Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Аномалии в режиме подземных вод и природных газов в связи с сейсмичностью недр территории Грузии

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Аномалии в режиме подземных вод и природных газов в связи с сейсмичностью недр территории Грузии"

?

, 1

4 I.

СЕКТОР ПЩРОГЕОЛОШ! и ИШЕНЕРНОЙ ГЕОЖПШ АКАДЕМИЯ НАУК ГРУЗИИ

На правах рукописи

' ГЛЕЛЖАДБЕ ГЕОРГ.Й ИРАКЛИЕВИЧ

УДК 556.314+556.332.52(479.22)

АНОМАЛИИ В РЕЕШЕ ПОДЗЕШЫХ ВОД И ПРИРОДНЫХ ГАЗОВ В СВЯЗИ С- СЕЙСМИЧНОСТЬЮ НЕДР ТЕРРИТОРИИ ГРУШИ

Специальность - 04.00.06 "Гидрогеология"

Автореферат диссертации на соискание ученой отепеиа кандидата геолого-шшералогэтесках наук

Иилиси - 1990

Работа выполнена в Производственном объединения "Грузгео-логия".

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук, црофеосор

Г.И.БУАЧВДЗЕ

Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических

наук Г. И.ВОЙТОВ

- кандидат геолого-Минералогических наук М.П.ШАОРШАДЗЕ

Ведущая организация - Институт геофизики АН ГССР

Завдта ооотоится " " 199&Г. в !Г) часов

на заоедании специализированного совета к 007.18.01 по присуждению ученой степени кандидата наук цри Секторе 'гидрогеологии и инженерной геологии Академии наук Грузинской ССР.

. С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке Сектора ШГ АН ГССР. 'Т^й^.Юи. /у ^с^^и В/

Автореферат разослан " / " 1990 г»

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат геолого-минерало-гичСских наук ' ""Б.С.МХЕВДЗЕ

~ 'т, п »

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

' , -л 'Актуальность проблем. Спитакское вемлетрясение в Армении 7 декабря 1988 года еще раз продемонстрировало, что проблема прогноза землетрясений находится ра стадии научного поиска,что не позволяет осуществлять практические мероприятия по сгёасению людей и тем самим уменьшать ущерб народного хозяйства.

Развернутые в различных регионах комплексные геолого-го офи-вические исследования по поиску предвестников землетрясений позволили выявить связи между аномальными явлениями в различных полях и сейсмичностью, однако разнообразность применяемое методик и технических средств, многообразие теоретических моделей о процессах подготовки и развития землетрясений не позволяют реально предоказать землетрясения.

В связи о этим разработка методических приемов прогноза землетрясений остается по-прежнему актуальнейшей проблемой.

Целью настоящей работы является соэдакие наблюдательной сети за изменением информативных гидрогеологических показателей в ■ режиме подземных вод и природных газов на территории Грузии, для использования их в качестве индикаторов геодинамических процессов и связанных с ними сейсмичностью недр.

Для решения этой цели исследования были сконцентрированы на решение следующих основных задач:

1. Выяснение природы аномальных изменений в геологических полях при геодинамических процессах.

2. Выбор информативных показателей в режиме подземных вод и природных газов для слежения за геодинамическими процессами.

3. Разработка методики наблюдений за изменением информатив-

- 2 -

них показателей в режиме подземных вод и газов.

4. Создание системы наблюдательных пунктов на территории Грузии, для контроля за геодинамическими процессами и разработка методов практического прогноза землетрясений.

Фактический материал. Для решения указанных задач использованы материалы режимных гидрогеологических наблюдений на сейсмоактивных полигонах Грузии, выполняемых в ПО "Грузгеология" за период 1979-90 гг., в которых автор диссертации принимал непосредственное участие, являясь ответственным исполнителем. За этот период был выполнен большой объем гидрохимических и гидродинамических исследований на различных геологических структурах территории Грузии. Совместно со ВСЕПИГЕО в районе Боржоми были начаты, а в дальнейшем продолжены самостоятельно, экспериментальные исследования по изучению механизма формирования аномалии в режиме подземное вод и природных газов. Выполнены работы по оценке информативности различных параметров подземных вод и начато создание автоматизированной региональной наблюдательной сети на территории, Грузии.

Научная новизна работы. Разработана методика по оценке информативности" показателей в качестве индикаторов геодинамических процессов; выбраны информативные показатели в режиме подземных вод для территории Грузии; установлен характер связи аномальных

изменений в режиме подземных вод и природных газов в зависимости

£

от салы землетрясений и расстояния до очага; введен новый показатель сейсмоактивности - изменение коэффициента приливной эффективности.

Обоснована система расположения наблюдательных пунктов для контроля за геодинамнческима процессами 'на территории Грузии,

- 3 -

позволяющая регистрировать хотя бы в трех сивышс пунктах аномальные изменения перед землетрясениями о магнятудой 5 и выше.

