Гидрогеохимические предвестники землетрясений в высокосейсмичном регионе

Рябинин, Геннадий Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Гидрогеохимические предвестники землетрясений в высокосейсмичном регионе
ВАК РФ 25.00.03, Геотектоника и геодинамика

Автореферат диссертации по теме "Гидрогеохимические предвестники землетрясений в высокосейсмичном регионе"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ЗЕМЛИ им. О. Ю. ШМИДТА

На правах рукописи

003057755

Рябинин Геннадий Владимиров»».

ГИДРОГЕОХИМИЧЕСКИЕ ПРЕДВЕСТНИКИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ В ВЫСОКОСЕЙСМИЧНОМ РЕГИОНЕ (НА ПРИМЕРЕ ЮГО-ВОСТОЧНОЙ ЧАСТИ ПОЛУОСТРОВА КАМЧАТКА)

Специальность 25.00.03 - Геотектоника и геодинамика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Москва 2007

003057755

Работа выполнена в Камчатском филиале Геофизической службы РАН

Научный руководитель: Доктор геолого-минералогических наук, профессор И. Г. Киссин

Официальные оппоненты:

Доктор геолого-минералогических наук Б. Г. Поляк Кандидат физико-математических наук А. А. Лукк

Ведущая организация:

Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН

час. на

Защита диссертации состоится 2007 г. в

заседании Диссертационного совета К.002.001.02 Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта Российской Академии Наук (ИФЗ РАН) по адресу: 123995, г. Москва, ул. Большая Грузинская, 10

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ИФЗ РАЙ

Автореферат разослан

2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Э. А. Боярский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы С 1977 г. на Камчатке проводятся непрерывные наблюдения за режимом подземных вод. Одной из важнейших задач гидрогеологического мониторинга являются поиски предвестников землетрясений и оценка сейсмической опасности г. Петропавловск-Камчатский и его окрестностей. Результаты многолетних наблюдений за гидрогеохимическим режимом подземных вод, в целом, совпадают с результатами подобных исследований в других сейсмоопасных регионах. Сюда в первую очередь, относится сам факт обнаружения достоверных предвестниковых эффектов, преимущественно в изменениях макро-компонентного и газового состава подземных вод. С другой стороны, анализ предвестниковых вариаций, зарегистрированных на Камчатке, обнажает общие для разных регионов актуальные проблемы, которые до сих пор не нашли своего решения. В числе таковых, наиболее острыми являются: морфологическое многообразие предвестниковых эффектов; механизмы образования предвестниковых эффектов и зависимость их от региональных и/или местных геолого-гидрогеологических условий; влияние тензочувствительности, которое применительно к гидрогеохимическим системам до сих пор оставалось неизученным; методы идентификации предвестниковых эффектов в сильно нестационарных временных рядах вариаций различных гидрогеохимических показателей.

Цель и задачи работы

Цель работы: исследование гидрогеохимических эффектов, проявляющихся в режиме подземных вод перед сильными землетрясениями Камчатки.

Задачи исследований:

1) провести морфологическую типизацию гидрогеохимических предвестников, выявленных в режиме подземных вод камчатской сети гидрогеологического мониторинга;

2) выполнить анализ гидрогеохимических эффектов с учетом их морфологических типов;

3) дать интерпретацию механизмов формирования гидрогеохимических предвестниковых эффектов с учетом их морфологии и местных особенностей пунктов наблюдения;

4) провести обработку временных рядов гидрогеохимических наблюдений методом фликкер-шумовой спектроскопии на предмет идентификации предвестников сильных камчатских землетрясений, дать оценку возможностей метода.

в 1996 г. автор

Объект и предмет исследования

Объектом исследования являются временные ряды изменения во времени различных показателей химического и газового состава подземных вод. В качестве предмета исследования рассматриваются, выделяемые на основе определенных критериев, различные гидрогеохимические эффекты, предшествующие сильным сейсмическим событиям полуострова Камчатка.

Фактический материал и личный вклад автора

В диссертационной работе используются данные многолетних (1985-2006 гг.) непрерывных наблюдений за режимом подземных вод на сети самоизливающихся скважин, расположенных в | окрестности г. Петропавловска-Камчатского. Данные наблюдений получены сотрудниками лаборатории Гидросейсмологии Камчатского филиала Геофизической службы РАН (КФ ГС РАН)* под руководством Ю. М. Хаткевича. Кроме этого, в работе используются данные регионального и оперативного каталога землетрясений Камчатки КФ ГС РАН.

С момента начала работы в КОМСП ГС РАН диссертации принимал непосредственное участие в режимных гидрогеологических наблюдениях на сети самоизливающихся скважин и источников, выполнял их обработку, участвовал в подготовке научно-технических отчетов и публикаций.

Научная новизна и практическая значимость

В представленной работе впервые обращено внимание на существенные различия в продолжительности и характере изменения гидрогеохимических предвестников землетрясений. Это послужило лейтмотивом всего исследования и легло в основу интерпретации механизмов образования предвестниковых эффектов. Полученные результаты дали возможность ответить на несколько важнейших вопросов гидрогеологического мониторинга, ведущегося с целью изучения предвестников землетрясений, а именно: на вопрос о многообразии предвестниковых эффектов, на вопрос о тензочувствительности гидрогеохимических систем. Кроме этого, научную новизну и практическую значимость имеют некоторые промежуточные результаты. К ним, в частности, относятся результаты анализа распределения времен экстремумов гидрогеохимических предвестников. Показано, что это распределение хорошо аппроксимируется распределением вероятности Вейбулла. Оценка параметров распределения Вейбулла дала возможность

До 2005 г. Камчатская опытно методическая сейсмологическая партия Геофизической службы РАН (КОМСП ГС РАН) |

определить наиболее вероятный промежуток времени между экстремумом предвестниковой аномалии и моментом сейсмического события. Этот результат может иметь большое практическое значение при оценке сейсмической опасности по данным наблюдений за гидрогеохимическим режимом подземных вод Камчатки. Важный практический результат получен и при оценке возможностей метода фликкер-шумовой спектроскопии применительно к задаче идентификации предвестниковых вариаций, что дает все основания включить данный метод анализа в алгоритм оценки сейсмической опасности для г. Петропавловска-Камчатского и его окрестностей.

Защищаемые положения

1. Разработана морфологическая типизация гидрогеохимических предвестников землетрясений. Выделены четыре основных типа изменения гидрогеохимических показателей перед сильными сейсмическими событиями полуострова Камчатка: бухтообразные, ступенчатые, импульсные и скачкообразные. Четыре типа предвестниковых гидрогеохимических изменений объединены в две группы: медленные (бухтообразные и ступенчатые) и быстрые (импульсные и скачкообразные). Показано, что медленные и быстрые изменения, в большинстве своем имеют противоположенные знаки.

2. На основе морфологической типизации и анализа гидрогеохимических эффектов дана интерпретация механизмов формирования гидрогеохимических предвестников землетрясений Камчатки. Показано, что механизмы формирования предвестниковых гидрогеохимических эффектов могут иметь деформационную и/или перколяционную природу. Рассмотрена проблема тензочувствительности гидрогеохимических систем.

3. На основе большой совокупности данных многолетних гидрогеологических наблюдений на Камчатке (1985-2006 гг.) дана оценка возможностей метода фликкер-шумовой спектроскопии применительно к задаче идентификации предвестников сильных камчатских землетрясений.

Доклады на конференциях и совещаниях

"Geophysical investigation of the active volcanoes: prognosis and mechanism of volcanic eruption" (Kamchatka), 1998; "Геология и полезные ископаемые Камчатской области и Корякского автономного округа'' (Петропавловск-Камчатский), 1999; "Проблемы сейсмичности Дальнего Востока: новая карта сейсмического районирования ОСР-97, её роль и значение для Петропавловска-Камчатского и области" (Петропавловск-Камчатский), 1999; "Проблемы сейсмичности Дальнего Востока" | (Петропавловск-Камчатский), 2000; "Современный вулканизм: прогноз, динамика, и связанные с ним процессы в недрах Земли и окружающей среде"

и минеральные (Петропавловск-

(Петропавловск-Камчатский), 2001; "Геотермальные ресурсы областей современного вулканизма" Камчатский), 2005.

По теме диссертации автором в соавторстве опубликовано 14

работ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Общий объем диссертаций составляет 169

страниц. Диссертация содержит 55 рисунков литературы включает 74 наименования.

и 7

таблиц. Список

Благодарности

В первую очередь автор хотел бы выразить благодарность коллективу сотрудников Лаборатории гидросейсмологии КФ ГС РАН, чей труд по сбору и анализу данных режимных наблюдений лег в фактическую основу диссертационной работы. Отдельные слова признательности адресованы заведующему лабораторией Ю. М. Хаткевичу за всестороннюю помощь и поддержку. С большим удовольствием автор благодарит С. Ф. Тимашева за предоставленную возможность использовать в диссертационной работе разработанный им метод фликкер-шумовой спектроскопии, а также за внимание и помощь в освоении метода. Самую глубокую признательность автор выражает научному руководителю И. Г. Киссину за систематическое внимание и полезные советы в процессе работы над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во Введении к диссертации обоснована актуальность темы, в соответствии с которой ставятся цель и задачи исследований, дана характеристика используемого в работе фактического материала и личного вклада автора в его получение, рассмотрена научная новизна, и сформулированы защищаемые положения, кратко представлены структура и содержание работы.

Глава 1. Состояние проблемы (обзор литературных данных)

В самом начале прошлого столетия основоположник отечественной сейсмологии Борис Борисович Голицын указывал на ту исключительно важную роль, которую могут сыграть наблюдения за режимом подземных вод в создании научно обоснованного сейсмического прогноза [Голицын 1960]. К сожалению, эта идея не получила тогда должного развития и воплотилась в реальность лишь спустя полвека, после Ташкентского землетрясения 1966 г. Именно для этого сейсмического события были установлены предшествующие контрастные гидрогеохимические аномалии в режиме подземных вод [Уломов, Мавашев 1967]. Успешное выявление предвестников сейсмических событий по результатам гидрогеологических наблюдений в ряде регионов обусловило бурное развитие работ в этом направлении, а также оказало существенное влияние на теоретические изыскания в геофизике и сейсмологии, особенно в той их части, которая посвящена моделям подготовки землетрясения.

Если попытаться дать краткую характеристику исследованиям гидрогеологических предвестников вообще и гидрогеохимических в частности, то результаты их можно представить в виде нескольких положений, которые, разумеется, имеют достаточно общий характер.

1. Огромное количество случаев наблюдения гидрогеологических предвестников землетрясений убедительно доказывает, что предшествующие сейсмическим событиям эффекты в режиме подземных вод суть объективно существующий феномен, который может и должен являться объектом научного исследования.

