Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Флюидодинамические процессы в грязевулканических структурах и их связь с региональной сейсмичностью

ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Флюидодинамические процессы в грязевулканических структурах и их связь с региональной сейсмичностью"

На правах рукописи

Ершов Валерий Валерьевич

ФЛЮИДОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГРЯЗЕВУЛКАНИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ И ИХ СВЯЗЬ С РЕГИОНАЛЬНОЙ СЕЙСМИЧНОСТЬЮ (НА ПРИМЕРЕ О-ВА САХАЛИН)

Специальность 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 8 НОЯ 2013

Москва 2013

005541422

005541422

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения Российской академии наук

Научный руководитель:

Богомолов Леонид Михайлович кандидат физико-математических наук

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения Российской академии наук

Оппоненты:

Каракин Андрей Владимирович

доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник Федеральное государственное унитарное предприятие Государственный научный центр Российской федерации ВНИИгеосистем

Собисевич Алексей Леонидович

доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Геологический институт Российской академии наук

Защита диссертации состоится « 19 » декабря 2013 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 002.050.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте динамики геосфер Российской академии наук по адресу: 119334, г. Москва, Ленинский проспект, д. 38, корп. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института динамики геосфер Российской академии наук

Автореферат разослан «__» ноября 2013 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета, кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Грязевые вулканы представляют собой природные флюидодинамические системы, в которых протекают процессы интенсивного переноса энергии и вещества из недр Земли на ее поверхность. При изучении грязевого вулканизма традиционно рассматривается ряд важных проблем, имеющих прикладное и фундаментальное значение. К ним относятся, в частности, связь грязевого вулканизма с нефтегазоносностью земных недр, влияние грязевых вулканов на баланс парниковых газов в атмосфере, процессы образования скоплений газогидратов в грязевых вулканах и др.

Катастрофические извержения грязевых вулканов могут оказывать существенное воздействие на окружающую среду. Так, например, извержение грязевого вулкана ЫЛЗТ (о-в Ява, Индонезия) в мае 2006 г. заставило десятки тысяч людей сменить свое местожительство. Фаза бурного извержения с переменной активностью продолжалась более двух лет. Экономический ущерб от извержения оценивается миллиардами долларов США. Кроме того, многие подводные грязевые вулканы располагаются на континентальном шельфе, поэтому даже слабые извержения могут вызывать разрушения прибрежной инфраструктуры (например, нефтегазопроводов), а также затруднять навигацию в прибрежных водах. В связи с этим крайне важно иметь корректные количественные оценки пространственно-временных масштабов деятельности грязевых вулканов. Актуальность рассматриваемой проблематики обусловила проведение данного исследования в Институте морской геологии и геофизики ДВО РАН.

Несмотря на большое число отечественных и зарубежных публикаций вопросы о механизме деятельности грязевых вулканов, о количественном описании процессов грязевого вулканизма, об особенностях связи грязевого вулканизма с сейсмичностью остаются открытыми и требуют дальнейших исследований.

Большинство участков проявления грязевого вулканизма приурочены к сейсмически активным регионам, причем вопрос о взаимосвязи деятельности грязевых вулканов с землетрясениями пока не выяснен однозначно. В некоторых работах считается, что различные характеристики грязевулканической деятельности являются индикаторами (предвестниками) готовящихся землетрясений. С другой стороны, высказывается и мнение о том, что сильные землетрясения запускают

извержения грязевых вулканов. Например, в качестве одной из причин извержения вулкана Ьи81 рассматривается землетрясение с магнитудой М = 6.3, которое произошло незадолго до извержения на расстоянии около 250 км от вулкана.

На Дальнем Востоке России о-в Сахалин является единственным регионом, где известны наземные грязевые вулканы. Наличие на о-ве Сахалин мощных осадочных толщ с нефтяными и газовыми залежами, высокая современная сейсмотектоническая активность региона, сложные системы разрывных нарушений делают этот регион уникальным полигоном для изучения грязевого вулканизма.

Цель работы: определить закономерности разгрузки геофлюидов в грязевых вулканах о-ва Сахалин и ее связи с сейсмичностью в регионе на основе данных натурных наблюдений и математического моделирования.

Задачи работы:

1. Проведение мониторинговых наблюдений за температурой водогрязевой смеси, дебитом, химическим и изотопным составом свободных газов в грифонах Южно-Сахалинского грязевого вулкана и статистический анализ результатов.

2. Математическое описание флюид одинамических процессов, протекающих в грязевых вулканах: миграции геофлюидов при подготовке извержения вулкана и теплопереноса в грифонах вулкана.

3. Оценка глубины залегания источника газа и корней грязевых вулканов о-ва Сахалин по данным натурных исследований и математического моделирования.

4. Исследование связи между деятельностью грязевых вулканов о-ва Сахалин и сейсмическими событиями в регионе.

Защищаемые положения:

1. Фоновый режим разгрузки геофлюидов Южно-Сахалинского грязевого вулкана характеризуется стабильностью дебита и химического состава свободных газов, а также высоким коэффициентом корреляции (г = 0.7ч-0.8) между температурой в грифонах вулкана и температурой воздуха.

2. Предложена математическая модель процесса подготовки извержения грязевого вулкана, включающая уравнения нестационарной фильтрации жидкости и газа. Модельными расчетами показано, что при периоде извержений Южно-Сахалинского грязевого вулкана около 20 лет питающая вулкан газовая залежь находится на глубине 8-12 км.

3. На основе нестационарного уравнения теплопроводности с конвективным слагаемым предложена математическая модель тепловых процессов при течении геофлюидов по грифонному каналу, которая адекватно описывает вариации температуры в грифонах грязевого вулкана. Показано, что изменения температурного режима грифонов обусловлены изменениями скорости течения геофлюидов.

4. Инструментально установлены статистически значимые аномалии температуры водогрязевой смеси, дебита и химического состава свободных газов в грифонах Южно-Сахалинского грязевого вулкана при сейсмической активизации на юге о-ва Сахалин.

Научная новизна. Впервые выполнены комплексные наблюдения за температурой водогрязевой смеси, дебитом, химическим и изотопным составом свободных газов, осуществленные для большого числа грифонов. Ранее проводились или кратковременные наблюдения, или наблюдения для небольшого числа грифонов, или мониторинг какого-то одного параметра. Предложена математическая модель подготовки извержений грязевых вулканов на основе нестационарных уравнений механики сплошных сред. Ранее предлагались или стационарные модели, или модели непосредственно самого процесса извержения. Моделирование выполнено с учетом зависимости свойств геофлюидов от глубины. По данным математического моделирования получено однозначное решение обратной задачи по определению глубины залегания источника газа и корней грязевых вулканов. В предшествующих моделях обратная задача или не рассматривалась вообще, или имела неоднозначное решение. Впервые предложена математическая модель температурного режима грифонов грязевых вулканов. Инструментально установлены статистически значимые аномалии температуры водогрязевой смеси, дебита и химического состава свободных газов в грифонах Южно-Сахалинского грязевого вулкана при сейсмической активизации на юге о-ва Сахалин. До этого наличие такой связи упоминалось лишь на основе редких визуальных осмотров вулкана.

