Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Формирование гидрогеодинамического режима под воздействием региональных внешних нагрузок на водоносный горизонт

ВАК РФ 04.00.06, Гидрогеология

Автореферат диссертации по теме "Формирование гидрогеодинамического режима под воздействием региональных внешних нагрузок на водоносный горизонт"

РГ6 од

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВА

Геологический факультет

На правах рукописи УДК 556.332.5

В0ЛЕШ10 ВЛАДИСЛАВ ОСКАРОВИЧ

ФОРМИРОВАНИЕ ЩДРОГЕОДИНАЫИЧЕСКОГО РЕШЫА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ РЕГИОНАЛЬНЫХ ВНЕШНИХ НАГРУЗОК НА ВОДОНОСНЫЙ ГОРИЗОНТ

Специальность 04.00.06 -Гидрогеология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогинеских наук

Москва - 1993

Работа выполнена во Всероссийском институте гидрогеологии и инженерной геологии (ВСЕПШГЕО)

Официальные оппоненты - доктор геолого-минералогических

наук, профессор КОВАЛЕВСКИЙ В.С.

- доктор геолого-минералогических

наук, член-корреспондент Российской

Академии наук ШРОНЕНКО В.А.

- доктор геолого-минералогических

наук, профессор ШЕСТАЧОВ В.М.

Ведущая.организация - объединенный институт физики Земли

Российской Академии наук

Защита диссертации состоится /У/у^ября 1У93 г. в 14 час. 30 мин. на заседании специализированного ученого Совета по гидрогеологии, инженерной геологии и мерзлотоведению (Д.053.05.27) при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: ПУШУ ГСП-3 Москва, Ленинские горы, МГУ, Геологический факультет, аудитория 415.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке геологического факультета МГУ, зона "А", 6 этаж.

Автореферат разослан "/У" о^-^л^/т-Л 1993 г.

Отзывы ца автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учрелдения, просим направлять по адресу: 119899, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, Геологический факультет, ученое секретарю специализированного совета, доктору геолого-минералогических наук, профессору Л.С. ГАРАГУЛЕ.

Ученый секретарь специализированного

совета, доктор геолого-минералогических

наук, профессор

Гарагуля

ОЫцАл ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы, определяется необходимостью создания и повышения эффективности службы гидрогеологических наблюдений в целях прогноза сильных землетрясений, возникающих под влиянием природных и техногенных факторов, для предотвращения их вредного действия.

Накопленные за последние годы фундаментальные данные показывают, что в литосфере на огромной территории под влиянием метеорологических (атмосферное давление), космических (лунно-солнечное притяжение), эндогенных сил, а также техногенных факторов возникают аномалии различных геофизических полей, в том числе и гидрогеодинамические.

Специфической особенностью гидрогеодинамического режима, формирующегося под влиянием масштабных внешних нагрузок, является его периодическое или непериодическое кратковременное проявление в региональном плане.

Гидродинамическая реакция подземных вод, возникающая под. действием различных внешних природных и техногенных факторов,относится к категории широко известного, но плохо изученного явления, физическая сущность которого, несмотря на значительные теоретические и экспериментальные исследования, остается не раскрытой. Существующие представления на природу этого явления и аналитические решения, вытекающие из них, вступают в противоречия с фактическим материалом и не могут объяснить расхождений, возникающих между расчетными данными и результатами натурных наблюдений.

Решение проблемы формирования гидрогеодинамического режима под воздействием региональных внезни^ сил помимо чисто теоретического значения имеет огромную практическую направленность, так как создает научную основу для разработки и совершенствования специфических, нетрадиционных гидрогеологических методов исследования земной коры, в которых подземные воды используются в роли индикаторов напряжений.

Целью работы, является раскрытие природы, механизма и основных закономерностей формирования гидродинамического режима подземных вод, возникающего под влиянием региональных внешних нагрузок.

Под региональными внешними нагрузками понимаются нагрузки, равномерно распределенные по площади, линейные размеры которой значительно превышают глубину залегания водоносного горизонта, возмущенного этими нагрузками.

Основная идея исследования взаимодействия внешних и внутренних сил в двухфазной упруго-деформируемой природной среде заключалась в использовании подконтрольных, натурных, региональных источников внешних нагрузок, вызывающих изменение напряжения в гидросфере: вариаций атмосферного давления и приливной составляющей силы тяжести.

Задачами исследования являлись:

- формализованное изучение с позиций подземной гидростатики баланса внешних и внутренних сил в двухфазной упруго-деформируемой среде вода - порода при постоянных и переменных региональных внешних нагрузках для создания модели распределения напряжений в подземной гидросфере, адекватно отражающей этот процесс в природных условиях;

- экспериментальное изучение гидрогеодинамического режима, возникающего под действием вариации атмосферного давления и лунно-солнечного притяжения в системе "скважина - водоносный горизонт" для выяснения его природы, механизма и основных закономерностей формирования, а также для изучения процесса распределения в гидросфере дополнительных напряжений;

- разработка спеииальной технологии, позволяющей производить регистрацию, веделение и интерпретацию малоамплитудных колебаний уровня воды, возникающих под действием вариаций атмосферного давления, лунно-солнечного притяжения и эндогенных сил (методический аспект исследования);

- оценка изменения напряжения в массиве горных пород, вызванного нарушением баланса внешних и внутренних сил в гидросфере в целях прогноза различных геодинамических процессов, в том числе сильных землетрясений (прикладная сторона исследования).

Тема диссертации соответствует основной направленности научно-исследовательских разработок ВСЕГИНГЮ.

Материалы диссертации являются составной частью исследований, проведенных по темам

^¿М, 5-5/39-81 гр и 5-6/122-63гр,

700(1) * 700(1) н

номера госрегистрации 81028006, 01850055292, выполненным в 19Ы-1986 гг.

Научная новизна и. значение, работы. . - I) Получено уравнение, связывающее дополнительную региональную внешнюю нагрузку с напряжениями, вызываемыми этой нагрузкой в двухфазной упруго-деформируемой среде.

2) Показано, что взаимоотношение деформативных состояний в скелете водовмещающей породы, вызванных внешними региональными нагрузками и изменяющимся под их действием поровым давлением,определяет кинематику распределения нейтрального и эффективного напряжений в двухфазной упруго-деформируемой среде.

3) Впервые теоретически обоснованы натурные модели и на них практически осуществлены экспериментальные исследования процесса распределения напряжений, возникающих в гидрогеосфере под действием региональных внешних сил метеорологической и космической природы, что позволило раскрыть механизм и ранее неизвестные закономерности внутрисуточного гидрогеодинамического режима: прямую и одновременную реакцию уровня подземных вод на любые внешние региональные нагрузки.

4) Впервые экспериментально на отдельных натурных моделях установлено, что дополнительная нагрузка, представленная вариациями атмосферного давления, передается в пределах верхней части подземной гидросферы на глубинах, доступных для исследования

(до 3000 м),без ощутимых потерь: сумма нейтрального и эффективного напряжений с учетом деформационной составляющей порового давления исследуемого водоносного горизонта равна величине внешней нагрузки, вызывающей эти напряжения. В.этих опытах индикатором эффективного напряжения служат изменения столба воды в открытой скважине, а нейтрального - колебание уровня воды в скважине с герметично закрытым устьем.

5) Показано, что изменение нейтрального напряжения, выступающего в роли динамического регулятора равновесного состояния си-

стемы "силы внешние - силы внутренние", определяет природу формирования малоамплитудного внутрисуточного гидрогеодинамического режима. Механизм регулирования равновесного состояния этой системы осуществляется по- гидравлическому принципу в соответствии с законом Паскаля: увеличение внешней нагрузки - рост нейтрального напряжения в пласте - подъем уровня воды в скважине, и наоборот.

о) Разработана концептуальная гидрогеомеханическая модель распределения напряжения по кровле любого стратифицированного водоносного горизонта гидрогеосферы, позволившая установить, что природная дифференциация неоднородностей поля пьезометрического напора в пределах единого водонапорного бассейна обусловлена главным образом характером распределения геостатического давления по кровле водоносного горизонта.

7) Разработана новая технология исследования малоамплитудных, кратковременных колебаний уровня - микроуровнеметрия подземных вод, позволившая зарегистрировать и выделить простые гид-рогеодинамические сигналы барической и космической природы.

В) Разработал на уровне изобретения новый способ определения коэффициента приливной эффективности, применение которого позволило впервые установить его величину для водоносных горизонтов, расположенных в континентальной зоне, вне зоны действия океанических приливов.

9) Установлена природа приливной и барометрической эффективности.

10) Намечены пути исследования механизма возбужденных землетрясений.

11) Впервые показана четкая связь изосейст разрушительного землетрясения в Ташкенте (26 апреля 1965 г.) с контурами распространения дополнительных эффективных напряжений, возникших в кровле сеноманского водоносного горизонта накануне толчка в результате интенсивной сработки гидростатического давления, вызванной многолетней эксплуатацией месторождения ташкентских минеральных вод.

Совокупность выдвинутых положений квалифицируется как новое перспективное направление в гидрогеологии, приобретающее важ-

ное народнохозяйственное значение и заключающееся в разработке и развитии нетрадиционного гидрогеодинамического метода изучения изменения напряженного состояния массива горных пород под влиянием природных и техногенных факторов, в котором подземные воды используются в качестве индикатора изменения нейтрального и эффективного напряжений.

Основные положения... защищаемые, автором..

1) Напряжения, существующие в любом водоносном горизонте гидрогеосферы, изменяются на величину изменения региональной внешней нагрузки.

2) Региональная внешняя нагрузка, распределяясь в жидкости и в "скелете" водовмещающих пород пропорционально их модулям упругости, создает в гидрогеосфере дополнительные эффективные и нейтральные напряжения.

При этом под влиянием вариаций атмосферного давления уровень воды в скважине действует подобно манометру, как показатель дополнительного напряжения:

- изменение столба воды в открытой скважине отражает напряжение, воспринимаемое "скелетом" водосодержащих пород (эффективное напряжение);

- колебание столба воды в скважине с герметично закрытым устьем передает давление, воспринимаемое жидкостью водоносного горизонта (нейтральное напряжение);

- сумма изменений столба воды в открытой и закрытой скважинах с учетом деформационной составляющей этих изменений равна перепаду атмосферного давления, которое вызывает эти изменения.

3) Региональная внешняя нагрузка вызывает в гидрогеосфере прямую и одновременную по всей площади приложения этой нагрузки реакцию подземных вод, проявляющуюся в водоносном горизонте через изменение порового (гидростатического давления). Механизм, управляющий гидрогеодинамической реакцией, гидравлический.

4) Нарушение баланса внешних и внутренних сил, сопровождающее всякое изменение внешней нагрузки, является основной причиной развития различных геофизических процессов в литосфере.

Практическая ценность работы. Разработанный автором метод, в котором подземные воды используются в роли индикаторов нейтраль-

ного и эффективного напряжений, возникающих в подземной гидросфере под действием природных и техногенных нагрузок, позволяет на новом уровне, непосредственно в полевых условиях, исследовать распределение дополнительного напряжения в массиве горных пород и контролировать подготовку негативных геодинамических процессов, в том числе сильных землетрясений. Простота и доступность нового метода может найти широкомасштабное применение для оценки распределения напряжения, вызванного в гидрогеосфере инженерной деятельностью.

