Введение к работе
Стр.
Глава 1 3
Глава 2 РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О 8
ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Глава 3 СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О 9
РЕЖИМА
Глава 4 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА 10
РЕГИОНАЛЬНЫХ ВНЕШНИХ НАГРУЗОК
Глава 5 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 23
ДАВЛЕНИЯ И ЛУННО-СОЛНЕЧНОГО
ПРИТЯЖЕНИЯ v
Глава 6 ПРИРОДА, МЕХАНИЗМ И ОСНОВНЫЕ 27
НАГРУЗОК
Глава 7 ОСНОВНЫЕ IРЕЬОВАНИЯ МРИ ИЗУЧЕНИИ 31
РЕГИОНАЛЬНЫХ ВНЕШНИХ НАГРУЗОК
Глава 8 ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ 32
ИНЖЕНЕРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ
Глава 9 ОСНОВНЫЕ ПУТИ РАЗВИТИЯ 33
Актуальность проблемы определяется необходимостью совершенствования 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, которые проявляются в гидрогеодинамиче-ском режиме.
Специфической особенностью гидрогеодинамического режима формирующегося под влиянием масштабных внешних нагрузок, является его периодическое или непериодическое проявление в региональном плане.
Гидродинамическая реакция подземных вод, возникающая под действием различных внешних природных и техногенных факторов, относится к категории широко известного, но плохо изученного явления, 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 внешних 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 гидрогеосфере: 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-деформируе мой среде «вода - порода» при постоянных и переменных региональных внешних нагрузках для создания натурной модели распределения напряжений в подземной гидросфере.
экспериментальное изучение гидрогеодинамического режима, возникающего под действием вариации атмосферного давления и лун но-солнечного притяжения в системе «скважина - водоносный гори зонт» для выяснения его природы, механизма и основных закономерностей формирования.
разработка специальной технологии, позволяющей регистрировать, выделять и интерпретировать мало амплитудные колебания уровня воды, возникающие 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 гидрогеосфере в целях прогноза различных геодинамических процессов, в том числе сильных землетрясений (прикладная сторона исследования).
Тема диссертации соответствует основной направленности научно-исследовательских разработок ВСЕГИНГЕО (МПР).
В основу диссертационной работы положены материалы личных многолетних (I96I-I985 гг.) полевых исследований автора; Притаппсентский артезианский бассейн (1961-1967 гг.), Оби-Гармское месторождение минеральных вод (1977-1978 гг.), а также специальные экспериментальные исследования на натурных моделях, проведенные автором, в Закарпатье (1967-1975 гг.), па Щемиловском опытом полигоне (1975-1977 гг.), в Грузии (1983-1985гг.). Для более широкого обобщения обработан и исследован фактический материал по прецизионным измерениям уровня воды в скважинах, полученный полевыми отрядами ВСЕГИНГЕО и Комплексной гидрогеологической экспедицией ВСЕГИНГЕО в течение 1984-1986 гг. При полевых исследованиях широко использовался метод микроуровнеметрии подземных вод, разработанный автором.
Работа выполнена в лаборатории гидрогеологических исследований по прогнозу землетрясений, ВСЕГИНГЕО.
Материалы диссертации являются составной частью исследований, проведенных автором, по темам- 5-5\39-81гр и 5-6\122-83гр, номера госрегистрации 81028006, 01850055292, вьшолненным в 1981-1986 гг. в соответствии с постановлением Правительства Р.Ф. и приказами Мингео.
Научная новизна и значение работы
1) Получено уравнение, связывающее дополнительную региональную внешнюю нагрузку с напряжениями, вызываемыми этой нагрузкой в
двухфазной упруго-деформируемой среде.
2) 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. На них осуществлены экспериментальные исследования процесса распределения напряжений, возникающих в гидрогеосфере под действием региональных внешних сил, метеорологической и космической природы. Это позволило раскрыть механизм и ранее неизвестные закономерности внутрисуточного гидрогеодинамического режима прямую и одновременную реакцию уровня подземных вод на любые внешние региональные нагрузки.
Экспериментально 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.
Показано, что изменение нейтрального напряжения, выступающего в роли динамического регулятора равновесного состояния системы "силы внешние - силы внутренние", определяет природу формирования мало амплитудного внутри суточного підрогеодинамичеекого режима. Механизм регулирования равновесного состояния этой системы осуществляется по гидравлическому гфшщипу в соответствии с законом Паскаля увеличение внешней нагрузки - рост нейтрального напряжения в пласте - подъем уровня воды в скважине, и наоборот.
Разработана концептуальная гидрогеомехашгческая модель распределения напряжения по кровле любого стратифицировашюго водоносного горизонта гидрогеосферы, позволившая установить, что природная дифференциация неоднородностей пьезометрического напора в пределах единого водонапорного бассейна обусловлена, главным образом, характером распределения геостатического давления по кровле водоносного горизонта.