Личный вклад. Диссертант принимал непосредственное участие во всех этапах диссертационного исследования, им написано более 2/3 объема публикаций по теме диссертации и сделаны выводы. Диссертант проводил полевые работы на Южно-Сахалинском и Главном Пугачевском грязевых вулканах в 2005-2009 гг., а также обработку и анализ полученных натурных данных. Диссертант принимал непосредственное

участие в разработке математической модели подготовки извержения грязевого вулкана. Диссертантом разработана математическая модель температурного режима грифонов грязевого вулкана. Требующиеся модельные расчеты выполнены диссертантом лично. Диссертантом предложена интерпретация наблюдаемых после землетрясений аномалий температуры водогрязевой смеси, дебита и химического состава свободных газов в грифонах Южно-Сахалинского грязевого вулкана.

Мониторинговые наблюдения 2005-2007 гг. за грифонной деятельностью Южно-Сахалинского грязевого вулкана проведены в рамках гранта РФФИ (№ 05-05-64124), в котором диссертант был основным исполнителем. Математическое моделирование температурного режима грифонов грязевого вулкана выполнено в рамках грантов ДВО РАН (№ 09-Ш-В-08-483, Ю-Ш-В-08-222 и 11-Ш-В-08-214), в которых диссертант являлся руководителем.

Практическая значимость. Получены количественные оценки для пространственно-временных характеристик деятельности грязевых вулканов. На основе предложенной математической модели подготовки извержения грязевого вулкана могут быть сделаны оценки периода извержения, распределения давления в подводящем канале, глубины залегания источника газа и корней грязевых вулканов. Такие оценки необходимо знать при ведении хозяйственной деятельности в районах проявления грязевого вулканизма - при бурении, прокладке кабельных каналов связи, нефтегазопроводов. Результаты наблюдений за дебитом и химическим составом свободных газов в грифонах Южно-Сахалинского грязевого вулкана могут быть использованы для оценки интенсивности поставки парниковых газов из грязевых вулканов в атмосферу.

Результаты проведенного статистического анализа температурного режима грифонов Южно-Сахалинского грязевого вулкана, а также разработанная соответствующая математическая модель, являются методической основой для организации непрерывных дистанционных наблюдений (телеметрии) за температурой в грифонах грязевых вулканов. Измеренные при этих наблюдениях значения температуры водогрязевой смеси могут оперативно сопоставляться с теоретически рассчитанными значениями. Это позволит в режиме реального времени отслеживать аномалии температурного режима и общую степень активности грязевых вулканов. Подобные наблюдения необходимы для выявления процессов подготовки извержений грязевых вулканов, а также для определения

изменений в деятельности вулканов, обусловленных сейсмической активизацией в регионе. В перспективе результаты исследований флюидодинамических процессов в грязевулканических структурах могут быть использованы как основа для создания одного из элементов комплексного (интегрального) предвестника землетрясений.

Апробация. Результаты работы докладывались на Седьмых и Восьмых геофизических чтениях им. В.В. Федынского (г. Москва, 2005 и

2006 гг.), на XXXVII научно-практической конференции преподавателей, аспирантов и сотрудников Сахалинского государственного университета (г. Южно-Сахалинск, 2006 г.), на I, II, III, IV и V Сахалинских молодежных научных школах «Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз» (г. Южно-Сахалинск, 2006-2010 гг.), на Первой региональной научно-технической конференции «Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России» (г. Петропавловск-Камчатский,

2007 г.), на Всероссийской конференции «Дегазация Земли: геодинамика, геофлюиды, нефть, газ и их парагенезы» (г. Москва, 2008 г.), на Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов, посвященной памяти академика А.П. Карпинского (г. Санкт-Петербург, 2009 г.), на Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике (г. Владивосток, 2010 г.), на Всероссийской конференции «Дегазация Земли: геотектоника, геодинамика, геофлюиды, нефть и газ, углеводороды и жизнь» (г. Москва, 2010 г.), на Второй молодежной тектонофизической школе-семинаре (г. Москва, 2011 г.), на VII Косыгинских чтениях «Тектоника, магматизм и геодинамика Востока Азии» (г. Хабаровск, 2011 г.). Основные результаты работы докладывались на научных семинарах в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева ДВО РАН (г. Владивосток, 2010 г.), Институте физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН (г. Москва, 2010 г.) и Институте динамики геосфер РАН (г. Москва, 2010 г.).

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 26 научных работ, в том числе 1 монография, 13 статей в рецензируемых журналах (из них 12 в журналах из перечня ВАК), 12 статей в научных сборниках и трудах конференций.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 214 страницах машинописного текста, включая 61 рисунок, 7 таблиц и библиографический список из 231 наименования.

Благодарности. Автор глубоко признателен директору ИМГиГ ДВО РАН чл.-корр. РАН Б.В. Левину за поддержку в организации работ по изучению грязевого вулканизма о-ва Сахалин, д.г.-м.н. Т.К. Злобину за помощь и полезные советы на всех этапах диссертационного исследования, а также своему научному руководителю к.ф.-м.н. JI.M. Богомолову. Особую благодарность автор выражает сотрудникам ИМГиГ ДВО РАН к.г.-м.н. O.A. Мельникову и д.ф.-м.н. A.B. Доманскому, которые сыграли значительную роль в становлении научных взглядов автора. Под началом Олега Александровича автор делал первые шаги в изучении грязевого вулканизма. Андрей Владимирович оказал большую помощь в математическом описании грязевулканических процессов.

Автор благодарен за помощь и внимание к своей работе сотрудникам ИМГиГ ДВО РАН к.ф.-м.н. A.B. Коновалову, к.г.-м.н. В.Н. Патрикееву, к.г.-м.н. В.В. Жигулеву, к.ф.-м.н. Ким Чун Уну, к.ф.-м.н. Д.А. Сафонову. За постоянную поддержку при написании работы, а также ценные советы и замечания автор с большим удовольствием благодарит свою супругу и ученого секретаря ИМГиГ ДВО РАН к.б.н. A.B. Копанину. Автор также признателен сотруднику ТОЙ ДВО РАН к.г.-м.н. Р.Б. Шакирову, с которым успешно сотрудничает на протяжении многих лет.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель, задачи, объект и предмет исследования. Дается характеристика научной новизны и практической ценности полученных результатов. Приведены также сведения о личном вкладе автора и апробации результатов диссертационной работы.

В главе 1 «Общая характеристика проявлений грязевого вулканизма на Земле» рассмотрены закономерности пространственного распределения грязевых вулканов, основные концепции происхождения и деятельности грязевых вулканов, геохимическая характеристика продуктов грязевого вулканизма, вопросы связи между грязевым вулканизмом и региональной сейсмичностью. Отдельно рассмотрены геологическое строение, хронология извержений и вещественный состав продуктов деятельности грязевых вулканов о-ва Сахалин. Грязевые вулканы этого региона характеризуются более слабой изученностью по сравнению с вулканами многих других грязевулканических провинций мира. Сделан также обзор существующих математических моделей, описывающих деятельность грязевых вулканов. Вопросы математического описания грязевулканических

процессов пока разработаны довольно слабо, что затрудняет корректную интерпретацию получаемых эмпирических данных.

