Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ известных решений 14
1.1 Лабораторные исследования зависимости УЭС от напряжённо-деформированного состояния геологической среды 16
1.2 Мониторинг геоэлектрических параметров на прогностических полигонах 18
1.3 Натурные исследования зависимости геоэлектрических параметров от сейсмического режима 24
1.4 Модели подготовки землетрясения. Сейсмологические характеристики Чуйского землетрясения 2003 г. 28
Глава 2 Методика измерения, обработка и интерпретация данных электромагнитного мониторинга методом ЗС 38
2.1 Теоретическая составляющая метода ЗС 38
2.2 Аппаратура и программно-алгоритмические средства обработки и интерпретации данных 47
2.2.1 Аппаратура. 47
2.2.2 Программно-алгоритмические средства обработки и интерпретации данных
2.3 Методика измерения методом ЗС. 58
2.4 Особенности интерпретации данных мониторинга (оценка возможностей различных модификаций ЗС, качества полевых данных, анализ характерных искажений)
2.4.1 Интерпретация данных, полученных с использованием установок Q,q и АВ–q. 70
2.4.2 Интерпретация данных, полученных с использованием установки АВ–MN. 77
Глава 3 Вариации электрофизических параметров по данным нестационарного электромагнитного зондирования в зоне сейсмической активизации 81
3.1 Уточнение геоэлектрического строения изучаемого участка с использованием современных геолого-геофизических данных 81
3.1.1 Геофизическая изученность Чуйской впадины. 82
3.1.2 Геоэлектрическое строение участка Мухор-Тархата по современным данным геоэлектрики 91
3.2 Вариации электрофизических параметров с учетом сейсмических, тектонических и гидрогеологических особенностей 101
3.2.1 Сейсмологические данные. 101
3.2.2 Гидрогеологические данные. 108
3.2.3 Определение зависимости геоэлектрических параметров от воздействия сейсмических процессов. 111
Заключение 136
Литература 139
- Натурные исследования зависимости геоэлектрических параметров от сейсмического режима
- Модели подготовки землетрясения. Сейсмологические характеристики Чуйского землетрясения 2003 г.
- Программно-алгоритмические средства обработки и интерпретации данных
- Геоэлектрическое строение участка Мухор-Тархата по современным данным геоэлектрики
Введение к работе
Актуальность исследования. Натурными и модельными исследованиями ряда авторов установлено, что электромагнитное поле имеет высокую чувствительность к воздействию геодинамических процессов как природных, так и техногенных, которая проявляется в вариациях электрофизических параметров – удельного электрического сопротивления (УЭС) и коэффициента электрической анизотропии. Это обусловливает возможность использования электромагнитных методов для наблюдения за напряжённым состоянием геологической среды сейсмоактивных районов, в частности заселенных территорий Горного Алтая. Для решения актуальной задачи, связанной с сейсмо-безопасностью, важен выбор параметризации разреза, который зависит от способа определения геоэлектрических характеристик. Вариации электрофизических параметров оценивались методами геоэлектрики как с естественными, так и с контролируемыми источниками, но при этом в основном использовались измеренные сигналы: ЭДС и кажущиеся параметры (к – для методов постоянного тока; , Т – для нестационарного и магнитотеллурического зондирований) [Барсуков, 1979; Авагимов, 1991; Сидорин, 1992; Брагин и др., 2001; Мороз, 2006, 2007, 2012; Рыбин и др., 2007; Баталева, Баталев, 2013, 2014].
В практике электромагнитного мониторинга вариации коэффициента электрической анизотропии рассматриваются значительно реже, чем УЭС, и пока не было попыток оценить вариации этого коэффициента на основе решения обратной задачи (количественно).
Оценка вариаций геоэлектрических параметров горных пород как индикаторов сейсмических активизаций не будет достаточно достоверной, если не учитывать такие факторы, как геоэлектрическое строение участка исследования, наличие разломов в комплексе с гидрогеологическими и сейсмологическими данными.
В последнее время с появлением современной аппаратуры и более совершенных программно-алгоритмических средств обработки и инверсии данных метода ЗС имеется возможность более точно и надёжно оценивать вариации геоэлектрических параметров для эффективной интерпретации данных электромагнитного мониторинга, с последующим применением результатов для характеристики изменения сейсмического режима.
