Способ определения изменений напряженно-деформированного состояния земной коры

Способ определения изменений напряженно-деформированного состояния (НДС) земной коры относится к области исследования геодеформационных процессов гидрогеодинамическими методами и может быть использовано в сейсмопрогностических наблюдениях. Сущность изобретения состоит в том, что для использования более высокой тензочувствительности проницаемости горных пород по сравнению с их объемными деформациями предлагается сопоставлять временные ряды синхронных почасовых измерений атмосферных давлений и уровней воды в скважинах на контролируемой территории и по изменениям функций отклика уровней воды на баровариации оценивать изменчивость НДС земной коры. Для этого предлагаются следующие шаги: 1) гармонический анализ в скользящем временном окне шириной в 1 месяц и шагом в 1 сутки временных рядов почасовых синхронных наблюдений атмосферного давления и уровня воды в каждой скважине; 2) выделение устойчивых гармоник в наблюдениях атмосферного давления; 3) выделение когерентных им гармоник в наблюдениях уровней воды в каждой скважине; 4) определение относительных амплитуд отклика (ОАО) и времен запаздывания отклика (ВЗО) из сопоставления амплитуд и фаз найденных когерентных гармоник и составление их временных рядов с суточной дискретизацией для каждой скважины; 5) выделение в полученных временных рядах полумесячных и месячных приливных гармоник; 6) сопоставление их с теоретическими полумесячными и месячными приливными волнами в деформациях M_f и М_m (для определения тензочувствительности ОАО и ВЗО); 7) определение по текущим значениям ОАО и ВЗО изменений НДС земной коры. Техническим результатом является то, что способ позволит использовать высокую чувствительность проницаемости горных пород к деформациям для индикации последних и тем самым существенно повысить информативность пьезометрических наблюдений для оценки сейсмической опасности.

 

Изобретение относится к области исследования геодеформационных процессов гидрогеодинамическими методами и может быть использовано в сейсмопрогностических наблюдениях.

Гидрогеодинамические наблюдения, включающие измерение дебита самоизливающихся скважин и регистрацию уровня воды в скважинах с отрицательным уровнем, как известно, относятся к наиболее доступным средствам деформационного мониторинга земной коры, направленного, как правило, на сейсмопрогноз. Наиболее информативным и чувствительным из них, как показывает практика, является наблюдение дебита самоизливающихся скважин, поскольку при деформациях трещиноватых пород относительные изменения их проницаемости, определяемой степенью раскрытия путей миграции флюидов - трещин, существенно больше, чем изменения порового объема за счет деформации матрицы. Вследствие этого эффект от изменения гидродинамического сопротивления в системе коллектор - скважина оказывается намного сильнее, чем от объемных деформаций самого коллектора. Однако аппаратурно-методическое обеспечение работ по измерению дебита существенно отстает от такового в области наблюдений уровней в скважинах. В связи с этим представляет интерес возможность оценки изменений проницаемости пород с использованием данных наблюдений уровней воды в скважинах, на которой и основано предлагаемое изобретение.

Наиболее близким к заявляемому является способ, в котором совместно анализируются временные ряды синхронных наблюдений естественных баровариаций и изменений уровней воды в пьезометрических скважинах и по изменениям функций отклика уровней воды на баровариации оценивают изменчивость состояния верхних слоев земной коры, в том числе и его НДС [Любушин А.А. (мл.), Малугин В.А. Физика Земли. 1993. №12. С. 74-80].

Недостатком этого способа является малая точность оценки наиболее чувствительных к изменениям НДС параметров системы коллектор - скважина, к которым согласно теоретическим оценкам относятся относительная амплитуда отклика (ОАО) уровней воды в скважинах на баровариации и время запаздывания отклика (ВЗО) от самих баровоздействий.

Эти оценки указывают также на зависимость передаточной функции атмосферное давление - уровень воды в скважине от условия заложения скважины (ее глубины, удаленности от разрывных нарушений, степени трещиноватости пород между коллектором и скважиной и т.д.). Это нашло практическое подтверждение и при введении нами барометрических поправок в наблюдаемые уровни: коэффициент пропорциональности в используемом для этого уравнении (в нашем случае этот коэффициент соответствует ОАО) меняется в очень широких пределах в зависимости от места заложения скважины. Так, для скважины Серебряковка в Северном Дагестане он составляет 0,18, для скважины Каспийск-115 - 0,71, а для скважины Айды в Южном Дагестане, находящейся в разломной зоне, принимает отрицательные значения. Отсюда мы делаем вывод, что ОАО и связанное с ней ВЗО, должны быть так же чувствительны к изменениям НДС, в том числе и к тем, которые связаны с подготовкой землетрясений.