Практическая ценность работы заключается в возмоглости контроля за геодинамическими процессами на территории Грузии,в том числе и теми, которые заканчиваются сильными землетрясениями. На территории Грузии создана сеть наблюдательных пунктов иа 15 скважин, которые при непрерывном режиме позволяют осуществить слежение за нарушением подземных вод.

Наблюдательная сеть на территории Грузии является составной частью наблюдательной сети Кавказского региона, создаваемой Мин-гео СССР в целях прогноза сильных землетрясений.

Защищаемые положения:

1. Установлен механизм формирования аномальных изменений в рехкме подземных вод и природных газов. Доказывается, что они связаны с деформациош>._ми процессами в верхней части земной коры, и формирование этих аномалий происходит непосредственно в области наблюдений.

2. Проведена оценка информативности геолого-геофизических показателей в качестве индикаторов геодинамических процессов. В качестве информативного показателя принимается тот, изменение которого позволяет фиксировать деформационные процессы, вызываемые лунно-солнечными приливами на уровне относительных деформаций

1СГ8.

3. Выявлен новый краткосрочный показатель сейсмоактквности -изменение коэффициента приливной эффективности во времени.

4. Для территории Грузии установлена эмпирическая зависимость между энергетическим классом землетрясений и максимальным расстоянием регистрация аномальных нарушений в режиме подземных

вод, согласно которой для регистрации в трех сменных пунктах аномальных нарушений,вызванных геодинамическими процессами.предваряющих сильные землетрясения с магнитудой 5 и выше, предложено расстояние между наблюдательными пунктами 50 км.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на Всесоюзном совещании "Гидрогеологические методы прогноза землетрясений" (Москва, 1983), на семинарах научно-технического совета ВСЕП1НГЕ0 по гидрогеологическим предвестникам землетрясений (Москва, 1985, 1987), на Научно-техническом совете Мингео СССР (Москва, 1989), на заседании прогнозного совета межведомственного совета по сейсмологии и сейсмостойкому строительству при Институте геофизики АН ГССР (Тбилиси, 1990), и результаты исследований отражены в 4 научно-тематических отчетах и 5 опубликованных статьях.

Структура и объем работы. Диссертация сост.оит из 3 глав, введения и заключения и содержит 187 машинописных страниц теко-"та," 4 таблицы^ 88 рисунков, список литературы включает 77 наименований.

9

В процессе исследования автор пользовался советами и консультациями в е&яасти гидрогеологии и прогностических исслэдований Г.С.Вартанян'а, Е.А.Попова, В.А.Гарифуллина, И.Н.Яницкого, К.Д. Картвелишвили, Н.П.Памкрелвдзе, которых автрр благодарит за постоянное внимание к своей работе.

- 5 -

СОДЕРКАШЕ РАБОТЫ

ГЛАВА I. РАЗВИТИЕ ЕКР0Г20Л0ГИЧЕСКПХ ИССЛШШПЙ,

связь с гголлнАгл'ЛРИки'л: лро!ш:са;,з1 к их

С0ВРН.23Ш0Е. СОСТОЯНИЕ

На Кавказе аномальные скМскты в ратаям подгомнкх зод и прз-родашх газов, сбязшишо о гоодшшшческпхи процессами и продва-ряпцио силыше землетрясения, были огкечоны ото в 1"901 году Ыолденгауэром.

Розкое усиленно исследовании в этом направлении откочаотсл о 1979 года поело принятия постановления ЦК КПСС и Совета Министров СССР "Об усилении исследований в области сейсмологии и создании олукбк прогноза землетрясений", которым продусг.:агргва-лаоь организация широкого комплекса исследований, в том число гидрогеологических, кс'.орые по сой день проводятся учреждениями как Академии наук, так и организациями Гшнгео СССР. Подучеп огромный экспериментальный материал. Рассмотрим его основные результата.

Выявлено болькоо количество аномальных эффектов в рокг.мэ подзомных вод, предваряющие сильные зомлотрясондя. К. гидродинамическим предвестникам землетрясений относят аномальш/е изменения, проявляющиеся в динамике флюидов: уровень, дебит, напор подземных вод, а такяе добитов газов.

В качестве возможных гидрохимических предвестников изучаются (.логие компоненты минерального и газового составов подземных вол и показатели их физико-химического состояния. Выбор признаков для гидрохимических исследований часто носил случайгай характер и определялся интересами ученых или аппаратурными вовмохшо-

стями. Набор изучаемых гидрохимических индикаторов также обусловлен типами подземных вод и их химическим составом.

Отмечается последовательное расширение наблюдаемых индикаторов, что было связано с целевой задачей поиска и выбора информативных индикаторов в качестве предвестников землетрясений.

Со времени проявления аномалии в гидрогеологических и температурных полях подразделяют на долгосрочные (месяцы, годы) и краткосрочные (часы, дни) предвестники землетрясений.

