Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Современное состояние проблемы прогноза землетрясений методами гидрогеологии . 6
Глава 2. Геологическое строение и сейсмичность таджики стана 30
Глава 3. Гидрогеологические условий Таджикистана 45
Глава 4. Фактический материал и основные методические пеиемы его проработки 51
Глава 5. Проявление нрщвестникобшс гидрогеохимических аномалий 60
5.1. Структуры Карадум, Кичикбель, Аруктау 60
5.1.1. Гидрогеологические условия 60
5.1.2. Проявление предвестншсовых аномалий . 60
5.2. Полигон Файзабад . 67
5.2.1. Гидрогеологические условия 67
5.2.2. Проявление предвестниковых аномалий. 71
5.3. Полигон Кызылсу 98
5.3.1. Гидрогеологические условия. 98
5.3.2. Проявление предвестниковых аномалий . 104
5.4. Полигон Гармчашма 117
5.4.1. Гидрогеологические условия 117
5.4.2. Проявление предвестншсовых аномалий . 121
Глава 6. Результаты исследования системы порода - вода в ультразвуковом поле 132
6.1. Общие теоретические предпосылки . 132
6.2. Индивидуальная реакция макрокомпонентов на высокочастотное акустическое воздействие 137
6.3. Возможные физико-химические процессы в систе ме порода - вода на разных стадиях эксперимента 152
6.3.1. Установление гидрогеохикического равновесия между водой (раствором) и породой в нормальных условиях (водных вытяжках) 152
6.3.2. Изменение концентрации макрокомпонентов в растворе при акустической обработке системы порода - вода 153
6.3.3. Установление гидрогеохимического равновесия между водой и породой при отстаивании проб. 158
Глава 7. Формирование предвестшковьк гвдроігеохймических аномалий 161
7.1. Общие представления об условиях возникновения гидрогеохшических аномалий 161
7.2. Анализ возможных причин возникновения конкретных типов гидрогеохимических аномалий 165
Заключение 177
Список литературы
- Гидрогеологические условия
- Гидрогеологические условия
- Индивидуальная реакция макрокомпонентов на высокочастотное акустическое воздействие
- Анализ возможных причин возникновения конкретных типов гидрогеохимических аномалий
Гидрогеологические условия
А.Н.Султанходжаев /46/ к элементам-индикаторам, реагирующим на подготовку землетрясений Узбекистана, относит из макрокомпонентов только хлор, изменения же концентраций остальных основных элементов солевого состава воды, а также величины минерализации, по его мнению, лишь сопутствуют сейсмическим событиям. Тем не менее, последние результаты гидрогеосейсмологических исследований в Узбекистане показывают, что и величина минерализации может быть индикатором процессов подготовки землетрясений. Так, за 6 месяцев до Алайского землетрясения 1978 г. отмечено резкое снижение минерализации по одной скважине Ташкентского геодинамического полигона /23/. Этому землетрясению, а также большинству других крупных сейсмических событий Средней
Азии за несколько месяцев предшествовало уменьшение концентрации хлора в водах Ташкентского полигона. Напротив, период подготовки ТаваксаЁского землетрясения 1978 г. характеризовался относительно завышенным содержанием хлора» Для вод Ташкентского полигона установлено характерное снижение за несколько месяцев до сейсмических явлений величины рН и возвращение ее к фоновым значениям после толчка /23/.
Многолетние наблюдения за режимом химического состава минерального источника Личк (Армения) показали, что вариации содержания хлорид-иона имеют характер долгосрочного предвестника сейсмических событий /47/. Сильным землетрясениям предшествовало постепенное, начинавшееся за несколько лет снижение концентрации хлорид-иона, а после толчка количество растворенного хлора возрастало до нормы. В.А.Игумнов предполагает следующий механизм формирования наблюденного предвестника: перед землетрясениями субширотная Личская зона повышенной трещиноватости (к которой приурочен минеральный источник) испытывала сжатие, цроисходило ограничение связи близповерхностных сульфатно-гидрокарбонатных вод с глубинными хлоридно-гидрокарбонатными. После землетрясений имело место раскрытие трещин, связь с глубинными водами восстанавливалась и содержание хяорид-иона за счет подтока хлоридных вод возрастало /48/.