В главе 2 «Методика исследований флюидодинамических процессов, протекающих в грязевых вулканах» рассмотрены методические аспекты исследований динамики геофлюидов в грязевых вулканах. В работе применяется комплексный подход, предполагающий использование совокупности различных методов. Экспериментальные исследования включают в себя мониторинговые наблюдения за температурой водогрязевой смеси и дебитом свободных газов в грифонах ЮжноСахалинского грязевого вулкана, а также отбор и дальнейший химический и изотопный анализ проб свободных газов. Для анализа данных натурных наблюдений используются методы математической статистики. Теоретические исследования включают в себя математическое моделирование флюидодинамических процессов - миграцию геофлюидов при подготовке извержения вулкана и теплоперенос в грифонных каналах вулкана. При этом используются методы численного расчета и построения точных решений соответствующих начально-краевых задач математической физики. При моделировании учитывается зависимость свойств геофлюидов от термобарических условий, то есть от глубины.

В главе 3 «Регулярные наблюдения за разгрузкой флюидов на Южно-Сахалинском грязевом вулкане» приведены результаты натурных наблюдений за деятельностью Южно-Сахалинского вулкана, выполненных в полевые сезоны 2005-2009 гг. Эти наблюдения позволили определить основные закономерности грифонной деятельности вулкана [4, 14].

Параметры грифонной деятельности Южно-Сахалинского грязевого вулкана — температура водогрязевой смеси, дебит и химический состав свободных газов - статистически значимо различаются для разных грифонов. В то же время изотопный состав углерода метана и углекислого газа в составе свободных газов практически одинаков для разных грифонов, то есть газ во все грифоны поступает из одного и того же источника.

Установлено, что вариации наблюдаемых параметров для некоторых грифонов грязевого вулкана могут сильно отличаться от вариаций этих же параметров для большинства грифонов. В связи с этим для изучения общих закономерностей грифонной деятельности измерения необходимо проводить для большого количества грифонов вулкана.

Наблюдения проводились в основном в летнее время года. Для этого периода времени температура в активных грифонах вулкана имеет

относительно низкие и слабо изменяющиеся значения. Для пассивных грифонов имеет место обратная закономерность. Под активным грифоном понимается грифон, из которого за единицу времени истекает относительно большой объем водогрязевой смеси и свободных газов.

Р 2005 г.

5 25 • ■

о 15 - -о

10

' IV.!

1У.6

• #* • • •.•«• • •• •

• • .1 • «

• ж *» * л •

• М А ••«»/# . •

.т

ю

15 20

Температура воздуха, "С

25

30

Рис. 1. Пример диаграммы рассеяния для температуры воздуха и температуры в активном грифоне IV. 1 и пассивном грифоне IV. б.

Между температурой в грифоне и температурой воздуха существует сильная корреляционная связь (рис. 1). Для улучшения качества регрессии нужно учитывать тепловую инерцию грифона, что можно сделать с помощью такого параметра как температура поверхности грязевого поля. При регрессионном анализе использовалась статистическая модель вида: Тгр = /(Те,Тп) + е = к^Тв+к2Тп+къ+е, где Тгр -температура водогрязевой смеси, /(Те,Тл) - детерминированная составляющая, Те - температура окружающего воздуха, Тп — температура поверхности грязевого поля, е — случайная величина, имеющая нормальное распределение с нулевым математическим ожиданием и постоянной дисперсией. Эта регрессия позволяет объяснить до 95 % (иногда и больше) дисперсии температуры водогрязевой смеси в грифонах. Значительные отклонения от указанной линейной зависимости следует рассматривать как изменения в деятельности грифона, о которых можно судить по остаткам, полученным после удаления детерминированной составляющей.

Таким образом, по итогам регулярных наблюдений, проведенных нами в условиях различной сейсмической активности юга о-ва Сахалин, установлены характерные особенности грифонной деятельности ЮжноСахалинского грязевого вулкана при отсутствии воздействия на вулкан

эндогенных факторов (в частности, землетрясений). Такие данные необходимы для обоснованного выделения аномалий грязевулканической деятельности, обусловленных сильными землетрясениями.

В главе 4 «Математическое моделирование неустановившихся течений геофлюидов в грязевулканических структурах» выполнено математическое описание миграции геофлюидов в грязевулканических структурах при подготовке извержения вулкана [7, 11]. В модели считается, что подводящим каналом грязевого вулкана является разлом, выходящий на дневную поверхность (рис. 2). В области разлома из перекрывающих осадочных толщ образуется слой водогрязевой смеси (брекчии), который подпирается снизу газом, истекающим из питающей грязевой вулкан газовой залежи. С ростом давления газа происходит вытеснение газом брекчии из канала до момента извержения вулкана, при котором происходит сброс давления газа. После этого пути миграции глубинного газа снова перекрываются брекчией, и происходит подготовка нового извержения вулкана. Считается, что мощность тела вулкана гораздо меньше глубины залегания канала вулкана: Ь> Н » Z.

Рис. 2. Схема грязевого вулкана: а - угол падения разлома, 2 -мощность тела вулкана, Ь, Ь' - глубина залегания и длина подводящего канала вулкана, Ь! —Н1 — длина слоя грязевулканической брекчии в канале, Ь — Н— глубина залегания корней вулкана.

грифоны

/

\

На участке между водогрязевой толщей и источником газа происходит фильтрация газа, которая описывается с помощью уравнения неразрывности газа, закона Дарси и уравнения состояния реального газа:

«%- + div(/v3J = 0, ог=-—(Ург+рг§), рг=В±\рг. dt pf рп zT

Здесь т, к - пористость и проницаемость подводящего канала, р , и ,

рг, р , z и Т - плотность, скорость, вязкость, давление, коэффициент

сжимаемости и температура газа, g — ускорение свободного падения,

р0 =0.101325 МПа, Т0 =273.15 К, р0 - плотность газа при р0 и Т0.

Фильтрационное течение рассматривается в одномерном приближении.

Коэффициент сжимаемости и вязкость газа зависят от температуры и

давления, то есть определяются глубиной залегания источника газа.

Система уравнений после преобразований сводится к нелинейному

уравнению фильтрации газа, которое является по сути уравнением

Лейбензона для ламинарной фильтрации в неизменяемой пористой среде:

8рг = к д2р2 | к p0T0g sin a dp]

dt 2mрг дх2 m/u¿p0zT дх

После линеаризации и обезразмеривания получаем линейное однородное

дифференциальное уравнение в частных производных второго порядка с

постоянными коэффициентами:

ди д2и _ ди — = —т + 2а—» dt дх2 дх

где и = р2 — квадрат давления газа, <у = (р0 Т0 gH)/(pQzT) - некоторый

безразмерный параметр, х и t - безразмерные координата и время. На входной границе канала вулкана задается давление в источнике газа, на границе между водогрязевой толщей и газом задается нулевой поток газа:

и (0, f) = и о = р2, = const, —(l,t) + 2cru(l,t) = 0, u (х, 0) = 0.

дх

Решая поставленную начально-краевую задачу методом разделения переменных, получим распределение давления газа в канале вулкана:

= e-^Jl - 2¿-Ц-sin ^ Ф0(сг, х, t).

Рпл V кtxcr + cr +ук

Здесь tgук = —ук/сг, рш = p„,gL - пластовое давление в газовой залежи, р„л - плотность пластовых пород. Показано, что для любого момента

времени существует только одно значение <х , при котором функция Ф(сг, ¿) = сгФ0(сг, 1,^) имеет максимум. Это свойство функции Ф(сг, /) обусловливает однозначность решения обратной задачи.

