Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Разработка технологии многопараметрового мониторинга сейсмической активности Азово-Черноморского региона комплексом геолого-геофизических методов
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых
Автореферат диссертации по теме "Разработка технологии многопараметрового мониторинга сейсмической активности Азово-Черноморского региона комплексом геолого-геофизических методов"
На правах рукописи
БЯКОВ АЛЕКСЕЙ ЮРЬЕВИЧ
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МНОГОПАРАМЕТРОВОГО МОНИТОРИНГА СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ АЗОВО-ЧЕРНОМОРСКОГО РЕГИОНА КОМПЛЕКСОМ ГЕОЛОГО-ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
Специальность 25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Краснодар-2010
003492127
Работа выполнена в ГНЦ ФГУГП «Южморгеология» и в Кубанском государственном университете на кафедре геофизических методов поиска и разведки
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор кафедры геофизики, доцент Гулеико Владимир Иванович
Официальные оппоненты:
доктор геолого-минералогических
наук, профессор
Александров Борис Леонтьевич
кандидат геолого-минералогических наук Кухарев Игорь Леонидович
Ведущая организация:
Горный институт Уральского отделения РАН (г. Пермь)
Защита диссертации состоится 5 марта 2010 г. в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.101.09 по геофизике, геофизическим методам поисков полезных ископаемых Кубанского государственного университета по адресу: 350040, г. Краснодар, ул. Ставропольская, 149, ауд. 105.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Кубанского государственного университета.
Факс (861)219-96-34 E-mail: geopysic@fpm.kubsu.ru
Автореферат разослан v£2 » OZ- 2010 i
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук
В.И. Гуленко
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Землетрясения являются одним из наиболее опасных природных явлений, создающих угрозу безопасности населения и наносящих значительный материальный ущерб. Согласно принятой 1января 1996 года временной схеме сейсмического районирования Северного Кавказа большая часть прибрежной территории региона отнесена к сейсмически опасной зоне с возможным воздействием 6-9 - балльных землетрясений. В этой связи в зоне высокого сейсмического риска находится большое количество потенциально опасных объектов промышленного и социального назначения, сотни километров нефтегазопроводов, железных дорог и т.д. Кроме того, около 80% населения проживает вблизи объектов, построенных без учета реальной сейсмической опасности. Известно, что, даже незначительные сейсмические толчки приводят к тектоническим подвижкам в земной коре и перераспределению грунтовых масс, что, в свою очередь, может стать «спусковым крючком» к возникновению оползней, разрушению дамб, магистральных трубопроводов и иных технических и социальных сооружений и привести к серьезным экологическим последствиям. Отсутствие развитой сети прогностических пунктов и проблемно ориентированного центра прогнозирования землетрясений, разобщенность организаций, ведущих работы по прогнозированию землетрясений на территории региона, использование устаревшей технической базы наблюдения и регистрации сейсмологических параметров, а также отсутствие системы инструментальной оценки сейсмостойкости зданий и сооружений существенно снижает возможности обеспечения сейсмической безопасности населения и территории. В этой связи создание и внедрение технологии мониторинга сейсмической активности Азово-Черноморского региона Северного Кавказа является, безусловно, актуальным.
Цель и задачи диссертационной работы: Разработка технологии многопара-метрового мониторинга сейсмической активности Азово-Черноморского региона комплексом геолого-геофизических методов.
Поставленная цель определяет следующие задачи исследований:
1. Анализ существующих методов и технических средств, применяемых для мониторинга сейсмической активности контролируемых территорий.
2. Обоснование выбора современного комплекса методов и цифровых технических средств мониторинга.
3. Разработка и исследование технологии многопараметрового мониторинга на основе предложенного комплекса.
4. Оценка эффективности применения предложенного комплекса на примере регистрации параметров геофизических полей во время Нижнекубанского землетрясения 9 ноября 2002 года.
5. Оценка перспектив и направления дальнейшего совершенствования методов и технических средств мониторинга сейсмической активности.
Методы и объекты исследований.
При разработке технологии мониторинга сейсмической активности применялись как теоретические, так и экспериментальные методы анализа их метрологических
^ 'А
возможностей и технических средств многопараметрового мониторинга, лабораторные и полевые испытания цифровой регистрирующей аппаратуры и других технических средств, объединяемых в единый аппаратурно-методический комплекс.
При разработке комплекса технических средств объектом исследования являлись приборы и методы, применяемые для регистрации параметров геофизических, гидрогеодеформационных (ГГД) и газгидрогеохимических полей, их характеристики и технические возможности.
При оценке эффективности разработанного комплекса объектом исследования являлись геофизические, ГГД и газгидрогеохимические поля, регистрируемые созданной системой в процессе мониторинга сейсмической активности контролируемой территории.
Фактической основой работы явились результаты, полученные при непосредственном участии автора в ходе научно-технических разработок, опытно-методических и нолевых работ с предложенным комплексом, проведенных в ГНЦ ФГУГП «Южморгеология» в период с 2000 по 2008 гг.
Научная новизна работы.
1. Впервые в Краснодарском крае разработана и реализована технология многопараметрового мониторинга сейсмической активности территории, с использованием геофизических, геодезических, ГГД и газгидрогеохимических методов в виде системы комплексных наблюдательных пунктов.
2. Теоретически и экспериментально обоснован выбор методов и технических средств, применяемых для регистрации геофизических, ГГД полей и газгидрогеохимических параметров.
3. По результатам опытной эксплуатации разработанного комплекса на контролируемой территории выявлены аномальное поведение геофизических полей и изменение содержания химических элементов в грунтовых водах, имеющие характер предвестников сейсмических событий.
4. Разработаны формализованные критерии уровня сейсмической активности и сейсмической опасности контролируемой территории.
5. Определены направления и перспективы дальнейшего совершенствования средств мониторинга окружающей среды Азово-Черноморского региона.
Практическая значимость и реализация результатов.
1. Выводы и рекомендации, изложенные в настоящее работе, позволяют обосновать рациональный выбор методов, оборудования и средств мониторинга сейсмической активности территории, а также обеспечить необходимый контроль напряженно-деформированного состояния земной коры.
2. Предложенная автором технология показала высокую эффективность мониторинга сейсмической активности территории Азово-Черноморского полигона на примере Нижнекубанского землетрясения 2002 г. и позволила выявить основные факторы, имеющие характер предвестников сейсмических событий для этого региона.
3. Разработанная технология может быть использована при микросейсмическом районировании территорий на этапе проектирования объектов промышленного и гражданского строительства в сейсмоопасных зонах, а также для целей мониторинга напряженного состояния среды при эксплуатации ответственных инженерных сооружении и коммуникаций.
Разработанная технология в настоящее время успешно применяется в ГНЦ ФГУГП «Южморгеология» для мониторинга сейсмической активности территории Азово-Чсрноморс кого пол и гона.
Основные защищаемые положения:
1. Технология регионального многопараметрового мониторинга сейсмической активности территории с помощью комплекса геолого-геофнзических методов.
2. Обоснование выбора методов и технических средств для регистрации параметров геофизических, ГГД и газгидрогсохимических полей.
3. Выявленные аномальное поведение геофизических полей и содержание химических элементов в грунтовых водах, имеющие характер предвестников сейсмических событий.
4. Формализованные критерии уровня сейсмической активности и сейсмической опасности контролируемой территории.
5. Направления и перспективы совершенствования средств мониторинга окружающей среды Азово-Черноморского региона.
Личный вклад автора. Диссертационная работа выполнена автором во время обучения в аспирантуре на кафедре геофизических методов поиска и разведки Кубанского государственного университета. Все основные результаты, представленные в работе и имеющие научную и практическую значимость, были получены лично автором, либо при его непосредственном участии в период работы в ГНЦ ФГУГП «Южморгеология» и в ЮНЦ РАН с 2000 по 2008 гг.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научных семинарах, совещаниях и международных конференциях, в том числе на 2-й Международной научно-технической конференции и выставке по разработке новых технических средств и технологий для работы на шельфе и в Мировом океане (НИПИокеангеофизика, г. Геленджик 2001 г.); Международной конференции «Дегазация Земли, геофизика, газгеохимические методы исследований» памяти академика П.Н. Кропоткина (г. Москва, ГЕОС 2002 г.); 4-й Международной научно-практической геолого-геофизической конкурс-конференции молодых ученых и специалистов «Геофизика-2003» (г. Санкт-Петербург, 2003); the 1-st International Workshop on Earthquake Prediction (Athens, Greece, 6-7 November 2003); Международной научно-технической конференции по проблемам нефтегазоносное™ Черного, Азовского и Каспийского морей (г. Геленджик, 2004 г.); Научно-практической конференции «Системный анализ в экономике и управлении», (г.. Таганрог, октябрь 2004 г.); Международной научной конференции молодых ученых «Молодежь в науке» (г. Минск 14-18 ноября 2005 г., HAH РБ); Международном семинаре «Геодинамика и сейсмичность Средиземноморско-Черноморско-Каспийского региона», (г. Геленджик, 2-7 октября 2006 г.); Международной научной конференции молодых ученых «Молодежь в науке» (г. Минск, 16-19 октября 2006 г. HAH РБ); Восьмой уральской молодежной научной школе по геофизике (г.Пермь, 19-23 марта 2007 г. Горный институт УрО РАН), а также на кафедре геофизических методов поиска и разведки Кубанского государственного университета.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 28 работ, 5 из которых в рецензируемых изданиях, рекомендованных перечнем ВАК, а также получен патент РФ на полезную модель.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 195 страниц текста, 10 таблиц, 48 рисунков, библиографический список включает 120 наименований.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность за научное руководство и помощь на всех этапах от постановки задачи до выполнения работы, научному руководителю профессору кафедры геофизики КубГУ, д.т.н.
B.И. Гуленко, а также заведующему кафедрой геофизики КубГУ, д.т.н,, профессору
C.И. Дембицкому.
Автор благодарен Бякову Ю.А., академику РАЕН, заслуженному геологу РФ, заслуженному деятелю науки Кубани, за научно-методическую и моральную помощь в осуществлении исследований.
Автор благодарен своим коллегам, руководителям, академикам РАН В.А. Ба-беш-ко (ЮНЦ РАН), А.А. Маловичко (ГС РАН), д.ф-м.н. Л.Е.Собисевичу (ИФЗ РАН) к.т.н. В.А. Шереметьеву (Департамент биоресурсов и экологии Краснодарского края) за тесное научно-техническое и информационное сотрудничество. Автор искренне благодарен руководству ГНЦ ФГУГП «Южмор геология» - генеральному директору к.т.н. А.П. Пронкину и главному геологу д.г-м.н. В.М.Юбко, а также своим коллегам специалистам, руководителям подразделений ГНЦ ФГУГП «Южморгеология» к.г.-м.н. Ш.А. Басенцяну и к.т.н. В.А.Фоменко, за поддержку работы и внимание к практической реализации её результатов.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность работы, сформулированы цель и основные задачи исследования, защищаемые положения, научная новизна и практическая значимость работы.
