Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Существующие модели деформирования земли и современных движений земной коры (в условиях латерально- неоднородной среды и сейсмичности) 14
1.1 Модели приливного деформирования Земли 16
1.2 Моделирование приливной силы через числа Лява и Шида 24
1.3 Обзор результатов расчетов чисел Лява и Шида Земли по гравиметрическим, наклономерным, деформографическим и космогеодезическим данным 30
1.4 Выводы 35
Глава 2 Параметры пласта земли в условиях латерально-однородной среды (исследования в глубоких скважинах ) 37
2.1 Использование данных вариаций водного уровня в скважинах для параметров пласта земной коры 37
2.2 Выбор модели водоносной системы подстановкой количественных значений вариаций водного уровня 56
2.3 Решение Био для определения давления в слое через напряжение (статический случай) 59
2.4 Количественная оценка параметров пласта земной коры и их связь с глубиной 66
2.5 Изменение уровня воды при периодическом воздействии сейсмических, поверхностных и долгопериодических волн 68
2.6 Выводы 75
Глава 3 Упругие параметры земли и скорости современного деформирования земной коры, их связь с неоднородностями земной коры и сейсмичностью 78
3.1 Характеристика района исследований, особенности деформирования Средней Азии по геологическим, сейсмологическим и геодезическим данным 78
3.2 Упругие константы и приливные параметры Земли по данным наклонов и деформаций в условиях латерально-неоднородной среды (ст. Ала-Арча, Тянь-Шань 88
3.3. Особенности скоростей долговременных деформаций и их связь с сейсмичностью и неоднородностями земной коры (по данным измерений на приливных станциях Средней Азии) 106
3.4. Выводы 123
Заключение 126
Литература
- Моделирование приливной силы через числа Лява и Шида
- Выбор модели водоносной системы подстановкой количественных значений вариаций водного уровня
- Количественная оценка параметров пласта земной коры и их связь с глубиной
- Упругие константы и приливные параметры Земли по данным наклонов и деформаций в условиях латерально-неоднородной среды (ст. Ала-Арча, Тянь-Шань
Введение к работе
Объект исследования - особенности упругого деформирования Земли под воздействием приливных и тектонических сил на предмет количественных оценок ее упругих характеристик для разных масштабных уровней (от упругих модулей отдельного пласта до чисел Лява и Шида) в условиях латерально-однороднои и латерально-неоднороднои земной коры.
Актуальность исследований. Изучение особенностей
деформирования на приливных частотах дает возможность определять приливные параметры Земли в целом, представляющие собой комбинацию чисел Лява и Шида, характеризующих ее как физическое тело.
Часто в исследовательских целях важно знать упругие параметры отдельных пластов Земли (обычно поверхностных). Поскольку они важны для моделирования, оценки тектонических, экологических эффектов и прогноза землетрясения. В этом случае, существует возможность определения упругих параметров пласта, таких как модуль сдвига, эффективная плотность, пористость и др., по измерениям вариаций уровня воды в глубоких скважинах (in situ), полученных высокоточными датчиками. К тому же в настоящее время широко распространен мониторинг приливных вариаций водного уровня в скважинах (на различных глубинах) с использованием высокочувствительных пьезометрических датчиков и цифровой системой сбора данных.
Автор работы воспользовался техническими возможностями аппаратуры и наличием большого объема таких данных и разработал методику получения количественных оценок упругих параметров пласта и выявления их связи с глубиной с использованием данных вариаций водного уровня в скважинах, на основе имеющихся:
модели пласта;
решения Био для связи давления с напряжением;
статической теории приливного деформирования Земли;
предположения о бесконечной горизонтальной слоистой среде в зонах осадочных бассейнов.
Кроме того, при анализе данных измерений в подземных обсерваториях получают значительные искажения приливных параметров Земли (амплитудного фактора и фазового запаздывания основных приливных волн) в регионах с латеральными неоднородностями земной коры. Изучение причин появления этих отклонений до сих пор остается актуальной задачей.
Приливные параметры Земли являются универсальными характеристиками при описании приливного эффекта Земли. В настоящее время они широко используются в моделях приливного деформирования, при обработке высокоточных данных космической геодезии и гравиметрии.
Параметры упругости Земли - числа Лява (Л - параметр, обусловленный разницей в высоте земного и расчетного приливов и к -дополнительным потенциалом, вызванным перемещением масс Земли) и Шида (/ - параметр, обусловленный разницей в горизонтальном «смещении» точки земной поверхности и океанического прилива) являются характеристикой Земли как физического тела.
Надо сказать, что в настоящее время нет достаточного количества оценок этих параметров для региона Средняя Азия. Ранее были определены числа Лява и Шида только для станций Алма-Атинского прогностического полигона - Северный Тянь-Шань (Латынина, Кармалеева, 1978, 1992; Тихомиров, 2002) по данным гравиметрии и наклонометрии с разбросом значений до 20%. Поскольку такой разброс значений не дает возможности изучать причины возникновения
-5-отклонений величин этих параметров от расчетных, которые могут быть
вызваны, например, латеральными неоднородностями земной коры, то
этот вопрос до сих пор остается актуальным.
