Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Закономерности формирования гидродинамического режима подземной гидросферы под воздействием региональных внешних факторов
ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология
Автореферат диссертации по теме "Закономерности формирования гидродинамического режима подземной гидросферы под воздействием региональных внешних факторов"
На правах рукописи
ВОЛЕЙШО ВЛАДИСЛАВ ОСКАЮВИЧ
00306ТБ24
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ГИДЮДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПОДЗЕМНОЙ ГИДРОСФЕРЫ ПОД ВОЗДЕЙСТИЕМ РЕГИОНАЛЬНЫХ ВНЕШНИХ ФАКТОРОВ
Специальность 25.00.07-гидрогеология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук
Москва - 2006
003067624
Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Всероссийском научно-исследовательском институте гидрогеологии и инженерной геологии (ФГУП ВСЕГИНГЕО).
Официальные оппоненты:
Доктор физико-математических наук
член-корреспондент РАН A.B. Николаев
Доктор геолого-минералогических наук,
профессор С.С. Бондаренко
Доктор геолого-минералогических наук В.Н. Островский
Ведущая организация: Гидрогеологическая и 'геоэкологическая компания (ГИДЭК).
Защита диссертации состоится " /б "fv)o£>7Gt 2007_г. в
14_час. На заседании диссертационного Совета Д002 048.01 при Институте
геоэкологии РАН по адресу: Москва, ул. Николоямская, д 51.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке'Института геоэкологии РАН.
Автореферат разослан */S* <*^^о$йгД2007_г.
Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью учреждения, просим направлять по адресу. 101000, Москва, Уланский переулок, 13 Институт геоэкологии РАН. Ученому секретарю диссертационного Совета Д002.048.01 доктору геолого-минералогических наук С.М. Семенову.
Ученый секретарь диссертационного Доктор геолого-минерал
С.М. Се^енов^
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Глава 1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 3
Глава 2 РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О 8
ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД Глава 3 СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О 9
ПРИРОДЕ ФОРМИРОВАНИЯ ВНУТРИ СУТОЧНОГО ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА
Глава 4 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА 10 ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПОД ВЛИЯНИЕМ РЕГИОНАЛЬНЫХ ВНЕШНИХ НАГРУЗОК Глава 5 ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ 23
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА НАТУРНЫХ МОДЕЛЯХ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ
ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПОД ВЛИЯНИЕМ ВАРИАЦИЙ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ И ЛУННО-СОЛНЕЧНОГО ПРИТЯЖЕНИЯ ^
Глава 6 ПРИРОДА, МЕХАНИЗМ И ОСНОВНЫЕ 27
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ РЕГИОНАЛЬНЫХ ВНЕШНИХ НАГРУЗОК
Глава 7 ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ПРИ ИЗУЧЕНИИ 31
ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА, ФОРМИРУЮЩЕГОСЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ РЕГИОНАЛЬНЫХ ВНЕШНИХ НАГРУЗОК Глава 8 ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ 32
ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ НАРУШЕНИИ БАЛАНСА ВНЕШНИХ И ВНУТРЕННИХ СИЛ В ПРОЦЕССЕ ИНЖЕНЕРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ Глава 9 ОСНОВНЫЕ ПУТИ РАЗВИТИЯ 33
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО СПОСОБА ПРОГНОЗА ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 37
ОСНОВНЫЕ РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО 38 ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы определяется необходимостью совершенствования и повышения эффективности службы гидрогеологических; наблюдений в целях прогноза сильных землетрясений, возникающих под влиянием природных и техногенных факторов, для предотвращения их вредного действия
Накопленные за последние годы фундаментальные данные показывают, что в литосфере на огромной территории под влиянием метеорологических (атмосферное давление), космических (лунно-солнечное притяжение), эндогенных сил, а также техногенных факторов возникают аномалии различных геофизических полей, которые проявляются в гидрогеодинамиче-ском режиме.
Специфической особенностью гидрогеодинамического режима формирующегося под влиянием масштабных внешних нагрузок, является его периодическое или непериодическое проявление в региональном плане.
Гидродинамическая реакция подземных вод, возникающая под действием различных внешних природных и техногенных факторов, относится к категории широко известного, но плохо изученного явления, физическая сущность которого, несмотря на значительные теоретические и экспериментальные исследования, остается не раскрытой. Существующие представления на природу этого явления и аналитические решения, вытекающие из них, вступают в противоречия с фактическим материалом и не могут объяснить расхождений, возникающих между расчетными данными и результатами натурных наблюдений.
Решение проблемы формирования гидрогеодинамического режима под воздействием региональных внешних сил помимо чисто теоретического значения имеет огромную практическую направленность, так как создает научную основу для разработай и совершенствования специфических нетрадиционных гидрогеологических методов исследования земной коры, в которых подземные воды используются в роли индикаторов напряжений.
Целью работы является раскрытие природы, механизма и основных закономерностей формирования гидродинамического режима подземных вод. возникающего под влиянием региональных внешних нагрузок.
Под региональными внешними нагрузками понимаются нагрузки, равномерно распределенные по площади, линейные размеры которой значительно превышают глубину залегания водоносного горизонта, возмущенного этими нагрузками.
Основная идея исследования взаимодействия внешних и внутренних сил в двухфазной упруго-деформируемой природной среде заключалась в использовании подконтрольных, натурных, региональных источников внешних нагрузок, вызывающих изменение напряжения в гидрогеосфере: вариаций атмосферного давления и приливной составляющей силы тяжести.
3
Задачами исследования являлись:
- формализованное изучение с позиций подземной гидростатики баланса внешних и внутренних сил в двухфазной упруго-дефор мируе мой среде «вода - порода» при постоянных и переменных региональных внешних нагрузках доя создания натурной модели распределения напряжений в подземной гидросфере.
- экспериментальное изучение гидрогео динамического режима, возникающего под действием вариации атмосферного давления и лун но-солнечного притяжения в системе «скважина - водоносный гори зот» для выяснения его природы, механизма и основных закономерностей формирования.
- разработка специальной технологии, позволяющей регистрировать, выделять и интерпретировать мало амплитудные колебания уровня воды, возникающие под действием вариаций атмосферного давления, лунно-солнечного притяжения и эндогенных сил (методический аспект исследования);
- оценка изменения напряжения в массиве горных пород, вызванного нарушением баланса внешних и внутренних сил в гидрогеосфере в целях прогноза различных геодинамических процессов, в том числе сильных землетрясений (прикладная сторона исследования).
Тема диссертации соответствует основной направленности научно-исследовательских разработок ВСЕГИНГЕО (МПР).
В основу диссертационной работы положены материалы личных многолетних (1961-1985 гг.) полевых исследований автора; Приташкентский артезианский бассейн (1961-1967 гг.), Оби-Гармское месторождение минеральных вод (1977-1978 гг.), а также специальные экспериментальные исследования на натурных моделях, проведенные автором, в Закарпатье (19671975 гг.), па Щемиловском опытом полигоне (1975-1977 гг.),»Грузии(1983-1985гг.). Для более широкого обобщения обработан и исследован фактический материал по прецизионным измерениям уровня воды в скважинах, полученный полевыми отрядами ВСЕГИНГЕО и Комплексной гидрогеологической экспедицией ВСЕГИНГЕО в течение 1984-1986 гт. При полевых исследованиях широко использовался метод микроуровнеметрии подземных вод, разработанный автором.
Работа выполнена в лаборатории гидрогеологических исследований по прогнозу землетрясений, ВСЕГИНГЕО.
Материалы диссертации являются составной частью исследований, проведенных автором, по темам- 5-5\39-81гр и 5-6\122-83гр, номера госрегистрации 81028006, 01850055292, выполненным в 1981-1986 гг. в соответствии с постановлением Правительства Р.Ф. и приказами Мингео.
Научная новизна и значение работы
1) Получено уравнение, связывающее дополнительную региональную внешнюю нагрузку с напряжениями, вызываемым! этой нагрузкой в
двухфазной упруго-деформируемой среде.
2) Показано, что взаимоотношение деформативных состояний в скелете водовмещающей породы, вызванных внешними региональными нагрузками и изменяющимся под их действием поровым давлением, определяет кинематику распределения нейтрального и эффективного напряжений в двухфазной упруго-деформируемой среде
3) Впервые теоретически обоснованы натурные модели. На них осуществлены экспериментальные исследования процесса распределения напряжений, возникающих в гидрогеосфере под действием региональных внешних сил, метеорологической и космической природы. Это позволило раскрыть механизм и ранее неизвестные закономерности внутрисуточного гидрогеодинамического режима прямую и одновременную реакцию уровня подземных вод на любые внешние региональные нагрузки.
4) Экспериментально установлено, что дополнительная нагрузка, представленная вариациями атмосферного давления, передается в пределах верхней части подземной гидросферы на глубинах, доступных для исследования (до 3000 м), без ощутимых потерь. Сумма нейтрального и эффективного напряжений с учетом деформационной составляющей порового давления исследуемого водоносного горизонта равна величине внешней нагрузки, вызывающей эти напряжения. В этих опытах индикатором эффективного напряжения служат изменения столба воды в открытой скважине, а нейтрального - колебание уровня воды в скважине с герметично закрытым устьем.
5) Показано, что изменение нейтрального напряжения, выступающего в роли динамического регулятора равновесного состояния системы "силы внешние - силы внутренние", определяет природу формирования мало амплитудного внутри суточного гидрогеодинамического режима. Механизм регулирования равновесного состояния этой системы осуществляется по гидравлическому принципу в соответствии с законом Паскаля увеличение внешней нагрузки - рост нейтрального напряжения в пласте - подъем уровня воды в скважине, и наоборот.
6) Разработана концептуальная гидрогеомеханическая модель распределения напряжения по кровле любого стратифицированного водоносного горизонта гидрогеосферы, позволившая установить, что природная дифференциация неоднородностей пьезометрического напора в пределах единого водонапорного бассейна обусловлена, главным образом, характером распределения геостатического давления по кровле водоносного горизонта.
7) Разработана новая технология исследования мало амплитудных, кратковременных колебаний уровня - микроуровнеметрия подземных вод, позволившая зарегистрировать и выделить простые гидрогеодинамнческие сигналы барической и космической природы
8) Разработан на уровне изобретения новый способ определения коэффициента приливной эффективности, применение которого позволило впервые установить его величину для водоносных горизонтов, расположенных в континентальной зоне, вне зоны действия океанических приливов
9) Установлена природа приливной и барометрической эффективности
10) Намечены пути исследования механизма возбужденных землетрясений
11) Впервые показала четкая связь изосейст разрушительного землетрясения в Ташкенте (26 апреля 1966 г) с контурами распространения дополнительных эффективных напряжений, возникших в кровле сеноманского водоносного горизонта накануне толчка в результате интенсивной сработки гидростатического давления, вызванной многолетней эксплуатацией месторождения ташкентских минеральных вод
Совокупность выдвинутых положений, заключающихся в разработке и развитии нетрадиционного гидродинамического метода изучения напряженного состояния массива горных пород, возникающего под влиянием природных и техногенных факторов, в котором подземные воды используются в качестве индикатора изменения нейтрального и эффективного напряжений, квалифицируется как новое перспективное направление в гидрогеологии, приобретающее важное народнохозяйственное значеше
Основные положения защищаемые автором.
1) Всякое изменение поля региональных внешних сил экзогенной и эндогенной природы, вызывает в пределах любого водоносного горизонта подземной щцросферы дополнительные напряжения: нейтральное и эффективное, сумма которых численно равна величине вызываемых их внешних факторов.
2) Региональная внешняя нагрузка, создавая в гидрогеосфере дополнительные эффективные и нейтральные напряжения, распределяется в жидкости и в "скелете" водовмещающих пород пропорционально их модулям упругости.
3) Под влиянием вариаций атмосферного давления уровень воды в скважине действует подобно манометру, как показатель дополнительного напряжения:
- изменение столба воды в открытой скважине отражает напряжение, воспринимаемое "скелетом" водосодержащих пород (эффективное напряжение);
- колебание столба вода в скважине с герметично закрытым устьем передает давление, воспринимаемое жидкостью водоносного горизонта (нейтральное напряжение);
- сумма изменений столба воды в открытой и закрытой скважине с учетом деформационной составляющей этих изменений равна перепаду
атмосферного давления, которое вызывает эти изменения,
4) Региональная внешняя нагрузка вызывает в гидрогеосфере по всей площади приложения этой нагрузки синхронную и синфазную реакцию уровня подземных вод, проявляющуюся в водоносном горизонте через изменение порового давления Механизм, управляющий гидрогеодинамической реакцией, гидравлический.
5) Нарушение баланса внешних и внутренних сил, сопровождающее всякое изменение внешней нагрузки, является основной причиной развития различных геофизических процессов в литосфере
Практическая ценность работы Разработанный автором метод, в котором подземные воды используются в роли индикаторов нейтрального и эффективного напряжений, позволяет непосредственно в полевых условиях, исследовать распределение дополнительного напряжения в массиве горных пород и контролировать подготовку негативных геодинамических процессов, в том числе сильных землетрясений Простота и доступность нового метода может найти широкомасштабное применение для оценки распределения напряжения, вызванного в гидрогеосфере инженерной деятельностью
Реализация результатов работы. Разработаны, утверждены заместителем Министра геологии 27.12 .85 г. и используются в отрасли "Методические указания по организации и проведению гидрогеологических наблюдений по специализированной региональной сети в целях прогноза сильных землетрясений" (в соавторстве с Г.С Вартаняном, ЕА. Поповым, Н И Авсюком, О.Н.Кощевым), которые с 2000г заменены «Методическими указаниями по ведению ГГ'Д-монш'оринга».
Результаты исследований внедрены в комплексной гидрогеологической экспедиции ВСЕГИНГЕО и широко используются для оценки пригодности гидрогеологических пунктов наблюдений при создании специализированной региональной гидрогеологической сети в сейсмоактивных районах страны в целях прогноза сильных землетрясений. Внедрение разработанных технологий, мжроуровнеметрия подземных вод, оценка инерционности и информативности пунктов наблюдений (Авт. свид 1303957), напорности подземных вод (Авт, свид. 1229323), определение коэффициента приливной эффективности (Авт. свид. 1121410) позволило сократить срок исследования по каждой скважине А также без дополнительных материальных затрат улучшить достоверность и качество получаемой информации при организации и проведении гидрогеологических наблюдений на специализированной гидрогеологической сета в целях прогноза сильных землетрясений в Средней Азии, Казахстане, Закавказье, России. Разработки автора использованы при создании специализированной региональной гидрогеологической сети на Северном Кавказе, Байкале а также в Дальневосточном регионе
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на.
а) Всесоюзном гидрогеологическом симпозиуме по вопросам разведки, изучения и курортного использования минеральных вод (Москва, 1978 б.) Всесоюзном научно-техническом семинаре "Методика и организация наблюдений за режимом подземных вод для прогноза землетрясений" (пос. Зеленый, Московская обл., 1983 г.),
в) Межведомственном семинаре "Итоги изучения региональных и инженерно-геологических процессов в осадочном чехле молодых плит" (Москва, 1983 г.),
г) Всесоюзной конференции "Подземные воды и эволюция литосферы" (Москва, 1985 г.),
д) Всесоюзном совещании "Опыт изучения Газлийских землетрясений и направления дальнейших исследований" (Ташкент, 1985)
Функционирование более 20 лет в организациях МПР РФ ГГД-монигоринга, основанного на реакции уровня подземных на изменение напряженного состояния в литосфере
Основные положения диссертации опубликованы в 28 работах, в том числе в монографии, брошюре, пяти изобретениях и статьях, помещенных в реферируемых журналах "Советская геология", "Геология и разведка", материалах Всесоюзных конференций и семинаров, журнале "Разведка и охрана недр", сборниках ВСЕГИНГЕО (МПР) и пята изобретениях.
Автор выражает признательность сотрудникам бывшего Управления геологии Таджикистана за помощь в проведении экспериментальных исследований и внедрение результатов диссертационной работы
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 2 РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД
Гидрогеодинамический режим, по типу его формирования и по характеру воздействия доминирующих режимообразуюших факторов на водоносный горизонт подразделяется на две самостоятельные группы.
1. Гидрогеодинамический режим, обусловленный изменением количества подземных вод за счет неравномерного питания и расходования водоносного горизонта (МАССООБМЕН).
2. Гидрогеодинамический режим, вызванный изменением напряженно - деформированного состояния водоносного горизонта воздействием различных природных и техногенных факторов (ЭНЕРГООБМЕН).
Диссертация, полностью посвящена вопросу формирования гидрогеодинамического режима второго типа. 8
3. СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИРОДЕ ФОРМИРОВАНИЯ ВНУТРИСУТОЧНОГО ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОГО
РЕЖИМА
Трудами отечественных и зарубежных исследователей установлено, что уровень подземных вод (УПВ) являются чутким индикатором изменения внешних нагрузок, вызванных метеорологическими, космическими, эндогенными и техногенными факторами.
Значительный вклад в изучение гидрогеодинамического режима, формирующегося под действием вариаций атмосферного давления, внесли: Ф.Араго (1856) Л.Лэзам (1681), Н.Е.Жуковский (1868), Кинг (1892), Г.Н Каменский, H.H. Биндеман (1938), Джекоб (1940), Яковлев (1953). Ф.Тодц (1959), О.В.Куренков, С.Г. Каменецкий (1964), В.Н Степанов (1967), В.С.Ковалевский (1975), П. Гасс (1975). Усилиями этих исследователей была установлена четко соблюдаемая зависимость колебания пьезометрического напора в скважине и дебита восходящих родников от вариаций атмосферного давления (повышение атмосферного давления сопровождается падением уровня жидкости в скважине и расхода родников),и наоборот. Это явление связывают с проявлением упругих свойств водоносного горизонта. Отсутствие реакции грунтовых вод и нисходящих родников на вариации атмосферного давления рассматривают как подтверждение деформационной природы наблюдаемого явления
Океанический прилив, в противоположность атмосферному давлению, вызывает прямую реакцию уровня как напорных, так и безнапорных вод (П. Шуреман, 1926). Гидрогеодинамический эффект, аналогичный жидкому приливу, как показали исследования Вернера и Норена (1910), Тодда (1959), В.М. Шестакова (1965) дают паводки рек.
П Мельхиор (1968) показал, что периодические, незначиicjii.ui.ic но амплитуде (2-7 см) колебания уровня подземных вод, наблюдаемые в скважинах, расположенных вне зоны действия океанических приливов, обусловлены земными приливами. По П.Мельхиору, периодические колебания уровня подземных вод, вызванные твердыми приливами, смещаются на 180° по отношению к аналогичным колебаниям уровня воды, вызванным океаническим приливом.
Так как размеры подземных водных бассейнов достаточно ограничены, то априорно можно пренебречь реакцией непосредственно подземных вод на лунно-солнечное притяжение. В этом случае поведение уровня подземных вод полностью определяется земными приливами. Накоплен значительный фактический материал, свидетельствующий о наличии качественных связей между процессами, предшествующими землетрясению, и гидродинамической реакцией на это подземных вод. Установлено, что накануне сейсмического толчка изменяются дебит и уровень подземных вод в скважинах и родниках, находящихся на различных расстояниях от
очага землетрясения (И.Г. Киссин, 1970, Ф.И Монахов, 1977, Д.Г. Осика, 1981). Дальнейшим развитием рассматриваемой проблемы явилось открытие глобальных, быстропротекающих, пульсационных процессов в гидрогеосфере, обусловленных способностью последней реагировать на изменение напряженного состояния литосферы (Г.С.Вартанян, Г.В. Куликов, 1982). Согласно существующим представлениям, гидрогеодинамические эффекты, вызванные вариациями внешних сил различной природы (метеорологической, космической или эндогенной), связаны с упругими деформациями сжатия и растяжения водоносного горизонта. Поэтому считают, что вариации расхода или уровня (показателя гидрогеодинамической реакции на внешнюю нагрузку) отражают меру деформации водоносного горизонта.
Однако существующие модели, призванные раскрыть природу одного и того же явления, обнаруживают различия в трактовке не только механизма формирования этого явления, но и общего хода самого процесса. Так, в модели Араго-Джекоба, воспроизводящей ход гидрогеодинамического процесса под влиянием вариаций атмосферного давления, падение уровня воды в скважине связывают с деформацией сжатия водоносного горизонта, а его подъем - с деформацией растяжения.
В модели Мельхиора, отражающей аналогичный процесс, протекающий под действием земных приливов, деформация сжатия водосодержа-щих пород вызывает подъем уровня воды в скважине, а его падение связано с деформацией растяжения. Расчетные амплитуды колебания уровня, полученные аналитически из уравнения Гука, воспроизводящего описанные модели, оказываются на два-три порядка меньше амплитуд, зарегистрированных экспериментально. Расчетная и фактически зарегистрированная амплитуда колебания уровня воды в каменноугольном водоносном горизонте Подмосковья (Щемилово) под влиянием вариаций атмосферного давления соответственно
составляет 0,2210 3 м и 0,2 м. По расчетам П.Мельхиора, директора Международного центра по земным приливам, амплитуда колебания уровня в скважине на экваторе, вызванного деформацией водоносного горизонта под действием полусуточной лунной волны (М2), должна быть 0,5 см, а наблюденная на этой широте амплитуда составила 7,53 см (Киншаса, Заир).
До сих пор не создана физическая модель, адекватно отражающая на качественном и количественном уровне природный процесс, протекающий в водоносном горизонте под действием региональных внешних нагрузок.
4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПОД
ВЛИЯНИЕМ РЕГИОНАЛЬНЫХ ВНЕШНИХ НАГРУЗОК
Как в теории упругого режима фильтрации подземных вод, так и в теории фильтрационной консолидации глинистых пород рассматриваются
задачи, в которых эффективное напряжение в водоносном горизонте изменяется только в зависимости от изменения порового (гидростатического) давления, а такой постановке внешняя нагрузка остается постоянной и обусловлена исключительно геостатическим давлением.
Огромный интерес представляют теоретические и практические исследования процесса распределения напряжений, возникающих по кровле водоносного горизонта под влиянием дополнительных региональных внешних нагрузок
В момент приложения региональной внешней нагрузки, действующей одновременно на большой площади, можно считать, что изменения движения жидкости в горизонтальной плоскости не происходит. Поэтому, пренебрегая инерционными силами, возникающими в системе "водоносный горизонт - скважина", процесс взаимосвязи внешних и внутренних сил будем рассматривать как статический. В такой постановке задача является одномерной, все функции зависят только от вертикальной компоненты нагрузки. Принятое допущение, в совокупности с предпосылкой о линейно-упругой форме связи напряжения и деформации, позволяет производить исследования, оперируя только компонентами напряжения и, при необходимости, связывая их с деформациями.
Напряжение, возникающее на атошади контакта водоносного горизонта с перекрывающей его водоупорной толщей под действием веса вышележащих пород (Рл) в соответствии с основным уравнением подземной гидростатики (1) должно быть уравновешено внутренними силами' реакцией минерального скелета водовмещающих пород (интергранулярным давлением Р„ ) и поровой жидкостью (гидростатическим или поровым давлением Рг). Исследуемый водоносный горизонт и действующие на него внешние нагрузки рассматриваются как безграничные. Начальные условия' на
свободной поверхности нормальное (С, 2) и горизонтальное (£ху)
напряжения равны нулю. Уравнение равновесия внешних и внутренних сил в исследуемом водоносном горизонте в начальный момент имеет вид
Р„=Ри+Рг (1)
Различные внешние силы, периодически или не периодически изменяющиеся во времени, создают дополнительные нагрузки на кровлю любого водоносного горизонта гидрогеосферы. Возвращение к положению равновесия системы внешние силы - внутренние силы после каждого импульса, вызванного дополнительными внешними факторами (Ро), приводит к балансу этих сил'
Р+Р=Р1+РХ (2)
л о и г
где Рп - постоянная нагрузка на водоносные горизонты, численно равная весу вышележащих пород (геостатическое или литостатическое давление),
Ра - дополнительные внепшие природные и искусственные нагрузки (вариации атмосферного давления, лунно-солнечного притяжения, тектонических и техногенных сил); Р\ - поровое (гидростатическое)
давление после приложения дополнительных внешних нагрузок; Р\ -интергранулярное давление после приложения дополнительных внешних нагрузок; Ри Рг - соответственно начальное поровое и ингергранулярное
давления не нарушенные дополнительными нагрузками, Р0 = 0.
Полученное уравнение равновесия внешних и внутренних сил является математическим описанием гидрогеомеханической модели распределения напряжения в любом водоносном горизонте гидрогеосферы ( рис.).
Водоносный горизонт, как любой механический объект, находится под влиянием объемных и поверхностных внешних сил в напряженном состоянии. Объемные силы, представленные литостатическим давлением, зависят только от веса горных пород с заключенной в них жидкостью и наращиваются с глубиной. Изменение литостатического давления с глубиной отражается на гидрогеомеханической модели эпюрой этого давления.
Геостатаческое давление уравновешивается в любой точке гидрогеосферы интергранулярным и поровым давлением. С глубиной, по мере увеличения геостатаческого давления, происходит рост норового давления, что отражается на гидрогеомеханической модели эпюрой порового давления (см
рисунок, Р\Р\). Модель отображает давление поровой вода, возникающее
у кровли рассматриваемого водоносного горизонта под действием весовой нагрузки Изменение интергранулярного давления с глубиной представлено
эпюрой этого давления (см рисунок, Р\, Р2ц ).
Рис. Гидрогеомеханическая модель распределения напряжения по
кровле водоносного горизонта
1. Положение уровня воды не нарушенное вариациями атмосферного давления.
2. Положение уровня воды в скважине с герметично закрытым устьем при увеличении атмосферного давления на величину ДРа.
3. Положение уровня воды в открытой скважине при увеличении атмосферного давления на ДРа.
Потенциал, возмущающий систему "внешние силы - внутренние силы* представлен главным образом внешними поверхностными не периодически изменяющимися силами (вариациями атмосферного давления -ДРа), объемными периодически меняющимися силами (лунно-солнечным притяжением с потенциалом W ), а также тектоническими и техногенными силами. Область начального возмущения системы равна области приложения дополнительной внешней нагрузки, равномерно распределенной по площади, размеры которой в несколько раз превышают глубину залегания исследуемого водоносного горизонта. Так, градиент барического давления равен 1 гПа на 111 км. Поэтому при региональных внешних нагрузках граничные условия объекта исследования можно рассматривать как неограниченные или с заранее заданными границами, как в случае с океаническим приливом.
Под влиянием вариаций дополнительных внешних сил равновесие, описываемое уравнением (1), нарушается. Общее напряжение, возникающее на кровле водоносного горизонта, в этом случае создается суммой сил, равных весу вышележащих пород с заключенной в них жидкостью, который
сохраняется постоянным (Рл = const ) и дополнительным, переменным во
времени внешним нагрузкам (Ро#)). Для поддержания системы в равновесии (уравнение 2), нарушаемом дополнительными силами, необходимо, чтобы соблюдалось условие
дР0 - дРи + 8Рг (3)
Из уравнения (3) следует, что всякие изменения дополнительной региональной внешней нагрузки компенсируются в пределах любого водоносного горизонта гидрогеосферы изменениями интергранулярного и порового давления Полученное равенство предполагает, что изменение внешней нагрузки вызывает численно равное ей напряжение на кровле любого водоносного горизонта.
В основу гидрогеомеханической модели распределения напряжения по кровле любого водоносного горизонта гидрогеосферы положены два взаимодополняющие друг друга принципа.
- полного отражения или компенсации любым водоносным гори зонтом гидрогеосферы воздействий внешних нагрузок (принцип равенства внешних и внутренних сил в водоносном горизотгге),
- постоянства геостатического давления.
Оба принципа исключают возможность диссепации энергии при распределении региональной внешней нагрузки в гидрогеосфере Однако окончательное решение вопроса о характере рассеивания энергии при передаче нагрузки на глубину может быть получено только экспериментально.
Для доказательства распределения региональных внешних сил в пределах всего исследуемого гидрогеологического разреза без потерь необходимо 14
экспериментально установить, что сумма изменений норового
п
{ АРг1, АРг ..., АРг ) и интергранулярного (A/'J, АР 2..., ДРЫ") давлений, возникающих на кровле двух и более водоносных горизонтов, равна величине вызывающей их дополнительной внешней нагрузки (АРд)
АР0 = АР] +APl = АР2и + АР] = АРпи + АР; (4)
Такие эксперименты были выполнены автором, а их результаты в формализованном виде представлены на модели (см рисунок) и сформулированы в виде принципа: всякое изменение региональных внешних сил вызывает в пределах любого водоносного горизонта гидрогеосферы изменение сил внутренних, численно равных величине дополнительных внешних нагрузок
Для оценки связи порового давления с региональной внешней нагрузкой было использовано уравнение Райе и Клери, связывающее общее
напряжете () с поровым давлением в условиях фильтрующейся жидко-
к У2Рг=^(Рг-сС) (5) С/
где к-коэффициент фильтрации, Ц - коэффициент упругоемкости водоносного горизонта, Рг - поровое давление, с - коэффициент приливной эффективности, С,2 -полное нормальное напряжение, представленное лито-
статическим давлением (Рп) и дополнительной внешней нагрузкой (Р0 )
Если в момент приложения региональной внешней нагрузки, действующей одновременно на большой площади, не происходит изменения движения
жидкости в горизонтальной плоскости, то ¥2Рг =0 и из уравнения (5)следует, что поровое давление измешется пропорционально внешней нагрузке Рг=С Cz (6)
дРг=СдР0 (7)
Величина же изменения гидростатического давления в скважине, вскрывшей этот горизонт, определяется условиями приложения дополнительной нагрузки к зеркалу воды в ней.
При анализе закономерностей формирования гидрогеодинамического режима в системе "скважина - водоносный горизонт" в качестве дополнительной внешней нагрузки рассматривались вариации атмосферного
давления, лунно-солнечного притяжения и тектонических сид.
Изменение атмосферного давления происходит обычно с небольшой скоростью, позволяющей предполагать, что распределение напряжения в водоносных горизонтах под влиянием Перепада атмосферного давления происходит статически:
(8)
где А£б - величина изменения напряженного состояния по кровле
водоносного горизонта под влиянием вариаций атмосферного давления.
Флуктуация атмосферного давления, равномерно распределенного по площади, охватывает одновременно огромную область и в связи с этим не вызывает изменения скорости фильтрационного потока, а приводит лишь к колебаниям уровня в водоносном горизонте, при котором частицы жидкости смещаются только в вертикальном направлении вверх или вниз в зависимости от знака приложенной нагрузки. Согласно уравнению (3) равновесие системы "внешние силы - внутренние силы", нарушенное вариациями атмосферного давления, будет соблюдено при условии, что:
АРа=АРи+АРг (9)
Представив в этом равенстве дополнительные внешние нагрузки
( АР0 ) через вариации атмосферного давления ( АРа ),
АР0=ДРа
получим выражение, связывающее изменение порового давления непосредственно в водоносном горизонте с вариациями атмосферного давления:
АРг=САРа (Ю)
Если напорный водоносный горизонт вскрыт скважиной, то изменение гидростатического давления в этой скважине и в пласте под действием вариаций атмосферного давления окажется различным. Изменение давления в открытой скважине, согласно закону Паскаля, будет равно величине перепада
барометрического давления (ЛРд), тогда как в водоносном горизонте изменение гидростатического давления в соответствии с уравнением (10) составит только часть ог вариаций атмосферного давления, равную (ЛРг) Возникший в
результате градиент давления вызовет фильтрацию жидкости в водоносном горизонте. Следовательно, наличие скважины приводит к неравномерному распределению порового давления в системе "скважина - водоносный горизонт" даже в случае равномерного распределения дополнительной внешней нагрузки
Время изменения давления в водоносном горизонте много меньше времени релаксации гидростатического давлешм в системе "скважина -16
водоносный горизонт" Поэтому величины АРа и АРг - можно рассматривать, как начальные условия при исследовании процесса формирования гид-рогеодинамической реакции системы "скважина - водоносный горизонт" на изменение барометрического давления. Очевидно, что на достаточном удалении от скважины ( Г —> оо ) величина норового давления в водоносном горизонте в ходе рассматриваемого процесса (водообмена между скважиной и пластом) не изменяется, что соответствует граничному условию
АР/со = АРг - const
Локальный фильтрационный поток прекратится при достижении однородного распределения давления во всей системе* "скважина - водоносный горизонт" в целом Это означает, что в водоносном горизонте и в скважине с герметично закрытым устьем окончательное изменение порового давления жидкости под влиянием вариаций атмосферного давления составит
АРг = САРа
Таким образом, вариации атмосферного давления вызывают прямую реакцию уровня воды в водоносном горизонте и в скважине с герметично закрытым устьем Изменение давления в открытой скважине слагается из
вариаций барометрического давления ( АРа ) и изменения столба воды в
скважине ( р g All)
Ap; = Apa+PgAh (ID
В условиях гидростатического равновесия системы скважина -водоносный горизонт должно соблюдаться равенство
АР; = АРг= &ра + pgAh (12)
С АРа = APa + pgAh (13)
Окончательно изменение давления в открытой скважине под влиянием барометрического давления составит
pgAh=-(l-C)APa (14)
Так как по Джекобу коэффициенты барометрической и приливной эффективности связаны друг с другом равенством В + С = I, то pgAh=-BAPa (15)
Следовательно, колебание уровня воды в открытой скважине связано с вариациями атмосферного давления обратной зависимостью.
В отличие от атмосферного давления, которое равномерно действует как на кровлю водоносного горизонта, так и на зеркало воды в скважине, влияние океанических и земных приливов, а также тектонических сил
распространяется только на водоносные пласты, не оказывая непосредственного воздействия на уровень воды в скважине.
Представив в равенстве (7) дополнительную нагрузку через флуктуацию тектонических сил или вариации земного и океанического прилива, получим выражения, связывающие изменение порового давления с изменением дополнительных внешних нагрузок, представленных этими силами. При анализе результатов гидрогеодинамического режима, вызванного лунно-солнечным притяжением, необходимо учитывать, что при океанических приливах дополнительная нагрузка на водоносные горизонты увеличивается и, как следствие этого, уровень воды в наблюдательной скважине поднимается, а при отливе ход процесса меняется на обратный.
Земные приливы, наоборот, уменьшают весовую нагрузку, что сопровождается падением уровня воды, как в пласте, так и в скважине. Твердые отливы, увеличивая нагрузку на водоносный горизонт, приводят к подъему уровня воды.
Рост столба воды при активизации тектонической деятельности, отражает меру изменения нейтрального напряжения, которое позволяет оценить величину дополнительной нагрузки, вызванной эндогенными процессами
Система "внешние силы (вариации атмосферного давления) -внутренние силы водоносного горизонта" находится в равновесии при условии
Очевидно, что изменение давления столба воды в открытой скважине определяется разностью в изменениях давлений на зеркале воды в скважине
ДРат и в водоносном горизонте ЛРг.
^М(0 = АРЙИ(о-АРг(о (17)
Откуда равновесие в системе "атмосферное давление - открытая скважина" описывается равенством
где Д/г(0 - изменение уровня воды в открытой скважине за отрезок времени I;
- удельный вес жидкости.
Значение функции АИ[ неизвестно. Равновесие всей системы в
целом "атмосферное давление - водоносный горизонт - открытая скважина", найденное при совмещении равенств (17,18), имеет вид 18
Д^г(0 + АРи(0 = АРг(|) + Я§Л/*(г) (19)
Откуда
= Рё^К) (20)
Таким образом при изменении атмосферного давления наблюдаемое изменение столба воды в открытой скважине равно величине изменения интергранулярного давления водосодержащей породы.
Если в этой системе открытую скважину заменить закрытой
АРат =0, то изменение столба воды в ней согласно равенству (17) будет равно дополнительному поровому давлению, возникающему в водоносном горизонте под влиянием вариаций атмосферного давления
//%М1(з)/ = /АРг/ (21)
где Д/г^) - изменение уровня воды в скважине с герметично закрытым устьем.
Представив правую часть уравнения (16) соответственно: интергранулярное давление в водоносном горизонте, через численно равное ему значение изменения гидростатического давления в открытой скважине (^АИ), а поровое давление в этом же водоносном, через равную ему по значению величину изменения столба воды в герметично закрытой скважине {^АИ^ ), получим
АРат=/ ^АИ1+1 №АИ{3) / (22)
Уравнение( 22) является математическим описанием физической модели, позволяющей проводить исследования процесса распределения внешней нагрузки, представленной вариациями атмосферного давления, в натурных условиях.
АРа ДРа
По физическому смыслу первое слагаемое правой части уравнения (23) представляет собой константу пропорциональности между изменением уровня воды в открытой скважине и вариациями атмосферного давления,
известную как коэффициент барометрической эффективности (В)
Л/> АР
ат ат
(24) (С)
(25)
вторая часть уравнения характеризует приливную эффективность
АРг
С =
___г_
АРои АРат
Коэффициенты В и С связаны друг с другом:
.В+С=1 (26)
Джекоб один из первых показал, что результаты барометрической эффективности, полученные экспериментально и аналитически из выражения (26), не совподают друг с другом. Сумма коэффициентов В и С, полученных экспериментально оказывается больше единицы.
Это несоответствие показывает, что модель Терцаги неадекватно отражает процесс, происходящий в гидрогеосфере под действием региональной внешней нагрузки, так как не учитывает деформационную составляющую порового давления.
Уравнение состояния двухфазной пористой среды связывающее компоненты напряжения и вызванные ими деформации, выведено нами из предположения Терцаги о существовании в водонасьпденной породе двух видов напряжения: эффективного в скелете породы и нейтрального в поро-вой жидкости. Но при этом в отличие от модели Терцаги принято условие Зарецкого о том, что поровое давление вызывает в скелете породы определенные дополнительные объемные деформации. В общем случае, при приложении внешней нагрузки к водосодержащим породам, деформация разуплотнения (расширения) "скелета" породы, вызванная увеличением порового давления, протекает с другим модулем, по сравнению с объемной деформацией сжатия "скелета" породы, обусловленной этой же нагрузкой. Отношение модуля объемного разуплотнения "скелета" породы (Ер) к модулю объемного сжатия скелета породы (Еу ), как правило, меньше единицы. Деформация водосодержащей породы зависит как от интергранулярного, так и от порового давления, возникающего в этой среде под действием дополнительной внешней нагрузки. Дополнительное поровое давление (АРг), воздействуя на водосодержащую породу изнутри, стремится увеличить объем пор. Возникающая при этом деформация разуплотнения пористой среды
(£р ) при модуле объемного расширения скелета породы, равного Ер от
дополнительного порового давления будет равна 20
■АР,
(27)
Деформация сжатия скелета при модуле его объемного сжатия, равного Еб от увеличения интергранулярного давления составит:
е'=^гАРи (28)
Полная (относительная) деформация скелета водовмещающей породы, вызванная поровым давлением (£р ) и эффективным напряже нием будет равна
А¥ V
= е = ер+е*
V Ер Е3
(29)
Заменив в уравнение (29) дополнительное ингергранулярное давление, через равное ему значение ( АРи = АР0 — АРг), согласно равенства (3) получим выражение, связывающее деформацию скелета породы с дополнительной внешней нагрузкой ( АР0) и поровым давлением ( АРг)
— = —(АР0-АРг) +—АРг = V Ев г
5 р
Ег
(
АР0-АРг
р )
(30)
Представив для удобства, в уравнение (30) выражение
1-5.
через член "Ь", так, что
Ь = 1-
(31)
получим
^ = ±(АР0-ЬАРг) (32)
А¥Е$
Заменив, в уравнение (32), член ——— на равнозначное ему значение изменения интергранулярного давления АРи, получим уравнение,
связывающее дополнительную нагрузку (ЛР0 ) с интергранулярным (АРи ) и поровым давлением в условиях упруго-деформируемой среды: АР0 =АРи+ЬАРг или
АР0 = АРи +
1
Е„
АР.
(33)
Л р /
Переписав уравнение (33) относительно дополнительных напряжений () получим уравнение, описывающее распределение дополнительного напряжения в водоносном горизонте с учетом его упругой деформации, возникающей под действием дополнительной внешней нагрузки
дС = Д<Гэ+мрг
(34)
Полученное равенство является математическим описанием гидро-геостатической модели распределения напряжения в водоносном горизонте с учетом действия упругих сил деформации. В этом уравнении в неявной форме выражено допущение, что дополнительное изменение гидростатического давления, обусловленное деформацией водоносного горизонта при различных вариациях внешней нагрузки, может быть охарактеризовано параметром "Ь". Назовем этот коэффициент коэффициентом гидростатического давления.
Уравнения (33,34.) позволяют проанализировать и объяснить ряд механических явлений и процессов, происходящих в двухфазной, упруго-деформируемой среде под действием различных внешних сил.
Взаимоотношение деформативных состояний в "скелете" породы, вызванных внешними нагрузками и изменяющимся под их действием поровым давлением, определяет динамику нейтрального и эффективного напряжения. 22
Из уравнения (30) следует, что при Е$=0 вся дополнительная внешняя нагрузка воспринимается жидкостью
АРо =ЛРг (35)
При равенстве модулей упругости (Ез=Ер) вся дополнительная внешняя нагрузка воспринимается скелетом водосодержащей среды.
АЛ, = (36)
В недеформируемой среде (безнапорный водоносный горизонт) модуль упругости является бесконечно большим (Ероо), При этих условиях основное уравнение состояние (30) переходит в известное уравнение Терцаги (АР0 =АРг+6Ри) (37)
Следовательно, полученное уравнение (32) связывает внепшюю нагрузку с поровым давлением в упругих средах, а уравнение Терцаги (3) в условиях жесткого, неупругого режима.
5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА НАТУРНЫХ МОДЕЛЯХ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПОД ВЛИЯНИЕМ ВАРИАЦИИ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ И ЛУННО-СОЛНЕЧНОГО ПРИТЯЖЕНИЯ
Экспериментальные исследования проводились на натурной модели, которая представляет собой физическое устройство, включающее пьезометры с открытым и герметично закрытым устьем, оборудованные прецизионными приборами, которые регистрируют колебания уровня воды, возникающие под действием вариаций различных внешних сил. атмосферного давления, лунно-солнечного притяжения, тектонических и техногенных факторов.
Графики матоамплигудаых внутрисуточных колебаний уровня, полученные в процессе микроуровнеметрии подземных вод, содержат интегральную гидрогеодинамическую информацию, обусловленную действием в совокупности с различными внешними региональными факторами: космическим, метеорологическим, тектоническим.
Обработка каждого такого графика сводилась к отысканию и выделению простого гидрогеодинамического сигнала, вызванного только одной какой-либо внешней силой.Амплитудно-фазовый показатель вариационной кривой уровня воды в совокупности с барограммой служит индикатором для выделения интервала наиболее контрастных изменений, происходящих под влиянием флуктуации атмосферного давления. Внутри выделенного интервала подбирался участок, имеющий одинаковые значения приливных изменений составляющей силы тяжести (А g).
Далее, используя выражение,
Нпр(<) = НП1-[Рат-Рат{1)\в (38)
Уровень воды приводится к фиксированному атмосферному давлению (Рат), снятому в начале эксперимента. График, отражающий вариации компенсационных колебаний уровня за счет барического поля, является также простым гидрогеодинамическим сигналом, вызванным перепадом атмосферного давления.
Аналогичным образом обрабатывался фактический материал, полученный в скважине с герметично закрытым устьем Но в этом случае по графику зависимости изменения уровня воды в закрытой скважине от вариаций атмосферного давления определялся коэффициент приливной эффективности (С )
Последующая стадия обработки кривой уровня заключалась в выделении цикличных периодичностей, вызванных приливными изменениями составляющей силы тяжести, и в учете их влияния на режим подземных вод
В целом разделение интегрального гидрогеодинамического сигнала на серию простых сигналов сводилось к решению обратной задачи По результатам наблюдений за уровнем подземных вод и за внешними факторами, формирующими его, определялись соответствующие коэффициенты пропорциональности между внешним фактором и колебанием уровня воды. Затем с использованием алгоритма компенсации производилась коррекция общего сигнала путем учета влияния всех внешних сил, выступающих в роли режимообразующих факторов. Постадийный процесс обработки результатов микроуровнеметрии использовался для выделения простых сигналов барической, приливной и тектонической природы. Простые гидрогеодинамические сигналы (главным образом барической и приливной природы) использовались для изучения распределения напряжения, возникающего под действием атмосферного давления и лунно-солнечного притяжения в системе "напорный или безнапорный водоносный горизонт - открытый пьезометр - закрытый пьезометр"
Временной интервал наблюдений при контрастных перепадах атмосферного давления составлял первые часы (3-8 ч), а при монотонном изменении - несколько суток.
Вариации (УПВ), возникающие под влиянием перепада атмосферного давления в закрытом пьезометре, использовались для выяснения связи порового давления с региональной внешней нагрузкой. Экспериментальные точки, отражающие колебания уровня воды в закрытом пьезометре в зависимости от изменения атмосферного давления, укладываются в соответствии с теоретическими предпосылками (уравнение 10) на прямую линию.
Установлено, что изменение порового давления в водоносном горизонте находится в фазе с вариациями атмосферного давления и зависит от величины его перепада. Напряжение в напорном водоносном горизонте изменяется на величину изменения региональной внешней силы, например, на величину изменения атмосферного давления Это равносильно признанию, что региональные внешние нагрузки распределяются в пределах гидрогеосферы без ощутимых потерь
Обработка информации, полученной в процессе микроуровнемет-рии воды в открытом пьезометре, показала, что экспериментальные точки, характеризующие изменение ингергранулярного давления или эффективного напряжения в водоносном горизонте от перепада атмосферного давления (уравнение 15) укладываются в соответствии с теорией на прямую линию.
Результаты расчетных и экспериментальных значений изменения порового давления (нейтрального напряжения) и интергранулярного давления (эффективного напряжения) от региональной внешней нагрузки, представленной вариациями атмосферного давления, хорошо согласуются друг с другом (табл 1)
Таблица I
Номер и место положение - скважины Нагрузка, гПа Значение ентов коэффици- Значение порового и интергранулярного давл.
приливной эффективности (С) барометрической эффективности (В) расчетное Эксперимента лыюе
АРг АР„ АРг Ар„
Закарпатье
2-П 1 0,75 0,63 0,75 0,63 0,75 0,63
2-Т 2,5 0,6 0,6 1,5 1,5 1,7 1,4
Грузия
Зугдиди 1,4 0,8 0,55 1,12 0,77 1,12 0,8
Ахалкалаки 1,2 0,64 0,8 0,77 0,96 0,77 0,96
Аспиндзе 2.0 0,75 0,64 1,5 1,28 1,6 1,3
полученного экспериментально, не соответствует расчетным результатам, вытекающим из уравнения Терцаги (табл. 1,2).
После преобразования уравнения Терцаги путем введения в него коэффициента гидростатического давления "Ь" (уравнения 31,34), учитывающего в неявной форме влияние деформации водоносного горизонта на поровое давление, была достигнута полная сходимость между расчетными и экспериментальными данными Сумма дополнительных напряжений, возникающих в напорном водоносном горизонте с учетом деформационной составляющей норового давления, оказывается равной величине внешней нагрузки, вызывающей эти напряжения (см. табл.2).
Таблица 2
Результаты расчетных (по уравнению Терцаги и уравнению состояния) и экспериментальных значений общих дополнительных напряжений, возникающих в водоносном горизонте, под влиянием вариаций атмосферного давления
Местоположение скважин Значение параметра гидростата ческого Эксперимента льное значение, гПа Дополнительная назруз- Расчет ное напряжение Расчетное значение напряжение по
давления «Ь» Интерг рануляр ного давле ния ДРи перового дав ления ДРг ка, гПа ДРа = Дфб (фактическая) по Терцаги гПа Д фб = ДРы + ДРг уравнению состояния, гПа Д фб = ЛРи + ЬАРг ;
Закарпа тъе, скв №2-п 0,49 0,63 0,75 1,0 1,38 1,0
Захарпа тье, скв №2-п 0,49 1,26 1,5 2,0 2,76 2,0
Скв. № 2 Т 0,67 1,4 1,7 2,5 зд 2,54
Зугдиди (Грузия) 0,56 0,8 1,2 1,4 2,0 1,47
Ахалка лаки 0,31 0,96 0.77 1Д 1,73 1,2
Аспиид зе 0,48 1,28 1,5 2,0 2,78 2,0
Таким образом, дисбаланс, возникающий между экспериментальными и расчетными данными в процессе изучения распределения напряжения, возникающего в гидросфере под влиянием дополнительных региональных внешних нагрузок, обусловлен деформацией водоносного горизонта, которая не учитывается уравнением Терцаги, В результате решающих опытов, выполненных на натурных моделях, в системе "атмосфера - безнапорный водоносный горизонт - открытый пьезометр -закрытый пьезометр" установлено, что уровень воды в открытой скважине не реагирует на вариации атмосферного давления, а изменение столба воды в скважине с герметично закрытым устьем численно равно величине внешней нагрузки. Это значит, что всю внешнюю нагрузку пршшмает на себя жидкость Изменение давления воздуха в закрытом пьезометре не оказывает ощутимого влияния на результаты прецизионных измерений уровня воды в нем.
Экспериментально установлено, что приливные колебшшя уровня подземных вод находятся в прямой зависимости от приливных изменений составляющей силы тяжести. В районах океанического побережья гармонические колебания грунтовых вод, обусловленные действием жидкого прилива, находятся в противофазе с аналогичными колебаниями уровня напорных вод, природа которых связана с твердыми приливными процессами.
Фактический материал, накопленный в процессе экспериментов, убедительно подтвердил теоретический вывод о том, что внутрисуточные колебания уровня подземных вод являются результатом главным образом изменения нейтрального напряжения в водоносном горизонте под действием дополнительной весовой нагрузки, вызванной вариациями барической и космической природы.
б ПРИРОДА, МЕХАНИЗМ И ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ РЕГИОНАЛЬНЫХ ВНЕШНИХ НАЕРУЗОК
Изучение закономерностей формирования гидрогеодинамического режима с позиции гидрогеостатики сводилось к исследованию в природных условиях кинематического механизма перераспределения дополнительного напряжения, возникающего в водоносном горизонте под воздействием вариаций атмосферного давления и лунно-солнечного притяжения. Эксперименты, выполненные в безнапорном водоносном горизонте, показали, что когда зона аэрации не препятствует полной передаче вариаций атмосферного давления на зеркало грунтовых вод, уровень воды в скважине не реагирует на изменения барического поля. Это происходит потому, что атмосферное давление оказывает одинаковое воздействие на поверхность воды в пласте и в открытой скважине. Если в этой системе открытую скважину заменить пьезометром с герметично закрытым устьем, то
изменение уровня воды в ней под влиянием вариаций атмосферного давления будет равно величине этих вариаций В зимний период, когда зона аэрации промерзает, создаются условия, препятствующие полной передаче вариаций атмосферного давления на зеркало грунтовых вод Процесс перераспределения атмосферного давления в этом случае происходит так же, как в напорном водоносном горизонте. Изменение атмосферного давления на границе "атмосфера - литосфера" передается на глубину.
Дополнительные нагрузки, возникающие на кровле любого водоносного горизонта под влиянием вариаций атмосферного давления, одновременно воспринимаются жидкостью и "скелетом" водовмещающей породы (уравнение 9)
В открытом пьезометре изменение атмосферного давления полностью воспринимается жидкостью. Гидростатическое давление в этой скважине изменяется на величину изменения атмосферного давления. Изменение же гидростатического давления непосредственно в напорном водоносном горизонте под влиянием вариаций атмосферного давления оказывается меньше, чем в скважине, на величину давления, которое принимает на себя "скелет" водовмещающих пород. В результате часть дополнительного внешнего давления, приложенного к уровню воды в открытой скважине, гидравлически связанной с водоносным горизонтом, оказывается некомпенсированным. Перераспределение гидростатического давления в системе "напорный водоносный горизонт - открытая скважина" сопровождается изменением высоты столба воды в скважине таким образом, чтобы гидростатическое давление этого столба уравновешивалось новым поровым давлением в водоносном горизонте.
Поскольку изменение порового давления в водоносном горизонте при увеличении атмосферного давления оказывается меньше, чем изменение давления столба воды в скважине, уровень воды в скважине понижается. При уменьшении атмосферного давления в системе "водоносный горизонт -открытая скважина" процесс перераспределения гидростатического давления в пласте и скважине меняется на обратный - поровое давление в пласте оказывается больше, чем в скважине, и уровень воды в ней повышается на величину, которая позволяет поддерживать систему в равновесном состоянии.
Реакция уровня воды, возникающая в скважине с герметично закрытым устьем под действием вариаций атмосферного давления, отражает процесс релаксации порового давления, происходящий непосредственно в пласте. Увеличение атмосферного давления сопровождается подъемом уровня воды в закрытой скважине, а его уменьшение - падением столба воды.
Возмущение барического поля действует одновременно на весь водоносный горизонт независимо от того, вскрыт он скважинами или нет Реакция уровня воды в слабоинерционных скважинах на перепады атмосфер
ного давления проявляется одновременно на большой территории, но с различной амплитудой (Туркменский полигон). Амплитуда колебания уровня воды в скважине зависит от величины перепада атмосферного давления и геолого-гидрогеологических условий в пункте наблюдения.
Периодический внугрисуточный гидрогеодинамический режим является отражением реакции жидкой фазы водоносного горизонта на приливные колебания земной коры и океана. Непосредственно в точке наблюдения приливиые изменения уровня подземных вод сильно видоизменяются под влиянием местных факторов: геологического строения, геоморфологии и физических свойств подземных вод. Поэтому при анализе приливных колебаний подземных вод необходимо учитывать как региональные (приливообразующие силы), так и локальные особенности геолого-гидрогеологических условий. Формирование периодического гидрогеодинамического сигнала в региональном плане связано с вариациями внешних нагрузок на гидрогеосферу, обусловленных земными и океаническими приливами, Направления перемещений земных и океанических волн совпадают' земной прилив сопровождается на побережье жидким приливом, и наоборот, твердый отлив происходит одновременно с отливом океанической волны На этом сходство приливного механизма в литосфере и гидросфере прекращается. Направление перемещения нагрузочного влияния твердого прилива противоположно направлению нагрузки от океанического прилива Твердый прилив находится в противофазе к силам нагрузочного потенциала, тогда как океаническая приливная волна действует синфазно с этими силами. Земной прилив сопровождается разгрузкой земной коры, а отлив, напротив, её нагрузкой Океанический прилив, находящийся в фазе с силами нагрузочного потенциала, оказывает нагрузку на литосферу, а отлив сопровождается её разгрузкой Следовательно, нагрузка от океанической приливной волны на водоносные горизонты находится в противофазе к земноприливному потенциалу. Поэтому реакция подземных вод на земные приливы также оказывается противофазной к их реакции на океанические приливы Твердый прилив приводит к снижению уровня воды в водоносном горизонте и в наблюдательной скважине, а океанический, напротив, вызывает его подъем Так как прямые измерения земного прилива сопряжены с огромными техническими трудностям, то для экспериментального пвдтверждения рассматриваемой зависимости вместо земного прилива
использовалась составляющая сила тяжести - Д ^ .
Изменение составляющей силы тяжести связано обратной зависимостью с земными приливами1 увеличение ускорения свободного падения за счет лунно-солнечного притяжения соответствует земному отливу, и наоборот, уменьшение составляющей силы тяжести отражает земной прилив. Поэтому колебания уровня подземных вод, вызванные твердыми приливами, находятся 0 фазе с изменением составляющей силы тяжести Результирующая сила лунно-солнечного потен
29
циала, действующая на водоносный горизонт, определяется соотношением между давлением на водоносный горизонт жидкого прилива и вертикальной составляющей смещения поверхности Земли от твердого прилива Реакция водоносного горизонта определяется природой этой результирующей силы. На континенте, где преобладающая нагрузка, воздействующая на водоносные горизонты, формируется под влиянием земных приливов, гидрогеодинамическая реакция подземных вод определяется динамикой твердого прилива, а зоне океанического побережья, где результирующая нагрузка определяется жидким приливом, приливные колебания уровня подземных вод будут полностью зависеть от режима океанического прилива.
Среди короткопериодических колебаний уровня подземных вод максимальные зарегистрированные приливные изменения уровня, обусловленные вариациями твердого прилива, составляют 15 см (Грузия,Боржоми).
Приливные колебания подземных вод являются показателем изменения напряженного состояния, вызванного земными приливами в гидрогеосфере. Наибольшая зафиксированная скорость изменения напряженного поля в гидрогеосфере под действием земного прилива составляет
3,5-10 4 гПа/с. Реакция подземных вод в различных скважинах на земные приливы проявляется одновременно на огромной площади. При этом взаимосвязь между лунно-солнечным потенциалом, земными приливами, приливными изменениями составляющей силы тяжести и гармоническими колебания},® уровня подземных вод проявляется следующим образом:
- наибольший лунно-солнечный потенциал - уменьшение силы тяжести - земной прилив - минимальное положение уровня воды в скважине и в пласте;
- наименьший лунно-солнечный потенциал - увеличение силы тяжести - земной отлив - максимальное положение уровня воды в водоносном горизонте и в скважине
Реакция подземных вод, приуроченных к водоносным горизонтам, расположенным на различных глубинах, проявляется синхронно с приливными изменениями составляющей силы тяжести (Опытный полигон "Петушки", Владимирская область) Степень влияния жидкого прилива на подземные воды определяется высотой его волны и глубиной залегания водоносного горизонта. С глубиной действие океанической волны затухает. Приливные эффекты в грунтовых водах на морском побережье находятся точно в фазе с океаническими приливами, в то время как приливные вариации в напорных водах в том же районе являются противофазными по отношению к жидким приливам и находятся в фазе с твердыми приливами (Опытный полигон Кобулети Грузия). В скважинах, расположенных в ущельях или глубоко эродированных долинах, наблюдается наибольшая амплитуда приливных колебаний уровня (Боржоми, Фирюзинское ущелье.)
Доминирующий механизм, управляющий формированием гидро-
гео-динамического режима под влиянием региональных внешних сил, гидравлический и связан с поддержанием равновесного состояния в системе скважина - водоносный горизонт, путем создания однородного распределения гидростатического давления во всей системе. Регулирование давления осуществляется соответственно с законом Паскаля и сопровождается натека-нием воды в скважину или вытеканием её из скважины.
В роли "поршней" системы выступают, с одной стороны, кровля водоносного горизонта, включающая всю вышележащую толщу пород с дополнительной внешней нагрузкой, а с другой, - столб воды исследуемой скважины, в зависимости от условий приложения дополнительной нагрузки включающий или не включающий дополнительную нагрузку. Дополнительные напряжения, возникающие под действием региональных внешних нагрузок, распределяются в поровой жидкости и "скелете" водосодержащих пород пропорционально их модулю упругости:
АС АР Е
—:— =-- = (39)
АС АРи тЕ5
Изменение порового давления ( А Рг) в водоносном горизонте под действием вариаций внешних региональных нагрузок оказывается больше изменения интергранулярного давления (А Ри ) во столько, во сколько модуль упругости воды ( Ев ) больше модуля упругости "скелета" горных пород (Е, ).
7 ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ГИДРОГКО ДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА, ФОРМИРУЮЩЕГОСЯ ПОД ВЛИЯ11ИКМ РЕГИОНАЛЬНЫХ ВНЕШНИХ НАГРУЗОК
Скважины, выбранные под микроуровнеметрию, должны иметь хорошую гидравлическую связь с водоносным горизонтом, то есть обладать невысокой степенью инерционности, вскрывать подземные воды, режим которых не нарушен техногенными факторами и обладать необходимой информативностью.
В качестве наблюдательного пункта необходимо использовать безынерционную или слабоинерционную скважину (Т < 1 ч) с напорным типом подземных вод, которые значительно меньше подвержены влиянию природных и техногенных помех.
Регистрация периодических колебаний уровня воды под влиянием лунно-солнечного притяжения позволяет контролировать качество работы измерительной аппаратуры, так как приливные колебания уровня воды в этом случае играют роль природного эталонного сигнала.
Методика обработки данных прецизионных измерений включает выделение полезного сигнала на фоне помех. В зависимости от природы простого сигнала, принятого в качестве полезного, все остальные служат помехой.
8. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ НАРУШЕНИИ БАЛАНСА ВНЕШНИХ И ВНУТРЕННИХ СИЛ В ПРОЦЕССЕ ИНЖЕНЕРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ.
Разнообразная хозяйственная деятельность сопровождается изменением как внешних нагрузок (создание крупных водохранилищ, сооружение больших котлованов и объектов гражданского и промышленного строительства), так и изменением внутренних сил (разработка жидких и газовых месторождений, закачка различных растворов в земную кору).
Под влиянием техногенных факторов сложившееся равновесие между внешними и внутренними силами нарушается, что приводит к перестройке напряженного состояния в массиве горных пород.
Создание крупных водохранилищ является частным случаем увеличения общего напряжения в гидрогеосфере, которое происходит за счет роста поверхностных внешних сил (Ро ), численно равных давлению столба воды в водохранилище. Дополнительное напряжение, возникающее в любом водоносном горизонте гидрогеосферы от весовой нагрузки водохранилища, уравновешивается реакцией "скелета" водосодержащей породы и жидкостью, что сопровождается ростом интергранулярного и порового давления. Изменение порового давления происходит пропорционально внешней нагрузке
Д Рг = СД Р0 и проявляется через повышение столба воды в скважине Другая часть весовой нагрузки от водохранилища, действующая на "скелет" породы, вызывает увеличение эффективного напряжения, которое в явной форме не проявляете: и поэтому не может быть измерено непосредственно в скважине.
Гидрогеодинамический режим, возникающий в результате нарушения баланса внешних и внутренних сил, является чутким индикатором изменения напряженного состояния массива горных пород в зоне создания и эксплуатации крупных водохранилищ. Систематические наблюдения за динамикой изменения пьезометрического напора позволяют осуществлять постоянный контроль за изменением напряжений в районе водохранилища. Уменьшение нейтрального напряжения, сопровождающее разработку месторождения жидких полезных ископаемых, приводит к изменению общего эффективного напряжения в кровле разрабатываемого горизонта. Из равенства
(2) при (Р ч + Р0 =СОПЯ() следует, что уменьшение порового давления
(ДРг ) сопровождается увеличением на такую же величину интер-32
гранулярного давления (АРи) или эффективного напряжения ()
ЛО-ЛРг (40)
Приращение эффективного напряжения численно равно величине ср-ботки первоначального гидростатического давления
Общее эффективное напряжение (), в разрабатываемом продуктивном горизонте, будет складываться, из первоначального напряжения (¿*э) и приращения его на данный момент за счет сработай нейтрального напряжения:
+ (41)
Эффективное напряжеше в кровле эксплуатируемого водоносного или нефтяного горизонта в условиях постоянной внешней нагрузки будет непрерывно расти за счет уменьшения порового давления.
Одновременно под влиянием отбора жидкости из продуктивного горизонта первоначальная весовая нагрузка в нем уменьшается на величину веса извлеченной из него жидкости, что, согласно уравнешпо( 3),должно сопровождаться уменьшением гидростатического давления и эффективного напряжения в водоносных горизонтах, расположенных ниже эксплуатационных. Подобное явление обусловлено эффектом псевдосвязи, так как уменьшение гидростатического давления в этом случае не вызвано массообменном путем перетока жидкости в вышележащие водоносные горизонты.
Увеличение порового давления водонасыщендай среды, сопровождающее закачку жидкости, приводит к уменьшению эффективного напряжения в кровле инъецируемого горизонта. Одновременно инъекция жидкости является источником дополнительной нагрузки для нижних пластов.
Рост порового давления, приводящий к уменьшению эффективного напряжения уравнение (40), исполняет роль амортизатора накопченных напряжений.
9.0СН0ВНЫЕ ПУТИ РАЗВИТИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО СПОСОБА ПРОГНОЗА ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
В последние десятилетия при заполнении и эксплуатации крупных водохранилищ произошел ряд сильных землетрясений в различных районах земного шара (Кариба в Африке, Койна в Индии, Крсмаста в Греции). В настоящее время получило широкое распространение представление, связывающее механизм возбужденных землетрясений с увеличением порового давления. Эта гипотеза была выработана при анализе возбужденных землетрясений, вызванных закачкой жидкости в глубокие поглощающие скважины в районе Денвера и Рейнджли в США (ДЭванс,1966; Ф Пресс, 1975).
На основе разработанной гидрогеомехацической модели распределения напряжений в пределах верхней части гидрогеосферы развивается положение о том, что главную роль в механизме явления играет изменение эффективных напряжений, возникающих в массиве горных пород под влиянием различных техногенных факторов.
Увеличение эффективного напряжения приводит к изменению механических свойств пород и накоплению упругой энергии, высвобождение которой приводит к землетрясению. Рост нейтрального напряжения снижает действующие вдоль поверхности тектонического нарушения силы трения, создавая эффект жидкой смазки Дополнительные внешние нагрузки в зависимости от их величины могут служить самостоятельным источником накопления упругих напряжений, превышающих критически допустимые напряжения для данного района, или создавать дополнительные напряжения, которые накладываются на естественно существующие в массиве горных пород, В первом случае поверхностные внешние силы являются непосредственной причиной возбужденных землетрясений, во втором они служат спусковым механизмом накопленной естественной упругой энергии, вызывая локальную сейсмичность
Естественные внешние факторы (океанические и земные приливы, мощные паводки, резкие перепады атмосферного давления), создающие незначительные дополнительные напряжения, при благоприятных тектонофизических условиях также могут служить причиной возбуждения ранее накопленной упругой энергии, провоцируя землетрясение.
При эксплуатации жидких и газовых месторождений равновесное состояние внешних и внутренних сил, установившееся в геологическом масштабе времени, нарушается. Уменьшение норового давления при сохранении постоянной внешней нагрузки приводит к увеличению эффективного напряжения.
Возвращаясь к событиям в Ташкенте (26 апреля 1966 г.),прежде всего отметим, что возникновение очага сильного землетрясения непосредственно под городом - в целом явление неожиданное и необычное Необычайность этого землетрясения, которое не может быть объяснено строго и однозначно лишь тектоническими причинами, заключается, во-первых, в формировании предельно-напряженного состояния, охватившего локализованную зону горного массива, а во-вторых, в незначительных размерах и специфической конфигурации его очага. Эпицентр имеет форму двухосного эллипсоида и расположен под центральной частью Ташкента.
На территории города существует водозабор термоммнералъных вод сеноманского водоносного горизонта, эксплуатируемый с 1956г. К апрелю 1966г. в Ташкенте работало девять эксплуатационшлх скважин, сосредоточенных в центральной и северо-восточной частях города Величина снятого гидростатического давления в центральной части города накануне землетрясения составила 1,5 МПа (150 м водяного столба)
Полученные данные по сработке гидростатическогодавления сеноманского водоносного горизонта (разница между первоначальным ненарушенным эксплуатацией пьезометрическим напором и напором, сформировавшимся по состоянию на 4 апреля 1966 г.) были использованы для построения схематической карты прироста эффективного напряжения в эпицентре Ташкентского землетрясения.
При сопоставлении карты дополнительных напряжений с картой изосейст Ташкентского землетрясения установлена четкая корреляция границ балльности землетрясения с контурами участков различных по величине дополнительных эффективных напряжений. Первая зона - зона сильных разрушений, где сила землетрясения составила более 8 баллов, приурочена к участку наибольших эффективных напряжений (1,5 МПа). Вторая зона - зона 7-8-балльного землетрясения, опоясывающая первую зону, укладывается в пределах площади, где напряжения достигли 1,25 МПа. Последующие зоны: третья, четвертая, пятая приурочены соответственно к участкам с дополнительным напряжением: 0,75; 0,5; 0,25 МПа.
Хорошая корреляция границ балльности Ташкентского землетрясения с контурами прироста эффективного напряжения, вызванного эксплуатацией сеноманского водоносного горизонта, является убедительным доказательством в пользу связи сейсмического толчка с разработкой термоминеральных подземных вод.
Эта же принципиальная схема взаимодействия эффективных и нейтральных напряжений действует при нагнетании жидкости в продуктивный пласт. Рост порового давления продуктивного пласта, сопровождающий закачку жидкости, приводит к уменьшению эффективного напряжения, что в принципе не должно вызывать сейсмических явлений.
Однако исследованиями (ДЭванс, 1966; Д.Хили, 1970) была установлена связь между закачкой сточных вод в поглощающую скважину и сейсмической активностью района вокруг этой скважины. Первое, на что было обращено наше внимание при анализе возбужденных денверских землетрясений, вызванных закачкой жидкости в пласт,-это концентрация гипоцентров толчков вдоль плоскости, которая расположена под скважиной на глубинах 4,5-5,5 км, а не в инъецируемом водоносном горизонте, залегающем выше. Наибольший рост порового давления происходит в интервале нагнетания жидкости, В соответствии с гидростатической гипотезой Д.Эванса на природу возбужденных землетрясений, гипоцетры толчков должны быть сосредоточены в интервале нагнетания жидкости, а не выше и не ниже его.
Инъекция жидкости в глубокие водоносные горизонты является частным случаем повышения весовой нагрузки, которая сопровождается ростом общих напряжений толщи пород, расположенных ниже поглощающего горизонта. Рост общих напряжений в этой толще является основной причиной сейсмической активности района, в пределах которого осуще-
35
ствляется захоронение промстоков С позиции гидрогео-механической модели находит объяснение расположение гипоцентров Денверских возбужденных землетрясений на глубинах, значительно превышающих глубину залегания инъецируемого горизонта.
Анализ природы возбужденных (вызванных разнообразной инженерной деятельностью) землетрясений, выполненный с помощью гидро-геомеханической модели, позволил установить, что этим процессом управляет единый механизм, основным рычагом которого является непрерывный рост эффективного напряжения.
Поведение УПВ является чутким индикатором изменения напряженного состояния массива горных пород, что послужило основанием для разработки нетрадициошых, гидрогеологических методов исследования геодинамических процессов, возникающих под действием как природных, так и техногенных факторов. Реакция подземных вод на изменение напряженного состояния водоносного горизонта, связанного с подготовкой землетрясения используется в качестве его прогностического показателя Гидрогеодинамические эффекты в режиме подземных вод, предваряющие сильные землетрясения, проявляются на огромных площадях, значительно превышающих очаговую область землетрясения, и были зарегистрированы на расстояниях в нескольких сот километров от эпицентра очага.
В большинстве случаев отмечается одновременность проявления гидрогеодинамических аномалий в подземных водах, приуроченных к различным водоносным горизонтам Амплитуды колебаний уровня воды оказываются при этом различными и сильно зависят от особенностей геологического строения пункта наблюдения. Воздействия внешних полей: вариаций атмосферного давления и лунно-солнечного притяжения оказывают влияние на реакцию подземных вод, сопоставимое с величинами гидрогеодинамических аномалий, вызванных тектоническими силами
Натурные эксперимент показывают, что возникающие под действием внешних сил изменения уровня воды в скважине являются мерой дополнительного нейтрального или эффективного напряжения водоносного горизонта, создающегося этими силами, а не результатом его упругой деформации, как это было принято считать до сих пор Естественно, что под влиянием дополнительных напряжений массив горных пород деформируется, но величина возникающих при этом изменений пьезометрического шпора оказывается намного меньше, чем изменения уровня, связанные с вариациями нейтрального или эффективного напряжения. При этом величина вариаций гид-рогеодинамических аномалий не может служить мерой изменения емкости (пористости) водосодержащей породы, мерой её деформации, а является, главным образом, результатом изменения нейтрального напряжения водоносного горизонта, возникшего под влиянием разнообразнообразных внешних сил Поэтому при поисках гидрогеодинамических прогностических индикаторов землетрясений
необходимо располагать данными об изменениях пьезометрического шпора или уровня подземных вод, вызванных только одним фактором, эндогенной природы. Напряженно-деформированное состояние (НДС) геологи-
ческой среды — ведущий фактор, определяющий структуру и динамику геофизических полей. Гидродинамические давления водонапорных горизонтов, регистрируемые в режиме реального времени, являются высокоинформативными геофизическими характеристиками, позволяющими следить за изменениями НДС недр и развитием процессов подготовки сейсмических событий. На формирование режима подземных вод оказывают влияние экзогенные и эндогенные факторы различной природы, вызванных главным образом мас-со- (сезонные изменения условий питания, транзита и разгрузки подземных вод) или энергообменом (вариации атмосферного давления, лунно-солнечные приливы, геодинамические процессы).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Объектом изучения являлся гидрогеодинамический режим, формирующийся в результате изменения напряженного состояния гидрогеосферы под действием региональной внешней нагрузки метеорологической (атмосферное давление), космической (лунно-солнечное притяжение) и эндогенной природы
Уравнение состояния двухфазной, упруго-деформируемой среды, находящейся под действием региональной внешней нагрузки, выведены исходя из основных принципов гидрогеомеханической модели распределения напряжений по кровле любого водоносного горизонта, с учетом сохранения в водонапорной системе изотермических условий.
Из анализа уравнения состояния следует, что всякое изменение поля региональных внешних сил сопровождается в пределах любого водоносного горизонта изменениями эффективного и нейтрального напряжений, численно равных величине этих сил.
Результаты экспериментов, выполненных на натурных моделях, показали, что процесс распределения напряжений в напорных водоносных горизонтах протекает строго в соответствии с основным уравнением состояния.
Дисбаланс, возникающий между результатами экспериментов и расчетными данными, следующими из равенства Терцаги, обусловлен деформационной составляющей порового давления, которая не учитывается этим уравнением
Установлено, что региональные внешние нагрузки (атмосферное давление и лунно-солнечное притяжение) распределяются в жидкости и в
"скелете" водовмещаюхцих пород пропорционально их модулям упругости, проявляясь через изменение порового давления При этом под влиянием вариаций атмосферного давления уровень воды в скважине действует подобно манометру, как показатель дополнительного напряжения: в открытой скважине - эффективного, а в скважине с герметично закрытым устьем - нейтрального.
На основании анализа результатов ГТД - мониторинга по Северному Кавказу и Дальневосточному региону выявлены отрезки синфазных («аномальных») изменений УПВ в скважинах с открытым устьем и барометрического давления, которые наблюдались перед сильными и катастрофическими землетрясениями. Синфазные «аномальные» изменения проявлялись в течение нескольких месяцев в ряде наблюдательных скважин, находящихся в пределах различных структур на значительном удалении от очаговых зон. Максимальные суточные изменения уровня подземных вод отмечались за 3—4 суток до землетрясения. В некоторых случаях изменения уровня подземных вод опережали подобные изменения атмосферного давления. Отмечено, что в ряде наблюдательных скважин перед землетрясением уровень подземных вод не реагировал на изменения атмосферного давления и лунно-солнечные притяжения. Информативность гидродинамического предвестника землетрясения выражалась ярко выраженной «предсейсмической площадкой», когда уровень подземных вод не изменялся никакими внешними факторами.
Явления потери чувствительности подземных вод к изменениям атмосферного давления и лунно-солнечным приливным возмущениям, или периоды синфазных изменений в режиме подземных вод и вариациях атмосферного давления перед землетрясениями представляют большой научный интерес и практическое значение. Очевидно, что такие события определяются эндогенными факторами.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
1. О некоторых гидрогеодинамических и гидротермальных осо бенностях. Ташкентской минеральной воды II Разведка и охрана недр. -1960. .11.. С. 0-4,4. Л
2. Приташкентский артезианский бассейн «Подземные вода равнинной части Средней Азии» - М.: Недра, 1969. - С. 140-207 в соавторстве с Л.А.Островским).
3. К вопросу формирования месторождения углекислых минераль ных вод восточной часта Закарпатья // Вопросы геологии осадочных отложений Украины. - Киев: Наукова думка, 1972 - С. 165-180 в соавторстве с В И.Марусом)
4. Механизм формирования напряженного состояния в очагах землетрясений, вызванных деятельностью человека //Советская геология.
-1978.-№3.-С, 103-113(в соавторстве с В.М.Фоминым).
5. A.c. Способ определения коэффициента объемной упругости пластовой жидкости / В.О.Волейшо (СССР) .№2374845/22-03. Опубл.25.07.79.Бюл..№ 27. - 25 с
6. Месторождения минеральных вод гидроинжекционного типа в зоне воздействия водохранилищ // Бюл. МОИП Отд. геол. - 1979 - Вып 4, т 54.-С. 132-138.
7. Влияние некоторых внешних природных сил на подземные воды // Методика и организация наблюдений за режимом подземных вод для прогноза землетрясений: Тезисы докладов Всесоюэ. науч -тех. семинара. - М.: ВСЕГИНГЕО, 1983. - С. 41-44.
8. О механизме оседания земной поверхности при интенсивном водоотборе на месторождениях полезных ископаемых // Изучение и прогноз гидрогеологических и инженерно-геологических условий месторождений полезных ископаемых: Сб. науч. тр. / ВСЕГИНГЕО). -М„ 1983. — С. 45—47,
9. Основные закономерности формирования напряженно-дефор мированного состояния массива горных пород при глубоком водопо-нижении // Итоги изучения региональных гидрогеологических и ин женерно-геологических процессов в осадочном чехле молодых плит. Материалы межведомств,семинара.Т.1.-М.:Недра,1983.С.51-53
10. Реакция подземных вод на динамические процессы в ат мосфере // Гидрогеол. и инж. геол. - М., 1983. - С.1-11 ЭИ ВИЭМС-Вып.2
11. A.c. 1121410 СССР A.E2IB 47/10. Способ определения ко эффициента приливной эффективности. Открытия, изобретения, промышленные образцы / В.О Волейшо (СССР). № 3608346/22-03. Заявл. 24.06.83. Опубл. 30.10.84. Бюл.» 40. - 51 с.
12. Гидрогеодинамическая реакция подземных вод на проявление
внешних природных сил - атмосферного давления, океанических и .........
приливов // Гидрогеол. и инж.геол.М.:ВИМСЭ1984.-57 с.
13. Микроуровнеметрия подземных вод // Разведка и охрана подземных вод. - 1984. - № 12. - С.48-48.
14. Основные закономерности формирования пьезометрического напора под влиянием литостатического давления //Подземные воды и эволюция литосферы: Материалы Всесоюз.конф. М Н 1965. -С. 74-77.
15. Формирование напряженно-деформированного состояния гор ных пород при глубоком водопонижении // Исследование влияния горных разработок на подземные воды и массивы горных пород: Сб. науч. тр. /ВСЕГИНГЕО. И., 1985. -С. 59-62.
16. Методические указания по организации и проведению гидрогеологических наблюдений на специализированной региональной сети в целях прогноза сильных землетрясений. - М. ВСЕГИНГЕО 41с, (в соавторстве с Г.С.Вартаняном, Е.А.Поповым, А.И.Авсюком, О.П. Кошевым).
39
17. Анализ процесса консолидации пород с учетом их реологических свойств под влиянием водопонижения // Исследование влияния горных разработок на подземные воды и массивы горных пород. Сб. науч. труд. ВСЕГИНГЕО. - М., 1985. - С. 43-53 (в соавторстве с В.И. Башмаковым).
18. Условия возникновения Газлийских землетрясений // Опыт изучения Газлийских землетрясений и направления дальнейших исследований: Тезисы докладов Всесоюз. совещ. - Ташкент, 1985.
С. 65-66.
19. О механизме вызванной сейсмичности // Геология и разведка. -1986 8.-С. 56-65.
20. A.c. 1229323. Способ определения напорности водоносного горизонта / В.О.Волейшо. Е.А.Попов (СССР) № 3619136. Заяв. 16.05.83. Опубл. 07.05.86. Бюл. № 17. -32 с.
21. A.c. 1303957 СССР, Способ оценки пригодности гидрогеологического или геофизического объекта наблюдений для изучения геодинамических процессов / Г.С.Вартанян. Е.А.Попов. В.О.Волейшо (СССР).Заяв. 23.04.84. Опубл. 15.04.87. Бюл. 14 - 18 с.
22. Гидрогеодинамическая реакция водоносного горизонта на изменение напряженного состояния // Советская геология. - 1987,-№7 (в соавторстве с Г.С.Вартаняном).
23. Интерпретация результатов микроуровняметрии подземных вод. Геология и разведка, 1987 № 10 с.41-53
24. A.c. Способ краткосрочного прогнозирования землетрясения, (в соовтор. с Г.С. Варганяном). Заяв 18.07.86, Опубл. 15.07.88. Бюл.11 С.81.
25. Диагностика производительности и технического состояния эксплуатационной скважины (в соавторстве с Г.В. Куликовым). Фундаментальные проблемы нефтегазовой гидрогеологии, ГЕОС, М. 2005, С: 253-258
26. О возможности применения ГГД мониторинга при освоении нефтяных и газовых месторождений ( в соавторстве с Г.В. Куликовым). Фундаментальные проблемы нефтегазовой гидрогеологии, ГЕОС, М. 2005, С: 276-278.
27. Повышение сейсмической информативности гидрогеодефор-мационного мониторинга ( в соавторстве с Г.В. Куликовым и O.E. Круподе-ровой). Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций, МЧС России. 2006, С 312-329.
28. Критерии оценки изменения напряженно-деформированного состояния земной коры по данным гидрогеодеформационного мониторинга ( в соавторстве с Г.В. Куликовым)../ Известия вузов Геология и разведка/, 2006, № 5. Стр.42-46.
29. О некоторых проблемах ГГД-мониторинга и путях повышения эффективности использования метода (в соавторстве с Г.В. Куликовым, В.М. Тимофеевым). Из-во «Гере», М., 2006, Центр Геон, им. В.В. Федынского. Тезисы докладов, С: 46-47.
Содержание диссертации, доктора геолого-минералогических наук, Волейшо, Владислав Оскарович
1 .ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.
ВВЕДЕНИЕ.
2. РАЗВИТИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЙ О ГИДРОДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД.
3. СУЩЕСТВУЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРИРОДЕ ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА, ОБУСЛОВЛЕННОГО ВАРИАЦИЯМИ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ, ЛУННО-СОЛНЕЧНОГО ПРИТЯЖЕНИЯ И ТЕКТОНИЧЕСКИХ СИЛ.
3.1. Влияние вариаций атмосферного давления на гидрогеодинамический режим
3.2. Барометрическая эффективность
3.3. Реакция подземных вод на океанические и земные приливы.
3.4. Приливная эффективность
3.5. Существующие модели механизма формирования гидрогеодинамического режима под влиянием региональных внешних нагрузок.
4.ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПОД
ВЛИЯНИЕМ РЕГИОНАЛЬНЫХ ВНЕШНИХ НАГРУЗОК.
4.1. Развитие представлений о механизме взаимодействия шешних и внутренних сил в природных водосодержащих юристых средах.
4.2. Гидрогеомеханическая модель распределения апряжения по кровле водоносного горизонта
4.3. Распределение напряжений в водоносном оризонте вызванных вариациями атмосферного давления, приливными изменениями силы тяжести и тектоническими силами.
4.4. Распределение дополнительной региональной нагрузки в упруго-деформируемой двухфазной среде.
4.5. Теоретическое обоснование натурной модели распределения напряжения в водоносном горизонте обусловленного вариациями атмосферного давления.
4.6. Оценка инерционности наблюдательных скважин.
4.7. Оценка влияния давления воздуха в скважине с герметично закрытым устьем и некоторых других факторов на изменение уровня воды в ней.
5.ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА НАТУРНОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ИЗМЕНЕНИЙ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ И ЛУННО-СОЛНЕЧНОГО ПРИТЯЖЕНИЯ.
5.1. Методика проведения эксперимента.
5.2.Изучение распределения напряжения, возникающего под действием вариаций атмосферного давления в системе: напорный водоносный горизонт - открытый пьезометр, - закрытый пьезометр.
5.3. Распределение напряжения, возникающего под влиянием атмосферного давления в системе: безнапорный водоносный горизонт - открытый пьезометр - закрытый пье зометр решающий опыт).
5.4. Изучение реакции водоносного горизонта на земные и океаничежие приливы.
6.ПРИРОДА, МЕХАНИЗМ И ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ НОРМИРОВАНИЯ ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПОД
ВОЗДЕЙСТВИЕМ РЕГИОНАЛЬНЫХ ВНЕШНИХ НАГРУЗОК.
6.1. Природа внутрисуточного гидрогеодинамичекого режима.
6.2. Основные закономерности формирования гидро-геодинамического режима под влиянием вариаций атмосферного давления и лунно-солнечного притяжения.
6.3. Механизм формирования внутрисуточного гидрогеодинами-ческого режима
6.4. Взаимосвязь между геостатическим давлением и пьезометрическим напором водоносного горизонта
6.5. Природа неоднородной дифференциации полей пьезометрического напора водонапорного бассейна в ненарушенных условиях
7. ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ ПРИ ИЗУЧЕНИИ ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА, ФОРМИРУЮЩЕГОСЯ ПОД ВЛИЯНИЕМ РЕГИОНАЛЬНЫХ ВНЕШНИХ НАГРУЗОК.
7.1. Принцип выбора пункта наблюдения.
7.1.1. Обследование технического состояния наблюдательной скважины.
7.1.2. Оценка напорности водоносного горизонта и инерционности гидрогеологического наблюдательного пункта.
7.1.3. Оценка информативности пункта наблюдений.
7.2. Микроуровнеметрия подземных вод.
7.2.1. Аппаратурное обеспечение.
7.2.2. Техника измерения уровня подземных вод на наблюдательном пункте.
7.2.3. Способ обработки фактических данных наблюдений.
8. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАССИВА ГОРНЫХ ПОРОД ПРИ НАРУШЕНИИ БАЛАНСА ВНЕШНИХ И ВНУТРЕННИХ СИЛ В ПРОЦЕССЕ ИНЖЕНЕРНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ.
8.1. Закономерности распределения дополнительных напряжений, вызванных в гидрогеосфере созданием крупных водохранилищ.
8.2. Формирование напряженного состояния массива горных пород при активном водопонижении.
8.3. Распределение напряжения, вызванного закачкой жидкости в водоносный горизонт.
9.ОСНОВНЫЕ ПУТИ РАЗВИТИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО СПОСОБА ПРОГНОЗА ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ.
9.1. Прогнозная оценка изменения пьезометрических напоров минеральных вод месторождения Оби-Гарм под влиянием водохранилища строящейся Рагунской ГЭС.
9.2. Механизм вызванных землетрясений.
9.3. Гидрогеодинамический способ прогноза сильных землетрясений.
Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Закономерности формирования гидродинамического режима подземной гидросферы под воздействием региональных внешних факторов"
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность проблемы определяется необходимостью совершенствования и повышения эффективности службы гидрогеологических наблюдений в целях прогноза сильных землетрясений, возникающих под влиянием природных и техногенных факторов, для предотвращения их вредного действия.
Накопленные за последние годы фундаментальные данные показывают, что в литосфере на огромной территории под влиянием метеорологических (атмосферное давление), космических (лунно-солнечное притяжение), эндогенных сил, а также техногенных факторов возникают аномалии различных геофизических полей, которые проявляются в гидрогеодинамиче-ском режиме.
Специфической особенностью гидрогеодинамического режима, формирующегося под влиянием масштабных внешних нагрузок, является его периодическое или непериодическое проявление в региональном плане.
Гидродинамическая реакция подземных вод, возникающая под действием различных внешних природных и техногенных факторов относится к категории широко известного, но плохо изученного явления, физическая сущность которого, несмотря на значительные теоретические и экспериментальные исследования, остается не раскрытой. Существующие представления на природу этого явления и аналитические решения, вытекающие из них, вступают в противоречия с фактическим материалом и не могут объяснить расхождений, возникающих между расчетными данными и результатами натурных наблюдений.
Решение проблемы формирования гидрогеодинамического режима под воздействием региональных внешних сил помимо чисто теоретического значения имеет огромную практическую направленность, так как создает научную основу для разработки и совершенствования специфических нетрадиционных гидрогеологических методов исследования земной коры, в которых подземные воды используются в роли индикаторов напряжений.
Целью работы является раскрытие природы, механизма и основных закономерностей формирования гидродинамического режима подземных вод, возникающего под влиянием региональных внешних нагрузок.
Под региональными внешними нагрузками понимаются нагрузки, равномерно распределенные по площади, линейные размеры которой значительно превышают глубину залегания водоносного горизонта, возмущенного этими нагрузками.
Основная идея исследования взаимодействия внешних и внутренних сил в двухфазной упруго-деформируемой природной среде заключалась в использовании подконтрольных, натурных, региональных источников внешних нагрузок, вызывающих изменение напряжения в гидрогеосфере: вариаций атмосферного давления и приливной составляющей силы тяжести.
Задачами исследования являлись:
- формализованное изучение с позиций подземной гидростатики баланса внешних и внутренних сил в двухфазной упруго-деформируе мой среде вода - порода при постоянных и переменных региональных внешних нагрузках для создания модели распределения напряжений в подземной гидросфере, адекватно отражающей этот процесс в природных условиях;
- экспериментальное изучение гидрогеодинамического режима, возникающего под действием вариации атмосферного давления и лун но-солнечного притяжения в системе «скважина - водоносный гори зонт» для выяснения его природы, механизма и основных закономерностей формирования, а также для изучения процесса распределения в гидргеоосфере дополнительных напряжений;
- разработка специальной технологии, позволяющей регистрировать, выделять и интерпретировать мало амплитудные колебания уровня воды, возникающие под действием вариаций атмосферного давления, лунносолнечного притяжения и эндогенных сил (методический аспект исследования);
- оценка изменения напряжения в массиве горных пород, вызванного нарушением баланса внешних и внутренних сил в гидрогеосфере в целях прогноза различных геодинамических процессов, в том числе сильных землетрясений (прикладная сторона исследования).
Тема диссертации соответствует основной направленности научно-исследовательских разработок ВСЕГИНГЕО (МПР).
В основу диссертационной работы положены материалы личных многолетних (1961-1985 гг.) полевых исследований автора, выполненных в пределах Приташкентского артезианского бассейна (1961-1967 гг.) на Оби-Гармском месторождении минеральных вод (1977-1978 гг.), а также специальные экспериментальные исследования на натурных моделях, проведенные автором в Закарпатье (1967-1975 гг.), на Щемиловском опытом полигоне (1975-1977 гг.), в Грузии (1983 -1985гг.). Для более широкого обобщения обработан и исследован фактический материал по прецизионным измерениям уровня воды в скважинах, полученный полевыми отрядами ВСЕГИНГЕО и Комплексной гидрогеологической экспедицией ВСЕГИНГЕО в течение 19841986 гг. При полевых исследованиях широко использовался метод микро-уровнеметрии подземных вод, разработанный автором.
Работа выполнена в лаборатории гидрогеологических исследований по прогнозу землетрясений, ВСЕГИНГЕО.
Материалы диссертации являются составной частью исследований, проведенных автором, по темам: 5-5\39-81гр и 5-6\122-83гр, номера госрегистрации 81028006, 01850055292, выполненным в 1981-1986 гг. в соответствии с постановлением Правительства Р.Ф. и приказами Мингео.
Научная новизна и значение работы.
1) Получено уравнение, связывающее дополнительную региональную внешнюю нагрузку с напряжениями, вызываемыми этой нагрузкой в двухфазной упруго-деформируемой среде.
2) Показано, что взаимоотношение деформативных состояний в скелете во-довмещающей породы, вызванных внешними региональными нагрузками и изменяющимся под их действием поровым давлением, определяет кинематику распределения нейтрального и эффективного напряжений в двухфазной упруго-деформируемой среде.
3) Впервые теоретически обоснованы натурные модели и на них практически осуществлены экспериментальные исследования процесса распределения напряжений, возникающих в гидрогеосфере под действием региональных внешних сил, метеорологической и космической при роды, что позволило раскрыть механизм и ранее неизвестные закономерности внутрисуточного гидрогеодинамического режима: прямую и одновременную реакцию уровня подземных вод на любые внешние региональные нагрузки.
4) Впервые экспериментально на отдельных натурных моделях установлено, что дополнительная нагрузка, представленная вариациями атмосферного давления, передается в пределах верхней части подземной гидросферы на глубинах, доступных для исследования (до 3000 м), без ощутимых потерь: сумма нейтрального и эффективного напряжений с учетом деформационной составляющей порового давления исследуемого водоносного горизонта равна величине внешней нагрузки, вызывающей эти напряжения. В этих опытах индикатором эффективного напряжения служат изменения столба воды в открытой скважине, а нейтрального - колебание уровня воды в скважине с герметично закрытым устьем.
5) Показано, что изменение нейтрального напряжения, выступающего в роли динамического регулятора равновесного состояния системы "силы внешние - силы внутренние", определяет природу формирования мало амплитудного внутри суточного гидрогеодинамического режима. Механизм регулирования равновесного состояния этой системы осуществляется по гидравлическому принципу в соответствии с законом Паскаля: увеличение внешней нагрузки - рост нейтрального напряжения в пласте - подъем уровня воды в скважине, и наоборот.
6) Разработана концептуальная гидрогеомеханическая модель распределения напряжения по кровле любого стратифицированного водоносного горизонта гидрогеосферы, позволившая установить, что природная дифференциация неоднородностей пьезометрического напора в пределах единого водонапорного бассейна обусловлена, главным образом, характером распределения геостатического давления по кровле водоносного горизонта.
7) Разработана новая технология исследования мало амплитудных, кратковременных колебаний уровня - микроуровнеметрия подземных вод, позволившая зарегистрировать и выделить простые гидрогеодинамические сигналы барической и космической природы.
8) Разработан на уровне изобретения новый способ определения коэффициента приливной эффективности, применение которого позволило впервые установить его величину для водоносных горизонтов, расположенных в континентальной зоне, вне зоны действия океанических приливов.
9) Установлена природа приливной и барометрической эффективности.
10) Намечены пути исследования механизма возбужденных землетрясений.
11) Впервые показана четкая связь изосейст разрушительного землетрясения в Ташкенте (26 апреля 1966 г,) с контурами распространения дополнительных эффективных напряжений, возникших в кровле сеноманекого водоносного горизонта накануне толчка в результате интенсивной сработки гидростатического давления, вызванной многолетней эксплуатацией месторождения ташкентских минеральных вод.
Совокупность выдвинутых положений квалифицируется как новое перспективное направление в гидрогеологии, приобретающее важное народнохозяйственное значение и заключающееся в разработке и развитии нетрадиционного гидрогеодинамического метода изучения изменения напряженного состояния массива горных пород под влиянием природных и техногенных факторов, в котором подземные воды используются в качестве индикатора изменения нейтрального и эффективного напряжений.
Основные положения защищаемые автором.
1) Всякое изменение поля региональных внешних сил экзогенной и эндогенной природы, вызывает в пределах любого водоносного горизонта подземной гидросферы дополнительные напряжения: нейтральное и эффективное, сумма которых численно равна величине вызываемых их внешних факторов.
2) Региональная внешняя нагрузка, создавая в гидрогеосфере дополнительные эффективные и нейтральные напряжения, распределяется в жидкости и в "скелете" водовмещающих пород пропорционально их модулям упругости.
3) Под влиянием вариаций атмосферного давления уровень воды в скважине действует подобно манометру, как показатель дополнительного напряжения:
- изменение столба воды в открытой скважине отражает напряжение, воспринимаемое "скелетом" водосодержащих пород (эффективное напряжение);
- колебание столба вода в скважине с герметично закрытым устьем передает давление, воспринимаемое жидкостью водоносного горизонта (нейтральное напряжение);
- сумма изменений столба воды в открытой и закрытой скважине с учетом деформационной составляющей этих изменений равна перепаду атмосферного давления, которое вызывает эти изменения;
4) Региональная внешняя нагрузка вызывает в гидрогеосфере прямую и одновременную по всей площади приложения этой нагрузки реакцию подземных вод, проявляющуюся в водоносном горизонте через изменение поро-вого (гидростатического давления). Механизм, управляющий гидрогеодинамической реакцией,гидравлический.
5) Нарушение баланса внешних и внутренних сил, сопровождающее всякое изменение внешней нагрузки, является основной причиной развития различных геофизических процессов в литосфере.
Практическая ценность работы. Разработанный автором метод, в котором подземные воды используются в роли индикаторов нейтрального и эффективного напряжений, возникающих в подземной гидросфере под действием природных и техногенных нагрузок, позволяет на новом уровне, непосредственно в полевых условиях, исследовать распределение дополнительного напряжения в массиве горных пород и контролировать подготовку негативных геодинамических процессов, в том числе сильных землетрясений. Простота и доступность нового метода может найти широкомасштабное применение для оценки распределения напряжения, вызванного в гидрогеосфере инженерной деятельностью.
Реализация результатов работы. Разработаны, утверждены заместителем Министра геологии 27.12 .85 г. и используются в отрасли "Методические указания по организации и проведению гидрогеологических наблюдений по специализированной региональной сети в целях прогноза сильных землетрясений" (в соавторстве с Г.С. Вартаняном, Е.А. Поповым, Н.И. Авсюком, О.Н.Кошевым, которые с 2000г заменены «Методическими указаниями по ведению ГГД-мониторинга».
Результаты исследований внедрены в комплексной гидрогеологической экспедиции ВСЕГИНГЕО и широко используются для оценки пригодности гидрогеологических пунктов наблюдений при создании специализированной региональной гидрогеологической сети в сейсмоактивных районах страны в целях прогноза сильных землетрясений. Внедрение разработанных технологий: микроуровнеметрия подземных вод, оценка инерционности и информативности пунктов наблюдений (Авт. свид. 1303957), напорности подземных вод (Авт. свид. 1229323), определение коэффициента приливной эффективности (Авт. свид. П214Ю) позволило сократить срок исследования по каждой скважине и без дополнительных материальных затрат улучшить достоверность и качество получаемой информации при организации и проведении гидрогеологических наблюдений на специализированной гидрогеологической сети в целях прогноза сильных землетрясений в Средней Азии, Казахстане, Закавказье, России. Разработки автора использованы при создании специализированной региональной гидрогеологической сети на Северном Кавказе, Байкале а также в Дальневосточном регионе.
Результаты исследований использовались автором при разработке мероприятий по охране минеральных вод месторождения Оби-Гарм от воздействия водохранилища Рагунской ГЭС, при исследовании природы и механизма разрушительного Ташкентского землетрясения (16 апреля 1966 г.).
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и получили одобрение на Всесоюзном гидрогеологическом симпозиуме по вопросам разведки, изучения и курортного использования минеральных вод (Москва, 1978 г.), на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Методика и организация наблюдений за режимом подземных вод для прогноза землетрясений" (пос. Зеленый, Московская обл., 1983 г.), на межведомственном семинаре "Итоги изучения региональных и инженерно-геологических процессов в осадочном чехле молодых плит" (Москва, 1983 г.), на Всесоюзной конференции "Подземные воды и эволюция литосферы" (Москва, 1985 г.), на Всесоюзном совещании "Опыт изучения Газлийских землетрясений и направления дальнейших исследований" (Ташкент, 1985 г.).
Основные положения диссертации опубликованы в 28 работах, в том числе в монографии, брошюре, пяти изобретениях и статьях, помещенных в реферируемых журналах "Советская геология", "Геология и разведка", материалах Всесоюзных конференций и семинаров, журнале "Разведка и охрана недр", сборниках ВСЕГИНГЕО (МПР) и изобретениях.
Автор выражает признательность сотрудникам Управления геологии Таджикистана за помощь в проведении экспериментальных исследований и внедрение результатов диссертационной работы.
Заключение Диссертация по теме "Гидрогеология", Волейшо, Владислав Оскарович
5. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ НА НАТУРНЫХ МОДЕЛЯХ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ ГИДРОГЕОДИНАМИЧЕСКОГО РЕЖИМА ПОД ВЛИЯНИЕМ ВАРИАЦИЙ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ И ЛУННО
СОЛНЕЧНОГО ПРИТЯЖЕНИЯ Наблюдения за гидрогеодинамическим режимом, вызванным вариациями атмосферного давления и земными приливами в течение 1972-76 гг. и в 1983 г. выполнялись автором по скважинам, расположенным в Закарпатье (скважины № 2п, 2т,4, Хуст, Тячево), на опытном полигоне ВСЕГИНГЕО пос.Зеленый (скважины опытного куста № 407), в Таджикистане (месторождение минеральных вод Оби-Гарм), а также по скважинам, расположенным в различных геолого-тектонических условиях Грузии (Южный склон Большого Кавказа: скважина № 30 Саниори); Грузинская глыба: скважины Зугдиди, Кобулети (три скважины); Аджаро-Триалетской складчатой области (скважины Набеглави, Аспиндзе, Боржоми, Лиси), Джавахетское нагорье (скважина Ахалкалаки). В полевой период 1985 и 1986 гг. аналогичные исследования на территории Грузии, а также на полигоне ВСЕГИНГЕО "Петушки" проводились инженером А.Федоровым под методическим руководством автора. Первичные материалы по Туркмении были любезно представлены диссертанту сотрудниками Южно-Каракумской гидрогеологической экспедиции, в составе которой проводились прецизионные измерения уровня подземных вод в соответствии с "Методическими указаниями", разработанными ВСЕГИНГЕО /10/.
Аналогичные исследования, по методике, разработанной автором были выполнены в течение 1984 и 1985 гг. полевым отрядом Комплексной гидрогеологической экспедицией ВСЕГИНГЕО на территории Таджикистана (10 скважин: Явроз № I, Галабулак 11, Бабатахана 10, Игрол-27, Гарм №№3,4, Тавиль-Дара - 101 р, Пролетарская № 26а, 29, 31 и поКиргизии (22 скважины). Обработка всего фактического материала, полученного по 60 скважинам, производилась автором.
Исследования проводились с целью изучения гидрогеодинамической реакции системы: "скважина (открытая и закрытая) - водоносный горизонт" на воздействие вариаций атмосферного давления и лунно-солнечного притяжения.
5.1. Методика проведения эксперимента
Колебания уровня воды в скважинах, вызванные региональными внешними нагрузками, обычно составляют некоторую часть от величины этих нагрузок. Так как изменение внешних сил в течение суток характеризуется, как правило, незначительными перепадами (0,5-20 гПа), то амплитуды колебания уровня в течение этого же периода оказываются еще меньше и исчисляются несколькими миллиметрами или первыми десятками миллиметров.
Регистрация и выделение мало амплитудного, кратковременного гид-рогеодинамического сигнала, обусловленного внешними нагрузками на фоне сезонного или многолетнего режима подземных вод требует применения специальной аппаратуры и методических приемов. Традиционные способы наблюдения за режимом подземных вод, основанные на дискретной уровне-метрии с редким шагом регистрации (от 3-х до 5-ти замеров в месяц), с использованием существующих измерительных средств, дающих погрешность в измерениях уровня в пределах +1 см не могут удовлетворить тех требований, которые предъявляются к изучению гидрогеодинамического режима, формирующегося под влиянием дополнительных внешних нагрузок.
Информация об изменениях уровня подземных вод под влиянием вариаций атмосферного давления и лунно-солнечного притяжения при традиционном способе измерения уровня полностью теряется. А в случае повышения частоты замеров до одного в сутки, получаемые результаты являются среднесуточными с погрешностью, равной амплитуде колебания уровня, под влиянием внешних нагрузок (рис.24).
Рис.24.Сопоставление результатов микроуровнеметрии и разовых замеров уровня воды в скважине Галабулак (Таджикистан)
Выбор интервалов дискретизации записи временных рядов в процессе регистрации мало амплитудных колебаний уровня обусловлен высокими требованиями к точности получаемой информации. Частота замеров должна обеспечить получение данных в пределах погрешности их измерения и при этом должна быть меньше величины периода изменения изучаемого параметра. В противном случае отражение изменений регистрируемого параметра не будет соответствовать реальному процессу. Непрерывная регистрация лишена этого недостатка и в силу этого обладает очевидным преимуществом перед дискретной формой записи. Поэтому в ходе экспериментальных исследований процесса формирования мало амплитудных колебаний уровня регистрация изменений уровня, а также основных факторов их вызывающих, осуществлялась преимущественно в непрерывном режиме. Частота шага при дискретной регистрации составляла I замер в час.
Технические средства и методы, применяемые при традиционных способах проведения режимных наблюдений за уровнем подземных вод оказываются непригодными при изучении микроколебаний. Во ВСЕГИНГЕО /62/ была разработана методика изучения мало амплитудных колебаний уровня на базе изготовленного опытным производством института прецизионного измерительного комплекса ГД-2 с чувствительностью регистрации не ниже I мм.
Аппаратурное обеспечение может быть различным по принципу действия, но, независимо от конструктивных особенностей приборов, они должны удовлетворять следующим требованиям: обеспечивать автоматизированную дискретную или непрерывную регистрацию уровня воды в течение всего срока наблюдения, обладать высокой степенью точности (до I %) и хорошей чувствительностью (до I мм), позволяющей фиксировать мало амплитудные колебания уровня, быть надежными и стабильными в эксплуатации, а также иметь низкую инерционность, обеспечивающую регистрацию уровня с различной частотой.
Способ прецизионного измерения изменений уровня и факторов их вызывающих, в отличие от существующего метода проведения режимных наблюдений за уровнем подземных вод, был назван микроуровнеметрией.
Микроуровнеметрия подземных вод - это способ синхронного автоматизированного наблюдения прецизионными устройствами (чувствительностью не менее I мм) за мало амплитудными колебаниями уровня подземных вод в скважинах и за изменением внешних нагрузок, которые воздействуя на водоносные, нефтяные и газовые пласты вызывают эти колебания.
Актуальность исследования подземных вод способом микроуровне-метрии в настоящее время значительно повысилась в связи с интенсивными поисками гидрогеодинамических прогностических показателей землетрясения /13; 63/.
Микроуровнеметрия подземных вод включает в себя следующие операции: обследование скважины, автоматизированную (непрерывную или дискретную) регистрацию колебаний уровня и внешних нагрузок их вызывающих, обработку и интерпретацию результатов наблюдений.
Скважина обследуется для оценки её технического состояния, степени инерционности и информативности. Поиски незначительных по величине, кратковременных периодических или непериодических колебаний уровня подземных вод выдвинули новые требования не только к методике проведения режимных наблюдений, но также к техническому состоянию пункта наблюдения. Техническое состояние наблюдательной скважины должно гарантировать получение гидродинамической информации строго с исследуемого водоносного горизонта. Способ оценки технического состояния скважины изложен в специальной литературе /10/. Особенно высокие требования при изучении мало амплитудных колебаний уровня предъявляются к достоверности получаемой информации, которая при соблюдении названных требований сильно зависит от степени инерционности наблюдательной скважины.
Инерционность наблюдательной скважины должна быть такой, чтобы обеспечить получение в ней неискаженных как по амплитуде, так и по фазе колебаний уровня, возникающих в водоносном горизонте. Отсюда очевидна необходимость в оценке инерционности наблюдательной скважины при проведении микроуровнеметрии.
Оценка инерционности скважин, расположенных в Средней Азии производилась по результатам их опробования экспресс-методом и способом ба-рометрии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Объектом изучения является гидрогеодинамический режим, формирующийся в результате изменения напряженного состояния гидрогеосферы под действием региональной внешней нагрузки метеорологической (атмосферное давление), космической (лунно-солнечное притяжение) и эндогенной (тектонической) природы.
Теоретические исследования равновесного состояния системы "силы внешние - силы внутренние", выполненные на основе механических взаимоотношений региональной внешней нагрузки с поровым и интергранулярным давлением в двухфазной, упруго-деформируемой среде: "вода - порода", завершились созданием гидрогеомеханической модели распределения напряжений в подземной гидросфере. Концептуальная гидрогеомеханическая модель является оригинальной, так как ранее известен был только вид апрокси-мации, связывающий изменение уровня воды в скважине с изменением атмосферного давления, а также с вариациями океанического прилива. При этом оставались не ясными физический смысл этих связей и закономерности распределения напряжений, возникающих в водоносном горизонте под действием региональной внешней нагрузки в двухфазной упруго-деформируемой среде.
Аналитические уравнения, связывающие изменения порового давления и эффективного напряжения с дополнительной внешней нагрузкой, а также уравнение состояния двухфазной, упруго-деформируемой среды, находящейся под действием региональной внешней нагрузки, выведены исходя из основных принципов гидрогеомеханической модели, с учетом сохранения в системе изотермических условий. Исследовалась, главным образом, закрытая гидрогеодинамическая система, в которой взаимоотношение и баланс внешних и внутренних сил регулируется за счет энергообмена. При этом связь водоносного горизонта с пьезометром осуществляется гидравлически.
Из анализа уравнения состояния следует, что всякое изменение поля региональных внесших сил сопровождается в пределах любого водоносного горизонта для поддержания баланса сил в системе, изменениями эффективного и нейтрального напряжений, численно равных величине, вызывающей их внешней нагрузки.
Основные закономерности распределения дополнительных нейтральных и эффективных напряжений, возникающих в напорных водоносных горизонтах под действием региональных внешних нагрузок, определяются взаимоотношением гравитационной и деформационной составляющей поро-вого давления. Деформационная составляющая изменения уровня воды в неявной форме учитывается параметром гидростатического давления " Ь ", которым уравнение состояния отличается от равенства Терцаги.
В условиях жесткого, неупругого режима этот коэффициент равен единице и уравнение состояния переходит в равенство Терцаги. Теоретически, на основе решения задач равновесного состояния системы "атмосферное давление - напорный водоносный горизонт - открытый - закрытый пьезометры" получено уравнение натурной модели, позволяющей проводить непосредственно в природных условиях исследование процесса формирования и распределения дополнительных напряжений, возникающих в гидрогеосфере под действием региональных внешних нагрузок. Специальная методика, разработанная для исследования внутрисуточных мало амплитудных колебаний уровня воды - микроуровнеметрия подземных вод - позволяет с высокой степенью точности регистрировать тонкие гидрогеодинамические эффекты, интерпретация которых приводит к более глубокому изучению процесса распределения напряжений, возникающих в гидрогеосфере под действием региональных нагрузок.
Графики внутрисуточных, мало амплитудных колебаний уровня воды, несут интегральную гидрогеодинамическую информацию, обусловленную действием в совокупности различных как природных: космических, метеорологических, планетарных, так и техногенных факторов. Обработка гидрогео-динамической информации сводилась к отысканию и выделению графоаналитическим способом конкретного простого гидрогеодинамического сигнала метеорологической, космической и тектонической природы.
Результаты экспериментов, выполненных на натурных моделях, показали, что процесс распределения напряжений в напорных водоносных горизонтах протекает строго в соответствии с основным уравнением состояния.
Дисбаланс, возникающий между результатами экспериментов и расчетными данными, следующими из равенства Терцаги, обусловлен деформационной составляющей порового давления, которое не учитывается этим равенством.
Экспериментально по сохранению баланса внешних и внутренних сил доказано, что передача региональной внешней нагрузки в любом водоносном горизонте гидросферы осуществляется без ощутимых потерь и в соответствии с уравнением состояния. Это равносильно доказательству положения о том, что полное напряжение в любом водоносном горизонте изменяется на величину изменения региональной внешней нагрузки.
Количественное соответствие между экспериментальными и расчетными данными, полученных аналитически из уравнения состояния, свидетельствует о том, что региональные внешние нагрузки (атмосферное давление и лунно-солнечное притяжение), распределяются в жидкости и в "скелете" водовмещающих пород пропорционально их модулям упругости, проявляясь в водоносном горизонте через изменения порового давления. При этом под влиянием вариаций атмосферного давления уровень воды в скважине действует подобно манометру, как показатель дополнительного напряжения: в открытой скважине - эффективного, а в скважине с герметично закрытым устьем - нейтрального.
Экспериментально установлено, что процесс распределения дополнительного напряжения в безнапорном водоносном горизонте протекает строго в соответствии с равенством Терцаги, а давление и температура воздуха, находящегося в скважине с герметично закрытым устьем, не оказывает существенного влияния на поведение уровня воды в ней. В ходе эксперимента каких-либо ощутимых отклонений результатов за счет перечисленных факторов не установлено. Экспериментально доказано, что равенство Терцаги описывает процесс распределения напряжения, вызванного региональной внешней нагрузкой в безнапорном водоносном горизонте, а уравнение состояния представляет аналогичный процесс в напорном водоносном горизонте.
Анализ экспериментальных результатов позволил установить, что природа гидрогеодинамического режима, возникающего под действием региональных внешних нагрузок, обусловлена главным образом изменением нейтрального напряжения, а составляющая от деформации водосодержащих пород оказывается незначительной. Механизм, управляющий гидрогеодинами-ческой реакцией в системе "водоносный горизонт - скважина", гидравлический. Гидрогеодинамическая реакция, обусловленная действием региональных внешних нагрузок, проявляется в любом водоносном горизонте гидрогеосферы одновременно по всей площади приложения этих нагрузок.
Исходя из принципиально новых представлений на природу гидрогеодинамического режима, возникающего под действием региональных нагрузок, осуществлена разработка нетрадиционных, гидрогеологических методов прогноза изменения напряжений в массиве горных пород и развития негативных геодинамических процессов, в том числе сильных землетрясений. Экспериментально доказано, что всякое нарушение баланса внешних и внутренних сил, сопровождается изменениями эффективного напряжения массива горных пород, которые при определенных геолого-гидрогеологических условиях приводят к развитию различных геодинамических процессов (просадка земной поверхности, возбужденные землетрясения).
На примере водозабора ташкентских минеральных вод показано, что рост эффективного напряжения, в результате сработки первоначального по-рового давления в ходе интенсивной эксплуатации сеноманского водоносного горизонта, явился основной причиной разрушительного Ташкентского землетрясения 26 апреля 1966 г. Совокупность, выдвинутых положений квалифицируется, как новое перспективное направление в гидрогеологии, заключающееся в развитии основ подземной гидростатики и в разработке нетрадиционного гидрогеологического метода изучения напряжений, возникающих в массиве горных пород под влиянием природных и техногенных, факторов, в котором подземные воды используются в качестве индикатора изменения нейтрального и эффективного напряжения и приобретающего важное народнохозяйственное значение, связанного с прогнозом развития негативных геодинамических процессов.
Основные научные и практические выводы сводятся к следующему: 1. Изучены основные закономерности формирования, природа и механизм внутрисуточного гидрогеодинамического режима, возникающего под действием периодических и непериодических природных нагрузок метеорологической и космической природы.
2 . Установлено, что формирование краткосрочного малоамплитудного колебания подземных вод, вызванных вариациями атмосферного давления, океанических и земных приливов, обусловлено, главным образом, дополнительным поровым давлением, возникающим в водоносном горизонте под влиянием этих нагрузок и выступающих в роли динамического регулятора равновесного состояния системы: внешние силы - внутренние силы водоносного горизонта. Механизм регулирования равновесного состояния системы осуществляется гидравлически в соответствии с законом Паскаля: увеличение внешней нагрузки - рост порового давления в водоносном горизонте -подъем уровня воды в пьезометре и наоборот.
3. Внешние нагрузки, размеры площади приложения которых, значительно превышают глубину залегания исследуемого водоносного горизонта, передаются на кровлю любого водоносного горизонта гидрогеосферы без ощутимых потерь и распределяются в жидкой и твердой фазе пропорционально коэффициенту приливной и барометрической эффективности или модулю их упругости. Уровенный режим в скважине, вызванный флуктуациями атмосферного давления, действует подобно манометру, как показатель изменения давления в водоносном горизонте: в открытой скважине - интергранулярного, а в закрытой скважине - порового.
4 . Разработана гидрогеостатическая модель и методика полевых исследований процесса распределения нейтрального и эффективного напряжения, возникающего в водоносном горизонте.
5. Разработан на уровне изобретения способ определения коэффициента приливной эффективности водоносного горизонта, расположенного в континентальной зоне, а также нейтрального и эффективного напряжения, возникающего в гидрогеосфере под действием различных природных и техногенных нагрузок.
6 . Разработана методика прецизионных измерений малоамплитудных колебаний уровней, одновременно с регистрацией факторов их вызывающими - микроуровнеметрия подземных вод, а также алгоритмы для выделения и учета гидрогеодинамического режима, обусловленного вариациями атмосферного давления или лунно-солнечного притяжения.
7. Составлены методические указания, регламентирующие на уровне отрасли проектирование при организации специализированной региональной сети в целях прогноза сильных землетрясений.
6. Изучены в природных условиях на специально разработанной натурной модели основные закономерности связи порового давления и эффективного напряжения с дополнительной внешней нагрузкой.
9. Выполнена оценка инерционности системы скважина - водоносный горизонт по её реакции на вариации барометрического давления для определения времени релаксации порового давления в ней.
10. Показано, что природная дифференциация неоднородностей поля пьезометрического напора в пределах единого водонапорного бассейна, обусловлена, главным образом, характером распределения геостатического давления по кровле исследуемого водоносного горизонта.
11. Закономерности, вытекающие из теоретических исследований и натурных экспериментов по распределению региональной внешней нагрузки в пределах верхней части гидрогеосферы, доступной для исследования (до 3000 м) интерпретируются как закон сохранения энергии: сумма нейтральных и эффективных напряжений, с учетом упругой деформацией водоносного горизонта, равна величине внешней нагрузки, вызывающей эти напряжения.
12. Показано, что нарушение равновесного состояния системы силы внешние - силы внутренние, в результате увеличения внешней природной или техногенной нагрузки, или за счет изменения внутренних сил, например, уменьшение первоначального порового давления, сопровождается ростом эффективного напряжения. Изменение эффективного напряжения под воздействием внешней нагрузки или при снятии порового давления является основным рычагом, управляющим негативными геодинамическими процессами (просадка земной поверхности, возбужденные землетрясения).
13 . Показана доминирующая роль техногенных факторов (интенсивная эксплуатация месторождения) в механизме формирования разрушительных землетрясений в Ташкенте (26 апреля 1966 г.) и Газли (1978,1984 гг.).
14 . Рекомендован комплекс гидрогеологических исследований в районе интенсивной хозяйственной деятельности (создание высоконапорных плотин, разработка жидких и газовых месторождений полезных ископаемых, инъекция жидкости в земные недра) и в сейсмоопасных районах для прогноза землетрясений. Дана прогнозная оценка изменения гидрогеодинамических условий месторождения минеральных вод Оби-Гарм под действием проектной плотины Рагунской ГЭС.
15.Внедрение в комплексной геолого-геофизической экспедиции Управления геологии б. Грузинской ССР и комплексной гидрогеологической экспедиции ВСЕГИНГЕО, а также широкое использование территориальными производственно-геологическими объединениями разработанной технологии: микроуровнеметрия подземных вод, оценка инерционности, информативности пунктов наблюдения (авт. свид. 1303957), определение напорности подземных вод (авт.свнд. 1229323), определение коэффициента приливной эффективности водоносного горизонта, расположенного в континентальной зоне (авт.свид. 1229323), позволило без дополнительных материальных затрат значительно повысить качество и достоверность получаемой информации для целей прогноза сильных землетрясений.
Направление дальнейших исследований связано с развитием и совершенствованием гидрогеодинамического метода изучения напряженного состояния массива горных пород, с целью прогноза различных геодинамических процессов, в том числе сильных землетрясений.
Для чего необходимо:
- завершить создание натурной экспериментальной базы - специализированной региональной гидрогеологической сети по сейсмоактивным регионам страны;
- провести сопоставление прогнозных оценок, выполненных по данным контрастности изменения полей напряжения массива горных пород, выделенного на основании гидрогеодинамических аномалий тектонической природы с фактическими результатами наблюдений за очагами сильных землетрясений.
СПРАВКА
О внедрении метода микроуровнометрии для поисков гидрогеологических прогностических показателей землетрясения.
В период с 4 июня по 28 августа Х983 года полевой отряд ВСЕГИНГЕО под руководством старшего научного сотрудника В.О. Волей-шо произвел микроуровнометрию подземных вод по девяти скважинам, расположенным в различных reo лого-тектонических условиях б. Грузинской ССР (Южный склон Большого Кавказа, скважина № 30 Саниори; Грузинская глыба, скважины Зугдиди, Кобулети, Аджаро-Триалетский складчатой области: скважины, Набеглави, Аспиндза, Боржоми, Тбилиси, Джавахет-ском нагорье - скважина Ахалкалаки).
Исследование выполнены с целью оценки реакции водоносных горизонтов на воздействие внешних природных факторов: лунно-солнечного притяжения и атмосферного давления и выбора по этим данным наиболее информативных пунктов наблюдений для поисков гидрогеодинамических предвестников землетрясений. Работа выполнялась методом микроуравно-метрии подземных вод, разработанным ст.научным сотрудником ВСЕГИНГЕО В.О.Волейшо, который включает прецизионное измерение уровня подземных вод в скважине с одновременной фиксацией изменений барометрического давления.
В результате выполненных исследований и полевой обработки материалов, пере данных экспедиции для исследования (акт передачи полевых материалов прилагается) установлено, что микроуровнометрия подземных вод позволяет зафиксировать реакцию подземных вод на земные приливы и атмосферное давление. Полученные фактические материалы по микроурав-нометрии позволили, с учетом переданных ВСЕГИНГЕО для внедрения метода приборов, организовать наблюдения по поиску гидрогеодинамических предвестников землетрясений по скважине в Тбилиси, а также использовать все исследованные скважины для региональных поисков гидрогеодинамических предвестников на территории Грузии.
Внедрение метода микроуровнометрии Геолого-геофизической экспедицией по региональным работам выполняющей работы по проблеме поисков гидрогеологических предвестников землетрясения, позволит получить значительный экономический эффект.
Начальник Геолого-геофизической экспедиции ю региональным работам Управления геологии Грузии
Ш.Гигочуадзе
Акт об использовании изобретения.
14" июля 1986г.
Название изобретения: "Способ определения напорности водоносного горизонта". дата приоритета: 16.05.83г.
Форма авторского свидетельства: № 1229323
Фамилия авторов: В,0.Волейшо, Е.А.Попов.
Формула изобретения: Способ определения напорности водоносного горизонта, включающий измерение уровня воды в открытой скважине или расхода родника, отличающийся тем, что с целью снижения трудоемкости и повышения точности, регистрируют изменение атмосферного давления во времени одновременно с измерением колебаний уровня воды или расхода родника, а о напорности водоносного горизонта судят по величине отноше
0 АН ния В = — АР где В - барометрическая эффективность водоносного горизонта;
АН - изменение уровня воды в открытой скважине за промежуток времени, отсчитываемый с момента начала измерения уровня воды до момента его стабилизации,
АР - изменение атмосферного давления за промежуток времени, в течение которого происходит изменение уровня воды в открытой скважине или расхода родника, при В ^О водоносный горизонт считают напорным, а при В=0 безнапорным.
Название, шифр изделия, в котором используется а.с.: непосредственно в изделиях не применяется, используется как технологический процесс при микроуровнеметрии подземных вод в целях оценки пригодности гидрогеологического пункта для наблюдений.
Соответствие изобретения техническому решению, примененному при выполнении полевых работ методом микроуровнеметрии подземных вод: сопоставленный анализ элементов, упомянутых в формуле изобретения и примененной методики полевых работ показывают, что все элементы, содержащие в ограничительной части формуле изобретения полностью используется в процессе выполнения микроуровнеметрии подземных вод в целях оценки пригодности гидрогеологического пункта для гидросейсмологических наблюдений.
Методика полевых работ, соответствующая формуле изобретения, является составной частью методики работ по обследованию технического состояния наблюдательных скважин, что отражено в разделе 4.2.3. "Методических указаний по организации и проведению гидрогеологических наблюдений на специализированной региональной сети в целях прогноза сильных землетрясений", После проведения испытания изобретение признано годным к использованию и с 07 мая 1984г. использовано центральной геофизической партией Комплексной гидрогеологической экспедицией ВСЕГИЬГЕО.
Ответственность за дальнейшие использование изобретения возлагается на Кочеткова М.Б., который обязан в случае прекращения использования изобретения поставить в известность отдел, бюро или уполномоченного по изобретательность и изобретательности в течение 5 дней.
Начальник комплексной гидрогеологической экспедиции H.H. Шарапанов Начальник геофизической партии
Ответственный за использование изобретения) М.Б.Кочетков Руководитель отдела патентоведения
ВСЕГИНГЕО Е.М. Аниканов
Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора геолого-минералогических наук, Волейшо, Владислав Оскарович, пос. Зеленый
1. Милькис М.Р. Гидрогеологические и гидрометеорологические предвестники Ашхабадского катастрофического землетрясения // Доклад АН СССР, 1983. Т. 273. - С.
2. Монахов Ф.И., Киссин И.Г., Хантаев A.M. и др. Новые данные о гидрогеодинамическом эффекте, предшествующем землетрясениям // Физика Земли. М.: Изд-во АН СССР, I960. - Т.1. - С. 105-107.
3. Krauss. Abschaung der Transmissivtat des Grundwasserleiters aus seismischen Reaktionen in Brunnen- Wasserwirtschaft 1988,H №l,s 5-7.
4. Wang Cheng-min and ath. Characteristics af Water level Wariation in deep wells before and the Tangshan larthquake:-Jnternational Symposium an lartquake prediction.Paris,UNESKO 1979 p 17.
5. Вартанян Г.С, Куликов Г.В. 0 глобальном гидрогеодефор-мационном поле // Советская геология, 1983. Т.5 с.116-125.
6. Киссин И.Г. Гидрогеодинамические предвестники в системе прогноза землетрясений // Гидрогеодинамические предвестники землетрясений: тр. ИФЗ, 1984. С. 3-30.
7. Куренков O.B. Определение фильтрационных параметров пласта по наблюдениям за микроколебаниями уровня в скважинах.
8. М., Автореферат канд.геол.-минер, наук. М., 1975. - 42 с.
9. Ковалевский B.C. и др. К вопросу об определении гидрогеологических параметров по данным наблюдений за режимом напорных вод и атмосферного давления // Вопросы изучения и анализа режима подземных вод. М., 1967, - Вып.2. - С. 56-66.
10. Волейшо В.О. Реакция подземных вод на динамические процессы в атмосфере (ЭИ ВИЭМС. Вып.2) / Гидрогеол. и инж.геол. «М., 1983. -С. 1-Й.
11. Schureman P. Tides in Wells.Geograph Review,№36 1926
12. A.c. 507844. Сардаров С.С. Способ предсказания времени возникновения землетрясения.
13. СССР) № 3734537/24А25. Заяв. 23.04.84. Опубл. 15.04.87. Бюл. 14. С. 18.4 4 . Шестаков В.М. Динамика подземных вод. М.: Изд-воМГИ, 1973. - 234 с.
14. Шестаков В.М. Некоторые вопросы теории упругого режима фильтрации // Прикладная механика и тех.физика, 1962, №3. С. 91-102.4 б . Каменский Г.Н., Бинденман Н.И. и др. Режим подземных вод ОНТИ.-М, 1938.- 120 с.
15. Терцаги К. Теория механики грунтов. М.: Госстройиз-дат, 1961.- 507 с.
16. Желтов Ю.И. Механика нефтегазоносного пласта. М.: Недра. 1975. -215 с.
17. Флорин В.А. Основы механики грунтов. M.-jl: Госстрой-издат, 1959. T.I. - 337 с.50 . Зарецкий Ю.К. Теория консолидации грунтов. М.: Наука, 1967. 267 с.
18. Герсеванов Н.М., Полыиин Д.Ё. Теоретические основы механики грунтов. М.: Госстройиэдат, 1943. 247 с.52 . Цытович и.А. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1968.- 259с.
19. Мироненко В.А., Шестаков В.М. Основы гидрогеомеханики. -М.: Недра, 1974. 295 с.
20. Kamp,Gale J.Theoru of larth tide and Barometric effects in formations withcompressible grains-Water Resour.Res.1983.vol.19 №2 p 538-544.
21. Тейлор Д. Основы механики грунтов. М.: Госстройиз-дат, I960.596 с.
22. Вартанян Г.С, Башмаков В.И., Волейшо В.О., Прупис В.Н. Гидродинамическая реакция водоносного горизонта на изменение напряженного состояния // Советская геология, 1987. 7. - С. 54-58.
23. Балевадзе Б.К., Картвелшивили К.З. Приливы в твердом теле Земли. Тбилиси, Мецнисреба, 1984. 173 с.
24. Волейшо В.О. Микроуровнеметрия подземных вод // Разведка и охрана подземных вод, 1984, № 12. - С. 43-48.
25. Волейшо В.О. Гидрогеодинамическая реакция подземных водна проявление внешних природных сил атмосферного давления океанических и земных приливов // Гидрогеол. и инжен.геол. М.:ВИЭМС, 1984. - 57 с.
26. Лишак Ю.Н., Панкратова Г.М. Экспресс-опробование наблю дательных скважин // Прогрессивные способы сооружения гидрогеоло гических скважин и пути улучшения качества промывочных жидкостей. Сб. науч. тр. / ВСЕГИНГЕО. М., 1984. - С. 19-29.
27. Марус В.И., Волейшо В.О. К вопросу формирования место рождения углекислых минеральных вод восточной части Закарпатья
28. Вопросы геологии осадочных отложений Украины. Киев: Наукова думка, 1972. - С. 165-180.
29. Бурак В.М., Астапенко В.И., Капора М.С., Цыганова С.У., Клыше-вич Ю.И. Роль фактора приливных сил в изменении гидродинамического режима подземных вод сейсмоспокойных районов // Сей-смол и геотерм, ис-след. в Белоруссии. Минск, 1985. - G. 74-78.
30. A.c. 675173 СССР М E2IB 47/00. Способ определения коэффициента объемной упругости пластовой жидкости / В.О. Волейшо (СССР) № 2374845/22-03. Заяв. 21.04.76. Опубл. 25.07.79.Бюл. №27.-25 с.
31. Волейшо В.О. 0 некоторых гидрогеодинамических и гидро термальных особенностях Ташкентской минеральной воды // Развед ка и охрана недр, 1966, № II. С. 40-44.
32. Губкин И.М. Учение о нефги. ОНТИ, 1937.
33. Карцев A.A. Гидрогеология нефтяных и газовых месторождений. -М„ Гостоптехиздат, 1963.
34. Кулаков Н.В. Палеогидрогеологические условия формирования газонефтяных месторождений (на примере Саратовеко-Волгоградского Поволжья). М.: Недра, 1954.
35. Колодий В,В, Гидрогеология плиоценовых отложений Запад но-Туркменской нефтегазоносной области // Моск. ин-т Нефтехими газов, пром-сти, 1964.
36. Алексин A.A. 0 региональных направлениях движения под земных вод в крупных тектонических впадинах // Научно-аналитиче ские и тематические обзоры. Геологические исследования на нефтьи газ в Волго-Уральской области. М., Гостоптехиздат, 1У64.
37. Левкович Р.А., Дейнега Г.И., Касперов С.Л. и др. Гидро динамический эффект создания крупных водохранилищ в сейсмоактив ных областях. М.: Наука, 1982. - 75 с.
38. RotheG.P Seismas artificiels Tectonophusies. 1970,9 №2
39. Фомин B.M., Волейшо В.О. Механизм формирования напряженного состояния в очагах землетрясений, вызванных деятельностью человека // Советская геология. 1978, № 3. - С. I03-II3.
40. Вартанян Г.С. Поиски и разведка месторождений минераль ных вод в трещинных массивах. М.: Недра, 1973.98 . Легет Р. Города и геология. М.: Мир, 1976. - 550 с.
41. Гармонов И.В., Коноплянцев A.A. Влияние искусственного понижения уровня подземных вод на состояние земной поверхности,-М.: Разведка и охрана недр, 1964, № 2.
42. Волейшо В.О. Формирование напряженно-деформированного состояния горных пород при глубоком водопонижении // Исследование влияния горных разработок на подземные воды и массивы горных пород./ Сб. науч. тр. ВСЕГИНГЕО. М., 1985. - С. 59-62.
43. Шелкачев В.Н. Разработка нефтеносных пластов при упругом режиме. М., Гостоптехиздат, 1959.
44. Гупта X., Растоги Б. Плотинные землетрясения. М.:1. Мир, 1979.-247 с.
45. Киссин И.Г. 0 проблеме землетрясений, вызванных инженерной деятельностью // Советская геология, 1972, № 2. -С. 68-79.
46. Evans M.D.Man-made earthquakes in Denver.Geotemes,vol.lO
47. Evans M.D, Denver's man-made earthquakes. Ming, Mag, vol56, №5,1966.
48. Hubbert М.К. Rubeq W.W. Role of fluid pressurein mechanies of over-thrust faulting, 1 Dull, Geol. Soc. Am70 115-166, 159.
49. Cornet C. Foirhurst C. Variation of pore Volume in disen tegratingrok. Deutsche Geselschaft fur Erd-und Grundbau. Stuttgart t. 2, 1972, 108.
50. Carder D.S. Reservoir loading and locol Carthgukes Geol. Soc. Am70 81, № 8.
51. Николаев Н.И. Водохранилища и землетрясения // Физика Земли, -М.: Изд-во АН СССР, 1972, № 8. С. 75-77.
52. Николаев Н.И. Искусственные землетрясения. Природа, 1973, № 7. -С. 1-17.114 . Волейшо В.О. 0 механизме вызванной сейсмичности « Известия вузовю'Геология и разведка», 1986, № 8, С. 56-65.
53. Смирнова М.Н. Возбуждение землетрясения в связи с разаботкой нефтяных месторождений (на примере Старогрозненского землетрясения). Влияние инженерной деятельности на сейсмический режим. -М.: Наука, 1977. -С. 128-140.
54. Монахов Ф.И. Краткосрочный гидрогеодинамический предвестник землетрясений и его связь с упругой деформацией земной коры. Южно-ахалинск. Изд-во ДВЦСКНИИ, 1979.
-
Волейшо, Владислав Оскарович
-
доктора геолого-минералогических наук
-
пос. Зеленый, 2005
-
ВАК 25.00.07
- Научно-методические основы эколого-гидродинамического картографирования
- Оценка геоэкологических условий нефтегазодобычи Надым-Пурской и Пур-Тазовской нефтегазоносных провинций
- Ресурсы пресных подземных вод Беларуси
- Теория и методы управления качеством гидросферы территориально-производственных комплексов
- Стратегия охраны подземных вод (на примере Урала)