Реализация, результатов работы. Разработаны, утверждены заместителем Министра геологии СССР 27.I2.B5 г. и используются в отрасли "Методические указания по организации и проведению гидрогеологических наблюдений по специализированной региональной сети в целях прогноза сильных землетрясений" (в соавторстве с Г.С.вартаняном, Е.А.Поповым, Н.И.Авсюком, 0.Н.Кошевым). Внедрение разработанных технологий: микроуровнеметрия подземных вод, оценка инерционности и информативности пунктов наблюдений (авт.свад. 1303957), напорности подземных вод (Авт. свид. 1229323), определение коэффициента приливной эффективности (авт. свид. 1121410) позволило сократить срок исследования по каждой скважине и без дополнительных материальных затрат улучшить достоверность и качество получаемой информации при организации и проведении гидрогеологических наблюдений на специализированной гидрогеологической сети в целях прогноза сильных землетрясений в Средней Азии, Казахстане, Закавказье.

Ежегодный экономический эффект от внедрения микроуровнемет-рии только в комплексной геолого-геофизической экспедиции Управления геологии Грузии составляет 12«тыс.руб.

Результаты исследований внедрены в комплексной гидрогеологической экспедиции ВСЕГИНГЕО и широко используются для оценки пригодности гидрогеологических пунктов наблюдений при создании специализированной региональной гидрогеологической сети в сейсмоактивных районах страны в целях прогноза сильных землетрясений. Результаты исследований также использовались автором при разработке мероприятий по охране минеральных вод месторождения Оби-Гарм от воздействия водохранилища Рагунской ГЭС, при исследовании

природы и механизма разрушительного Ташкентского землетрясения (Хь апреля 196ь г.).

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на всесоюзном гидрогеологическом симпозиуме по вопросам разведки, изучения и курортного использования минеральных вод (Москва, 1976 г.), на всесоюзном научно-техническом семинаре "Методика и организация наблюдений за режимом подземных вод для прогноза землетрясений" (пос. Зеленый, Московская обл., 1983 г.), на межведомственном семинаре "Итоги изучения региональных и инженерно-геологических процессов в осадочном чехле молодых плит'ЧМосква, 1983 г.), на Всесоюзной конференции "Подземные вода и эволюция литосферы" (Москва, 1965 г.), на Всесоюзном совещании "Опыт изучения Газлийских землетрясений и направления дальнейших исследований" (Ташкент, 1985 г.).

Основные положения диссертации опубликованы в 24 работах, в том числе в монографии, брошюре, пяти изобретениях и статьях, помещенных в журналах "Советская геология", "Разведка и охрана недр", "Геология и разведка", материалах Всесоюзных конференций и семинаров, сборниках ьСЫМНГЬО Мингео СССР, МЭХа и др.

Структура и объем работы.. Диссертация состоит из введения, 9 глав, заключения и списка литературы из 119 наименований. Объем работы -343 с. машинописного текста, Ьс иллюстраций, 19 таблиц. Диссертация выполнена в отделе региональных гидрогеологических исследований ВСЕГИНГЕО.

Автор выражает признательность сотрудникам комплексных экспедиций Управления геологии Таджикистана и Грузии за помощь в проведении экспериментальных исследований и внедрение результатов диссертационной работы.

СОДЬРлСАШЕ РАБОТЫ

I. СУ1ЦЬЕТВУЦЩИЕ ЛРЬДОТАМЫШ О 1РИР0ДЕ ¿ОРМИРОьАНШ йНУТРИСУТОЧШП) ГЩРОГШДИНАШЧЬ£КОГО РЫШяА

Трудами отечественных и зарубежных исследователей установлено, что подземные воды являются чутким индикатором изменения внешних нагрузок, вызванных метеорологическими, космическими, эн-

догенными и техногенными факторами.

Значительный вклад в изучение гидрогеодинамического режима, формирующегося под действием вариаций атмосферного давления, внесли: ¿.Aparo (lübb), Л.Лззам (IdBi), Н.Е.Жуковский (1883), Кинг^-Х 1392), Г.Н.Каменский, Н.Н.Биндеман (1933), Джекоб С (1940), ЛковлевЗ,( 1953),^.Тодц (1959), О.В.Куренков, С.Г.Каменецкий (1964), tí.11.Степанов (19о7), ь.С.Ковалевский (1975),П.Гасс (1975). Усилиями этих исследователей была установлена четко соблюдаемая зависимость колебания пьезометрического напора в скважине и дебита восходящих родников от вариаций атмосферного давления (повышение атмосферного давления сопровождается падением уровня жидкости в скважине и расхода родников),и наоборот. Это явление связывают с проявлением упругих свойств водоносного горизонта. Отсутствие реакции грунтовых вод и нисходящих родников на вариации атмосферного давления рассматривают как подтверждение деформационной природы наблюдаемого явления.

Океанический прилив, в противоположность атмосферному давлению, вызывает прямую реакцию уровня как напорных, так и безнапорных вод (Н.Шуреман, I92t>). Гидрогеодинамический эффект, аналогичный жидкому приливу, как показали исследования Вернера и Норе-на (1910), Тодда (Х95У), В.М.Шестакова (1965) дают паводки рек.

11.Мельхиор (19о8) показал, что периодические, незначительные по амплитуде (2-7 см) колебания уровня подземных вод, наблюдаемые в скважинах, расположенных вне зоны действия океанических приливов, обусловлены земными приливами.По П.Мельхиору, периодические колебания уровня подземных вод, вызванные твердыми приливами,смещаются на 180° по отношению к аналогичным колебаниям уровня воды, вызванным океаническим приливом.

Так как размеры подземных водных бассейнов достаточно ограничены, то априорно можно пренебречь реакцией непосредственно подземных вод на лунно-солнечное притяжение. В этом случае поведение уровня подземных вод полностью определяется земными приливами.

Накоплен значительный фактический материал, свидетельствующий о наличии качественных связей между процессами, предшествующими землетрясению, и гидродинамической реакцией на это подземных вод. Установлено, что накануне сейсмического толчка изменяются

дебит и уровень подземных вод в скважинах и родниках, находящихся на различных расстояниях от очага землетрясения (И.Г.Киссин, 1970, И.Монахов, 1977, Д.Г.Осика, 1981).

Дальнейшим развитием рассматриваемой проблемы явилось открытие глобальных, быстропротекающих, пульсационных процессов в гидрогеосфере, обусловленных способностью последней реагировать на изменение напряженного состояния литосферы (Г.С.Бартанян, Г.Б.Куликов, 1982). Согласно существующим представлениям, гидро-геодинамические эффекты, вызванные вариациями внешних сил различной природы (метеорологической, космической или эндогенной), связаны с упругими деформациями сжатия и растяжения водоносного горизонта. Поэтому считают, что вариации расхода или уровня (показателя гидрогеодинамической реакции на внешнюю нагрузку ) отражают меру деформации водоносного горизонта.

Однако существующие модели, призванные раскрыть природу одного и того же явления, обнаруживают различия в трактовке не только механизма формирования этого явления, но и общего хода самого процесса. Так, в модели Араго-Джекоба, воспроизводящей ход гидрогеодинамического процесса под влиянием вариаций атмосферного давления, падение уровня еоды в скважине связывают с деформацией сжатия водоносного горизонта, а его подъем - с деформацией ■растяжения.

8 модели Мельхиора, отражающей аналогичный процесс, протекающий под действием земных приливов, деформация сжатия водосо-держащих пород вызывает подъем уровня воды в скважине, а его падение связано с деформацией растяжения. Расчетные амплитуды колебания уровня, полученные аналитически из уравнения Г'ука, воспроизводящего описанные модели, оказываются на два-три порядка меньше амплитуд, зарегистрированных экспериментально. Расчетная и фактически зарегистрированная амплитуда колебания уровня воды в каменноугольном водоносном горизонте Подмосковья (Цемилово) под влиянием вариаций атмосферного давления соответственно составляет 0,22-10 м и 0,2 м. По расчетам 11.Мельхиора, директора Международного центра по земным приливам, амплитуда колебания уровня в скважине на экваторе, вызванного деформацией водоносного горизонта под действием полусуточной лунной волны (М2),должна быть

О,о см, а наблюденная на это^ широте амплитуда составила 7,5о см (Киншаса, Ьаир).

Критический анализ существующих представлений о природе рассматриваемого явления показывает, что до сих пор не создана физическая модель, адекватно отражающая на качественном и количественном уровнях природный процесс, протекающий в водоносном горизонте под действием региональных внешних нагрузок.

¡¿. ТЬиРЬТИЧЕСКОЬ ОШСШиАНИЬ, ИРОцЬССА *0Р;М\ЬАМ-1 ГДДРОГЬОДШШйЧЬСкиГО РЫМА Шд ЫШлНИЬМ РЬГИО-НАЛЬНыА иНыНИА НАГРУсШ.

как в теории упругого режима фильтрации подземных вод, так и в теории фильтрационной консолидации глинистых пород рассматриваются задачи, в которых эффективное .напряжение в водоносном горизонте изменяется только в зависимости от изменения порового I гидростатического) давления, и такой постановке внешняя нагрузка остается постоянной и обусловлена исключительно геостатическим давлением.

Огромный интерес представляют теоретические и практические исследования процесса распределения напряжений, возникающих по кровле водоносного горизонта под влиянием дополнительных региональных внешних нагрузок.

И момент приложения региональной внешней нагрузки, действующей одновременно на большой площади, можно считать, что изменения движения жидкости в горизонтальной плоскости не происходит. Поэтому, пренебрегая инерционными силами, возникающими в системе "водоносный"горизонт - скважина", процесс взаимосвязи внешних и внутренних сил будем рассматривать как статический, а такой постановке задача является одномерной, все функции зависят только от вертикальной компоненты нагрузки. Принятое допущение, в совокупности с предпосылкой о линейно-упругой форме связи напряжения и деформации, позволяет производить исследования, оперируя только компонентами напряжения и,при необходимости,связывая их с деформациями.

Напряжение, возникающее на площади контакта водоносного горизонта с перекрывающей его водоупорной толщей под действием

веса вышележащих пород (Р« ) в соответствии с основным уравнением подземной гидростатики и) должно быть .уравновешено внутренними силами: реакцией минерального скелета водовмещающих пород (интергранулярным давлением Р« ) и поровой жидкостью (гидростатическим или поровым давлением РV ). Исследуемый водоносный горизонт и действующие на него внешние нагрузки рассматриваются как безграничные. Начальные условия: на свободной поверхности нормальное (6"г ) и горизонтальное (€>"«.>- ) напряжения равны нулю. Уравнение равновесия внешних и внутренних сил в исследуемом водоносном горизонте в начальный момент имеет еид

В. = Д," + Р," . (1)

Различные внешние силы, периодически или непериодически изменяющиеся во времени, создают дополнительные нагрузки на кровлю любого водоносного горизонта гидрогеосферы, возвращение к положению равновесия системы "внешние силы - внутренние силы" после каждого импульса,вызванного дополнительными внешними факторами (Ро), приводит к балансу этих сил:

Рл + Р. = й. + Р л , и)

где Ра - постоянная нагрузка на водоносный горизонт, численно равная весу вышележащих пород (геостатическое или литостатиче-ское давление); Ро - дополнительные внешние региональные природные и искусственные нагрузки I вариации атмосферного давления и лунно-солнечного притяжения, тектонические и техногенные силы); Рг - поровое давление после приложения дополнительных нагрузок; Р* - интергранулярное давление после приложения дополнительных нагрузок; Рг , Р* - соответственно начальное поровое и интергранулярное давление,не нарушенное дополнительными региональными нагрузками (Ре = 0).

