Статья: Сейсмогидрогеологические эффекты сильнейших землетрясений (на примере Камчатского региона)

Камчатский филиал Геофизической службы РАН

Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН

ОАО «Камчатгеология»

СЕЙСМОГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ СИЛЬНЕЙШИХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ (НА ПРИМЕРЕ КАМЧАТСКОГО РЕГИОНА)

Г.Н Копылова, Т.К. Пинегина, Н.Н. Смолина

Введение

Процессы деформирования водонасыщенных горных пород при подготовке и возникновении сильнейших (М?7.6) землетрясений могут вызывать заметные изменения в состоянии подземных вод сейсмоактивных районов. Исследование характера и масштабов таких изменений имеет фундаментальное и прикладное значение для решения геоэкологических задач, обеспечения устойчивого водоснабжения населенных пунктов, а также для оценки сейсмической опасности на основе данных гидрогеологического мониторинга. Детальное изучение сейсмогидрогеологических эффектов предполагает проведение специализированных наблюдений на сетях наблюдательных скважин, плотность которых оказалась недостаточной для перекрытия эпицентральных зон двух произошедших в Камчатском регионе сильнейших землетрясений: Кроноцкого 5.12.1997 г., М=7.8 и Олюторского 20.04.2006 г., М=7.6 (рис. 1).

Рис. 1 Схема расположения наблюдательных скважин КФ ГС РАН и ОАО Камчатгеология и эпицентров землетрясений - Кроноцкого 5.12.1997 г. и Олюторского 20.04.2006 г.

Для предварительной оценки воздействия землетрясений на подземные воды в эпицентральных зонах привлекаются материалы макросейсмического обследования, выполненные сотрудниками КОМСП ГС РАН (Гусев и др., 1998) и ИВИС ДВО РАН (Пинегина, Константинова, 2006) непосредственно после землетрясений. Макросейсмическое обследование в зоне Олюторского землетрясения выполнено с детальностью, позволившей выделить различные типы первичных и вторичных сейсмогенных нарушений.

В настоящей работе приводятся данные о вариациях уровня воды в наблюдательных скважинах на территории Камчатского региона в связи с семью сильнейшими (М?7.6) землетрясениями (таблица), произошедшими в западной части Тихоокеанского сейсмического пояса на эпицентральных расстояниях R=310-8250 км. Большая часть выявленных вариаций уровня воды имеет преимущественно ко- и постсейсмический характер и объясняется распространением поверхностных сейсмических волн от удаленных (R?720 км) землетрясений, вызывающих деформацию водовмещающих пород и изменения порового давления. В скважине ЮЗ-5 в случае Кроноцкого землетрясения (R=310 км) выделены три типа вариаций уровня воды, обусловленных различными механизмами сейсмического воздействия: (1) процессам подготовки землетрясения, (2) статическим изменением напряженного состояния водовмещающих пород при образовании сейсмического разрыва в очаге и (3) изменением фильтрационных свойств водовмещающих пород и соответствующими вариациями порового давления при сейсмических сотрясениях. Перед Кроноцким землетрясением обнаружены синхронные бухтообразные изменения уровней воды в скважинах ЮЗ-5 и Е1, представляющие гидрогеодинамический предвестник этого землетрясения (Копылова, 2006).

Данные о сильнейших землетрясениях 1997-2007 гг. (М7.6), вызвавших изменения уровня воды в наблюдательных скважинах

Используемые материалы

Скважинные уровнемерные наблюдения в Камчатском регионе проводятся КФ ГС РАН и ОАО «Камчатгеология» (рис. 1). Скважины вскрывают напорные воды в интервале глубин от 28 до 800 м. Водовмещающие породы представлены рыхлыми четвертичными отложениями (1306, 1311), туфогенно-осадочными отложениями неогенового возраста (1303, 1309, Е1) и слабометаморфизованными осадочными отложениями позднемелового возраста (ЮЗ-5). По данным опробования скважин водовмещающие породы различаются по водопроницаемым свойствам и по водообильности. В скважинах 1306, Е1 и 1311 в области связи ствола и вскрытого резервуара подземных вод установлены дырчатые фильтры. Связь скважин 1309, ЮЗ-5 и 1303 и подземных вод осуществляется через открытую (не обсаженную) часть ствола. Все скважины вскрывают слабоминерализованные воды (М=0.18-1.5 г/л). В составе порового флюида скважины Е1 присутствует свободный газ метаново-азотного состава. Для скважины 1306 присутствие свободного газа предполагается.

