Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Обобщенная модель подготовки очага и стратегия прогноза землетрясений 20
1.1. Кинетика подпитки очагов землетрясений на разломе 21
1.2. О наведенной сейсмичности 24
1.3. Связь амплитуд скачков деформаций с параметрами потенциального очага 27
1.4. Сопоставление с наблюдениям 32
1.5. О возможности модельно-независимой стратегии
прогноза землетрясений 35
ГЛАВА 2 Наблюдение неприливных изменений силы тяжести 41
2.1. Совершенствование методики наблюдений НИСТ
и обработки результатов 42
2.2. Совершенствование измерительной аппаратуры. Газожидкостные гравиметры 49
2.3. Газожидкостный гравиметр с прямым ртутным столбиком 52
2.4. Газожидкостные гравиметры манометрического типа 60
ГЛАВА 3 Измерение вторых производных гравитационного потенциала 80
3.1. Гравитационные градиентометры
манометрического типа 80
3.2. Струнный вертикальный градиентометр 90
3.3. О возможности использования струнного вертикального градиентометра для экспериментального подтверждения эффекта экранирования гравитации 98
3.4. Безмаятниковый гравитационный вариометр 107
3.5. Трехкомпонентный микроакселерометр 113
ГЛАВА 4 Регистрация наклонов земной коры 119
4.1. Струнный наклономер 119
4.2. Наклономер - сейсмограф 90
4.3. Гидростатический наклономер 124
4.4. Гидростатический нивелир 134
ГЛАВА 5 Регистрация медленных деформаций земной коры 141
5.1. Скважинный деформограф Сакса - Эвертсона 142
5.2. Двухкоординатный скважинный деформограф 145
5.3. Многокомпонентный скважинный деформограф 161
5.4. Емкостный преобразователь перемещений
для геофизических приборов 176
5.5. Проволочный экстензометр 182
5.6. Глубинный геодезический репер 193
ГЛАВА 6 Перспективы использования предложенных аппаратурно-методических разработок в сеисмопрогностических исследованиях 199
6.1. Возможности комплексирования средств наблюдения и создания типовой деформационной станции 199
6.2. Организация площадных деформационных наблюдений и их интерпретация 201
6.3. Деформационные предвестники и прогноз коровых землетрясений 203
Заключение 206
Литература
- О наведенной сейсмичности
- Совершенствование измерительной аппаратуры. Газожидкостные гравиметры
- О возможности использования струнного вертикального градиентометра для экспериментального подтверждения эффекта экранирования гравитации
- Гидростатический наклономер
Введение к работе
По современным представлениям, причинами землетрясений являются деформационные процессы в земной коре и верхней мантии, а прогноз землетрясений находится на сегодняшний день еще в поисковой, научно-исследовательской стадии. Основное содержание работ в этом направлении сводится пока к накоплению эмпирического материала для адекватного моделирования процессов, предваряющих и сопровождающих землетрясения, после чего выявление и анализ предвестниковых аномалий, очевидно, станет более осмысленным и целенаправленным [44, 61, 64, 67, 70, 73].
Несмотря на то, что число известных предвестников перевалило уже несколько сотен [61], не выработано еще надежных алгоритмов практического прогноза землетрясений, под которым подразумевается предопределение с приемлемой точностью силы, места и времени будущего толчка, т. е. простое увеличение числа контролируемых предвестников не приводит к адекватному повышению надежности прогноза. Нынешнее состояние дел в этой области в работе [9] характеризуется следующим образом: "....Следует признать, что современная экспериментальная геофизика переживает определенный кризис в этой фундаментальной проблеме, суть которого состоит в том, что одно лишь наращивание экспериментальных данных не способствует прогрессу в области прогноза сильных сейсмических событий (ССС). Напротив, по мере появления всё более протяженных рядов геофизических данных всё очевидней становится проблематичность основного положения идеологии прогноза землетрясений -существования детерминированной связи между экспериментально наблюдаемыми "аномальными" вариациями геофизических полей и возникновением ССС, что заставляет признать неэффективность существующей методологии прогноза землетрясений....". Главной причиной такой ситуации названо отсутствие адекватной теории сейсмического процесса и это, безусловно, соответствует действительности при широком толковании понятия «адекватная теория», включающего в себя и количественное описание причинно-следственных связей между процессами подготовки землетрясений и всеми наблюдаемыми предвестниками.
Не умаляя общенаучную значимость такого подхода, отметим, что пред-вестниковые аномалии геополей, включая сейсмические, геофизические, геохимические и гидрогеологические, опосредованы деформационными процессами, более тесно связанными с подготовкой землетрясений [92, 93]. Хотя при систематических комплексных наблюдениях в этих аномалиях и обнаруживаются некоторые закономерности локального характера, которые способствуют повышению надежности прогноза местных землетрясений, но они, как правило, не могут быть экстраполированы на другие регионы и эпохи, т.е. неустойчивы в пространстве и времени. Использование для наблюдений за предвестниками естественных усилителей сигналов, облегчая регистрацию предвестников одновременно затрудняют их интерпретацию. В качестве таковых могут послужить разломные зоны или береговые зоны водоемов: анализ многолетних геоэлектрических, геомагнитных и гравиметрических наблюдений в окрестности Чир-кейского водохранилища показал, что в его береговой зоне эти параметры обладают повышенной чувствительностью к деформациям земной коры перед тектоническими землетрясениями, в том числе и удаленными [95, 122]. Последнее мы объясняем тем, что ввиду больших значений градиентов водонасы-щенности пород предвестниковые деформации прибрежного массива приводят к большим изменениям интенсивности фильтрационных процессов, что проявляется в вариациях фильтрационного потенциала (естественное электрическое поле), кажущегося электросопротивления, а также компонентов магнитного и гравитационного полей. Большая протяженность периметра водохранилища повышает вероятность воздействия на него региональных тектонических деформаций, а по амплитудам регистрируемых аномалий геофизических полей, очевидно, можно судить также о степени воздействия на водохранилище самого ожидаемого землетрясения. Однако, эти обстоятельства не отменяют отме ченный выше опосредованный характер упомянутых аномалий, затрудняющий их однозначную интерпретацию.