2. В результате исследований гидрогеологических предвестников землетрясений были выделены наиболее типичные формы (морфологические типы) их проявления [Осика 1981; Киссин 1984; Атаев, Аширов и др. 1985; Барсуков, Варшал и др. 1985; Варшал, Замокина и др. 1985; Игумнов, Геворкян 1985; Калмурзаев, Абдуллаев и др. 1985; Милькис, Мрыхин 1985; Монахов, Божкова 1985; Мусин, Идрисова и др. 1985; Султанходжаев, Зиган и др. 1985; Абдуллаев 1989; Беликов 1992; Войтов, Беликов и др. 1994; Беляев 2000; и др.], нашли объяснение наиболее общие механизмы их формирования [Киссин 1984; Киссин, Стклянин 1985; Киссин 1988; Киссин 2000; Варшал, Замокина и др. 1985; Игумнов, Геворкян 1985; Мусин Идрисова и др. 1985; Лебедев 1985; Барсуков, Беляев и др. 1992; Беляев 2002; и др.], обнаружены и исследованы корреляции между параметрами предвестниковых эффектов и характеристиками землетрясений [Зубков 1981; Зубков 1987; ^бш, 81к1уашп 1990; Киссин 1997], предложены модели,

которые связывают аномальные вариации различных геофизических полей с процессами подготовки землетрясений [Добровольский 1980; Гохберг, Добровольский и др. 1983; Алексеев, Белоносов и др. 2001 ]. |

3. В исследовании гидрогеологических предвестников землетрясений наибольшие успехи были достигнуты в изучении гидрогео-динамических предвестниковых эффектов. К [ним, в первую очередь, следует отнести концепцию чувствительных зон земной коры [Киссин 1985; Киссин 1988; Киссин 1993], которая является логическим продолжением предложенной академиком М.А.Садовским (1979) концепции неоднородной иерархически устроенной среды, а также представления о тензочувстви-тельности наблюдательных систем и возможности изменения ее во времени [Челидзе 1987; Челидзе, Мачарашвили 2003; Киссин 1988; Киссин 1993; Киссин 2000]. |

Несмотря на значительные успехи в изучении различного рода предвестников землетрясений нерешенными или решенными не в полной мере остается целый ряд вопросов. В качестве наиболее актуальных из них можно было бы выделить следующие: |

1. многообразие проявления гидрогеологических (гидрогеоди-

намических, гидрогеохимических) предвестников

2. механизмы образования гидрогеологических землетрясений;

3. тензочувствительность наблюдательных систем. Последний вопрос оказывается наиболее актуальным

применительно к гидрогеохимическим предвестникам однако, до настоящего времени ему не уделялось заметного внимания.

землетрясении; предвестников

землетрясений, сколько-нибудь

Глава 2. Геолого - гидрогеологическая характеристика района

исследований |

Район исследований расположен на юго-востоке полуострова Камчатка в окрестности его административного центра г. Петропавловска-Камчатского. Большая часть территории имеет сложное геологическое строение. В основании изученной части стратиграфического разреза залегают породы верхнего мела, представленные переслаиванием зеленых, глинистых и кремнистых сланцев, песчаников, алевролитов, аргиллитов, туфов. Палеогеновая и неогеновая системы представлены в основном вулканогенно-осадочными породами: туфоконгломератами, туфогравелитами, туфоалевролитами, туфопесчаниками, туфами, туффитами. Среди отложений четвертичного возраста преобладают породы ледниковой и водно-ледниковой, аллювиальной, пролювиальной, озерно-болотной и морской фаций. Магматические образования района

представлены, главным образом, разновозрастными вулканическими комплексами, включающими в себя субвулканические тела и покровные фации основного, среднего и кислого состава. В тектоническом строении района выделяют (с северо-востока на юго-запад) структуры первого порядка, к которым относятся Южно-Валагинская блоковая зона, Малкинско-Петропавловская складчато-глыбовая зона и ЮжноКамчатская блоковая зона. К более мелким тектоническим структурам относятся Авачинский горст, Авачинский грабен, Паратунский грабен. Региональные тектонические нарушения представлены: Авачинским разломом, Петропавловским разломом и Велючинским линиаментом.

Подземные воды района исследований отнесены к четырем водоносным комплексам:

- Водоносный комплекс рыхлых четвертичных отложений вмещает безнапорные и напорно-безнапорные, пластово-поровые воды.

- Водоносный комплекс плейстоцен-голоценовых вулканитов представлен безнапорными, напорно-безнапорными и напорными водами с порово-трещинными, трещинно-пластовыми и трещинно-жильными условиями циркуляции.

- Водоносный комплекс палеоген-неогеновых эффузивно-пирокластических и вулканогенно-осадочных образований включает в себя напорные и безнапорные, иногда термальные воды, циркулирующие в трещинно-поровых, поровых, трещинно-пластовых и трещинно-жильных коллекторах.

- Водоносный комплекс домезазойских метаморфических, интрузивных и метаморфизованных образований, кайнозойских субвулканических тел и интрузий. Воды комплекса имеют напорно-безнапорный и напорный режимы фильтрации, трещинный и трещино-жильный тип циркуляции.

Глава иллюстрирована геологоструктурной схемой, созданной автором диссертации на основе Государственной геологической карты, масштаба 1 : 200000, лист Южная Камчатка.

Глава 3. Гидрогеологические наблюдения на Камчатке в связи с поиском предвестников землетрясений

В главе представлена краткая история развития гидрогеологических наблюдений на Камчатке, осуществляемых с целью поиска и изучения предвестников землетрясений, дана характеристика сети наблюдательных скважин и источников, рассмотрена методика опробования и химического анализа проб воды и газа, охарактеризованы результаты гидрогеологических наблюдений.

Целенаправленные систематические наблюдения за режимом подземных вод на Камчатке, в связи с проблемой поиска гидрогеологических предвестников землетрясений, были начаты в 1977 г.

лабораторией гидрогеологии и геотермии Института вулканологии ДВО РАН на Пиначевских слаботермальных источниках. С | образованием в 1979 г. Камчатской опытно-методической сейсмологической партии, эти исследования были переданы ей, где и осуществляется в настоящее время.

В данный момент наблюдательная сеть состоит из четырёх гидрогеологических станций, включающих в себя двенадцать водопунктов (самоизливающиеся скважины и термальные источники). Все станции расположены в различных геологоструктурных условиях.

3.1. Краткая характеристика сети наблюдений Станция Пиначево (53°.285 с. ш. 158°.409 в. д.) включает в себя 5 наблюдательных водопунктов (четыре слаботермальных источника и скважина ГК-1). Участок расположения станции находится в среднем течении р. Пиначевой, примерно в 35 км к северу от г. Петропавловска-Камчатского. |

Скважина ГК-1 расположена в 100 м к югу от Пиначевских источников. Глубина скважины составляет 1261 м, глубина обсадки 548 м, далее, до забоя, открытый ствол. Химический состав воды скважины ГК-1 хлоридный, кальциево-натриевый. В составе растворенных в воде и свободных газов преобладает метан.

Станция Морозная (53°. 178 с. ш., 158°.285 в. д.) расположена на правом берегу р. Половинки, в 6 км к западу от г. Елизово. Станция состоит из единственной скважины № 1 глубиной 600 м. Скважина обсажена на всю глубину ствола. В интервалах 310-313 м, 407-410 м, 553-556 м установлены фильтры. Химический состав воды скважины гидрокарбонатно-сульфатный, натриево-кальциевый. В составе растворенного газа преобладает азот.

Станция Хлебозавод (53°.046 с. ш., 158°.663 в. д.) расположена, практически в самом центре г. Петропавловска-Камчатского и состоит из одной скважины Г-1 глубиной 2542 м. Скважина обсажена1 на всю глубину ствола, в интервалах 1710-1719 м, 1750-1754 м, 1790-1799 и 2415-2424 м колонна перфорирована. Химический состав воды скважины хлоридный, натриевый с преобладанием в составе растворенного газа — метана.

Станция Верхняя Паратунка (52°.826 с. ш., 158°. 131 в. д.) расположена в 40 км к юго-западу от г. Петропавловска-Камчатского, в долине р. Карымшина, в пределах Верхне-Паратунского месторождения термальных вод. Станция включает в себя пять самоизливающихся скважин: ГК-5 (глубина 900 м), № 44 (650 м), ГК-15 (1208 м), № 88 (815 м) и ГК-17 (1196 м). Все скважины бурились с целью поиска и разведки термальных вод в 1966-1980 гг. Глубина вскрытия термальных вод в скважинах Верхе-паратунского гидротермального |месторождения варьирует от 30 до 1450 м. Как правило, зоны водопритока сосредоточены в интервале глубин 400-600 м. Химический состав подземных вод

хлоридно-сульфатный, кальциево-натриевый. В составе растворенных в воде газов преобладает азот.

3.2 Методика наблюдений Наблюдения за режимом подземных вод осуществляются с периодичностью 1 раз в 3 суток для станций Пиначево, Морозная, Хлебозавод и 1 раз в 6 дней для скважин, расположенных на станции Верхняя Паратунка. Режимные наблюдения включают в себя измерения величины атмосферного давления и температуры воздуха, измерения расходов и температуры воды скважин и источников, отбор проб воды и газа для последующего их анализа в лабораторных условиях. В пробах воды определяются рН, концентрации ионов хлора (СГ), гидрокарбоната (НС03"), сульфата (8042"), натрия (№+), калия (К+), кальция (Са2+), магния (М§2+), концентрации борной (Н3В03) и кремневой (Н4БЮ4) кислот. В пробах газа определяются метан (СН4), азот (И2), кислород (02), углекислый газ (С02), аргон (Аг), гелий (Не), водород (Н2), углеводородные газы: этан (С2Н6), этилен (С2Н4), пропан (С3Н8), пропилен (С3Н6), бутан (С4Н10п) и изобутан (С4Нш0.

3.3 Краткая характеристика результатов наблюдений В разделе дается характеристика сильнейших землетрясений Камчатки, произошедших в период с 1985 по 2006 гг., а также гидрогеологических эффектов, предшествующих и сопутствующих этим сейсмическим событиям.

Результаты наблюдений показывают, что землетрясения, проявившиеся в районе города Петропавловска-Камчатского интенсивностью 3 и более баллов, вызывают постсейсмические изменения целого ряда параметров, уверенно регистрирующихся в режиме Пиначевских источников. Перед землетрясениями 4 и более баллов возможно проявление гидрогеохимических предвестников.

Из всего набора параметров, наблюдаемых и анализируемых в лаборатории Гидросейсмологии КФ ГС РАН, наиболее надежные предвестники обнаружены в вариациях макрокомпонентного состава и в составе растворенных в воде углеводородных газов. Для показателей макрокомпонентного состава характерным предвестниковым признаком является уменьшение или увеличение среднего значения их концентраций, экстремумы которого фиксируются за сутки — месяцы до землетрясения. Типичным предвестниковым признаком для углеводородных газов, в отличие от макрокомпонентного состава, является резкое увеличение дисперсии изменения их концентрации.

Обобщая вышеизложенное, можно отметить, что с момента начала исследований (1977г.) в Лаборатории гидросейсмологии накоплен уникальный фактический материал по наблюдению за целым комплексом

так или иначе Хаткевич 1994;

показателей режима подземных вод. Результаты его анализа доказывают, что подземные воды являются одним из наиболее чувствительных индикаторов напряженно-деформационного состояния недр, изменение которого зачастую связано с процессами подготовки и реализации землетрясений. За время исследований удалось выделить] практически все типы аномальных возмущений в подземных водах, связанных с сейсмическим процессом [к примеру: Хаткевич, Рябинин 1998; Хаткевич, Рябинин 2004; Хаткевич, Рябинин 2006]. Установлено, что наиболее информативными, с | позиции задачи прогноза землетрясений, являются вариации макрокомпонентного и газового состава подземных вод. В целом, все аномальные возмущения, регистрируемые как на стадии подготовки, так и на стадии реализации землетрясений имеют обратимый характер.