Глава 1. ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ МОНИТОРИНГА СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ 1.1. Сравнительный анализ состояния сейсмологических и геофизических наблюдений в России и за рубежом. Приведен сравнительный анализ состояния сейсмологических и геофизических наблюдений в России и за рубежом.
Наибольшая плотность сети имеет место в сейсмоактивных районах Северного Кавказа, Курило-Камчатской, Алтае-Саянской и Байкальской зон. Обширные районы Русской платформы, Урала, Западной и Центральной Сибири, европейского и азиатского Севера охвачены наблюдениями очень слабо. Если принять плотность сейсмической сети Японии за 1, то в России она составляет 0,01, в то время как в США - 0.33, в Германии - 0.26, в Канаде - 0,03 (рис. 1).
£ 1.2. Современное состояние служб РАН и федеральных органов исполнительной власти РФ в составе федеральной службы сейсмических наблюдений (ФССН). Перечисляются и кратко описываются службы, занимающиеся проблемой прогноза землетрясений на территории Российской Федерации: геофизическая служба Российской академии наук (ГС РАН);
служба мониторинга геологической среды Комитета Российской Федерации по геологии и использованию недр (СМГС Роскомнедр);
служба специального контроля Министерства обороны Российской Федерации (ССК Минобороны России);
- служба сейсмических и геодинамических охранных сетей наблюдений Министерства РФ по атомной энергии (ССГДОСН Минатома России);
- служба геодинамических наблюдений Министерства топлива и энергетики Российской Федерации (СГДН Минтопэнерго России);
- служба инженерно-сейсмометрических наблюдений Министерства строительства Российской Федерации (СИСН Минстроя России);
- служба контроля деформации земной поверхности Федеральной службы геодезии и картографии России (СКД Роскартографии).
§ 1.3. Современное состояние проблемы прогноза землетрясений. Кратко характеризуется современное состояние проблемы прогноза землетрясений, отмечается, что действовавшая до недавнего времени карта уровня прогнозируемой сейсмичности ОСР-78, вошедшая в 1981 г. в строительные нормы и правила (СНиП-П-7-81), страдает существенными недостатками. Практика показывает, что в пределах России и стран СНГ ежегодно возникают землетрясения, балльность которых на 2-3 единицы превышает уровень сейсмичности, прогнозируемой по карте. Недостатки карты ОСР-78, по нашему мнению, прежде всего, связаны с неоднородностью сейсмологических, геологических и геофизических данных, использованных при ее создании. Огромные потенциально опасные районы Европейской части России и Сибири фактически не районированы должным образом и в последней карте ОСР-97.
§ 1.4. Методики мониторинга параметров окружающей среды с целью прогноза землетрясений. Приведен обзор и краткая характеристика существующих в России методик мониторинга окружающей среды с целью прогноза землетрясений.
1 -------------—-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
0.9--" ■:■ -
X
5 0.8 ------ --------------------------------------------------------------------------
1 0,7--: -
и
¥ 0,6-----К?------
х
5 0,5--- '--------
3 0,4 .............- :: ............................................................................................................................................................................................................................................................
| 0,3 .............- --------------------------------------------------------------------—----------------------------—
1 0,2................. ............................................................................................. .................................|:й'::';: . ...........................................................................
с;
= 0,1 ................. ............................................................................................. ................................. ...........................................................................
О ..............-I .......,...............—................,......-.......^........—,................. ...............................' '................
Япония Россия США ФРГ Канада
страны
Рис. 1. Плотность сети сейсмических станций на территории России, Канады, Германии и США по сравнению с Японией, количество сейсмостанций которой на единице площади принято за единицу.
£ 1.5. Основные аппаратурпо-методические комплексы для оснащения Федеральной сети сейсмологических наблюдений в России и технические требования к ним. Приведены основные технические характеристики аппаратурно-методических комплексов и измеряемые параметры, рекомендуемые к применению в составе Федеральной Системы Сейсмологических Наблюдений (ФССН) для целей сейсмологического мониторинга, а именно: сейсмические, деформации и наклон земной поверхности, электрическое поле, электрическое сопротивление, электромагнитное поле, гидрогеологические, геохимические и геотермические параметры, электромагнитная и сейсмоакустическая эмиссия, сила тяжести.
£ 1.6. Краткий очерк истории изучения сейсмической активности на Северо-Кавказском регионе, представляет собой очерк истории становления и развития сейсмологических наблюдений на Северном Кавказе в целом и Краснодарском крае в частности.
Выводы. Кратко охарактеризованы проблемы создания системы мониторинга территории Краснодарского края и сформулирована цель диссертационной работы -разработка оптимальной технологии многопараметрового комплексного мониторинга сейсмической активности применительно к Азово-Черноморскому региону.
Глава 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКСНОГО МОНИТОРИНГА ГЕОФИЗИЧЕСКИХ, ГАЗГЕОХИ-МИЧЕСКИХ И ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ ДЛЯ ЦЕЛЕЙ ПРОГНОЗА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
§2.1. Разработка оптимального комплекса многопараметрового сейсмологического мониторинга. Обосновывается целесообразность выбора методики работ и аппаратурно-технических средств сейсмологического мониторинга Азово-Черномор-ского региона на основе анализа существующих в России и приведенных в обзоре главы 1 методов и технических средств.
Такая региональная система может стать важной частью единой системы комплексного мониторинга на Северном Кавказе и в Краснодарском крае в частности. На нее должно быть возложено:
- наблюдение, оценка, прогноз и контроль источников и факторов технических воздействий и опасных природных явлений;
- наблюдение, оценка, прогноз и контроль окружающей среды;
- своевременное обнаружение, идентификация и прогнозирование развития техногенных аварий и катастроф, а также формирующихся при этих авариях и катастрофах вредных поражающих факторов, уровней физических полей, полей концентраций радиоактивных, химических, биологических веществ;
- контроль за динамикой процессов на отдельных промышленных, сельскохозяйственных и других объектах; оценка степени опасности, складывающейся экологической обстановки при нормальном регламентном функционировании опасных объектов, а также чрезвычайных ситуаций, возникающих при технических авариях и катастрофах;
- сбор, обработка, анализ и обобщение данных об энергоемких процессах с целью выявления аномалий, являющихся предвестниками опасных природных явлений;
- проведение систематических инспекционных измерений фоновых параметров состояния окружающей природной среды;
- комплексная оценка состояния среды обитания человека, составление и ведение экологических, метеорологических, сейсмопрогностических и других карт для отдельных территорий, регионов и страны в целом.
В основу проектирования и создания Азово-Черноморского сейсмогеодина-мического полигона положены разработки НИПИОкеангеофизика и опыт многолетних исследований сейсмической активности различными организациями, как в СССР (России), так и за рубежом, кратко охарактеризованный в предыдущих разделах. При этом наибольшее внимание уделялось результатам, достигнутым на Северном Кавказе организациями: ИФЗ РАН, Севкавказгеология, Кубаньгеология, Центр ГЕОН, ЮНЦ РАН, Кубанский государственный университет и др.
$ 2.2. Методика и техника многонараметрового мониторинга. Раздел посвящен детальному описанию методики и техники многошраметрового мониторинга Азово-Черноморского региона, особенностям наблюдательной сети и техническим средствам реализации наблюдений комплексом методов, включающих:
- сейсмический мониторинг;
- мониторинг электромагнитного излучения (ЭМИ);
- мониторинг методом аудиомагнитотеллурического зондирования (АМТЗ);
- наклономерные измерения;
- мониторинг уровня и температуры подземных вод.
£2.3. Режимные газгидрогеохимические наблюдения, в том числе рассмотрены:
- мониторинг гелиевых полей;
- мониторинг содержания радона;
- методики определения содержания химических компонентов;
§ 2.4. Метод спутниковой геодезии для целей геодинамического мониторинга. Рассмотрены методы спутниковой геодезии и их возможности применения для целей сейсмического мониторинга.
Выводы. Впервые на Северном Кавказе в рамках Государственного контракта «Разработка физико-геологической концепции и технология комплексного мониторинга сейсмической активности Азово-Черноморской зоны» № ГНТД/ГК-058(00)-П от 14 января 2001г. по заказу Министерства промышленности, науки и технологий Российской Федерации и Департамента по науке и образованию Краснодарского края удалось объединить на договорной основе результаты исследований, выполненных различными предприятиями и организациями, обладающими развитыми технологиями мониторинга окружающей среды и действующими на территории Краснодарского края, с щелью разработки концепции и технологии комплексного мониторинга напряженно деформационного состояния окружающей среды для прогноза землетрясений. Это позволило реализовать систему геофизических, геологических, геохимических, гидрогеодинамических и геодезических наблюдений с целью прогноза землетрясений на территории Азово-Черноморского региона Северного Кавказа. Указанная система мониторинга защищена патентом РФ № 35445 от 29.10.2003 «Система для прогнозирования землетрясений».
Глава 3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТ ПО ВЫЯВЛЕНИЮ ВЗАИМОСВЯЗИ СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ С ОСОБЕННОСТЯМИ ВАРИАЦИЙ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ И ГАЗГЕОХИМИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ
£ 3.1. Вариации геофизических полей и содержания геохимических элементов при Нижнекубанском землетряснии 9 ноября 2002 года. Описываются параметры Нижнекубанского землетрясения 9 ноября 2002 года, его макросейсмиче-ские проявления и исторические сведения по району эпицентра.
£ 3.2. Изменение геофизических полей и геохимических параметров па примере Нижнекубанского землетрясения. Раздел посвящен анализу вариаций геофизических полей на примере Нижнекубанского землетрясения 2002 года.
Землетрясение, зарегистрированное 09.11.02 г., четко выражено в виде аномальных записей всего использовавшегося в работах аппаратурно-программного комплекса методов мониторинга сейсмической активности Азово-Черноморского региона, описанного в главе 2.
Записи сейсмического события были получены стационарной аналоговой сейсмостанцией ССМ-С и станциями площадной системы наблюдений РС,С «Дельта-ГЕОН». На рис. 2 приведены записи, характерные для близко расположенного события, станциями Анапа, Михайловский перевал и Г-180 (Голубая Бухта, г. Геленджик), использовавшиеся в дальнейшем для определения параметров события.
Регистрация сигнала этими станциями позволила при последующей математической обработке получить координаты гипоцентра землетрясения - 44° 50' 08 " северной широты и 37° 50' 21" восточной долготы с глубиной гипоцентра 16 км.
Землетрясение 03.11.02, время по Гринвичу (по данным 3-х сейсмосханций)
—^—---
ЯИ!5«5В8Я8ИЯ виавяяни»?.
