженно-деформированного состояния обширных ареалов путем стационарных наблюдений за эволюциями во времени ряда гидрогеологических параметров на базе специализированной региональной сети гидрогеологических скважин, обеспечивающей получение исходной информации о режиме подземных вод как производной развития геодинамических процессов. 6. Несмотря на то, что исходные данные по формальным показателям являются собственно гидрогеологическими, сущность величин, получаемых в результате последующих вычислений, приобретают геомеханическую или, более того, геофизическую природу.

Требования к наблюдательным скважинам Наблюдательная скважина должна: n располагаться на участках, выбор которых проводится по данным сейсмического районирования и специального полевого обследования, с учетом геолого-тектонического строения и гидрогеологических условий; n вскрывать напорный водоносный горизонт с устойчивым естественным режимом, изолированным от воздействия техногенных и климатических факторов (с глубиной залегания уровня воды ниже поверхности земли); n надежно обеспечивать гидравлическую связь с водоносным горизонтом и исключать перетоки из других водоносных горизонтов; n обеспечивать возможность проведения измерений стандартизированной аппаратурой и в обязательном порядке исключать несанкционированный доступ к скважине и регистрирующей аппаратуре; n обеспечивать круглогодичные наблюдения за режимом подземных вод (в случае низких температур выполняются мероприятия, исключающие промерзание скважины), располагаться в районах позволяющих проведение периодическое обслуживание или обеспечение стационарных условий для постоянных наблюдений; n иметь плановую и высотную привязки (абсолютные отметки высоты устья скважины и поверхности земли в предустьевой части); n быть обеспечена электропитанием.

n n n Наиболее объективным методом оценки геодинамической информативности гидрогеологических показателей является характер их изменения под влиянием лунносолнечных возмущений. Лунно-солнечные возмущения вызывают на поверхности Земли деформации сжатия и растяжения n*10 -7 – 10 -9, что по интенсивности воздействия на верхнюю часть земной коры может служить аналогом процессов сжатия и растяжения при тектонической активизации. Принимая лунно-солнечные возмущения за минимальные значения величины возможных деформаций горных пород, к информативным показателям относят те из них, которые реагируют на приливные эффекты.

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ В настоящее время изготавливается технически совершенный, отечественный измерительный комплекс «Кедр» , которым оснащены наблюдательные сети ГГД мониторинга Байкальского и Дальневосточного сейсмоактивных регионов. Основным недостатком этих измерительных комплексов является отсутствие в них средств дистанционной (телеметрической) передачи данных с наблюдательного пункта в центры их обработки и анализа. Информация снималась 1 раз в декаду при посещении наблюдательного пункта оператором. При краткосрочности (за 3 -15 дней до землетрясения) прогноза сейсмического события по данным ГГД мониторинга задержка в представлении данных на 1012 дней приводит к запаздыванию проведения анализа геодинамической обстановки и оценки сейсмической опасности (иногда к пропуску «цели» ).

Наблюдательные пункты стали оборудоваться логгерами и измерительными комплексами «Кедр» (новой модификации), оснащенными средствами телеметрии. Используя мобильную или спутниковую связь, регистрируемые данные с наблюдательных пунктов снимаются в режиме реального времени. Периодичность измерений и съема информации зависит от состояния геодинамической обстановки, усиления сейсмической опасности. В штатной ситуации измерения проводятся ежечасно, съем информации, при оснащении измерительных комплексов средствами телеметрии, ежесуточно. Обработка данных наблюдений в повседневной деятельности, анализ результатов и оценка сейсмической опасности проводится ежедекадно. В случае повышенной опасности и в чрезвычайных ситуациях – ежедневно.

Аналитические и оценочные материалы системы обработки данных ГГДмониторинга. n n Карты состояния ГГД поля по параметру De составляются для оценки геодинамической ситуации региона, направленности геодинамических процессов с оценкой сейсмической опасности. Для расчета и построения карт используются значения относительных деформаций, отражающих направленность и интенсивность напряженно-деформационных процессов.

Расчет значений относительных деформаций выполняется по формуле e= b / (b + (HP - HT), где: b – база (поправочный коэффициент), принимает значение от 1 до 100. Значение b подбирается в процессе проведения работ и согласуется с методическим центром ГГД мониторинга; НР – реперное значение уровня подземных вод (УПВ) в скважине берется на момент начала функционирования скважины с учетом, что по другим скважинам на это время также есть значение УПВ (для возможности создания единого реперного начала отсчета по времени); НТ – текущее значение УПВ в данной скважине.