Цель исследования – повышение информативности электромагнитного мониторинга, точности и достоверности определения вариаций двух электрофизических параметров – удельного электрического сопротивления и коэффициента электрической анизотропии – как индикаторов сейсмических активизаций за счёт методики измерения методом зондирования становлением поля (ЗС) и соответствующей методики обработки и интерпретации данных с учётом детального геоэлектрического строения участка исследования, сейсмологических и гидрогеологических данных.
Задачи исследования:
-
Выбрать и обосновать методику измерения и интерпретации данных метода ЗС с использованием трёх генераторно-приёмных установок (Q, q; AB-q; AB-MN);
-
На основе решения обратной задачи определить вариации удельного электрического сопротивления и коэффициента электрической анизотропии, установить их взаимосвязь с происходящим сейсмическим процессом и выявить чувствительные к сейсмическим событиям интервалы в геологическом массиве.
Фактический материал и методы исследования.
Фактическим материалом для исследования послужили полевые данные,
полученные современной аппаратурой методами ЗС и электротомографии
(«Байкал-МЭРС-Т» и «СКАЛА-48») в 2007 – 2015 гг. сотрудниками
лаборатории электромагнитных полей ИНГГ СО РАН с личным участием
соискателя и группой С.М. Бабушкина Сейсмологического филиала ФИЦ ЕГС
РАН на экспериментальном участке в Чуйской впадине Горного Алтая,
находящемся в эпицентральной зоне Чуйского землетрясения 2003 г. Были
использованы дополнительные сведения: сейсмологические данные из
опубликованных ежегодных каталогов землетрясений Единой геофизической
службы РАН [Землетрясения …, 2005, 2007, 2009, 2010, 2012, 2013, 2014],
гидрогеологические данные [Кац, 2006]. Основной метод исследования –
анализ данных регулярных наблюдений методом ЗС за двумя
геоэлектрическими параметрами.
Высокая степень достоверности результатов достигается использованием современной аппаратуры при измерениях тремя генераторно-приёмными установками (Q, q; AB-q; AB-MN) и программно-алгоритмических средств решения обратной задачи геоэлектрики, разработанных в ИНГГ СО РАН.
Защищаемые научные результаты
1. Методика измерения методом ЗС путём использования трёх генераторно-приёмных установок (Q, q; AB-q; AB-MN) в одном пункте. Методика обработки и интерпретации данных мониторинга: на первом этапе по данным индукционной установки определяются параметры проводящего изотропного разреза (, h), на втором – восстанавливаются параметры анизотропной модели (t, n, ) по данным измерений гальванической установкой.
-
Построена детальная геоэлектрическая модель участка Мухор-Тархата с подтверждением присутствия разломной зоны: оконтурен погруженный блок фундамента по данным ЗС и определено её приповерхностное строение по данным электротомографии (ширина зоны изменяется от 50 до 140 м с юга на север, а УЭС в несколько раз меньше, чем во вмещающей среде).
-
Определены вариации УЭС и коэффициента электрической анизотропии на основе решения обратной задачи и выявлены чувствительные к сейсмическим событиям интервалы в геологическом массиве. Установлено, что коэффициент электрической анизотропии является более чувствительным по сравнению с УЭС к изменению сейсмического режима и, следовательно, вариации коэффициента электрической анизотропии можно использовать в качестве индикатора сейсмических активизаций.
Научная новизна работы. Личный вклад
Оцениваются вариации двух геоэлектрических параметров - удельного электрического сопротивления и коэффициента электрической анизотропии горных пород для характеристики изменения сейсмического режима:
1. В течение 9 полевых сезонов (2007-2015 гг.) с личным участием со
искателя получены наиболее точные данные за счёт использования современ
ной аппаратуры, индукционных, гальванических и комбинированных
установок метода ЗС.
2. Интерпретация материалов электромагнитного мониторинга для
определения вариаций УЭС и коэффициента электрической анизотропии
основывается на решении обратной задачи. С использованием современных
программных средств моделирования и инверсии «ЭРА», «EMS» и «RUBAI»
получены оценки пространственного и временного распределения УЭС и
коэффициента электрической анизотропии для каждого слоя разреза, из
анализа которых следует, что:
значимые вариации УЭС уверенно определяются по данным установки «соосные петли» (Q, q) и наблюдаются во втором проводящем горизонте, в то время как вариации коэффициента электрической анизотропии по данным гальванической установки (AB-MN) отмечаются в первом и третьем высокоомных горизонтах;
глобальное изменение УЭС осадочных пород (на 80-90%) произошло после Чуйского землетрясения 2003 г. и сравнительно небольшие изменения наблюдаются в афтершоковый период 2007-2015 гг. (до 14%);
вариации коэффициента электрической анизотропии в афтершоковый период Чуйского землетрясения 2007-2015 гг. для верхнего и опорного горизонтов разреза достигают 100 % и более.