81Е888181Б8!8£888888||88
Рис.2. Пример записи Нижнекубанского землетрясения сейсмостанциями Дельта-Геон (Геленджик, Анапа, с. Михайловский перевал)
Вариации электромагнитного поля. Программно-аппаратурный комплекс «Аларм-Сейсмо-002» зафиксировал аномальные значения ЭМИ, предваряющих сейсмическое событие за 40 минут, и затем флуктуации излучения в течение нескольких часов после основного толчка на всех четырех каналах записи. На записях этого периода наблюдений также фиксируется слабое местное землетрясение, произошедшее 3 ноября 2002 год (рис. 3).
Следует отметить, что при ощутимом землетрясении 6 ноября 2007 года в районе г. Анапа методом ЭМИ не было зафиксировано столь ярко выраженного аномального поведения графиков напряженности, что позволяет говорить о том, что морская
вода является естественным экраном для прохождения электромагнитных волн и не позволяет уверенно использовать аппаратуру «Алярм-Сейсмо-002» при выявлении электромагнитных предвестников землетрясений, готовящихся в море.
Мониторинг электрических полей. Электрический глубинный разрез по данным аудиомагнитотеллурического зондирования за ноябрь 2002 года носит в целом спокойный характер. Тем не менее, отмечается увеличение кажущегося сопротивления 11к, связанное, по всей видимости, с сейсмической активностью 3 и 9 ноября 2002 года. График изменения и глубинный разрез на ст. Г-180 в ноябре 2002 года полученные с помощью АКФ-4, показаны на рис. 4.
$ 3.3. Изменение содержания химических компонентов во флюидах. Отмечено полное отсутствие гелия в воде, но накануне, в течение месяца, с 23.09 по 22.10, устойчиво наблюдается аномально высокое содержание гелия (от 14.5 до 136 ед.) с
График изменения напряженности электромагнитного поля на ст.Г-180 (измерения выполнены программно-аппаратурным комплексом "Дларм-Сейсмо-002") Стрелками указаны моменты землетрясений
1 . и 1.....
1 1 г Канал !к ,
^ 3 Ьанал 1 1 к . 1. . 1 1,(1. .
... - 4 Инм 1 и! . ... А* К1
999953959599995999998559999559999959
11"НИ(11(|111М(1(1!!П1(11!11!!П'!|(1Н1Н
111111111111111 и 11111 У 11111111 У 11
Рис.3. Запись ЭМИ, полученная комплексом «Аларм-Сейсмо-002», за период с 01.11.2002 по 10.11.2002 г.
периодически ураганными всплесками, затем в течение 20 дней практически полное его отсутствие (рис. 5). Наблюдается аномально низкое содержание метана (за месяц перед землетрясением 9.09 отмечено ураганное содержание), но аномально высокое содержание тяжелых углеводородов, превышающее фоновые значения в 5 раз. Отмечены экстремально низкие значения сульфатов (1.3 при фоне 22.8 ед.), минимальные содержания железа (9.9 при фоне 13.4 ед.), силикат-иона. Особо следует отметить уменьшение рН воды до 6.75 ед., свидетельствующее о поступлении кислых газов из глубин. В данном случае свершение землетрясения сопровождается аномально минимальными геохимическими параметрами.
Дата
1.602 2.00— 2.5» 3.003.504.0» •4.60-
(¡00-1-
Рис. 4. График изменения ^ и глубинный разрез на ст. Г-180 в ноябре 2002 г. (стрелками указаны моменты землетрясений)
Содержание Не в скв. Г-180 ("Голубая бухта") за 2002г.
Рис. 5. График содержания гелия в грунтовых водах скважины Г-180 (Геленджик)
Следовательно, землетрясения сопровождаются в основном аномально низкими значениями геохимических параметров.
Полученные данные позволяют представить следующую модель формирования газогсохимического поля: перед землетрясением в водную толщу и в поверхностные донные отложения по разрывным нарушениям поступают минерализованные воды с большими объемами газовой фазы (метана и его гомологов, непредельных углеводородов, гелия, сероводорода, углекислого газа, кислорода, азота), с аномально высокими содержаниями кремнекислоты, хлор-иона, жидких углеводородов, аммонийного азота и других азотных соединений с пониженными значениями рН. В местах разгрузки глубинных минерализованных вод повышается температура, электропроводность. В процессе подготовки землетрясения выделяется легкая газообразная составляющая (гелий, метан), затем, по мере приближения сейсмического толчка, происходит разгрузка более тяжелых минерализованных вод, повышается содержание кремнекислоты и метана на фоне высоких значений рН. Далее увеличивается вынос гомологов метана и непредельных, углеводородов - этилена, этана, пропана и пропилена; затем увеличивается вынос более тяжелых углеводородных газов - бутанов и неуглеводородных газов - углекислого газа, кислорода, сероводорода. Последние порции минерализованных вод непосредственно перед землетрясением становятся обогащенными парообразными и жидкими углеводородами.
£ 3.4. Реакция ГГД поля на сейсмическую активность. По данным мониторинга гидрогеодеформационного поля, проводимого ГУП «Кубаньгеология» с 4 ноября, структура ГГД поля начала резко меняться, зоны сжатия Западного Кавказа и Ставропольской возвышенности к 9.11.02 г. (рис. б.) слились в единую крупную зону сжатия, охватывающую весь юг Краснодарского края до линии Анапа - Краснодар -Гулькевичи.
Следует отметить, что в 1998-2000 годах, аналогичное поведение уровня в скважине Геленджикского поста предшествовало прохождению мелких и средних землетрясений на Западном Кавказе и крупных разрушительных - в Турции.
Такое же четкое проявление в изменении уровня, температуры и электропроводности грунтовых вод, по данным АО «Кубаньгеология», имело событие вблизи г.Анапа (05.10.2007)- рис. 7.
По данным мировых сейсмологических центров при Индонезийском катастрофическом землетрясении в течение трех дней было зарегистрировано более 100 толчков, наибольший из которых имел магнитуду М = 8. Удаленность района землетрясений от Азово-Черноморского сейсмического полигона, где развернута сеть РСС, составляет 6900 - 7000 км. При средней скорости деформационной волны V = 3 м/с время подхода составляет 25-26 дней, что приходится на 7-8 октября 2007 г. Разброс в пределах 1-2 суток в первом приближении вполне допустим.
По нашему мнению, основной причиной данного землетрясения является подход длиннопериодных деформационных волн от мощных Индонезийских землетрясений 12-14.09.2007, что выражается также в смещении гилоцентральных зон на юго-запад по отношению к наблюдениям, проведенным в период 2001-2004 гг.
Текущая дата: 09/1 1/2002
ГГД поле и сейсмичность Краснодарского края
Карта-схема ГГД поля по данным наблюдательной сети скважин ГУП «Кубаньгеология»
Уровень ПВ I' атмосферное давп<
=ст ШС-У; с 0l.eS.2CC7 г-з 2е. 10.200?
-0,22 •0,3« -0,55
Е -0.2-в
£ -0Л
■ ; .......
»1.1 пес ату ра воды и зя^кгрспрсвсдкесгь ЦуиюмсжА пест (УСУ; с С1 05.20©? по 25.10.2:007
о.с-1 зе
в
£ 0.0122 §
§ С.012 3 0.0 Т 26 | 0.012« 0.0124
тератуса есды
Рис. 7. Данные по Чушкинскому посту £ 3.5. Вариация объемного содержания радона. Измерение параметров содержания радона были начаты только в 2006 году. Возможности методики и техники мониторинга объемного содержания радона в составе комплекса продемонстрированы в диссертационной работе на примере Анапского события 2007 года.
£ 3.6. Комплексный анализ геолого-геофизической информации. Приведен пример комплексного анализа геолого-геофизической информации по результатам
сейсмологического мониторинга полей ближних и дальних землетрясений на базе локальной сети сейсмических станций Азово-Черноморского полигона. В целях выявления общих закономерностей в особенностях сейсмической активности региона, в ходе комплексной интерпретации данных о сейсмичности, были проанализированы данные региональной сети РСС «Дельта - ГЕОН» о параметрах и местоположении гипоцентров за период 2005 - 2007 гг. в сопоставлении и с данными каталога за более ранний период 2001 -2004 гг.
На рис. 8 представлена диаграмма изменения сейсмической активности в зависимости от времени года за периоды инструментальных наблюдений сетью РСС «Дельта - ГЕОН» 2001 - 2007 гг.
Распределение землетрясений по месяцам
Рис. 8. Распределение сейсмической активности в 2001 - 2007 гг.
Как следует из анализа диаграммы, в рассматриваемый период наиболее сейсмическими являются март, сентябрь-октябрь. Аналогичная картина представляется и при анализе ранее полученных материалов в период 2001 - 2003 гг.
Распределение зафиксированных сетью РСС «Дельта - ГЕОН» сейсмических событий и их магнитуд за весь рассматриваемый период в виде распределения очагов землетрясений по магнитудам и глубине гипоцентра приведено на рис. 9.
Анализ графика взаимосвязи глубины очага и магнитуды свидетельствует о наличие трех зон, выделенных разными цветами. При этом нижняя зона соответствует мелкофокусным событиям с глубиной очагов до 5 км, часть из которых с глубинами, близкими к нулю, имеют, возможно, техногенный характер. Вторая, средняя зона, с глубинами 5-15 км, характеризует сейсмически наиболее активную зону глубинных разломов, что видно из распределения очагов по площади, представленных на соответствующих рисунках (рис.10). Третья зона соответствует глубокофокусным событиям с глубинами очагов от 15 км и глубже с «рассеянным» характером распределения по площади, как это также видно на рис.10.
40 35 30 25
3
120 с
15 10 5 О
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
Магниту да
• Землетрясения за 2005-2007г. I
Рис. 9. Распределение сейсмических событий по магнитуде и глубине гипо-_центра_
Проведенный кластерный анализ магнитуд землетрясений позволил выявить ряд закономерностей. В их распространении очевидно сгущение событий в районе г. Новороссийска. Это может быть вызвано активизацией данного сейсмогенерирующе-
Рис. 10. Расположение гипоцентров очагов, зафиксированных в период 2005 - 2007 гг., в пространстве (по горизонтальным осям указана сетка географических координат, градусы; по вертикальной оси - глубина гипоцентра, км)
го узла, а также спецификой расстановки сейсмических регистраторов, имеющих линейную структуру по побережью и триангуляционные площади охвата в районе Таманского полуострова. Все это позволяет фиксировать, при отдалении от центра расстановки свыше 100 км, только достаточно ощутимые сейсмические события.
В этой связи следует принципиально важный вывод о том, что для более достоверного и надежного изучения сейсмичности региона требуется более широкая сеть расстановки регистраторов по сравнению с существующей.
Также средствами программных картографических пакетов АгсУ1еи' и Агс018 была построена трехмерная интерактивная модель и пополняемая база данных в соответствии с оперативным каталогом местоположения гипоцентров землетрясений, позволившая более полно представить расположение гипоцентральных зон землетрясений, нежели традиционное представление в плане, т.е. с выносом на геологические или структурные карты.