В верхней части подводящего канала вулкана происходит вытеснение газом водогрязевой смеси. Этот процесс можно описать в рамках модели двухфазной фильтрации несмешивающихся жидкостей с учетом капиллярных сил, которая в одномерной постановке имеет вид:

Мг

др, ] к г , , —£- + pegsma\, и„ =--/„(5)

др

-r^ + ZJ^sina

v дх

л

du, п ds дигп Л

Здесь иг, и,,, //,, //,,, /г, /7гл, р,, рг, - соответственно скорость

фильтрации, вязкость, относительная фазовая проницаемость, давление и плотность газовой и жидкой фазы, рК =<p(s)p° - капиллярное давление, <Р(s) - функция Леверетта, s0<s<s° - газонасыщенность, s0, s" -остаточные насыщенности, р\ = -Jmfk у cos в - характерное капиллярное давление, у - коэффициент поверхностного натяжения, в — краевой угол смачивания. На границе между газом и брекчией задается нулевой поток водогрязевой смеси. Давление рн на этой границе задается из стационарного решения прямой задачи фильтрации газа. Давление на выходе из канала вулкана считается равным атмосферному давлению рА:

Х = Н': игя=0,рг=рн, x = L': рг = ргл = рА, t = Q:s = sa. Данная начально-краевая задача решалась методом конечных разностей. Согласно расчетам доля водогрязевой смеси, остающейся в канале, составляет около 80 % трещиновато-пористого пространства канала. Отношение вязкостей брекчии и газа fijцгл является одним из основных параметров, влияющих на длительность и полноту вытеснения.

В соответствии с литературными данными о грязевом вулканизме мира характерный пространственный масштаб модели составляет единицы километров, характерный временной масштаб - единицы/десятки лет. В рамках модели сформулирована обратная задача по определению глубины залегания источника газа и корней грязевого вулкана и получено ее однозначное решение. Сделана оценка влияния, которое оказывает на решение обратной задачи неопределенность в значениях параметров

модели (рис. 3). Основными параметрами, определяющими результат решения обратной задачи, является проницаемость канала и химический состав грязевулканических газов. Геотермический градиент в окрестностях вулкана и период извержений вулкана и влияют меньше. Результаты решения обратной задачи для Южно-Сахалинского грязевого вулкана согласуются с данными по изотопному составу газов этого вулкана.

О 5 10 15 20 25 30

Рис. 3. Зависимость решения обратной задачи для Южно-Сахалинского грязевого вулкана от периода извержений вулкана.

В главе 5 «Математическое моделирование температурного режима грифонов грязевого вулкана» выполнено математическое описание вариаций температуры в грифонах грязевых вулканов [8]. В отличие от модели, рассмотренной в предыдущей главе, характерный пространственный масштаб составляет здесь десятки метров, а характерный временной масштаб - десятки суток. В модели считается, что в теле вулкана образуются трещины (например, из-за гидроразрыва), которые служат каналами для грифонов (рис. 4). По каналу движется вверх с некоторой скоростью водогрязевая смесь, считающаяся идеальной несжимаемой жидкостью. Считается также, что теплообмен между жидкостью в канале и окружающей средой происходит в основном на концах канала.

С учетом сделанных предположений распределение температуры

водогрязевой смеси в грифонном канале будет удовлетворять одномерному

нестационарному уравнению теплопроводности с конвективным слагаемым:

дТ д2Т дТ

-= а—2~и —'

дг дх дх

где Т, а, V - температура, температуропроводность и скорость течения водогрязевой смеси. Конвективный перенос тепла обусловлен течением смеси, вызванным градиентом давления в грифонном канале. Кроме того, массоперенос жидкости в канале осуществляется поднимающимися пузырьками свободных газов (например, посредством газлифта). Эти же пузырьки перемешивают водогрязевую смесь, что также вносит свой вклад в конвективную составляющую теплопереноса. Поэтому величина и в модели - это некоторая эффективная скорость, которая будет несколько выше реальной скорости течения водогрязевой смеси в канале. Очевидно, что величина и связана обратной зависимостью с вязкостью жидкости.

\f\f\j Г—сояои

X ^ грифон

1 / У 1111111111111 / / 11111111111

и 1"

подводящий

канал

питающий——^ ' ^ Г = со/Ш

резервуар

Рис. 4. Схематический разрез приповерхностной части грязевого вулкана: Ь — длина грифонного канала, а также глубина залегания пояса постоянных температур, со — частота колебаний температуры воздуха.

Температура водогрязевой смеси на нижнем конце канала считалась постоянной и соответствующей температуре Т0 вмещающих пород на глубине залегания пояса постоянных температур. Температура смеси на верхнем конце канала считалась равной суперпозиции годовых и суточных колебаний температуры воздуха:

Т{х, 0) = Г0, ДО, 1) = Т0, Т{1,/) = Т„Л соз(й), /-<?„,) + Тт2 со5(й}2 ? - <р 02), где Тт{, Тт2, а>2, <рои <р02 - амплитуда, циклическая частота и начальная фаза годовых и суточных колебаний.

После обезразмеривания и приведения к однородным граничным условиям методом разделения переменных получено аналитическое решение поставленной начально-краевой задачи. Это решение представляет собой ряд, который довольно медленно сходится. Поэтому с помощью метода конечных разностей получено численное решение этой задачи. Для расчетов применялась неявная разностная схема с центральной аппроксимацией младшей производной в используемом уравнении. Посредством сопоставления численного и аналитического решений выбраны оптимальные значения шагов по координате и времени для разностной схемы.

Из модельных расчетов следует, что колебания температуры водогрязевой смеси в грифоне быстро (по отношению к периоду грифонной деятельности вулкана) выходят на установившийся режим. Решения с различными начальными условиями быстро выходят на один и тот же колебательный режим. Причем, чем выше скорость течения водогрязевой смеси, тем быстрее решение «забывает» начальное условие. Показано, что чем меньше скорость движения водогрязевой смеси в грифонном канале, тем на большую глубину проникают в канал колебания температуры воздуха. Для активных грифонов, начиная уже с достаточно небольшой глубины, температура водогрязевой смеси почти не изменяется со временем, а градиент температуры в канале близок к нулю. Отсюда следует, что измерения температуры в верхней части канала являются более информативными для определения изменений гидродинамических характеристик течений водогрязевой смеси в грифонах вулкана.

Моделирование показало, что основным параметром, определяющим различия температурного режима для разных грифонов, является скорость течения водогрязевой смеси в грифонном канале. Результаты моделирования хорошо согласуются с натурными данными. В частности, модельные расчеты показывают, что в летнее время года температура в активных грифонах будет ниже, чем в пассивных грифонах. Из расчетов также следует, что для активных грифонов диапазон вариаций температуры водогрязевой смеси будет меньше, чем для пассивных грифонов.

В главе 6 «Проявления региональной сейсмичности в деятельности грязевых вулканов о-ва Сахалин» приведены результаты исследований влияния землетрясений на деятельность грязевых вулканов о-ва Сахалин. Результаты анализа имеющихся данных о землетрясениях и извержениях грязевых вулканов о-ва Сахалин за 1905-2005 гг. не позволяют говорить о наличии связи между ними. Извержения грязевого вулкана происходят,

прежде всего, в силу его собственной деятельности, а землетрясения следует считать лишь одним из вспомогательных факторов. Подготовка извержения грязевого вулкана занимает вполне определенный промежуток времени, который зависит от геометрии канала и физических свойств газа и водогрязевой смеси. Отсюда следует, что для изучения связи между грязевым вулканизмом и сейсмичностью необходимы режимные наблюдения за грифонной деятельностью грязевых вулканов.