К тому же значения упругих параметров Земли используются при обработке данных космической геодезии и гравиметрии, чувствительных к латеральным неоднородностям земной коры, проявляющимся в виде: значительных искажений величин скоростей смещений пунктов GPS, ошибок в значениях ускорений силы тяжести гравиметрических пунктов.
То-есть актуальность исследований определяется необходимостью разработки новых подходов и приемов использования экспериментальных высокоточных данных для количественных оценок упругих параметров пласта и уточнения упругих характеристик Земли, как физического тела, и изучения их отклонений от расчетных в условиях латерально-неоднородной среды (наличие глубинных разломов, в условиях смены сейсмического режима и сильных поверхностных движений).
Цель исследований - на основе экспериментальных данных и физико-математических моделей Молоденского, War&Dehant, Теркотта-Шуберта, Biot количественно оценить упругие параметры отдельного пласта земной коры и всей Земли в целом в условиях латерально-однородной и латерально-неоднородной среды при деформировании Земли под действием приливных сил (на примере Дальнего Востока, Камчатки, Бельгии и Средней Азии).
Научная задача исследований:
Установить связь упругих параметров отдельного пласта земной коры (модуль сдвига, эффективная плотность и др.) с глубиной его залегания и приливных параметров Земли в целом (и соответственно чисел Лява и Шида) со структурными и геодинамическими характеристиками региона.
Решение задачи проводилось в несколько этапов:
Обработка мониторинговых геофизических данных с помощью программ Мезозавр (Кузнецов и др., 1989), MDAS и Tsoft (Beaducel, 1996; Van Camp, 2000);
Приливный анализ данных водного уровня, деформаций и наклонов земной поверхности по программам ETERNA 3.0-3.4 (Wenzel, 1994);
Анализ данных смещений по программам Gamit/GLOBK (King, 2000);
Выбор модели методом подстановки экспериментальных данных вариаций уровня воды в рассмотренные модели водоносного пласта: «замкнутый пласт», «незамкнутый пласт»- Теркотта-Шуберта и «ограниченная полость» - П. Мельхиора;
Количественные оценки упругих параметров пласта, а также сравнение полученных значений по скважинам различной глубины и с результатами лабораторных исследований других авторов;
Количественные оценки чисел Лява и Шида Земли и установление связи отклонений их значений от расчетных с влиянием неоднородностей земной коры по данным наклономерных и деформографических измерений на ст. Ала-Арча (Средняя Азия);
Количественные оценки годовых скоростей деформаций в главных осях в регионе Средняя Азия по данным наклонов и деформаций (ст. Ала-Арча, геодинамических полигонов Алма-Аты и Гарма);
8. Выделение аномалий долговременных деформаций земной коры,
связанных с влиянием латеральных неоднородностей земной коры
региона Средняя Азия и сейсмическими событиями.
Фактический материал, методы исследований и аппаратура В качестве фактического материала для решения задачи исследования использовались следующие экспериментальные данные:
вариаций уровня воды в скважинах №1 (Хабаровский край, Горнов
П.Ю.) за 1999-2001 гг., УМЗ (Камчатка, Копылова Г.Н.) за 2003 год и Уккль (Брюссель, Бельгия, Дюкарм Б.) за 1984-1995 гг. (Тимофеев и др., 2003а);
наклонов и деформаций за период 1985-2000 гг., станция Ала-Арча (Средний Тянь-Шань), (Институт сейсмологии Киргизской АН, Яковенко B.C., Мамыров У.И.);
деформаций за период 1973-1998 гг., Алма-Атинский геодинамический полигон (Северный Тянь-Шань) (Тихомиров и др., 2001);
деформаций за период 1973-1989 гг., Гармский прогностический полигон (Южный Тянь-Шань) (Латынина, Кармалеева, 1978, 1992);
GPS данные по постоянным станциям:
NVSK за период 2000-2002 гг. (Тимофеев и др., 20036);
25 мировых станций за период 2000 - 2002 гг., предоставленных мировым центром сбора и хранения GPS данных IGS [ ].
Теоретической основой решения научной задачи является статическая теория приливных деформаций, а основные методы исследований - полевой эксперимент, построенный на измерениях высокоточной аппаратурой (датчики уровня воды, барографы, наклономеры, деформографы, GPS - приемники) в 10 подземных и наземных геофизических лабораториях; мониторинговые исследования долговременных вариаций водного уровня, наклонов, деформаций и смещений земной поверхности до 15 лет; приливный анализ, основанный на гармоническом анализе данных измерений вариаций уровня воды в скважинах, наклонов и деформаций методом наименьших квадратов; анализ данных GPS-измерений с применением алгоритма метода наименьших квадратов для оценки орбитальных параметров спутников, фазовых неоднозначностей и ковариационных матриц
-8-положений станций, используемых далее для оценки смещений станций с
помощью фильтра Кальмана; метод сравнительного анализа
полученных результатов с результатами, полученными другими авторами.