Глава 4. Гидрогеохимические предвестники землетрясений в режиме подземных вод юго-востока полуострова Камчатка

В данной главе рассмотрены методы и алгоритмы предварительной обработки данных гидрогеологических наблюдений, представлена морфологическая типизация гидрогеохимических предвест-никовых эффектов, проведен анализ предвестниковых эффектов с учетом их морфологических типов, дана интерпретация механизмов формирования гидрогеохимических предвестников, рассмотрена проблема тензочувствительности гидрогеохимических систем.

4.1. Предварительная обработка данных гидрогеохимических

наблюдений |

Предварительная обработка данных гидрогеологических наблюдений проводилась с цель компенсации в исследуемых временных рядах неинформативных и шумовых компонент. Из их совокупности наибольшее внимание уделялось компенсации многолетних трендов, удалению сезонной составляющей, очистки исходных временных рядов от случайных выбросов и подавлению эффекта квантования, который возникает вследствие конечной точности измерений и/или округления измеренных значений. Что касается приливных эффектов, то выделение их основных волн попросту невозможно из-за низкой дискретности наблюдений. Оценка и компенсация воздействия несезонной составляющей баро- и температурных вариаций на режим подземных вод

в контролируемых скважинах не незначительности такого воздействия.

производились

по причине

4.2. Морфологическая типизация гидрогеохимических предвестников камчатских землетрясений Из всего набора измеряемых и анализируемых параметров режима подземных вод наиболее многочисленные эффекты, которые можно идентифицировать как предвестниковые, выделены в вариациях макрокомпонентного и газового состава. Все их многообразие удалось свести к четырем морфологическим типам (рис. 1).

Рис. 1. Основные типы предвестниковых эффектов, наблюдающиеся в вариациях химического и газового состава подземных вод: I -бухтообразные, II - ступенчатые, III - импульсные, IV - скачкообразные. Т - время предвестника, т - время экстремума. Пунктирной линией обозначен момент землетрясения.

Результаты морфологической типизации показывают что:

1. выделенные морфологические типы гидрогеохимических предвестников, относительно их длительности во времени, можно объединить в две группы: медленные изменения длительностью сотни суток (тип I и тип И) и быстрые изменения концентрации растворенного вещества и газов длительностью от нескольких суток до десятков суток (тип III и тип IV);

2. самыми распространенными формами гидрогеохимических предвестниковых эффектов являются бухтообразная и импульсная (тип I и тип III);

3. бухтообразные изменения в большинстве случаев представляют собой уменьшение концентрации растворенных веществ и газов, импульсные же, напротив, характеризуются резким увеличением концентрации; |

4. относительная доля импульсных и бухтообразных изменений для разных скважин оказывается неодинаковой, т. е. в режиме одних

скважин наблюдаются преимущественно

бухтообразные

вариации, в режиме других - преимущественно импульсные;

5. последовательность предвестниковых эффектов того или иного типа является самостоятельной для каждой конкретной скважины, иными словами, тип предвестникового эффекта, проявляющегося в вариациях одинаковых компонентов, но в разных пунктах наблюдения перед одним и тем же сейсмическим событием, может быть различным.

4.3. Анализ гидрогеохимических предвестниковых эффектов В данном разделе диссертационной работе обобщаются результаты анализа предвестников землетрясений [Зубков 1981; Зубков 1987; Киссин 1988; Киссин 1997], в том числе, гидрогеохимических предвестников на Камчатке [Копылова 1992; Рябинин, Хаткевич 2004]. С опорой на эти результаты анализируются: зависимость к^ежду временем предвестника и временем экстремума, распределение |времен экстремальных значений, корреляция между параметрами предвестниковых эффектов и характеристиками сейсмических событий. Главное отличие представленного в работе анализа от аналогичных исследований других авторов заключается в том, что при рассмотрении перечисленных выше зависимостей учитывался морфологический тип гидр|>геохимических предвестников. Результаты анализа позволяют сделать следующие выводы.

1. Для медленных бухтообразных и ступенчатых изменений установлена статистически значимая связь между временем аномалии и временем экстремума. Это свидетельствует в пользу того, что бухтообразные вариации не являются случайно выбранными участками временных рядов, а действительно отражают процессы, развивающихся на стадии подготовки землетрясений. I

2. Показано, что распределение времен экстремальных значений для всех типов предвестниковых эффектов хорошо описывается распределением Вейбулла. Для всех типов предвестниковых эффектов рассчитаны экстремальные значения кривой плотности вероятности распределения Вейбулла, имеющие ¿мысл наиболее вероятных времен проявления гидрогеохимических предвестников. Это может найти непосредственное применение в оценке

сейсмической опасности по данным наблюдений за режимом подземных вод.

3. Корреляционный анализ показал, что статистически значимая связь между параметрами предвестниковых эффектов (время предвестника, время экстремума, амплитуда изменения) и характеристиками сейсмических событий (энергетический класс, эпицентральное расстояние) установлена только для бухтообразных изменений макрокомпонентного состава подземных вод. Для остальных типов гидрогеохимических эффектов корреляция оказалась статистически незначимой. Из этого следует, что, в частности, амплитуда и время экстремума быстрых импульсных гидрогеохимических эффектов не зависят от характеристик сейсмических событий. Иными словами, факт наблюдения значимой импульсной аномалии позволяет лишь предполагать, что в определенном временном интервале возможно возникновение сейсмического события. Сколько-нибудь достоверная оценка энергетических и/или пространственных характеристик землетрясения в этом случае вряд ли возможна.

4.4. Механизм образования гидрогеохимических предвестниковых

эффектов

Механизм образования гидрогеохимических эффектов, в отличие от гидродинамических, предполагает некоторые специфические условия. К наиболее существенным из них можно отнести неоднородность массива пород, дренируемого скважиной. Под неоднородностью следует понимать не только или не столько литологическую неоднородность пород, слагающих разрез массива, сколько неоднородность их фильтрационных и емкостных свойств, а также наличие в разрезе контрастных по химическому и газовому составу подземных вод [Киссин, Стклянин 1985].

Наиболее хорошо изучен механизм формирования предвестников землетрясений бухтообразной формы [Киссин 1997]. С учетом того, что бухтообразные изменения в большинстве своем представляют уменьшение концентрации растворенного вещества и газа, механизм образования этих изменений можно представить в виде следующей качественной схемы [Копылова 1992; Хаткевич, Рябинин 2000; Рябинин, Хаткевич 2004]. На стадии подготовки сильного землетрясения происходит упругое сжатие территории полигона, что фиксируется светодальномерными наблюдениями в виде укорачивания длин линий [Бахтияров, Левин 1991]. В зонах тектонических нарушений деформация упругого сжатия приводит к ухудшению проницаемости трещино-жильного коллектора, по которому происходит восходящая фильтрация термальных вод. Ухудшение проницаемости трещинной зоны

фиксируется в виде уменьшения содержания в воде самоизливающихся скважин отдельных компонентов химического и газового состава, имеющих глубинное происхождение (например, СГ, Ыа\ Не, С02).

Процесс деформации упругого сжатия может порождать и медленные изменения противоположенного знака, например, ступенчатые гидрогеохимические эффекты. Механизм образования таких вариаций исследован в работе [Киссин, Стклянин 1985] и использовался для интерпретации положительных гидрогеохимических аномалий, зарегистрированных на Камчатке [Хаткевич, Рябинин |2000; Рябинин, Хаткевич 2004]. В основе этого механизма лежит модель гетерогенно-блоковой среды с двойной емкостью. Согласно этой модели среда представляет собой совокупность пористых блоков, отделенных между собой трещинами. Флюид насыщает и пористые блоки и трещины, при этом полагается, что основная масса флюида сосредоточена в пористых блоках, а основные фильтрационные потоки движутся по трещинам. При стационарных условиях фильтрации давления в блоках и трещинах равны и перенос массы между этими двумя средами не происходит. При воздействии на систему дополнительных сжимающих напряжений, в соответствии с данным механизмом происходит вытеснение флюида из обеих сред и удаление его через скважину. Увеличение концентрации отдельных компонентов химического и газового состава (например, НС03' , Са2+, К+, 8042") может происходить за счет попадания е| скважину воды из относительно застойных зон массива — пористых блоков, где создаются благоприятные условия для выщелачивания.

Механизм возникновения кратковременных скачкообразных предвестниковых эффектов, в отличие бухтообразных и ступенчатых — является не столь определенным. Если медленные бухтообразные и ступенчатые вариации относительно надежно ассоциируются с деформационным процессом, развивающимся на стадии подготовки землетрясений, то определяющая роль I деформаций в образовании кратковременных предвестниковых эффектов далеко неочевидна.

Как показывают результаты морфологической типизации, экстремальные значения импульсных и скачкообразных вариаций в целом ряде случаев оказываются больше чем величины экстремальных значений бухтообразных изменений. При этом время достижения данных типов предвестниковых эффектов различается Исходя из этого, можно констатировать, что скорость изменения концентрации, к примеру, импульсных и бухтообразных вариаций различается как минимум на порядок. С учетом того, что импульсные и скачкообразные изменения являются преимущественно противоположно направленными по отношению к бухтообразным изменениям, процессы их образования вряд ли можно объяснить с позиции представленных выше

импульсных и от медленных:

экстремума для в десятки раз.

механизмов формирования медленных бухтобразных и ступенчатых предвестниковых эффектов. В противном случае пришлось бы полагать, что изменение напряженно-деформационного состояния среды, инициируемое удаленным источником — областью подготовки очага землетрясения, в каждой конкретной точке имеет не только разную скорость, но и разную направленность, что трудно представить даже с учетом такого основополагающего свойства геофизической среды как анизотропность.

В пользу того, что быстрые импульсные и скачкообразные предвестниковые эффекты не являются непосредственным следствием деформационного процесса, свидетельствуют и результаты корреляционного анализа, в соответствии с которыми амплитуда и время возникновения данного типа вариаций не зависят от пространственно-энергетических характеристик, сопоставляемых с ними сейсмических событий.

Учитывая вышеизложенное, в диссертационной работе было сделано предположение о том, что механизм образования кратковременных импульсных и скачкообразных эффектов может быть связан с перколяционными явлениями. В основу этого предположения легли эксперименты по изучению обобщенных проводимостей сильно неоднородных сред [Челидзе 1987], а также успешное применение феноменологии теории перколяции для интерпретации явлений, связанных с аномально высокой тензочувствительностью гидрогеоди-намических систем [Киссин 1993]. Суть явления перколяции в последнем случае заключается в том, что незначительное изменение проницаемости горных пород при определенных гидрогеологических условиях может приводить к несоизмеримо большим изменениям в вариациях уровня воды, а также в поведении других показателей.

Обобщая сказанное, механизм образования кратковременных импульсных и скачкообразных предвестниковых эффектов можно представить следующим образом.

Процессы подготовки сильных землетрясений Камчатки сопровождаются изменением напряженно-деформированного состояния среды — преобладающим сжатием территории полигона, что фиксируется в укорачивании длин линий светодальномерных наблюдений [Бахтияров, Левин 1991]. Деформация преобладающего сжатия может приводить не только к формированию медленных деформационных предвестниковых эффектов, но и к формированию быстрых импульсных и скачкообразных эффектов перколяционной природы. Сам перколяционный механизм образования предвестниковых гидрогеохимических эффектов заключается в скачкообразном изменении проницаемости отдельных объемов слабо-или непроницаемых горных пород, что, при условии наличия градиентов давления и концентрации, может приводить к скачкообразному или

импульсному изменению (как правило - увеличению) содержания в воде отдельных компонентов химического и газового состава. Время возникновения предвестниковых перколяционных эффектов будет всецело зависеть от того, на сколько состояние конкретного элемента среды близко к порогу протекания. Иными словами, перколяционные предвестниковые эффекты могут возникать на любой стадии изменения напряженно-деформационного состояния среды, иметь различную амплитуду и длительность процесса восстановления, ¿то, в принципе, исключает возможность обнаружить сколько-нибудь значимую корреляцию между характеристиками подобного рода предвестниковых эффектов и характеристиками ассоциируемых с ними сейсмических событий. Именно это свойство кратковременных гидрогеохимических предвестников отмечалось ранее при корреляционном анализе.