Все шесть наблюдательных скважин оборудованы системами цифровой синхронной регистрации уровня воды и атмосферного давления с периодичностью 10 мин (Кедр А2, ООО «Полином», г. Хабаровск). Чувствительность регистрации уровня воды составляет 0.1 см. Выделение часовых и 10-минутных вариаций уровня воды, вызванных землетрясениями, выполнялось по временным рядам с компенсированным влиянием изменений атмосферного давления. В часовых временных рядах уровня воды, очищенных от баровариаций, выполнялась фильтрация суточных и полусуточных приливных компонент.

Данные о сейсмогеологических последствиях в эпицентральной зоне Кроноцкого землетрясения получены во время облета на вертолете 9 декабря 1997 г. и приводятся по (Гусев и др., 1998). По карте изосейст район обследования включал зоны с интенсивностью сотрясений от 5 до 7 баллов. В зоне 7 балльных сотрясений были обнаружены небольшие оползни и обвалы в прибрежных уступах, деформация и просадка песчаного грунта на океаническом пляже. В районе сейсмостанции Кроноки (7 баллов) по развитию свежих наледей на низком берегу р. Татьяна (5-9 декабря температура воздуха не поднималась выше -(15-6)є С) предполагалось просачивание подземных вод на поверхность земли. Все обнаруженные сейсмодеформации относятся к вторичным, вызванным вибросейсмическим воздействием от Кроноцкого землетрясения.

По данным гидрогеохимических наблюдений в самоизливающихся скважинах ГК-1 и Г-1, расположенных в зоне 5-балльных сотрясений, в течение 3-6 месяцев перед Кроноцким землетрясением проявлялись аномальные изменения химического состава минерализованных поземных вод, распространенных на глубинах более 400 м. Постсейсмические изменения были зарегистрированы в режиме термоминеральных Пиначевских источников. Они проявились в резком увеличении дебитов (до 2.5-7 раз) и в росте концентраций минеральных компонентов химического состава воды (Cl^-, HCO₃^-, Ca²⁺, Na⁺, H₃BO₃) в 3-1.3 раза по сравнению с фоновыми величинам (Левина и др., 2003).

Данные о сейсмогеологических последствиях Олюторского землетрясения получены во время маршрутных наблюдений 23.04-14.05 2006 г. в южной части эпицентральной области. По карте изосейст (данные КФ ГС РАН) район обследования включал зоны 8-9-балльных сотрясений. По распространению на поверхности первичных сейсмотектонических деформаций, представленных валами сжатия, микронадвигами, зияющими и оперяющими трещинами, выделена сложно построенная зона макроразрыва, протяженностью до 70 км и шириной 10-15 км. Характер подвижек в этой зоне изменялся вдоль макроразрыва от взбросового (до 280 см по вертикали или 330 см вдоль поверхности разрыва) с небольшой компонентой правостороннего сдвига (до 60-70 см) на северном участке; преобладанием правого сдвига (до 200 см и более) с небольшой компонентой сброса на центральном участке. На южном участке подвижка имеет характер чистого взброса (амплитуда около 1 м по вертикали). На всех участках с взбросовой компонентой смещения приподнято ЮВ крыло. В местах, где поверхность сместителя была экспонирована, она представляла собой вертикальную плоскость, либо плоскость, наклонённую под углом 30-60 на СЗ в сторону опущенного крыла.

В выделенной зоне магистрального разрыва площадью около 900 км² можно предполагать значительные изменения в состоянии грунтовых и напорных трещинных подземных вод в связи с развитием субвертикальных сейсмотектонических разрывов в диапазоне глубин не менее первых километров. По данным КФ ГС РАН протяженность очаговой области, определённая по афтершокам, составила около 150 км. Это позволяет увеличить площадь зоны воздействия первичных сейсмодислокаций на состояние подземных вод примерно в два раза. Гипоцентры основного толчка и афтершоков концентрируются в диапазоне глубин 0-20 км. Поэтому глубина воздействия первичных сейсмодислокаций на состояние подземных вод может составлять не менее первых десятков километров.

В долинах рек Вывенка, Авьеваям и их притоков, а также в районах поселков Корф и Тиличики, расположенных на побережье, выделены зоны развития сейсмовибрационных деформаций по широкому распространению просадок грунта и вторичных трещин с площадными грязевыми разливами. Поверхностными формами сейсмовибрационного воздействия на состояние рыхлых водонасыщенных грунтов, способных к разжижению, являются грязевые вулканчики, широко развитые в районе Корфской косы, косы Конохвал и в южной части пос. Тиличики, расположенных в зоне сотрясений 8-9 баллов.