На современном этапе к проблеме прогноза землетрясений прослеживается два принципиально различных подхода - статистический и детерминистический. Статистический подход базируется на методе распознавания образов, при котором выявляются характерные признаки поведения того или иного наблюдаемого параметра перед землетрясениями определенной магнитуды путем ретроспективного статистического анализа его поведения перед аналогичными землетрясениями в прошлом, и выводится некоторый усредненный образ предвестника, при появлении которого оценивают вероятность подобного же события в заданных пространственно-временных рамках в будущем. Как показывает опыт, вероятность оправдания такого прогноза весьма невысока, даже при использовании комплекса предвестников, и далеко недостаточна для практического прогноза, т.е. для объявления сейсмической тревоги. Более того, этот опыт приводит к выводу о целесообразности использования только ограниченного числа (в пределах первой десятки) наиболее информативных предвестников [61].
Детерминистический подход, как правило, базируется на определенной модели сейсмогенеза, из которого теоретически выводятся, а затем сопоставляются с наблюдениями доступные для регистрации внешние проявления процессов подготовки землетрясений. Те из них, которые оправдали себя, используются в дальнейшем для прогноза землетрясений и уточнения самой модели. Главной причиной того, что и на этом пути пока не достигнуто значимых результатов, позволяющих выходить на практический прогноз, является именно упомянутое отсутствие адекватной теории сейсмического процесса [9].
Наиболее разработанными и обсуждаемыми в последние десятилетия моделями подготовки землетрясений являются дилатансионно-диффузионная (ДД) [61], лавинно-неустойчивого трещинообразования (ЛНТ) [61, 67, 70, 73], неустойчивого скольжения по разлому (stick-slip) [61] и консолидационная мо дель (KM) [23]. При всех своих различиях они сходятся в одном: энергия в потенциальной очаговой зоне (03) землетрясения накапливается в виде упругих сдвиговых деформаций пород, обусловленных взаимодействием находящихся в непрерывном относительном движении геоблоков. Таким образом, перед землетрясениями неизбежно должны появляться аномальные деформации - первичные предвестники. Они трансформируются геологической средой во вторичные предвестники (геофизические, геохимические, сейсмические и т.д.), причем коэффициент трансформации (тензочувствительность среды) для каждого вторичного предвестника свой и весьма изменчив как в пространстве, так и во времени. В результате этого сигналы-предвестники, как по величине, так и по знаку не адекватны энергетическим и пространственно-временным характеристикам готовящегося землетрясения, чем во многом и объясняется отсутствие адекватной теории сейсмического процесса [9], показывающей явно выраженную детерминированную связь между процессами подготовки землетрясений и их предвестниками, в том числе и вторичными. Другими словами, вторичные предвестники являются (и, по-видимому, останутся всегда) статистическими, а основанный на них прогноз - сугубо вероятностным, при котором достаточно высок процент ошибок типа «пропуск цели» и «ложный прогноз». Если учесть при этом, что ложный прогноз по социально-экономическим последствиям сравним с прогнозируемым событием [71], то приходим к выводу, что основанный на эмпирических закономерностях вероятностный прогноз вряд ли когда-нибудь станет определяющим в подходе к практическому прогнозу землетрясений.
Таким образом, обозначившийся кризис в сейсмопрогностических исследованиях мы рассматриваем как кризис вторичного предвестника и считаем достаточным основанием для перехода на наблюдения за ограниченным числом первичных (деформационных или однозначно детерминированных деформациями) предвестников, находящимися с процессами подготовки землетрясений в не опосредованной причинно-следственной связи [92,135].
Главное преимущество деформационных предвестников перед вторичными, вытекающее из теоремы о единственности А.А. Ильюшина [27], заключается в их принципиальной неустранимости и однозначной интерпретируемости, обусловленной тем, что, согласно теории, между компонентами деформационного поля на дневной поверхности, измеряемыми в 3-х и более азимутах, и компонентами тензора деформаций в объеме охваченного измерениями однородного массива существует взаимно-однозначная связь. Это означает, что любые деформационные процессы, происходящие в потенциальном очаге и связанные с подготовкой землетрясения, приводят к количественно интерпретируемым аномалиям деформационного поля в не нарушенной разрывами вышележащей оболочке земной коры. Хотя ввиду неоднородности приповерхностного слоя, где обычно располагаются измерительные приборы, деформационное поле и приобретает мозаичную структуру, но очевидно содержит в неявном виде информацию о деформационных процессах в 03 готовящегося землетрясения, которую можно извлечь математическими методами (конечно, если эти аномалии статистически значимо превышают фоновые флуктуации). Это свойство не присуще ни одному из вторичных предвестников, которые, как уже говорилось, сильно зависят от характеристик геофизической среды и при их определенных сочетаниях могут быть в принципе полностью «заблокированы» в источнике или, наоборот, неадекватно усилены, особенно в зонах разломов (параметрические аномалии [69]). К параметрическим аномалиям, по-видимому, следует отнести и упомянутые нами аномалии, наблюдаемые в береговых зонах водоемов [95,122].
Таким образом, применительно к деформационным предвестникам проблема создания адекватной теории сейсмического процесса и детерминированных им явлений - предвестников существенно проще и сводится к описанию сопутствующих процессам подготовки землетрясений деформаций земной коры (прямая задача) и интерпретации предвестниковых деформаций в доступном для наблюдений ее приповерхностном слое (обратная задача). Разумеется, эти наблюдения должны быть площадными и охватывать внутренние, удаленные от разломов участки геоблоков, поскольку упругие деформации могут накапливаться только в консолидированной среде.