Наблюдение за вариациями геолого-геофизических полей регламентировалось "Методическими рекомендациями...", разработанными исходя из теоретических представлений о физических процессах в очагах землетрясений и определяющих развитие прогностических исследований в пределах, ограниченных по площади высокосейсмичных полигонов. Однако многочисленные экспериментальные материалы в различных регионах показали "дальнодействие" аномальных эффектов в гидрогеологическом режиме подземных вод, что ставит под сомйение существующие представления о процессах подготовки и развития землетрясений (лавинно-неустойчивого трещинооб -

разования /ДНТ/, дилатантно-дий[фузионной /ДЦ/ и других моделей), 0

указывающие' на очаговый характер предвестников землетрясения. Примерами могут служить аномалии в режиме подземных источников в г.Теплице Чехословакии на удалении 2200 км от эпицентра или

аномалии режима уровней воды в Бельгии и в штате Айова США на

*

удалении более 4800 км от эпицентра Аляскинского землетрясения 28.03.1264 г.

Другой причиной неудач в прогнозе сильных землетрясений является отсутствие унифицированной высокоточной аппаратуры наблюдений. Проведение наблюдений в пределах 'локальны* высокосейсмич-

- 7 -

них полигонов не дали определешшх ответов на «опросы:

1. Какие аномалии в режиме подземных вод и природных газов могут служить предвестниками землетрясения?

2. Какова природа аномальных изменений в режиме подземных вод и природных газов, связанных о геодинамическими процессами?

3. Какие гидрогеологические параметры наиболее информативны для выявления предвестников?

4. Какая система наблюдений необходима для прогноза ге о динамических процессов, предваряющих сильные землетрясения?

5. Каковы особенности в аномальных изменениях при прогнозе времени, места и силы землетрясений?

ГЛАВА 2. РЕВМШЕ ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА ТЕРРИТОРИИ ГРУЗИИ И ИХ СВЯПЬ С СЕЯаКЧНОСТЬЮ

2.1. Краткая гс^логическая и гидрогеологическая характеристика районов исследований

Водопункты для режимных гидродинамических и гидрохимических наблюдений расположены по всей территории Грузии и охватывают пять основных структурных единиц, принимающих участие в геологическом строении Грузии - доюрские интенсивно складчатые глубоко метаморфлэовашше образования зоны Главного Кавказского хребта, сложноскладчатуто систему его Южного склона, платформенные и полуплатформенные образования Грузинской глыбы с доюрскима выступами фундамента, умеренно складчатую Аджаро-Триалетскую складчатую систему и Артвино-Болнисскую глыбу.

Режимные водопунктн вскрывают все основные водонапорные горизонты региона. Геологические и гидродинамические особенности

региона обусловливают пестрый химический состав и гидродинамические особенности подземных вод и природных газов. Минерализация режимных водопукктов меняется от 0,3 до 10,0 г/л, а в газовый состав входят: СО^ . На Гидродинамически - воды как трещинного, так и порового типов. Скважинами вскрываются первые и более глубокие горизонты артезианского (при гидрохимических наблюдениях) и субартезианского (при гидродинамических наблюдениях) типов.

2.2. Гидрохимические исследования

Гидрохимические исследования на первом этапе,в 1979-85 гг., были организованы на двух сейсмоактивных полигонах Грузии - каскаде ИнгуриГЗС и Джавахетского нагорья. Основной задачей гидрохимических и гидродинамических дискретных наблюдений являлось изучение фонового режима подземных вод, выбор информативных индикаторов-предвестников землетрясений и отработка методики систематических-' наблюдений за ними.

Лщ наблюдений на обоих полигонах использовались 23 водо-

пункта, расположенные вблизи сейсмоактивных разломов по площад-/

ному принцийу - часть водопунктов ориентировалась вдоль разломов, другая - в поперечном направлении.

На водопунктах каждодневно измерялись« дебит воды - объемным методом, температура воды и воздуха - ртутным термометром.

л

С такой же частотой определялась концентрация гелия непосредственно на водопунктах. В лабораторных условиях определялся химический состав воды для 20-ти компонентов. Анализы воды проводились с применением стандартных методик.

# »

Следует отметить, что для этого периода выбор информативны*

- 9 -

показателей носил случайный характер и определялся,в первую очередь, организационными и техническими возможностями, типами подземных вод выбранных полигонов и их химическим составом.

При отсутствии критериев оценки информативности показателей единственной возможностью представлялся ретроспективный аналиа после происшедших землетрясений.

Для обоснования информативности параметров полученные ряды наблюдений были обработаны методом статистического анализа.

В первую очередь вычислялись средние значения и стандартные отклонения компонентов - стационарное состояние, характерное для однородных выборок.С целью выявления наложенных на шумовой процесс каких-либо других процессов, представляющих интерео при прогнозе, существующие ряды анализировались для выявления неод-нородностей. Строолиоь и анализировались графики плотностей распределения частот пояк.эния (спектров) величины аномалий для выбранного параметра выборки. В качестве параметров временных рядов, для 1оторых строилиоь спектры, были отобраны: I) модули амплитуд отклонений концентрации компонентов от среднего значения; 2) длительность этих отклонений; 3) "заблаговременность" отклонений от моментов наиболее сильных землетрясений. Если график спектра содержал один значимый максимум, описываемый пуассоновс-ким распределением, то анализируемая выборка однородна, распределение отклонений данного параметра от выборочного среднего нормально и сама выборка по этому параметру неинформативна. При наличии более одного максимума, первый является результатом тупа, внесенным при полевом отборе проб и их измерениях, а следующие максимумы характеризуются вариабельностью самого параметра,обусловленной изменением напряженного состояния пород.

