Введение к работе
Актуальность проблемы, определяется необходимостью создания и повышения эффективности службы гидрогеологических наблюдений в целях прогноза сильных землетрясений, возникающих под влиянием природных и техногенных факторов, для предотвращения их вредного действия.
Накопленные за последние годы фундаментальные данные показывают, что в литосфере на огромной территории под влиянием метеорологических (атмосферное давление), космических (лунно-солнечное притяжение), эндогенных сил, а также техногенных факторов возникают аномалии различных геофизических полей, в том числе и гидрогеодинамические.
Специфической особенностью гидрогеодинамического режима, формирующегося под влиянием масштабных внешних нагрузок, является его периодическое или непериодическое кратковременное проявление в региональном плане.
Гидродинамическая реакция подземных вод, возникающая под. действием различных внешних природных и техногенных факторов,от-
НОСИТСЯ К Категории ШИРОКО ИЗВеСТНОГО, НО ПЛОХО Изученного ЯЕЛЄ-
ния, физическая сущность которого, несмотря на значительные теоретические и экспериментальные исследования, остается не раскрытой. Существующие представления на природу этого явления и аналитические решения, вытекающие из них, вступают в противоречия с фактическим материалом и не могут объяснить расхождений, возникающих между расчетными данными и результатами натурных наблюдений.
Решение проблемы формирования гидрогеодинамического режима под воздействием региональных внешни^ сил помимо чисто теоретического значения имеет огромную практическую направленность, так как создает научную основу для разработки и совершенствования специфических, нетрадиционных гидрогеологических методов исследования земной коры, в которых подземные воды используются в роли индикаторов напряжений.
Целью работы, является раскрытие природы, механизма и основных закономерностей формирования гидродинамического режима подземных вод, возникающего под влиянием региональных внешних нагрузок.
Под региональными внешними нагрузками понимаются нагрузки, равномерно распределенные по площади, линейные размеры которой значительно превышают глубину залегания водоносного горизонта, возмущенного этими нагрузками.
Основная идея исследования взаимодействия внешних и внутренних сил в двухфазной упруго-деформируемой природной среде заключалась в использовании подконтрольных, натурных, региональных источников внешних нагрузок, вызывающих изменение напряжения в гидросфере: вариаций атмосферного давления и приливной составляющей силы тяжести.
Задачами исследования являлись:
формализованное изучение с позиций подземной гидростатики баланса внешних и внутренних сил в двухфазной упруго-деформируемой среде вода - порода при постоянных и переменных региональных внешних нагрузках для создания модели распределения напряжений в подземной гидросфере, адекватно отражающей этот процесс в природных условиях;
экспериментальное изучение гидрогеодинамического режима, возникающего под действием вариации атмосферного давления и лунно-солнечного притяжения в системе "скважина - водоносный горизонт" для выяснения его природы, механизма и основных закономерностей формирования, а также для изучения процесса распределения в гидросфере дополнительных напряжений;
разработка спеииальной технологии, позволяющей производить регистрацию, выделение и интерпретацию малоамплитудных колебаний уровня воды, возникающих под действием вариаций атмосферного давления, лунно-солнечного притяжения и эндогенных сил (методический аспект исследования);
оценка изменения напряжения в массиве горных пород, вызванного нарушением баланса внешних и внутренних сил в гидросфере в целях прогноза различных геодинамических процессов, в том числе сильных землетрясений (прикладная сторона исследования).
Тема диссертации соответствует основной направленности научно-исследовательских разработок ВСЕГИНГЮ.
Материалы диссертации являются составной частью исследований, проведенных по темам
ЪЫ. 5-5/39-81 гр и 5іМ 5-6/1 22-83гр,
700(1) * 700(1) F
номера госрегисграции 8102800b, 01850055292, выполненным в 1981-198b гг.
Научная новизна и. значение, работы. . - I) Получено уравнение, связывающее дополнительную региональную внешнюю нагрузку с напряжениями, вызываемыми этой нагрузкой в двухфазной упруго-деформируемой среде.
-
Показано, что взаимоотношение деформативных состояний в скелете водовмещающей породы, вызванных внешними региональными нагрузками и изменяющимся под их действием поровым давлением,определяет кинематику распределения нейтрального и эффективного напряжений в двухфазной упруго-деформируемой среде.