Полученное уравнение равновесия внешних и внутренних сил является математическим описанием гидрогеомеханической модели распределения напряжения в любом водоносном горизонте гидрогеосферы (см.рисунок).

водоносный горизонт, как любой механически:" объект, находится под влиянием объемных и поверхностных внешних сил в напряженном состоянии. Объемные силы, представленные литостатическим

Схематическая гидрогеомеханическая модель распределения напряжений по кровле напорного водоносного пласта

давлением, зависят только от веса горных пород с заключенной в них жидкостью и наращиваются с глубиной. Изменение литостатиче-ского давления с глубиной отражается на гидрогеомеханической модели эпюрой этого давления. Геостатическое давление уравновешивается в любой точке гидрогеосферы интергранулярным и поровым давлением. С глубиной, по мере увеличения геостатического давления, происходит рост порового давления, что отражается на гидрогеомеханической модели эпюрой порового давления (см.рисунок, Р,1 , £*>. Модель отображает давление поровой воды, возникающее у кровли рассматриваемого водоносного горизонта под действием весовой нагрузки, вменение интергранулярного давления с глубиной представлено эпюрой этого давления (см.рисунок, fíf; В?).

Потенциал, возмущающий систему "внешние силы - внутренние силы" представлен главным образом■внешними поверхностными непериодически изменяющимися силами (вариациями атмосферного давления - объемными периодически меняющимися силами (лунно-солнечным притяжением с потенциалом W ), а также тектоническими и техногенными силами.

Область начального возмущения системы равна области приложения дополнительной внешней нагрузки, равномерно распределенной по площади, размеры которой в несколько раз превышают глубину залегания исследуемого водоносного горизонта. Так, градиент барического давления равен 1 гПа на 111 км. Поэтов при региональных внешних нагрузках граничные условия объекта исследования можно рассматривать как неограниченные или с заранее заданными границами, как в случае с океаническим приливом.

Под влиянием вариаций дополнительных внешних сил равновесие, описываемое уравнением (1), нарушается. Общее напряжение, возникающее на кровле водоносного горизонта, в этом случае создается суммой сил, равных весу вышележащих пород с заключенной в них жидкостью, который сохраняется постоянным (Ра = сопчЪ ), и дополнительным , переменным во времени внешним нагрузкам (Ро¿cout). Для поддержания системы в равновесии (уравнение 2), нарушаемом дополнительными силами, необходимо, чтобы соблюдалось условие

cL£'ctR,*dPr (3)

Из уравнения (3) следует, что всякие изменения дополнительной региональной внешней нагрузки компенсируются в пределах любого водоносного горизонта гидрогеосферы изменениями интергранулярного и порового давления. Полученное равенство предполагает,что изменение внешней нагрузки вызывает численно равное ей напряжение на кровле любого водоносного горизонта.

а основу гидрогеомеханической модели распределения напряжения по кровле любого водоносного горизонта гидрогеосферы положены два взаимодополняющие друг друга принципа:

- полного отражения или компенсации любым водоносным горизонтом гидрогеосферы воздействий внешних нагрузок (принцип ра -венства внешних и внутренних сил в водоносном горизонте);

- постоянства геостатического давления.

Оба принципа исключают возможность диссепации энергии при распределении региональной внешней нагрузки в гидрогеосфере. Однако окончательное решение вопроса о характере рассеивания энергии при передаче нагрузки на глубину может быть получено только экспериментально.

Для доказательства распределения региональных "внешних сил в пределах всего исследуемого гидрогеологического разреза без потерь необходимо экспериментально установить, что сумма изменений порового (ар/ ..., л Рг'1 ) и интергранулярного (¿Ри' , дРи ...,ДР|Г ) давлений, возникающих на кровле двух и более водоносных горизонтов, равна величине вызывающей их дополнительной внешней нагрузки (ЛРо ):

Такие эксперименты были выполнены автором, а их результаты в формализованном виде представлены на модели (см.рисунок) и сформулированы в виде принципа: всякое изменение региональных внешних сил вызывает в пределах любого водоносного горизонта гидрогеосферы изменение сил внутренних, численно равных величине дополнительных внешних нагрузок.

Для оценки связи порового давления с региональной внешней нагрузкой было использовано уравнение Райе и Клери, связывающее общее напряжение (О г ) с поровым давлением в условиях фильтрующейся жидкости:

где А" - коэффициент фильтрации; у*/ - коэффициент упругоемко-сти водоносного горизонта; С - коэффициент приливной эффективности; /? - поровое давление; 6г - полное нормальное напряжение, представленное литостатическим давлением и дополнительной нагрузкой ( бг = К + Р> ). Если в момент приложения региональной внешней нагрузки скорость горизонтального движения под действием этой нагрузки не меняется, то

?г = 0.

Тогда из уравнения (б) следует, что поровое давление изменяется прямо пропорционально внешней нагрузке:

Вследствие приложения дополнительной внешней нагрузки 1Р«) к кровле водоносного горизонта поровое давление в нем получит приращение

А ?г = ОаРо . (7)

Величина же изменения гидростатического давления в скважине, вскрывшей этот горизонт, определяется условиями приложения дополнительной нагрузки к зеркалу воды в ней.

При анализе закономерностей формирования гидрогеодинамиче-ского режима в системе "скважина - водоносный горизонт" в качестве дополнительной внешней нагрузки рассматривались вариации атмосферного давления, лунно-солнечного притяжения и тектонических сил.

Изменение атмосферного давления происходит обычно с небольшой скоростью, позволяющей предполагать, что распределение напряжения в водоносных горизонтах под влиянием перепада атмосферного давления происходит статически:

■Д 6г. = Д

где л б~2 - дополнительное сжимающее или растягивающее напряжение, равное изменению атмосферного давления; л _ величина •

изменения напряженного состояния по кровле водоносного горизонта под влиянием вариаций атмосферного давления.

Флуктуация атмосферного давления, равномерно распределенного по площади, охватывает одновременно огромную область и в связи с этим не вызывает изменения скорости фильтрационного потока, а приводит лишь к колебаниям уровня в водоносном горизонте, при котором частицы жидкости смещаются только в вертикальном направлении вверх или вниз в зависимости от знака приложенной нагрузки. Согласно уравнению (3) равновесие системы "внешние силы -внутренние силы", нарушенное вариациями атмосферного давления, будет соблюдено при условии, что

Представив в равенстве (7) дополнительную внешнюю нагрузку через вариацию атмосферного давления (д/^) получим выражение, связывающее изменение порового давления непосредственно в водоносном горизонте с вариациями атмосферного давления:

Если напорный водоносный горизонт вскрыт скважиной, то изменение гидростатического давления в этой скважине и в пласте под действием вариаций атмосферного давления окажется различным. Изменение давления в открытой скважине, согласно закону Паскаля, будет равно величине перепада барометрического давления тогда как в водоносном горизонте изменение гидростатического давления в соответствии с уравнением (10) составит только часть от вариаций атмосферного давления, равную {&Рг ). Возникший в результате градиент давления вызовет фильтрацию жидкости в водоносном горизонте. Следовательно, наличие скважины приводит к неравномерному распределению порового давления в системе "скважина - водоносный горизонт" даже в случае равномерного распределения дополнительной внешней нагрузки.

Время изменения давления в водоносном горизонте много меньше времени релаксации гидростатического давления в системе "скважина - водоносный горизонт". Поэтому величины л и л Рг можно рассматривать как начальные условия при исследовании про-

цесса формирования гидрогеодинамической реакции водоносного горизонта на вариации атмосферного давления. Очевидно, что на достаточно большом удалении от скважины (2—^) величина порового давления в водоносном горизонте в ходе рассматриваемого процесса (водообмена между скважиной и пластом) не изменится, что соответствует граничному условию

а - & = сопзй.

Локальный фильтрационный поток прекратится при достижении однородного распределения давления во всей системе в целом. Это означает, что в водоносном горизонте и в скважине с герметично закрытым устьем окончательное изменение порового давления жидкости под влиянием вариаций атмосферного давления составит

¿Рг-СпР^,

Таким образом, вариации атмосферного давления вызывают прямую реакцию уровня воды в водоносном горизонте и в скважине с герметично закрытым устьем. Изменение гидростатического давления в открытой скважине ( ¿-РгС ) слагается из перепада атмосферного давления ( * А?— ) и изменения столба воды в ней ()

/9= А ¿¿г» (XI)

Для сохранения гидростатического равновесия системы "скважина -водоносный горизонт" необходимо, чтобы было соблюдено условие

/э^+уэ^дАь (12)

С учетом уравнения (10) получим

(13)

Окончательно изменение давления в открытой скважине под влиянием вариаций барометрического давления составит

Так как по Джекобу коэффициенты барометрической и приливной эффективности связаны друг с другом равенством в + С = I, то

£ ~ - В ^Ра™. (15)

Следовательно, колебание уровня воды в открытой скважине связано с вариациями атмосферного давления обратной зависимостью.

ь отличие от атмосферного давления, которое равномерно действует как на кровлю водоносного горизонта, так и на зеркало воды в скважине, влияние океанических и земных приливов, а также тектонических сил распространяется только на водоносные пласты, не оказывая непосредственного воздействия на уровень воды в скважине.

Представив в равенстве (7) дополнительную нагрузку через флуктуацию тектонических сил или вариации земного и океанического прилива, получим выражения, связывающие изменение порового давления с изменением дополнительных внешних нагрузок,представленных этими силами. При анализе результатов гидрогеодинамического режима, вызванного лунно-солнечным притяжением,необходимо учитывать, что при океанических приливах дополнительная нагрузка на водоносные горизонты увеличивается и, как следствие этого, уровень воды в наблюдательной скважине поднимается, а при отливе ход процесса меняется на обратный.

Земные приливы, наоборот, уменьшают весовую нагрузку, что сопровождается падением уровня воды как в пласте, так и в скважине. Твердые отливы, увеличивая нагрузку на водоносный горизонт, приводят к подъему уровня воды.

Рост столба воды при активизации тектонической деятельности, отражает меру изменения нейтрального напряжения, которое позволяет оценить величину дополнительной нагрузки, вызванной эндогенными процессами.