4.5. К вопросу о тензочувствительности гидрогеохимических систем

Тензочувствительность является важнейшей характеристикой способности системы реагировать на внешние воздействия. В зависимости от тензочувствительности системы возможны разные варианты ее отклика на изменения напряженно-деформационного состояния среды (от полного отсутствия реакции, до аномально сильной реакции) [Киссин 1993]. Дополнительная сложность заключается в том, что тензочувствительность наблюдательной системы непостоянна и может меняться со временем [Киссин 1993; Олейник, Гамбурцев 1995]. Данный раздел диссертационной работы можно рассматривать в качестве введения в проблему тензочувствительности гидрогеохимических систем, которая до настоящего времени является попросту не разработанной.

При исследовании гидрогеодинамических систем непостоянство тензочувствительности во времени ассоциировалось с незакономерным различием амплитуд гидрогеодинамических предвестников землетрясений (вариаций уровня воды в скважинах), от очень больший до, практически незначимых. Природа аномально высокой тензочувствительности связана с перколяционным механизмом образования предвестников [Челидзе 1987; Киссин 1988]. С учетом этого, в диссертационной работе было сделано предположение о том, что тензочувствительность гидрогеохимических систем также связана с перколяционным механизмом образования предвестниковых эффектов, а ее изменение во времени проявляется в чередовании эффектов разного типа (например, медленных бухтообразных изменений и быстрых импульсных вариаций). Если принять данное предположение, то одна из ключеных проблем — проблема многообразия гидрогеохимических предвестников землетрясений получает свое логическое решение. Заключается оно в том, что форма (морфологический тип) предвестниковой кривой будет зависеть не только от величины приращения воздействующих на систему напряжений,

но и от состояния самой системы, а именно от того, находится ли вся система или отдельные ее элементы на пороге протекания (перколяции) или далека от этого порога.

Глава 5. Применение метода фликкер-шумовой спектроскопии для идентификации гидрогеохимических предвестников землетрясений В главе представлены результаты обработки данных гирогеохими-ческих наблюдений методом фликкер-шумовой спектроскопии (автор: Тимашев С. Ф., Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова, г. Москва) с целью идентификации предвестников сильных камчатских землетрясений.

5.1. Сущность метода фликкер-шумовой спектроскопии (ФШС) Фликкер-шум (фликкерный шум), иначе называемый шумом мерцания, впервые был обнаружен при исследовании дробового шума электронных ламп на низких частотах. Характерной особенностью фликкер-шума является обратная зависимость его спектра от частоты {!//). С этой точки зрения, фликкер-шум занимает промежуточное положение между белым шумом и упорядоченными колебаниями [Лукк, Дещеревский 1996]. Появление в системе фликкер-шума связано с эффектом перемежаемости (интермиттанса), который представляет собой смену достаточно длительных участков ламинарного, или регулярного во времени поведения характеристик неравновесной динамической системы, участками хаотических всплесков [Шустер 1988; Лукк, Дещеревский 1996]. Сущность ФШС подхода заключается как раз в том, что подобным нерегулярностям - хаотическим всплескам, скачкам, разрывам производных различных порядков, придается исключительное значение. Фактически, они рассматриваются как носители информации о структурных перестройках исследуемой динамической системы на каждом из множества пространственно-временных уровней её иерархической организации [Тимашев 2003].

Для описания совокупных свойств каждого из типов нерегулярностей предлагается анализировать спектры мощности Бф и переходные разностные моменты ("переходные структурные функции") <&(т) второго порядка. При этом в формирование зависимостей вносят вклад только нерегулярности типа скачков динамической переменной Уф, а в формирование Бф - и скачки, и всплески (выбросы) хаотических серий Уф [Тимашев 2003]. В качестве меры изменения зависимостей Бф и Ч?(т) во времени ФШС-процедура предполагает использование безразмерного критерия — параметра нестационарности.

5.2. Анализ гидрогеохимических данных методом ФШС

Для анализа использовались данные режимных наблюдений за изменением концентрации основных показателей макрокомпонентного и газового состава воды шести самоизливающихся скважин в период с 1985 по 2006 гг. I

Алгоритм анализа данных можно представить в виде следующей последовательности операций. На первом шаге, осуществлялось разделение временного ряда на низкочастотную и высокочастотную составляющие. Второй шаг анализа заключался в расчёте значений разностных моментов отдельно для низкочастотной и

высокочастотной составляющих исходных рядов в скользящих временных окнах разного размера (от 200 до 1000 суток). На третьем шаге осуществлялась, собственно, оценка параметра нестационарности (ПН). Результаты анализа представлялись в виде графиков изменения значений ПН, соответствующих различной длине скользящего |временного окна. Считалось, что интервал временного ряда содержит нерегулярности, если на этом интервале значения параметра нестационарности превышают

некоторый пороговый уровень (пороговый уровень

определялся из

модельного эксперимента, в котором ПН рассчитывался для нескольких реализаций белого шума). Далее, интервалы нестационарности сопоставлялись с моментами наиболее сильных сейсмических событий, произошедших на Камчатке за рассматриваемый период.

Результаты анализа вариаций ПН, рассчитанного для основных показателей макрокомпонентного и газового состава показывают наличие в исходных временных рядах интервалов нестационарности, многие из которых предшествуют наиболее значимым сейсмическим событиям, произошедшим в период с 1985 по 2006 гг. Это является основанием для использования[ метода фликкер-шумовой спектроскопии в системе мониторинга сейсмической опасности юго-востока полуострова Камчатка.

подземных вод, разномасштабных

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

фектов; проблема зависимость их от

морфологического многообразия предвестниковых эф механизмов образования предвестниковых эффектов и региональных и/или местных геолого-гидрогеологйческих условий; проблема тензочувствительности гидрогеохимических [ систем; проблема объективной идентификации предвестниковых эффектов в сильно нестационарных временных рядах. Данная диссертационная работа может восприниматься как скромная попытка поиска путей решения затронутых проблем. Для этого, в качестве объекта исследования, использовался большой массив данных многолетних гидрогеохимических наблюдений,

проводящихся в таком высокосейсмичном регионе как Камчатка. Непосредственным предметом исследований являлись разнообразные эффекты гидрогеохимического режима подземных вод, значимо проявляющиеся перед сильными сейсмическими событиями.

Первая задача исследований заключалась в морфологической типизации предвестниковых гидрогеохимических эффектов. Главный результат решения этой задачи — классификация всей совокупности предвестниковых эффектов на относительно медленные и относительно быстрые изменения параметров химического и газового состава подземных вод. Выделение двух групп предвестниковых эффектов предопределило их раздельный анализ.

На основании результатов морфологической типизации и анализа предвестниковых гидрогеохимических эффектов, а также с учетом проведенных ранее исследований дана интерпретация механизмов формирования предвестниковых вариаций химического и газового состава воды наблюдательных скважин. Показано, что механизмы формирования медленных бухтообразных и ступенчатых эффектов, в общем смысле, имеют деформационную природу. В качестве механизма образования быстрых импульсных и скачкообразных эффектов, по аналогии с гидрогеодинамическими предвестниками аномально большой амплитуды, предложена перколяционная модель, основанная на резком (скачкообразном) изменении проницаемости отдельных элементов водонасыщенных горных пород, находящихся на пороге протекания. Привлечение феноменологического аппарата теории перколяции для интерпретации механизма образования гидрогеохимических эффектов позволяет ответить на ряд актуальных вопросов, возникающих при изучении гидрогеохимических предвестников землетрясений. Так, вопрос о многообразии предвестниковых эффектов легко разрешается, если допустить возможность совместного проявления деформационных и перколяционных механизмов. В этом случае, образование того или иного типа предвестников будет зависеть от относительного вклада деформационных или перколяционных процессов в изменение химического и газового состава воды на стадии подготовки землетрясения. При этом, может наблюдаться достаточно сложная картина, представляющая собой чередование, например, отрицательных бухтообразных и положительных импульсных эффектов для одной и той же системы "пласт - скважина". Именно такая картина наблюдается в вариациях различных гидро- и газохимических параметров, о чем уже указывалось выше. Чередование того или иного типа предвестниковых эффектов во временных рядах гидрогеохимических наблюдений может являться показателем состояния наблюдательной системы в данный момент времени, уровня ее тензочувствительности. К примеру, если в пределах зоны влияния скважины отсутствуют элементы, находящиеся на

единственным в элементе среды

пороге протекании, то реакция системы "пласт - скважина" на изменение напряженно-деформационного состояния среды будет соответствовать длительности и величине деформаций. Если же один или несколько элементов системы находятся в состоянии, близком к п<!)рогу перколяции, то при плавном изменении напряженно-деформационного состояния среды, реакция системы будет представлять собой скачкообразное или импульсное изменение. Здесь необходимо заметить, что в отличие от эффектов гидрогеодинамических, амплитуда гидрогеохимических предвестниковых эффектов перколяционной природы вряд ли может иметь столь же большие масштабы. Это объясняется отсутствием в реальных природных условиях больших градиентов концентраций растворенного вещества и газа между взаимодействующими структурами. Перколяционные гидрогеохимические эффекты могут й не иметь связи с процессами подготовки землетрясений. Поскольку условием перколяционного перехода является наличие критической концентрации проводящих включений, явление протекания с образованием гидрогеохимического эффекта может произойти и при любом другом воздействии на среду, к примеру, под воздействием приливных деформаций.

Возможность возникновения гидрогеохимических эффектов, которые не ассоциируются с сильными землетрясениями, продемонстрирована на примере результатов обработки данных гидрогеохимических наблюдений методом фликкер-шумовой спектроскопии. Эти результаты показывают, что различного рода нерегулярности типа ¿качков, всплесков и т. д., могут обнаруживаться на временных интервалах, где сильные сейсмические события отсутствуют. Под нерегулярностями типа всплесков и скачков на соответствующем масштабном уровне подразумеваются именно быстрые скачкообразные и импульсные предвестниковые эффекты, механизм образования которых, как полагается в данной работе, имеет перколяционную природу. Возможность возникновения гидрогеохимических эфф связаны непосредственно с процессами подготов событий, можно назвать одной из главных п землетрясений. В связи с этим, задача надежном подобного рода "ложных предвестников", основанная на понимании механизмов их образования и на представлениях об инициирующих такие изменения процессах, может рассматриваться как одна их актуальнейших задач дальнейших исследований.

Итоги диссертационной работы можно представить в виде следующих положений.

1. На основе большого массива данных гидрогеохимических наблюдений на Камчатке проведена морфологическая типизация предвестниковых эффектов. При этом впервые обращено

ктов, которые не ки сейсмических роблем прогноза идентификации

внимание на существенные различия в продолжительности и характере изменения этих эффектов, что послужило отправной точкой ко всему последующему исследованию и легло в основу интерпретации механизмов их образования.