<5> 3.7. Оценка сейсмогеодинамического состояния геологической среды Азо-во-Черноморского региона на основе комплексной интерпретации данных мониторинга геофизических и газгидрогеохимических нолей. Раздел посвящен заключительному, ответственному и наиболее сложному этапу работ по ведению мониторинга геофизических и газгеодииамических полей. Он предъявляет повышенные требования, как в отношении полученных эмпирических данных наблюдений, так и в отношении интерпретации собранной комплексной информации.
Исследования, выполненные в ГНЦ ФГУГП «Южморгеология», выявили тесную корреляцию сейсмической активности региона с его глубинной блоковой структурой, элементами новейшей структуры орогенной системы и глубоководной впадины. Такая корреляция представляется вполне объяснимой, поскольку, с одной стороны, давно показано, что новейшие движения и связанные с ними линейные и блоковые структуры, отраженные в рельефе земной поверхности, наиболее тесно сопряжены именно с движениями глубинных блоков и глыб земной коры.
£ 3.8. Прогноз еейсчогеодииамической активности и сейсмической опасности на территории Азово-Черноморского региона. Данный прогноз является наиболее сложной задачей, решаемой на основе анализа материалов мониторинга геофизических и газгидрогеохимических полей.
Для решения поставленной задачи при непосредственном участии автора были разработаны формализованные критерии уровня сейсмической активности и сейсмической опасности, основанные на геофизических, геологических и газгидрогеохимических признаках активизации сейсмогеодинамических процессов.
Выводы.
1. Материалы, полученные в результате выполненного в период с 2001 г. по 2008 г. мониторинга газгидрогеохимических и геофизических полей на Азово-Черноморском геодинамическом полигоне, могут являться фактологической информационной основой для прогноза сейсмогеодинамической активности и сейсмической опасности, а также могут быть использованы для разработки нормативных документов «Технических регламентов мониторинга геологической среды».
2. Полученные за тот же период материалы в целом подтвердили работоспособность комплексной наблюдательной сети в составе применявшихся методов. Мониторинг газгидрогеохимических полей в регионе с развернутым аппаратурно-методичес-ким комплексом позволяет на достоверном уровне выполнять оценку сейсмогеодинамического состояния геологической среды, несмотря на то, что сеть водо-
пунктов отбора проб на определение содержания гелия в подземных водах была распределена по сейсмоопасным регионам не равномерно.
3. Наблюдения за поведением полей гелия и радона позволили определить влияние источников энергетических воздействий на территорию Северного Кавказа. Установлено, что основное энергетическое воздействие на напряженно-деформированное состояние (НДС) Юго-Восточного и Центрального Кавказа в большей степени оказывает влияние Гимапай-Тибет-Тянь-Шаньской системы нижнемаитийных. супер-плюмов, а на НДС Северо-Западного Кавказа - дополнительно и энергетическое воздействие тектонических движений Аравийской плиты. Такая информация необходима для создания в дальнейшем региональной сети комплексного мониторинга, отвечающей современным геологическим представлениям о тектонической структуре и современной геодинамике Кавказа.
4. Установлено, что выявленное в период наблюдений разнообразие откликов полей гелия и радона на геодинамнческую активизацию является чувствительным и надежным предвестником землетрясений. Увеличение вариабельности содержания гелия и радона в подземных водах наблюдается как в случае повышения, так и в случае понижения гелиеносности в период подготовки крупных сейсмособытий. Предвестни-ковые периоды поведения гелиевого поля варьируют в широких пределах: от нескольких месяцев до нескольких суток, что требует более полного исследования данных наблюдений. Интерпретировать изменения содержания гелия и радона в подземных водах следует с определением их геодинамической позиции и связью с конкретными сейсмособытиями. А пульсационно-ритмичный характер содержания гелия и радона необходимо учитывать при прогнозе сейсмогеодинамической активности.
5. Аппаратура «Ингем-1», применяемая для определения содержания гелия, морально устарела, отсутствует база запасных частей. Данная аппаратура не позволяет применить более совершенный метод - определение соотношения гелий 3 и гелий 4.
6. Проведенная работа позволила оценить перечень основных методов и технических средств, являющихся эффективными для организации прогностической сети мониторинга на Азово-Черномоском геодинамическом полигоне. На основе полученных данных стало возможным определить концептуальную структуру и состав оптимального аппаратурио-методического комплекса для оценки сейсмогеодинамического состояния геологической среды и осуществления прогноза сейсмогеодинамической активности на территории Азово-Черноморского региона и сейсмоопасных регионов Северо-Кавказского региона в целом. Опыт проведения комплексных наблюдений показал, что в случае наличия длинных рядов наблюдений данные комплексного мониторинга дают надёжную информацию для долгосрочного прогноза состояния НДС и, в конечном итоге, землетрясений.
7. Сейсмотектонический анализ и модели глубинного строения в пределах Азово-Черноморского полигона показали реальную возможность увязки очагов сейсмичности с определенными физико-геологическими условиями и тектонической структурой контролируемых геоблоков. При этом актуальным остается нерешенный вопрос по установке донных или гидрофонных станций в Черном и Азовском морях с целью более полного контроля НДС морского дна и прилегающей суши.
8. В результате анализа и обработки сейсмических данных выполнено уточнение объемной модели формирования НДС геологической среды для морской (шель-фовой) части Азово-Черномоского полигона. С пониманием физико-геологических условий возникновения критических напряжений и характера сейсмогеодинамических
перестроек становится возможным более уверенное выявление среднесрочных, а, возможно, и краткосрочных предвестников землетрясений. Механизмы генерации сейсмической энергии могут быть подобными и в береговой зоне в районе строительства олимпийских объектов в г. Сочи. На основе полученной полной трехмерной модели становится возможным реализовать наиболее оптимальную конфигурацию прогностической сети, возможно, и для Сочинского геодинамического полигона.
9. В части сейсмологических наблюдений установлено, что пять режимных пунктов (г. Геленджик, г. Анапа, п. Михайловский перевал, п. Павловский, п. Криница) являются достаточно чувствительными к местным (слабым) землетрясениям и могут быть переведены в ранг стационарных (долговременных) пунктов режимных наблюдений с регистрацией событий минимальной магнитуды 2,8. Три пункта нуждаются в дообустройстве (заглублении, бетонировании оснований бункеров) или корректировке местоположения из-за высокого фона помех (акустические шумы, порождаемые грязевыми вулканами, карьерные взрывы, неблагоприятные геологические условия) с занижением порога чувствительности.
10. Впервые для Азово-Черноморского полигона по результатам численного моделирования характеристик локальной сети были получены оценки максимальной среднеквадратичной ошибки локализации гипоцентров землетрясений для верхней и средней коры (глубины 11 км и 22 км) и создан фрагмент трехмерной геодинамической модели. При существующей расстановке станций уверенная локализация очагов землетрясений может быть осуществлена в пределах контура 200x170 км. (широта-долгота) при глубине 50 км.
11. Существующая сеть сейсмических станций на основе анализа показателей локальных тектонических напряжений по пространствеппо-времеипому распределению слабых местных землетрясений позволяет осуществлять прогноз опасных сейсмических событий (М от 4,5 до 5,0) на Азово-Черноморском полигоне.
12. Важной особенностью, установленной в период мониторинга, можно считать тот факт, что прямой связи деятельности грязевых вулканов в Северо-Западной части Кавказа с низкомагнитудной сейсмической активностью не обнаружено.
13. Мониторинг ЭМИ на обоих полигонах из-за наличия на них по одному аппаратному комплексу «Аларм-Сейсмо-002», к сожалению, не выявил информационных и прогнозных предвестников. Вероятным и пока возможным объяснением этого можно считать, что пьезо- и: магнитоэффекты глубокофокусных землетрясений электрически экранируются высокоминерализованными подземными водами.
14. В результате выполненных работ можно констатировать, что Азово-Черно-морский геодинамический полигон отвечает требованиям, предъявляемым к системам наблюдении в составе Государственного мониторинга состояния недр.
Глава 4. НАПРАВЛЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СРЕДСТВ МОНИТОРИНГА ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ АЗОВО-ЧЕРНОМОРСКОГО РЕГИОНА
¿> 4.1. Развитие организационно правового обеспечения мониторинговых работ для прогноза сейсмической активности. Предлагается создание центра прогнозирования землетрясений и оценки сейсмического риска, которое решит главные проблемы в организации системы прогнозирования землетрясений: сбор, формализацию, структурирование, хранение первичной сейсмологической информации в виде соот-
ветствующих баз данных; организацию доступа к этим базам данных всем заинтересованным организациям и лицам; обработку первичной информации; анализ и обобщение, формирование и представление прогноза возможных сейсмособытий, а также проведение инструментальной оценки сейсмостойкости зданий и сооружений.
£ 4.2. Развитие иниовционно-технического обеспечения мониторинга сейсмической активности Азово-Черноморскогорегиона. Нам представляется целесообразным дополнить существующую сеть некоторым количеством новых постов мониторинга со сгущением их в социально значимых районах и прилегающих территориях, таких, как район Большого Сочи и Красной поляны, области, слабо охваченные наблюдательной сетью мониторинга, но вместе с тем имеющие высокую плотность населения и застройки техническими сооружениями (тоннели, виадуки, эстакады).
Исходя из опыта работ, общее количество сейсмических станций в Краснодарском крае должно быть не менее 20-25, в том числе не менее 8-10 в районе Большого Кавказского хребта, где в случае событий с балльностью 5-6 по шкале Рихтера могут иметь место значительные разрушения из-за смещения оползневых масс.
Детально рассматриваются вопросы мониторинга района г. Сочи в связи с предстоящими Олимпийскими играми и связанным с этим масштабным строительством инженерных сооружений в сейсмоопаснон зоне.
Рассматриваются также возможности размещения пунктов мониторинга в прибрежной части акваторий Азовского и Черного морей: решение этой задачи предполагается на основе создания и использования автономных донных станций сейсмологического мониторинга.
Автор уделяет большое внимание совершенствованию программного обеспечения и современных средств коммуникаций для улучшения эксплуатационных показателей существующей сети мониторинга.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате выполненных исследований получены следующие результаты:
1. Проведен анализ существующих методов и технических средств, применяемых для мониторинга сейсмической активности контролируемых территорий, на основе которого выполнено обоснование выбора современного комплекса методов и цифровых технических средств мониторинга.
2. Разработана и исследована технология многопараметрового мониторинга на основе предложенного комплекса геофизических, гидрогеодеформационных и газгид-рогеохимических методов.
3. Наиболее важным результатом проведенных работ следует считать ввод в эксплуатацию комплексной сети наблюдений, созданной на основе разработанной технологии и обеспечивающей в Азово-Черноморском регионе многопараметровый мониторинг геодинамической активности.
4. Оценка эффективности применения предложенной технологии выполнена на примере регистрации параметров геофизических, ГГД и газгидрогеохимических полей реальных землетрясений, произошедших в регионе: Нижнекубанского землетрясения 9 ноября 2002 года и других. Выявлены аномальное поведение геофизических полей и
содержание химических элементов в грунтовых водах, имеющие характер предвестников сейсмических событий.