Система "внешние силы (вариации атмосферного давления) -внутренние силы водоносного горизонта" находится в равновесии при условии

д (1Ь)

Очевидно, что изменение давления столба воды в открытой скважине () определяется разностью изменений давлений на зерка-

ле воды в скважине (л/д^м ) и в водоносном горизонте (/л/P-^jJ ■

_ ^ ^ _ (17)

Отсюда равновесие в системе "атмосфера - скважина" соблюдается при условии

^ P0„,ej . ( 18)

Значение функции &Aii:) неизвестно.

Равновесие всей системы в целом: "атмосферное давление -водоносный горизонт - открытая скважина" согласно равенствам (it-1, lb) описывается в виде

Л , л e,tJ ^уЭ^лАи! , (1У)

откуда следует, что

Следовательно, изменение столба воды в открытой скважине, наблюдаемое при изменении атмосферного давления, численно равно величине изменения интергранулярного давления, происходящего в исследуемом водоносном горизонте под влиянием барометрического давления.

Если в этой системе открытую скважину заменить скважиной с герметично закрытым устьем, в которой вариации атмосферного давления на зеркале воды в скважине равны нулю (=0), то колебание уровня воды в ней ( л ) согласно равенству (17) будет равно дополнительному поровому давлению, возникающему в водоносном горизонте под влиянием вариаций атмосферного давления:

Представив правую часть уравнения (1о) соответственно: интергранулярное давление - через изменение столба воды в открытой скважине, а поровое - через изменение уровня воды в закрытой скважине, получим

Уравнение (22) является математическим выражением натурной физической модели, позволяющей производить в полевых условиях исследование распределения напряжений, возникающих в водоносном горизонте под влиянием вариаций атмосферного давления. Разделив правую часть равенства (22) на л , имеем

^ # (23)

' 4 Рс„ л Ра„

По физическому смыслу первое слагаемое правой части уравнения (23) представляет собой константу пропорциональности между изменением уровня воды в открытой скважине и вариациями атмосферного давления, известную как коэффициент барометрической эффективности (В ):

а _ ^ .

& д/2,« -л/Ъ^, * (24>

Вторая часть уравнения характеризует приливную эффективность {С ):

Коэффициенты "<5" и "С" связаны друг с другом:

(26)

Дяекоб один из первых показал, что результаты барометрической эффективности, полученные экспериментально и аналитически из выражения (26), не коррелируются друг с другом. Сумма экспериментально полученных коэффициентов "В " и "С " оказывается больше единицы.

В конечном счете, это несоответствие показывает, что модель Терцаги неадекватно отражает процесс, происходящий в гидрогеосфере под действием региональной внешней нагрузки, так как не учитывает деформационную составляющую порового давления.

Уравнение состояния двухфазной пористой среды под нагрузкой, связывающее компоненты напряжения и вызванные ими деформации, выведено нами из предположения Терцаги о существовании в водона-

сыщенной породе двух видов напряжения: эффективного в скелете породы и нейтрального в поровой жидкости. Но при этом в отличие от модели Терцаги принято условие Марецкого о том, что поровое давление вызывает в скелете породы определенные дополнительные объемные деформации. В общем случае, при приложении внешней нагрузки к водосодержащим породам, деформация разуплотнения (расширения) "скелета" породы, вызванная увеличением порового давления, протекает с другим модулем, по сравнению с объемной деформацией сжатия "скелета" породы, обусловленной этой же нагрузкой. Отношение модуля объемного разуплотнения "скелета" породы ( £/о ) к модулю объемного сжатия скелета породы { fs ), как правило, меньше единицы.

Деформация водосодержащей породы, возникающая под действием дополнительной внешней нагрузки, зависит от изменений интергранулярного и порового давлений , которые сопровождают эту нагрузку. Дополнительное поровое давление ), воздействуя на "скелет" породы изнутри, стремится увеличить объем пор. возникающая от дополнительного порового давления деформация разуплотнения породы { д ) при модуле расширения "скелета" породы, равного ( ), составит:

. (27)

Деформация сжатия "скелета" водосодержащей породы (Е ) от увеличения интергранулярного давления при модуле сжатия "скелета" равном (А ), составит

е (5> 1 „л

С ' (2а>

Полная (относительная) деформация "скелета" породы, вызванная внешней нагрузкой, будет равна:

или (2а)

Представив в уравнении (29) интергранулярное давление согласно равенству (3) через равное ему значение ( л/2 - л ),

получим выражение, связывающее деформацию породы ) с до-

полнительной внешней нагрузкой ( ) и поровым давлением

¿г

с* * • сао)

Заменив выражение -Ф^ через коэффициент " £> ", так что

/-/-■¿г >

ср

(31)

получим

(32)

Подставив в уравнение (32) вместо члена равную ему по

значению величину изменения интергранулярного давления ( д Ри ), получим:

(33)

или

(34)

Полученные равенства (33, 34) являются математическим описанием гидрогеостатической модели распределения напряжения, возникающего в упруто-деформируемой среде под влиянием дополнительной внешней нагрузки. В этом уравнении деформационная составляющая порового давления охарактеризована отношением модулей сжатия и растяжения "скелета" водосодержащей порода ( ).

Уравнения (30, 32, 33) позволяют проанализировать и объяснить ряд механических явлений и процессов, происходящих в водоносных горизонтах под действием региональных внешних нагрузок.

Взаимоотношение деформативных состояний в скелете порода, вызванных внешними нагрузками и изменяющимся под их действием по-

ровым давлением, определяет динамику нейтрального и эффективного напряжений в двухфазной упруго-деформируемой среде.

В недеформируемой среде (безнапорный водоносный горизонт) модуль упругости Ер является бесконечно большим ( — с^3 ). При этих условиях основное уравнение состояния (33) переходит в известное уравнение Герцаги:

(35)

В соответствии с равенством (30) при модуле упругости скелета водосодержащей породы, равном нулю - 0), вся внешняя нагрузка воспринимается поровой жидкостью:

^ Ро (Зо) При равенстве модулей упругости ( = ЕР ) вся дополнительная внешняя нагрузка воспринимается скелетом водосодержащей среды:

л (37)

Уравнение (34), описывающее связь внешней нагрузки с поро-вым давлением в условиях упругого режима, отличается от равенства Терцаги (которое выражает аналогичную связь, но в неупругой жидкой среде) только параметром "ё ".

Согласно выражению (31) при изменении отношений модулей сжатия и растяжения от единицы до нуля значение параметра "& " меняется от нуля до единицы. В природных условиях этим крайним значениям коэффициента "6 " отвечают монолитные породы (/= 0) и водоносные горизонты, представленные породами, состоящими из несцементированных зерен - песок, галечник (ё = 1). В общем значение коэффициента " / " зависит от степени цементации водосодер-жащих пород и характера контакта их с водоупорными пластами.

Коэффициент " в основном уравнении состояния (34) определяет долевое участие нейтрального напряжения в формировании порового давления, поэтому он назван нами коэффициентом гидростатического давления.

Таким образом, все процессы, обусловленные внешней нагрузкой и протекающие в водоносном горизонте, проявляются только через изменение порового давления. Динамика порового давления в ус-

ловнях жесткого режима (безнапорный водоносный горизонт) определяется флуктуацией нейтрального напряжения, вызванного внешней нагрузкой.

Динамику же порового давления в напорном водоносном горизонте определяют изменения двух составляющих: нейтрального напряжения и деформации водоносных пород. Эти положения проверялись экспериментально.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭНСПКРИШгИТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССА ^ЮРМИРОВАНШ ГВДГОШДИНАМИЧЕСКОП) РШИМА ПОД ВЛИЯНИЕМ йАРИАцИИ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНШ. И ЛУННО-СОЛНЬЧНОГО ПРИМЕНЯЯ

Экспериментальные исследования проводились на натурной модели, которая представляет собой физическое устройство, включающее пьезометры с открытым и герметично закрытым устьем, оборудованные прецизионными приборами, которые регистрируют колебания уровня воды, возникающие под действием вариаций различных внешних сил: атмосферного давления, лунно-солнечного притяжения,тектонических и техногенных факторов.

В отличие от традиционной технологии гидрорежимных работ способ синхронного автоматизированного наблюдения с помощью прецизионных приборов за малоамплитудными колебаниями уровня воды в скважине и за вариациями региональных внешних нагрузок, вызывающих эти колебания, назван нами микроуровнеметрией подземных вод. Регистрация уровня воды в открытых пьезометрах осуществлялась прецизионными датчиками давления ГД-2, выполненными на базе мембранного модуля I№1-1000 (конструкции ВНИИ медицинской промышленности) чувствительностью не ниже I мм, точностью I %. Диапазон измерения вариаций уровня относительно фиксированного положения (точки отсчета) составляет 0-1000 мм. Показания датчика давления регистрировались непрерывно на ленте самописца-потенциометра КСГ1-4.

В скважине с герметично закрытым устьем регистрация колебаний уровня воды осуществлялась дифференциальным прецизионным уровнемером (Д11У), работающим в автоматическом режиме с автоном-

ным питанием, изготовленным опытным производством ВНИИ нефтяной промышленности. Атмосферное давление фиксировалось барографом М-22 с погрешностью +3 %,. Уровень вода в поверхностных водоемах регистрировался самописцем ГР-38.

Графики малоамплитудных внутрисуточных колебаний уровня,полученные в процессе микроуровнеметрии подземных вод, содержат интегральную гидрогеодинамическую информацию, обусловленную действием в совокупности с различными внешними региональными факторами: космическим, метеорологическим, тектоническим.

Обработка каждого такого графика сводилась к отысканию и выделению простого гидрогеодинамического сигнала, вызванного только одной какой-либо внешней силой.

Амплитудно-фазовый показатель вариационной кривой уровня воды в совокупности с барограммой служит индикатором для выделения интервала наиболее контрастных изменений, происходящих под влиянием флуктуации атмосферного давления. Внутри выделенного интервала подбирался участок, имеющий одинаковые значения приливных изменений составляющей силы тяжести ).

По графику зависимости изменения уровня воды от вариаций атмосферного давления, который строился по точкам, снятым в пределах выделенного участка кривой, находят коэффициент барометрической эффективности (.3 ). Показатель инерционности системы "скважина - водоносный горизонт" {Т) определялся по временному сдвигу экстремальных значений уровня по отношению к экстремуму атмосферного давления. Время запаздывания реакции уровня воды на вариации атмосферного давления указывает на величину инерционности системы.

Далее, используя выражение

г, - -/2^/ (за>

в качестве алгоритма компенсации колебания уровня на вариации барометрического давления, аналитически снимаем влияние атмосферного дрейфа (/9-, м) на уровень воды в наблюдательной скважине ( ^л-с; ). Уровень воды ( Мп/>м ) приводится к фиксированному атмосферному давлению ( ), снятому в начале эксперимента. График, отражающий вариации компенсационных колебаний уровня за

счет барического поля, является также простым гидрогеодинамическим сигналом, вызванным перепадом атмосферного давления.

Аналогичным образом обрабатывался фактический материал,полученный в скважине с герметично закрытым устьем. Но в этом случае по графику зависимости изменения уровня воды в закрытой скважине от вариаций атмосферного давления определялся коэффициент приливной эффективности (С ).