3. Существенно уточнено геоэлектрическое строение участка Мухор-
Тархата в северо-западной части Чуйской впадины:
по данным ЗС с соосной установкой (Q, q) построена детальная карта глубин до фундамента, на которой выделена область прогиба (погруженный блок), глубина изменяется в абсолютных отметках от 1315 до 1420 м;
на участке исследования впервые после сильного сейсмического события 2003 г. определены интервалы изменения удельного электрического сопротивления: для верхнего горизонта - УЭС от 200 до 800 Омм; ниже по разрезу для среднего горизонта - от 30 до 55 Омм; в опорном, высокоомном геоэлектрическом горизонте с УЭС в 2000 Омм выделены отдельные блоки более низкого УЭС;
по данным установки AB-MN верхний (грубообломочные гравийно-галечные породы с прослоями глин, песчаников) и нижний опорный (вулканогенно-терригенные породы) высокоомные горизонты имеют повышенные значения коэффициента электрической анизотропии (1,3-2,8), что связано с наличием трещиноватой разломной зоны, являющейся причиной отличия УЭС вдоль и поперек трещин; средний горизонт представлен глинисто-алевролитовыми породами, в нём происходит более быстрое залечивание трещин и коэффициент электрической анизотропии не превышает 1,2.
4. Опробована методика определения геоэлектрического строения и
степени активности разломных структур по вариациям геоэлектрических
параметров, полученным по полевым данным регулярных наблюдений
методами ЗС и электротомографии. С использованием этой методики на
участке исследования подтверждено наличие разломной зоны, а также её
активность в районе пунктов ЗС 1, 2, 5 и 6, на что указывают максимальные
вариации коэффициента электрической анизотропии:
по данным ЗС оконтуривается участок предполагаемой разломной зоны (выделен погруженный блок фундамента), а по данным электротомографии определяется её детальное приповерхностное геоэлектрическое строение (ширина и наклон сместите ля, интервалы УЭС);
значительные вариации геоэлектрических параметров в зоне влияния разломной зоны и их увеличение в периоды повышения сейсмичности указывают на её активность.
5. Из анализа вариаций УЭС и коэффициента электрической анизотропии
на локальном участке эпицентральной зоны разрушительного Чуйского
землетрясения 2003 г. магнитудой 7,3 следует, что:
периоды максимальных значений продольной проводимости и коррелируют с периодами повышенного количества выделившейся сейсмической энергии в 2008-2009 гг. и 2012-2013 гг.;
коэффициент электрической анизотропии более чувствителен к изменению сейсмических параметров (числа землетрясений и выделившейся сейсмической энергии) по сравнению с УЭС и может служить индикатором сейсмических активизаций исследуемой территории.
Теоретическая и практическая значимость.
Для решения важной задачи обеспечения сейсмобезопасности заселённых территорий найден надёжный способ оценки влияния сейсмических активизаций на электромагнитные параметры.
Оценка вариаций двух параметров – удельного электрического сопротивления и коэффициента электрической анизотропии – с учётом детального геоэлектрического строения участка исследования, сейсмологических и гидрогеологических данных, повышает информативность электромагнитного мониторинга для задач сейсморайонирования, прогнозирования возможных природных и техногенных геодинамических явлений в заселённых районах, при строительстве промышленных и гражданских объектов, газопроводов, дорог, мостов и т.д.
Обработка и интерпретация данных мониторинга методом ЗС, основанная на решении обратной задачи, позволяет выявлять чувствительные к сейсмическим событиям интервалы в геологическом массиве.