5. Выполненные исследования возможностей развернутой системы наблюдений показали, что Азово-Черноморский геодинамический полигон в целом отвечает требованиям, предъявляемым к подобным системам в составе Государственного мониторинга состояния недр и позволяет осуществлять прогноз опасных сейсмических событий (М от 4,5 до 5,0) на Азово-Черноморском полигоне.
6. На основе многолетних результатов многопараметрового мониторинга сформулированы критерии уровня сейсмической активности и сейсмической опасности контролируемой территории.
Оценивая перспективы дальнейшего совершенствования методов мониторинга необходимо наметить следующие возможные направления работы:
1. Создание краевого (или Северо-Кавказского) центра прогнозирования землетрясений и оценки сейсмического риска. Это позволит объединить усилия разных организаций и решить главные проблемы в создании системы прогнозирования землетрясений: централизованный сбор, хранение, обработку, анализ и обобщение первичной сейсмологической информации, а также и другие задачи, позволяющие повысить достоверность прогноза.
2. Существующую сеть следует дополнить некоторым количеством новых постов мониторинга со сгущением их в социально значимых районах и прилегающих территориях, таких как, район Большого Сочи и Красной поляны, а также области, слабо охваченные наблюдательной сетью.
3. Наблюдательной сетью должны быть охвачены и акватории Азовского и Черного морей, примыкающие к побережью Краснодарского края. Решение этой задачи предполагает создание автономных донных станций сейсмологического мониторинга.
4. В целях более эффективного анализа сейсмических событий целесообразно обратить существенное внимание на возможности более глубокого и разностороннего использования различных методов обработки полученных материалов, в т.ч. вейвлет-анализа, многомерного математического моделирования, объемно-кластерных моделей среды и т.д.
Список основных публикаций по теме диссертации (в скобках указаны соавторы)
1. Нижнекубанское землетрясение 9 ноября 2002 г.: Результаты макро-сейсмического обследования // Физика Земли. - 2003. - № 11,- С.42-53.(Татевосян Р.Э., Плетнев К.Г., Шестопалов В.Л.)
2. Сейсмогеодипамический мониторинг территории Краснодарского края // Известия национальной академии наук Беларуси. Серия: химические науки. № 5,-Минск: «Белорусская наука», 2005,- С. 148-151.(Шестопалов П.В., Зульматов A.C.)
3. Перспективы прогноза землетрясений по комплексу геофизических, геохимических и астрономо-геодезических методов // Геофизика.- 2005.- № 5. - С.65-68.( Бабешко В.А.., Шереметьев В.М., Круглякова Р.П., Шестопалов В.Л.
4. Прогноз землетрясений по комплексу геофизических, геохимических и астрономо-геодезических методов // Известия ТРТУ № 8. Тематический выпуск «Сис-
темный анализ в экономике и управлении». - Таганрог: Изд-во ТРТУ. 2005г.-С.38-44.(Бабешко В.А.)
5. Научно технические предпосылки страховых гарантий жизни и здоровья граждан от природных катастрф // Известия ТРТУ № 8. Тематический выпуск «Системный анализ в экономике и управлении». - Таганрог: Изд-во ТРТУ. 2005г.-С.99-ЮЦКруглякова Р.П., Шестопалов П.В.)
6. Геодинамические исследования в Черноморском регионе Северного Кавказа» // Разведка и охрана недр.- 2001. - № 8.-С.55-58.(Басенцян Ш.А.)
7. Создание системы страхования рисков природных катастроф на территории Краснодарского края // Сборник трудов конференции молодых ученых «Молодежь в науке» (Минск, 17-19 октября 2006). Часть 1. - Минск: Белорусская наука, 2007. -С.438-443 (Егорова A.B.)
8. Мониторинг и прогноз сейсмической опасности Северного Кавказа / Тез.докл. «Теория и практика морских геолого-геофизических исследований». Материалы 2-й Международной научно-технической конференции и выставки по разработке новых технических средств и технологий для работы на шельфе и в Мировом океане.- Геленджик, 2001.-С.17-20. (Басенцян Ш.А.)
9. Разработка оптимального комплекса геолого-геофизических и физико-химических методов для прогнозирования сейсмической активности Азово-Черноморской зоны / Тез.докл. «Теория и практика морских геолого-геофизических исследований». Материалы 2-й Международной научно-технической конференции и выставки по разработке новых технических средств и технологий для работы на шельфе и в Мировом океане.- Геленджик, 2001.-С.29-34. (Круглякова Р.П., Шестопалов В.Л.)
10. К вопросу определения временных вариаций отвесной линии с использованием гравиметрической аппаратуры / Тез.докл. «Теория и практика морских геолого-геофизических исследований». Материалы 2-й Международной научно-технической конференции и выставки по разработке новых технических средств и технологий для работы на шельфе и в Мировом океане,- Геленджик, 2001.-С. 97-100. (Науменко-Бондаренко И.И.)
11. Концепция комплексных геолого-геофизических работ для целей инженерного строительства в переходных зонах / Тез.докл. «Теория и практика морских геолого-геофизических исследований». Материалы 2-й Международной научно-технической конференции и выставки по разработке новых технических средств и технологий для работы на шельфе и в Мировом океане.- Геленджик, 2001.-С.70-77 (Круглякова Р.Н., Котов И.Н., Шестопалов В.Л.)
12. Прогнозирование землетрясений в морских сейсмогенных зонах по физико-химическим характеристикам / Материалы международной конференции «Дегазация Земли, геофизика, газгеохимические методы исследований» памяти академика П.Н. Кропоткина,- М.: ГЕОС, 2002,- С.164-166. (Круглякова Р.П., Курилов П.И.)
13. Исследования геодинамики Краснодарского края методами спутниковой геодезии / Тезисы юбилейной международной конференции «225 лет МИИГАиК». -Москва, 2004.( Глумов В.П., Шестопалов В.Л.)
14. Исследования сейсмической активности в Краснодарском крае по данным геофизических полей» (тезисы доклада) / Тез.докл. 4-й Международной научно-практической геолого-геофизической конкурс-конференции молодых ученых и спе-
циалистов «Геофизика-2003».-СПб, 2003,- С.30-31 .(Шестопалов П.Л., Шестопалов В.Л.)
15. Research Seismic Activity in Krasnodar Region on the Data of Geophysical Fields / Тез.докл. The 1-st International Workshop on Earthquake Prediction. Athens, Greece, 6-7 November, 2003. без нумерации страниц ( Shestopalov V., Tatevosjan R.)
16. Разработка научно-методической основы комплексного мониторинга сейсмической активности Азово-Черноморской зоны./ Научио-технический отчет о выполненных работах по государственному контракту № 43.600.14.0058 от 31.12.2002, УДК 550.8.01.(23) (окончательный) (разделы 3, 4), Фонды НИПИокеангеофизика. 2003. 81 с. (Басенцяи Ш.А., Круглякова Р.П., Шестопалов В.Л. и др.)
17. Комплексная система мониторинга сейсмической активности Краснодарского края по данным геофизических полей /Тез. докл. Международной научно-технической конференции по проблемам нефтегазоносности Черного, Азовского и Каспийского морей. «Нефть и газ Черного, Азовского и Каспийского морей» Геленджик, 2004. - С.127-129.( Бабешко В.А., Шереметьев В.М., Шестопалов В.Л.
18. Regime supervision over activity of mud volcanoes in the Azov Sea and in coastal Kerch-Taman region of Russia / Тез.докл. VIII International conference on Gas in Marine Sediments VIGO- SPAIN, 2005. - p.30-31.( Kruglyakova R.P., Kurilov P.I.)
19. Научно-технические предпосылки страховых гарантий жизни и здоровья граждан от природных катастроф» / Тез. докл. Международного семинара «Геодинамика и сейсмичность Средиземноморско-Черноморско-Каспийского региона». - Геленджик : ККО ЕАГО, 2006. - С.29-33.(Новоселов А.И., Лукянченко Л.В.)
20. Геодинамические обсервационные станции для раннего оповещения сейсмической активности на дне Черного моря / Тез. докл. Международного семинара «Геодинамика и сейсмичность Средиземноморско-Черноморско-Каспийского региона». - Геленджик : ККО ЕАГО, 2006. -С.ЗЗ. (Димитров П., Траяиов Т., Бяков Ю., Солаков Д., Димитров Д., Пейчев В.)
21. Основные результаты и перспективы работы тематической партии сейсмо-геодинамического мониторинга за 2004-2006 г.г./ Тез. докл. Международного семинара «Геодинамика и сейсмичность Средиземноморско-Черноморско-Каспийского региона». - Геленджик : ККО ЕАГО, 2006. - С.87-92. (Фоменко В.А., Мащенко А.В)
22. Изучение строения Черноморской прибрежной полосы Краснодарского края методом обменных волн землетрясений (МОВЗ)/ Тез. докл. Международной научно-технической конференции «Геология, ресурсы, перспективы освоения нефтегазовых недр Прикаспийской впадины и Каспийского региона».- М, 2007.- С. 81-87. (Нечаев Б.В.)
23. Направления модернизации технических средств мониторинга ГНЦ ФГУГП «Южморгеология» / Сборник материалов 8-й уральской молодежной научной школы по геофизике. Пермь: Горный институт УрО РАН, 2007.- С.8-11.(Арашкевич IC.O.)
24. Основные результаты и перспективы работы тематической партии сейсмо-геодипамического мониторинга / Сборник материалов 8-й уральской молодежной научной школы по геофизике. Пермь: Горный институт УрО РАН, 2007.- С.264-268. (Фоменко В.А., Мащенко A.B.)
25. Изучение строения Черноморской прибрежной полосы Краснодарского края методом обменных волн землетрясений // Геологический вестник КубГУ. - № 1.2009. - С.44-50. (Ратнер С.В., Фоменко В.А., Нечаев Б.В., Гуленко В.И.)
26. Результаты комплексного сейсмогеодинамического и газ-геохимического мониторинга и прогноза сейсмической активности Северного Кавказа» // Геологический вестник КубГУ. -№ 1.-2009,- С.51-54. (Ратнер C.B., Фоменко В.А.)
27. Геодинамические донные станции экологического мониторинга для раннего оповещения о сейсмической активности / Тез. докл. «Современные проблемы морской инженерной экологии», Материалы международной научной конференции Рос-тов-на -Дону: ЮНЦ РАН, 2008. - С.255-256. (В.А.Фоменко)
28. Мониторинг геофизических и газгеохимических полей Азово-Черноморского побережья Краснодарского края / Тез. докл. «Современные проблемы морской инженерной экологии». Материалы международной научной конференции Ростов-на-Дону. ЮНЦ РАН, 2008 - С.21 (К.О. Арашкевич, Б.В.Нечаев, В.А.Фоменко, B.JI. Шестопалов).