При детерминистическом подходе решение как прямой, так и обратной задач прогноза ССС, как уже отмечалось выше, возможны только в рамках конкретной модели подготовки землетрясений. Исходя из этого, диссертация начинается с описания предложенной автором обобщенной модели подготовки очага, которая, как будет показано, базируется на общих признаках трех известных моделей - Stick-sleep, ЛНТ и Консолидационной модели. Это обстоятельство предопределило возможность выработки обобщенного образа сейсмогенери-рующей структуры и на этой основе - модельно независимой стратегии прогноза ССС по деформационным предвестникам.
Ключевым, и в то же время самым трудным звеном в предложенной стратегии являются наблюдения предвестниковых деформаций не вблизи разлом-ных зон (как это обычно принято), где амплитуды их велики, но трудно интерпретируемы, а во внутренних участках геоблоков, где амплитуды деформаций существенно меньше, но их пространственное распределение носит более регулярный, детерминированный характер. Это облегчает решение обратной задачи - задачи интерпретации наблюдений и прогноза ССС, но выдвигает новую проблему - проблему практического отсутствия аппаратуры, пригодной для этих целей по метрологическим и технико-экономическим параметрам. Другими словами, «центр тяжести» проблемы реализации детерминистического прогноза землетрясений лежит на сегодняшний день в области создания помехоустойчивой и дешевой в эксплуатации аппаратуры для непрерывных площадных наблюдений компонентов деформационного поля. Исходя из этого, все последующие главы диссертации посвящены в основном теоретическому обоснованию на примере конкретных схемотехнических решений возможности создания такой аппаратуры. В ее состав входят гравиметры, гравитационные градиентометры и вариометры, наклономеры, деформографы, гидронивелир. Основное достоин ство предлагаемых приборов - эффективная компенсация влияния практически всех экзогенных факторов и отсутствие явных причин, обусловливающих дрейф нуль-пунктов. Это предопределяет возможность создания на их базе многокомпонентной деформационной станции траншейного типа (ДСТТ) для сейсмо-прогностических наблюдений, которая описана в последней главе диссертации, а также возможность использования некоторых из предлагаемых приборов для инженерного контроля крупных объектов промышленного и научного назначения (ГЭС, АЭС, ускорительных и антенных комплексов и т.п.).
В качестве завершающего шага на пути к долго- и среднесрочному прогнозу места и силы ССС в диссертации предлагается выделение математическими методами статистически значимых кольцевых составляющих в площадных наблюдениях скачков деформаций, которые согласно предложенной модели подготовки очага должны оконтуривать эпицентры потенциальных очагов землетрясений.
С учетом вышеизложенного, основное содержание диссертации составляет теоретическое обоснование возможности долго- и среднесрочного прогноза места и силы тектонического землетрясения по площадным деформационным наблюдениям и создания аппаратуры, пригодной для этих целей по метрологическим и технико-экономическим параметрам, а также разработка адекватной методики обработки наблюдательных данных. В соответствии с поставленной целью автором решается ряд конкретных задач, основными из которых являются:
• Разработка обобщенной модели подготовки землетрясений, включающей основные признаки известных моделей Stick-slip, ЛНТ и Консолидационной модели и формирование на этой основе модельно-независимой стратегии прогноза тектонических землетрясений.
• Обоснование необходимости существенного повышения точностных характеристик и долговременной стабильности параметров гравиинерциальных приборов (гравиметров, гравиградиентометров, вариометров, наклономеров, де формографов, гидронивелиров и т.п.), предназначенных для наблюдения в период подготовки землетрясений медленных деформационных процессов на удаленных от разломов участках геоблоков.
• Разработка эскизных проектов и теории 4-х разновидностей газожидкостных гравиметров с тремя разными системами термокомпенсации и двумя типами преобразователей перемещений пробного тела (рабочей жидкости), трех видов жидкостных гравитационных градиентометров манометрического типа с емкостными преобразователями перемещений, жидкостного вертикального гравитационного градиентометра поплавкового типа с дифференциальными струнными датчиками, вариометра, основанного на принципиально новом (без крутильных весов) способе измерения всех независимых компонентов вторых производных гравитационного потенциала.
• Разработка и расчет эскизного проекта двухкоординатного наклономера с неподвижным пробным телом и двумя независимыми чувствительными системами с частично перекрывающимися динамическими диапазонами.
• Существенная модернизация скважинного деформографа Сакса-Эвертсона для одновременного измерения, помимо объемных деформаций, также двух ортогональных горизонтальных компонентов линейных деформаций. Разработка технического проекта двухкомпонентного и многокомпонентного скважинных дефор-мографов.
• Разработка емкостного преобразователя малых перемещений для геофизических приборов, в котором впервые высокая точность измерений сочетается с практически неограниченным диапазоном измерений.
• Разработка эскизных проектов и теории проволочного экстензометра для сейс-мопрогностических наблюдений с эффективной компенсацией влияния на измерения крипа проволоки, температуры и атмосферного давления и гидростатического нивелира с прецизионной компенсацией влияния градиентов температуры по трассе нивелирования, колебаний интегральной температуры измерительной системы и ее отдельных узлов, перепадов атмосферного давления между станция ми, наклонов гиростатических сосудов и погрешностей индикации уровней рабочей жидкости в них.
• Существенная модернизация известного глубинного геодезического репера для использования в деформационных станциях, позволяющая отказаться от дорогостоящих подземных сооружений, разработка на этой основе проекта многокомпонентной деформационной станции траншейного типа и оценка ее эксплуатационных параметров.