Доследующая стадия обработки кривой уровня заключалась в выделении цикличных периодичностей, вызванных приливными изменениями составляющей силы тяжести, и в учете их влияния на режим подземных вод.

В целом разделение интегрального гидрогеодинамического сигнала на серию простых сигналов сводилось к решению обратной задачи. По результатам наблюдений аа уровнем подземных вод и за внешними факторами, формирующими его, определялись соответствующие коэффициенты пропорциональности между внешним фактором и колебанием уровня воды. Затем с использованием алгоритма компенсации производилась коррекция общего сигнала путем учета влияния всех внешних сил, выступающих в роли режимообразующих факторов. Постадийный процесс обработки результатов микроуровнеметрии использовался для выделения простых сигналов барической^приливной и тектонической природы. Простые гидрогеодинамические сигналы (главным образом барической и приливной природы) использовались для изучения распределения напряжения, возникающего под действием атмосферного давления и лунно-солнечного притяжения в системе "напорный или безнапорный водоносный горизонт - открытый пьезометр - закрытый пьезометр".

Временной интервал наблюдений при контрастных перепадах атмосферного давления составлял первые часы (3-8 ч), а при монотонном изменении - несколько суток.

Вариации уровня воды, возникающие под влиянием перепада атмосферного давления в закрытом пьезометре, использовались для выяснения связи порового давления с региональной внешней нагрузкой. Экспериментальные точки, отражающие колебания уровня воды в закрытом пьезометре в зависимости от изменения атмосферного давления , укладаваются в соответствии с теоретическими предпосылками (уравнение 10 ) на прямую линию.

Установлено, что изменение порового давления в водоносном горизонте находится в фазе с вариациями атмосферного давления и зависит от величины его перепада. Напряжение в напорном водоносном горизонте изменяется на величину изменения региональной внешней ситы, например, на величину изменения атмосферного давления. Это р-хрносильно признанию, что региональные внешние нагрузки распределяются в пределах гидрогеосферы без ощутимых потерь. Константой пропорциональности между изменением атмосферного и порового давления является коэффициент приливной эффективности (С ).

Обработка информации, полученной в процессе микроуровнемет-рии вода в открытом пьезометре, показала, что экспериментальные точки, характеризующие изменение интергранулярного давления или эффективного напряжения в водоносном горизонте от перепада атмосферного давления (уравнение 15) укладываются в соответствии с теорией на прямую линию.

Результаты расчетных и экспериментальных значений изменения порового давления (нейтрального напряжения) и интергранулярного давления (эффективного напряжения) от региональной внешней нагрузки, представленной вариациями атмосферного давления, хорошо согласуются друг с другом (табл.1).

Таблица I

Значение коэффи- Значение>интерграну-

циентов лярного и порового

прилив- баромет--..

ной эф- рической расчет- экспери-

фектив- эффек- . ное ментальное ности тивности

СС) (В) *Рг ьР»

Закарпатье

241 I 0,75 0,63 0,75 0,63 0,75 0,63

2-Т 2,5 0,6 0,6 1,5 1,5 1,7 1,4

Грузия

Зугдиди 1,4 0,8 0,55 1,12 0,77 1,2 0,8

Ахал кал аки 1,2 0,64 0,8 0,77 0,96 0,77 0,96

Аспиндзе 2,0 0,75 0,64 1,5 1,28 1,6 1,3

Номер и место- На-положение сква- груз-жины ка,

гПа

Сопоставление экспериментальных и расчетных данных, судной стороны, подтвердило основную закономерность связи порового и интергранулярного давлений с внешней нагрузкой, установленную аналитически, а с другой - выявило некоторое несоответствие между опытными и расчетными результатами. Сумма порового и интергранулярного давлений, полученных экспериментально, не соответствует расчетным результатам, вытекающим из уравнения Терцаги (табл.1,2).

После преобразования уравнения Терцаги путем введения в него коэффициента гидростатического давления " (уравнения 31,34), учитывающего в неявной форме влияние деформации водоносного горизонта на поровое давление, была достигнута полная сходимость мевду расчетными и экспериментальными данными. Сумма дополнительных напряжений, возникающих в напорном водоносном горизонте с учетом деформационной составляющей порового давления оказывается равной величине внешней нагрузки, вызывающей эти напряжения (см. табл.2).

Таблица 2

Номер и место- Эксперименталь- Значение Факти-положение ное значение..-Д"- парамет- ческая

скважины

порового давления

интев- Р® гид" допол" ростати- нитель-

лтно! ческого нал ™ давления нагрузка» ¿-З-« гПа

го давления^

Расчет- Расчетное на- ное на-пряже- пряжение ние по по урав-Терцаги нению &5-öP, состояли« ния ■äff".

гЛъ

Закарпатье

241 0,75 0,63 0,49 1,0 1,38 1,0

2-Т 1.7 М 0,67 2,5 3,1 2,54

Грузия

Зугдиди 1,2 0,8 0,56 1,4 2,0 1,47

Ахалкалаки е,77 0,96 0,31 1,20 1,73 1,2

Аспиндзе 1,5 1,2а 0,48 2,0 2,78 2,0

Таким образом, дисбаланс, возникающий между экспериментальными и расчетными данными в процессе изучения распределения напряжения, возникающего в гидросфере под влиянием дополнительных

региональных внешних нагрузок, обусловлен деформацией водоносного горизонта, которая не учитывается уравнением Терцаги. В результате опытов, выполненных на натурных моделях, установлено, что в системе "атмосфера - безнапорный водоносный горизонт - открытый пьезометр - закрытый пьезометр" уровень воды в открытой скважине не реагирует на вариации атмосферного давления, а изменение столба воды в скважине с герметично закрытым устьем численно равно величине внешней нагрузки. Это значит, что всю внешнюю нагрузку принимает на себя жидкость, и изменение давления воздуха в закрытом пьезометре не оказывает ощутимого влияния на результаты прецизионных измерений уровня воды в нем.

Экспериментально установлено, что приливные колебания уровня подземных вод находятся в прямой зависимости от приливных изменений составляющей силы тяжести. В районах океанического побережья гармонические колебания грунтовых вод, обусловленные действием жидкого прилива, находятся в противофазе с аналогичными колебаниями уровня напорных вод, природа которых связана с зем-ноприливными процессами.

Фактический материал, накопленный в процессе экспериментов, убедительно подтвердил теоретический вывод о том, что внутрису-точные колебания уровня подземных вод являются результатом главным образом изменения нейтрального напряжения в водоносном горизонте под действием дополнительной весовой нагрузки, вызванной вариациями барической и космической природы.

4. ПРИРОДА, МЕХАНИЗМ И ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ уЮРМИРОВАНШ ГВДРОГШДИНАМИЧВСКОГО РЕЖИМА ПОД В03ДЕ4СТВЙЕМ РЕГИОНАЛЬНЫХ ВНЕШНИХ НАГРУЗОК

Изучение закономерностей формирования гидрогеодинамического режима с позиции гидрогеостатики сводилось к исследованию в природных условиях кинематического механизма перераспределения дополнительного напряжения, возникающего в водоносном горизонте под воздействием вариаций атмосферного давления и лунно-солнечного притяжения.

Эксперименты, выполненные в безнапорном водоносном горизонте показали, что когда зона аэрации не препятствует полной передаче вариаций атмосферного давления на зеркало грунтовых вод, уровень воды в скважине не реагирует на изменения барического поля. Это происходит потому, что атмосферное давление оказывает одинаковое воздействие на поверхность воды в пласте и в открытой скважине. Если в этой системе открытую скважину заменить пьезометром с герметично закрытым устьем, то изменение уровня воды в ней под влиянием вариаций атмосферного давления будет равно величине этих вариаций. 13 этом случае перепады атмосферного давления действуют только на свободную поверхность зеркала грунтовых вод, не распространяясь на уровень воды в закрытом пьезометре. Возникшая разность давлений в системе "безнапорный водоносный горизонт - закрытая скважина" вызывает фильтрацию жидкости, которая стремится восстановить нарушенное гидростатическое равновесие в системе за счет изменения столба воды в скважине на величину изменения порового давления в пласте, равную величине перепада атмосферного давления.

В зимний период, когда зона аэрации промерзает, создаются условия, препятствующие полной передаче вариаций атмосферного давления на зеркало грунтовых вод. Процесс перераспределения атмосферного давления в этом случае происходит так же, как в напорном водоносном горизонте. Изменение атмосферного давления на границе "атмосфера - литосфера" передается на глубину.

Дополнительные нагрузки, возникающие на кровле любого водоносного горизонта под влиянием вариаций атмосферного давления, одновременно воспринимаются жидкостью и "скелетом" водовмещающей породы (уравнение 9).

В открытом пьезометре изменение атмосферного давления полностью воспринимается жидкостью. Гидростатическое давление в этой скважине изменяется на величину изменения атмосферного давления, вменение же гидростатического давления непосредственно в напорном водоносном горизонте под влиянием вариаций атмосферного давления оказывается меньше, чем в скважине, на величину давления, которое принимает на себя "скелет" водовмещающих пород. В результате часть дополнительного внешнего давления, приложенного к

уровню воды в открытой скважине, гидравлически связанной с водоносным горизонтом, оказывается нескомпенсированным. Перераспределение гидростатического давления в системе "напорный водоносный горизонт - открытая скважина" сопровождается изменением высоты столба воды в скважине таким образом, чтобы гидростатическое давление этого столба уравновешивалось новым пороЕым давлением в водоносном горизонте.

Поскольку изменение порового давления в водоносном горизонте при увеличении атмосферного давления оказывается меньше, чем изменение давления столба воды в скважине, уровень воды в скважине понижается. При уменьшении атмосферного давления в системе "водоносный горизонт - открытая скважина" процесс перераспределения гидростатического давления в пласте и скважине меняется на обратный - поровое давление в пласте оказывается больше, чем в скважине, и уровень воды в ней повшается на величину, которая позволяет поддерживать систему в равновесном состоянии.

Реакция уровня воды, возникающая в скважине с герметично закрытым устьем под действием вариаций атмосферного давления, отражает процесс релаксации порового давления, происходящий непосредственно в пласте. Увеличение атмосферного давления сопровождается подъемом уровня воды в закрытой скважине, а его уменьшение - падением столба воды.

Возмущение барического шля действует одновременно на весь водоносный горизонт независимо от того, вскрыт он скважинами или нет. Реакция уровня воды в слабоинерционных скважинах на перепады атмосферного давления проявляется одновременно на большой территории, ко с различной амплитудой (Туркменский полигон). Амплитуда колебания уровня воды в скважине зависит от величины перепада атмосферного давления и геолого-гидрогеологических условий в пункте наблюдения.

Периодический внутрисуточный гидрогеодинамический режим является отражением реакции жидкой фазы водоносного горизонта на приливные колебания земной коры и океана. Непосредственно в точке наблюдения приливные изменения уровня подземных вод сильно видоизменяются под влиянием местных факторов: геологического строения, геоморфологии и физических свойств подземных вод. По-

этому при анализе приливных колебаний подземных вод необходимо учитывать как региональные (приливообразующие силы), так и локальные особенности геолого-гидрогеологических условий.