Вариации основных компонентов солевого состава воды, предваряющие землетрясения, фиксировались также в районе Байкала (вариации гидрокарбонат-иона) /49/, в Туркмении (вариации ионов хлора, натрия, сульфата) /50/, в Закарпатье (увеличение общей щелочности) /51/, в Киргизии (всплески концентраций ионов хлора, кальция, сульфата) /52,53/, в районе Алма-Аты (увеличение концентрации хлора, уменьшение содержания сульфата) /54/.
На Алма-Атинском црогностическом полигоне, функционирующем на базе глубоких скважин, вскрывающих термоминеральные воды, установлен интересный факт зависимости характера гидрогеохимических аномалий от механизмов очагов земдетрясений /55,56/. Землетрясениям, в очагах которых преобладают напряжения сжатия (взбросовый тип механизма очага), предшествуют цреимущественно аномалии в химическом составе подземных вод. Преобладающим растягивающим напряжением в очаге (движение в очаге-сброс) соответствуют аномалии в газовом составе. Установлено, что предвещающие аномалии лучше всего прослеживаются по элементам, превалирующим в химическом составе вод,т.е. по макрокомпонентам,
С 1977 г. на территории Таджикской ССР проводит гидрогео-сейсмологические исследования ГЕ02И АН СССР. Изучается режим химического состава самоизливающих скважин, расположенных в зоне Гиссаро-Кокшаальского сейсмогенного разлома (Центральный Таджикистан).
Были зафиксированы многочисленные случаи аномалий основных компонентов солевого состава воды, а именно, натрия, кальция, хлора, гидрокарбоната, отчетливо проявлявшиеся перед землетрясениями. Для изучаемого района установлено четкое различие в реакции подземных вод на подготовку глубокофокусных и местных, коровых землетрясений. В первом случае, как правило, отмечаются аномальные содержания хлор-иона, а во втором - бикарбонат-иона. Опережение проявления аномалий составляет обычно 8-Ю дней, но иногда уменьшается до 3 дней или же увеличивается до 14 дней /36, 57/. Для хлора аномалии носят характер всплеска длительностью от нескольких часов до 1-2 дней и прослеживаются на расстояниях до 100 км /58/.
Слабо выраженные предвестниковые аномалии хлора и гидро - 22 -карбоната отмечались при режимных наблюдениях, которые осуществлял по этому району ТИССС АН Тадж.ССР /31/. М.А.Мартынова и др. /59/ сообщают о факте возрастания в период активизации сейсмичности амплитуд колебаний концентраций макрокомпонентов химического состава глубоких пластовых вод Афгано-Таджикского артезианского бассейна. Примечательно, что скважиныi вскрывающие эти воды, располагаются на значительном удалении от зон сейсмогенных разломов.
В последние годы делаются попытки провести не только качественное, но и количественное описание гидрогеосейсмологических предвестниковых аномалий. В некоторых публикациях /23,39/ приводятся эмпирические зависимости амплитуд и времени проявления аномалий от энергии и эшщентрального расстояния землетрясений. Установление подобных зависимостей при наличии развитой сети гидрогеосейсмологических полигонов позводило бы, вероятно, в будущем решить методами гидрогеологии проблему не только времени, но и энергии и место положения очага грядущей катастрофы.
До сих пор не разработана научно обоснованная теория, объясняющая природу возникновения гидрогеохимических аномалий накануне землетрясений. С уверенностью можно сказать лишь то, что их появление определяется нарастающими напряжениями в земной коре, достигающими огромных величин (до I кбар) /60/. Делаются некоторые предположения о возможных гидрогеохимических последствиях роста напряжений (см.табл.1). Так, повышение давления в скелете породы должно приводить к усиленному растворению минерального вещества на контактах зерен, следовательно, к увеличению минерализации воды
Гидрогеологические условия
Территория Таджикистана отличается наибольшей сейсмичностью в пределах материковой части СССР, Только за период с 1895 г. она была подвержена более чем 20 сотрясениям силой в 8 баллов и вБше. Высокая сейсмичность Таджикистана обусловлена крайне сложной геолого-тектонической обстановкой. Республика расположена в зоне сочленения двух крупнейших геоструктурных областей: герцинского Центральноазиатского и киммерийского Средиземноморского геосинклинальных поясов, испытавших в неоген-четвертичное время исключительное по своей интенсивности горообразование. Согласно гипотезе "новой глобальной "тектоники именно здесь происходит столкновение Индийской и Азиатской плит, следствием которого являются подкоровые Памиро-Гиндукушские землетрясения,
Зона подкоровых землетрясений с гипоцентрами в верхней мантии на глубинах 80-400 км специфична для рассматриваемого региона. Она расположена, в основном, на территории Афганистана в месте резкого изгиба Альпийско-Гималайского пояса и захватывает область Юго-Западного Памира. Сильные землетрясения сосредоточены в небольшом (около 100 км в поперечнике) районе с центром, координаты которого 36,5 СШ и 71 ДЦ. Этот участок напоминает столб, уходящий на глубину в северо-западном направлении с наклоном около 70 /74/. Максимальное число очагов сильных землетрясений приходится на глубину 200 км. Ежегодно в этой зоне регистрируется более 2000 землетрясений с К 8 /75/. При этом выделяется сейсмической энергии больше, чем на всей остальной территории Средней Азии. Сотрясения от сильнейших сейсмических событий этой зоны, магнитуда которых может достигать 8,0, распространяются почти на всю территорию Средней Азии, однако ввиду большой глубины гипоцентров эффект на поверхности только в пограничных с Афганистаном районах достигает 7 баллов /76/.