Для решения научной задачи использовались: математическая модель водоносного слоя (Д. Теркотт и Дж. Шуберт, 1985); решение уравнения связи деформации и напряжения в статическом случае для расчет упругих параметров пласта (М. Biot, 1941; A. Nur и J. Byerlee, 1971); математическая модель для расчета аномалий приливных параметров, вызванных региональными и локальными аномалиями в упругих параметрах Земли (С. Молоденский, 1984); соотношение для выявления связи магнитуды землетрясения и эпицентрального расстояния для деформаций определенного порядка (И.П. Добровольский, 1984, 1991); уравнения связи главных деформаций и деформаций в азимутах подземных обсерваторий для определение годовых скоростей главных деформаций в Средней Азии (Мельхиор, 1968; В.Ю. Тимофеев и др., 1994).
Экспериментальные данные были получены следующей аппаратурой: ультразвуковой измеритель уровня воды типа «Кедр» и барограф с цифровой записью и чувствительностью до 0.1 мм и до 0.1 мбар соответственно; наклономеры ASNS типа наклономеров Островского с чувствительностью порядка 0.1 мсек дуги; штанговые кварцевые деформографы с базой до 30 метров и чувствительностью порядка 0.05 мкм; GPS-приемники типа Trimble 4700 с накопителем до 10 суток, точность определения скоростей смещений поверхности до 1 мм с постобработкой по программам Gamit/GLOBK.
Для обработки и приливного гармонического анализа данных водного уровня, деформаций и наклонов использовался следующий набор программных средств: Мезозавр (Кузнецов СЕ. и др., 1991), MDAS (Beaducel et al., 1997), Tsoft (Vauterin and Van Camp, 2000), ETERNA 3.0-3.4 (Wenzel, 1994), Gamit/GLOBK (King, 2000; Herring, 1995).
Защищаемые научные положения и научные результаты
Построена физико-математическая модель для количественного определения параметров пласта - коэффициента нагружения у, эффективного модуля сдвига G, эффективной плотности пород р и пористости среды п по данным вариаций водного уровня под действием приливных сил и атмосферного давления; получены значения этих параметров для скважин различной глубины (100, 310 и 1150 м);
Сделаны количественные оценки приливных чисел Лява (/1=0.611, /г=0.302) и Шида (/=0.074-0.081) для станции Ала-Арча (Центральный Тянь-Шань), заниженные на 10% значения, которых, связываются с наличием глубинных разломов по модели СМ. Молоденского и геодинамической обстановкой региона (горизонтальные сжатия);
Полученные количественные оценки деформаций в главных осях для станций Средней Азии подтверждают, что в условиях геодинамической обстановки региона, где субмеридиональное сжатие является доминирующим, главные оси деформаций сжатия в Центральном Тянь-Шане (ст. Ала-Арча) совпадают с меридиональным направлением, а на Северной (полигон Алма-Ата) и Южной (полигон Гарм) границах Тянь-Шаня с Казахской платформой и Памиром проявляется сдвиговая компонента, и значения скоростей деформаций составляют порядка КГМО"6 в год, а их вариации коррелируют с эпохами крупных землетрясений региона.
Научная новизна и личный вклад 1. С помощью построенной" модели, впервые получены количественные оценки упругого модуля сдвига, эффективной плотности и пористости глубинного водоносного пласта, и качественно установлена их связь с
-10-глубинным давлением и глубиной скважин для Дальнего Востока,
Камчатки и Бельгии:
с применением метода мультирегресии 2-го порядка в различных (по глубине) скважинах, получены коэффициенты нагружения пласта у (коэффициент связи изменения порового давления и напряжения) для скважин Хабаровска, Камчатки и Бельгии, равные -0.578, -0.276, -0,496 соответственно, позволяющие количественно оценивать вариации тектонического напряжения (первого инварианта тензора напряжений (П. Мельхиор, 1976)); L -У*"4'* ' г^1,"* с » V--''
используя модель Теркотта-Шуберта «замкнутый пласт», решение уравнения Био связи давления и напряжения (статический случай) и метод приливного анализа данных, количественно оценены упругий модуль сдвига G глубинного пласта, эффективная плотность р и пористость п, значения, которых хорошо подтверждаются петрофизическими данными;
с учетом воздействия земных приливов и атмосферного давления на уровень воды в скважине получено значение изменения линейного тренда остатков кривой записи на месячном периоде по станции Бычиха в 100 Па, что определяется влиянием сезонных эффектов, а на 3-летнем периоде линейный тренд отсутствует, что дает основание считать выбор модели пласта и статического решения оправданным;
2. Впервые для региона Центрального Тянь-Шаня (ст. Ала-Арча) сделаны количественные оценки чисел Лява и Шида, определен характер деформирования земной коры и установлена зависимость этих параметров от структуры и геодинамики региона в условиях латерально--неоднородной среды (по данным ст. Ала-Арча, полигонов Алма-Ата и Гарм):
с использованием приливного анализа значений наклонов и
деформаций Земли сделаны количественные оценки приливных чисел
Лява и Шида и качественно установлена связь их аномального поведения с наличием глубинных разломов;
с применением метода приливного анализа данных наклономеров и модели Молоденского СМ., подтверждено влияние структуры региона (глубинного разлома), которое выражается в виде завышенных амплитуд и аномальных значений фазового запаздывания основных приливных волн;
с использованием расчетных формул (Мельхиор, 1968; Тимофеев В.Ю. и др., 1994) получены среднегодовые скорости главных деформаций земной коры и угол поворота осей для станций Средней Азии;
с применением соотношения И.П. Добровольского получены коэффициенты связи магнитуды землетрясений и эпицентрального расстояния для аномальных скоростей деформаций порядка 1СГ6, указывающие, что структуры Южного Тянь-Шаня более трещиноватые по сравнению со структурами Центрального и Северного Тянь-Шаня.