Апробация. Промежуточные результаты докладывались и были одобрены специалистами на конференциях и симпозиумах: «ГеоБайкал – 2010», «ГеоБайкал – 2012» (Иркутск); Всероссийская молодежная научная конференция «Трофимуковские чтения молодых ученых-2011». (Новосибирск, 2011); VIII международная научно-практическая конференция по проблемам снижения природных опасностей и рисков «ГЕОРИСК – 2012» (Москва, 2012); VI Всероссийская школа-семинар имени М.Н. Бердичевского и Л.Л. Ваньяна по электромагнитным зондированиям Земли - ЭМЗ-2013 (Новосибирск, 2013); Международный научный конгресс «ГЕО-СИБИРЬ-2013», «ГЕО-СИБИРЬ-2015» (Новосибирск, 2013, 2015); VI Международный симпозиум "Проблемы геодинамики и геоэкологии внутриконтинентальных орогенов" (Бишкек, 2014).
Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 16 работ, из которых 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определённых Высшей аттестационной комиссией («Геофизика», «Вестник алтайской науки», «Горный информационно-аналитический бюллетень»), 13 — в материалах всероссийских и международных конференций.
Структура работы. Работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы из 154 наименований. Полный объем диссертации 154 страницы, включая 63 рисунка и 10 таблиц.
Благодарности. Автор глубоко признателен своему научному руководителю д.г.-м.н. Н.Н. Неведровой, за неизменную поддержку и внимание в ходе работы над диссертацией, благодарит за всестороннее содействие, ценные советы и консультации академика М.И. Эпова, д.т.н. И.Н. Ельцова, д.ф.-м.н. Е.Ю. Антонова, д.г.-м.н. Н.О. Кожевникова, к.г.-м.н. П.Г. Дядькова, к.г.-м.н. А.М. Санчаа, В.И. Самойлову, а также сотрудников лаборатории электромагнитных полей ИНГГ СО РАН М.Г. Рохину, П.В. Пономарева, И.О. Шапаренко за помощь и обсуждение, затронутых в диссертации вопросов.
Натурные исследования зависимости геоэлектрических параметров от сейсмического режима
Для решения задачи прогнозирования землетрясений в советское время, в 60-70-х гг. прошлого столетия, создаются прогностические полигоны, на которых проводятся натурные эксперименты. Большой объем информации получен на таких полигонах, как Гармский, Бишкекский (Фрунзенский), Ашхабадский, Байкальский. На этих полигонах применяется активный электромагнитный мониторинг – периодические измерения электромагнитного поля, которое создается искусственно (контролируемый источник). Результат таких наблюдений – временной ряд, отражающий вариации электрофизических параметров среды.
Первые работы в этом направлении проводятся О.М. Барсуковым на Гармском полигоне в 60-е годы прошлого столетия. Используется модификация дипольных электрических зондирований на постоянном токе с разносами сначала до 5–10 км, затем с усовершенствованием генераторной аппаратуры разносы увеличиваются до 40 км. Проводятся измерения с двумя приёмными диполями, разнесёнными по обе стороны от питающего диполя [Барсуков, 1970]. По результатам анализа регулярных измерений достаточно уверенно устанавливается причинно-следственная связь между землетрясениями в радиусе 10-15 км от пункта наблюдения и вариациями кажущегося УЭС, которые достигают 20%. За несколько месяцев до землетрясения наблюдается уменьшение кажущегося УЭС, которое постепенно восстанавливается до исходных значений после сейсмического события. Недостатком проводимых работ является отсутствие плотной сети наблюдательных пунктов, малая глубинность исследования. Применение только методов постоянного тока, с фиксированными разносами, не позволяет получать информацию с разных глубин. [Светов, 1992]. В своей работе известный геофизик И.П. Добровольский представляет расчёт пьезомагнитного предвестника землетрясения в районе Гармского прогностического полигона, основанный на результатах многолетних наблюдений пьезомагнитных предвестников тектонических землетрясений [Добровольский, 2007]. Ранее на полигоне проводится мониторинг и фиксируется целый ряд пьезомагнитных проявлений, связанных с конкретными землетрясениями, вызванных, по мнению авторов, тектономагнитным эффектом [Гусева, Добровольский и др., 1984].
На Бишкекском и Ашхабадском прогностических полигонах используется метод ЗС, который обладает высокой разрешающей способностью и большей глубинностью по сравнению с методами постоянного тока.