2. Проведен анализ предвестниковых гидрогеохимических эффектов, в результате которого впервые дана оценка закона распределения вероятности времен экстремумов, что имеет большое практическое значение для оценки сейсмической опасности по данным наблюдений за режимом подземных вод на Камчатке.

3. С учетом результатов морфологической типизации и анализа гидрогеохимических предвестников землетрясений дана интерпретация механизмов их формирования. Впервые рассмотрена проблема тензочувствительности гидрогеохимических систем.

4. Впервые, в большом объеме, представлены результаты применения метода фликкер-шумовой спектроскопии для идентификации предвестников землетрясений по данным наблюдений за гидро- газохимическим режимом подземных вод. Показано, что метод ФШС может занять достойную нишу в комплексе методов мониторинга сейсмической опасности юго-востока полуострова Камчатка.

Список публикаций

1. Khatkevich Y. М., Ryabinin G. V., Hydroseismological studies on Kamchatka. // Geophysical investigation of the active volcanoes: prognosis and mechanism of volcanic eruphion. Paratunka, Kamchatka, Russia, 1998. p. 30 - 31

2. Хаткевич Ю. M., Рябинин Г. В. Гидродинамические и гидрогазо-химические вариации параметров режима подземных вод в периоды подготовки и реализации Кроноцкого землетрясения 05.12.97 г. // Кроноцкое землетрясение на Камчатке 5 декабря 1997 года. Предвестники, особенности, последствия. Петропавловск-Камчатский, 1998, с. 134-147.

3. Хаткевич Ю. М., Рябинин Г. В., Особенности аномальных изменений в гидрогеологическом режиме водопунктов Камчатской гидросейсмологической сети в период подготовки и реализации вулканотектонического события района вулкана Карымский 1.01.96. // Современный вулканизм Курило-Камчатской и Алеутско-Аляскинской островных дуг: вопросы вулканоопасности, цунамиопасности, магмообразования, землетрясений и геодинамики; сравнительный анализ. Петропавловск-Камчатский, 1998. с. 24 - 25

4. Поздеев А. И., Евтухов А. Д., Хаткевич Ю. М, Рябинин Г. В. Углеводородная газогенерация Авачинской депрессии. // Геология и полезные ископаемые Камчатской области и Корякского автономного округа. Петропавловск-Камчатский, 1999. с. 83 -85 |

5. Хаткевич Ю. М., Рябинин Г. В. Особенности поведения отдельных показателей ионного состава воды в режиме наблюдательных скважин в период с 1994 по 1999 гг. // Проблемы сейсмичности Дальнего Востока. Новая карта сейсмического районирования ОСР-97, её роль и значение для Петропавловска-Камчатского и области. Петропавловск- Камчатский, 1999. с. 54.

6. Войтов Г. И., Рудаков В. П., Хаткевич Ю. М.| Рябинин Г. В., Ерохин В. Е., Бахур А. Е., Миллер Ю. М., Коробейник Г. С., Фирстов П. П. Химические и изотопные аномалии подземных водно-газовых систем района Петропавловского геодинамического полигона И ДАН, 2001, Т. 377, № 2, с. 247-252.

7. Хаткевич Ю. М., Рябинин Г. В. Синхронность поведения отдельных показателей химического состава наблюдательных скважин,

геодинамической обстановки г__________ _______________

Дальнего Востока. Петропавловск-Камчатский, ¿000, с. 136-145.

8. Рябинин Г. В., Хаткевич Ю. М. Исследование взаимосвязи между сейсмическим режимом и динамикой отдельных характеристик макрокомпонентного состава подземных вод вулканизм: прогноз, динамика, и связанные с недрах Земли и окружающей среде. Петропавх овск-Камчатский,

2001, с. 42.

9. Левина В. И., Иванова Е. И., Гордеев Е. И., Гусев А. А., Левин В. Е., Магуськин М. А., Хаткевич Ю. М., Рябинин Г. В., Салтыков В. А. Карымское землетрясение 1 января 1996 г. Мз=7,0 (Камчатка) // Землетрясения Северной Евразии

2002, с. 129-137.

10. Левина В. И., Гусев А. А., Павлов В. М., Левин В. Е., Рябинин Г. В., Хаткевич Ю. М., Салтыков В. А., Зобин В. М. Кроноцкое землетрясение 5 декабря 1997 года с М№=7.8, 10=8 (Камчатка) // Землетрясения Северной Евразии в 1997 году. Обнинск, 2003, с. 251-271. [

11. Рябинин Г. В., Хаткевич Ю. М. Анализ воздействия сейсмического режима на макрокомпонентный состав подземных вод юго - востока полуострова Камчатка (на примере скважины ГК-1, станция Пиначево) // Комплексные сейсмологические и

воды в режиме как индикатор изменения // Проблемы сейсмичности

// Современный ним процессы в

в 1996 году. М:,

Иванова Е. И., Гусева Е. М.,

геофизические исследования Камчатский, 2004, с. 243 - 258.

Камчатки.

Петропавловск-

12. Хаткевич Ю. М., Рябинин Г. В. Гидрогеохимические исследования на Камчатке // Комплексные сейсмологические и геофизические исследования Камчатки. Петропавловск-Камчатский, 2004, с. 96 - 112.

13. Кузьмин Ю. Д., Рябинин Г. В. Мониторинг газового состава и гидрохимических параметров гидротермально-магматических систем // Геотермальные и минеральные ресурсы областей современного вулканизма. Петропавловск - Камчатский, 2005, с. 328-342.

14. Хаткевич Ю. М., Рябинин Г. В. Гидрогеохимические исследования на Камчатке в связи с поиском предвестников землетрясений // Вулканология и сейсмология. 2006, №4, с. 34-42.

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Рябинин, Геннадий Владимирович

Введение.

Актуальность работы.

Цель и задачи работы.

Объект и предмет исследования.

Фактический материал и личный вклад автора.

Методы исследования.

Научная новизна и практическая значимость работы.

Защищаемые положения.

Доклады на конференциях и совещаниях.

Структура диссертации.

Благодарности.

1. Состояние проблемы.

Выводы.

2. Геолого - гидрогеологическая характеристика района исследований.

2.1. Краткий физико-географический очерк.

2.2. Стратиграфия.

Меловая система.

Палеогеновая система.

Палеогеновая и неогеновая системы.

Четвертичная система.

2.3. Магматизм.

2.4. Тектоника.

2.5. История геологического развития.

2.6. Гидрогеология.

Выводы.

3. Гидрогеологические наблюдения на Камчатке в связи с поиском предвестников землетрясений.

3.1 Характеристика сети наблюдений.

3.2 Методика наблюдений.

3.3 Результаты наблюдений.

Выводы.

4. Гидрогеохимические предвестники землетрясений в режиме подземных вод юго-востока полуострова Камчатка.

4.1. Предварительная обработка данных гидрогеохимических наблюдений.

4.2. Морфологическая типизация гидрогеохимических предвестников камчатских землетрясений.

4.3. Анализ предвестниковых эффектов режима подземных вод.

4.4. Механизм образования гидрогеохимических предвестниковых эффектов.

4.5. К вопросу о тензочувствительности гидрогеохимических систем.

Выводы.

5. Применение метода фликкер-шумовой спектроскопии для идентификации гидрогеохимических предвестников землетрясений.

5.1. Сущность метода фликкер-шумовой спектроскопии.

5.2. Анализ гидрогеохимических данных методом ФШС.

Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Гидрогеохимические предвестники землетрясений в высокосейсмичном регионе"

Актуальность работы

С 1977 г. на Камчатке проводятся непрерывные наблюдения за режимом подземных вод с целью поиска и изучения гидрогеологических предвестников землетрясений. Наблюдения осуществляются на базе сети пространственно разнесенных пунктов -самоизливающихся скважин и источников, расположенных в окрестности г. Петропавловска-Камчатского и объединенных в четыре гидрогеологические станции. Комплекс наблюдений включает в себя замеры атмосферного давления и температуры воздуха, замеры расхода и температуры воды самоизливающихся скважин и источников, отбор проб воды и газа для последующего их анализа в лабораторных условиях. В пробах анализируются основные показатели макрокомпонентного состава подземных вод, а так же растворенные в воде и свободные газы. В общей сложности, комплекс режимных опробований включает в себя измерение и анализ 25 параметров по каждому пункту наблюдения.

Актуальность проводимых на Камчатке исследований, вероятно, не нуждается в комментариях. В соответствие с новой картой сейсмического районирования ОСР-97, территория г. Петропавловска-Камчатского относится к девяти-десятибалльной зоне сейсмической активности. Даже одного этого обстоятельства вполне достаточно для того, чтобы обосновать любые сейсмопрогностические исследования, если, конечно, они осуществляются в рамках традиционной науки.

Результаты многолетних наблюдений за режимом подземных вод на Камчатке, проводимых с целью поиска и изучения предвестников землетрясений, в целом, совпадают с результатами подобных исследований в других сейсмоопасных регионах. К таковым, в первую очередь, относится сам факт обнаружения достоверных предвестниковых эффектов, преимущественно в изменениях макрокомпонентного и газового состава подземных вод. С другой стороны, анализ предвестниковых вариаций, зарегистрированных на Камчатке, обнажает и те же, общие для всех актуальные проблемы, которые до сих пор не нашли своего решения.

Одним из самых острых вопросов сейсмопрогностических гидрогеологических исследований является вопрос исключительного многообразия предвестниковых эффектов. Острота вопроса заключается в том, что форма изменения какого-либо показателя, его амплитуда, знак, время экстремума и т. д. являются ключевыми и, по сути, единственными характеристиками, на основании которых приходится делать вывод об изменениях напряженно-деформированного состояния среды и возможной связи этих изменений с процессами подготовки сильных сейсмических событий. Между тем, характер изменения того или иного показателя, в данном случае гидрогеохимического, будет зависеть от целого ряда факторов: геолого-тектонических и гидрогеологических условий, гидрогеохимических типов вод, конструкции скважины и т. д. Отсюда следует, что при анализе и интерпретации гидрогеохимических предвестииковых эффектов необходимо учитывать региональные особенности размещения сети наблюдательных скважин, а также местные особенности каждого конкретного пункта наблюдения.

Традиционно считается, что общей причиной возникновения предвестников является изменение напряженно-деформированного состояния верхних частей литосферы в результате процессов, развивающихся на стадии подготовки землетрясений. Это дает основание рассчитывать на значимые корреляции между относительными деформациями земной поверхности и изменениями гидрогеохимических параметров. С другой стороны, при изучении гидродинамических предвестников были обнаружены эффекты аномально большой амплитуды, несопоставимые с величинами относительных деформаций в пункте наблюдения [35]. Под эффектами аномально большой амплитуды рассматриваются эффекты, амплитуда которых на 1 - 2 порядка отличается от фоновых вариаций [37]. Пожалуй, самым ярким примером таких эффектов является предсейсмическое понижение уровня подземных вод в скважине, величина которого составила 57 м, имевшее необратимый характер [38]. Столь значительные изменения режима подземных вод было предложено связывать с аномально высокой тензочувствительностью точки наблюдения. Условия аномально высокой тензочувствительности предполагают так называемый перколяционный механизм образования высокоамплитудных предвестников, когда малые изменения сечения трещин при небольшом приросте давления вызывают очень сильные эффекты по таким показателям как электропроводность, проницаемость для флюидов и др. [79].