Научная значимость результатов. Количественные оценки упругих чисел Лява и Шида необходимо использовать при построениях моделей деформирования Земли, планировании стратегий обработки данных космической геодезии и гравиметрии, а также учитывать отличие этих параметров от расчетных для высоко-сейсмичных и высоко-деформируемых регионов при построениях моделей внутриплитных смещений и деформаций земной коры. Метод получения количественных оценок упругих параметров пласта может быть использованы для оценки тектонических эффектов региона, а мониторинг параметров важен для контроля состояния среды, режима подпитки скважин и прогноза землетрясений.
-12-Апробация работы и публикации. Основные результаты
исследований неоднократно докладывались на российских и
международных конференциях: Международная геофизическая
конференция, посвященная 300-летию горно-геологической службы
России, 2000, Санкт-Петербург; Всероссийская молодежная научная
конференция «Строение литосферы и геодинамика», 2001, Иркутск;
Международная конференция молодых ученых, специалистов и студентов
«Геофизика - 2001», 2001, Новосибирск; VI Международный симпозиум
студентов, аспирантов и молодых ученых им. Акад. М.А. Усова, 2002,
Томск; II Международный симпозиум "Геодинамика и геоэкологические
проблемы высокогорных регионов", 2002, Бишкек; Четвертые
международные геофизические чтения им. В.В. Федынского, 2002,
Москва; Международный семинар "On the Use of Space Techniques for
Asia-Pacific Regional Crustal Movements Studies", 2002, Иркутск; LIII
Научно-техническая конференция «Современные проблемы геодезии и
оптики», 2003, Новосибирск.
Результаты неоднократно обсуждались на заседаниях Лаборатории естественных геофизических полей Института геофизики СО РАН, также обсуждались в Международном приливном центре Королевской обсерватории Бельгии (группа В. Дюкарма, Брюссель, Бельгия), и докладывались на рабочих семинарах в Геодинамическом центре (группа О. Франсиса, Люксембург, Люксембург) и Международном геодинамическом полигоне МНИЦ ГП (группа GPS А.В. Зубовича, Бишкек, Кыргызстан).
По теме диссертации автором опубликовано 15 работ, в том числе 6 в реферируемых журналах (Marres Terrestres Bulletin D'Informations, Геология и геофизика, Доклады Академии наук, Геофизический вестник).
Объем и структура работы. Диссертация состоит из 3 глав, введения и заключения. Общий объем работы составляет 143 страницы, в
-13-том числе 19 таблиц, 36 рисунков и список литературы из 149
наименований.
Благода рности. Автор выражает свою искреннюю благодарность за постановку задачи, обсуждение результатов своему научному руководителю д.ф.- м.н. В.Ю. Тимофееву, признателен и благодарен за поддержку, ценные советы и консультации по оформлению научных результатов данной работы зам. директора ИГФ СО РАН заведующему лабораторией д.г.- м.н. А.Д. Дучкову
Глубоко признателен автор коллегам Д.Г. Щелочкову, А.В. Зубовичу и О. И. Мосиенко (МНИЦ ГП., Бишкек) за обсуждение научных результатов и помощь при освоении программ GAMIT/GLOBK и за сердечный прием в 2000, 2002 и 2003 годах.
Автор благодарит сотрудников Бельгийской королевской обсерватории профессора Б. Дюкарма и доктора М. Ван Руимбека, за теплый прием и помощь в освоении программ обработки данных (Tsoft, mDAS) и приливного анализа (VEN66, ETERNA 3.3-3.4), организацию посещения подземных лабораторий г. Люксембурга, г. Рошфора и г. Льеж (Бельгия), а также доктора О. Франсиса за организацию доклада автора по теме диссертации в Международном геодинамическом центре в г. Люксембург.
Автор благодарен за помощь при подготовке данной работы ведущим специалистам Института геофизики к.г - м.н. О.А. Кучай, к.г.-м.н. П.Г. Дядькову и к.ф.- м.н. Ю.К. Сарычевой, а также, автор благодарен В.И. Самойловой за методическую помощь при оформлении диссертации.
Автор благодарен коллективу Лаборатории естественных геофизических полей Института геофизики СО РАН за терпение и поддержку.
Моделирование приливной силы через числа Лява и Шида
Для характеристики различных сторон приливных явлений в теле Земли Ляв ввел два безразмерных параметра, а Шида добавил третье, необходимое для полного описания явления [Мельхиор, 1968].