Бишкекский (Фрунзенский) прогностический полигон создается в 1978 г. как научная станция Института высоких температур АН СССР , и функционирует по настоящее время. Полигон находится в Тянь-Шаньской сейсмогенерирующей области, недалеко от г. Бишкек, на границе Чуйской впадины и Киргизского хребта. Геоэлектрический разрез характеризуется наличием верхней высокоомной толщи (р 85 Омм), корового проводника (р 15 Омм) и высокоомного фундамента, данные о котором получены методом ЗС. Источник поля - мощный сетевой генератор, посылающий периодические последовательности импульсов тока в заземлённую электрическую линию. Наблюдения поля проводятся на сети стационарных пунктов с периодичностью, определяемой временным масштабом изменения электропроводности при геодинамических процессах. На стационарных пунктах проводятся комплексные измерения методом вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) с разносами до 1000 м для определения изменений кажущегося УЭС (к) верхней части разреза, мониторинг геомагнитных, гидрогеологических и геохимических параметров.
В конце 80-х гг. ХХ века проводится эксперимент методом ЗС для поиска предвестников землетрясений [Трапезников и др., 1989]. Удаётся зарегистрировать вариации перед группой местных землетрясений (сильнейшее с К=12,6). Результаты режимных зондирований представляются в виде динамических разрезов кажущегося УЭС (Рисунок 1.1). Рисунок 1.1 – Изменение кажущегося УЭС () в пунктах наблюдения 19 и 29 перед группой землетрясений 5 марта 1989 г. на Бишкекском полигоне [Трапезников и др., 1989] По оси ординат указывается время становления электромагнитного поля, которое примерно пропорционально глубине залегания слоев. Видно, что на обеих станциях наблюдается понижение кажущегося УЭС глубинных слоев, достигающее минимума в период землетрясений. Важно то, что изменения УЭС практически не видны в приповерхностных слоях, это исключает взаимосвязь зарегистрированных аномалий с метеорологическими факторами. В данном случае ученым-геофизикам повезло, что очаг землетрясения попадает в середину плотной сети наблюдения, и глубина исследования перекрывает глубину очаговой области.
Модели подготовки землетрясения. Сейсмологические характеристики Чуйского землетрясения 2003 г.
Зондирование становлением электромагнитного поля (ЗС) относится к методам геоэлектрики с контролируемым источником. Он основан на изучении поля переходных процессов от вихревых токов, возбуждаемых в геологической среде при изменении тока в источнике. Теоретическая составляющая метода разработана С.М. Шейнманом [Шейнман, 1947] и А.Н. Тихоновым [Тихонов, Скугаревская, 1950; Тихонов, Арсенин 1979] и др. В конце 50-х годов ХХ века метод уже реализуется на практике в модификации дальней зоны. В 60-х годах прошлого столетия развиваются две его модификации – зондирование становлением поля в дальней зоне [Ваньян, 1965] и зондирование становлением поля в ближней зоне [Сидоров, Тикшаев, 1969; Кауфман, Морозова, 1970].
Благодаря работам М.И. Эпова [Эпов и др., 1990, 2010, 2016], М.С. Жданова [Жданов, 1992, 2002], В.П. Губатенко [Губатенко, 1994, 1999]; А.А. Кауфмана [Кауфман, 2001], Ю.А. Дашевского [Дашевский, 2001], В.С. Могилатова [Могилатов, 2002, 2005, 2010], П.О. Барсукова [Барсуков, 2004]; Б.П. Балашова [Балашов, 2005], Г.М. Тригубовича [Тригубович, 2007], И.А. Безрук [Безрук, 2008]; Е.Ю. Антонова и Н.О. Кожевникова [Антонов, Кожевников, 2008, 2009, 2010, 2011, 2012] и многим другим развивается теоретическая, программно-алгоритмическая и аппаратурная составляющая метода ЗС.
За рубежом в это время активно развивается несколько модификаций ЗС: метод переходных процессов максимального удаления LOTEM [Strack, 1999, 2010], система UTEM (электромагнитная система университета Торонто), основанная на измерении всех трех компонент магнитного поля (Hx, Hy, Hz), метод MTEM, основанный на сочетании параметрического зондирования и профилирования (Wright et al., 2002), а также электромагнитные зондирования в акватории морей [Constable, 1996, 2007].
Известно, что для возбуждения электромагнитного поля необходимо создать импульсное переключение тока в питающей (генераторной) установке, для чего используются стандартные импульсные сигналы: 1) кратковременный импульс, математически описываемый 5-функцией Дирака; 2) мгновенное включение или мгновенное выключение постоянного тока, математически описываемые а-функцией Хэвисайда. Практически создать токовый импульс, который удовлетворительно описывается 8-функцией Дирака, сложно, поэтому широкое применение получило ступенчатое возбуждение поля.