Новые научные результаты заключаются в теоретическом исследовании текто-нофизических процессов, предваряющих и сопровождающих землетрясения, и выработке на этой основе оптимальной стратегии долго- и среднесрочного прогноза землетрясений, в разработке помехоустойчивого гравиинерциального комплекса для реализации этой стратегии. Они состоят в следующем:
1. Предложена обобщенная модель подготовки очага тектонического землетрясения, содержащая основные признаки трех известных моделей сейс- могенеза - Stick-slip, ЛНТ и Консолидационной модели. На этой основе разработана модельно независимая стратегия прогноза сильных землетрясений по распределению амплитуд скачков сдвиговых деформаций на дневной поверхности, обусловленных сейсмическими событиями средней силы. Показано, что по ним можно оценить магнитуды будущих толчков и определить координаты их очагов уже на докритической стадии подготовки, соответствующей этапу долго- и среднесрочного прогноза, что существенно упрощает также задачу прогноза времени землетрясения. В рамках предложенной модели дано объяснение наведенной сейсмичности.
2. Разработаны эскизные проекты и теория 4-х разновидностей газожидкостных гравиметров. При этом: 1) впервые решена задача стабилизации давления газа в замкнутом резервуаре, а также положения верхнего уровня рабочей жидкости в сообщающихся сосудах в широком диапазоне температур и их градиентов и неограниченном диапазоне давлений; 2) впервые решена задача устранения зависимости от наклонов эффективной высоты столба жидкости в широких сообщающихся сосудах, уравновешенного давлением газа, и положения его верхнего уровня относительно индикатора путем специального выбора геометрии стенок сообщающихся сосудов и точки подвеса индикатора; 3) разработаны два типа прецизионных поплавковых индикаторов уровня жидкости в широких цилиндрических резервуарах с использованием струнных и емкостных преобразователей. Показана возможность создания на этой базе бездрейфового газожидкостного гравиметра.
3. Разработан и рассчитан эскизный проект вертикального гравитационного градиентометра, основанного на использовании больших противонаправленных гидростатических сил с разнесенными по вертикальной координате метацентрами, и слабонагруженных струнных преобразователей.
4. Предложена концептуальная схема и разработана теория принципиально нового (без крутильной системы) способа измерения вторых производных гравитационного потенциала с помощью разнесенных по координатным осям акселерометров, установленных в одном корпусе. На этой основе предложен наземный вариометр, который впервые позволит измерять все 6 независимых компонентов вторых производных гравитационного потенциала с погрешностью порядка ±1 Е при одновременном повышении производительности съемочных работ, а также все 10 независимых компонентов третьих производных гравитационного потенциала.
5. Теоретически обоснована возможность создания прецизионного гидростатического нивелира с эффективной компенсацией влияния градиентов температуры по трассе нивелирования, колебаний интегральной температуры измерительной системы и ее отдельных узлов, перепадов атмосферного давления между станциями, наклонов гиростатических сосудов и погрешностей индикации уровней рабочей жидкости в них.
6. Разработаны технические проекты и теория двухкоординатного сква-жинного деформографа (ДСД) и многокомпонентного скважинного деформо-графа (МСД) для сейсмопрогностических наблюдений. Показано, что в ДСД может быть достигнута относительная точность измерений в ±10"10 объемных и линейных горизонтальных деформаций в двух ортогональных азимутах в диапазоне ІІ0"4, а в МСД - ±10"9 в диапазоне ±10"3. МСД может регистрировать объемные деформации пород, линейные деформации в трех ортогональных координатах, величину и направление максимальных сдвиговых деформаций, азимут простирания и угол падения плоскости максимальных сдвиговых деформаций, а также деформацию кручения относительно своей оси.
7. Разработан эскизный проект и теория проволочного экстензометра, в котором впервые предусмотрены прецизионная компенсация крипа проволоки, температурных и барических изменений модуля упругости проволоки и аналитический учет температурного расширения проволоки. Показано, что в сочетании с глубинным геодезическим репером и емкостным преобразователем перемещений ожидаемая точность регистрации деформаций предложенным экстен зометром существенно выше, чем со штанговыми деформографами, при намивів го меньших затратах на его установку и обслуживание.
8. На базе аппаратурно-методических разработок автора предложен проект многокомпонентной деформационной станции траншейного типа, существенно превосходящей известные аналоги по ожидаемым метрологическим и технико-экономическим характеристикам.
Основные положения, выносимые на защиту;
1. В обобщенной модели подготовки очага тектонического землетрясения, содержащей основные признаки трех известных моделей сейсмогенеза - Stick-slip, ЛНТ и Консолидационной модели - распределение на поверхности консолидированного геоблока амплитуд скачков сдвиговых деформаций, обусловленных сейсмическими событиями средней силы, носит закономерный характер, позволяющий решать обратную задачу - долго- и среднесрочное прогнозирование места и силы готовящегося сильного землетрясения по площадным наблюдениям деформационного поля - что, в свою очередь, существенно упрощает также задачу краткосрочного прогноза времени землетрясения.
2. Показано, что в приборах с гидростатическими чувствительными системами -газожидкостных гравиметрах, вертикальных гравитационных градиентометрах, гидростатических наклономерах, гидронивелирах - путем простого согласования физических свойств рабочей жидкости, рабочего газа и термокомпен-сирующей жидкости с геометрическими размерами, формами и материалами вмещающих их сосудов можно осуществить точную компенсацию влияния на измерения температуры, градиентов температуры, атмосферного давления, перепадов атмосферного давления и наклонов гиростатических сосудов. В сочетании с термостатированием и дифференциальными поплавковыми системами индикации уровня рабочей жидкости как струнного, так и емкостного типов, это открывает возможность создания высокоточной бездрейфовой гравиинер-циальной аппаратуры.
3. Показано, что с помощью системы трех двухкоординатных горизонтальных акселерометров (наклономеров), установленных в жестком корпусе с разносом по горизонтальной и вертикальной координатам, можно измерять все 6 независимых компонентов вторых производных гравитационного потенциала Земли.