29. Свидетельство на ПМ «Система для прогнозирования землетрясений» патент RU № 35445 от 29.10.2003 г. (Бяков Ю.А, Котяшкин С.И., Круглякова Р.П., Шестопалов B.JI.)
Подписано в печать 29.01.2010 г. Печать цифровая. Тираж 120 экз. Тираж изготовлен в ООО «СИ Технолоджи Инструменте» 353477 Краснодарский край, г. Геленджик, ул. Ручейная, 8. Тел.: (86141) 2-66-15; факс: (86141) 2-66-01.
Содержание диссертации, кандидата технических наук, Бяков, Алексей Юрьевич
1.2.1. 1.2.2.
1.2.3.
1.2.4.
1.2.5.
1.2.6. 1.2.7.
1.5.1.
1.5.2.
1.5.3.
1.5.4.
1.5.5.
1.5.6.
1.5.7.
Оглавление
Заключение Диссертация по теме "Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых", Бяков, Алексей Юрьевич
3.9. Выводы по главе
1. Материалы, полученные в результате выполненного в период с 2001 г. по настоящее время мониторинга газгидрогеохимических и геофизических полей на Азово-Черноморском сейсмогеодинамическом полигоне, могут являться фактологической информационной основой для осуществления прогноза сейс-могеодинамической активности и сейсмической опасности, а также могут быть использованы для разработки нормативных документов Технических регламентов мониторинга геологической среды.
2. Полученные за последние 10 лет материалы, в целом подтвердили работоспособность комплексной наблюдательной сети в составе применявшихся методов. Мониторинг газгидрогеохимических полей в Азово-Черноморском регионе с развернутым аппаратурно-методическим комплексом позволяет на аппаратурном уровне выполнять оценку сейсмогеодинамического состояния геологической среды, несмотря на то, что существующая сеть водопунктов отбора проб на определение содержания гелия в подземных водах в исследуемом регионе нельзя считать достаточной.
3. Наблюдения за поведением полей гелия и радона в целом по региону позволили определить влияние источников энергетических воздействий на территорию Северного Кавказа. Установлено, что основное энергетическое воздействие на НДС Юго-Восточного и Центрального Кавказа, в большей степени оказывает влияние Гималай-Тибет-Тянынаньской системы нижнемантийных суперплюмов, а на НДС Северо-Западного Кавказа — дополнительно и энергетическое воздействие тектонических движений Аравийской плиты. Такая информация необходима для создания в дальнейшем региональной сети комплексного мониторинга, отвечающей современным геологическим представлениям о тектонической структуре и современной геодинамике Кавказа.
4. Установлено, что выявленное в период наблюдений разнообразие откликов полей гелия и радона на геодинамическую активизацию является чувствительным и надежным предвестником землетрясений. Увеличение вариабельности содержания гелия и радона в подземных водах наблюдается как в случае повышения, так и в случае понижения гелиеносности в период подготовки крупных сейсмособытий. Предвестниковые периоды поведения гелиевого поля варьируют в широких пределах от нескольких месяцев до нескольких суток, что требует более полного исследования данных наблюдений. Интерпретировать изменения содержания гелия и радона в подземных водах следует с определением их геодинамической позиции и связью с конкретными сейсмособы-тиями. А пульсационно-ритмичный характер содержания гелия и радона необходимо учитывать при прогнозе сейсмогеодинамической активности.
5. Проведенная работа позволила оценить перечень основных методов и технических средств, являющихся эффективными для организации прогностической сети мониторинга на Геленджикском геодинамическом полигоне. На основе полученных данных стало возможным определить концептуальную структуру и состав оптимального аппаратурно-методического комплекса для оценки сейсмогеодинамического состояния геологической среды и осуществления прогноза сейсмогеодинамической активности, сейсмической опасности на территории Геленджикского полигона и сейсмоопасных регионов СевероКавказского региона в целом. Опыт проведения комплексных наблюдений показал, что в случае наличия длинных рядов наблюдений, данные комплексного мониторинга дают надёжную информацию для долгосрочного прогноза состояния НДС и, в конечном итоге, землетрясений.
6. Сейсмотектонический анализ и модели глубинного строения в пределах Геленджикского полигона, показали реальную возможность увязки очагов сейсмичности с определенными физико-геологическими условиями и тектонической структурой контролируемых геоблоков. При этом актуальным остается нерешенный вопрос по установке донных или гидрофонных станций в Черном и Каспийском морях с целью более полного контроля НДС морского дна и прилегающей суши.
7. Выполненная работа и полученные результаты подчёркивают необходимость обязательного комплексирования различных методов исследований, что позволит с большей достоверностью прогнозировать время, место и силу сейсмического события. Следующей задачей прогностических работ является повышение достоверности экспериментальных данных и формирования конкретного образа сигнала предвестника. В силу различных геолого-геофизических и орографических особенностей района, геологических свойств очаговых зон, степени тектонической активизации, мозаичности напряженно-деформируемого состояния пород земной коры характер проявления предвест-никовых сигналов может изменяться. Поэтому для надежного прогноза, выявления наиболее общих закономерностей и формирования образов сигналов-предвестников сейсмических событий необходим набор статистического материала в большом объёме (многолетняя база данных).
8. В результате анализа и обработки сейсмических данных выполнено уточнение объемной модели формирования НДС геологической среды для морской (шельфовой) части Азово-Черномоского полигона. Понимание физико-геологических условий возникновения критических напряжений и характера сейсмогеодинамических перестроек становится возможным более уверенное идентифицирование среднесрочных, а, возможно, и краткосрочных предвестников землетрясений. Механизмы генерации сейсмической энергии могут быть подобными и в береговой зоне в районе строительства Олимпийских объектов в г. Сочи. На основе полученной полной трехмерной модели становится возможным реализовать наиболее оптимальную конфигурацию прогностической сети для Геленджикского и, возможно, Сочинского геодинамических полигонов.
9. Мониторинг ЭМИ комплексом «Аларм-Сейсмо-002» пока не выявил однозначных информационных и прогнозных предвестников. Вероятным и пока возможным объяснением этого можно считать то, что пьезо- и магнито-эффекты глубокофокусных землетрясений электрически экранируются высокоминерализованными подземными водами.
10. Опыт мониторинга сейсмической активности Азово-Черноморского региона с использованием комплексов «Дельта —Геон» свидетельствует о достаточно высокой активности региона со значительным количеством событий в диапазоне магнитуд от 2 до 4 баллов. Землетрясения с магнитудой 4 и более баллов имели место достаточно редко, что не исключает их проявления в предстоящее время. Пространственное распределение землетрясений по площади выявляет ряд линиаментов повышенной активности и явления миграции сейсмоактивных зон. В части особенностей глубинной локализации очагов землетрясений наиболее сейсмоактивным является диапазон глубин 10—15 км. Наличие событий, связанных с диапазоном глубин менее 5 км, включая поверхностные, может быть по нашему мнению обусловлено техногенными факторами, в частности, промышленными взрывами в карьерах и при строительстве.
11. В части технических возможностей сейсмологических наблюдений установлено, что пять режимных пунктов (г. Геленджик, г. Анапа, п. Михайловский Перевал, п. Павловский, п. Криница) являются достаточно чувствительными к местным (слабым) землетрясениям и могут быть переведены в ранг стационарных (долговременных) пунктов режимных наблюдений с регистрацией событий минимальной магнитуды 2,8. Три пункта нуждаются в дообустрой-стве (заглублении, бетонировании оснований бункеров) или корректировке местоположения из-за высокого фона помех (акустические шумы, порождаемые грязевыми вулканами, карьерные взрывы, неблагоприятные геологические условия) с занижением порога чувствительности.
12. Впервые для Азово-Черноморского полигона по результатам численного моделирования характеристик локальной сети были получены оценки максимальной среднеквадратичной ошибки локализации гипоцентров землетрясений для верхней и средней коры (глубины 11 км и 22 км) и создан фрагмент трехмерной геодинамической модели. При существующей расстановке станций уверенная локализация очагов землетрясений может быть осуществлена в пределах контура 200 х 170 км (широта-долгота) при глубине 50 км. В свете полученных оценок точности параметров существующая сеть сейсмических станций на основе анализа показателей локальных тектонических напряжений по пространственно-временному распределению слабых местных землетрясений позволяет осуществлять прогноз опасных сейсмических событий (М от 4,5 до 5,0) на Азово-Черноморском полигоне.
13. Таким образом, можно констатировать, что Азово-Черноморский геодинамический полигон отвечает требованиям, предъявляемым к системам наблюдений в составе Государственного Мониторинга Состояния Недр.
4. НАПРАВЛЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
СРЕДСТВ МОНИТОРИНГА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ АЗОВО-ЧЕРНОМОРСКОГО РЕГИОНА
Основываясь на результатах проведенных исследований и анализе опыта аналогичных работ в других сейсмоопасных регионах России и мира [117], следует еще раз подчеркнуть, что проблема исследований и, в особенности прогноза сейсмической активности, в том числе отдельных событий, представляется крайне сложной и на сегодняшний день до конца не решенной задачей.
Для эффективного решения этой проблемы, соответствующего уровню наиболее продвинутых в ее решении стран (Япония, Китай, США), потребуется, по мнению автора, комплексный подход, включающий реализацию целого ряда мероприятий не только регионального, но и федерального уровня :
- организационно-правовых,
- инновационно-технологических.
Остановимся более подробно на нашем понимании содержания и сути этих мероприятий.
4.1. Развитие организационно-правового обеспечения мониторинговых работ для прогноза сейсмической активности
Как уже отмечалось нами в первой главе, на территории Северного Кавказа и в Краснодарском крае действует значительное число организаций различного ведомственного и отраслевого подчинения, проводящих мониторинг сейсмологической обстановки и долговременные исследования геологических структур: АО (ГУЛ) «Кубаньгеология», ГНЦ ФГУГП «Южморгео-логия», КубГУ, ЮНЦ РАН, ГУП «Кавказгеолсъемка, Центр ГЕОН и многие другие, а также Геофизическая служба РАН, ведущая глобальный мониторинг сейсмической активности на федеральном и общемировом уровне.
В то же время, получаемая ими информация разрознена и недоступна для большинства исследователей, не сопоставляется и в комплексе не анализируется для воссоздания полной картины природных процессов, происходящих в земной коре. Создание центра прогнозирования землетрясений и оценки сейсмического риска решит главные проблемы в организации системы прогнозирования землетрясений: сбор, формализацию, структурирование, хранение первичной сейсмологической информации в виде соответствующих баз данных; организацию доступа к этим базам данных всем заинтересованным организациям и лицам; обработку первичной информации; анализ и обобщение, формирование и представление прогноза возможных сейсмособытий, а также проведение инструментальной оценки сейсмостойкости зданий и сооружений [4; 13]
В этой связи в функции центра должны входить разработка технического регламента на организацию и функционирование комплексных сейсмологических и геодинамических полигонов и станций.