Таким образом, были изучены средний фон параметров и корреляция "аномальных" отклонений с сейсмичностью. В результате этого были отобраны более "информативные" гидрохимические параметры, характеризующие калцшй водопункт и регион в целом. Для во-допунктов •- вто ведущие макрок омпоненты, а для региона в целом -- рН, Не и другие газовые компоненты. Аномалии появлялись при близких и сильных (К>П) землетрясениях, обусловливающие значимые геодинамические нарушения.

В целил, результаты наблюдений первого этапа показали необходимость перехода от дискретных к более частым и автоматизированным наблюдениям. Поэтому за выбранными параметрами о 1983 по 1985 годы непосредственно на водопунктах "Дугела", "Боржоми", "Беслеги" и "Тбилиси" был;) организованы гидрохимические измерения о помощью ионно-селективных электродов.

Несмотря на отсутствие за этот период сильных землетрясе -ний и небольшой ряд наблюдений, можно было констатировать, что 1 изменение химических компонентов не коррелировало с сейсмоообы-тиями и было вызвано в основном погрешностью анализа, так как существующая методика и серийная аппаратура, из-за низкой разрешающей способности, не позволяли фиксировать нарушения, вызванные слабыми землетрясениями.

Для продолжения целенаправленного поиска универсальных гидрохимических параметров, реагирующих на геодинамические процессы, необходимо было уяснить механизм формирования гидрохимических аномалий в режиме подземных вод. Но в отрыве от точных гидродинамических исследований и без контроля за изменением внеи-ни:; факторов это не представлялось возможным.

- II -

2,3. Механизм формирована аномальных эффектов в режиме подземных вод и его связь с сейсмичностью

Наибольший интерес для понимания механизма формирования предвестников представляют краткосрочные аномальные эффекты перед землетрясениями и, в частности, наблюдаемые за пределами очаговых зон.

С этой целью в районе Тбилиси в сейсмически спокойный период (апрель-июнь 1288 г.) были проведены комплексные наблюдения за уровнем воды на скважине "Лиси" и надлономерние - в гравиметрической обсерватории Института геофизики АН ГССР. Исследования показали синхронные изменения значений уровня воды от полусуточных и суточных лунно-солнечных приливных вариаций Зенли, а на фоне последних прослеж:\лается общий тренд уровня воды, также обусловленный деформацией, которая прослеживается в наклонах земной поверхности,

П гидродинамическом режиме подземных вод также четко регистрируются аномалии, вызванные деформациями, предваряющие землетрясения. Это мление полностью подтверждается данными' ¡люголот-них гидродинамических режимных наблюдений на региональных водо-пунктах Грузин, которые вскрывают подзеише воды оубартезиано-кого типа, со стабильным режимом не испытывающих техногенных влияний. На всех скватанах отмечается длительное падение уровня воды в период подготовки Спитакского (7.12.1988 г.) землетрясения. После сейсмособытия последовал период стабилизации и последующего восстановления первоначальных уровней воды.

Нарушение гидродинамического режима подземных вод в виде

падения или подъема уровня воды соответствует областям деформационного растяжения или сжатия, регионального, а иногда глобального масштаба земной поверхности, обусловленных геодинамическими процессами, предваряющими сильные землетрясения. Эти исследования' формируют первое защищаемое положение.

Соответственно можно утверждать,что аномалии-предвестники землетрясений формируются непосредственно в пунктах наблюдений; устойчивое аномальное изменение в деформационных процессах за пределами очаговых областей землетрясений является проявлением того же деформационного процесса, который приводит к землетрясениям.

Из анализа графиков видно, что деформации в пунктах наблюдений, оуобракаемые в различных полях за пределами очаговой области землет11ясения, находятся на уровне относительных деформа-о

ций 10 . Исходя из этого, требуется тдательный-подход к выбору показателей для поисков предвестников землетрясений и методики их'регистрации и- обработки.

2.4. Экспериментальные работы по оценке информативности гидрогеологических показателей для прогноза сейсмо-активности

Полученные данные позволили предложить способ оценки пригодности гидрогеологического или геофизического объекта наблюдений

в

для изучения геодинамических процессов. Способ основан на предположении, что деформации сжатия и растяжения на поверхности Земли, вызываемые лунно-солнечными приливными возмущениями, по своему воздействию на верхнюю часть земной коры могут служить аналогом процессов сжатия и растяжения при тектонической акти-

- 13 -

визации. Учитывая, что за пределами очаговых зон деформации пород перед землетрясением по величине соизмеримы с деформациями, вызываемыми лунно-солнечными приливными возмущениями, и, принимая приливные возмущения за искомый уровень возможных деформа -ций горных пород при геодинашческих процессах, к информативным показателя?.! относят только те из них, которые реагируют на приливные эффекты - второе зачищаемое положение.