Распределение сейсмовибрационных деформаций по площади (общая площадь составляет не менее 2000 км²) контролируется распространением молодых рыхлых четвертичных отложений с малой (не более первых м) глубиной залегания грунтовых вод. Количество вторичных трещин на единицу площади резко увеличивалось на участках, сложенных осадочными отложениями, и уменьшалось в местах выхода скальных грунтов.

Сейсмогравитационные дислокации в эпицентральной области Олюторского землетрясения проявились ограниченно в виде незначительных по площади свежих осыпей и оползней. Крупный скальный оползень образовался в непосредственной близости от седловины, через которую прошел сейсморазрыв.

Поверхностные проявления сейсмовибрационных и сейсмогравитационных деформации при Олюторском землетрясении, выявленные при визуальных наблюдениях, характеризуют состояние самых верхних горизонтов горных пород. Первые приурочены к областям распространения преимущественно рыхлых обводненных молодых осадков, а вторые - к выветрелым скальным образованиям. Это позволяет предполагать их локальное воздействие на состояние грунтовых горизонтов подземных вод, распространенных в рыхлых четвертичных образованиях и в коре выветривания скальных пород за счет изменения режимообразующих условий в областях питания и разгрузки. При разжижении водонасыщенных рыхлых отложений с массовым образованием грязевых выбросов происходит также временное изменение способа разгрузки грунтовых вод вследствие резкого повышения порового давления от гидростатического до литостатического. При этом происходит гидроразрыв слоев, перекрывающих разжижающуюся толщу, и извержение нагруженной рыхлым материалом воды в течение непродолжительного времени (первые десятки минут). Такое явление может сопровождаться последующими просадками грунта на значительной территории и ее подтоплением. В районе пос. Корф просадки грунта на площади 2002000 м достигали амплитуды 30-50 см.

Сейсмовибрационное воздействие землетрясения на состояние относительно глубоких водоносных горизонтов плейстосейстовой зоны, по-видимому, проявляется в перераспределении порового давления и в изменении качества воды. По сообщениям жителей поселка Таловка, расположенного в 120 км от эпицентра, после землетрясения в водопроводную систему из водозаборных скважин длительное время поступала мутная вода.

Сейсмогидрогеологические эффекты в изменениях уровня воды в связи с сильнейшими (М?7.6) землетрясениями. Вариации уровня воды в скважинах ЮЗ-5 и Е1 в период Кроноцкого землетрясения 5.12.1997 г., R=309-316 км (зона 5-балльных сотрясений) представлены на рис. 2. Наиболее значимыми по амплитуде и по длительности являются постсейсмические вариации (рис. 2а, б). После землетрясения в течение трех месяцев происходило понижение уровня воды в скважине ЮЗ-5 с амплитудой 1 м и повышение уровня воды в скважине Е1 с амплитудой 30 см. Уровень воды в скважине ЮЗ-5, после достижения наиболее низкого положения в середине марта 1998 г., восстанавливался к прежнему положению в течение последующих двух лет (рис. 2б). Механизм формирования такого понижения связан с падением порового давления в достаточно большой области вокруг скважины и может объясняться увеличением проницаемости верхнемеловых пород при прохождении сейсмических волн (Копылова, 2006).

На рис. 2в показан косейсмический скачок понижения уровня воды в скважине ЮЗ-5 с амплитудой 12 см, который развивался примерно в течение 13 минут с начала образования сейсмического разрыва в очаге. Такой скачок диагностировал расширения водовмещающих пород в районе скважины в результате изменения их статического напряженного состояния. Оценка величины косейсмической деформации водовмещающих пород (D) по приливному отклику уровня воды составляет (1.2-0.9)10^-7 и находится в соответствии с рассчитанной величиной деформации от точечного источника дислокации, расположенного в центральной части очага Кроноцкого землетрясения (D=1.210^-7).

На рис. 2г представлен гидрогеодинамический предвестник в часовых вариациях уровня воды в скважинах ЮЗ-5 и Е1, который развивался примерно одновременно с деформационным предвестником, выявленным по данным GPS-наблюдений на пунктах сети KAMNET (Gordeev et al., 2001). Бухтообразные понижения уровня воды в двух скважинах показывают, что Кроноцкому землетрясению предшествовало развитие деформации расширения верхнемеловых и неогеновых водовмещающих породах примерно в течение трех недель. Оценка деформации расширения проводилась путем нормировки амплитуды понижения уровня воды в скважине ЮЗ-5 (-11 см) на величину его приливной чувствительности и составила (1.1-0.8)10^-7 (Копылова. 2006)