4. Скважинными деформографами типа объемных деформографов Сакса-Эвертсона, расположив воспринимающий и измерительный отсеки в трех азимутах под углом 120° друг к другу, можно регистрировать помимо объемных также линейные деформации в двух ортогональных азимутах, а использовав взамен двух разнотипных преобразователей один емкостный преобразователь предложенной нами конфигурации, можно расширить динамический диапазон измеряемых деформаций до 120 децибел (10"4 - 10"10 в относительных единицах). Показано, что путем уменьшения объема рабочей жидкости (примерно на 2 порядка) за счет уменьшения габаритов и изменения конфигурации воспринимающего отсека, и специального подбора сочетания материалов с разными коэффициентами теплового расширения, можно обеспечить полную температурную стабильность деформографа.
Практическая ценность работы заключается в научно-теоретическом обосновании модельно-независимой стратегии прогноза тектонических землетрясений по деформационным предвестникам, в разработке теоретической базы для создания аппаратурного комплекса, пригодного по метрологическим и технико-экономическим параметрам для этих целей, в разработке методик организации в сейсмоактивных районах непрерывных площадных деформационных наблюдений и их обработки для выявления прогностической информации. Практическая реализация и использование этих разработок позволит поднять на качественно новый уровень надежность прогноза места и силы тектонических землетрясений.
В частности, предложенная в работе обобщенная модель подготовки очага позволяет выработать оптимальную стратегию деформационного мониторинга, обработки результатов и прогноза землетрясений как завершающей стадии детерминистической последовательности тектонических процессов. Реализация этой стратегии позволит резко ограничить охватываемую деформационными наблюдениями площадь и тем самым существенно повысить эффективность использования средств наблюдения. Заблаговременное получение на этапе долго- и среднесрочного прогноза информации о магнитуде и координатах очага ожидаемого землетрясения сильно упрощает задачу прогноза времени землетрясения.
Создание гравиметрического комплекса, включающего газожидкостный гравиметр со стабильным нуль-пунктом, помехоустойчивый вертикальный градиентометр, всекомпонентный гравитационный вариометр (наземный и околоземный) позволит без трудоемких и дорогостоящих гравиметровых связей регистрировать медленные изменения элементов гравитационного поля Земли в период подготовки землетрясений, в том числе и вызванные вертикальными движениями земной коры, т. е. заменить трудоемкие и дискретные нивелирные ходы непрерывной регистрацией вертикальных движений в стационарных условиях.
Предлагаемый наклономерно-деформографический комплекс, не требующий дорогостоящих подземных сооружений, позволит создавать в предполагав мой эпицентральной зоне густую сеть двухкоординатных деформационных станций и тем самым существенно поднять надежность долго- и среднесрочного прогноза места и силы землетрясений.
Другая область использования разработок - разведочная геофизика (гравиметры, градиентометры, вариометры), прецизионные гравитационные эксперименты (градиентометры, наклономеры, трехкомпонентный акселерометр), космическая навигация (акселерометр), контроль за крупными инженерными сооружениями типа плотин ГЭС, АЭС, ускорительных комплексов, антенных комплексов и т.д. (скважинный деформограф, проволочный экстензометр, гидростатический нивелир, наклономеры).
Апробация работы. Основные научные результаты диссертационной работы обсуждались на совещании Комиссии по исследованию неприливных изменений силы тяжести (КИНИСТ) (Москва, 1984), на Общемосковском семинаре по гравиметрии (ИФЗ, 1984), на VI Советской гравитационной конференции (Москва, 1984), на юбилейной научной конференции в УДН (Москва, 1985), на совещании КИНИСТ в ИФЗ (Москва, 1986), на научной сессии Даг. филиала АН СССР, (Махачкала, 1988), в отделе гравиинерциальных исследований ИФЗ (Москва, 1991), на научно-практической конференции «Будущее Дагестана» (Махачкала, 1993), на научной конференции «Наука и социальный прогресс Дагестана» (Махачкала, 1995), на втором международном симпозиуме «Мониторинг и прогнозирование чрезвычайных ситуаций» (Махачкала, 1997), на экспертных совещаниях во ВНИИГПЭ (Москва, 1981-1990), на международной научной конференции к 275-летию РАН (Махачкала, 1999), на международном симпозиуме «Влияние сейсмической опасности на трубопроводные системы в Закавказском и Каспийском регионах» (Москва, 2000), на объединенном семинаре лабораторий 108, 202, 309, 405, 407, 408 ОИФЗ РАН (Москва, 2000), на международной конференции «Физика фундаментальных взаимодействий» (ГНЦ ИТЭФ, Москва, 2000), на юбилейной научно - практической конференции ИГ ДНЦ РАН «Геология и минерально-сырьевые ресурсы Восточного Кав каза и прилегающей акватории Каспия» (Махачкала, 2001), на научно-практической конференции «Геодинамика и сейсмичность Восточного Кавказа» (Махачкала, 2002), на международной геофизической конференции «Геофизика XXI века - прорыв в будущее» (Москва, 2003), на Научно-техническом совете Института физики Земли РАН (Москва, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 56 научных работ, в том числе 15 описаний к авторским свидетельствам. Содержание диссертации в полном объеме изложено в монографии [112].
О наведенной сейсмичности
В порядке апробации предложенной модели попытаемся объяснить в ее рамках наведенную сейсмичность - модуляцию распределения сейсмических событий по временной шкале малыми экзогенными воздействиями.
Перечень внешних факторов, влияние которых на сейсмичность подтверждено наблюдениями, за последнее время заметно расширился [18, 30, 52, 53, 61, 62]. К ранее известным факторам, таким как заполнение крупных водохранилищ («плотинные» землетрясения), эксплуатация нефтегазовых месторо ждений («коллекторные» землетрясения), добавились гравитационные воздействия Луны и Солнца (приливы), термоупругие деформации коры, вызванные солнечной радиацией, изменения атмосферного давления (барические деформации) и изменения скорости вращения Земли (ротационные деформации). Имеются наблюдательные свидетельства влияния на сейсмичность Земли и солнечной активности [1, 72, 74, 151], которое, возможно, опосредовано барическими и/или ротационными деформациями, и даже вспышек сверхновых в соседних галактиках [33].