С точки зрения автора такой региональный центр можно создать на базе Кубанского государственного университета — аттестованного члена мировой ассоциации организаций, ведущих сейсмологические исследования (IRIS), который обеспечивает доступ центра к мировой базе данных сейсмологических наблюдений, либо на базе ГНЦ ФГУГП Южморгеология, обладающей собственным Центром Мировых Геологических данных (ЦМГД), необходимыми вычислительными мощностями и каналами связи, в кооперации с АО «Кубань-геология», располагающей сетью наблюдательных пунктов, а также отделениями МЧС по Краснодарскому краю [118].
Центр должен выполнять функции постоянно действующего органа по осуществлению единой научно-технической политики и региональной системы сбора и обработки сейсмологических наблюдений. Выдавать соответствующие реальной обстановке оперативные сводки о состоянии окружающей среды по аналогии с бюллетенями о прогнозе погоды.
При этом предполагается кооперация такого центра по организации совместной деятельности с сейсмологическими организациями, расположенными как на Северном Кавказе, так и в странах Черноморского экономического сотрудничества (ЧЭС).
Наиболее удобным местом для размещения такого центра с учетом существующей инфраструктуры организаций участников, расположения органов власти, регионального ситуационного центра МЧС является, по нашему мнению, г. Краснодар. Организационно, на наш взгляд, такой центр целесообразно подчинить Департаменту природных ресурсов и экологии Краснодарского края.
4.2. Основные направления инновационно-технического развития средств мониторинга сейсмической активности Азово-Черноморского региона
4.2.1. Развитие сети комплексных наземных станций геофизического и газ - геохимического мониторинга
Как следует из результатов проведенных исследований, для повышения надежности геолого-геофизической и социально экономической эффективности мониторинговых работ принципиально важное значение имеет площадной охват исследуемого региона с достаточно высокой плотностью наблюдательной сети, контролирующей узловые точки литосферных блоков и сейс-могенерирующие структуры.
В этой связи представляется целесообразным дополнить существующую сеть дополнительным количеством постов мониторинга со сгущением их в социально значимых районах и прилегающих территориях, таких как, район Большого Сочи и Красной поляны, как области, слабо охваченные наблюдательной сетью мониторинга, но вместе с тем имеющие высокую плотность населения и застройки техническими сооружениями (тоннели, виадуки, эстакады).
Исходя из опыта работ, общее количество сейсмических станций в Краснодарском крае должно быть не менее 20-25, в том числе не менее 8-10 в районе Большого Кавказского хребта, где в случае событий с бальностью 5-6 по шкале Рихтера могут иметь место значительные разрушения вследствие смещения оползневых масс.
Исходя из реальных экономических предпосылок, целесообразно в структуре сети предусмотреть на 1 этапе (2010-2012 гг.) формирование 4-5 опорных станций в узловых точках, характеризующихся расширенными возможностями сейсмогеодинамического мониторинга. Соответственно, оборудование этих станций, по нашему мнению, должно включать в себя следующий комплекс аппаратурных средств [71] :
- автоматизированные сейсмические станции типа ЗОАБ, «Угра» (разработки ГС РАН), сертифицированные в соответствии с международными стандартами, имеющие высокую тензочувствительность, возможность записи и хранения неограниченного количества информации средствами телеметрии и современное программное обеспечение;
- станциями АИС «Земля» с системой автоматического измерения и телеметрической передачей данных;
- датчиками - анализаторами содержания радона-торона в подпочвенном воздухе;
- измерителями деформаций (акустическим методом по радиальному и продольному резонансу обсадной трубы наблюдательной скважины);
- экспресс - газоанализаторами содержания гомологов метана и углеводородов;
- измерителями акустической эмиссии в диапазонах частот от 0,01 до 0,05 Гц;
- измерителями электромагнитной эмиссии, магнитного и электромагнитного поля Земли;
- автоматизированными системами экспресс - анализа химических компонентов флюидов;
- системами дистанционного измерения деформаций Земной поверхности с применением ОРЭ-ГЛОНАСС технологий по оголовку скважины, либо с установкой уголковых отражателей.
По мнению автора, учитывая опыт ГНЦ ФГУГП «Южморгеология» в создании мобильных лабораторных комплексов контейнерного типа, техническая реализация могла бы представлять собой мобильный лабораторный комплекс с автономным питанием, местом отдыха персонала и рабочей лабораторной зоной и перечисленным выше оборудованием на базе морского контейнера либо жилого вагончика.
Расположение опорных станций целесообразно определить вблизи крупных городов, таких как: Краснодар, Геленджик, Анапа и Сочи, имеющих на своей территории химико-аналитические лаборатории для углубленного анализа химического состава проб воды наблюдательных скважин и контролирующих основные литосферные блоки и сейсмогенерируюшие структуры района.
Остальные станции, по мере возможности, должны быть оборудованы аппаратурой, позволяющей осуществлять сбор, хранение и передачу информации в автоматизированном режиме с минимальным участием оператора.
Очевидно также, что наряду с промышленной эксплуатацией комплекса многопараметрового мониторинга, должна вестись и научно исследовательская и опытно-методическая работа по разработке, опробованию и внедрению новых технических средств мониторинга, хорошо зарекомендовавших себя в других регионах России и в мире.
4.2.2. Проблема мониторинга района Сочи
В связи с важностью экономико-социального характера мониторинга района Большого Сочи остановимся на этом вопросе более детально.
Крупные землетрясения на Черноморском побережье Кавказа (район гг. Туапсе, Сочи, Сухуми) и в прилегающей высокогорной части Большого Кавказа известны по палеосейсмологическим и историческим данным. За последние 150 лет в прибрежной части района г. Сочи семибальные землетрясения происходили в 1870, 1955 и в 1970 годах [101]. Известный Сочинский рой» 1969-1971 гг. верхнекоровых землетрясений (энергетический класс К=9-13) характеризовался несколькими волнами вспарывания прослеживающегося вдоль побережья северо-западного разлома, распространявшимся с юго-востока на северо-запад и сопровождавшимся смещениями морского дна, цунами, оползнями. В г. Сочи ощущались сейсмические толчки, направленные на северо-восток [103]. О залповых выбросах в окружающую среду глубинных газов и ионных потоков свидетельствуют «запах серы» в воздухе, пепловидные выделения, святящиеся образования в почво-грунтах и асфальте, фосфоресценция морской воды.
Слабая сейсмическая активность в районе возобновилась с конца 1990 годов. Глобальный цикл сейсмической активизации 2002-2004 гг., выраженный на Северном Кавказе Нижнее -Кубанским и другими землетрясениями, отчётливо проявился и в районе г. Сочи. С 29.02.2002 г. сейсмостанциями отмечено заметное усиление сейсмической активности на Большом Кавказе вдоль прибрежной части Чёрного моря в виде роя из более 20 землетрясений, среди которых 6 имели магнитуду 2,7-3,3 и ощущались на территории Большого Сочи силой до 4-5 баллов. Эпицентры роя приурочены к тому же активному тектоническому узлу, в котором имели место землетрясения 19691971 гг. В апреле 2002 года сейсмостанцией Сочи был зафиксирован рой слабых подземных толчков у комплекса Дагомыс и пос. Барановка в горной местности. За период с 20 по 25 апреля 2002 года произошло 20 сейсмических ударов, сопровождаемых подземным гулом. В 2005-2007 гг. в прибрежной и высокогорной части района зафиксированы слабые сейсмические толчки, свидетельствующие о снижении сейсмической активности и накоплении глубинной энергии в сейсмогенерирующих областях.
Район г. Сочи находится в зоне воздействия глубинных энергетических импульсов, поступающих по активным трансрегиональным разломам из центральной части Альпийско-Гималайского пояса с юго-запада, юга и юго-востока. К таким разломам относятся, прежде всего, разломы северозападного (кавказского) и северо-западного (красноморского) направлений, состоящие из серии субпараллельных разрывов и геодинамически связывающие район с высокосейсмичными зонами Восточной Турции, Армении и Северо-Западного Ирана. По разломам северо-восточной (индо-памирской) и субмеридиональной (уральской) ориентировки район имеет геодинамическую связь с сейсмогенными зонами Западной и Центральной Турции. Район г. Сочи находится на продолжении субширотного Пшекиш-Тырныаузского разлома, играющего роль эффективного геодинамического барьера для глубинных энергетических импульсов с юга и юго-запада. Кроме того, следует учитывать влияние внешнего кольцевого разлома Восточно-Черноморской впадины, в центральной части которой в последние годы зафиксированы глубокофокусные землетрясения.
При создании сети мониторинговых наблюдений района г. Сочи целесообразно контролировать сейсмическую активность каждого из указанных разломов. Наиболее сильные сейсмические удары характерны для локальных тектонических узлов, образованных сопряжением активных разломов разных направлений. Поэтому сеть пунктов мониторинга должна быть достаточно густой. Для обеспечения оптимальной сети мониторинга сегмент геодинамического полигона предполагается в составе 2-х частей: прибрежной и морской части.
Мониторинг прибрежной части будет охватывать территорию сейс-моопасных районов, прилегающих к олимпийским объектам. На первом этапе предполагается включение территории мониторинга, заключенной между горой Фишт, Верхнее - Кубанский полигон, Адлер, 30 км от Адлера в море, 30 км от моря к Туапсе, полигон Кубанского госуниверситета - Горячий ключ.
Сейсмический мониторинг. С целью обеспечения регистрации сейсмических событий до магнитуды М =2,5 предполагается установка 8-ми сейсмических станций с обеспечением условий триангуляции. Такая сеть станций будет обеспечивать сбор сейсмический информации в реальном времени по алгоритму обнаружения и определения параметров сейсмических событий. Телеметрическая сеть должна работать в 3-х режимах сбора информации ARGOS, GPRS и на оптоволоконных линиях связи. Центр обработки должен располагаться в пунктах Красная поляна, в г. Сочи - морской модуль.
Мониторинг электромагнитных излучений (ЭМИ). Геологические условия из-за наличия кристаллических пород, не экранированных высоко-минерализированными подземными водами, позволяют организовать мониторинг ЭМИ в низкочастотном диапазоне. Предполагается установка 3-х или 4-х станций типа «Алярм-Сейсмо», включенных в общую систему сбора. Места установки станций с учетом их радиуса действия 130-180 км будут расположены равномерно по побережью от Адлера до Туапсе.
Мониторинг содержания гелия. Практика сейсмологических исследований в России и за рубежом показала, что гелий относится к самым надёжным и чувствительным индикаторам и предвестникам землетрясений, а подземные воды являются основным резервуаром накопления глубинных флюидных компонентов, поступающих из сейсмогенерирующих областей.
Изучение разломной тектонической структуры территории Большого Сочи и наличие известных скважин, а также восходящих родников в разлом-ных структурах позволяет сделать вывод о необходимости организации 10-12 водопунктов для мониторинга содержания гелия в подземных водах.