-
Впервые теоретически обоснованы натурные модели и на них практически осуществлены экспериментальные исследования процесса распределения напряжений, возникающих в гидрогеосфере под действием региональных внешних сил метеорологической и космической природы, что позволило раскрыть механизм и ранее неизвестные закономерности внутрисуточного гидрогеодинамического режима: прямую и одновременную реакцию уровня подземных вод на любые внешние региональные нагрузки.
-
Впервые экспериментально на отдельных натурных моделях установлено, что дополнительная нагрузка, представленная вариациями атмосферного давления, передается в пределах верхней части подземной гидросферы на глубинах, доступных для исследования
(до 3000 м),без ощутимых потерь: сумма нейтрального и эффективного напряжений с учетом деформационной составляющей порового давления исследуемого водоносного горизонта равна величине внешней нагрузки, вызывающей эти напряжения. В.этих опытах индикатором эффективного напряжения служат изменения столба воды в открытой скважине, а нейтрального - колебание уровня воды в скважине с герметично закрытым устьем.
5) Показано, что изменение нейтрального напряжения, выступа
ющего в роли динамического регулятора равновесного состояния си-
- о -
стемы "силы внешние - силы внутренние", определяет природу формирования малоамплитудного внутрисуточного гидрогеодинамического режима. Механизм регулирования равновесного состояния этой системы осуществляется по- гидравлическому принципу в соответствии с законом- Паскаля: увеличение внешней нагрузки - рост нейтрального напряжения в пласте - подъем уровня воды в скважине, и наоборот.
о) Разработана концептуальная гидрогеомеханическая модель распределения напряжения по кровле любого стратифицированного водоносного горизонта гидрогеосферы, позволившая установить, что природная дифференциация неоднородностей поля пьезометрического напора в пределах единого водонапорного бассейна обусловлена главным образом характером распределения геостатического давления по кровле водоносного горизонта.
-
Разработана новая технология исследования малоамплитудных, кратковременных колебаний уровня - микроуровнеметрия подземных вод, позволившая зарегистрировать и выделить простые гид-рогеодинамические сигналы барической и космической природы.
-
Разработан на уровне изобретения новый способ определения коэффициента приливной эффективности, применение которого позволило впервые установить его величину для водоносных горизонтов, расположенных в континентальной зоне, вне зоны действия океанических приливов.
-
Установлена природа приливной и барометрической эффективности.
-
Намечены пути исследования механизма возбужденных землетрясений.
-
Впервые показана четкая связь изосейст разрушительного землетрясения в Ташкенте (26 апреля 1965 г.) с контурами распространения дополнительных эффективных напряжений, возникших в кровле сеноманского водоносного горизонта накануне толчка в результате интенсивной сработки гидростатического давления, вызванной многолетней эксплуатацией месторождения ташкентских минеральных вод.
Совокупность выдвинутых положений квалифицируется как новое перспективное направление в гидрогеологии, приобретающее важ-
ное народнохозяйственное значение и заключающееся в разработке и развитии нетрадиционного гидрогеодинамического метода изучения изменения напряженного состояния массива горных пород под влиянием природных и техногенных факторов, в котором подземные воды используются в качестве индикатора изменения нейтрального и эффективного напряжений.
Основные положения... защищаемые, автором..
-
Напряжения, существующие в любом водоносном горизонте гидрогеосферы, изменяются на величину изменения региональной внешней нагрузки.
-
Региональная внешняя нагрузка, распределяясь в жидкости и в "скелете" водовмещающих пород пропорционально их модулям упругости, создает в гидрогеосфере дополнительные эффективные и нейтральные напряжения.
При этом под влиянием вариаций атмосферного давления уровень воды в скважине действует подобно манометру, как показатель дополнительного напряжения:
изменение столба вода в открытой скважине отражает напряжение, воспринимаемое "скелетом" водосодержащих пород (эффективное напряжение);
колебание столба воды в скважине с герметично закрытым устьем передает давление, воспринимаемое жидкостью водоносного горизонта (нейтральное напряжение);
сумма изменений столба воды в открытой и закрытой скважинах с учетом деформационной составляющей этих изменений равна перепаду атмосферного давления, которое вызывает эти изменения.