Для объяснения наведенной сейсмичности предложено несколько механизмов. Механизм прямой реализации касательных напряжений, обусловленных экзогенной нагрузкой, неприемлем ввиду чрезвычайной малости этих напряжений по сравнению с критическими напряжениями для горных пород [52]. Этот же довод правомерен и против другого механизма, согласно которому экзогенные касательные напряжения являются той «последней каплей», которой недоставало для достижения в очаге критических напряжений.
Для объяснения «плотинных» и «коллекторных» землетрясений наиболее подходящим из известных механизмов считается флюидный [18], согласно которому заполнение водохранилища или законтурная закачка воды на нефтегазовых месторождениях приводит к увеличению порового давления в разломной зоне и, согласно модифицированному закону Кулона-Мора [61], к уменьшению эффективных нормальных напряжений при неизменных касательных напряжениях, т.е. к уменьшению прочности пород на сдвиг. Это и является спусковым механизмом землетрясений при наличии высоких касательных напряжений. Однако, этот механизм не пригоден для объяснения сейсмичности, вызываемой приливными, термоупругими, барическими и ротационными деформациями земной коры. Для объяснения сейсмогенерирующего действия этой группы экзогенных факторов было сделано предположение о возможности накопления малых эффектов, доводящих горную породу в конечном итоге до стадии неустойчивости [62]. Нетрудно убедиться, что этот механизм сводится к упомянутому нами выше механизму «последней капли» с той лишь разницей, что накопленная в 03 упругая энергия будет при этом экзогенного происхождения, не говоря уже о том, что не совсем понятен механизм «выпрямления» разнознако-вых экзогенных деформаций, без чего их накопление невозможно.
В рамках АМПО [91, 109,111] мы предлагаем более эффективный и универсальный механизм наведенной сейсмичности, базирующийся на показанной нами выше определяющей роли тп на разломе в сейсмическом процессе. Ключ
к пониманию этого феномена дает нам предсказываемое теорией [36, 38] и подтвержденное на экспериментальном материале [63] явление существенного перераспределения приливных деформаций между структурными неоднородно-стями в блоковой среде. Так, гармонический анализ приливных деформаций по методу ROB 87 A.M. Пугина, выполненный самим автором, показал десятикратное уменьшение, по сравнению с теоретическими, амплитуд основных волн Ои Ки М2, S2 внутриблоковых приливных деформаций в направлении, перпендикулярном простиранию разлома, перед сильными землетрясениями. Поскольку усредненные по большой площади амплитуды гармоник должны оста-ваться равными теоретическим ( 10 -10 ), то приходим к заключению, что до 90% приливных деформаций блока при определенных условиях могут концентрироваться в зоне разлома. При размерах блока 100 км амплитуда приливных изменений ширины разлома, составляющей несколько десятков метров, может достичь 1 мм, что соответствует приливным деформациям растяжения-сжатия в зоне разлома 10 5-г10"4, близким к критическим для горных пород, и сравнимым с тсг амплитудам колебаний оп. На живущих разломах такие поперечные деформации приведут к периодическому высвобождению касательных нагрузок в фазе расширения разлома с последующим перераспределением их между потенциальными 03 на разломе по схеме АМПО. В свою очередь, высвободившиеся касательные нагрузки перераспределятся между потенциальными 03 на разломе. Такое перераспределение, в силу своей растянутости во времени, может влиять только на долговременные процессы, например, на процессы подго
товки очагов землетрясений на разломе, ускоряя их. Таким образом, триггерное действие малых крупномасштабных (региональных или глобальных) знакопеременных экзогенных деформаций испытывает в блоковой среде двухступенчатое усиление: за счет их концентрации на границах блоков (в разломной зоне), приводящей к увеличению амплитуд колебаний сгп, и за счет ускорения последними процесса концентрации поступающей извне энергии в 03 готовящихся на нем землетрясений. Тем самым существенно ускоряется естественный процесс диссипации тектонической энергии и снижается уровень напряженного состояния земной коры в целом, т.е. снижется «потолок» возможных магнитуд коровых землетрясений.
Совершенствование измерительной аппаратуры. Газожидкостные гравиметры
Хотя описанная методика разбивки гравиметрической сети во многом и оправдала себя на Чиркейском геодинамическом полигоне в Дагестане [141], однако в силу разных причин она, во-первых, может быть реализована далеко не на всех полигонах и поэтому не снимает с повестки дня проблему стабилизации нуль-пунктов гравиметров. Во-вторых, предельно достижимая при этом точность регистрации НИСТ составляет приблизительно ±10" мГал и соответ ствует точности регистрации вертикальных движений земной коры ±30 мм, т.е. хуже, чем при геометрическом нивелировании. К тому же используемая для исследования НИСТ методика - повторные гравиметровые связи - достаточно трудоемка, хотя и в существенно меньшей степени, чем геометрическое нивелирование. Упомянутую погрешность можно было бы уменьшить примерно на порядок, используя наблюдения со стационарными гравиметрами, но при этом резко возрастают требования к долговременной стабильности их характеристик, в первую очередь к стабильности нуля.
К этой проблеме существует два подхода. Первый подход - использование для исследования НИСТ абсолютных (баллистических) гравиметров вместо статических - требует больших материальных затрат ввиду громоздкости и ресурсоемкое этих приборов [13]. К тому же точностные характеристики существующих баллистических гравиметров пока не позволяют уверенно выделять НИСТ [7]. Второй подход - устранение механического дрейфа нуля статических гравиметров путем совершенствования упругого подвеса пробной массы, где обозначились два направления: 1) использование электромагнитного подвеса вместо механической пружины (использование сверхпроводимости) [19]; 2) использование монокристаллических упругих элементов, охлаждаемых до сверхнизких (гелиевых) температур [4, 41]. Оба направления связаны с использованием криогенных систем и поэтому малопригодны для массовых полевых наблюдений. К тому же следует отметить, что сверхпроводящие гравиметры пока что не оправдали надежд на устранение дрейфа нуля [41], а монокристаллические еще не прошли исследовательскую стадию.