Результаты исследований тензочувствительности гидродинамических систем, во многом уникальные нельзя напрямую экстраполировать на системы гидрогеохимические. Главной причиной этого является отсутствие примеров столь же больших изменений химического и газового состава подземных вод накануне сильных землетрясений. Более того, при рассмотрении гидрогеохимических эффектов речь идет, в подавляющем большинстве случаев, о предвестниковых изменениях, амплитуды которых не превышают нескольких среднеквадратических отклонений. Этому имеется вполне понятное объяснение. Заключается оно в том, что образование гидрогеохимических предвестниковых эффектов, соизмеримых по масштабам с гидродинамическими эффектами в условиях аномально высокой тензочувствительности, вряд ли возможно в принципе, поскольку для этого необходимы просто огромные градиенты концентрации растворенного вещества и газа между взаимодействующими элементами среды, что в реальных условиях практически исключено. Из этого следует закономерный вопрос, каким образом в гидрогеохимических системах могут и могут ли вообще проявляться условия аномально высокой тензочувствительности. Представляется, что данный вопрос является одной из самых актуальных задач исследований именно гидрогеохимических предвестников землетрясений и может иметь ряд важных следствий. В качестве одного из таких следствий можно рассматривать объяснение феномена изменения тензочувствительности гидрогазохимических систем во времени. В случае гидрогеодинамических эффектов переменная во времени тензочувствительность выражается в том, что одинаковые по величине относительные деформации на разных стадиях деформирования массива могут вызывать неодинаковые по амплитуде гидрогеодинамические эффекты [41].

Из сказанного выше следует, что в качестве наиболее актуальных вопросов исследования гидрогеохимических предвестниковых эффектов можно рассматривать:

1. вопрос о многообразии предвестниковых гидрогеохимических эффектов;

2. вопрос о региональных и/или местных особенностях формирования предвестниковых гидрогеохимических эффектов;

3. вопрос о тензочувствительности гидрогеохимических систем.

Рассмотренный круг вопросов имеет актуальность, прежде всего, в научном аспекте.

Важнейший прикладной аспект исследования любых предвестников землетрясений должен заключаться в оценке сейсмической опасности. Оценка сейсмической опасности, в свою очередь, должна основываться на максимально формализованных критериях, исключающих или минимизирующих субъективизм исследователя. Такая возможность предоставляется при использовании статистических методов и алгоритмов, направленных на извлечение скрытой информации из сложных нестационарных последовательностей и/или их совокупностей. Таким образом, в качестве одной из актуальных прикладных задач гидрогеологического мониторинга, ведущегося с целью прогноза сильных сейсмических событий на Камчатке, является внедрение в практику обработки данных натурных исследований новых методов и оценка их возможностей по идентификации, в частности, гидрогеохимических предвестников землетрясений.

Цель и задачи работы

Задачи исследований:

1. провести морфологическую типизацию гидрогеохимических предвестниковых эффектов, выявленных в режиме подземных вод камчатской сети гидрогеологического мониторинга;

2. провести анализ гидрогеохимических эффектов с учетом их морфологических типов;

3. дать интерпретацию механизмов формирования гидрогеохимических предвестниковых эффектов с учетом их морфологии, местных особенностей пунктов наблюдения;

4. провести обработку временных рядов гидрогеохимических наблюдений методом фликкер-шумовой спектроскопии на предмет идентификации предвестников сильных камчатских землетрясений, дать оценку возможностей метода.

Объект и предмет исследования

Объектом исследования являются временные ряды изменения различных показателей химического и газового состава подземных вод. В качестве предмета исследования рассматриваются, выделяемые на основе определенных критериев, различные типы гидрогеохимических эффектов, предшествующие сильным сейсмическим событиям полуострова Камчатка.

Фактический материал и личный вклад автора

В диссертационной работе используются данные многолетних (1985 - 2006 гг.) непрерывных наблюдений за режимом подземных вод на сети самоизливающихся скважин, расположенных в окрестности г. Петропавловска-Камчатского. Данные наблюдений получены сотрудниками Лаборатории гидросейсмологии КФ ГС РАН под руководством Ю. М. Хаткевича. Кроме этого, в работе используются данные регионального и оперативного каталога землетрясений Камчатки КФ ГС РАН.

С момента зачисления в штат сотрудников КФ ГС РАН в 1996 г. автор диссертации принимал непосредственное участие в режимных гидрогеологических наблюдениях на сети самоизливающихся скважин и источников, выполнял обработку данных, участвовал в подготовке научно-технических отчетов и публикаций.

Методы исследования

В диссертационной работе используются, главным образом, два общенаучных метода исследования: абстрактно-логический и статистико-вероятностный. Абстрактно-логический метод, с применением таких его инструментов как анализ и синтез, аналогия и формальная логика, используется в задачах морфологической типизации предвестниковых гидрогеохимических эффектов и интерпретации механизмов их образования. Статистико-вероятностный метод используется в задачах анализа предвестниковых гидрогеохимических эффектов. Кроме этого, в задаче обработки временных рядов данных гидрогеохимических наблюдений используется специальный метод исследования - метод фликкер-шумовой спектроскопии, разработанный С. Ф. Тимашевым (Научно-исследовательский физико-химический институт им. Л.Я. Карпова, г. Москва).

Научная новизна и практическая значимость работы

Научная новизна представленной диссертационной работы заключается, прежде всего, в самом подходе к анализу предвестниковых гидрогеохимических эффектов, по результатам которого проводится интерпретация механизмов их образования. В основе этого подхода лежит характер изменения перед землетрясением того или иного показателя гидрогеохимического режима, его морфологический тип. Данный подход не является самоочевидным, как это может показаться на первый взгляд. К примеру, механизм образования предвестниковых эффектов можно рассматривать с точки зрения генетических особенностей каждого конкретного показателя. В качестве другого примера можно привести работу [6], где за основу интерпретации механизма образования гидрогеохимических эффектов выступает изменение перед землетрясением различных свойств временных рядов: среднего значения, дисперсии, спектра колебаний. Столь пристальное внимание к форме предвестниковых вариаций в данной работе обусловлено тем, что характер изменения того или иного показателя накануне сильных землетрясений оказывается тем единственным, что достоверно известно как о самом процессе, если под ним подразумевать изменение напряженно-деформированного состояния среды, так и о состоянии системы "пласт -скважина", которое также может меняться со временем. Анализ характера изменения гидрогеохимических показателей перед землетрясениями позволил объединить их в две группы: медленные изменения длительностью 300 суток и более и быстрые изменения, длительность которых не превосходит первых десятков суток. Объединение всех предвестниковых гидрогеохимических эффектов в две группы предопределило их раздельный анализ. Анализ быстрых и медленных предвестниковых эффектов позволил обнаружить между ними существенные различия. Эти различия легли в основу интерпретации механизмов их формирования. Для медленных изменений гидрогеохимических показателей предложен деформационный механизм, для быстрых изменений - перколяционный механизм образования предвестников. Полученный результат позволяет ответить на важнейшие вопросы гидрогеологического мониторинга, а именно на вопрос о многообразии гидрогеохимических предвестниковых эффектов и на вопрос о тензочувствительности гидрогеохимических систем. Кроме этого, научную новизну и практическую значимость имеют некоторые промежуточные результаты. К ним, в первую очередь, относятся результаты анализа распределения вероятности времен экстремумов предвестниковых эффектов. Так, показано, что распределение времен экстремумов для всех выделенных типов вариаций подчиняется распределению вероятности Вейбулла. Оценка параметров распределения Вейбулла дала возможность определить наиболее вероятный промежуток времени между экстремумом предвестниковой аномалии и моментом сейсмического события. Этот результат может иметь большое практическое значение при оценке сейсмической опасности по данным наблюдений за гидрогеохимическим режимом подземных вод Камчатки. Важный практический результат получен и при оценке возможностей метода фликкер-шумовой спектроскопии применительно к задаче идентификации предвестниковых вариаций, что дает основание включить данный метод анализа в алгоритм оценки сейсмической опасности для г. Петропавловска - Камчатского и его окрестностей.

Защищаемые положения

1. Разработана морфологическая типизация гидрогеохимических предвестников землетрясений. Выделены четыре основных типа изменения гидрогеохимических показателей перед сильными сейсмическими событиями полуострова Камчатка: бухтообразные, ступенчатые, импульсные и скачкообразные. Четыре типа предвестниковых гидрогеохимических изменений объединены в две группы: медленные (бухтообразные и ступенчатые) и быстрые (импульсные и скачкообразные). Показано, что медленные и быстрые изменения, в большинстве случаев имеют противоположенные знаки.

2. На основе морфологической типизации и анализа гидрогеохимических эффектов дана интерпретация механизмов формирования гидрогеохимических предвестников землетрясений Камчатки. Показано, что процессы формирования предвестниковых гидрогеохимических эффектов могут иметь деформационную и/или перколяционную природу. Рассмотрена проблема тензочувствительности гидрогеохимических систем.

3. На основе большой совокупности данных многолетних гидрогеологических наблюдений на Камчатке (1985 - 2006 гг.) дана оценка возможностей метода фликкер-шумовой спектроскопии, применительно к задаче идентификации предвестников сильных камчатских землетрясений.

Доклады на конференциях и совещаниях

Результаты исследований, вошедшие в диссертационную работу, докладывались на конференциях и совещаниях: "Современный вулканизм Курило - Камчатской и Алеутско-Аляскинской островных дуг: вопросы вулканоопасности, цунамиопасности, магмообразования, землетрясений и геодинамики; сравнительный анализ". Петропавловск -Камчатский, 1998; "Geophysical investigation of the active volcanoes: prognosis and mechanism of volcanic eruption". Kamchatka, 1998; "Геология и полезные ископаемые Камчатской области и Корякского автономного округа". Петропавловск - Камчатский, 1999; "Проблемы сейсмичности Дальнего Востока. Новая карта сейсмического районирования ОСР-97, её роль и значение для Петропавловска - Камчатского и области". Петропавловск - Камчатский, 1999; "Проблемы сейсмичности Дальнего Востока". Петропавловск-Камчатский, 2000; "Современный вулканизм: прогноз, динамика, и связанные с ним процессы в недрах Земли и окружающей среде". Петропавловск-Камчатский, 2001; "Геотермальные и минеральные ресурсы областей современного вулканизма". Петропавловск - Камчатский, 2005.

Структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Общий объем диссертации составляет 170 страниц. Диссертация содержит 56 рисунков и 7 таблиц. Список литературы включает 83 наименования.

Заключение Диссертация по теме "Геотектоника и геодинамика", Рябинин, Геннадий Владимирович

Выводы

Обобщая вышеизложенное, можно утверждать, что метод фликкер-шумовой спектроскопии является эффективным инструментом для идентификации гидрогеохимических предвестников землетрясений. Результаты анализа вариаций ПН, рассчитанного для основных показателей макрокомпонентного и газового состава подземных вод, показывают наличие в исходных временных рядах разномасштабных интервалов нестационарности, многие из которых ассоциируются во времени с наиболее значимыми сейсмическими событиями, произошедшими в период с 1985 по 2006 гг. Это является основанием для использования метода фликкер-шумовой спектроскопии в системе мониторинга сейсмической опасности юго-востока полуострова Камчатка.

Заключение

Как было представлено во введении к диссертационной работе, в качестве наиболее актуальных проблем в исследовании гидрогеохимических предвестников землетрясений рассматриваются: проблема морфологического многообразия предвестниковых эффектов; проблема механизмов образования предвестниковых эффектов и зависимость их от региональных и/или местных геолого-гидрогеологических условий; проблема тензочувствительности гидрогеохимических систем; проблема объективной идентификации предвестниковых эффектов в сильно нестационарных временных рядах.