При изменении силы тока в источнике в проводящей среде возникает неустановившееся электромагнитное поле, постепенно затухающее во времени из-за тепловых потерь. Глубина проникновения поля в среду возрастает с увеличением времени, прошедшего с момента выключения тока в генераторной установке, называемого временем становления поля. При этом регистрируемый в приемной установке сигнал спадает до нуля, изменяясь сложным образом. Зависимость сигнала в точке наблюдения от времени становления графически изображают кривой становления поля. Вид кривой становления определяется распределением электропроводимости в разрезе, что при зондировании позволяет изучать зависимость компонент электромагнитного поля от времени. Кроме того, характер становления электромагнитного поля зависит от расстояния между источником и приемником. Задачу определения параметров неустановившегося электромагнитного поля (становления поля) в проводящей среде можно решать в рамках квазистационарной модели распространения электромагнитного поля, то есть без учёта токов смещения.
В электромагнитных методах с контролируемым источником имеет место разделение общего поля на Е- (поперечно-магнитное ТМ-поле) и Н- (поперечно-электрическое ТЕ-поле) составляющие, поле электрического типа и поле магнитного типа. Незаземленная петля, индуктивный источник, на дневной поверхности возбуждает только ТЕ-поле. Источник, возбуждающий только ТМ-поле, - это круговой электрический диполь, гальванический источник. Горизонтальная заземленная линия, состоящая из трех источников (токового отрезка - индуктивного источника и двух точечных заземлений - гальванических источников) возбуждает поле смешанного типа (ТЕ- и ТМ-поле). Таким образом, неустановившееся электромагнитное поле возбуждается гальванически, индукционно и смешанным способом. Процесс становления поля регистрируется как в компонентах электрического поля заземленных линий (MN), так и в компонентах магнитного поля незаземленной петле. Измерения магнитного поля, возбуждаемого электрической линией с током, относят к индуктивной электроразведке. Измерение горизонтальных электрических компонент установкой AB-MN приводит к необходимости рассматривать два процесса -гальванический и индуктивный [Могилатов, 2002].
Наибольшее распространение получила модификация ЗС, использующая индуктивное возбуждение и регистрацию производной по времени вертикальной компоненты магнитной индукции (3Bz/3t). Это связано с рядом преимуществ: 1) не требуется создавать заземления, что позволяет работать на скальных грунтах, на мерзлоте, зимой; 2) электромагнитное поле содержит только индукционную составляющую, на которой не сказывается влияние высокоомных экранов; 3) компонента Bz является наиболее слабой в магнитотеллурическом поле, которое является помехой при работе методом ЗС; 4) компонента Bz быстрее любой другой затухает при увеличении расстояния от источника, что обеспечивает повышенную устойчивость к промышленным помехам; 5) при индукционном возбуждении поля и регистрации сигнала локальные приповерхностные неоднородности, являющиеся геоэлектрическими помехами, влияют слабо, так как порождаемые ими искажения носят в основном гальванический характер.
Программно-алгоритмические средства обработки и интерпретации данных
Участок исследования находится в районе пос. Мухор-Тархата в северозападной части Чуйской впадины Горного Алтая, которая является одной из крупнейших кайнозойских впадин Алтае-Саянского региона, окруженной со всех сторон хребтами. Курайский хребет ограничивает её с севера, Северо-Чуйский, Южно-Чуйский – с запада и юга-запада, плато Сайлюгем и Тапдуайрским массивом – с юга и востока. Границы впадины можно определить по смене кайнозойских осадков, заполняющих впадину, на докайнозойские скальные породы.
Чуйская впадина выполнена континентальными кайнозойскими отложениями палеогена, неогена и плейстоцена, мощность которых на отдельных участках превышает 1000 м [Опыт построения трёхмерной геоэлектрической модели…, 2006]. Возраст отложений определяется по разнообразным остаткам ископаемых организмов (растения, остракоды, пресноводные моллюски, рыбы, млекопитающие). Геологический разрез именно Чуйской впадины относится к наиболее полным разрезам кайнозоя Внутренней Азии и благодаря ископаемым остаткам по нему можно проследить геологического историю развития как Чуйской впадины, так и Горного Алтая в целом. В других крупных впадинах (Курайской, Уймонской) кайнозойские отложения представлены фрагментарно, имеют меньшую мощность и обнажены значительно хуже [Русанов, 2011].