Нормирование периодического гидрогеодинамического сигнала в региональном плане связано с вариациями внешних нагрузок на гидрогеосферу, обусловленных земными и океаническими приливами. Направления перемещений земных и океанических волн совпадают: земной прилив сопровождается на побережье жидким приливом, и наоборот, твердый отлив происходит одновременно с отливом океанической волны. На этом сходство приливного механизма в литосфере и гидросфере прекращается. Направление перемещения нагрузочного влияния твердого прилива противоположно направлению нагрузки от океанического прилива. Твердый прилив находится в проти-вофазе к силам нагрузочного потенциала, тогда как океаническая приливная волна действует синфазно с этими силами. Земной прилив сопровождается разгрузкой земной коры, а отлив, напротив, её нагрузкой. Океанический прилив, находящийся в фазе с силами нагрузочного потенциала, оказывает нагрузку на литосферу, а отлив сопровождается её разгрузкой. Следовательно, нагрузка от океанической приливной волны на водоносные горизонты находится в про-тивофазе к земноприливному потенциалу. Поэтому реакция подземных вод на земные приливы также оказывается противофазной к их реакции на океанические приливы. Твердый прилив приводит к снижению уровня воды в водоносном горизонте и в наблюдательной скважине, а океанический, напротив, вызывает его подъем.

Так как прямые измерения земного прилива сопряжены с огромными техническими трудностями, то для экспериментального подтверждения рассматриваемой зависимости вместо земного прилива использовалась составляющая сила тяжести - . Изменение составляющей силы тяжести связано обратной зависимостью с земными приливами: увеличение "ускорения свободного падения за счет лунно-солнечного притяжения соответствует земному отливу, и наоборот, уменьшение составляющей силы тяжести отражает земной прилив. Поэтому колебания уровня подземных вод, вызванные твердыми приливами, находятся в фазе с изменением составляющей силы тяжести.

Результирующая сила лунно-солнечного потенциала, действующая на водоносный горизонт, определяется соотношением между давлением на водоносный горизонт жидкого прилива и вертикальной составляющей смещения поверхности Земли от твердого прилива. Реакция водоносного горизонта определяется природой этой результирующей силы. На континенте, где преобладающая нагрузка, воздействующая на водоносные горизонты, формируется под влиянием земных приливов, гидрогеодинамичёская реакция подземных вод определяется динамикой твердого прилива. В зоне океанического побережья, где результирующая нагрузка определяется жидким приливом, приливные колебания уровня подземных вод будут полностью зависеть от режима океанического прилива.

Среди короткопериодических колебаний уровня подземных вод максимальные зарегистрированные приливные изменения уровня, обусловленные вариациями твердого прилива, составляют 15 см (Грузия,Боржоми).

Приливные колебания подземных вод являютсл показателем изменения напряженного состояния, вызванного земными приливами в гидрогеосфере. Наибольшая зафиксированная скорость изменения напряженного поля в гидрогеосфере под действием земного прилива составляет 3,5«10"^ гЛа/с. Реакция подземных вод в различных скважинах на земные приливы проявляется одновременно на огромной площади. При этом взаимосвязь между лунно-солнечным потенциалом, земными приливами, приливными изменениями составляющей силы тяжести и гармоничными колебаниями уровня подземных вод проявляется следующим образом:

- наибольший лунно-солнечный потенциал - уменьшение силы тяжести - земной прилив - минимальное положение уровня воды в скважине и в пласте;

- наименьший лунно-солнечный потенциал - увеличение силы тяжести - земной отлив - максимальное положение уровня воды в водоносном горизонте и в скважине.

Реакция подземных вод, приуроченных к водоносным горизонтам, расположенным на различных глубинах, проявляется синхронно с приливными изменениями составляющей силы тяжести (Опытный полигон "Петушки", Владимирская область). Степень влияния жидкого прили-

ва на подземные воды определяется высотой его волны и "глубиной залегания водоносного горизонта. С глубиной действие океанической волны затухает. Приливные эффекты в грунтовых водах на морском побережье находятся точно в фазе с океаническими приливами, в то время как приливные вариации в напорных водах в том же районе являются противофазными по отношению к жидким приливам и находятся в фазе с твердыми приливами (Опытный полигон Кобулети Грузия).

С рассмотренных позиций становится объяснимой природа про-тивофазности приливных эффектов в напорных и грунтовых водах, наблюдаемых на океаническом побережье. Амплитуда приливных колебаний определяется результирующей нагрузкой, вызванной лунно-солнечным потенциалом, а также геолого-гидрогеологическими условиями в пункте наблюдения.

Анализ экспериментального материала, полученного по территории б. Советского Союза показывает, что наиболее распространенным типом приливных колебаний уровня подземных вод является полусуточный. Такой режим подземных вод характерен для районов Грузии и республик Средней Азии, для Беларуси и Московской области. При фазовой синхронности колебания уровня воды под действием твердого прилива амплитуда их варьирует для одного и того же' района в широком диапазоне - от 1,5 до 15 см. Это объясняется ~ особенностями местных факторов в пункте наблюдения. В скважинах, расположенных в ущельях или глубоко эродированных долинах, наблюдается наибольшая амплитуда приливных колебаний уровня (Боржоми и ^ирюзинское ущелье.

Доминирующий механизм, управляющий формированием гидрогео-динамического режима под влиянием региональных внешних сил, гидравлический и связано поддержании равновесного состояния в системе: скважина - водоносный горизонт путем создания однородного распределения гидростатического давления во всей системе. Регулирование давления осуществляется соответственно с законом Паскаля и сопровождается натеканием воды в скважину или оттеканием её из скважины.

В роли "поршней" системы выступают, с одной стороны, кровля водоносного горизонта, включающая всю вышележащую толщу пород

с дополнительной внешней нагрузкой, а с другой, - столб воды исследуемой скважины., в зависимости от условий приложения дополнительной нагрузки включающий или не включающий дополнительную нагрузку. Дополнительные напряжения, возникающие под действием региональных внешних нагрузок, распределяются в поровой жидкости и "сколете" водосодержащих пород пропорционально их модулю упругости:

(ЗУ,

Изменение порового давления ( &РГ ) в водоносном горизонте под действием вариаций внешних региональных нагрузок оказывается больше изменения интергранулярного давления (^ Рн ) во столько раз, во сколько модуль упругости воды { ) больше модуля упругости "скелета" горных пород (Л- ).

а. ОСНОВНЫЕ ТРЬЕОйАНИЛ. ИРИ ЙЗУЧЫШ ГИДР0ГШДЛШАЙЧЬ£К0Г,0 РИМА, «ОШИРУЮЩШСЯ ШД ВЛШНИЕМ РЕГИОНАЛЬНЫХ ВНШНЖ НАГРУЗОК

Изучение малоамплитудных кратковременных колебаний уровня, формирующихся под влиянием региональных внешних нагрузок, потребовало разработки новых технологических приемов и принципов организации гидрогеологических наблюдений, включающих выбор пункта наблюдения, обследование технического состояния наблюдательного пункта, оценку его инерционности, информативности, а также напорности водоносного горизонта.

Скважины, выбранные под ткроуровнеметрию,должны иметь хорошую гидравлическую связь с водоносным горизонтом, то есть обладать невысокой степенью инерционности, вскрывать подземные воды, режим которых не нарушен техногенными факторами и обладает необходимой инфор .наивностью.

В качестве наблюдательного пункта необходимо использовать безынерционную или слабоинерционную скважину ( I ч) с напорным типом подземных вод, которые значительно меньше подвержены влиянию природных и техногенных помех.

О напорности водоносного горизонта судят по значению коэффициента барометрической эффективности ( В ). Ьсли значение этого коэффициента приближается к нулю, то водоносный горизонт относится к безнапорному, а при значении его больше нуля {Б ?о) -к напорному (авт. свид. Бюл. № 17, 19Ьо г.). Информативность выбранной скважины оценивают по реакции уровня вода на вариации земных приливов. Объект наблюдения признается информативным, если существует синхронная и синфазная реакция уровня на приливные изменения составляющей силы тяжести ( ) (Авт. свад. Бюл. »Г» 14, 1987 г.).

Прецизионные приборы производят регистрацию уровня воды в скважине в незначительном диапазоне его изменения и только относительно определенного фиксированного положения. Поэтому перед установкой регистрирующей аппаратуры необходимо произвести анализ данных стационарно-режимных наблюдений или предварительное опробование для выяснения глубины значения уровня воды в скважине и определения амплитуды его колебания. Приборы, предназначенные для прецизионного измерения-уровня воды, должны обладать высокой чувствительностью и точностью, низкой инерционностью, автоматизированной регистрацией показаний, стабильностью к внешним помехам (температуре воздуха, атмосферному давлению). Датчики ПДУ и ГД-2, которые использовались для микроуровнеметрии подземных вод, удовлетворяли этим требованиям.

Ь процессе автоматизированной непрерывной или дискретной регистрации уровня необходимо осуществлять контроль за прохождением диаграммной ленты, делать на ней записи московского времени по сигналам точного времени, следить за ходом кривой изменения уровня воды.

Регистрация периодических колебаний уровня воды под влиянием лунно-солнечного притяжения позволяет контролировать качество работы измерительной аппаратуры, так как приливные колебания уровня воды в этом случае играют роль природного эталонного сигнала.

Методика обработки данных прецизионных измерений включает выделение полезного сигнала на фоне помех. Ь зависимости от природы простого сигнала, принятого в качестве полезного, все остальные служат помехой.

Постадийный аналитический способ обработки результатов микроуровнеметрии обеспечивает выделение простых гидрогеодинамических сигналов приливной, барической и эндогенной природы.

ь. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ^РМИРОВАНИа НАПРЯЖЕННОГО СОСШШ! МССМА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ НАРУШЕНИИ БАЛАНСА ВНЕШНИХ И ВНУТРЕННИХ СИЛ

Разнообразная хозяйственная деятельность сопровождается изменением как внешних нагрузок (создание крупных водохранилищ, сооружение больших котлованов и объектов гражданского и промышленного строительства), так и изменением внутренних сил (разработка жидких и газовых месторождений, закачка различных растворов в земную кору).

Под влиянием техногенных факторов сложившееся равновесие между внешними и внутренними силами нарушается, что приводит к перестройке напряженного состояния в массиве г.орных пород.

Создание крупных водохранилищ является частным случаем увеличения общего напряжения в гидрогеосфере, которое происходит за счет роста поверхностных внешних сил (Н ), численно равных давлению столба воды в водохранилище. Дополнительное напряжение, возникающее в любом водоносном горизонте гидрогеосферы от весовой нагрузки водохранилища, уравновешивается реакцией "скелета" водосодержащей породы и жидкостью, что сопровождается ростом интергранулярного и порового давления. Изменение порового давления происходит пропорционально внешней нагрузке ) и про-

является через повышение столба воды в скважине. Другая часть весовой нагрузки от водохранилища, действующая на "скелет" породы, вызывает увеличение эффективного напряжения, которое в явной форме не проявляется и поэтому не может быть измерено непосредственно в скважине.