Каждый тип деформаций можно охарактеризовать комбинацией этих чисел - упругих констант Земли. Ляв предложил идею, которая заключается в том, что поскольку возмущающий потенциал можно с достаточной точностью представить сферической гармоникой второго порядка, то все деформации в теле Земли, обусловленные этим потенциалом, могут быть описаны той же гармоникой, умноженной на числовой коэффициент, соответствующий данному явлению. Этим коэффициентом является одно из чисел Лява или их комбинация. Кратко опишем эти числа. Радиальное смещение , и дополнительный потенциал V, обусловленный смещением вещества Земли и изменениями плотности вследствие объемного расширения, создаваемые во всех точках Земли силами, вызываемыми потенциалом второго порядка W2, могут быть выражены в виде [Мельхир, 1968]: f = #(r) - , V = K(r)W2 (1-15), (1.16) где г - расстояние от рассматриваемой точки до центра Земли.
А функции, зависящие от г, принято называть числами Лява: H(r) =h и К(г)=к. Коэффициент h есть отношение высоты земного прилива к высоте соответствующего статического океанического прилива на абсолютно твердой Земле, к есть число Лява, являющееся отношением дополнительного потенциала, обусловленного деформацией Земли, к возмущающему потенциалу.
Кроме того, можно вычислить «смещения» по направлениям меридиана и первого вертикала, обусловленные уклонением отвеса. Если в качестве осей координат взять касательную к меридиану - ось X (положительна к югу) и параллели — ось Y (положительна на запад), то, как видно из рис 1.3. dx = a-d0,dy = a-sinO-dA, (Ы7) Проекции силы на оси есть производные от потенциала, и для недеформированной Земли с потенциалом W2, «смещения» точки, вызванные уклонением отвеса, можно записать как 3W J 9 а дв , J А а. ЄІУ-, sin 9 Є0 (1.18) и тогда смещения в меридиане и первом вертикале можно записать как „ _ Д 0 dW2 цг) dW у--Г" дв , =7 в -де-. (1.19)
Функция L(r)=l и есть число Шида, представляющее из себя отношение горизонтального «смещения» точки земной поверхности к соответствующему «смещению» в статическом океаническом приливе (где под смещением следует понимать расстояние, равное радиусу Земли, умноженному на уклонение отвеса).
Радиальные смещения, происходящие на земной поверхности, можно обнаружить по наблюдениям вариаций силы тяжести, поскольку здесь эффект изменения расстояния от Центра Земли и притяжение возникающего при этом «горба» налагаются на меняющееся лунно-солнечное притяжение.
Компоненты тензора напряжений можно непосредственно наблюдать с помощью комплекта деформографов (в частности тремя приборами в горизонтальной плоскости).
С помощью астрономических инструментов, при высокоточном нивелировании и наклономерами можно наблюдать уклонение отвесной линии от полярной оси Земли.
В каждом из этих явлений участвуют комбинации чисел Лява и Шида.
Расчет модельных значений чисел Лява и Шида. В теории приливов потенциал приливообразующей силы разлагается на элементарные гармонические члены, пропорциональные основным и присоединенным полиномам Лежандра, начиная со 2-го порядка.
Приливные вариации силы тяжести, наклонов и направления отвесной линии на поверхности Земли выражаются через числа Лява и
число Шида. Для приливов 2-го порядка эти числа наиболее надежно получены путем численного интегрирования уравнений теории упругости для нескольких моделей Земли. Такеучи [Takeuchi, 1950] выполнил интегрирование для двух вариантов распределения плотности в оболочке по Буллену [Bullen, 1950]. Далее Молоденский (1953) произвел вычисления для 3-х вариантов распределения плотности в оболочке. Далее этими вычислениями занимались такие авторы как Джеффрис и Винсент [Jeffreys and Vincent, 1957], Alterman et al. (1959), Wahr (1981), Wahr and Bergen (1986) и Dehant (1987, 1999), в работах которых использовались различные модели строения Земли: Буллена [Bullen, 1950], 1066А [Gilbert and Dziewonski, 1975], PREM [Dziewonski and Anderson, 1981].
В расчетах Молоденского, Takeuchi и Alterman плотности в оболочке и скорости сейсмических волн очень близки к плотностям по Булену. Вычисление приливных деформаций оболочки требует решения системы шести дифференциальных уравнений 6-го порядка, в которой коэффициенты решения зависят от скоростей сейсмических волн и плотности. Для исключения погрешностей на границах оболочек скорости и плотности сглажены и представлены простыми формулами [Молоденский, 1999, 2001] (рис. 1.4., 1.5.). В таблице 1.1. представлены значения чисел Лява и Шида для 11-ти моделей. Можно показать, что теоретические значения чисел Лява расходятся приблизительно на 0.02, причем весьма вероятно, что главный источник ошибок - не разные модели строения Земли, а наличие систематических ошибок при численном интегрировании дифференциальных уравнений [Молоденский, 1999, 2001].