В Боржоми, в процесса гидродинамических наблюлени/! бшга зафиксирована существенные изменения уровня подземных вод, но-сящиэ периодический характер, максимальные изменения которых в течение суток достигают в сква-чше И 70 - 14 см; скв. Н' 47 - 11,5 см; скв. № 67 - 12 см; скв. № 128 - 10 см. Анализ причин, обусловливающих периодические изменения уровня подземных вод, позволил однозначно установить связь этих изменений о воздействием на водоносный горизонт лунно-солнечных приливных возмущений.

Предложенный способ "был использован для опенки информативности гидрохимических показателей при проведении специальных ре-• жимшх наблюдений в скв. й 38э Боржомского месторождения минеральных вод. С целью исключения влияния на результаты анализа транспортировки проб в лабораторию и их хранение, анализы проб проводились непосредственно на скважине с применением чувствительных ионно-селективных электродов. Пробы отбирались не режо трех раз в сутки с анализом их в первые часы после отбора. Изучение гидрогеохимического режима заключалось в определения концентрации , К*, Са'г Сс ., И рН.

Аналогичные учаценные (в течение каждого часа) измерения были проведет в августе 1983 года на скв. № 3 "Вардзия" и

скв. * 75 "Лгогви".

Ежечасные анализы методом титрования производились на следующие химические элементы: ЦСО^, С ОI , [е1', а концентрация рН определялась па иономере И-120М, кошентрация гелия - с помощью ИНГШ-1. Несмотря на разброс в значениях газа С02, заметна корреляция в его изменениях с изменением приливных вариаций. То же самое можно сказать соответственно и для значений рН, что обусловлено несомненно наличием в воде С02,Четко проявилась корреляция Не с приливными вариациями.

Проведенный эксперимент указал на низкую информативность различных компонентов химического состава подземных вод для изучения деформационных процессов, кроме компонентов в газовой фазе, таких как С02, Не я других, а также рН.

С целью выявления корреляции содержания радона о лунно-солнечными возмущениями в 1980 год/ на территории Грузии были проведены обширные измерения объемной концентрации ( Н„ ) радона в газах термальных вод. Информативность параметрами, как хорошего предвестника землетрясений, к этому времени уже была обое-цризнана.

С помощью усовершенствованного прибора РКБ4~1ем на скважинах Вардзии, Тмогва (Аспиндзский район), Бакуриани, Кобулети а Лиои-Ь в окрестностях Тбилиси били проведены дискретные определения объемной концентрации радона в сопоставлении с изменениями напряженности гравитационного поля гХ. Отмечена явная корреляция величин активностей газов с лунно-солнечными приливными возч/щениями: увеличение С влечет за собой повыаение активности Кп газа вне пределов статистических ошибок. Таким образом, содержание радона в сопутствующих газах может быть предложено в качестве информативного параметра.

- 15 -

В отличие от наблюдаемых вариаций уровня вода, где изменение режима, вызванное приливными вариациями, носит противофазный характер, в случае анализа газа радона и гелия, как источников информации - имеет место совпадение по фазе.

В Грузии непрерывные режимные наблюдения за температурой воды, с использованием чувствительного кварцевого терморезонатора (ТЭС-1) и частотомера (43-34) были проведет в 1905 году на скв. И 25э "Еоржог.'и". Наряду с изменениями уровня подземных вод в скважине, удалось зарегистрировать изменения температуры воды под действием лунно-солнечных гравитационных возмущений, величина которой колебалась от сотой до десятой градуса.

Одновременно в августе-октябре 1985 г. на скв. № I "?ч7хури" также были организованы непрерывные наблюдения за уровнем воды, атмосферным давлением, температурой воды и таким важным универсальным гидрохимическим параметром как удельное электросопротивление воды, являющееся отобрая&нием минерализации воды.

Наблюдения показали «корреляции измеряемых компонентов С приливными вариациями.

СЦенка информативности различных геолого-геофизических показателей при использовании их в геодинамических исследованиях позволила однозначно выделить наиболее простой и чувствительный индикатор гоодинамических процессов - уровень подземных вод в скважинах.

Результаты экспериментальных работ, выполненные в Грузии в 1982-85 гг. и в других сейсмоактивных регионах.явились базой для обоснования перехода на региональное изучение режима подземных вод в целях прогноза сильных землетрясений и существенной перестройки организации и методики гидрогеологических работ.

'2.5. Методика работ по созданию специализированной сетн гидрогеологических исследований на территории Грузии и обработка результатов

В соответствии с "Методическими указаниями",разработанными ВС2Ш1ГЕ0 на территории Грузии, начаты работы по созданию специализированной сети гидрогеологическлх наблюдений в целях прогноза сильных землетрясений. Методика работ по созданию специализированной гидрогеологической наблюдательной сети включает в себя ряд последовательных операций: выбор пунктов наблюдений из числа действующих скважин на территории Грузии в соответствии о техническими требованиями к скважинам наблюдательной сети, обследование технического состояния скважин, оценка информативности объекта наблюдений для контроля за деформационными процессами, оборудование наблюдательного пункта, проведение рожимных наблюдений и их обработка.