7) Разработана новая технология исследования мало амплитудных,
кратковременных колебаний уровня - микроуровнеметрия подземных вод,
позволившая зарегистрировать и выделить простые гидрогеодинамические
сигналы барической и космической природы
8) Разработан на уровне изобретения новый способ определения
коэффициента приливной эффективности, применение которого позволило
впервые установить его величину для водоносных горизонтов, рас
положенных в континентальной зоне, вне зоны действия океанических
приливов
9) Установлена природа приливной и барометрической
эффективности
10) Намечены пути исследования механизма возбужденных
землетрясений
11) Впервые показала четкая связь изосейст разрушительного
землетрясения в Ташкенте (26 апреля 1966 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, заключающихся в разработке и развитии нетрадиционного гидродинамического метода изучения напряженного состояния массива горных пород, возникающего под влиянием природных и техногенных факторов, в котором подземные воды используются в качестве индикатора изменения нейтрального и эффективного напряжений, квалифицируется как новое перспективное направление в гидрогеологии, приобретающее важное народнохозяйственное значение
Основные положения защищаемые автором.
1) Всякое изменение поля региональных внешних сил экзогенной и
эндогенной природы, вызывает в пределах любого водоносного горизонта
подземной гидросферы дополнительные напряжения: нейтральное и
эффективное, сумма которых численно равна величине вызываемых их
внешних факторов.
2) Региональная внешняя нагрузка, создавая в гидрогеосфере
дополнительные эффективные и нейтральные напряжения, распределяется в
жидкости и в "скелете" водовмещающих пород пропорционально их модулям
упругости.
3) Под влиянием вариаций атмосферного давления уровень воды в скважине действует подобно манометру, как показатель дополнительного напряжения:
изменение столба воды в открытой скважине отражает напряжение, воспринимаемое "скелетом" водосодержащих пород (эффективное напряжение);
колебание столба вода в скважине с герметично закрытым устьем передает давление, воспринимаемое жидкостью водоносного горизонта (нейтральное напряжение);
сумма изменений столба воды в открытой и закрытой скважине с учетом деформационной составляющей этих изменений равна перепаду
атмосферного давления, которое вызывает эти изменения,
Региональная внешняя нагрузка вызывает в гидрогеосфере по всей площади приложения этой нагрузки синхронную и синфазную реакцию уровня подземных вод, проявляющуюся в водоносном горизонте через изменение порового давления Механизм, >тіравляющий 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 нейтрального и эффективного напряжений, позволяет 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 27.12 .85 г. и используются в отрасли "Методические указания по организации и проведению гидрогеологических наблюдений по специализированной региональной сети в целях прогноза сильных землетрясеїшй" (в соавторстве с Г.С Вартаюшом, ЕА. Поповым, Н И Авсюком, О.Н.Кошевым), которые с 2000г заменены «Методическими указаниями по ведению ГТ'Д-мониторинга».
Результаты исследований внедрены в комплексной гидрогеологической экспедиции ВСЕГИНГЕО и широко используются для оценки пригодности гидрогеологических пунктов наблюдений при создании специализированной региональной гидрогеологической сети в сейсмоактивных районах страны в целях прогноза сильных землетрясений. 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. 112І4І0) позволило сократить срок исследования по каждой скважине А также без дополнительных материальных затрат уігучшить 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, России. Разработки автора использованы при создаїши специализированной региональной гидрогеологической сети на Северном Кавказе, Байкале а также в Дальневосточном регионе
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на.
а) Всесоюзном гидрогеологическом симпозиуме по вопросам разведки, изучения и курортного использования минеральных вод (Москва, 1978 б.) Всесоюзном научно-техническом семинаре "Методика и организация наблюдений за режимом подземных вод для прогноза землетрясений" (пос. Зеленый, Московская обл., 1983 г.),
в) Межведомственном семинаре "Итоги изучения региональных и
инженерно-геологических процессов в осадочном чехле молодых плит"
(Москва, 1983 г.),
г) Всесоюзной конференции "Подземные воды и эволюция
литосферы" (Москва, 1985 г.),
д) Всесоюзном совещании "Опыт изучения Газлийских
землетрясений и направления дальнейших исследований" (Ташкент, 1985)
Фуіпсционирование более 20 лет в организациях МПР РФ ГГД-мониторинга, основанного на реакции уровня подземных на изменение напряженного состояния в литосфере
Основные положения диссертации опубликованы в 28 работах, в том числе в монографии, брошюре, пяти изобретениях и статьях, помещенных в реферируемых журналах "Советская геология", Теолопія и разведка", материалах Всесоюзных конференций и семинаров, журнале "Разведка и охрана недр", сборниках ВСЕГИНГЕО (МПР) и пяти изобретениях.
Автор выражает признательность сотрудникам бывшего Управления геологии Таджикистана за помощь в проведении экспериментальных исследований и внедрение результатов диссертационной работы