Гидрогеодинамический режим, возникающий в результате нарушения баланса внешних и внутренних сил, является чутким индикатором изменения напряженного состояния массива горных пород в зоне создания и эксплуатации крупных водохранилищ. Систематические наблюдения за динамикой изменения пьезометрического напора

позволяют осуществлять постоянный контроль за изменением напряжений в районе водохранилища.

Уменьшение нейтрального напряжения, сопровождающее разработку месторождения жидких полезных ископаемых, приводит к изменению общего эффективного напряжения в кровле разрабатываемого горизонта. Из равенства (2) при ( с) следует, что уменьшение порового давления ( л А- ) сопровождается увеличением на такую же величину интергранулярного давления (, ^ в, ) или эффективного напряжения (. л ):

Приращение эффективного напряжения численно равно величине сра-ботки первоначального гидростатического давления.

Общее эффективное напряжение I бэ* ) в разрабатываемом продуктивном горизонте будет складываться из первоначального напряжения (б*э ) и приращения его на данный момент за счет сра-ботки нейтрального напряжения:

Эффективное напряжение в кровле эксплуатируемого водоносного или нефтяного горизонта в условиях постоянной внешней нагрузки будет непрерывно расти за счет уменьшения порового давления.

Одновременно под влиянием отбора жидкости из продуктивного горизонта первоначальная весовая нагрузка в нем уменьшается на величину веса извлеченной из него жидкости, что,согласно уравнению Ы), должно сопровождаться уменьшением гидростатического давления и эффективного напряжения в водоносных горизонтах, расположенных ниже эксплуатационных, ¿то явление обусловлено эффектом псевдосвязи, так как уменьшение гидростатического давления в этом случае не вызвано перетоком жидкости в вышележащие водоносные горизонты.

Увеличение порового давления водонасыщенной среды, сопровождающее закачку жидкости, приводит к уменьшению эффективного напряжения в кровле инъецируемого горизонта. Одновременно инъекция жидкости является источником дополнительной нагрузки для пластов, расположенных ниже инъецируемого горизонта.

Рост порового давления, приводящий к уменьшению эффективного напряжения (уравнение 40), выполняет роль амортизатора накопленных напряжений. Вероятно, аналогичный механизм срабатывает при нагнетании воды в продуктивный пласт через опережающие скважины для предотвращения горных ударов при разработке угольных месторождений.

Дополнительная нагрузка, возникающая от подземного водохранилища, сопровождается ростом нейтрального и эффективного напряжения в нижерасположенных водоносных горизонтах. Увеличение пьезометрического напора в хорошо экранированных нижележащих водоносных горизонтах не связано с инфильтрацией закачиваемой жидкости, а вызвано исключительно энергопереносом (перераспределением дополнительного напряжения, обусловленного дополнительной весовой нагрузкой).

7. МЕХАНИЗМ ВкЗВА№Ш ЗЕШЕТРЛСЕНЙЛ И ОСНОВНЫЕ ШЛ ГВДРОШ)ДША1ЛЙЧЬСШГО МЕТОДА ПРОГНОЗ ГШДИНА^Й-ЧЬСкЖ 11РицЬХ0В

и! последние десятилетия при заполнении и эксплуатации крупных водохранилищ произошел ряд сильных землетрясений в различных районах земного шара (Кариба в Африке, Койна в Лндии, Кремаста в Греции).

В настоящее время получило широкое распространение представление, связывающее механизм возбужденных землетрясений с увеличением порового давления-. Эта гипотеза была выработана при анализе возбужденных землетрясений, вызванных закачкой жидкости в глубокие поглощающие скважины в районе Денвера и Рейнджли в СшА (Д.Эванс, 19ьо; я.Цресс, 197Ь).

Однако эта концепция не раскрывает полностью механизма возбужденных землетрясений, так как поровое давление или его изменение не может служить непосредственной причиной разрушения материала пористой среды, а оказывает только вспомогательное влияние на этот процесс (уменьшение силы трения по зоне разрывных нарушений, силовое воздействие на массив горных пород).

Гравитационный эффект, обусловленный нагрузкой водных масс водохранилища, по мнению некоторых исследователей (Ротэ, 1970),

также не является основной причиной возбужденных землетрясений, так как величина нормальных напряжений, вызванных водохранилищем, должна интенсивно уменьшаться с глубиной. Кроме того, эта гипотеза не приемлема для объяснения возбужденных землетрясений, вызванных разработкой жидких или газообразных полезных ископаемых.

Отсутствие модели, адекватно отражающей механизм возбужденных землетрясений, не только затрудняет их исследование, но делает невозможным выбор правильного пути прогноза этого явления.

На основе разработанной гидрогеомеханической модели распределения напряжений в пределах верхней части гидрогеосферы развивается положение о том, что главную роль в механизме явления иг-гает изменение эффективных напряжений, возникающих в массиве горных пород под влиянием различных техногенных факторов.

Увеличение эффективного напряжения приводит к изменению механических свойств пород и накоплению упругой энергии, высвобождение которой приводит к землетрясению. Рост нейтрального напряжения снижает действующие вдоль поверхности тектонического нарушения силы трения, создавая эффект жидкой смазки. Дополнительные внешние нагрузки в зависимости от их величины могут служить самостоятельным источником накопления упругих напряжений, превыдающих критически допустимые напряжения для данного района, или создавать дополнительные напряжения, которые накладываются на естественно существующие в массиве горных пород. б первом случае поверхностные внешние силы являются непосредственной причиной возбужденных землетрясений, во втором они служат спусковым механизмом накопленной естественной упругой энергии, вызывая локальную сейсмичность.

Естественные внешние факторы (океанические и земные приливы, мощные паводки,-резкие перепады атмосферного давления), создающие незначительные дополнительные напряжения, при благоприятных тектонофизических условиях также могут служить причиной возбуждения ранее накопленной упругой энергии, провоцируя землетрясение.

При эксплуатации жидких и газовых месторождений равновесное состояние внешних и внутренних сил, установившееся в геоло-

гическом масштабе времени, нарушается. Уменьшение порового давления при сохранении постоянной внешней нагрузки приводит к увеличению эффективного напряжения.

При значительных реологических свойствах водоупорной толщи в ней накапливается энергия,трансформирующаяся в пластическую деформацию пород, которая в определенный момент может вызвать ползучесть пород, приводящую к нарушению сплошности геологических пластов и локальному землетрясению. Если реологические свойства покровных толщ незначительны, то пластическая деформация их сопровождается просадкой земной поверхности в районе разрабатываемого месторождения.

В £ех случаях, когда разработка продуктивного горизонта не вызывает процессов консолидации и ползучести водоупорных покровных пластичных пород, рост эффективных напряжений приводит к концентрации упругих напряжений в продуктивных породах. Непрерывный рост эффективного напряжения может привести к тому, что внутренние силы сопротивления продуктивных пород будут исчерпаны.

Возвращаясь к событиям в Ташкенте (2е> апреля 196Ь г.),прежде всего отметим, что возникновение очага сильного землетрясения непосредственно под городом - в целом явление неожиданное и необычное.Необычайность этого землетрясения, которое не может быть объяснено строго и однозначно лишь тектоническими причинами, заключается, во-первых, в формировании предельно-напряженного состояния, охватившего узколокализованную зону горного массива,а во-вторых, в незначительных размерах и специфической конфигурации его очага. Эпицентр имеет форму двухосного эллипсоида и расположен под центральной частью Ташкента.

На территории города существует водозабор термоминеральных вод сеноманского водоносного горизонта, эксплуатируемый с г. К апрелю 1УоЬ г. в Ташкенте работало девять эксплуатационных скважин, сосредоточенных в центральной и северо-восточной частях города.

Величина снятого гидростатического давления в центральной части города накануне землетрясения составила 1,5 Ша (150 м водяного столба). Полученные данные по сработке гидростатического

давления сеноманского водоносного горизонта (разница между первоначальным ненарушенным эксплуатацией пьезометрическим напором и напором, сформировавшимся по состоянию на 4 апреля 1966 г.) были использованы для построения схематической карты прироста эффективного напряжения в эпицентре Ташкентского землетрясения.

При сопоставлении карты дополнительных напряжений с картой изосейст Ташкентского землетрясения установлена четкая корреляция границ балльности землетрясения с контурами участков различных по величине.дополнительных эффективных напряжений. Первая зона - зона сильных разрушений, где сида землетрясения составила более У баллов, приурочена к участку наибольших эффективных напряжений (1,6 Ша). Вторая зона - зона 7-8-балльного землетрясения, опоясывающая первую зону, укладывается в пределах площади, где напряжения достигли 1,25 Ша. Последующие зоны: третья, четвертая, пятая приурочены соответственно к участкам с дополнительным напряжением: 0,75; 0,5; 0,25 Ша.

Хорошая корреляция границ балльности Ташкентского землетрясения с контурами прироста эффективного напряжения, вызванного эксплуатацией сеноманского водоносного горизонта, является убедительным доказательством в пользу связи сейсмического толчка с разработкой термоминеральных подземных вод.

Создавшиеся накануне Ташкентского землетрясения дополнительные эффективные напряжения (1,5 Ш1а) вызвали предельно неустойчивое состояние в массиве горных пород, расположенных выше эксплуатационного горизонта. Одновременно, под влиянием отбора жидкости из продуктивного горизонта, первоначальная весовая нагрузка его на нижерасположенные породы уменьшилась на величину извлеченной из недр жидкости, что сопровождалось уменьшением в них по-рового давления и эффективного напряжения. Глубина, на которую распространяется влияние разработки,сопоставима с линейными размерами депрессионной воронки, которая достигла к моменту землетрясения нескольких десятков километров. Перераспределение напряжения за счет изменения весовой нагрузки при "благоприятной" геолого-тектонической обстановке (блоковое строение, чередование водоносных пород и водонепроницаемых слабо консолидированных глин) послужило основной причиной возбуждения толчка, который,

снижая прочность пород надпродуктивной толщи, привел в районе разработки месторождения минеральных вод к сильному локальному землетрясению.

Ташкентское землетрясение, возникшее, вероятно, в результате перемещения блока по ранее существовавшему разлому северозападного простирания, было усилено за счет снятия упруго-пластической деформации покровных туронских глин.

Потеря прочности блока осадочных пород, расположенных выше эксплуатационного горизонта, могла возникнуть также за счет небольшого по силе регионального землетрясения тектонической природы, которое, в свою очередь, могло быть спровоцировано уменьшением весовой нагрузки за счет отбора воды. Кроме того, землетрясение 26 апреля 1Уоо г. совпало с периодом максимальных значений амплитуд суточных вариаций приливных изменений составляющей силы тяжести. Оба эти фактора в совокупности могли спровоцировать толчок небольшой силы и послужить причиной снятия дополнительных эффективных напряжений, вызвавших катастрофическое землетрясение.

После землетрясения темп сработки пьезометрического напора по некоторым эксплуатационным скважинам (№ в,10) резко уменьшился, а в скважинах № 3,0,9 .расположенных в эпицентральной зоне , вместо сработки уровня наблюдался рост пьезометрического напора величиной от 1,5 до 9,5 м. Уменьшение дополнительного эффективного напряжения в результате землетрясения (консолидация пород) в условиях постоянной внешней нагрузки привело к росту порового давления.