Всего для обследования и проведения комплекса работ на территории Грузии было выбрано более 60 скважин, из которых информативными оказались 15.

Наиболее важным этапом при выборе наблюдательных пунктов является оценка информативности водоносного горизонта для контроля за геодинамическкми процессами.Объект изучения оценивался как информативный, если в результате корреляционного анализа данных об изменении уровня подземных вод о приливными изменениями силы тяжести наделаю выявляется реакция подземных вод на суточные и полусуточные приливные возмущения.

Следует обратить внимание, что оценку информативности объекта наблюдений необходимо проводить в сейсмически спокойный

- 17 -

период,так как при тектонической активизации реакция водоносного горизонта на лунно-солнечные приливные возмущения существенно изменяется. Проведение этого вида работ желательно также проводить при спокойном поле атмосферного давления, изменения которого могут создавать изменения уровня подземных вод, сопоставимые по величине с приливными.

Большое внимание было уделено разработке алгоритмов для учета влияния вариаций атмосферного давления и приливных изменений силы тяжести на гидрогеодашамический режим. Обнаружение и учет влияния внешних факторов на уровешшЗ режим подземных вод осуществляются о помощью корреляционного анализа временных рядов наблюдений. Основные параметры (коэффициенты барометрической и приливной эффективности) определялись графическим способом.

В зависимости от поставленных задач режимных наблюдений каждый из перечисленных компонентов может служить либо полезной информацией либо помехой. При"наделении гидрогеодинамичесиого сигнала, вызванного вариациями атмосферного давления, колебания уровня, обусловленные приливными изменениями силы тяжести, являются помехами. Наоборот, когда в роли полезного сигнала выступают приливные колебания уровня подземных вод, вариации атмосферного давления служат помехами.

Поэтому после внесения поправок в график колебания уровня воды в скватине получали кривую, очищенную от воздействия внешних факторов (вариаций атмосферного давления и приливных изменений силы тяжести), которая использовалась для выделения гид-рогеодина?я!ческого сигнала, связанного с геодмамическима процессами.

Результаты наблюдений за уровнем подземных вод на специали-

- 1Ь -

зированной гидрогеологической наблюдательной сети окончательно указали на перспективность приштой методики для контроля за геодинамическими процессами, предваряющими землетрясения.

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ АНОШЪШХ ИЗДИЕНИД В РЕШМЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД, ОЕУСЛОВЛИШЫХ ГЕОДИНАШЧБСКИШ ПРОЦЕССАМИ

3.1. Особенности прогноза времени сейсмособытия по даннш режимных наблюдений

В сейсмически спокойный период изменения уровня подземных вод целиком определятся влиянием внешних факторов: периодических луино-оолнечных приливных возмущений и изменений атмосферного давления.

Ретроспективный анрлиз изменения уровня подземных вод в наблюдательных пунктах Грузии позволяет получить достаточно данных, которые показывают, что практически перед всеми значимыми землетрясениями зафиксированы нарупения "нормального" фона изменения уровней подземных вод. Нарушения "нормального" фона проявляются в нарушении реакции водоносного горизонта на периодические лунно-солнечные приливные возщцення.

Во всех скважинах, где проводились исследования по оценке информативности газа радона, отмечалась корреляция газа радона и изменения сшш тяхести.

Однако на скважине в Кобулоти за месяц до Батумского землетрясения (7.09.1988 г.) была зафиксирована обратная корреляционная зависимость активности К* ст О- , которая подтверждалась результатами неоднократных проверок. При этом наблюдался н'епре-

- 19 -

рывный рост объемной концентрации радона.

Для того, чтобы понять суть происходящего, был введен корреляционный коэффициент :

К = 100 «ой ~ К" нач .

О кон ~ С- нач Видно, что коэффициент К есть отношение разности объемных концентраций радона & И« к разности значений гравитационного поля Л О- , рассмотренных за единый интервал времени л1 , т.е. представляет собой отношение первых производил по времени этих величин: С . При ятом желательно выбрать период, когда

О наг > &>«>■ , т.е. С, , стоящее в знаменателе выражения, имеет отрицательное значение.

Вариация объемной концентрации радона во времени, отоящал в числителе формулы, может состоять из 2-х независимых слагаемых. Первое - постоянно присутствующее - это так называемое "экзогенное" слагаемое. Оно отражает ййавное колебание активности газа В« , синхронное с изменением О- и, как легко видеть, 0 . Второе, "эндогенное", связано с изменением напряженного состояния в земной коре, вызванное подготовкой землетрясения. В этот период напряжение в недрах достигает некоторой критической величины, когда начинаются деформационные изменения с образованием микротрещан, что приводит к росту содержания растворенного радона в воде и сопутствующих газах. Ясно, что "эндогенное"Г<п>0,

После основного толчка наступает спад активности и на графике временной зависимости содержания радона проявляется четкий максимум или характерная аномалия.