В предлагаемом способе для определения ОАО и ВЗО проводится гармонический анализ в скользящем временном окне (например, шириной в 1 месяц и шагом в 1 сутки) временных рядов синхронных наблюдений (например, почасовых) атмосферного давления и уровня воды в скважине. Затем выбираются устойчивые гармоники в наблюдениях атмосферного давления (например, суточные) и когерентные им гармоники в наблюдениях уровней воды в скважинах. Из сопоставления амплитуд и фаз найденных когерентных гармоник определяются ОАО, как отношение амплитуды выбранной гармоники в наблюдениях уровня воды к ее амплитуде в наблюдениях атмосферного давления, и ВЗО, как сдвиг фаз между ними. Далее составляются временные ряды ОАО и ВЗО с дискретизацией, равной шагу скользящего окна (например, 1 суткам). Полученные временные ряды подвергаются повторному гармоническому анализу для выделения в них долгопериодических приливных гармоник (например, полумесячных и месячных). Сопоставляя эти гармоники с теоретическими приливными волнами в деформациях с теми же периодами (например, полумесячными M_f и месячными М_m) определяются тензочувствительности ОАО и ВЗО, с использованием которых наблюденные изменения последних выражаются в единицах деформаций, т.е. определяются изменения НДС земной коры.

Предлагаемый способ определения изменений НДС земной коры будет практически реализован на сейсмоактивной территории Дагестана с использованием 6-ти летних синхронных наблюдений атмосферного давления и пьезометрических уровней в скважинах, заложенных в пунктах с различными структурно-геологическими особенностями: "Каспийск-115" (глубина 170 м), "Айды" (глубина 250 м) и "Серебряковка" (глубина 140 м). Для этого предпринимаются следующие конкретные шаги: 1) гармонический анализ в скользящем временном окне длиной в 1 месяц и шагом в 1 сутки временных рядов почасовых синхронных наблюдений атмосферного давления и уровня воды в каждой скважине; 2) выделение устойчивых гармоник в наблюдениях атмосферного давления; 3) выделение когерентных им гармоник в наблюдениях уровней воды в каждой скважине; 4) определение ОАО и ВЗО из сопоставления амплитуд и фаз найденных когерентных гармоник и составление их временных рядов с суточной дискретизацией для каждой скважины; 5) выделение в полученных временных рядах полумесячных и месячных приливных гармоник; 6) сопоставление их с теоретическими полумесячными и месячными приливными волнами в деформациях M_f и M_m для определения тензочувствительности ОАО и ВЗО; 7) определение по текущим значениям ОАО и ВЗО изменений НДС земной коры.

Предлагаемый способ позволит использовать высокую чувствительность проницаемости горных пород к деформациям для индикации последних и тем самым существенно повысить информативность пьезометрических наблюдений для оценки сейсмической опасности. Возможность накопления полезного сигнала при определении интегральной тензочувствительности наблюдаемого участка земной коры по периодическим гармоникам M_f и М_m, амплитуды и фазы которых определяются независимо, обеспечит достаточно высокую точность таких оценок.

Способ определения изменений напряженно-деформированного состояния (НДС) земной коры, включающий сопоставление временных рядов синхронных наблюдений естественных баровариаций и изменений уровней воды в пьезометрических скважинах и оценку изменчивости НДС земной коры по изменениям отклика уровней воды на баровариаций, отличающийся тем, что проводят гармонический анализ в скользящем временном окне (например, шириной в 1 месяц и шагом в 1 сутки) временных рядов синхронных наблюдений (например, почасовых) атмосферного давления и уровня воды в скважине, выбирают устойчивые гармоники в наблюдениях атмосферного давления (например, суточные) и когерентные им гармоники в наблюдениях уровней воды в скважинах, из сопоставления амплитуд и фаз найденных когерентных гармоник определяют относительные амплитуды отклика (ОАО) уровней воды в скважинах на баровариаций (отношение амплитуды выбранной гармоники в наблюдениях уровня воды к ее амплитуде в наблюдениях атмосферного давления) и время запаздывания отклика (ВЗО) от самих баровоздействий (сдвиг фаз между гармониками), составляют временные ряды ОАО и ВЗО с дискретизацией, равной шагу скользящего окна (например, 1 суткам), полученные временные ряды подвергают повторному гармоническому анализу и выделяют в них долгопериодические приливные гармоники (например, полумесячные и месячные), сопоставляя их с теоретическими приливными волнами в деформациях с теми же периодами (например, полумесячными M_f и месячными M_m), определяют тензочувствительности ОАО и ВЗО, а по наблюденным изменениям последних определяют изменения НДС земной коры.