Эта же принципиальная схема взаимодействия эффективных и нейтральных напряжений действует при нагнетании жидкости в продуктивный пласт. Рост порового давления продуктивного пласта, сопровождающий закачку жидкости, приводит к уменьшению эффективного напряжения, что в принципе не должно вызывать сейсмических явлений.

Однако исследованиями (Д.Эванс, 1966; Хили, 1970) была установлена связь между закачкой сточных вод в поглощающую скважину и сейсмической активностью района вокруг этой скважины. Первое, на что было обращено наше внимание при анализе возбужденных

Денверских землетрясений, вызванных закачкой жидкости в пласт,-это концентрация гипоцентров толчков вдоль плоскости, которая расположена под скважиной на глубинах 4,о-Ь,Ь км, а не в инъецируемом водоносном горизонте, залегающем рьгле. Наибольший рост порового давления происходит в интеррале нагнетания жидкости. 6 соответствии с гидростатической гипотезой Д.Аванса на природу возбужденных землетрясений гипоцентры толчков должны быть сосредоточены в интервале нагнетания жидкости, а не выше и не ниже его.

Инъекция жидкости в глубокие водоносные горизонты является частным случаем повышения весовой нагрузки, которая сопровождается ростом общих напряжения толщи пород, расположенных ниже поглощающего горизонта. Рост общих напряжений в этой толще является основной причиной сейсмической активности района, в пределах которого осуществляется захоронение промстоков. С позиции гидрогео-механической модели находит объяснение расположение гипоцентров Денверских возбужденных землетрясений на глубинах, значительно превышающих глубину залегания инъецируемого горизонта.

Анализ природы возбужденных (вызванных.разнообразной инженерной деятельностью) землетрясений, выполненный с помощью'гидро-геомеханической модели, позволил установить, что этим процессом управляет единый механизм, основным рычагом которого является непрерывный рост эффективного напряжений.

Проблема взаимодействия порового давления и напряженного состояния горного массива накануне сильного землетрясения является объектом интенсивного исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Объектом изучения являлся гидрогеодинамический режим, формирующийся в результате изменения напряженного состояния гидрогеосферы под действием региональной внешней нагрузки метеорологической (атмосферное давление)и космической (лунно-солнечное притяжение) природы.

Аналитические уравнения, связывающие изменение порового давления и эффективного напряжения с дополнительной внешней нагрузкой, а также уравнение состояния двухфазной, упруго-деформируе-

мой среды, находящейся под действием региональной внешней нагрузки, выведены исходя из основных принципов гидрогеомеханической модели распределения напряжений по кровле любого водоносного горизонта, с учетом сохранения в водонапорной системе изотермических условий.

Из анализа уравнения состояния следует, что всякое изменение поля региональных внешних сил сопровождается в пределах любого водоносного горизонта изменениями эффективного и нейтрального напряжений, численно равных величине этих сил.

Результаты экспериментов, выполненных на натурных моделях, показали, что процесс распределения напряжений в напорных водоносных горизонтах протекает строго в соответствии с основным уравнением состояния.

Дисбаланс, возникающий между результатами экспериментов и расчетными данными, следующими из равенства Терцаги, обусловлен деформационной составляющей дарового давления, которая не учитывается этим уравнением.

Экспериментально доказано (по сохранению баланса внешних и внутренних сил в системе), что передача региональной внешней нагрузки в любом водоносном горизонте гидрогеосферы осуществляется без ощутимых потерь. Это равносильно доказательству положения о том, что полное напряжение в любом водоносном горизонте изменяется на величину изменения региональной внешней нагрузки.

Установлено, что региональные внешние нагрузки (атмосферное давление и лунно-солнечное притяжение) распределяются в жидкости и в "скелете" бодовмещающих пород пропорционально их модулям упругости, проявляясь через изменение порового давления. При этом под влиянием вариаций атмосферного давления уровень воды в скважине действует подобно манометру, как показатель дополнительного напряжения: в открытой скважине - эффективного, а в скважине с герметично закрытым устьем - нейтрального. _

Экспериментально установлено, что равенство Терцаги описывает процесс распределения напряжения, вызванного региональной внешней нагрузкой в безнапорном водоносном горизонте, а уравнение состояния - в напорном пласте.

Природа гидрогеодинамического режима, возникающая под действием региональных внешних нагрузок, обусловлена главным образом изменением порового давления, а составляющая от деформации водосодержащих пород оказывается незначительной. Механизм, управляющий гидрогеодинамической реакцией в системе "водоносный горизонт - скважина",- гидравлический. Гидрогеодинамическая реакция проявляется в любом водоносном горизонте гидрогеосферы одновременно по всей площади приложения региональной нагрузки.

Доказано, что всякое нарушение баланса внешних и внутренних сил сопровождается изменениями эффективного напряжения массива горных пород, что сопровождается при определенных геолого-гидрогеологических условиях развитием различных геодинамических процессов (просадка земной поверхности, возбужденные землетрясения) .

На примере водозабора 'ташкентских минеральных вод показано, что рост эффективного напряжения в результате сработки первоначального порового давления в ходе интенсивной эксплуатации сено-манского водоносного горизонта являлся основной причиной разрушительного Ташкентского землетрясения 26 апреля 1966 г. Намечены основные пути развития гидрогеодинамического способа прогноза сильных землетрясений, в основу которого положена карта дополнительных напряжений, вызванных тектоническими силами.

Выполненные теоретические исследования распределения напряжения, возникающего под влиянием региональных внешних сил в пределах верхней части гидрогеосферы, а также натурные полевые опыты позволили раскрыть механизм и выявить основные закономерности гидрогеодинамической реакции.подземных вод на региональные внешние нагрузки, атмосферное давление, земные и океанические приливы, а также различные техногенные силы..

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. О некоторых гидрогеодинамических и гидротермальных особенностях Ташкентской минеральной воды // Разведка и охрана недр. - 196b. - № II. - С. 40-44.

2. Приташкентский артезианский бассейн // Подземные вода равнинной части Средней Азии. - М.: Недра, I9Ö9. - С. 140-207 (в соавторстве с Л.А.Островским).

3. К вопросу формирования месторождения углекислых минеральных вод восточной части Закарпатья // Вопросы геологии осадочных отложений Украины. - Киев: Наукова думка, 1972. - С. 165-180

(в соавторстве с В.И.Марусом).

4. Механизм формирования напряженного состояния в очагах землетрясений, вызванных деятельностью человека // Советская геология. - 1978. - № 3. - С. 103-113 (в соавторстве с В.М.Фоминым) .

5. A.c. 675173 СССР, М.Кл.2 E2IB 47/00. Способ определения коэффициента объемной упругости пластовой жидкости / В.О.Волейшо (СССР); № 2374845/22-03. Заявл. 21.06.7b. Опубл. 25.07.79. Бюл. № 27. - 25 с : ил.

ь. Месторождения минеральных вод гидроинфекционного типа в зоне воздействия водохранилищ // Бюл. М0ИГ1. Отд. геол. - 1979. - Вып. 4, т. 54. - С. 132-138.

7. Влияние некоторых внешних природных сил на подземные воды // Методика и организация наблюдений за режимом подземных вод для прогноза землетрясений: Тезисы докладов Всесоюэ. науч,-тех. семинара. - М.: ВСЕГИНГШ, 1983. - С. 41-44.

8. 0 механизме оседания земной поверхности при интенсивном водоотборе на месторождениях полезных ископаемых // Изучение и прогноз гидрогеологических и инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых: Сб. науч. тр. / ВСЕГИНГВО. -М., 1983. - С. 45-47.

9. Основные закономерности формирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород при глубоком водопо-нижении // Итоги изучения региональных гидрогеологических и инженерно-геологических процессов в осадочном чехле молодых плит: Материалы межведомств, семинара. T.I. - М.: Недра, 1983. - С.

10. Реакция подземных вод на динамические процессы в атмосфере // Гидрогеол. и инж. геол. - М., 1983. - С. 1-11 (ЭИ ВИЭМС - Вып. 25.

11. А.с. 1121410 СССР А.Е21В 47/10. Способ определения коэффициента приливной эффективности. Открытия, изоб,ретения, промышленные образцы / В.ОТВолейпю (СССР). № 3608348/22-03. Заявл. 24.06.83. Опубл. 30.10.84. Бюл. № 40. - 51 с : ил.

12. Гидрогеодинамическая реакция подземных вод на проявление внешних природных сил - атмосферного давления, океанических и земных приливов // Гидрогеол. и инж. геол. - й.: ВИЭМС,1984.-57 с.

13. Микроуровнеметрия подземных вод // Разведка и охрана подземных вод. - 1984. - № 12. - С.43-48.

14. Основные закономерности формирования пьезометрического напора под влиянием литостатического давления // Подземные воды и эволюция литосферы: Материалы Ьсесоюз. конф. Т.П. - М,: Наука, 1965. - С. 74-77.

15. нормирование напряженно-деформированного состояния горных пород при глубоком водопонижении // Исследование влияния горных разработок на подземные воды и массивы горных пород: Сб. науч. тр. 7 ВСЕГИНГШ. И., 1985. - С. 5У-62.

1Ь. Методические указания по организации и проведению гидрогеологических наблюдений на специализированной региональной сети в целях прогноза сильных землетрясений. - М.: ВСВГ'ИНГШ, 1985. - 41 с, {в соавторстве с Г.С.йартаняном, Е.А.Поповым, А.И. Авсюком, 0.П.Кошевым).

17. Анализ процесса консолидации пород с учетом их реологических свойств под влиянием водопонижения // Исследование влияния горных разработок на подземные воды и массивы горных пород: Сб. науч. т¡>77 ВСЕГИНГЮ. - М., 19857- С. 48-53 (в соавторстве с В.И. Башыаковым).

18. Условия возникновения Газлийских землетрясений // Опыт изучения Газлийских землетрясений и направления дальнейших исследований: Тезисы докладов Всесоюз. совещ. - Ташкент, 1985. -С. 65-66.

19. 0 механизме вызванной сейсмичности // Геология и разведка. - 8. - С. 56-65.

20. А.с. 1229323, А1 Е21В 47/06. Способ определения напор-ности водоносного горизонта / В.О.Волейшо, Ь..А.Попов (СССР)

№ Зо191ао/22-03. Заяв. io.05.83. Опубл. 07.0o.8to. Бюл. № 17. -32 с : ил.

21. А.с. 1303957 СССР, А1 01 9/00. Способ оценки пригодности гидрогеологического или геофизического объекта наблюдений для изучений геодинамических процессов / Г.С.Ьартанян, К.А.Попов, В.О.Волейшо (СССР) № 373453ь/24-20; 3734537/24-25. Заяв. 23.04.84. Опубл. 15.04.87. Бюл. 14. - 18 с : ил.

22. Гидрогеодинамическая реакция водоносного горизонта на изменение напряженного состояния // Советская геология. - 1987,-№ 7 (в соавторстве с Г.С.Вартаняном, В.И.Башмаковым, В.И.Прупи-сом).