При проведении такой съёмки рекомендуется опробовать водопункты, расположенные как на побережье (от г. Туапсе до г. Адлер), так и в высокогорной части территории. У г. Туапсе в горах у пос. Холодный Родник, Кирпичное, Георгиевское в родниках и колодцах выявлены аномально высокие содержания гелия. У г. Хадыженск в подземных водах, вскрытых скважинами, обнаружены пузырьки С02 и концентрации гелия до 91-10"5 мл/л. От г.Туапсе к г. Хадыженск прослеживается активный разлом северо-восточного простирания, субперпендикулярный активному разлому, трассирующемуся вдоль побережья. Город Хадыженск находится в зоне активного северозападного разлома Кавказской ориентировки, входящего в систему Большого Кавказского глубинного разлома.
У пос. JIoo в подземных водах скважин содержание гелия составляет 11 • 10"5 мл/л. Целесообразно выполнить повторное опробование.
У г. Сочи при строительстве железной дороги в 1920-1930 годах в тоннеле обнаружены струи водорода, что указывает на наличие здесь активных разломов и очагов разгрузки глубинных флюидных потоков. Рекомендуется опробовать на гелий минерализованные подземные воды. В горах опробовать водопункты, расположенные вдоль шоссейной дороги (ст. Пластунка, Разбитый Котёл и др.).
Особенное внимание следует уделить минеральным водам гг. Мацеста, Хоста и водопунктам, находящимся в горах. Минеральные воды обычно отличаются высоким содержанием гелия.
Необходимо опробовать водопункты района г. Адлер. В поселках Га-лицыно, Красная Скала, Кепша, находящихся в горах выше по течению р. Мзымта, содержание гелия в колодцах составляет 10*10"5 мл/л, что заметно превышает фоновое значение.
Важное значение имеют данные водно - гелиевого опробования в районе Красной Поляны и участках строительства объектов Олимпийских игр 2014 года. По возможности, желательно опробовать водопункты, находящиеся у границы с Абхазией.
Целесообразно было бы в будущем выполнять режимное опробование самоизливающихся скважин в долине р. Уруп (выше рудника по течению и у ст. Преградная), в которых ВИМСом в 1980 годах выявлены высокие содержания гелия. Рудник Уруп находится в узле сопряжения основного шва Болынекавказского северо-западного разлома с разломами северо-восточного и северо-западного направлений, прослеживающихся через район г. Сочи. Юго-восточнее рудника Уруп в зоне Болыпекавказского разлома в 1905 и 1963 годах имели место разрушительные землетрясения.
Рекомендуется следующая последовательность работ по созданию в районе сети режимных гелий-гидрогеохимических наблюдений, отвечающей современным требованиям:
- проведение в районе опережающей водно- гелиевой съёмки масштаба 1:200000 - 1:500000 с опробованием по возможности, всех имеющихся водо-пунктов;
- составление карты поля гелия района масштаба 1:500000 с учётом результатов работ ВИМСа и других организаций, выполненных в предыдущие годы;
- выбор новых водопунктов — кандидатов для постановки режимных гелий-гидрогеохимических наблюдений и осуществление на них дискретного опробования;
- окончательный выбор водопунктов мониторинга, информативных гидрогеохимических индикаторов и предвестников землетрясений.
Желательны также ежесуточное гелий - гидрогеохимическое опробование и комплексирование гелий -гидрогеохимических данных с результатами ГГД-мониторинга, мониторинга ЭМИ и других физических полей Земли.
4.2.3. Мониторинг донных геодеформаций морской части полигона
Исследования, проведенные в рамках гос. Контракта № 10 от 04.05.2005г. «Мониторинг геофизических полей на полигонах и газгидрогео-химических полей в Северо-Кавказском регионе» показывает, что из 120 сейсмособытий, занесенных в каталог, более 70% приходятся на морскую часть бровки шельфа на траверзе городов Геленджик и Сочи. Землетрясения большой магнитуды, происходящие в море, могут представлять опасность для инфраструктуры прибрежной части, в том числе олимпийских объектов и береговых гидротехнических сооружений, в виде схода подводных лавин, селей, турбидитных потоков и образования цунами. Анализ систем прогноза землетрясений в Японии, США, Китае и других странах показывает высокую эффективность мониторинга процессов, протекающих в недрах, в том числе морском дне при геодинамических перестройках геологической среды [119]. В данном случае для создания системы мониторинга геофизических и газ-гидрогеохимических полей с целью прогноза необходимо создание и оснащение морской части полигона как одна из составных частей федерального Сочинского полигона.
Общепризнанным в мировой практике является метод измерения флук-туаций температуры в недрах, к примеру, ГГД -мониторинг. Известно, что осадочная толща Черного моря содержит большое количество газа метан и его гомологов, сероводород, газогидраты и другие газы, которые при изменении геодеформационного состояния морского дна, выделяясь в свободную форму, эманируют в водную толщу.
Важным признаком (параметром) при подготовке землетрясений является изменение температуры недр, в данном случае толщи морского дна. Аналогом ГГД- мониторинга может явиться донный геодеформационный мониторинг (ДГД - мониторинг), составной частью которого является сочетание измерений составляющей газгидрогеохимических полей и тепловых полей (теплового потока). Для выбора мест установки термометрической аппаратуры необходимо провести исследования по составлению карт аномалий теплового потока дна. Данные исследования ранее в рамках различных договоров выполнялись на шельфе Черного моря. На траверзе Голубой Бухты г. Геленджик при участии автора был создан морской термометрический полигон.
Для решения поставленных задач необходимо разработать и создать донные станции модульного типа. Донные станции должны выдавать следующую информацию:
1. Сейсмические данные, зарегистрированные с помощью ориентированных трехкомпонентных сейсмических датчиков, установленных на дне. Кроме этого, должна быть предусмотрена возможность установки гидрофон-ных датчиков или отдельных гидрофонных станций.
2. Результаты высокоточных измерений температуры в осадочной толще, полученные с помощью высокочувствительных температурных градиентометров на основе кварцевых сверхчувствительных (0,001 град.) температурных датчиков.
3. Результаты измерения количества эманирующего со дна газа (метан и его гомологи), полученные с помощью высокоточного накопительного счетчика газовой смеси.
При участии автора разработана и опробована якорно-фиксирующая система для установки Автоматизированной донной сейсмологической станции (АДСС) (рис. 4.1.), состоящая из:
• поплавкового буя, оснащенного, проблесковым маяком, радиолокационным уголковым отражателем и поплавковым такелажным концом;
• буйрепа, включающего: куски цепей марки 16 — 25, длиной по 2 — 3 м; такелажные скобы, вертлюги, капроновый фал;
• якорной отвязки, в состав которой входит: бетонный якорь, 2 куска цепи, скобы, вертлюги и капроновый фал между ними длиной 40 - 70 метров.
Одной из главных задач при постановки АДСС является обеспечение надежной развязки станции от колебаний буя и буйрепа, что позволяет повысить качество сейсмических измерений. Для решения этой задачи нами разработана следующая методика постановки АДСС.
Сначала на воду выводится буй грузоподъемностью 700 кг, и прикрепленный к нему капроновый фал выматывается в море с катушки при движении судна от буя. После того, как необходимая длина буйрепа (на 10 — 20% длиннее, чем глубина дна в точке постановки станции) оказывается в воде, судно останавливается и АДСС, соединенная с якорем отрезком фала длинной 40 — 70 м, имеющим, в свою очередь, отрезок цепи посредине, выводится с борта судна в воду при помощи лебедки. Затем якорь сбрасывается в воду, погружаясь на дно со скоростью около 1,5 м/с. Во время погружения станция и якорь находятся почти в вертикальном положении относительно друг друга, так что после касания дна соединительный фал оказывается в ненатянутом состоянии. Этим достигается отвязка АДСС от держаков буйрепа, привязанного к якорю.
Иногда для экономии времени применяется другая схема постановки АДСС в неглубоких водах. В этом случае сначала станция выводится с борта судна при помощи лебедки и кладется прямо на дно. После этого устанавливается буй и постановка завершается. Этот способ экономит время, но имеет один существенный недостаток — соединительный фал между якорем и АДСС часто оказывается натянутым из-за дрейфа судна в процессе постановки прибора. В результате сейсмический канал регистрации станции оказывается зашумленным.
После постановки АДСС ее автономная работа происходит как в дневное, так и в ночное время. С целью круглосуточной безопасности судовождения на мачте буя установлен радиолокационный отражатель, а в ночное вре
Для более достоверной информации по вариациям гелиевых полей следует получать информацию по содержанию гелия в придонной морской воде в зоне разломных структур. Отбор проб целесообразно проводить с маломерного судна герметичными батометрами с экспресс-обработкой на борту судна. Такой подход обеспечит более полный охват сейсмически опасных районов, прилегающих к городу Сочи, и обеспечит неразрывную связь полей гелия на суше и в море. Отбор проб придонной воды позволит проводить более полный геохимический анализ воды на содержание метана и его гомологов, а также других химических элементов и их соединений. Как показывает практика подобных исследований, такой метод является более «чистым». На основе кластерного анализа возможно будет сделать вывод в пользу какого-либо попутного «сигнального» элемента.
Для выбора мест отбора придонной воды, необходимо проведение на акватории, прилегающей к побережью от Адлера до Туапсе, непрерывной гелиевой съемки масштаба 1:100 ООО.
4.2.4. Развитие и совершенствование телеметрических систем сбора данных и алгоритмов их обработки
Как показала практика эксплуатации аппаратурно-технических средств, участвующих в мониторинге, некоторые параметры, заложенные на этапе создания, существенно отстают от современных требований мониторинга.
Модернизации в первую очередь подлежат технические средства, перечень которых с заявленными техническими характеристиками приведены в таблице 4.1.
Модернизация имеющихся средств многопараметрового мониторинга, создание систем телеметрической связи и сбора информации, основанных на комплексном использовании телефонных сетей, радиорелейной связи и систем на основе GSM, наряду с разработкой современных алгоритмов обработки полученных данных, позволит перейти к оценке состояния среды в режиме реального времени [16].
Комплексный научно-технический подход, позволит решить как задачи мониторинга окружающей среды, так и внести ощутимый вклад в реализацию программы сейсмической безопасности юга России.
-
Бяков, Алексей Юрьевич
-
кандидата технических наук
-
Краснодар, 2010
-
ВАК 25.00.10
- Структура и динамика геофизических полей и сейсмических процессов в блоковой модели земной коры
- Информационно-аналитическая система для четырехмерного моделирования залежей углеводородов по комплексу сейсмических и скважинных данных
- Глубинное строение Черноморской впадины по результатам новой интерпретации сейсмических данных
- Сейсмостратиграфия и мезозойско-кайнозойская эволюция Азово-Черноморского региона в связи с нефтегазоносностью южных морей России
- Геоэкологическая оценка и районирование Азово-Черноморского побережья России