Землетрясения с очагами в пределах таких активных сейсмичных зон Средней Азии, как Северо-Тянынаньская, Фергано-Чаткаль-ская /76/ проявляются на территории Таджикской республики еще слабее, что; обусловлено значительной удаленностью этих областей. Поэтому практически сейсмический режим Таджикистана и прилегающих районов оцределяется сейсмичностью Южного Тянь-Шаня и Па-миро-Дарваза /77/:
Очаги землетрясений Южного Тянь-Шаня и Памирс—Дарваза, представляющих главную опасность для Таджикистана, располагаются в пределах земной коры на глубинах до 40 км, причем максимум их распределения приходится на глубину 10 км /76/. Очаги сильных коровых землетрясений тяготеют к длительно развивающимся разломам, разделяющим крупные структуры и проявляющим активность в новейшее время /74/. Рассмотрим в связи с этим основные геоструктурные элементы Таджикистана и разделяющие их краевые разломы.
Как уже отмечалось выше, территория Таджикистана расположена в зоне сочленения герцинского Центральноазиатского и киммерийского Средиземноморского геосинклинальннх поясов.
К Центральноазиатскому поясу в пределах Таджикистана относится система хребтов Орединного и Южного Тянь-Шаня с расположенной между ними Ферганской впадиной /78/.
Срединный Тянь-Шань (їфраминские горы, Мирзараватская впадина, горы Моголтау), представляют Чаткало-Нарынскую струк-турно-формационную зону, сложенную нижне- и среднепалеозойскими терригеннымй и карбонатными формациями, прорванными крупными массивами гранитоидов карбона, а также вулканогенными образова - 32 ниями верхнего палеозоя. В тектоническом отношении зона Срединного Тянь-Шаня представляет собой сложный антиклинорий.
Ферганская впадина является межгорной котловиной, заполненной мощным (свыше 6 км) олигоцен-миоценовым молассовым комплексом. Ниже залегают континентальные терригенные образования мезозоя и морские терригенные и карбонатные отложения верхнего мела-палеогена. Суммарная мощность осадочного чехла Ферганской впадины цревышает 10 км.
Южный Тянь-Шань в пределах исследуемой территории включает в себя Туркестанский, Зеравшанский» Гиссарский и Каратегин-ский хребты. Архейские образования зоны представлены кристаллическими сланцами, гнейсами, мраморами. Их прорывают протерозойские и более молодае гранитоида. Верхнюю часть разреза слагают терригенные, карбонатные и вулканогенные геосинклинальные отложения палеозоя и маломощные платформенные образования мезозоя и кайнозоя. В пределах южного склона Гиссарского хребта чрезвычайно широко развиты вулканогенные и интрузивные порода нижнего карбона и верхнего палеозоя. Отложения перш и триаса представлены здесь флишем и молассои. В структурном отношении Южно-Тянь-Шаньская зона является системой чередующихся антиклинориев и узких синклинориев, осложненной многочисленными разломами (складчато-чешуйчатое строение)
Индивидуальная реакция макрокомпонентов на высокочастотное акустическое воздействие
Использованный в работе фактический гидрогоохимический материал представлнн: - результатмми дискретных режимных наблюдений за химическим составом пластовых вод Афгано-Таджикской депрессии в пределах отдельных структур, разбуренных при нефтепоисковых работах (I969-I978 гг.) /91,91/; - данными ежесуточных наблюдений за химическим составом подземных вод, которые осуществлялись в I980-I983 гг. Южной Гидрогеологической экспедицией /93,94/ и в летнее время I98I-1983 гг. кафедрой гидрогоологии ЛГУ /95/. Всего было учтено порядка 3000 химичсских анализов.
