ВИБРАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЛН В ИЗМЕНЕНИЯХ ДАВЛЕНИЯ ПОДЗЕМНЫХ ВОД (ПО ДАННЫМ СКВАЖИННЫХ НАБЛЮДЕНИЙ)

Abstract

Многообразие откликов давления подземных вод при похождении сейсмических волн является широко обсуждаемым вопросом при проведении наблюдений в скважинах [1, 6, 8, 10, 11, 12]. Даже при одном и том же землетрясении в близко расположенных скважинах могут проявляться различные эффекты вибрационного воздействия в изменениях давления подземных вод – колебания (осцилляции), понижения и повышения различной продолжительности. Познавательный интерес представляет объяснение такого многообразия на основе соответствующих моделей гидрогеодинамических процессов в системе скважина-водовмещающая порода. В работе [6] на примере данных многолетней регистрации уровня воды в скважине ЮЗ-5 с периодичностью 5 мин. были выделены четыре типа откликов давления подземной воды при землетрясениях в диапазоне магнитуд Мw = 6.8 – 9.1 и эпицентральных расстояний de=80 – 14600 км и рассмотрены модели их формирования. С использованием широкополосных записей землетрясений на ближайшей сейсмостанции, продемонстрирована зависимость проявления четырех выделенных типов откликов давления воды от амплитудно-частотного состава сейсмических волн и параметров интенсивности вибрационного воздействия, таких как удельная плотность сейсмической энергии и максимальная скорость сейсмических волн в районе скважины. Таким образом, на примере одной скважины с известными строением, упругими и фильтрационными свойствами водовмещающих пород было продемонстрировано, что разнообразие откликов давления подземной воды на динамическую деформацию водовмещающих пород определяется инициацией различных гидродинамических процессов в системе скважина-водовмещающая порода, сопровождающихся колебаниями, а также ростом или понижением давления различной продолжительности, в зависимости от амплитудно-частотного состава максимальных фаз сейсмических волн. При этом ведущими факторами, вызывающими разнообразие эффектов вибрационного изменения давления (напора) подземных вод, являются вертикальные смещения ствола скважины, усиление вариаций давления в системе скважина-водовмещающая порода на определенных резонансных частотах сейсмического воздействия [9], а также локальные понижения и повышения давления в водовмещающей породе вследствие неоднородности ее строения и, соответственно, неоднородного изменения поля давления подземных вод вблизи скважины [6, 8, 11]. Индивидуальные особенности отдельных скважин в проявлениях вибрационных эффектов и в целом разнообразие откликов уровня/давления воды в наблюдательных скважинах является отражением совокупности гидродинамических процессов, инициированных воздействием сейсмических волн различного амплитудно-частотного состава, и локализованным распределением импульсов повышения или понижения давления в пространстве неоднородных водовмещающих пород вблизи ствола скважины на расстояниях от первых метров до сотен метров. Определенный вклад в многообразии откликов давления при воздействии сейсмических волн также вносят упругие свойства подземной воды [11]. В частности, при наличии в воде свободного газа ее сжимаемость резко повышается, и величина коэффициента Скемптона, равного отношению изменений давления воды к общему напряжению в скелете породы, резко уменьшается [4, 6]. В этом случае в изменениях давления подземных вод, например, в скважинах Е-1, полуостров Камчатка и BV, Калифорния, США, вибрационные эффекты проявляются в монотонных повышениях уровня воды в течение суток-десятков суток после наиболее сильных землетрясений с интенсивностью сотрясений не менее 5-6 баллов по шкале MSK-64. Таким образом, многообразие откликов давления подземных вод в скважинах на прохождение сейсмических волн в общем виде объясняется особенностями локальных условий наблюдательных скважин – различиями их конструкции, упругими и фильтрационными свойствами водовмещающих пород и неоднородностью их строения. Это обстоятельство предполагает создание моделей вибрационного воздействия на основе прецизионных данных наблюдений за вариациями давления подземных вод для каждой наблюдательной скважины, используемой в системе геофизического мониторинга. Для решения этой задачи в отношении наблюдательных скважин на территории Петропавловск-Камчатского полигона, в 2017–2021 гг. была выполнена модернизация системы наблюдений с использованием цифровых средств прецизионной регистрации давления подземных вод с частотой от 20 до 0.008 Гц. В работе представлены данные о выполненной модернизации и первые результаты наблюдений вибрационных эффектов в изменениях давления подземных вод, полученных с использованием нового оборудования.