Впервые инструментально установлены статистически значимые изменения в грифонной деятельности Южно-Сахалинского грязевого вулкана при сейсмической активизации в регионе - Горнозаводского землетрясения 17 (18) августа 2006 г. с магнитудой М = 5.6 и Невельского землетрясения 2 августа 2007 г. с магнитудой М = 6.2 [6, 10, 12]. Расстояние до вулкана составило 85 и 65 км соответственно.

Во время наших наблюдений проводился ежедневный визуальный осмотр всех грифонов. Установлено, что после землетрясений в некоторых активных грифонах произошло изменение консистенции водогрязевой смеси вплоть до очень густой и вязкой массы. Для таких грифонов после землетрясений значительно уменьшилось количество изливаемой водогрязевой смеси. Описанные эффекты постепенно «затухали» в течение интервала времени от нескольких дней до нескольких недель.

а. 1

е-

IV.1,2006 г.

1 \ ^

1 W^A^

0,90 0.S9

0.99

о.оо

Рис. 5. Пример положительной температурной аномалии в грифоне IV. 1 после Горнозаводского землетрясения. Тренд выделен методом скользящего среднего. Доверительный интервал для вероятности 0.99 построен из предположения о нормальности распределения остатков, интервал для вероятности 0.90 построен с помощью неравенства Чебышева.

После землетрясений в грифонах наблюдались положительные и отрицательные аномалии температуры водогрязевой смеси, которые хорошо видны в остатках, полученных после удаления линейной регрессии на температуру воздуха (рис. 5). Положительные аномалии возникали в активных грифонах, отрицательные - в пассивных грифонах.

После указанных землетрясений во многих грифонах произошло увеличение в несколько раз дебита свободных газов (рис. 6). Произошло также изменение химического состава газов - понижение доли углекислого газа и повышение доли метана (рис. 7). В то же время изотопный состав углерода углекислого газа и метана остался неизменным.

Рис. 6. Пример увеличения дебита свободных газов в грифоне IV. 3 после Горнозаводского землетрясения.

Описанные проявления землетрясений в грифонной деятельности Южно-Сахалинского грязевого вулкана наблюдались одновременно и похожим образом сразу во многих грифонах. Это свидетельствует о закономерности таких проявлений.

Предложена возможная интерпретация аномалий, наблюдаемых после землетрясений. Здесь не требуется привлечения гипотезы о дополнительном подтоке глубинных геофлюидов, которая часто используется при объяснении влияния эндогенных процессов на деятельность флюидодинамических систем. В нашем случае эта гипотеза противоречит натурным данным -неизменности изотопного состава грязевулканических газов, наличию отрицательных аномалий температуры в грифонах и др.

Количество растворенного в жидкости газа пропорционально давлению газа. Сейсмическая волна от землетрясения, проходя через грязевулканическую структуру, может вызывать изменение давления в

канале вулкана, что способствует переходу части растворенного газа в свободную фазу. Это приводит к увеличению дебита свободных газов в грифонах. Изменение при этом соотношения между углекислым газом и метаном в составе свободных газов обусловлено различным характером зависимости растворимости этих газов от давления. Снижение концентрации растворенного углекислого газа приводит к смещению химического равновесия в растворе и выпадению в осадок некоторых минералов. Известно, что вязкость дисперсных систем растет по мере возрастания дисперсной фазы, то есть водогрязевая смесь становится более вязкой.

Рис. 7. Вариации химического состава свободных газов в грифонах 111.7, IV. 3 и IV. 9 с указанием даты Невельского землетрясения.

С помощью математического моделирования показано, что аномальные изменения температуры в грифонах обусловлены вариациями скорости течения водогрязевой смеси в грифонных каналах. Увеличение скорости приводит к появлению отрицательных температурных аномалий, а уменьшение скорости - к появлению положительных аномалий (рис. 8).

При прочих равных условиях увеличение дебита свободных газов в грифоне приводит к повышению эффективной скорости течения водогрязевой смеси, которая характеризует конвективную составляющую теплопереноса. В ряде случаев значительное увеличение вязкости смеси, несмотря на увеличение интенсивности дегазации в грифонах, вызывает понижение эффективной скорости течения смеси.

О 10 20 30 40 50 60 70 80

Время, сут

Рис. 8. Изменения скорости движения водогрязевой смеси и остатки для температуры в грифоне, полученные из модельных расчетов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении приведены основные результаты диссертационной работы, которые могут быть кратко сформулированы следующим образом:

1. При статистическом анализе полученных нами данных о температуре водогрязевой смеси, дебите, химическом и изотопном составе свободных газов в грифонах Южно-Сахалинского грязевого вулкана выявлены основные закономерности разгрузки грязевулканических флюидов. В условиях низкой сейсмической активности в регионе для большинства грифонов вулкана характерна довольно слабая

изменчивость дебита и химического состава свободных газов. Между температурой в грифонах и температурой воздуха существует сильная корреляционная связь, нарушения которой следует рассматривать как аномалии.

2. На основе нестационарных уравнений фильтрации газа и двухфазной фильтрации газа и водогрязевой смеси предложена математическая модель, позволяющая описать процесс подготовки извержения грязевого вулкана и решить обратную задачу по определению глубины залегания источника газа и корней грязевого вулкана. Из модельных расчетов следует, что при среднем периоде извержений Южно-Сахалинского грязевого вулкана около 20 лет газовая залежь, питающая данный вулкан, находится на глубине 8-12 км.

3. Для описания температурного режима грифонов грязевого вулкана предложена математическая модель переноса тепла в грифонном канале, основанная на нестационарном уравнении теплопроводности с конвективным слагаемым. Показано, что основным параметром, определяющим различия температуры в разных грифонах, является скорость течения водогрязевой смеси в грифонном канале. В летнее время года температура и диапазон ее вариаций будет меньше в грифонах с относительно высокой скоростью течения водогрязевой смеси. Изменения скорости течения водогрязевой смеси вызывают нетипичные вариации температуры в грифоне.

4. Инструментально установлено влияние сильных сейсмических событий на юге о-ва Сахалин на грифонную деятельность ЮжноСахалинского грязевого вулкана. В первые сутки после Горнозаводского и Невельского землетрясений в грифонах вулкана наблюдаются положительные и отрицательные аномалии температуры (интенсивностью 2-5 ° С), повышение дебита свободных газов (в 2 - 5 раз), увеличение доли метана в составе свободных газов (в 1.4 - 1.6 раза). Наблюдаемые аномалии можно объяснить взаимодействием «вода-порода-газ» в верхней части подводящего канала вулкана без привлечения гипотезы о дополнительном притоке глубинных геофлюидов. Таким образом, поазано, что в каналах грязевых вулканов протекают специфические флюидодинамические процессы, которые необходимо учитывать для корректной интерпретации натурных данных.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в рецензируемых журналах из перечня ВАК

1. Мельников O.A., Левин Б.В., Ершов В.В. Необычное извержение Главного Пугачевского газоводолитокластитового («грязевого») вулкана на Сахалине зимой 2005 г. // Доклады РАН. 2006. Т. 411. № 1. С. 85-88.