Выбор модели водоносной системы подстановкой количественных значений вариаций водного уровня
Рассмотрим три модели водоносных систем: ограниченная полость, замкнутый пласт и незамкнутый пласт в терминах, принятых в геофизике [Теркотт, Шуберт, 1985].
Ограниченная полость. Изучение свойств водоносных пластов проводилось многими авторами, так Мельхиор [Melchior, 1960] рассматривал реакцию скважины на воздействие земных приливов. Его анализ был основан на представлении системы «скважина пласт» в виде ограниченной полости (рис 2.5.а.). При рассмотрении изменений водного уровня, вызванных приливной дилатациеи, исходили из следующего соотношения: dH = dv m-J+{pgVIKw) (2.11) где dH - перемещение воды, вызванное изменением dV в объеме V ограниченной полости (скважины), р - плотность воды, g - ускорение свободного падения, Kw - объемный модуль упругости воды, rw - радиус скважины.
Так как в соотношении (2.12) объем V является значительным, то таг J можно не учитывать, и соотношение (2.12) сводится к следующему: dH = AKw/pg (2.12) где A=d V/V-дилалапия.
Амплитуда приливной дилатации составляет 3-Ю"8, что соответствует флуктуации водного уровня приблизительно 0.69 см. Наблюдаемые вариации водного уровня на приливное воздействие в глубоких скважинах, в том числе и в скважине №1 (Хабаровск), достигают порядка 13 см. где к - коэффициент гидравлической проводимости, S - объемный коэффициент, при несжимаемости минерального скелета J/Ks=0, Ss = pg (1/K+n/Kj). Коэффициент S - это количество воды, получаемое или сохраняемое на единицу объема, отнесенные к единице изменения уровня воды или Ss = l/V dQ/dh, где dQ/V - объем воды получаемый или сохраняемый на единицу объема. Изменение уровня при приливной дилатации At: dh = A/Ss.
Выражения (2.17) и (2.18) образуют пару уравнений, соединяющих at и р. Они принимаются как базисные для связи порового давления и напряжений для однородной деформируемой пористой среды.
Из выражения (2.16) можно получить формулу для объемной дилатации: є = єи+є22 + еъъ = \IK(at - ар) (2.22) С этим выражением базисные уравнения можно выразить как в терминах а, и є, так и в терминах риє. Следует отметить, что согласно (2.16) сдвиговые напряжения не вызывают дилатации.
Уравнения (2.17) и (2.18) подобны уравнению диффузии для р, и обычно используются в гидравлике грунтовых вод при определенных условиях. В частности если: сг, = Яр (2.23) для переходных процессов, (2.18) тривиально выполняется и (2.17) становится: &2p = Ssdpldt (2.24) где Ss=S-(l-aP) (2.25) Уравнение (2.24) или различные его виды это стандартное уравнение движения грунтовых вод. Выражение (2.17) важно в аспекте отклика пористой среды на приложенные внешние напряжения. В случае отсутствия потока в слое V2p = 0 и Р = Pt (2.26) В случае, когда нет дренажа, «давление позволяет напрямую измерять» нормальные напряжения. Этот результат дает основания предполагать, что при соответствующих условиях скважина может быть использована как высокоточный измеритель напряжения. Изменения водного уровня могут быть вызваны как барометрическим давлением, так и земными приливами.
Изменение атмосферного давления приводит к вариациям давления в пласте. При этом изменение атмосферного давления, в частности, может происходить одновременно по всему пласту равномерно, не вызывая латеральных вариаций в слое, поэтому горизонтальным ф. перемещением вещества из-за атмосферной нагрузки можно пренебречь, т.е.: Єп=Є22=0 (2.27)
В этом случае вертикальное напряжение равно изменению атмосферного давления на поверхности: О-зз = УЪ (2.28) где Оъ - компонента атмосферного давления. Горизонтальный поток в пласте, вызванный изменением давления, в этом случае отсутствует и отсюда можно записать:
Количественная оценка параметров пласта земной коры и их связь с глубиной
Данный вопрос рассматривался в работах авторов [Cooper et al., 1965; Hsieh et al., 1987]. Активное изучение отклика системы скважина -водоносный пласт началось после известного сильного землетрясения на Аляске 27 марта 1964 года. После землетрясения на некоторых артезианских скважинах Флориды регистрировались мощные колебания уровня - с амплитудой до 4.6 метров и периодами в десятки секунд.