Бри подготовке землетрясений происходит нарастание объемной концентрации радона в воде и сопутствующих газах, то есть за

одан и тог же интервал времени л 1 происходит более интенсивное возрастание значений |и , связанных о эндогенной составляпдей , числитель формулы уменьшается и, соответственно, уменьшается величина К. При этом рост активности газа из-за напряжений может в ряде случаев даже превалировать над скоростью спада активности от снижения гравитационного поля О- на временном участке от С-цо.г до 0- , что приведет к перемоне знака. Эта ситуация подтверждается многочисленными данными режииных наблюдений перед местными землетрясениями.

Таким образом, аналогично для всех информативных гидродинамических и гидрохимических параметров, реагирующих на приливные эффекты, мояно ввести и использовать краткосрочный показатель сейсмичнооти - изменение коэффициента гравитационной корреляции параметра, указывающего на его связь с лунно-солнечными приливными возлдгсцонияш и позволяющего понять сейсмическую обстановку дшшого региона - это третье защищаемое положение.

Что касается зависимости 1:ежду силой землетрясения и периодом нарушений, она варьирует от нескольких часов до нескольких суток. Для слабых (местных) землетрясений нарушения реакции водоносного горизонта на приливные возмущения захватывают только отдельные пункты.

Перед сильными землетрясениями, в связи с тем, что изменения напряженного состояния происходят на огромной площади, соответственно увеличивается возможность одновременной фиксации нарушений нормального фона изменений уровня подземных вод на нескольких наблюдательных пунктах. Примерами этому служат наруше -нал реакции уровней подземных вод на суточные лунно-солнечные приливные возцусения на скв. Л I "Кобулети" перед Румынским

- 21 -

Врата землетрясением (31.08.1986 г.) и на всех скважинах режимной сети Грузии перед Спитакским (7.12.1988 г.) землетрясением 8а несколько дней до сейсмособытия.

На графике зависимости между энергетическим классом землогря-сеняй и периодом нарушенного режима, построенного по данным исследований на территории Грузии, отмечается почти прямая зависимость. С увеличением класса землетрясений увеличивается и период нарушенного режима перед землетрясением - от нескольких чаоов до нескольких суток.

3.2. Особенности прогноза места и силы сейсмособытия по данным режимных наблюдений

Известно, что в эпицентральных областях в зависимости от механизма тектонического разрыва аномальные эффекты могут носить мозаичный характер, а на отдельных участках вообще могут не реагировать на подготовку и развитое землетрясения.

Между тем, рассматривая карты гидрогеодефорк'ационных полей, построенные по изменениям уровня подземных вод всего Кавказского региона уже после Спитакского землетрясения, создается впечатление, что имелась возможность дать прогноз эпидентральной зоны землетрясения.

По гидрогеодеформационным построениям, начиная о августа 1988 года,в Армении начала формироваться деформационная структура растяжения с центром в районе скважины Гукасян. Структура последовательно увеличивалась в размерах, достигнув перед землетрясением наибольших ее значений.

В связи с выявленной связью областей проявления аномалий, предшествующих землетрясению, и магнигудой землетрясения, ампли-

туда аномалий должна неоти информации о расстоянии до зоны максимальных деформаций.

Зто мнение полностью подтверждается графиком зависимости мевду амплитудами аномалии и эпицентральным расстоянием для значимых землетрясений, зафиксированных в аномалиях во время режимных наблюдений на территории Грузии за период 1985 по .1990 годы. Соответственно при равномерной и достаточной густоте сети наблюдений возможно определение области землетрясений по значениям амплитуд аномалии на водопунктах с учетом их особенностей.

Для выяснения необходимой густоты сети режимных скважин, по данным исследований, проведенных на территории Грузии, был построен график зависимости между энергетическим класоом землетрясений и »аксимальным расстоянием фиксации наруиений е режиме. Модно говорить о соответствии полученной графической зависимости по упрощенной формуле соотношения мевду магнитудой и максимальным расстоянием проявления аномалий I = ю0'1^"1. Согласно форадле, при магнитуде землетрясений 5, м!ксимальное расстояние регистрации аномальных эффектов составляет 140 км. Для оконтуривания мео-та возможного эпицентра и более достоверного прогноза времени оейсмособытия необходима регистрация нарушений в режиме подземных вод хотя бы на трех смежных пунктах региональной сети. Исходя из этого, на территории Грузии для регистрации нарушений при подготовке землетрясений о магнитудой 5 и выше, раостояние между объектами наблюдений должно составлять не более 50 км. Отсюда формируется четвертое защищаемое положена^.

РЕЗУЛЬТАТУ ПЩРОГЕОЛОШЧЕСКИХ ИССЩОВАШЙ, связь С СЕЙСМОАКГЙВНОСТЬЮ И РЕШЕНДАЦШ ПО РАЗВИТИЮ

стш прогноза зшшзтрясени!