Данная диссертационная работа может рассматриваться как скромная попытка поиска путей решения затронутых проблем. Для этого, в качестве объекта исследования, использовался большой массив данных многолетних гидрогеохимических наблюдений, проводящихся в таком высокосейсмичном регионе как Камчатка. Непосредственным предметом исследований являлись разнообразные эффекты гидрогеохимического режима подземных вод, значимо проявляющиеся перед сильными сейсмическими событиями.

Первой задачей исследований являлась задача морфологической типизации предвестниковых гидрогеохимических эффектов, проводимая с той целью, чтобы свести все разнообразие предвестниковых вариаций к нескольким наиболее характерным типам. Решению этой задачи предшествовала процедура компенсации или минимизации различного рода помех в исследуемых временных рядах гидрогеохимических наблюдений. Отдельные части этой процедуры включали компенсацию длиннопериодных (более 1000 суток) трендов и сезонной составляющей, очищение временных рядов от одиночных случайных выбросов и подавление эффекта квантования.

Морфологическая типизация гидрогеохимических предвестниковых эффектов позволила выделить четыре наиболее характерных типа эффектов: бухтообразные, ступенчатые, импульсные и скачкообразные. Четыре типа предвестниковых эффектов удалось объединить в две группы, включающие в себя относительно медленные (бухтообразные и ступенчатые) и относительно быстрые (импульсные и скачкообразные) изменения. Важным обстоятельством явился тот факт, что наиболее распространенные формы предвестникового сигнала, а именно бухтообразная и импульсная формы, имели разные знаки. Бухтообразные вариации, в большинстве случаев, представляли собой медленное уменьшение перед землетрясением концентраций растворенного вещества и газа, импульсные формы, напротив, выглядели как резкое увеличение и такое же резкое восстановление значений наблюдаемых показателей. Столь существенное отличие быстрых импульсных вариаций от медленных бухтообразных позволило сделать предположение о различии в механизмах их образования. Кроме этого, при морфологической типизации обращено внимание на то, что последовательность проявления предвестниковых эффектов разного типа является уникальной для каждой отдельно взятой системы "пласт - скважина".

Задача второго этапа исследований гидрогеохимических предвестников заключалась в статистическом анализе их параметров (времени предвестника, времени экстремума, амплитуды изменения), а также в оценке корреляции между этими параметрами и характеристиками ассоциируемых с ними сейсмических событий (энергетический класс, эпицентральное расстояние). Анализ проводился раздельно для быстрых импульсных и медленных бухтообразных предвестниковых эффектов, что отличало его от подобных исследований других авторов. Наиболее важные результаты были получены при анализе корреляции между характеристиками сейсмических событий и параметрами предвестниковых эффектов. В частности, оказалось, что значимые коэффициенты корреляции получены только для параметров бухтообразных аномалий макрокомпонентного состава воды, в то время как для параметров импульсных и скачкообразных эффектов ранговые коэффициенты корреляции оказались незначимыми. Важный, главным образом, с практической точки зрения результат получен при оценке функции плотности вероятности распределения времен экстремальных значений предвестниковых вариаций. Показано, что, независимо от типа предвестниковых эффектов, распределение времен экстремальных значений надежно описывается распределением Вейбулла, имеющего близкие параметры и в случае быстрых импульсных эффектов и в случае медленных бухтообразных вариаций. Оценка параметров распределения Вейбулла позволила определить наиболее вероятное время возникновения экстремума гидрогеохимических предвестниковых эффектов. Этот результат может использоваться для выдачи экспертных заключений о вероятном времени возникновения сильного сейсмического события.

На основании результатов морфологической типизации и анализа предвестниковых гидрогеохимических эффектов, а также с учетом проведенных ранее исследований, дана интерпретация механизмов формирования предвестниковых вариаций химического и газового состава воды наблюдательных скважин. Показано, что механизмы формирования медленных бухтообразных и ступенчатых эффектов, вероятнее всего, имеют деформационную природу и могут быть обусловлены либо преимущественно фильтрационными, либо преимущественно емкостными свойствами водонасыщенных горных пород. В качестве механизма образования быстрых импульсных и скачкообразных эффектов, по аналогии с гидрогеодинамическими предвестниками аномально большой амплитуды, предложена перколяционная модель, основанная на резком (скачкообразном) изменении проницаемости отдельных элементов водонасыщенных горных пород, находящихся на пороге протекания. Привлечение феноменологического аппарата теории перколяции для интерпретации механизма образования гидрогеохимических эффектов позволяет ответить на некоторые актуальные вопросы, возникающих при изучении гидрогеохимических предвестников землетрясений. Так, вопрос о многообразии предвестниковых эффектов легко решается, если допустить возможность совместного проявления деформационных и перколяционных механизмов. В этом случае, образование того или иного типа предвестников будет зависеть от относительного вклада деформационных или перколяционных процессов в изменение химического и газового состава воды на стадии подготовки землетрясения. При этом, может наблюдаться достаточно сложная картина, представляющая собой чередование, например, отрицательных бухтообразных и положительных импульсных эффектов для одной и той же системы "пласт - скважина". Чередование того или иного типа предвестниковых эффектов во временных рядах гидрогеохимических наблюдений может являться показателем состояния наблюдательной системы в данный момент времени, уровня ее тензочувствительности. К примеру, если в пределах зоны влияния скважины отсутствуют элементы, находящиеся на пороге протекании, то реакция системы "пласт - скважина" на изменение напряженно-деформированного состояния среды будет соответствовать длительности и величине деформаций. Если же один или несколько элементов системы находятся в состоянии близком к порогу перколяции, то при плавном изменении напряженно-деформированного состояния среды, реакция системы будет представлять собой скачкообразное или импульсное изменение. Перколяционные гидрогеохимические эффекты могут и не иметь связи с процессами подготовки землетрясений. Поскольку единственным условием перколяционного перехода является наличие в элементе среды критической концентрации проводящих включений, явление протекания с образованием гидрогеохимического эффекта может произойти и при любом другом воздействии на среду, к примеру, под воздействием приливных деформаций. Возможность возникновения гидрогеохимических эффектов, которые не ассоциируются с сильными землетрясениями, продемонстрирована на примере результатов обработки данных гидрогеохимических наблюдений методом фликкер-шумовой спектроскопии. Эти результаты показывают, что различного рода нерегулярности типа скачков, всплесков и т. д., могут обнаруживаться на временных интервалах, где сильные сейсмические события отсутствуют. Под нерегулярностями типа всплесков и скачков на соответствующем масштабном уровне подразумеваются именно быстрые скачкообразные и импульсные предвестниковые эффекты, механизм образования которых, как полагается в данной работе, имеет перколяционную природу. Возможность возникновения гидрогеохимических эффектов, которые не связаны непосредственно с процессами подготовки сейсмических событий, можно назвать одной из главных проблем прогноза землетрясений. В связи с этим, задача надежной идентификации подобного рода "ложных предвестников", основанная на понимании механизмов их образования и на представлениях об инициирующих такие изменения процессах, может рассматриваться как одна их актуальнейших задач дальнейших исследований.

Итоги диссертационной работы можно представить в виде следующих положений.

1. На основе большого массива данных гидрогеохимических наблюдений на Камчатке проведена морфологическая типизация предвестниковых эффектов. При этом впервые обращено внимание на существенные различия в продолжительности и характере изменения этих эффектов, что послужило отправной точкой ко всему последующему исследованию и легло в основу интерпретации механизмов их образования.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Рябинин, Геннадий Владимирович, Москва

1. Абдуллаев А. У. Об инверсии химического состава природных газов в сейсмоактивных районах Киргизии//ДАН. 1989.-Т. 309.-№3.-С. 571-575.

2. Атаев С., Аширов Т., и др. Методика и некоторые результаты эманационных исследований на Ашхабатском прогностическом полигоне // Гидрогеохимические предвестники землетрясений. М.: Наука, 1985. - С. 169-177.

3. Барсуков В. Л., Беляев А. А., Серебренников В. С. Анализ динамики сейсмического воздействия на наблюдаемую гидротермальную систему // Геохимия. 1984. - № 8. -С.1147-1154.

4. Барсуков В. Л., Варшал А. В., и др. Значение гидрогеохимических методов для краткосрочного прогноза землетрясений // Гидрогеохимические предвестники землетрясений. М.: Наука, 1985. - С. 3-16.

5. Барсуков В. Л., Беляев А. А., и др. Геохимические методы прогноза землетрясений // М.: Наука, 1992.-214 с.

6. Басниев К. С., Дмитриев Н. М., и др. Подземная гидромеханика М., 2005. - 495 с.

7. Бахтияров В. Ф., Левин В. Е. Светодальномерные измерения на обсерватории Мишенная. Анализ результатов наблюдений // Вулканология и сейсмология. 1991. -№3. - С. 85-89.

8. Беликов В. М., Войтов Г. И., и др. Мониторинг радона подземных водногазовых систем Копетдагского сейсмически активного региона // ДАН. 1992. - Т. 323. - № 3. -С. 439^146.

9. Беляев А. А. Результаты предварительного анализа комплексных геохимических признаков землетрясений // Геохимия. 2000. -№ 8. - С. 893-898.

10. Беляев А. А. Геохимические прогнозные признаки землетрясений в системе связанных осцилляторов // Геохимия. 2002. -№9. - С. 1014 -1018.

11. Бюс Е. И. О предвестниках землетрясений по наблюдениям Мольденгауэра над режимом Екатерининского источника в Боржоми // Сообщ. АН Груз ССР. 1942. -Т. 3.-№ 10.-С. 1013-1017.

12. Варшал Г. М., Замокина Н. С., и др. Галогенид- и сульфид-ионы как предвестники землетрясений и их определение с помощью ионно-селективных электродов // Гидрогеохимические предвестники землетрясений. М.: Наука, 1985. - С. 197-209.

13. Вероятность и математическая статистика // Энциклопедия / Под. ред. Прохорова Ю. В. Москва: Большая российская энциклопедия, 1999. - 910 с.

14. Войтов Г. И., Беликов В. М., Рудаков В. П. Рудбарское землетрясение 1990 г., в реакции некоторых параметров подземных водно-газовых систем Туркменской прогностической сети //ДАН. 1994. - Т. 335. -№ 2. - С. 217-221.

15. Войтов Г. И., Рудаков В. П., и др. Химические и изотопные аномалии подземных водно-газовых систем района Петропавловского геодинамического полигона // ДАН. 2001. - Т. 377. - № 2. - С. 247-252.

16. Встовский Г. В., Дещеревский А. В., и др. Поиск электрических предвестников землетрясений методом фликкер-шумовой спектроскопии // Физика Земли. 2005. -№7.-С. 3-14.

17. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика // М.: Высшая школа, 2002.-480 с.

18. Голицын Б. Б. Новая организация сейсмической службы в России // Избранные труды. Сейсмология. Изд-во АН СССР, 1960. - Т 2. - С. 425-426.

19. Гохберг М. Б., Добровольский И. П., и др. Процесс подготовки, признаки и предвестники коровых землетрясений // Физика Земли. 1983. - № 2. - С. 59-67.

20. Дещеревский А. В., Сидорин А. Я. Аддитивная и мультипликативная модели сезонных вариаций геофизических полей М.: Российская академия наук. Объединенный институт физики Земли им. О. Ю. Шмидта, 1998. - 24 с.