Появилась надежда получить оригинальный вид сейсмографа. Потребовалась теория отклика водоносной системы на периодические воздействия - сейсмические, поверхностные и долгопериодические волны. Можно описать изменения гидростатического напора и отклик уровня воды с помощью соотношений [Hsieh et al., 1987]: где соответственно: hf - изменение гидростатического напора в водоносном пласте, ho - комплексная амплитуда изменений гидростатического напора, х - смещение водного уровня от статического положения, хо - комплексная амплитуда смещения водного уровня, і - (-l)l/2, t - время, со = 2п/т - частота приливной волны, г- период приливной волны. Амплитудное соотношение А - это соотношение между амплитудой изменений водного уровня и изменением гидростатического напора в пласте. В терминах х0 и h0, А определяется как: = x0/ho (2.51) Фаза определяется как: Г) = arg(x0 /h0) / (2.52)
Было получено уравнение движения потоку жидкости в пласте виде [Cooper et al., 1965; Hsieh et al., 1987]: d2x/dt2 + g/He(x + sj = (p0 /p He)sin(m-77) (2.53) где He= (H + 3d/$) - эффективная высота столба, d - толщина пласта, sw- изменение уровня, вызванное расходом воды в скважине (прохождения потоков в объеме пласта в единицу времени) и х = hf - sw. Далее для sn, получено решение с помощью функций Бесселя специального вида (функций Кельвина), и уравнение движение приводится к виду: d2x/d2t + 2fta)wcx/dt + mw2x = (р01р Не)sm(znt - 77) (2.54) -73 где &J = g/He(\ - (rw2m/2T)Keiaw) (2.55) P = (rw2g/4mwT-He)KeraJ (2.56) aw=rw{mS/T)1 2 (2.57) T - коэффициент пласта (скорость фильтрации-) (Т - к-d , где к -коэффициент гидравлической проводимости и d - мощность пласта, к используется в уравнении (2.45) и в известном законе Дарси для скорости потока q = KVH). Функции Кега и Keia иногда называют функциями Бесселя.
Уравнение (2.54) сходно с дифференциальным уравнением движения механической системы, подверженной периодическому силовому воздействию с вязким затуханием. Большинство сейсмографов являются такими системами. Известное уравнение для механической системы: md2x/d2t + ldx/dt +kx = P(t) (2.58) можно записать в виде: d2x/d2t + 2(l/l0)mndx/dt + mnx = P(t)/m (2.59)
Здесь &w играет роль угловой частоты соп = (k /m) //2, а {3- это затухание 1/10. Имеется важное отличие между механической системой и скважинной системой с водоносным пластом. Так, если в механической системе l/lo и CD„ - это константы, то для скважины /3 и cow являются функциями частоты внешнего воздействия со. При (rw cv/2T)Kei aw « 1 уравнение (2.55) приходит к виду: wj {glHjn (2.60) и появляется параметр (g/HJJ/, который можно истолковать как резонансную частоту скважины.
Подставляя (2.50) в (2.54) получаем соотношение для давления: p0=x0pHe{[g/He(l-(r nr/2T)Keiaw)-m2] + [( ,g/2THe)KeraJ2}U2 Для сдвига фаз получаются выражения: т] = агс1ап[2/?йти ет/(й72 - ml)] (2.62) (2.61) или т] - arctan(F / Е) (2.63) где Е « (1 - (/; /2T)Keiaw), F (г2ш12T)Keraw) Для амплитудного соотношения: A = (E2+F2)l/2 (2.64) Таким образом, искажение амплитуды зависит от коэффициента пласта Г скорость фильтрации), коэффициента объемного расширения S, радиуса скважины rw и инерционных эффектов воды в скважине 77. Например для параметров скважин Калифорнии эти величины составляют 5=10 и T/rw =1.0 сек "\ Для коротких периодов (меньше 0.5 с) скважина работает как низкочастотный фильтр (v4«0). Для периодов 2-30 с (поверхностные волны Релея) амплитуда резко усиливается (А \) из-за резонанса при определенных соотношениях параметров пласта и скважины: А возрастает до нескольких сотен. Для длинных периодов (приливные и барические воздействия) искажений не возникает (А = 1). Отличие значения сдвига фазы от теоретического, на коротких периодах, достигает 80.
Оценим величину скважинных искажений для скважины №1 (Хабаровск), используя данные анализа (таблица 2.2). С использованием (2.19) при условии несжимаемости минерального скелета (J/Ks=0) получаем 5==5 - 6-10" . При радиусе скважины /„. = 0.1 м, мощности пласта песчаников на глубине 1 км d = 100 м и значениях гидравлического коэффициента к по таблице 2.5. получаем оценку для Т/г„ в интервале от 7 1 1 2-10" с до 2-Ю" с" . Для приливных периодов г« 12-ь24 часов параметр Тт/rJ больше 1000 и фазовое запаздывание системы не превышает одного градуса. Таким образом, мы получили еще одно подтверждение правильности полученных оценок упругих параметров пластов (таблицы 2.4.а., 2.4.6., 2.4.в.) на длинных периодах.
Упругие константы и приливные параметры Земли по данным наклонов и деформаций в условиях латерально-неоднородной среды (ст. Ала-Арча, Тянь-Шань
Результаты гармонического анализа приливных данных представляются в виде приливных параметров - амплитудного фактора наиболее сильных приливных волн А и запаздывания по фазе этих волн 5ф, относительно фазы расчетного прилива, а соотношения этих параметров из различных типов измерений могут быть использованы для расчетов упругости Земли в виде чисел Лява и Шида.
Приливный анализ данных мониторинговых наблюдений позволяет количественно оценить эти упругие параметры при деформировании Земли на приливных частотах.
Так как приливная сила рассчитывается с высокой точностью, а также имеется модель приливных деформаций и упругих констант Земли и экспериментальное определение их количественных значений разными методами (см. Глава 1. разделы 1.2, 1.З.), то отклонения этих параметров от расчетных, позволяют оценивать их зависимость от структуры и геодинамики региона.