Кайнозойские отложения в Чуйской впадине залегают на сильно размытой поверхности дислоцированных пород палеозоя с присутствием остатков мел-палеогеновой коры выветривания. Максимальная мощность осадков наблюдается Центрально-Чуйским прогибе, вытянутом вдоль южного борта Курайского хребта (северная часть впадины). В южной прибортовой части впадины мощность осадков небольшая и составляет около 120-125 м. В западной и северной частях впадины кайнозойские отложения обнажены наиболее полно и доступны для изучения. Можно встретить небольшие выходы вдоль южного борта. В центральной и восточной частях впадины обнажений нет, так как отложения палеогена и неогена закрыты мощным чехлом четвертичных образований [Девяткин, 1965, 1981; Опыт построения трехмерной геоэлектрической модели…, 2006].
Геофизическая изученность Чуйской впадины. Она является наиболее изученной в этом регионе. Территория Чуйской впадины в разные годы исследовалась сейсмологическими, тектономагнитными, сейсмическими методами, выполнялись GPS измерения. Например, П.Г. Дядьков с коллегами на основе анализа аномалий выделения сейсмической энергии, механизмов очагов землетрясений и других параметров сейсмического режима обосновали три основных стадии подготовки Чуйского землетрясения 2003 г. (М=7,3) (1963-1986 гг., 1986-1996 гг., 1996-2002 гг.) [Стадии подготовки Алтайского землетрясения …, 2010]. В.Ю. Тимофеев с коллегами по результатам экспериментальных GPS-определений 3D-смещений земной поверхности Горного Алтая с 2000 по 2007 гг. выделили особенности полей скоростей смещений для трёх периодов (2000-2003 гг., 2003-2004 гг. и 2004-2007 гг.), получили оценку снятых напряжений, смещений по магистральному разрыву, его протяженности, значений сейсмического момента и магнитуды землетрясения [Тимофеев, Ардюков, Бойко, 2009].
Методами геоэлектрики строение Чуйской впадины исследовалось в два этапа. В 80-е годы прошлого столетия на всей её территории проведены профильные измерения методом ЗС с соосной установкой. Расстояние между профилями составляло 4 км, с детальным шагом по профилю – 400 м (Рисунок 3.1). Рисунок 3.1 – Схема измерений ЗС с соосными установками (400х400 м) 80-х годов прошлого столетия в Чуйской впадине
Второй этап изучения впадины методами геоэлектрики начинается в 2004 году после Чуйского события и продолжается в настоящее время. На территории впадины проводятся исследования разными методами геоэлектрики, такими как МТЗ, ЗС, ВЭЗ и электротомография для уточнения геоэлектрического строения отдельных участков и выполнения повторных измерений современной аппаратурой [Баталева и др., 2007; Поспеева, Потапов, 2013; Геоэлектрические исследования …, 2012].
В результате многолетних исследований Чуйской впадины методами геоэлектрики определена геоэлектрическая модель депрессии и получены значения УЭС породных комплексов, её слагающих. По результатам интерпретации архивных данных ЗС 80-х годов прошлого века построена карта рельефа фундамента Чуйской впадины, на которой отчетливо видно её блоковое строение. На карте отмечен участок исследования Мухор-Тархата, который находится на приподнятом блоке (Рисунок 3.2). Рисунок 3.2 – Карта рельефа фундамента Чуйской впадины по архивным данным ЗС 80-х годов ХХ века Блоковое строение впадины подтверждается геоэлектрическими разрезами по профилям через основные структурные элементы впадины с севера-востока от зоны разломов Курайского хребта до южного горного обрамления [Реконструкция глубинного строения Чуйской впадины ..., 2001]. На всех разрезах прослеживается сложное глыбово-блоковое строение осадочной толщи и фундамента, пересечённого многочисленными разломами, которые фиксируются его резкими уступами и в ряде случаев подтверждаются геологическими данными [Структурные и геодинамические особенности …, 1999].
Профиль 8 прошлых лет в интервале пунктов ЗС 314-242 пересекает участок Мухор-Тархата, а профили 7 и 9 проходят соответственно на западе и востоке участка (Рисунок 3.3). На геоэлектрическом разрезе по профилю 8 в указанном интервале выделяется приподнятый блок, ограниченный предположительно разломными нарушениями.