-
Региональная внешняя нагрузка вызывает в гидрогеосфере прямую и одновременную по всей площади приложения этой нагрузки реакцию подземных вод, проявляющуюся в водоносном горизонте через изменение порового (гидростатического давления). Механизм, управляющий гидрогеодинамической реакцией, гидравлический.
-
Нарушение баланса внешних и внутренних сил, сопровождающее всякое изменение внешней нагрузки, является основной причиной развития различных геофизических процессов в литосфере.
Практическая ценность работы. Разработанный автором метод, в котором подземные воды используются в роли индикаторов нейтраль-
ного и эффективного напряжений, возникающих в подземной гидросфере под действием природных и техногенных нагрузок, позволяет на новом уровне, непосредственно в полевых условиях, исследовать распределение дополнительного напряжения в массиве горных пород и контролировать подготовку негативных геодинамических процессов, в том числе сильных землетрясений. Простота и доступность нового метода может найти широкомасштабное применение для оценки распределения напряжения, вызванного в гидрогеосфере инженерной деятельностью.
Реализация, результатов работы. Разработаны, утверждены заместителем Министра геологии СССР 27.12.(35 г. и используются в отрасли "Методические указания по организации и проведению гидрогеологических наблюдений по специализированной региональной сети в целях прогноза сильных землетрясений" (в соавторстве с Г.С.вартаняном, Е.А.Поповым, Н.И.Авсюком, О.Н.Кошевым). Внедрение . разработанных технологий: микроуровнеметрия подземных вод, оценка инерционности и информативности пунктов наблюдений (авт.свид. 1303957), напорности подземных вод (Авт. свид. 1229323), определение коэффициента приливной эффективности (авт. свид. 1121410) позволило сократить срок исследования по каждой скважине и без дополнительных материальных затрат улучшить достоверность и качество получаемой информации при организации и проведении гидрогеологических наблюдений на специализированной гидрогеологической сети в целях прогноза сильных землетрясений в Средней Азии, Казахстане, Закавказье.
Ежегодный экономический эффект от внедрения микроуровнемет-рии только в комплексной геолого-геофизической экспедиции Управления геологии Грузии составляет 12«тыс.руб.
Результаты исследований внедрены в комплексной гидрогеологической экспедиции ВСЕГИНГЮ и широко используются для оценки пригодности гидрогеологических пунктов наблюдений при создании специализированной региональной гидрогеологической сети в сейсмоактивных районах страны в целях прогноза сильных землетрясений. Результаты исследований также использовались автором при разработке мероприятий по охране минеральных вод месторождения Оби-Гарм от воздействия водохранилища Рагунской ГЭС, при исследовании
- У -
природы и механизма разрушительного Ташкентского землетрясения (lb апреля 196ь г.).
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на всесоюзном гидрогеологическом симпозиуме по вопросам разведки, изучения и курортного использования минеральных вод (Москва, 1976 г.), на всесоюзном научно-техническом семинаре "Методика и организация наблюдений за режимом подземных вод для прогноза землетрясений" (пос. Зеленый, Московская обл., 1983 г.), на межведомственном семинаре "Итоги изучения региональных и инженерно-геологических процессов в осадочном чехле молодых плит'ЧМосква, 1983 г.), на Всесоюзной конференции "Подземные воды и эволюция литосферы" (Москва, 1985 г.), на Всесоюзном совещании "Опыт изучения Газлийских землетрясений и направления дальнейших исследований" (Ташкент, 1985 г.).
Основные положения диссертации опубликованы в 24 работах, в том числе в монографии, брошюре, пяти изобретениях и статьях, помещенных в журналах "Советская геология", "Разведка и охрана недр", "Геология и разведка", материалах Всесоюзных конференций и семинаров, сборниках ъСЕГИНГЬО Мингео СССР, ВИЭлЮа и др.
Структура и объем работы.. Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения и списка литературы из 119 наименований. Объем работы ^43 с. машинописного текста, Ьо иллюстраций, ІУ таблиц. Диссертация выполнена в отделе региональных гидрогеологических исследований ВСЕГИНГЕО.
Автор выражает признательность сотрудникам комплексных эк
спедиций Управления геологии Таджикистана и Грузии за
помощь в проведении экспериментальных исследований и внедрение
результатов диссертационной работы.