Кроме того, приливные наклоны и деформации, согласно теории [Dehant, 1987; Harrison, 1976] отражают такие локальные особенности земной коры, как глубинные разломы (рис 3.7.). Зона глубинного разлома моделируется, как вертикальное включение, аномальное по упругим модулям или по продольным и поперечным волнам. Свойства коренных пород указаны на этом же рисунке.
Геодинамическая обсерватория Ала-Арча. Для определения характера деформирования и связи аномалий деформаций с сейсмичностью использовались данные наклонов и деформаций, выполненные в геофизической обсерватории Ала-Арча с 1985 по 2000 года (координаты 4238 13" N, 7429 43" Е, НИ 1700 м), расположенной на северном склоне Киргизского горного хребта (рис.3.8.), в 20 километрах к западу от Международного Геодинамического Полигона МНИЦ ГП (где расположен постоянный пункт GPS-измерений POL2).
Первые геофизические наблюдения на станции были сделаны в 1982 году. А оборудование по измерению наклонов и деформаций, разработанное конструкторским бюро Института Физики Земли АН СССР (г. Москва) [Латынина, Кармалеева, 1978], было установлено в октябре 1985 г.
Пункт измерений расположен на южном крыле субширотного Чонкурчакского надвига. Плоскость разлома падает к югу под углом в 30 градусов, обсерватория находится в 1 километре от линии разлома [Чедия, 1986].Территория покрыта сложной системой разломов и -перекрыта осадочными отложениями в долине в 10 километрах севернее пункта.
Центральный Тянь-Шань является высокосейсмичным регионом, здесь отмечались землетрясения магнитудой выше 7 по шкале Рихтера Подземная лаборатория Щ расположена в специально построенной горизонтальной штольне П образной формы на глубине почти 50 метров (рис.3.9.). Подобная конфигурация штолен типична для сейсмостанций сети республик Средней Азии.
По конструкции лаборатория Ала-Арча состоит из двух 80-ти метровых проходных галерей и 33 метровой поперечной. Помимо галерей имеются специальные полости для установки различного геофизического оборудования. Потолок, пол и стены были покрыты специальным цементным слоем, в результате чего получена жесткая конструкция, ф, находящаяся в окружающих трещиноватых породах.
Можно предположить, что вся эта подземная лаборатория является длинно-базисным инструментом, расположенным в горном массиве. Два входа в лабораторию находятся в 40 метрах от входа (рис.3.9.). Важной особенностью галереи является сильный сезонный эффект, связанный с весенним таянием снега и дождями. В зимний период влажность низкая по сравнению с весенним периодом, когда влажность доходит до 100%. Эта особенность вызывает сезонные расширение и ф сжатие пород, что отражается в результатах наблюдений наклонов и деформаций.
Для измерения наклона в направлениях С-Ю и В-3 использовали наклономеры марки ASNS. Этот инструмент того же типа, что и наклономер Островского [Островский, 1978], но использующий ёмкостной датчик. Для этого инструмента использовался электромагнитный способ калибровки. Масштаб записи при аналоговой регистрации достигал 5 мм/мсек дуги. ф Штанговые (диаметр 45 мм) кварцевые деформографы базой 30 метров расположены вдоль галерей в азимутах С-Ю и В-3. Концы деформографа и подвесы установлены на специальных постаментах. Для регистрации деформаций используется емкостной датчик, еженедельная калибровка инструмента осуществлялась подачей сигнала на пьезоэлектрическое устройство. Масштаб записи поддерживался на уровне 0.05 мкм/мм или больше. Регистрация проводилась в здании сейсмологической станции, расположенной на другой стороне реки в 300 метрах от входа в галерею.
Данные наклонов и деформаций. На рис 3.10. приведены наблюденные кривые деформографических измерений. На этих данных можно увидеть сильный сезонный эффект 2-Ю"6 весной 1987 г. Далее вариации находятся в пределах этого значения, но носят обратимый характер растяжение-сжатие, вызванный поступлением воды в трещиноватые породы и ее исчезновением.
Различная реакция связана с разной базой инструментов, так у наклономера база инструмента 20 см, размер постамента 2.5 м, камеры 3.4 м, а база деформографов составляет 30 метров. Долговременные вариации деформаций имеют систематический характер для направления В-3 порядка 10" в период с 1985 г по 1997 г, с различными годовыми скоростями.
Для компоненты С-Ю наблюдалось растяжение до 3.5-10"6 для первых трех лет и сжатие порядка 7x10"6 для следующих 9 лет.
Наблюденные долговременные кривые наклонов в направления С-Ю и В-3 представлены на рис 3.11. Здесь тоже можно увидеть сильный сезонный эффект весной 1987 года. В этот период вода с поверхности проникла в галерею, что привело к необратимому эффекту наклонов до 7 сек. дуги. В последующие годы сезонный эффект представлен в виде ежегодных вариаций величиной от 0.1 до 3 сек. дуги. Ход наклонов за 12