Северо-Кавказский сейсмоактивный район, октябрь 2008 г.

Байкальский сейсмоактивный район, октябрь 2008 г.

ИНФОРМАЦИОННЫЕ БЮЛЛЕТЕНИ Информационные бюллетени составляются: - по Северному Кавказу, Байкальскому, Алтае. Саянскому и Дальневосточному регионам – ежемесячно; - по Камчатско-Курильскому и Сахалинскому районам (в связи с высокой сейсмической активностью в последние годы) - ежедекадно: Представляются: - Федеральному агентству по недропользованию (РОСНЕДРА); - Министерству РФ по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям, ликвидации последствий стихийных бедствий (МЧС России) - Межведомственному (МЧС России и РАН) совету по прогнозу землетрясений, оценке сейсмической опасности и риска (РЭС); - Федеральному центру (ГМСН) государственного мониторинга состояния недр.

В каждом сейсмоопасном регионе на заседании экспертов проводится комплексный анализ результатов наблюдений за геофизическими и гидрогеодеформационным полями. В частности, на Камчатке в региональном экспертном совете принимают участие специалисты – представители «Роснедра» , Института вулканологии РАН, Геофизической службы РАН, филиала Федерального центра прогнозирования землетрясений (ФЦПЗ) РАН и МЧС России. n Если РЭС принимается решение о необходимости объявления сейсмической тревоги в том или ином регионе России, то протокол заседания РЭС немедленно направляется в МЧС России для принятия решений по практическим действиям. n

ГЕОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Эффективное использование геодинамической информации ГГД поля может быть осуществлено на основе моделирования динамики структурных его перестроений в различные периоды сейсмотектонической активизации. n Разработка геодинамических моделей должна быть направлена на более глубокое изучение реакции подземной гидросферы на геодинамические процессы в земной коре. n Выделяют два основных вида геологических процессов, контролирующих подготовку землетрясений: - процессы, обеспечивающие взаимное смещение литосферных блоков; - процессы блокировки границ литосферных блоков на различных масштабных уровнях и быстрых изменений параметров среды.

Структурные блоки в периоды сейсмотектонических активизаций могут испытывать совершенно разные геодинамические напряжения. Получение информации в периоды сейсмотектонической активизации о формирующихся границах, разделяющих блоки или группы блоков с различными векторами геодинамических напряжений, представляется чрезвычайно важным для оценки сейсмической опасности. Геодинамические модели для распознавания образов сейсмотектонической обстановки по комплексу критериев (на основе более полного использования ГГД информации) позволят значительно усовершенствовать методику оперативной оценки напряженно-деформированного состояния недр.

ГЕОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ Разработаны (в первом приближении) гидрогеодеформационные модели регионов с разными типами геодинамического режима Гидрогеодеформационная модель Северного Кавказа с коллизионным типом геодинамического режима. Сейсмичность Северного Кавказа генетически связана с активностью Большого Кавказа – современного орогена и определяется геодинамическими напряжениями, формирующимися в его пределах, в основном, за счет транзита сейсмической энергии с Большого Кавказа. Границами между Скифской платформой и складчатым сооружением Большого Кавказа являются Черкесский и Предкавказский разломы. Гидрогеодеформационная модель Северного Кавказа определялась до 2006 года длительным существованием устойчивых, лишь фрагментарно изменяющихся, структур ГГД поля, на фоне которых происходили землетрясения с магнитудой не выше 3 -4, редко до 5.

Геодинамическая обстановка на Северной Кавказе характеризовалась проявлением слабой сейсмичности и соответственно пассивной динамикой структурных перестроений ГГД поля. Только при изменении геодинамической обстановки на Северном Кавказе - активизации геодинамических процессов, которая отразится в быстрой структурной перестройке ГГД поля, можно ожидать сейсмического события. n n В конце 2006 года стали наблюдаться определенные изменения в структурном плане ГГД поля, динамика структурных перестроений заметно активизировалась. И если далее динамичность структурной перестройки ГГД поля усилится, то следует ожидать сильного землетрясения в этом регионе.