Для установления надежных гидрогеохимических предвестников необходим представительный фактический материал, подученный в результате непрерывнгго и продолжительного изучения гндрогеохимического режима. Поэтому основное внимание было уделено аналжзу материалов ежесуточных наблюдений, использование же данных дискретнгго режима позволлло сфорцулировать некоторые дополнительные выводы.
Сведения о сейсмических событиях, имевших место на территории Средней Азии и проявлявшихся в Таджикистане в периоды, когда осуществлялись гидрогеохимические наблюдения, были получены в основном из ежегодниоов "Землетрясения Средней Азии и Казахстана" /96,97,98/, в которых собраны данные о землетрясениях с энергетическим классом К — 8,5 (М — ,,5). Параметры удаленных от точек наблюдения сильных землетрясений уточнялссь по бюллетеням Меадународнгго сейсмологического центра /99/.
Вышеуказанные издания выходят с двух-трехлетним запаздыванием по отношению к сейсмическому событию. Поэтому для характеристики сейсмичности 1983 г. мы были вынуждены использовать менее точные данные Опытного сейсмологического бюллетеня Средней Азии и Казахстана /100/, а также (для сильных землетрясений) Сейсмологического бюллетеня сети опорных сейсмических станций СССР /IOlA
В целях сопоставления гидрогеохимических аномалий, которые могли бы расшифровываться как дредвестниковые , и сейсмических событий, для которых они являются предваряющим сигналом, необходимо было выбрать из огромного числа землетрясений наиболее существенные. При отборе автор руководствовался представлениями Д.Г.Осики о том, что гидрогеохимические аномалии предваряют обычно лишь землетрясения с балльностью в пунктах опробования более 4 /102/ Сведения о балльности сейсмических событий в районе опробования были получены расчетным способом, для чего использовалась формула Н.В.Шебалина, предложенная им для получения искомой характеристики землетрясений Средней Азии /76/:
Однако в этих расчетах фигурируют средние радиусы изосейст, тогда как в действительности зоны равных сотрясений во многом определяются геологическим строением конкретной территории. Так, например, дяя Таджикской депрессии семибалльные сотрясения от сейсмических событий с магнатудами 5-6 расцространяются вдоль структур в 1,6-2,0 раза дальше, чем вкрест их простирания /74/. Поэтому с целью гарантированного отбора всех сколь-нибудь существенных земжетрясений, которые могли повлиять на гидрохимический режим в точке наблюдения, учитывались сейсмические события с расчетной балльностью — 1,5.
Основной методический привм( , который применялся в поисках предвестниковых сигналов со стороны химического состава подземных вод, заключался в выявлении изменений концентраций в воде отдельных ионов, которые носили бы достаточно четкий характер и по времени своего проявления отвечали бы конкретнмму сейсмическому событию. Критерием для отнесения концентрации к числу аномальных являлссь ее увеличение (или снижение) относителнно средних значений более чем на два стандартных отклоненяя.
Анализ отобранных по такому принцппу гидрогеохимических аномалий выявил, что они носят разный характер: в одних случаях происходит увеличение концентрации какой-плибо группы ионов перед землетрясением, в других, наоборот, эти же ионы убывают в растворе; в формировании аномалии участвуют далеко не всегда одни и те же компоненты и т.д. Поскольку перечислнныые явления происходили в одной и той же точке наблюдения, то причину этих неравнозначных проявлений предвестниковых сигналов следовало, очевидно, искать в характере землетрясений, которые они предваряли. С этой целью все землетрясения общим количсством более 2000 были систематизированы с учетом их силы, местоположения эпицентра, типа подвижки в очаге и характера напряжений-сжатия или растяженяя, имеющих место в квадранте наблюдательной скважины.
Анализ возможных причин возникновения конкретных типов гидрогеохимических аномалий
Материалы гидрогеохимического режима были обработаны на ЭВМ. Использовалась Е-модификация метода главных компонент, при которой исследуются корреляционные связи между признаками. В результтте выделялись ассоциативные группы макрокомпонентов, в цределах каждой из которых составляющие химического состава воды тесно связаны между собой, что обусловлнно их совместным участием в одних и тех же гидрохимических цроцессах.