2. Ершов В.В., Мельников O.A. О необычном извержении Главного Пугачевского газоводолитокластитового («грязевого») вулкана на Сахалине зимой 2005 г. // Тихоокеанская геология. 2007. № 4. С. 69-74.

3. Мельников O.A., Ершов В.В., Ким Ч.У., Сен P.C. Некоторые результаты мониторинга Южно-Сахалинского газоводолитокластитового вулкана летом 2005 г. // Вестник ДВО РАН. 2008. № 4. С. 66-72.

4. Мельников O.A., Ершов В.В., Ким Ч.У., Сен P.C. О динамике грифонной деятельности газоводолитокластитовых («грязевых») вулканов и ее связи с естественной сейсмичностью на примере Южно-Сахалинского вулкана (о. Сахалин) // Тихоокеанская геология. 2008. Т. 27. № 5. С. 25-41.

5. Жигулев В.В., Гуринов М.Г., Ершов В.В. Глубинное строение ЮжноСахалинского грязевого вулкана по результатам комплексных сейсмических исследований // Тихоокеанская геология. 2008. № 4. С. 16-21.

6. Ершов В.В., Левин Б.В., Мельников O.A., Доманский A.B. Проявления Невельского и Горнозаводского землетрясений 2006-2007 гг. в динамике грифонной деятельности Южно-Сахалинского газоводолито-кластитового (грязевого) вулкана // Доклады РАН. 2008. Т. 423. № 4. С. 533-537.

7. Доманский A.B., Ершов В.В., Левин Б.В. Математическая модель неустановившихся течений геофлюидов при грязевулканических процессах // Доклады РАН. 2009. Т. 424. № 1. С. 107-110.

8. Ершов В.В., Доманский A.B., Левин Б.В. Моделирование температурного режима грифонов грязевого вулкана // Доклады РАН. 2010. Т. 435. № 3. С. 384-389.

9. Мельников O.A., Ершов В.В. Грязевой (газоводолитокластитовый) вулканизм острова Сахалин: история, результаты и перспективы исследований // Вестник ДВО РАН. 2010. № 6. С. 87-93.

10. Ершов В.В., Шакиров Р.Б., Мельников O.A., Копанина A.B. Вариации параметров грязевулканической деятельности и их связь с сейсмичностью юга острова Сахалин // Региональная геология и металлогения. 2010. № 42. С. 49-57.

11. Доманский A.B., Ершов В.В. Математическое моделирование геофлюидодинамических процессов, протекающих в грязевулканических структурах // Геология и геофизика. 2011. Т. 52. № 3. С.470-481.

12. Ершов В.В., Шакиров Р.Б., Обжиров АИ. Изотопно-геохимические характеристики свободных газов Южно-Сахалинского грязевого вулкана и их связь с региональной сейсмичностью // Доклады РАН. 2011. Т. 440. № 2. С. 256-261.

Публикации в других рецензируемых журналах

13. Ершов В.В. Флюидодинамические процессы в зоне Центрально-Сахалинского разлома (по результатам наблюдений на Южно-Сахалинском грязевом вулкане) // Геодинамика и тектонофизика. 2012. Т. 3. № 4. С. 345-360.

Монографии

14. Злобин Т.К., Ершов В.В., Полец А.Ю. Строение земной коры, поле тектонических напряжений и грязевой вулканизм Сахалино-Курильского региона. Южно-Сахалинск: СахГУ, 2012. 176 с.

Публикации в научных сборниках и трудах конференций

15. Жигулев В.В., Злобин Т.К., Ершов В.В., Гуринов М.Г. Сейсмические исследования МОВ-ОГТ и МПВ на Южно-Сахалинском грязевом вулкане // Геофизика XXI столетия: 2006 год. Сборник трудов Восьмых геофизических чтений имени В.В. Федынского (2-4 марта 2006 г., Москва). М.: Научный мир, 2007. С. 158-163.

16. Доманский A.B., Ершов В.В. Математическое моделирование динамики геофлюидов в грязевулканических процессах (на примере грязевых вулканов Сахалина) // Дегазация Земли: геодинамика, геофлюиды, нефть, газ и их парагенезы. Материалы Всероссийской конференции, Москва, 22-25 апреля 2008 г. М.: ГЕОС, 2008. С. 157-159.

17. Ершов В.В. Статистический анализ температурного режима грифонов ЮжноСахалинского грязевого (газоводолитокластитового) вулкана // Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз: Сборник материалов II (XX) Сахалинской молодежной школы, Южно-Сахалинск, 4-10 июня 2007 г. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2008. С. 268-284.

18. Ершов В.В. Временные изменения элементного состава, температуры и дебита газа в грифонах Южно-Сахалинского грязевого вулкана // Первая международная научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов, посвященная памяти академика А.П. Карпинского, Санкт-Петербург, 24-27 февраля 2009 г., сборник материалов. Санкт-Петербург: ВСЕГЕИ, 2009. С. 347-351.

19. Ершов В.В., Доманский A.B. Расчет параметров газовых смесей в задачах математического моделирования грязевулканических процессов // Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз: Сборник материалов III Сахалинской молодежной школы, Южно-Сахалинск, 3-6 июня 2008 г. Южно-Сахалинск: ИМГиГ ДВО РАН, 2009. С. 29-40.

20. Ершов В.В. Флюидодинамические системы - индикаторы геодинамических процессов в земной коре // Тектоника, магматизм и геодинамика Востока Азии: VII Косыгинские чтения, материалы всероссийской конференции Хабаровск 12-15 сентября 2011 г. Хабаровск: ИТиГ ДВО РАН, 2011. С. 48-51.

21. Ершов В.В. Динамика геофлюидов в зоне Центрально-Сахалинского разлома (по результатам наблюдений на Южно-Сахалинском грязевом вулкане) // Современная тектонофизика. Методы и результаты. Материалы Второй молодежной школы-семинара Москва 17-21 октября 2011 г. Москва: ИФЗ РАН, 2011. Т. 1. С.84-89.

Заказ № 14-П/11/2013 Подписано в печать 08.11.2013 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,2

ООО "Цифровичок", г. Москва ул. Азовская, д. 13 тел. (495) 797-75-76; (495) 649-83-30 www.cfr.ru; е-таИ:т/о@с/г.ги

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Ершов, Валерий Валерьевич, Москва

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт морской геологии и геофизики Дальневосточного отделения Российской академии наук

'На правах рукописи

04201365442

Ершов Валерий Валерьевич

ФЛЮИДОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ГРЯЗЕВУЛКАНИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ И ИХ СВЯЗЬ С РЕГИОНАЛЬНОЙ СЕЙСМИЧНОСТЬЮ (НА ПРИМЕРЕ О-ВА САХАЛИН)

Специальность 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -кандидат физико-математических наук Л.М. Богомолов

Москва 2013

Оглавление

Введение 4

Глава 1. Общая характеристика проявлений грязевого вулканизма на Земле 11

1.1. Пространственное распределение, геолого-геофизические особенности и 11 механизм деятельности грязевых вулканов

1.2. Геохимическая характеристика продуктов деятельности грязевых вулканов 27

1.3. Грязевой вулканизм о-ва Сахалин 41

1.4. Связь грязевого вулканизма с сейсмотектоническими процессами 48

1.5. Математическое описание грязевулканических процессов 56

1.6. Выводы по главе 1 68 Глава 2. Методика исследований флюидодинамических процессов, протекающих 69 в грязевых вулканах