Структуры геодинамических напряжений ГГДполя

Гидрогеодеформационная модель Байкальского региона Практически на всей территории региона возможны землетрясения силой 8 -10 баллов. n В особом ряду стоят три района Байкальского рифта, где по долгосрочному прогнозу возможны землетрясения в 10 -11 баллов. Это Тункинская система впадин, район дельты р. Селенги и Баргузинская межгорная впадина. За последние 150 лет в пределах Байкальского рифта произошло до 15 землетрясений силой 9 -10 баллов. n Гидрогеодеформационная модель Байкальского региона с рифтовым типом геодинамического режима в последние 4 года n определялась частыми и очень резкими изменениями структурного плана ГГД-поля, на фоне которых происходили землетрясения, в основном, с магнитудами не выше 4 -5. Существующая геодинамическая обстановка характеризовалась активной динамикой структурных перестроений ГГД-поля и относительно невысокой сейсмичностью. Можно ожидать, что при изменении существующей динамики структурных перестроений ГГД-поля - в условиях формирования устойчивых, длительно сохраняющихся его структур напряжения растяжения, сейсмические процессы в Байкальском регионе с рифтовым типом геодинамического режима приведут к проявлению сильных землетрясений с магнитудой 7 и выше.

Байкальский район, сентябрь 2008 г.

Гидрогеодеформационные модели Дальневосточного региона: 1. В пределах позднемезозойских Сихотэ. Алинской и Тайгоносско-Корякской складчатых систем Тихоокеанского сейсмического пояса с коллизионным типом геодинамического режима. Как показали результаты мониторинга, в последние годы в пределах позднемезозойских структур проявлялась гидрогеодеформационная модель пассивной динамики структурных перестроений ГГД поля и относительно невысокой сейсмичностью. Поэтому здесь, как и на Северном Кавказе, подготовке сильных землетрясений (М= 6 и более) должна предшествовать активная структурная перестройка ГГД поля.

2. В пределах Курило-Камчатской и Сахалинской сейсмоактивных областей с субдукционным типом геодинамического режима, охватывающих наиболее молодые элементы Тихоокеанского пояса на материке. На Камчатке прослеживается протяженная зона субдукции и цепь вулканов. С этим связан высокий уровень сейсмической активности полуострова. Обычно здесь регистрируется до 600 землетрясений в год. Курильская зона характеризуется 9 -балльной сейсмичностью. Очаги землетрясений располагаются на различных глубинах (от самых малых до самых больших глубин - 650 -700 км). Остров Сахалин находится в зоне западного сочленения Охотской плиты с Амурской (Китайской) плитой. Тектоническое положение острова определило его сейсмичность.

Результаты ГГД мониторинга в Курило. Камчатском и Сахалинском районах отражают гидрогеодеформационную модель субдукционного типа геодинамического режима, которая характеризуется высокой структурной динамичностью ГГД поля и высокой сейсмичностью всей территории. Катастрофическим землетрясениям в этих районах должно предшествовать формирование и относительно продолжительное существование устойчивых структур напряжений ГГД поля, то есть, динамичность перестройки ГГД поля должна быть невысокой.

Дальневосточный регион, июнь 2008 г.

Камчатско-Сахалинский регион, октябрь 2008 г.

Новые параметры для построения карт ГГД поля Для более достоверной оценки сейсмотектонической опасности целесообразно в режиме реального времени строить карты и графики по ряду новых параметров ГГД поля, характеризующих его энергетическое состояние. Установлено, что гидродинамическое давление пропорционально силам, вызывающим напряжение (сжатие) порового пространства. И если объем жидкости в скважине свободно движется со скоростью V, то этот объем обладает запасом кинетической энергии. Выражение для кинетической энергии потока в этом случае равно: Ek = mv 2/2 где V – скорость вертикального перемещения столба жидкости, m – масса единичного объема жидкости. Величина скорости согласно закону сохранения импульса тела пропорциональна скорости движения жидкости, вызываемой изменением напряженного состояния в водоносном горизонте.

Уровень кинетической энергии потока характеризуется величиной скоростного напора: HEk (t) = v 2 (t)/2 g где HEk (t) – скоростной напор (напор подземных вод за счет скорости), изменяющийся во времени. Величина приращения пластового давления (ΔР) зависит от приращения напора Δ HEk, вызванного изменением скорости потока. Изменения скоростного потока Δ HEk, связаны с приращением эффективных напряжений в пласте следующим выражением: Δ HEk = k ΔσE где k – коэффициент пропорциональности, характеризующий эффективность преобразования действующего напряжения ΔσE в скоростной напор Δ HEk. Действующее напряжение ΔσE пропорционально действующим напряжениям сжатия или растяжения, возникающим в результате взаимодействия структурных блоков в земной коре при их перемещении относительно друга, поэтому карты, построенные по этому показателю, характеризуют кинетическую энергию взаимодействия блоков.