Результтты компонентного анализа проверялссь на значимость. Согласно рекомендации Дж.Девиеа /106/ созранялссь главные компоненты (факторы), собственные числа которых превышали 1,0. Значимость факторных нагрузок и коэф циентов корреляции была определена по критерию Фишера /107/. Использовалось выражение: где 8 - коэффициент корреляции (факторная нагрузка); ги - число наблюдений. Гипотзза о равенстве коэффициента корреляции (факторной нагрузки) нулю отклоняется, если вычисленное значение tr превысит соответствующее критическое значение "kj-a іїь . Критические значения, соответствующие заданнмму уровню значимости ty и числу степеней свободы ть-2, берутся из таблиц распределения
Стыоденаа. В таблиаах приводились и использовались в дальнейшем коэфу адйбнты корреляции и факторные нагрузки, отличыые от нуля с надежностью 0,95 (0,95 - уровень значимости).
Для интерпретации результатов компонентного анализа изучались построенные по методу ветвящихся связей /108/ корреляционные модели в проекции первых двух факторов (см,подробнее гл.5.2.2).
Как уже отмечалось, причины возникновения гидрогеохимических предвестников землетрясений исследователи объяснюют по-разному, и до настоящгго времени вопрос решается лишь на уровне гипотез. Одной из наиболее реальных, на наш взгляд, является концепция ультразвуковой природа этих явлений. Акустическое ультразвуковое поле, возникающее при микротрещинообразовании, согласно /23,70,71/, может оказать действнноое влияиие на гвдрогеохимический режим области подготовки землетрясений. Учитывая это обстоятельство были осуществлнны экспериментальные исследования, в которых система порода - вода подвергалась искусственному ультразвуковому облучению.
В опытах использовались порода, наиболее часто встречающиеся в геологическом разрезе изучаемой территории (известнкк, песчаник, глина и выветрелый гранит). Образцы дробились, после чего отбиралссь фракция 0,5-2,0 мм. В качестве партнера порода применялась дистиллированная вода и растворы как приготовленные искусственно, в которых доминировали наиболее часто встречающисся в природных водах солевые комбинации ( NGrCb f Ncu oU MflCo , GttCfi-o, t NccuCUg,)) так и естественные - пластовая вода одного из полигонвв. Соотношение порода - вода в опытах равнялась 1:5. Каждый отдельный эксперимент включал три опыта.
В заключение были рассмотрены возможыые пути формирования выявленных гидрохимических аномалий и сделана их прогностиееская оценка. Для установления прогностической ценности каждого компонента в качестве предвестника использовалась методика, предложенная Т.П.Челиззе /109/.
Определялись две характеристики: I) эффективность тревог О-. , зависящая от соотношения оправданыых (есть предвестник, есть землетрясение) и ложных тревог (есть предвестник, нет земжетрясения); 2) эффективность отбоев &? , зависящая от наличия или отсутствия "пропусков цели (нет предвестника, есть землетрясение)
Указаныые критерии характеризюют выигрыш в вероятности появления землетрясения (жли его отсутствия) при переходе от априорной частоты землетрясении к условной частоте земяетрясений при условии существования предвестника.
Ценность предвестнкка равна нулю, если $А з!А. 1« Чем больше д , - или обобщаюиий критерий (X " д Q% тем значительнее прогностическая ценность компонента (группы компонентов) солевого состава воды.
Анализ гидрогеохимического режимного материала и выявление предвестниковых аномалий производились раздельно по группе газо-нефтяных структур Афгано-Таджикской депрессии и по каждому из гидрогеосейсмологических полигонов.
Структуры Карадум, Кичикбель располагаются в пределах Яванского бассейна. Структура Аруктау - в Кафирниганском бассейне. Оба бассейна второго порядка приурочены к центральной части Афгано-Таджикской депрессии и граничат друг с другом. Водоносные комплексы имеют большие пластовые давления, максимум которых отмечается в центральных, наиболее погруженных частях структур. Гйдрогеохимический: разрез характеризуется постепенным увеличением минерализации с глубиной. Опробуемый по скважинам 4К Карадум, 41 Кичикбель, ИОД Аруктау турон-сеноманский водоносный комплекс залегает здесь на значительной глубине, содержит высокоминерализованную воду, йаходящуюся под большим давлением (см.табл.3). Все это свидетельствует о гидравлической закрытости структур, об отсутствии существенного влияния со стороны сезонных явлений, инфильтрационных вод. Наблюдательные скважины располагаются друг от друга на расстояних менее 40 км.