21. Дещеревский А. В., Лукк А. А. Выделение регулярных составляющих во временных вариациях геофизических параметров методом разложения на негармонические компоненты // Вулканология и сейсмология. 2002. - № 5. - С. 65-78.

22. Диоген Лаэртский. О жизни, учениях и изречениях знаменитых философов М.: Мысль, 1979.-620 с.

23. Добровольский И. П. О модели подготовки землетрясений // Изв. АН СССР. Сер. физика Земли. 1980. - № 11. - С. 23-31.

24. Добровольский И. П. Механика подготовки тектонического землетрясения. М., 1984.- 188 с.

25. Забарный Г. Н. Отчет о результатах бурения на термальные воды поисковой скважины Г-1 на участке "Хлебозавод" Петропавловской площади в 1986 1988 гг. -Петропавловск-Камчатский, 1988. - 166 с.

26. Зубков С. И. Радоновые предвестники землетрясений // Вулканология и сейсмология.- 1981. №6. - С. 74-105.

27. Зубков С. Н. Времена возникновения предвестников землетрясения // Физика Земли.- 1987.-№5.-С. 87-92.

28. Игумнов В. А., Геворкян Р. Г. Режимные наблюдения за гидрогеохимическими предвестниками на прогностических полигонах Армении // Гидрогеохимические предвестники землетрясений. М.: Наука, 1985. - С. 251-255.

29. Калмурзаев К. Е., Абдуллаев А. У., Касымова Ц. М. О гидрогеохимических эффектах в термальных водах Киргизии в периоды проявлений сейсмической активности // Гидрогеохимические предвестники землетрясений. М.: Наука, 1985. - С. 228-237.

30. Киссин И. Г. Актуальные вопросы гидрогеологических и геохимических исследований для прогноза землетрясений // Геохимия. 1979. - № 3. - С. 338-344.

31. Киссин И. Г. Землетрясения и подземные воды. М.: Наука, 1982. - 176 с.

32. Киссин И. Г. Об аномальных вариациях обводнённости нефтедобывающих скважин перед землетрясениями//ДАН,- 1983.-Т270.-№3.-С. 574-577.

33. Киссин И. Г. Гидрогеодинамические предвестники в системе прогноза землетрясений // Гидрогеодинамические предвестники землетрясений / Под. ред. Николаева А. В. -М.: Наука, 1984.-С. 3-30.

34. Киссин И. Г. Чувствительные зоны земной коры, амплитуды аномалий предвестников землетрясений // ДАН. 1985. - Т. 281. - № 2. - С. 304-307.

35. Киссин И. Г., Стклянин Ю. И. О формировании гидрогеохимических предвестников землетрясений // Гидрогеохимические предвестники землетрясений. М.: Наука, 1985.-С. 23-29.

36. Киссин И. Г. Высокоамплитудные предвестники землетрясений и чувствительные зоны земной коры// Физика Земли, 1988. -№ 6. - С. 3-13.

37. Киссин И. Г., Беликов В, М., Ишанкулиев Г. А. Экстремальные вариации уровня подземных вод в сейсмоактивном районе // ДАН. 1990. - Т. 314. - №5. -С. 1099-1104.

38. Киссин И. Г., Беликов В. М., Ишанкулиев Г. А. О влиянии регионального разлома на гидрогеологические эффекты геодинамических процессов // ДАН. 1992. - Т. 324. -№2.-С. 297-303.

39. Киссин И. Г., Беликов В. Н., Ишанкулиев Г. А. Краткосрочные гидрогеологические эффекты как показатель геодинамической активности зоны передового Копетдагского разлома // ДАН. -1992. Т. 322. - № 1. - С. 69-75.

40. Киссин И. Г. Гидрогеологический мониторинг земной коры // Физика Земли. 1993. -№8.-С. 58-70.

41. Киссин И. Г., Гумен А. М. Гидрогеологические индикаторы современных движений земной коры в асейсмичном регионе // ДАН. 1994. - Т. 334. - № 6. - С. 768-772.

42. Киссин И. Г. О соотношении между предвестниками землетрясений и постсейсмическими эффектами // ДАН. 1997. - Т. 354. - № 6. - С. 804-808.

43. Киссин И. Г. Система очаг предвестники землетрясений влияние на нее факторов неоднородности и нелинейности // Физика Земли. - 2000. - №4. - С. 69-75.

44. Копылова Г. Н. Анализ влияния сейсмичности на режим Пиначевских термопроявлений на Камчатке (по результатам наблюдений в1979 1988 г. г.) // Вулканология и сейсмология. - 1992. -№ 2. - С. 3-18.

45. Копылова Г. Н., Сугробов В. М., Хаткевич Ю. М. Особенности изменения режима источников и гидрогеологических скважин Петропавловского полигона (Камчатка) под влиянием землетрясений // Вулканология и сейсмология. 1994. - № 2. - С. 53-70.

46. Крайнов С. Р., Рыженко Б. Н., Швец В. М. Геохимия подземных вод. М.: Наука, 2004.-676 с.

47. Кузьмин Ю. Д., Рябинин Г. В Мониторинг газового состава и гидрохимических параметров гидротермально-магматических систем // Геотермальные и минеральные ресурсы областей современного вулканизма. Петропавловск-Камчатский, 2005. - С. 328-342.

48. Лебедев В. С. Использование изотопного состава водорода и углерода при разработке методов прогнозирования землетрясений // Гидрогеохимические предвестники землетрясений. М.: Наука, 1985. - С. 92-99.

49. Левин В. Е., Магуськин М. А., и др. Мультисистемный геодезический мониторинг современных движений земной коры на Камчатке и Командорских островах // Вулканология и сейсмология. 2006. -№3. - С. 54 - 67.

50. Лукк А. А., Дещеревский А. В., и др. Вариации геофизических полей как проявления детерминированного хаоса во фрактальной среде. М., 1996. - 210 с.

51. Любушин А. А. (мл.), Копылова Г. Н., Хаткевич Ю. М. Анализ спектральных матриц данных гидрогеологических наблюдений на Петропавловском геодинамическом полигоне, Камчатка, в сопоставлении с сейсмическим режимом // Физика Земли. -1997.-№6.-С. 79-90.

52. Малахов А. Н. Флуктуации в автоколебательных системах. М.: Наука, 1968. - 660 с.

53. Манухин Ю. Ф., Ворожейкина Л. А. Гидрогеология Паратунской гидротермальной системы и условия ее формирования // Гидротермальные системы и термальные поля Камчатки / Под. ред. Сугробова В. М. Владивосток, 1976. - С. 143-178.

54. Мархинин Е. К., и. др. Зависимость химического состава термальных вод от сейсмической активности // Бюл. вулк. станций, 1976. -№ 52. С. 34-41.

55. Милькис М. Р., Мрыхин А. А. Особенности гидрогеологии Копетдагского сейсмоактивного региона в связи с выявлением предвестников землетрясений в Туркмении // Гидрогеохимические предвестники землетрясений. М.: Наука, 1985. -С.241-247.

56. Мироненко. Динамика подземных вод. М.: Недра, 1983. - 358 с.

57. Мищенко 3. В. Список функций Statistics Toolbox системы Matlab // Консультационный центр Matlab компании Sofitline. http://matlab.exponenta.ru/statist/index.php

58. Монахов Ф. И., Божкова Л. И. Газогеодинамический предвестник Курильских землетрясений //Гидрогеохимические предвестники землетрясений. М.: Наука, 1985. -С. 112-116.

59. Монахов Ф.И., Хантаев А. М., и др. Сравнительная характеристика реакции уровня и дебита подземных вод на подготовку землетрясений // Гидрогеохимические предвестники землетрясений. М.: Наука, 1985. - С. 108-111.

60. Мусин Я. А., Идрисова С., и др. К вопросу о механизме аномалий радона в период подготовки землетрясений // Гидрогеохимические предвестники землетрясений. М.: Наука, 1985.-С. 62-70.

61. Осика Д. Г. Флюидный режим сейсмически активных областей. М.: Наука, 1981. -203 с.

62. Олейник О. В., Гамбурцев А. Г. Временные изменения нелинейных свойств геологической среды // ДАН. 1995. - Т340. - №6. - С. 812-815.

63. Поляк Б. Г., Вакин Е. А., Овчинникова Е. И. Гидрогеотермические условия вулканического района Камчатки (г. Петропавловск-Камчатский). -М.: Наука, 1965. -95с.

64. Султанходжаев А. Н., Зиган Ф. Г., и др. Некоторые особенности вариаций газов, растворённых в подземных водах, в связи с проявлением сейсмической активности // Гидрогеохимические предвестники землетрясений. М.: Наука, 1985. С. 41-48.

65. Тарасевич Ю. Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы // М.: УРСС, 2002. -112с.

66. Тимашев С. Ф. О базовых принципах "нового диалога с природой" // Проблемы геофизики XXI века.-2003.-Т. 1.-С. 104-141.

67. Уломов В. И., Мавашев Б. 3. О предвестнике сильного тектонического землетрясения //ДАН. -1967. -Т. 176.-№ 2.-С. 319-321.

68. Хаткевич Ю. М. О возможности среднесрочного прогноза землетрясений интенсивностью свыше 5 баллов, проявляющихся в городе Петропавловске -Камчатском // Вулканология и сейсмология. 1994. - № 1. - С. 63-67.

69. Хаткевич Ю. М., Рябинин Г. В. Особенности аномальных изменений в гидрогеологическом режиме водопунктов Камчатской гидросейсмологической сети в период подготовки и реализации вулкано-тектонического события района вулкана

70. Карымский 1.01.96. II Современный вулканизм Курило-Камчатской и Алеутско-Аляскинской островных дуг: Тез. докл. Петропавловск-Камчатский, 1998. С. 24-25.

71. Хаткевич Ю.М., Рябинин Г. В. Гидрогеохимические исследования на Камчатке // Комплексные сейсмологические и геофизические исследования Камчатки. -Петропавловск Камчатский, 2004. - С. 96-112.

72. Хаткевич Ю. М., Рябинин Г. В. Гидрогеохимические исследования на Камчатке в связи с поиском предвестников землетрясений // Вулканология и сейсмология. 2006. - № 4. - С. 34-42.

73. Челидзе Т. JI. Методы теории протекания в механике геоматериалов М.: Наука, 1987.- 136 с.

74. Челидзе Т. Л., Черголейшвили Т. Т. Теория неупорядоченных сред и некоторые проблемы нелинейной сейсмики // Проблемы нелинейной сейсмики. М.: Наука, 1987.-С. 41-50.

75. Челидзе Т. Л., Мачарашвили. Т. И. Анализ сложности природных объектов и процессов вызов геофизике XXI века // Проблемы геофизики XXI века. - 2003. - Т.1. -С. 142- 159.

76. Шеймович В. С. Государственная геолгическая карта Российской Федерации масштаба 1:200000. Серия Южная Камчатка: пояснительная записка. Москва, 2000. -302 с.

77. Шустер Г. Детерминированный хаос. М.: Мир, 1988. - 240 с.

78. Электронный учебник StatSoft. http://www.statsoft.ru/home/textbook/default.htm.

Информация о работе

Рябинин, Геннадий Владимирович
кандидата геолого-минералогических наук
Москва, 2007
ВАК 25.00.03

Диссертация

Гидрогеохимические предвестники землетрясений в высокосейсмичном регионе - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы