Hydrogeoseismological Research in Kamchatka: 1977–2017

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Со второй половины XX в. развивается гидрогеосейсмология – новое научное направление на стыке гидрогеологии и сейсмологии [Киссин и др., 1982]. Содержание гидрогеосейсмологии составляет изучение влияния на подземные воды сейсмичности как совокупности отдельных землетрясений и процессов их подготовки; поиск гидрогеологических предвестников землетрясений и разработка на их основе методов сейсмического прогнозирования.

Зарождение гидрогеосейсмологии было связано с принятием в ряде ведущих стран мира (в бывшем СССР, США, Китае и др.) национальных программ по прогнозу землетрясений, в которые включались наблюдения за параметрами подземных вод [Рикитаке, 1979]. О необходимости проведения наблюдений за параметрами подземных вод для поиска предвестников землетрясений в сейсмоактивных регионах также упоминалось в ряде научных публикаций отечественных и зарубежных авторов, начиная с пионерской работы [Уломов, Мавашев, 1967].

Реализация целей гидрогеосейсмологии предполагает решение совокупности технических, научно-методических и прикладных задач [Киссин и др., 1982; Копылова, 2010]:

– создание сетей специализированных гидрогеологических наблюдений на скважинах и источниках, получение временных рядов данных наблюдений за физико-химическими параметрами подземных вод; выделение и систематизация гидрогеологических эффектов, вызванных землетрясениями;

– изучение закономерностей проявления и процессов формирования эффектов сейсмичности в различных геотехнических и гидрогеологических системах, в частности, в системах “скважина – водовмещающая порода”, “подземная вода – горная порода” и др.;

– разработка методов прогноза сильных землетрясений с использованием данных гидрогеологических наблюдений.

Изменения физико-химических параметров подземных вод, вызванных землетрясениями, или гидрогеосейсмические вариации [Копылова, 1992], являются главным объектом гидрогеосейсмологии. По времени проявления относительно момента землетрясения гидрогеосейсмические вариации разделяются на гидрогеологические предвестники, ко- и постсейсмические эффекты [Киссин, 2009; Копылова, 2010].

Типизация гидрогеосейсмических вариаций, отражающая их изученность до 2000-х гг., представлена в работе [Копылова, 2006а]. В этой работе показано, что различные типы гидрогеосейсмических вариаций представляют отклики подземных вод на воздействие факторов сейсмичности, к которым относятся:

– процессы подготовки землетрясений, которые могут сопровождаться гидрогеологическими (гидрогеодинамическими и гидрогеохимическими) предвестниками в изменениях параметров подземных вод вследствие упругой деформации водовмещающих пород, изменения их емкостных и водопроницаемых свойств, развития в них трещинной дилатансии, изменения условий смешивания подземных вод различного химического состава [Киссин, 2009];

– изменение статического напряженного состояния водовмещающих пород при образовании разрывов в очагах местных землетрясений, сопровождающееся косейсмическими скачками повышения или понижения уровня (давления) подземных вод;

– динамическая деформация водовмещающих пород и сотрясения стволов скважин при прохождении сейсмических волн от сильных землетрясений, сопровождающиеся разнообразными ко- и постсейсмическими эффектами: колебаниями, повышениями и понижениями уровня воды в пьезометрических скважинах, изменениями дебитов и температуры воды в источниках и самоизливающихся скважинах; вариациями химического состава подземных вод.

Ко- и постсейсмические эффекты, вызываемые воздействием на подземные водоносные системы сейсмических волн, излучаемых из очагов землетрясений, регистрируются в изменениях параметров режима скважин и источников на расстояниях до сотен и тысяч км от эпицентра. В литературе имеются их многочисленные описания (см., например, [Wang, Manga, 2010]).

Изменения параметров подземных вод и газов на стадиях подготовки землетрясений (гидрогеологические предвестники) обнаруживаются значительно реже. По данным 1987–1997 гг. о проявлении гидрогеологических предвестников в  скважинах Камчатки и мира в работе [Копылова, 2006а] показано, что область их развития значительно меньше по сравнению с размерами областей ко- и постсейсмических эффектов. В указанной работе приводится зависимость характерных размеров областей проявления гидрогеологических предвестников в наблюдательных скважинах (d_e – эпицентральное расстояние, км) от величины магнитуды землетрясений с М_w ≥ 5.0:

М_w ≥ 3.37⋅ lgde - 0.84. (1)

Ранее аналогичная зависимость для событий с Мw ≥ 4.0 приводилась в [Копылова, 1992]:

М_w ≥ 3.33⋅ lgde - 0.67. (2)

Выражения (1)–(2) дают сопоставимые оценки максимальных размеров областей проявления гидрогеологических предвестников в зависимости от магнитуды землетрясений: для событий с величиной М_w = 5 максимальная величина de составляет не более 50 км; для М_w = 6, d_e ≤ 100 км, для М_w = 7, d_e ≤ 200 км и для М_w = 8, de ≤ 400 км.

Из сопоставления оценок максимальных величин d_e по (1)–(2) с размерами длины очагов землетрясений по простиранию L [Ризниченко, 1976] следует, что для землетрясений с М_w = 5-8 отношение L/d_e = 2.4-6 составляет в среднем 4. Это показывает, что проявление гидрогеологических предвестников в режиме подземных вод является свойством “ближней зоны” очагов будущих землетрясений. При этом их заблаговременность – время от начала возникновения до момента землетрясения, составляет от суток-недель до нескольких месяцев [Копылова, 2006а].

Приведенные данные о пространственно-временных проявлениях гидрогеологических предвестников показывают, что они могут найти практическое применение в системах сейсмического прогнозирования при оценках места и времени сильных землетрясений, сопровождающихся катастрофическими последствиями для населения, инфраструктуры и природной среды сейсмоактивных регионов.

На территории Камчатского сейсмоактивного региона гидрогеосейсмологические исследования проводятся с 1977 г. Определяющий вклад в развитие этого направления внес Камчатский филиал Геофизической службы РАН (с апреля 2016 г. – Камчатский филиал Федерального исследовательского центра “Единая геофизическая служба РАН” – КФ ФИЦ ЕГС РАН) при участии Института вулканологии ДВО РАН, ОАО “Камчатгеология”, Института физики Земли РАН и др. организаций.

В статье дается характеристика основных этапов создания наблюдательной сети и организационно-технического развития системы гидрогеосейсмологических исследований на Камчатке за 40-летний период; приводятся сведения о проявлениях гидрогеологических предвестников в изменениях химического состава и уровней подземных вод в наблюдательных скважинах перед сильными камчатскими землетрясениями и их практическом использовании в системе сейсмического прогнозирования.

ИСТОРИЯ ГИДРОГЕОСЕЙСМОЛОГИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В изучении влияния сейсмичности на режим подземных вод Камчатки выделяются три этапа [Копылова, 2017]:

• ранний, до 1977 г.;
• организация и проведение гидрогеохимических наблюдений на самоизливающихся скважинах и источниках на территории Петропавловского геодинамического полигона, 1977 г. – настоящее время;
• создание системы специализированных наблюдений в скважинах с использованием автоматических средств регистрации параметров подземных вод (инструментальный этап), 1996 г. – настоящее время.

Ранний этап характеризуется случайными наблюдениями эффектов сильных землетрясений в изменениях режима термальных скважин, источников, гейзеров и парогазовых фумарол. В работе [Манухин, 1979] приводятся сведения об изменениях дебитов и температуры воды Пиначевских источников и скважины ГК-1 в результате 7-ми балльного Петропавловского землетрясения 24 ноября 1971 г., М_LH = 7.3 (рис. 1). Дебиты источников после этого события увеличились до шести раз, температура воды возросла на 3°С. Стабилизация водной разгрузки источников до фоновых величин продолжалась в течение шести месяцев после землетрясения. Повышенные величины температуры и концентраций макрокомпонентов химического состава воды фиксировались до трех–десяти лет. В работе [Копылова, 1992] по данным наблюдений 1971–1988 гг. приводится оценка влияния сейсмичности на водную, тепловую, минеральную разгрузку Пиначевских источников и показано, что в результате сильных местных землетрясений с величинами магнитуд порядка 7 происходит существенное нарушение условий тепломассопереноса в водоносной системе, питающей источники, в течение месяцев и лет. Вклад сейсмичности, оцененный по превышению амплитудами постсейсмического увеличения разгрузки воды, выноса тепла и минеральных веществ их фоновых величин, оказался достаточно заметным: для водной разгрузки 16% от ее суммарной величины приходилось на постсейсмическое увеличение дебитов источников; для общего количества тепла, вынесенного на поверхность подземными водами, эта величина составляет 14%; для различных минеральных компонентов – от 8 до 33% (хлор-ион – 33%, натрий и калий – 28%, бор – 8%).

 

Рис. 1. Изменение дебита и температуры воды Пиначевского источника 1 в результате Петропавловского землетрясения 24.11.1971 г., М_LH = 7.3 (зона 7 балльных сотрясений) по данным наблюдений ОАО “Камчатгеология” с 01.07.1971 по 01.08.1972 гг. Момент землетрясения показан стрелкой.

 

Этап 2. В 1977 г. в Институте вулканологии ДВНЦ АН СССР в лаборатории гидрогеологии и геотермии по инициативе В.М. Сугробова и Ю.М. Хаткевича были организованы регулярные наблюдения на трех источниках и на скважине ГК-1 Пиначевской площади (станция Пиначево, рис. 2б). В 1979 г. сотрудники, которые занимались производством режимных наблюдений, были переведены в состав Камчатской опытно-методической сейсмологической партии как отдельное структурное подразделение, сначала группа, впоследствии – лаборатория гидросейсмологии (зав. лабораторией Ю.М. Хаткевич, 1979–2009 гг.).

В течение 1983–1992 гг. на территории Петропавловского геодинамического полигона (см. рис. 2а), дополнительно к станции Пиначево, были организованы наблюдения еще на трех станциях – Морозная (1983 г.), Верхняя Паратунка (1989 г.) и Хлебозавод (1992 г.) (см. рис. 2б). С 1992 г. по настоящее время наблюдательная сеть существенно не менялась. Она включает четыре слаботермальных (температура воды 6–11°С) источника на Пиначевской площади, семь самоизливающихся скважин, вскрывающих на глубинах от 120 м до 2.5 км холодные подземные воды в зонах активного и замедленного водообмена и термальные воды азотно-метанового и азотного состава [Копылова и др., 2018].

 

Рис. 2. Схема расположения наблюдательных станций и эпицентров землетрясений. а – Петропавловский геодинамический полигон (ПГП) и эпицентры сильных землетрясений (указаны даты землетрясений в формате дд.мм.гггг и величины магнитуд), сопровождавшихся гидрогеологическими предвестниками, по данным наблюдений КФ ФИЦ ЕГС РАН; б – станции гидрогеохимических и гидрогеодинамических наблюдений на территории ПГП по состоянию на 2017 г. 1 – станции гидрогеохимических наблюдений (Пиначево – скважина ГК-1, глубина h = 1261 м и четыре источника; Морозная – скважина Морозная 1, h = 600 м; Хлебозавод – скважина Г-1, h = 2500 м; Верхняя Паратунка – четыре скважины, h = 125–1600 м); 2 – скважины, оборудованные автоматическими системами регистрации физико-химических параметров подземных вод: Е-1 – пьезометрическая скважина, h = 665 м; ЮЗ-5 – пьезометрическая скважина, h = 800 м; Морозная 1 – самоизливающаяся скважина, h = 600 м; 3 – действующие вулканы; 4 – эпицентры землетрясений; 5 – г. Петропавловск-Камчатский; 6 – территория ПГП на рис. 2а.

 

Методика работ в течение сорока лет не претерпела существенных изменений. Наблюдения на скважинах и источниках проводились один раз в три–шесть дней. При посещении станций производились замеры дебитов объемным способом, замеры температуры воды термометром с ценой деления 0.1 °С; отбор проб воды, свободного и растворенного газа. В отобранных пробах в лабораторных условиях определялся широкий набор компонентов химического состава воды и газа. Подробное описание наблюдательной сети и методики производства работ приводится в работах [Копылова, 2010; Копылова и др., 1994, 2018; Хаткевич, Рябинин, 2004].

В результате таких наблюдений были получены однородные временные ряды различных параметров подземных вод – дебитов и температуры воды, концентраций основных компонентов химического состава воды и газа. В их изменениях были обнаружены постсейсмические эффекты от местных ощутимых землетрясений, проявляющиеся в возрастании дебитов, температуры и минерализации воды, в увеличении или в перераспределении концентраций макрокомпонентов в химическом составе подземной воды и газа в Пиначевских источниках и в скважинах ГК-1 (станция Пиначево), Морозная 1 (станция Морозная), Г-1 (станция Хлебозавод), ГК-15 и других (станция Верхняя Паратунка).

 

Рис. 3. Проявления различных типов гидрогеосейсмических вариаций в изменениях режима наблюдательных источников и скважин на территории Петропавловского геодинамического полигона в зависимости от параметров землетрясений: магнитуды Мw и эпицентрального расстояния dе, км по данным наблюдений КФ ФИЦ ЕГС РАН в 1977–1997 гг. 1 – амплитудные гидрогеохимические предвестники и постсейсмические изменения химического состава воды и газа, повышение дебитов источников и самоизливающихся скважин; 2 – менее выраженные гидрогеохимические предвестники и постсейсмические изменения дебитов и химического состава воды; 3, 4 – постсейсмические вариации: 3 – повышение дебитов и изменение химического состава воды, 4 – повышение дебитов источников; 5 – область параметров Мw и dе для землетрясений, перед которыми проявлялись гидрогеохимические предвестники.

 

Перед шестью наиболее сильными сейсмическими событиями 1987–1997 гг.: 06.10.1987 г., М_w = 6.6; 02.03.1992 г., М_w = 6.9; 08.06.1993 г., М_w = 7.5; 13.11.1993 г., М_w = 7.0; 01.01.1996 г., М_w = 6.9; 05.12.1997 г., М_w = 7.8 (см. рис. 2а), произошедшими на эпицентральных расстояниях от 90 до 300 км от станций, в скважинах ГК-1, Морозная 1, Г-1, ГК-15 были зарегистрированы изменения показателей химического состава воды и газа, выделенные в гидрогеохимические предвестники. Заблаговременность их проявления перед землетрясениями составляла от одного до девяти месяцев. Наиболее полное описание гидрогеохимических предвестников перед землетрясениями 1987–1997 гг. приводится в работах [Копылова, 2010; Копылова и др., 1994; Хаткевич, Рябинин, 1998, 2004].

На рис. 3 в координатах магнитуда – эпицентральное расстояние показаны землетрясения 1977–1997 гг., которые сопровождались различными типами гидрогеосейсмических вариаций в изменениях режима самоизливающихся скважин и источников на территории Петропавловского полигона. Пунктиром выделена область гидрогеохимических предвестников, которые проявлялись в изменениях состава воды и газа в наблюдательных скважинах перед землетрясениями с величинами магнитуд Мw = 6.6-7.8 на эпицентральных расстояниях dе от 90 до 300 км. Интенсивность сотрясений в районе станций при таких событиях составляла I = 5-6 баллов по шкале MSK-64 [Медведев и др., 1965]. Такие события также сопровождались амплитудными постсейсмическими вариациями дебитов, температуры и химического состава воды, в основном, Пиначевских источников. Землетрясения с величинами магнитуд Мw = 4-6 на эпицентральных расстояниях dе ≥ 100-300 км, вызвавшие сотрясения на территории Петропавловского полигона до I = 3-4 баллов, также сопровождались постсейсмическими изменениями дебитов и химического состава воды Пиначевских источников.

На основе закономерных проявлений гидрогеохимических предвестников в изменениях химического состава воды и газа в скважинах ГК-1 и Морозная 1 перед землетрясениями 06.10.1987 г., М_w = 6.6 и 02.03.1992 г., М_w = 6.9 (см. рис. 2а, 2б) Г.Н. Копыловой, В.М. Сугробовым и Ю.М. Хаткевичем был предложен эмпирический алгоритм среднесрочной оценки времени сильных землетрясений Камчатки, сопровождающихся сотрясениями интенсивностью не менее I = 5-6 баллов: “Наиболее выраженным признаком подготовки сильного землетрясения с интенсивностью сотрясений свыше 5 баллов в районе г. Петропавловска-Камчатского является совместное проявление относительного уменьшения концентрации хлор-иона в воде скважине ГК-1 за время не менее пяти месяцев с аномальными вариациями других показателей режима наблюдаемых скважин и источников” [Копылова и др., 1994; Хаткевич, 1994]. С использованием этого алгоритма с конца 90-х гг. XX в. осуществляется подготовка еженедельных прогнозных заключений по данным гидрогеохимических наблюдений и их передача в Камчатский филиал Российского экспертного совета по прогнозу землетрясений, оценке сейсмической опасности и риска (КФ РЭС). Такие заключения рассматриваются на заседаниях КФ РЭС и учитываются при составлении среднесрочных оценок опасности возникновения сильных землетрясений на Камчатке по комплексу сейсмопрогностических данных [Чебров и др., 2011].

В течение второго этапа проводилось изучение процессов формирования гидрогеохимических предвестников и постсейсмических вариаций химического состава подземных вод при воздействии сейсмических волн. В работах [Копылова, Воропаев, 2006; Копылова, Болдина, 2012] представлены физико-химические модели гидрогеосейсмических вариаций химического состава воды Пиначевских источников, скважин Морозная 1 и ГК-1. В качестве ведущего механизма образования гидрогеохимических предвестников и постсейсмических эффектов в составе поступающих на поверхность подземных вод рассматривалось изменение условий смешивания в зонах повышенной водопроводимости и в стволах скважин контрастных по составу вод, присутствующих в водоносных системах наблюдательных скважин и источников [Wang et al., 2004].

В течение второго этапа разрабатывались методы обработки полученного массива гидрогеохимических данных наблюдений с использованием различных модификаций одномерного и многомерного статистического анализа временных рядов для формализованного выделения сигналов подготовки землетрясений авторов А.А. Любушина, Г.Н. Копыловой, Г.В. Рябинина, Ф. Белла, П.Ф. Бьяджи, С. Кингсли и др. Результаты применения статистических методов в части диагностики эффектов сейсмичности хорошо согласовывались с описанными ранее в работах [Копылова и др., 1994; Хаткевич, 1994 и др.] данными наблюдений гидрогеохимических предвестников и постсейсмических эффектов в изменениях состава подземных вод на стадиях подготовки и реализации сильных землетрясений Камчатки (см. например, [Копылова, Таранова, 2013; Bella et al., 1998; Biagi et al., 2000, 2000a, 2000b, 2001; Kingsley et al., 2001]).

Важнейшими результатами второго этапа гидрогеосейсмологических исследований на Камчатке в области сейсмического прогноза являются:

– обнаружение гидрогеохимических предвестников в изменениях макрокомпонентного состава подземных вод и газов с заблаговременностью от1 до 9-ти месяцев до возникновения сильных местных землетрясений (М_w = 6.6-7.8, d_е = 90–300 км, М_w/lgd_е ≥ 3.1, интенсивность сотрясений не менее I = 4–6 баллов, см. рис. 3);

– практическая реализация в системе сейсмического прогнозирования в Камчатском крае выявленных пространственно-временных закономерностей проявления гидрогеохимических предвестников для среднесрочной (с заблаговременностью от недель до месяцев) оценки времени сильных землетрясений в Камчатской сейсмоактивной зоне на расстояниях до первых сотен км от наблюдательных станций.

Этап 3 – инструментальный. В течение инструментального этапа (1996 г. – настоящее время) по инициативе и под руководством доктора геол.-мин. наук Г.Н. Копыловой сотрудниками лаборатории геофизических исследований КФ ФИЦ ЕГС РАН три скважины Е-1 (1996 г), ЮЗ-5 (1997 г.) и Морозная 1 (2013 г.) (см. рис. 2б) были оборудованы системами цифровой регистрации параметров подземных вод – уровня, температуры, электропроводности воды и метеорологических параметров – температуры воздуха и атмосферного давления. Измерения всех параметров осуществлялись с периодичностью 10–5 минут.

В течение 1996–2013 гг. трижды проводилась модернизация оборудования на скважинах. В 1996–2000 гг. использовались датчики давления ДУ и ДА разработки ОКБ ИФЗ РАН [Багмет и др., 1989]. В 2001–2010 гг. регистрация гидрогеологических и метеорологических параметров проводилась аппаратурой серии Кедр А2 (производитель оборудования – ООО Полином, г. Хабаровск) с накоплением данных на твердотельную память. Съем и обработка данных осуществлялись один раз в две недели. С 2010 г. использовалась аппаратура серии Кедр ДМ с передачей данных по каналам сотовой связи [Копылова и др., 2016; Kopylova et al., 2017]. Аналогичные комплекты оборудования также были установлены ОАО “Камчатгеология” еще на пяти скважинах на территории Камчатского края для проведения гидрогеодинамического мониторинга по методике ВСЕГИНГЕО [Копылова, Смолина, 2009; Копылова и др., 2007].

В течение третьего этапа были созданы методика обработки данных уровнемерных наблюдений для выделения гидрогеосейсмических вариаций уровня воды (2004-2010 гг., Г.Н. Копылова, С.В. Болдина); программные средства Информационной системы POLYGON (2003 г., Г.Н. Копылова, Е.Р. Латыпов, Е.А. Пантюхин), с помощью которой осуществляется пополнение базы данных в составе Информационно-обрабатывающего центра КФ ФИЦ ЕГС РАН, оперативная обработка и анализ уровнемерных данных в режиме близком к реальному времени.

В пьезометрических скважинах Е-1 и ЮЗ-5 и в скважинах ОАО “Камчатгеология” регистрация вариаций уровня воды проводилась с использованием высокочувствительных ультразвуковых датчиков с разрешением ± 0.1 см, разработанных к. т. н. Г.А. Калиновым, Институт горного дела ДВО РАН, г. Хабаровск. С помощью таких датчиков были получены уникальные данные во время сильных камчатских и сильнейших мировых землетрясений 1997–2017 гг. [Болдина, Копылова, 2017; Копылова, 2006, 2010; Копылова, Болдина, 2012; Копылова и др., 2012, 2016 и др.].

Ниже приводится описание гидрогеосейсмических вариаций в изменениях уровня воды в скважинах ЮЗ-5 и Е-1, зарегистрированных при наиболее сильных землетрясениях 1997–2017 гг., произошедших на Камчатке.

Кроноцкое землетрясение 05.12.1997 г., М_w = 7.8 (КЗ) (см. рис. 2а). Наблюдательные скважины располагались на эпицентральном расстоянии dе = 300 км (см. рис. 2а) в зоне сотрясений с интенсивностью I = 5–6 баллов [Левина и др., 2003]. По распределению афтершоков первых суток очаг КЗ протяженностью 220 км располагался к юго-западу от инструментального эпицентра, и расстояние от центра очаговой области КЗ до скважин составляло около 200 км.

В связи с КЗ впервые было зарегистрировано последовательное проявление гидрогеосейсмических вариаций уровня воды в скважинах ЮЗ-5 и Е-1, соответствующих основным факторам сейсмического воздействия на водовмещающие породы – процессам подготовки землетрясения, статического перераспределения напряженного состояния среды при образовании разрыва в очаге и динамического воздействия сейсмических волн (рис. 4) [Копылова, 2006, 2010; Копылова, Болдина, 2012 и др.].

В течение трех недель перед КЗ наблюдалось понижение уровня воды в обеих скважинах, выделенное в гидрогеодинамический предвестник этого события [Копылова, 2006] (см. рис. 4а, 4б). Амплитуда понижения уровня в скважине ЮЗ-5 составила ∆h = -11 см, в скважине Е-1 ∆h = -1 см. Гидрогеодинамический предвестник проявлялся синхронно с горизонтальными перемещениям GPS-станций камчатской сети KAMNET на расстояниях до первых сотен км от очага. Такие перемещения в работе [Gordeev et al., 2001] были выделены в деформационный предвестник этого события. В работе [Копылова, Болдина, 2012] с использованием данных уровнемерных, деформометрических и сейсмологических наблюдений показано, что формирование гидрогеодинамического предвестника было вызвано объемным расширением водовмещающих пород в районах скважин с амплитудой D_t = 7⋅10^-8 вследствие развития асейсмических движений в области будущего очага КЗ.

В скважине ЮЗ-5, после образования разрыва в очаге КЗ, в течение примерно 12 мин фиксировался скачок понижения уровня с амплитудой 12 см (∆h = -12 см) (см. рис. 4в), показывающий реакцию давления подземных вод на развитие объемной косейсмической деформации водовмещающих пород [Копылова, 2006]. Величина деформации расширения водовмещающих пород по уровнемерным данным составляла D_t = 8⋅10^-8 и хорошо согласовалась с оценкой косейсмической деформации в районе скважины по модели протяженного дислокационного источника с параметрами очага CMT. Описание методики получения точечных оценок косейсмической объемной деформации водовмещающих пород по данным уровнемерных наблюдений в скважине ЮЗ-5 приводится в работе [Копылова и др., 2010].

 

Рис. 4. Изменения уровня воды в скважинах Е-1 и ЮЗ-5 в период Кроноцкого землетрясения 05.12.1997 г., M_w = 7.8. а – изменения уровня воды в скважинах с 9 сентября по 31 декабря 1997 г. в сопоставлении с суточными осадками по данным метеостанции Пионерская: цифрами I и II и двухсторонними горизонтальными стрелками выделены интервалы времени: I – проявления гидрогеодинамического предвестника КЗ (см. врезку рис. 2б: двухсторонними вертикальными стрелками и цифрами показаны величины амплитуд понижения уровня воды); II – проявления косейсмического скачка понижения уровня воды в скважине ЮЗ-5 (см. врезку рис. 2в: 11:27 – время вступления сейсмических волн по данным сейсмостанции PET) и постсейсмических вариаций уровня воды.

 

Динамическое воздействие сейсмических волн на состояние водовмещающих пород и сотрясение стволов скважин сопровождалось амплитудными изменениями уровней воды в обеих скважинах в течение длительного времени (см. рис. 4а). В скважине ЮЗ-5 продолжительность возмущенного состояния системы “скважина – водовмещающая порода” в результате КЗ составляла примерно 2.5 года, и проявлялась в понижении уровня воды на 1 м в течение трех месяцев и последующем его восстановлении в течение двух лет. В скважине Е-1 после КЗ уровень воды повышался в течение трех месяцев с амплитудой 30 см [Копылова, 2006].

Сильные землетрясения 2013 г. В 2013 г. в южной части Камчатской сейсмофокальной зоны произошла серия сильных землетрясений [Сильные ..., 2014]. Максимальные магнитуды сейсмических событий достигали М_w = 6.8 (28.02.2013 г.) и М_w = 8.3 (мантийное Охотоморское землетрясение 24.05.2013 г.) (см. рис. 2а). Эти землетрясения, а также другие сейсмические события 2013 г. с величинами магнитуд М_w ≥ 6.0, сопровождались косейсмическими скачками повышения и понижения уровня воды в скважине ЮЗ-5 с амплитудами ∆h от 0.2 до 7 см [Копылова и др., 2016; Kopylova et al., 2017] (рис. 5б, 5в), которые соответствовали оценкам амплитуд и характеру косейсмической объемной деформации в районе скважины по модели протяженного дислокационного источника [Okada, 1985] с параметрами очагов из международного каталога тензоров сейсмического момента землетрясений Global CMT (http://www.globalcmt.org/) [Болдина, Копылова, 2016]. По амплитудам косейсмических скачков уровня воды количественно оценивались величины объемной косейсмической деформации в районе скважины ЮЗ-5 при образовании разрывов в очагах землетрясений (Dt от ед.⋅10-9 до ≈1⋅10-7). Характер деформации определялся по направлению скачков уровня воды: повышение указывало на развитие объемной деформации сжатия водовмещающих пород, понижение уровня – на развитие деформации объемного расширения.

Соответствие оценок объемной косейсмической деформации по данным наблюдений в скважине ЮЗ-5, с учетом амплитуд и характера косейсмических скачков уровня воды, с теоретическими оценками по модели [Okada, 1985] подтверждало хорошие деформометрические свойства этой скважины в диапазоне величин D_t = ед.⋅10^-9–ед.⋅10^-7. Вместе с тем, гидрогеодинамические предвестники в изменениях уровня воды в этой скважине перед землетрясениями 28 февраля, 24 мая и перед другими сильными землетрясениями 2013 г. не были диагностированы.

Постсейсмические вариации уровня воды в скважине ЮЗ-5 зарегистрированы в связи с событиями 28 февраля (понижение уровня в течение 1.5 месяцев с амплитудой ∆h = -35 см) и 24 мая (повышение уровня воды в течение месяца с амплитудой ∆h = 24 см) (см. рис. 5а). После землетрясения 28 февраля также произошло понижение температуры воды с амплитудой 0.6°С и повышение электропроводности на 4 мСм/м. Такие изменения физико-химических параметров подземных вод также относятся к постсейсмическим вариациям в режиме этой скважины. 7 января 2013 г., примерно за 8 недель до землетрясения 28 февраля, было зарегистрировано повышение электропроводности воды с амплитудой 6 мСм/м (см. рис. 5а). Возможное значение этого эффекта для прогноза землетрясений можно будет оценить по результатам дальнейших наблюдений.

В изменениях уровня воды в скважине Е-1 по данным 30-летних наблюдений (с 1987 г. по настоящее время) обнаружены два типа гидрогеодинамических предвестников:

– предвестник ГП_I со временем упреждения от суток до десятков суток [Копылова, 2001, 2013; Копылова, Болдина, 2012а];

– предвестник ГП_II с временем упреждения до нескольких лет [Копылова, 2001; Фирстов и др., 2016].

Гидрогеодинамический предвестник ГП_I проявляется в форме понижения уровня воды с повышенной скоростью в течение суток–месяца перед землетрясениями с Мw ≥ 5.0 на эпицентральных расстояниях d_е ≤ 350 км. В работах [Копылова, 2001, 2013] приводится параметрическое описание ГП_I. Регулярная повторяемость ГП_I перед землетрясениями с М_w ≥ 5.0 (более 70% случаев), а также улучшение статистической связи его проявлений с последующими землетрясениями с ростом величин их магнитуды позволяют использовать ГП_I для среднесрочной оценки времени возникновения местных землетрясений с величинами магнитуд М_w ≥ 5.5 ± 0.5 с заблаговременностью сутки–недели [Копылова, 2001; Копылова, Болдина, 2012а; Копылова, Сизова, 2012; Копылова и др., 2012]. С начала 2000-х гг. ГП_I используется для составления и передачи в экспертные советы по прогнозу землетрясений заключений о возможности сильных землетрясений в Камчатском регионе с упреждением до одного месяца [Сильные ..., 2014; Чебров и др., 2011, 2016; Фирстов и др., 2016].

 

Рис. 5. Изменения физико-химических параметров подземных вод в скважине ЮЗ-5 в январе-июле 2013 г. а – изменения уровня, температуры и электропроводности воды, включающие ко- и постсейсмические вариации вследствие землетрясений 28 февраля и 24 мая 2013 г. (показаны стрелками). На врезках показаны косейсмические повышения уровня воды после вступления сейсмических волн от землетрясения 28.02.2013 г. (б) и Охотоморского землетрясения 24.05.2013 г. (в) по данным 5-минутных наблюдений.

 

На рис. 6 показаны изменения уровня в скважине Е-1 в период землетрясения 28.02.2013 г. в сопоставлении с моментами начала проявления ГП_I (стрелка 1 на нижнем графике), землетрясения (3) и датой подачи прогнозного заключения в КФ РЭС (2). В прогнозном заключении от 1 февраля 2013 г. указывалось, что “в течение времени 1–2 месяца повышена вероятность возникновения землетрясения с Мw ≥ 5.0 на расстоянии до 350 км от скважины”. Кроме этого, в заключении приводились оценки надежности сделанного сейсмического прогноза для землетрясений с различными величинами магнитуды, основывающиеся на результатах ретроспективного анализа проявлений ГП_I за многолетний период [Копылова, Сизова, 2012]: “вероятность события с М_w ≥ 5.0 р = 0.45, ….. вероятность события с М_w ≥ 5.9 р = 0.73”. Землетрясение 28 февраля 2013 г. соответствовало прогнозу от 1 февраля по величине магнитуды, по времени и по местоположению, и этот прогноз признан КФ РЭС оправдавшимся [Сильные ..., 2014, с. 152]. Изменения уровня воды в скважине Е-1 в период землетрясения 28 февраля: понижение с повышенной скоростью в течение 44 сут перед землетрясением и его повышение с амплитудой около 2 см после землетрясения (см. рис. 6, графики 3 и 4), является типичным в случаях проявления сильных (М_w ≥ 6.6) местных землетрясений на расстояниях до 300 км [Копылова, 2001].

 

Рис. 6. Изменения уровня воды в скважине Е-1 с 1 октября 2012 по 18 марта 2013 гг., включающие проявление гидрогеодинамического предвестника ГП_I и постсейсмическое повышение в связи с землетрясением 28 февраля 2013 г., M_w = 6.9. 1, 2 – данные 5-минутной регистрации атмосферного давления и уровня воды, 3 – среднесуточные изменения уровня воды с компенсированными баровариациями, 4 – суточная скорость изменения уровня воды с учетом скорости нисходящего тренда. На графике 4 стрелками показаны: 1 – 16 января 2013 г., начало проявления гидрогеодинамического предвестника ГП_I; 2 – 1 февраля 2014 г., дата подачи прогнозного заключения в КФ РЭС; 3 – 28 февраля 2013 г., дата землетрясения. Горизонтальная пунктирная линия – пороговое значение суточной скорости изменений уровня воды.

 

Второй тип прогностического сигнала в изменениях уровня воды в скважине Е-1 (ГП_II) был впервые выделен в 2001 г. [Копылова, 2001] и подтвержден в 2016 г. [Фирстов и др., 2016]. ГП_II проявляется в длительных (до 6-ти лет) понижениях уровня воды с повышенной скоростью, предшествующих и сопровождающих возникновение групп сильных землетрясений на Камчатке. Такие понижения уровня воды наблюдались в 1991–1997 гг. (шесть землетрясений 1992–1997 гг. с магнитудами М = 6.9-7.8 на эпицентральных расстояниях до 300 км) и в 2012–2017 гг. (серия сильных землетрясений 2013–2016 гг. с максимальными магнитудами Мw = 6.8-8.3). Мы полагаем, что такие длительные понижения уровня воды в скважине Е-1 отражают геодинамические ситуации, сопряженные с подготовкой и возникновением землетрясений с М порядка 7 и более на прилегающем к территории ПГП участке Камчатской сейсмофокальной зоны, и вызываются увеличением емкости водовмещающих пород при развитии в них трещинной дилатансии и фазовых изменений в системе “вода–газ”.

В период Жупановского землетрясения 30.01.2016 г., М_w = 7.2, I = 5 баллов, d_е = 90 км, гипоцентральное расстояние 200 км (ЖЗ), (см. рис. 2а) в изменениях уровней воды в скважинах ЮЗ-5 и Е-1 были зарегистрированы ко- и постсейсмические вариации, а также гидрогеодинамические предвестники на стадии подготовки этого сейсмического события (рис. 7в, рис. 8).

В скважине ЮЗ-5 в течение 3.5 мес. перед ЖЗ наблюдалось аномальное повышение уровня воды с амплитудой не менее 20 см, существенно нарушающее годовой сезонный ход. Такое повышение уровня воды было выделено в гидрогеодинамический предвестник ЖЗ (см. рис. 7в) [Болдина, Копылова, 2017].

После вступления сейсмических волн от ЖЗ уровень воды повышался в течение 45 минут с амплитудой ∆h = 9.4 см (см. рис. 7б) вследствие наложения косейсмического возрастания давления подземной воды и соответствующего скачка повышения уровня воды в скважине и импульсного увеличения давления вблизи ствола скважины при сейсмических сотрясениях. Оцененная величина амплитуды косейсмического повышения уровня (∆h = 7.3 см) и соответствующей величины деформации сжатия водовмещающих пород D1 = -4.5⋅10-8 по уровнемерным данным согласовалась с оценкой объемной косейсмической деформации в районе скважины по модели дислокационного источника в однородном упругом изотропном полупространстве с параметрами механизма очага ЖЗ (D₂ = -4.6⋅10^-8).

После ЖЗ уровень понижался в течение трех месяцев с амплитудой ∆h = ~ 40 см (см. рис. 7в) вследствие падения напора в водоносном горизонте за счет улучшения фильтрационных свойств водовмещающих пород при сейсмических сотрясениях.

В скважине Е-1 последовательно проявились гидрогеодинамический предвестник ГП_I в течение 21 сут перед ЖЗ и повышение уровня с амплитудой 3.7 см в течение месяца после землетрясения (см. рис. 8). Амплитуда понижения уровня за это время составила ∆h = -2.2 см при среднесуточной скорости -0.06 – -0.12 см/сут (см. рис. 8а, 8бб).

С использованием ГП_I, выявленного в реальном времени, был составлен и передан в КФ РЭС 21 января 2016 г. прогноз о повышенной вероятности сильного землетрясения на расстоянии до 350 км от скважины Е-1 в течение месяца. ЖЗ соответствовало этому прогнозу по величине магнитуды, по времени и по местоположению [Чебров и др., 2016].

В течение третьего этапа также были выполнены научно-исследовательские работы: по созданию моделей формирования различных типов гидрогеосейсмических вариаций уровня воды в скважинах – гидрогеодинамических предвестников, ко- и постсейсмических вариаций (на примере скважины ЮЗ-5); по оценке информативности наблюдательных скважин для обнаружения гидрогеодинамических предвестников землетрясений и количественных оценок деформации водовмещающих пород (Г.Н. Копылова, С.В. Болдина).

Результаты выполнения комплекса технических и научно-исследовательских мероприятий на третьем этапе гидрогеосейсмологических исследований составляют научно-методическую основу нового метода мониторинга современных геодинамических процессов и прогнозирования сильных землетрясений в Камчатском сейсмоактивном регионе с использованием гидрогеологических данных.

 

Рис. 7. Гидрогеосейсмические вариации уровня воды в скважине ЮЗ-5 в период Жупановского землетрясения 30.01.2016 г, M_w = 7.2 (см. рис. 2). а – изменения уровня воды в июле 2012 – мае 2016 гг. в сопоставлении с осадками и наиболее сильными землетрясениями (показаны стрелками и см. рис. 2): 1 – среднечасовые данные наблюдений с компенсированными баровариациями; 2 – сезонные вариации уровня воды совместно с линейным трендом; 3 – остатки в изменениях уровня воды после компенсации годовой сезонности и тренда: жирным пунктиром обозначен фрагмент графиков в период воздействия подготовки и реализации Жупановского землетрясения, (см. рис. 7в); б – косейсмическое повышение уровня воды после вступления сейсмических волн (03:25); в – гидрогеодинамический предвестник и постсейсмические изменения уровня воды.

 

Рис. 8. Изменения уровня воды в скважине Е-1 в период Жупановского землетрясения 30.01.2016 г., M_w = 7.2. а – изменения уровня воды и его среднесуточной скорости с ноября 2015 по март 2016 гг. в сопоставлении с осадками. На графике среднесуточной скорости изменения уровня воды цифрами показаны: 1–10 января – начало проявления гидрогеодинамического предвестника ГП_I, 2–21 января – дата подачи прогнозного заключения в КФ РЭС о возможности сильного землетрясения, 3–30 января – Жупановское землетрясение; пунктирной линией показано пороговое значение скорости понижения уровня воды – 0.06 см/сут; жирной пунктирной линией выделен фрагмент изменений уровня воды в период Жупановского землетрясения, представленный на рис. 8б: а – изменения уровня воды с 30 декабря 2015 по 10 марта 2016 гг., включающие гидрогеодинамический предвестник и постсейсмическое повышение; б – изменение среднесуточной скорости вариаций уровня воды в сопоставлении с ее пороговой величиной - 0.06 см/сут.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наиболее ценными результатами многолетних непрерывных наблюдений на сети наблюдательных скважин Петропавловского геодинамического полигона являются достоверные данные о гидрогеологических предвестниках в изменениях физико-химических параметров подземных вод перед сильными (М = 6.6–7.8) землетрясениями Камчатки. Совокупность таких данных составляет научное обоснование использования гидрогеологического метода в решении задач геофизического мониторинга и прогнозирования сильных землетрясений в Камчатском сейсмоактивном регионе.

С использованием выявленной связи между проявлениями гидрогеохимических и гидрогеодинамических предвестников и параметрами землетрясений предложены методы среднесрочной оценки времени сильных землетрясений Камчатки с М порядка 7 и более по текущим данным наблюдений, которые реализуются в практике работы действующих в Камчатском крае советов по прогнозу землетрясений.

По данным наблюдений на скважине Е-1 были осуществлены заблаговременные прогнозы ряда сильных землетрясений 2004–2016 гг. включая землетрясение 28.02.2013 г. и Жупановское землетрясение 30.01.2016 г. с временем упреждения от первых суток до одного месяца.

По данным наблюдений на скважине ЮЗ-5 осуществлялись оценки объемной косейсмической деформации водовмещающих пород в диапазоне величин ед.⋅10^-9–1⋅10^-7.

Кроме этого, получены важные научно-технические результаты, обеспечивающие задел для дальнейшего развития гидрогеосейсмологических исследований на Камчатке. К таким результатам относятся:

– создание в КФ ФИЦ ЕГС РАН системы специализированных гидрогеологических наблюдений на скважинах, функционирующей в режиме близком к реальному времени и ориентированной на оперативное выделение гидрогеосейсмических вариаций в изменениях физико-химических параметров подземных вод, включая гидрогеологические (гидрогеохимические и гидрогеодинамические) предвестники сильных местных землетрясений;

– создание информационных ресурсов гидрогеосейсмологических исследований на Камчатке в составе пополняемой базы данных режимных наблюдений на сети скважин и источников Петропавловского полигона за период наблюдений с 1971 г. по настоящее время; данных по наблюдательным скважинам и текстов публикаций, содержащих систематическое описание гидрогеологических эффектов при произошедших землетрясениях (см. http://www.emsd.ru/lgi/result).

База данных специализированных гидрогеологических наблюдений на Камчатке за 40-летний период и материалы по вариациям физико-химических параметров подземных вод при произошедших землетрясениях, в том числе по гидрогеологическим предвестникам, являются уникальными. Они могут использоваться при постановке новых научных и прикладных задач по углубленному изучению влияния сейсмичности на подземные воды и созданию новых методов сейсмического прогноза с использованием гидрогеологических данных.

Перспективы развития гидрогеосейсмологических исследований на Камчатке связаны с дальнейшим накоплением достоверных данных о разнообразных откликах подземных вод на сейсмические воздействия, в первую очередь, о гидрогеологических предвестниках, закономерностях их проявления и связи с параметрами сильных землетрясений.

Важными направлениями работ также является:

– исследование процессов формирования гидрогеологических предвестников землетрясений и других эффектов сейсмичности в различных природных и природно-технических системах, таких как “скважина – водовмещающая порода”, система взаимодействия “вода – порода – газ” и др. с использованием моделирования;

– дальнейшее техническое развитие системы специализированных гидрогеологических наблюдений на Камчатке.

Следует также отметить, что данные, полученные за 40-летний период наблюдений на скважинах и источниках Камчатки, широко востребованы. С их использованием опубликованы десятки работ в ведущих рецензируемых журналах в России и за рубежом, защищены четыре кандидатских диссертации (Г.Н. Копылова, Г.В. Рябинин, Е.А. Запреева, С.В. Болдина), две докторских диссертации (А.А. Любушин, 1996 г.; Г.Н. Копылова, 2010 г.); подготовлены дипломные работы выпускниками Камчатского государственного университета им. Витуса Беринга, Камчатского государственного технического университета, Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, Томского политехнического университета и др.

БЛАГОДАРНОСТИ

Работа выполнена в рамках плановых тем НИР КФ ФИЦ ЕГС РАН рег. №№ АААА-А16-116070550057-7, АААА-А16-116070550059-1 при финансовой поддержке РФФИ, грант 18-05-00337 “Типизация и модели гидрогеосейсмических эффектов землетрясений по данным уровнемерных наблюдений в скважинах (на примере Камчатского региона)”.

About the authors

G. N. Kopylova

Kamchatka Branch of the Geophysical Survey of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: gala@emsd.ru
Russian Federation, bul'var Piipa, 9, Petropavlovsk-Kamchatskii, 683006 Russia

S. V. Boldina

Kamchatka Branch of the Geophysical Survey of the Russian Academy of Sciences

Email: gala@emsd.ru
Russian Federation, bul'var Piipa, 9, Petropavlovsk-Kamchatskii, 683006 Russia

References

Supplementary files