Геоэлектрическое строение участка Мухор-Тархата по современным данным геоэлектрики
Следует отметить, что для Чуйской впадины, на территории которой находится участок исследования, характерна сложная система разломов, заложенных ещё в палеозое и активизирующихся в результате воздействия сейсмических событий. Одним из последействий разрушительного Чуйского землетрясения являются зоны трещиноватости, которые выражены на поверхности некоторых участков. В частности, в западном замыкании Чуйской впадины в долине р. Чаган наблюдаются глубокие субвертикальные трещины вспарывания протяжённостью более 300 м со средним расстоянием между бортами около 3 м. Поселки Ортолык и Мухор-Тархата пространственно приурочены к зоне влияния сейсмогенерирующего Чарышско-Теректинского разлома, располагаясь на его восточном фланге. Несмотря на достаточную удаленность от эпицентра главного сейсмического события 2003 г. (25-30 км), селитебные зоны этих поселков имеют многочисленные деформации поверхности и хозяйственных объектов [Достовалова, 2004]. На участке Мухор-Тархата по данным геоэлектрики, имеющаяся разломная зона явно активизирована. Сходное строение трещиноватых разломных зон Чуйской впадины с субвертикальной трещиноватостью указывает на то, что для разломной структуры в Мухор-Тархате УЭС среды поперек и вдоль направления трещин различно, т. е. имеется электрическая анизотропия.
В результате обработки и интерпретации полевых данных регулярных измерений за 2007-2015 гг. получены геоэлектрические характеристики разреза – УЭС, толщины, параметр электрической анизотропии () для каждого слоя геоэлектрической модели и рассчитаны их вариации.
Анализ вариаций УЭС. Для анализа изменений УЭС привлекались данные двух установок: «соосные петли» (Q, q) и AB-q.
Установка Q, q. Вначале анализируются данные с установкой Q, q. Сопоставление теоретических и экспериментальных кривых ЗС с этой установкой, полученных до Чуйского землетрясения (ЗС 270, 8 профиль 80-х гг. ХХ века) и современных (ЗС 31), а также геоэлектрических моделей, показывает, что модели согласуются по мощности слоев, а небольшие отличия можно объяснить тем, что выбранные для сопоставления пункты ЗС находятся на расстоянии 250 м (Рисунок 3.23).
Этот же пример (см. рисунок 3.23) свидетельствует о существенном изменении УЭС всех слоев разреза после разрушительного события. Вскоре после него УЭС первого и второго горизонтов возросло на 25% и 35% соответственно, в то время как УЭС опорного горизонта уменьшилось в 4 раза.
Анализ полевых данных ЗС с «соосными установками» показал, что интервал значений УЭС 2-го горизонта, наиболее чувствительного к сейсмическому воздействию, до события 2003 г. составлял 16-28 Омм (архивные данные), а после него значения возросли до 30-55 Омм (современные данные), т. е. УЭС увеличилось почти в 2 раза. Значительное изменение УЭС можно объяснить гидрогеологическими данными о существенном «разбавлении» подземных вод, их минерализация на участке Мухор-Тархата понизилась [Кац, 2006].
Регулярные наблюдения за вариациями УЭС с установкой «соосные петли» осуществлялись в двух пунктах ЗС 1 и 4. По данным этих ЗС надежно определены геоэлектрические модели. Наиболее сильная реакция на сейсмическое воздействие получена по двум геоэлектрическим характеристикам 2-го слоя разреза (УЭС, продольная проводимость), погрешность определения УЭС 2-го слоя меньше 4%. Эти характеристики несколько по-разному отражают изменение сейсмического режима.
Уже из сопоставления кривых ЭДС ЗС 1 за 2007-2015 гг. видно, что они реагируют на изменение сейсмического режима, уровень кривой 2010 г., в котором отмечается сейсмическое затишье, ниже всех остальных кривых ЭДС (Рисунок 3.24). В результате инверсии данных это приводит к повышенному значению УЭС проводящего горизонта (55 Омм). Далее наблюдается период сейсмической активизации 2012-2013 гг. и УЭС горизонта уменьшается. Аналогичное поведение кривых ЭДС наблюдается по данным ЗС 4. Таким образом, в период сейсмического затишья УЭС проводящего горизонта повышается, а в периоды активизаций понижается.