2.1. Мониторинговые наблюдения за грифонной деятельностью Южно- 69 Сахалинского грязевого вулкана

2.2. Статистическая обработка данных натурных исследований 72

2.3. Математические модели рассматриваемых флюидодинамических процессов 76

2.4. Алгоритм расчета свойств газовой смеси, используемых в задачах 81 математического моделирования

2.5. Выводы по главе 2 87 Глава 3. Регулярные наблюдения за разгрузкой флюидов на Южно-Сахалинском 88 грязевом вулкане

3.1. Общие закономерности грифонной деятельности Южно-Сахалинского 88 грязевого вулкана

3.2. Статистические оценки наблюдаемых параметров грифонной деятельности 92 Южно-Сахалинского грязевого вулкана

3.3. Статистические зависимости для наблюдаемых параметров грифонной 95 деятельности Южно-Сахалинского грязевого вулкана

3.4. Выводы по главе 3 102 Глава 4. Математическое моделирование неустановившихся течений геофлюидов 104 в грязевулканических структурах

4.1. Математическое описание процесса подготовки извержения грязевого 104 вулкана

4.2. Расчет параметров газовой смеси в канале грязевого вулкана 109

4.3. Решение обратной задачи по определению глубины залегания источника 112 газа и корней грязевого вулкана

4.4. Выводы по главе 4 116

Глава 5. Математическое моделирование температурного режима грифонов 117

грязевого вулкана

5.1. Математическое описание нестационарного теплопереноса в грифонных 117 каналах грязевого вулкана

5.2. Численное решение поставленной начально-краевой задачи 123

5.3. Верификация математической модели на основе натурных данных 126

5.4. Выводы по главе 5 129 Глава 6. Проявления региональной сейсмичности в деятельности грязевых 131 вулканов о-ва Сахалин

6.1. Анализ возможной связи между землетрясениями и извержениями 131 грязевых вулканов о-ва Сахалин

6.2. Проявления Невельского и Горнозаводского землетрясений 2006 и 2007 гг. 136 в динамике грифонной деятельности Южно-Сахалинского грязевого вулкана

6.3. Интерпретация аномалий в деятельности Южно-Сахалинского грязевого 143 вулкана, наблюдаемых после Невельского и Горнозаводского землетрясений

6.4. Выводы по главе 5 152 Заключение 153 Список литературы 156 Приложение 1. Вещественный состав продуктов деятельности грязевых вулканов 174 о-ва Сахалин

Приложение 2. Вариации дебита свободных газов в грифонах Южно-Сахалинского 177 грязевого вулкана (наблюдения 2005-2009 гг.)

Приложение 3. Статистические оценки для температуры водогрязевой смеси в 185

грифонах Южно-Сахалинского грязевого вулкана (наблюдения 2005-2009 гг.) Приложение 4. Статистические оценки для дебита свободных газов в грифонах 193 Южно-Сахалинского грязевого вулкана (наблюдения 2005-2009 гг.) Приложение 5. Зависимость параметров газовой смеси от глубины для различных 199 термобарических условий и химического состава смеси

Приложение 6. Зависимость решения обратной задачи от параметров 202

математической модели

Приложение 7. Остатки после удаления регрессии для температуры водогрязевой 207 смеси в грифонах Южно-Сахалинского грязевого вулкана

Введение

Геофлюиды являются наиболее подвижной и нестабильной частью геологической среды. В связи с этим они играют важную роль в развитии геодинамических процессов и, в свою очередь, подвергаются их сильному влиянию. Флюидные системы являются неустойчивыми, на что указывает их сильная изменчивость во времени, которая выявлена при геофизических наблюдениях. Эта неустойчивость является одним из условий развития тектонических процессов и в то же время служит отражением таких процессов. Состав геофлюидов, а также их распределение во времени и пространстве, находятся в сложной зависимости от вещественного состава и особенностей геодинамических сред. Здесь одной из важных проблем является анализ особенностей реакции геофлюидов на землетрясения и их подготовку. Несмотря на огромное количество отечественных и зарубежных публикаций по рассматриваемой проблематике, современные познания и полученные данные пока еще далеки от всестороннего понимания всего комплекса проблем флюидо-динамики нашей планеты в целом и ее отдельных геологических структур в частности.

Одним из наиболее интересных видов сосредоточенной разгрузки углеводородных геофлюидов являются грязевые вулканы. Грязевые вулканы - это природные флюидоди-намические системы, в которых протекают процессы интенсивного энергомассопереноса из недр Земли на ее поверхность. При изучении грязевого вулканизма традиционно рассматривается ряд важных проблем, имеющих прикладное и фундаментальное значение.

Одной из таких проблем является вопрос о связи грязевого вулканизма с нефтега-зоносностью грязевулканических провинций. Деятельность грязевых вулканов, являясь связанной с разгрузкой глубинных геофлюидов, нередко указывает на промышленные месторождения природного газа и нефти в регионе. Такая связь вполне закономерна - преобразование органического вещества на глубине продуцирует скопления углеводородов и может порождать грязевые вулканы. Соответственно, жидкие и газообразные продукты извержения грязевых вулканов можно использовать для изучения процессов образования, аккумуляции и разрушения залежей углеводородов.

Исследования баланса парниковых газов в атмосфере Земли не может быть выполнено без учета эндогенной поставки этих газов. Грязевулканические газы состоят преимущественно из метана и углекислого газа. Поэтому деятельность грязевых вулканов оказывает существенный вклад в общий бюджет парниковых газов в атмосфере, который необходимо корректно оценивать и учитывать в моделях изменения климата.

В процессе своей деятельности грязевые вулканы выносят на поверхность также обломки пород с больших глубин. В этом отношении каждый грязевой вулкан представляет собой природную буровую скважину, которая доставляет на поверхность обломки

пород практически со всей длины подводящего канала вулкана. Это позволяет исследовать строение верхней части земной коры и происходящие там геохимические процессы без бурения дорогостоящих скважин.

К подводным грязевым вулканам часто приурочены скопления газовых гидратов, процессы образования, стабилизации и диссоциации которых пока слабо изучены. Поскольку газогидраты рассматриваются как потенциальное углеводородное сырье, то подводные грязевые вулканы являются первоочередными объектами для его разработки.

Катастрофические извержения грязевых вулканов могут оказывать существенное воздействие на окружающую среду. Так, например, в мае 2006 г. на о-ве Ява (Индонезия) произошло извержение грязевого вулкана ЫШ, которое заставило десятки тысяч людей сменить свое местожительство. Интенсивность выбросов в течение первых месяцев после начала извержения составляла десятки тысяч кубометров водогрязевой смеси в сутки, которая в итоге покрыла участок площадью в несколько сотен гектар. Экономический ущерб от извержения оценивается миллиардами долларов США. Кроме того, многие подводные грязевые вулканы располагаются на континентальных шельфах, поэтому даже слабые извержения могут вызывать разрушения прибрежной инфраструктуры (кабельных каналов связи, нефтегазопроводов и др.), а также затруднять навигацию в прибрежных водах. Поэтому важно иметь корректные количественные оценки пространственно-временных масштабов деятельности грязевых вулканов.