В настоящее время в практике гравиметрических работ наибольшее распространение имеют статические гравиметры [17,22,42,43, 55,149], в которых чувствительным элементом является пружина, нагруженная пробным телом. Использование пружины в качестве упругого элемента оправдано достаточно большой чувствительностью приборов, основанных на этом принципе, в сочетании с их компактностью.
Основными недостатками этих гравиметров являются нестабильность во времени упругих характеристик чувствительного элемента (пружины), приводящая к дрейфу нуля прибора, и нелинейность зависимости упругих характеристик материала пружины (металла или кварца) от температуры, которая затрудняет термокомпенсацию в достаточно широком интервале температур. Вследствие этого и после введения термокомпенсации гравиметр имеет остаточный температурный коэффициент, составляющий, например, для гравиметра ГНУ-К2 0,5-1 мГал/град [17]. Эти недостатки ограничивают точность относительных измерений силы тяжести пружинными гравиметрами на уровне ±0,01 мГал в полевых и ±0,001 мГал в стационарных условиях, а наличие дрейфа нуля гравиметров делает невозможным определение вековых изменений силы тяжести точнее нескольких десятых долей миллигала.
Значительно меньшим дрейфом нуля обладают струнные гравиметры [42, 43], но их точность ограничена точностью измерения частоты собственных ко-лебаний струны, которая составляет 10 в относительных единицах. Это соответствует погрешности измерения силы тяжести ±0,2 мГал [55, 149]. Главным достоинством струнных гравиметров является наличие частотного выходного сигнала, что позволяет производить дистанционные измерения.
Наименее распространены в практике газожидкостные гравиметры [42, 43, 146]. Хотя они известны давно, но не получили широкого распространения по следующим причинам:
1. Газ имеет большой температурный коэффициент объемного расширения (/?= 0,0037), что обусловливает сильную температурную зависимость показаний газо-жидкостных гравиметров - более 1000 мГал / С;
2. Ввиду малых величин перемещений поверхностей ртути в широких сосудах мала точность их индикации;
3. Использование для усиления перемещений узких горизонтальны капилляров (как в известном гравиметре Хаалька) приводит к дополнительным ошибкам, вызванным взаимодействием жидкости со стенками капилляра.
О возможности использования струнного вертикального градиентометра для экспериментального подтверждения эффекта экранирования гравитации
В порядке иллюстрации возможности использования предлагаемых технических решений в других областях научных исследований и ввиду чрезвычайной важности и фундаментальности исследуемого в данном конкретном случае явления, считаем возможным привести здесь вкратце некоторые результаты, полученные нами в области теории гравитации, и проанализировать пути их независимой экспериментальной проверки.
В работе [134] автором количественно разработана известная гипотеза Ломоносова - Лесажа о природе тяготения, названная в ней радиационной гипотезой тяготения (РГТ), в приложении к некоторым нерешенным проблемам наблюдательной астрофизики. В частности, решая в рамках этой гипотезы известную проблему дефицита масс белых карликов в широких двойных звездных системах Сириуса и Проциона, вычислены входящие в РГТ новые константы -плотность потока импульса всесторонней гравитационной радиации (ГР), ответственной за тяготение, і3 = 6,0-1021 Дж-м 3 и массовый коэффициент поглощения этого потока к = 1,05 10"16 м2-кг - которые связаны в ней с гравитационной постоянной соотношением G = P-k2. (3.38)
Между новыми константами Р, к и известными фундаментальными физическими константами (ФК) нами были найдены прецизионные эмпирические соотношения, из которых независимо определяются значения этих же констант Р = 6,0024248(22)-1021 Дж-м-3 и = 1,05300060(99) Ю-16 м2-кг . Объединение этих соотношений приводит к новому соотношению, в которое входят только известные константы, и, как выяснилось в дальнейшем, являющейся одной из трех соотношений, составляющих алгебраическую последовательность. Соотношения, входящие в эту последовательность, качественно отличаются от мно жества обсуждаемых в литературе приближенных соотношений (см., например, [29, 152]) тем, что они выполняются в пределах точности определения входящих в них констант [123, 125, 140]. Модернизация РГТ с учетом этой закономерности привела к внутренне непротиворечивой физической модели гравитации, названной нами Радиационно-трансформационной моделью гравитации (РТМГ), которая непринужденно объясняет подавляющее большинство наблюдательных фактов в области астрофизики, включая и те, которые не находили объяснения в рамках известных стандартных теоретических моделей [101,132]. Все перечисленное является убедительным свидетельством справедливости РТМГ, с одной стороны, и фундаментального характера последовавших из нее соотношений и значений новых констант, с другой. В частности, уже не остается никаких сомнений в том, что значение массового коэффициента поглощения гравитационной радиации к равно именно 1,05300060(99)-10 16 м2-кг" и эффект экранирования гравитации (ЭГ), наблюдательных свидетельств которому ищут уже более 200 лет [5, 155, 157], действительно существует. В связи с этим становится актуальным вопрос о его независимом экспериментальном подтверждении.