Гидрогеологические исследования на территории Грузии - рассмотрение вопроса формирования режима подземных вод, связь аномальных изменений в режиме подземных вод и природных газов о геодинамическими процессами - позволяют сформулировать основные выводы:

I. Установлен деформационный механизм формирования аномальных изменений в режиме подземных вод и природных газов. Комплексный сравнительный анализ наклономерных и уровнеметрических исследований выявил, что формирование этих аномалий происходит непосредственно в области наблюдений под влиянием деформационных процессов:

- изменение напряженного 5астояния горных пород, связанных с геодннамическими ироцесеами,отражается в большинстве геолого-геофкшческих, в том числе гидрогеологических,полей в виде аномальных изменений показателей этих полей. Землетрясениям предшествуют резкие деформационные изменения и соответственно аномальные изменения в режиме подземных вод и природных газов;

- устойчивое аномальное изменение в режиме подземных вод и природных газоз, за пределами очаговых областей землетрясений, являются проявлением того же деформационного процесса, который приводит к землетрясениям;

- величины аномальных изменений зависят от величины дополнительных напряжений (деформаций) горных пород,являющихся объектом наблюдения и особенностей физико-механических свойств горных, в том числе водок/.ещающих пород, приводящих к различной

реакции гидрогеологических параметров гл одинаковые напряжения.

2. Обоснована методика оценки информативности гидрогеологических показателей для их изучения в качестве индикаторов геода-намических процебсов:

- сопоставление величины аномальных изменений гидрогеологических показателей с величиной деформации при деформографичесхих наблюдениях установило, что за пределами очаговой области типичные аномалии, предваряющие землетрясения, отражают деформации

о

сжатия и растяжения на уровне относительной деформации 10~°;

- выбор информативных объектов наблюдения для поисков аномальных изменений - предвестников геодпнамических процессов осуществляется путем оценки реакции изучаемых показателей, характеризующих объект наблюдения,на гравитационные суточные лунно-солнечные возмущения, которые создают относительные деформации рао-

д

тяжения и сжатия 10, такие же, что и при аномальных изменениях напряженного состояния горных пород землетрясениями за пределами очаговой области;

- установлена высокая информативность таких гидродинамических показателей как уровень и температура воды гидрохимических компонентов - гелий, радон и других газов для наблюдения за гео-динамичеокими процессами.

3. Выявлен новый краткосрочный показатель сейсмоактивности -изменение коэффициента приливной эффективности во времени:

- краткосрочные аномалии в геодинамических полях, предваряющие землетрясениям,проявляются за несколько часов, суток до землетрясения, как правило,в виде резкого нарушения,коррелирующего

с приливными вариациями изменений значений параметра, характеризуются быстрым восстановлением "нормального" режима после зеы -

летрясения и позволяют осуществлять прогноз времени эеияетрясе-ния.

4. Обоснована густота сети наблюдательных пунктов на территории Грузии для специализированной региональной сети слежения ва геодинамическими процессами, предваряющими сильные землетрясения с магнитудой 5 и выше;

- для территории Грузия установлена эмпирическая зависимость между энергетическим классом землетрясения и максимальным расстоянием регистрации аномалии в режиме подземных вод, требунцая на территории Грузии расположить режимную сеть из 18 пунктов,

о расстоянием между ними по 50 км,для регистрации аномалии хотя %

бы в трех смежных пунктах;

- отработана методика организации специализированной режимной сети наблюдений за изменением гидрогеодеформационного поля Земли и обработки данных наблюдений.

Основные положения диссертации отражены в работах:

1. Буачидзе Г.И., Келикадзе Г.И., Тевзадзе И.Т., Тодадзе М.Ш., Глонти J1.Е. Геохимические наблхдаеиия во время солнечного затмения в Грузии 31 июля IS8I г. - Сообщ. АН ГССР, 106, № I. -

• - Тбилиси: Моамбе, IS82.

2. Мзликадзе Г.К., Попов Е.А. Методика гидрогеологических наблюдений в целях прогноза землетрясений на территории Грузии. -ИЛ: серия "Геология", № 7. - Тбилиси: ГрузНШГГИ, 1989.

3. Меликадзе Г.И., Адамчук Ю.В., Тодадзе М.Ш. Поиск информативных предвестников землетрясений на территории Грузии. - ИЛ: серия "Геология", № Ю. - Тбилиси: ГрузНШГГИ, 1989.

4. Буачидзе Г.И., Меликадзе Г.И., Тодадзе М.Ш. Реакция гидродинамических параметров на подготовку землетрясений. - Сообш. АН ГССР , №138. - Тбилиси: Моамбе 1990 г.

5. Areshldze G., Melikadze G., et'al. Abnormal behavior of some

parameters revealed in the Georgian ESR before the Araienia Earthquake of December 7, 19381 a Preliminary Report. XL HUOVO CLiBlfTO, Vol. 13 С, N. 3. Maggio-iiugno 1990