Большинство участков проявления грязевого вулканизма приурочены к сейсмически активным регионам. В связи с этим большое внимание уделяется вопросу о связи грязевого вулканизма с региональной сейсмичностью. Считается, например, что состав и интенсивность поставки продуктов деятельности грязевых вулканов находятся в тесной связи с сейсмотектоническими процессами, протекающими в земной коре. В соответствии с этим высказывается мнение, что различные параметры грязевулканической деятельности являются индикаторами (предвестниками) готовящихся землетрясений. Высказывается и мнение о том, что сильные землетрясения запускают процесс извержения грязевых вулканов. Например, в качестве одной из причин извержения грязевого вулкана ЬиБ1 рассматривается землетрясение, которое произошло незадолго до извержения вулкана.

Таким образом, грязевой вулканизм - это довольно распространенное и сложное геологическое явление, которое рассматривается как мощный фактор осадконакопления и рельефообразования, как критерий нефтегазоносности, как индикатор региональных геодинамических процессов, а также как геоэкологический фактор, влияющий на состояние природной среды. Грязевой вулканизм относится к опасным природным явлениям, которые должны учитываться при проектировании инженерных сооружений.

В настоящее время многие рассмотренные проблемы не имеют однозначного решения, оставаясь на уровне разного рода допущений и предположений. В частности, требует дальнейших исследований вопрос о характере и особенностях связи между грязевым вулканизмом и региональной сейсмичностью. Малый объем эмпирических данных не позволяет сделать полноценных и обоснованных выводов по данной проблеме. Такие выводы могут быть сделаны только при наличии достаточно больших и непрерывных массивов данных, полученных в условиях различной сейсмической активности в регионе. Как правило, при изучении грязевого вулканизма основное внимание уделяется стадиям извержений, а промежуточные между ними грифонные стадии игнорируются. Между тем извержения могут являться достаточно редкими событиями (с периодичностью в десятки лет), которых недостаточно для понимания закономерностей деятельности грязевых вулканов. Отметим также, что для более глубокого понимания физических процессов, лежащих в основе грязевого вулканизма, и корректной интерпретации эмпирических данных, необходимо адекватное математическое описание грязевулканических процессов.

На Дальнем Востоке России о-в Сахалин является единственным регионом, где известны наземные грязевые вулканы. Наличие на о-ве Сахалин мощных осадочных толщ с нефтяными и газовыми залежами, высокая современная сейсмотектоническая активность региона, сложные системы разрывных нарушений делают этот регион уникальным полигоном для изучения грязевого вулканизма.

Цель работы - определить закономерности разгрузки геофлюидов в грязевых вулканах о-ва Сахалин и ее связи с сейсмичностью в регионе на основе данных натурных наблюдений и математического моделирования.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи исследования:

1. Проведение мониторинговых наблюдений за температурой водогрязевой смеси, дебитом, химическим и изотопным составом свободных газов в грифонах ЮжноСахалинского грязевого вулкана и статистический анализ результатов.

2. Математическое описание флюидодинамических процессов, протекающих в грязевых вулканах: миграции геофлюидов при подготовке извержения вулкана и теплопереноса в грифонах вулкана.

3. Оценка глубины залегания источника газа и корней грязевых вулканов о-ва Сахалин по данным натурных исследований и математического моделирования.

4. Исследование связи между деятельностью грязевых вулканов о-ва Сахалин и сейсмическими событиями в регионе.

Объектом исследования являются наземные грязевулканические структуры о-ва Сахалин: Дагинский грязевулканический участок в северной части, группа Пугачевских

грязевых вулканов и вулкан Восточный в центральной части, Южно-Сахалинский грязевой вулкан и Лесновский грязевой вулкан в южной части.

Предметом исследования являются геолого-геофизические особенности грязевого вулканизма о-ва Сахалин, математические модели грязевулканических процессов, а также проявления сейсмических событий в деятельности грязевых вулканов о-ва Сахалин.

Автором на защиту выносятся следующие защищаемые положения:

1. Фоновый режим разгрузки геофлюидов Южно-Сахалинского грязевого вулкана характеризуется стабильностью дебита и химического состава свободных газов, а также высоким коэффициентом корреляции (г = 0.7 0.9) между температурой в грифонах вулкана и температурой воздуха.

2. Предложена математическая модель процесса подготовки извержения грязевого вулкана, включающая уравнения нестационарной фильтрации жидкости и газа. Модельными расчетами показано, что при периоде извержений Южно-Сахалинского грязевого вулкана около 20 лет питающая вулкан газовая залежь находится на глубине 8 — 12 км.

3. На основе нестационарного уравнения теплопроводности с конвективным слагаемым предложена математическая модель тепловых процессов при течении геофлюидов по грифонному каналу, которая адекватно описывает вариации температуры в грифонах грязевого вулкана. Показано, что изменения температурного режима грифонов обусловлены изменениями скорости течения геофлюидов.

4. Инструментально установлены статистически значимые аномалии температуры водогрязевой смеси, дебита и химического состава свободных газов в грифонах ЮжноСахалинского грязевого вулкана при сейсмической активизации на юге о-ва Сахалин.

Научная новизна. Впервые выполнены комплексные наблюдения за температурой водогрязевой смеси, дебитом, химическим и изотопным составом свободных газов, осуществленные для большого числа грифонов. Ранее проводились или кратковременные наблюдения, или наблюдения для небольшого числа грифонов, или мониторинг какого-то одного параметра. Предложена математическая модель подготовки извержений грязевых вулканов на основе нестационарных уравнений механики сплошных сред. Ранее предлагались или стационарные модели, или модели непосредственно самого процесса извержения. Моделирование выполнено с учетом зависимости свойств геофлюидов от глубины. По данным математического моделирования получено однозначное решение обратной задачи по определению глубины залегания источника газа и корней грязевых вулканов. В предшествующих моделях обратная задача или не рассматривалась вообще, или имела неоднозначное решение. Впервые предложена математическая модель температурного режима грифонов грязевых вулканов. Инструментально установлены статистически значи-

мые аномалии температуры водогрязевой смеси, дебита и химического состава свободных газов в грифонах Южно-Сахалинского грязевого вулкана при сейсмической активизации на юге о-ва Сахалин. До этого наличие такой связи упоминалось лишь на основе редких визуальных осмотров вулкана.

Личный вклад. Диссертант принимал непосредственное участие во всех этапах диссертационного исследования, им написано более 2/3 объема публикаций по теме диссертации и сделаны выводы. Диссертант проводил полевые работы на ЮжноСахалинском и Главном Пугачевском грязевых вулканах в 2005-2009 гг., а также обработку и анализ полученных натурных данных. Диссертант принимал непосредственное участие в разработке математической модели подготовки извержения грязевого вулкана. Диссертантом разработана математическая модель температурного режима грифонов грязевого вулкана. Требующиеся модельные расчеты выполнены диссертантом лично. Диссертантом предложена интерпретация наблюдаемых после землетрясений аномалий температуры водогрязевой смеси, дебита и химического состава свободных газов в грифонах Южно-Сахалинского грязевого вулкана.

Мониторинговые наблюдения 2005-2007 гг. за грифонной деятельностью ЮжноСахалинского грязевого вулкана проведены в рамках инициативного проекта Российского фонда фундаментальных исследований (№ 05-05-64124), в котором диссертант был основным исполнителем. Математическое моделирование температур