В 1921 г., подвергая критическому анализу результаты опытов К. Майораны [155], в которых якобы обнаружено ЭГ, соответствующее в рамках принятой им рабочей гипотезы о природе тяготения (по сути совпадающей с РГТ) 1 У 1 массовому коэффициенту поглощения к = 6,7-10 м -кг , Г.Н. Рассел [157] пришел к выводу, что ЭГ привело бы к непомерно большой асимметрии дневных и ночных отклонений в приливных изменениях силы тяжести. Отсутствие такой асимметрии рассматривается им как решающий довод против рабочей гипотезы К. Майораны. Повторения опытов К. Майораны другими исследователями не последовало, однако более поздние лабораторные эксперименты [5], основанные на резонансном методе накопления сигнала, дали ограничение максимально возможного коэффициента поглощения к КГ м кг"1 и, тем самым, опровергли выводы К. Майораны, но не результаты его опытов, поскольку функциональная схема эксперимента [5] сильно отличается от майорановского. Исходя из факта отсутствия невязок в дневных и ночных приливных отклонениях силы тяжести Г.Н. Рассел в упомянутой работе [157] пришел к выводу, что значение к по крайней мере в 5000 раз меньше майорановского, т.е. к 1,35 10",6м2-кг . Более строгий и современный метод оценки заключается в поиске вызванных ЭГ гармоник S3, S4 и в приливных наблюдениях силы тяжести, преимущественно методом спектрального анализа [158]. Согласно теории [59, 158] эти гармоники должны появляться благодаря упомянутой нами асимметрии в дневных и ночных приливах. В работе [59] из факта отсутствия третьсуточной волны S3 получено ограничение к 2 КГ м кг"1.
Предпринятый автором анализ [115, 119, 120] показал, что этот результат может быть существенно превзойден и без трудоемкого спектрального анализа, используя интегральный эффект ЭГ.
Гидростатический наклономер
Наиболее рациональный путь решения обратной задачи - нахождения є и ф по измеренным значениям AVn - очевиден из уравнений (5.9-5.12) и состоит из следующих шагов: 1) определение є, из уравнения (5.12); 2) определение cos2 из уравнения (5.10); 3) определение sin 2ср из уравнений (5.9) или (5.11). Для предотвращения влияния температурного расширения рабочей жидкости при использовании деформографа в инженерных сооружениях и неглубоких скважинах параметры деформографа должны удовлетворять условию Rl-al-R2-a2=p-V/S , (5.13) где «і, и R\, - коэффициент линейного расширения и внутренний радиус стального цилиндра 1, а2 и R2 - коэффициент линейного расширения и внешний радиус инварного цилиндра 2, /3 и V - коэффициент объемного расширения и объем рабочей жидкости, S- площадь боковой поверхности секции. Это соотношение вытекает из требования равенства температурного приращения объема сек ции температурному приращению объема заполняющей ее рабочей жидкости.
Для обеспечения термокомпенсации при ot\ = 14-10"6 (нержавеющая сталь), а2 = 1-Ю" (инвар) и /?= 1-Ю (силиконовое масло) объем рабочей жидкости должен равняться -170 см , что соответствует зазору между цилиндрами 1мм при общей длине деформографа 60 см (в 7 раз меньшей, чем у аналога).
Удовлетворение соотношения (5.13) с требуемой точностью с использованием табличных значений а\, аги /?на стадии изготовления ДСД, разумеется, практически невозможно. Поэтому в конструкции предусмотрена возможность тонкой дозировки объема рабочей жидкости V в ходе стендовых испытаний прибора в широком температурном диапазоне {tc± 10) С, где tc - температура в забое скважины, в котором предполагается установить прибор. При этом автоматически компенсируются и все другие неучтенные температурные эффекты, такие как изменение модуля упругости материалов сильфонов и пружин, изменение коэффициента сжимаемости рабочей жидкости.
Количество рабочей жидкости в одной секции ( 57 см3) примерно в 525 раз меньше, чем в аналоге. Это означает, что во столько же раз меньше влияние на перемещения свободных концов сильфонов сжимаемости рабочей жидкости и его температурного расширения. Таким образом, удовлетворение соотношения (5.13) компенсирует лишь остаточную температурную зависимость, сводя ее практически к нулю. Последнее обстоятельство предопределяет возможность использования деформографа для наблюдений в неглубоких скважинах и наземных инженерных сооружениях (ГЭС, АЭС и т. п.).
Индикация перемещений подвижных концов сильфонов осуществляется емкостными преобразователями (ЕП) 7. В увеличенном виде датчик преобразователя представлен на рис.25. Статорные 1 и роторные 2 обкладки ЕП нанесены (или наклеены) соответственно на внешнюю боковую поверхность цилиндрического стакана 3 и внутреннюю боковую поверхность коаксиального ему стакана 4, изготовленных из жесткого диэлектрика, в виде электрически соединенных между собой колец равной ширины, разделенных такими же промежутка ми. Ширина колец (10 мм) выбрана равной удвоенной величине максимальных перемещений сильфонов, соответствующих критическим деформациям пород (10"4). При выбранных параметрах датчика ЕП и ДСД, для обеспечения точности измерения объемных деформаций каждой секции в ±10 10, относительная погрешность индикации перемещений ЕП не должна превышать ±5-10"7, что вполне достижимо.
На рис.25 представлено также устройство для тонкой дозировки рабочей жидкости, которое выполнено в виде патрубка с резьбой 8, к гладкому верхнему торцу которого с помощью накидной гайки 9 прижата резиновая заглушка 10. Дозировка осуществляется через съемную иглу 11 шприцом (последний не показан).
Использование описанного емкостного преобразователя существенно упрощает конструкцию ДСД, поскольку отпадает необходимость в двух разнотипных преобразователях перемещений и в перепускном клапане [75] при измерениях в широком диапазоне (ІІ0"4).
Соединительный узел (поз.5 рис.20) в увеличенном виде представлен на рис.24. Он состоит из изогнутого металлического гидропровода 1 (внешний диаметр 6 мм), нижний конец которого приварен к инварной трубе, а верхний жестко прижат к общему для всех трех соединительных систем стальному кольцу-шаблону 2 накидной гайкой 3, которая одновременно с помощью шайбы 4 уплотняет резиновую кольцевую прокладку 5. Гидропроводы 1 привариваются к инварной трубе при затянутых гайках 3. К верхнему торцу накидной гайки приварен сильфон 6. Углубления на накидной гайке (см. рис.20) предназначены для специального гаечного ключа. Диаметр капиллярного канала трубки 1 выбирается, как и в аналоге, исходя из частотного диапазона регистрируемых деформаций.
