В онлайне: 1 (гостей - 1, участников - 0)  Вход | Регистрация

 
УДК

Возможность перемещения флюидов в породах очаговой зоны Cуматринского землетрясения (26.12.2004 г.)


Семашко С.В., доцент, ТулГУ

Рассматривается роль флюидров при тектонических движениях и подготовке землетрясений

До настоящего времени определение роли флюидов при тектонических движениях и подготовке землетрясений остается одним из основных направлений изучения геодинамических процессов в земной коре и верхней мантии. В результате комплексных исследований на геодинамических полигонах во второй половине XX века установлено, что разломы земной коры могут интенсивно поглощать флюиды, особенно при активизации движений (подвижках) в пределах разломов или разломных зон. Помимо этого, имеются экспериментальные данные, свидетельствующие, что внезапный подъем флюидов в разломных зонах провоцирует (инициирует) землетрясение [1]. Важность изучения динамики подземных вод подчеркивается и при определении информативности различных геофизических, геохимических, гидрогеологических и деформационных методов исследований, используемых для целей прогноза землетрясений. В результате исследований установлено, что "наибольшей прогностической информацией обладают … объемная деформация горных пород, или уровень подземных вод, прямо отражающие деформационные процессы в земной коре" [2]. Предложено несколько моделей возможной взаимосвязи миграции флюидов и сейсмического режима. Наиболее известные представления о механизмах, обеспечивающих эту взаимосвязь, сформулированы такими исследователями, как Miller (1996), Henderson (1997), Yamashita (1997); обзор работ указанных авторов представлен в монографии [1].

Отметим, что до настоящего времени предметом дискуссий остаются не только источники и механизмы движения флюидов, но и численные значения фильтрационно-емкостных характеристик горных пород очаговых зон землетрясений и вмещающих их пород. Отсутствие достоверной информации объясняется невозможностью изучения движения флюидов в пределах очаговых зон с помощью прямых методов наблюдений. Поэтому качественная и количественная оценка фильтрационно-емкостных характеристик на этих глубинах основывается на результатах интерпретации глубинных сейсмических методов и электромагнитных зондирований.

Результаты исследований района Суматринского землетрясения (26.12.2004 г.), представленные в работах [3, 4, 5], формируют необходимую информационную базу для количественных оценок модуля Юнга, пористости и проницаемости горных пород. На этой основе нами получены численные оценки перечисленных характеристик пород очаговой зоны землетрясения и вмещающих пород, которые позволяют:

  • определить пределы изменения модуля Юнга, пористости и проницаемости в глубинных частях земной коры и верхней мантии на участке подготовки сильного землетрясения;
  • провести сопоставление проницаемости очаговой зоны сильного землетрясения и вмещающих ее пород и сравнить с результатами исследований проницаемости метасоматических и метаморфических систем континентальной земной коры.

Суматринское землетрясение произошло 26 декабря 2004 года западнее о. Суматра на фланге Зондской сейсмической области. Его магнитуда составила Мw/ = 9,3, а глубина очага - около 30 км. Суматринское землетрясение "…является первым землетрясением с магнитудой более 9, произошедшим в эпоху цифровых сейсмических наблюдений" [3, 4]. В ходе исследований напряженного состояния пород района землетрясения, получены количественные оценки следующих параметров [3, 4]:

  • горизонтального напряжения на глубине 30 км, достигающего (9-12)·10 2МПа;
  • максимальных касательных напряжений, достигающих 30-35 МПа;
  • изменений отношения эффективного всестороннего давления к касательному напряжению, находящихся в диапазоне от 0,87 до 2,10.

В работе [5] приведены результаты картирования поля поглощения S-волн (по значениям эффективной добротности Qs, безразмерная величина) в южной части очаговой зоны Суматринского землетрясения. Полученные значения добротности разделены на три интервала, которые соответствуют:

1) интервал Qs = 150-220 соответствует повышенному поглощению сейсмических волн;

2) интервал Qs = 230-330 соответствует промежуточному поглощению сейсмических волн;

3) интервал Qs = 370-1000 соответствует пониженному поглощению сейсмических волн.

На площади исследования выделены две линейные зоны сильного поглощения волн, имеющие северо-западное и северо-восточное простирание. Эпицентр Суматринского землетрясения находится в области пересечения этих зон. Отметим, что очаг землетрясения расположен между глубоководным желобом и вулканической областью.

Для перехода от значений добротности к количественной оценке пористости воспользуемся соотношением [6]:

f = 47,1·(1/ Qs)2/3 %,(1)

где f - пористость, Qs - добротность.

Для количественной оценки модуля Юнга воспользуемся соотношением [7]:

? = f ·E/[3·(1 - 2?)], (2)

где ? - эффективное всестороннее давление, f - пористость, E - модуль Юнга, ? - коэффициент Пуассона.

Из соотношения (2) следует, что:

E = ?·[3·(1 - 2?)] / f. (3)

Для количественной оценки проницаемости воспользуемся выведенным ранее [7] соотношением:

К = 65,6· (Т/Е)2 (4)

где К - проницаемость, Т - удельная поверхностная энергия, Е - модуль Юнга.

После подстановки (3) в (4) имеем:

К = 7,3·{f ·Т / [σ·(1 - 2ν)]}2 (5)

В соответствии с расчетами, выполненными с использованием результатов определения максимальных касательных напряжений (30-35 МПа) и отношения эффективного всестороннего давления к касательному напряжению (0,87-2,10), представленных в работах [3, 4], изменения эффективного всестороннего давления находятся в пределах 26-74 МПа. Для количественных оценок проницаемости примем значение коэффициента Пуассона равным 0,25, а значение удельной поверхностной энергии 1 Дж/м2 [8].

Оценки модуля Юнга, пористости и проницаемости очаговой зоны Суматринского землетрясения и вмещающих ее пород, получены с использованием соотношений (1), (3), (5), представлены в таблице.

Qs

f %

E·109, Па

K, м2

Примечание

150 – 220

1,29 – 1,67

2,34 – 8,55

9,0·10-19 – 1,2·10-17

очаговая зона

230 – 330

0,99 – 1,25

3,13 – 11,1

5,3·10-19 – 6,7·10-18

очаговая зона –

вулканическая область

370 – 600

0,66 – 0,91

5,93 – 23,5

1,2·10-19 – 1,3·10-18

очаговая зона –

глубоководный желоб


Проницаемость очаговой зоны и вмещающих ее пород сопоставим с оценками проницаемости континентальной земной коры, которые получены на основе данных о тепловых потоках и анализа метасоматических и метаморфических систем и соответствуют интервалу глубин 15-40 км [9]. В соответствие с этими оценками, проницаемость пород континентальной земной коры изменяется следующим образом:

1) при метасоматических процессах в зонах пластического течения пород - от 6,3·10 -18 до 7,9·10 -16 м2;

2) при процессах контактового метаморфизма - от 1,0·10 -18 до 4·10 -17 м2;

3) при процессах регионального метаморфизма - от 1,8·10 -21 до 3,55·10 -18 м2.

Полученная нами проницаемость очаговой зоны и вмещающих ее пород изменяется в пределах двух порядков: от 1,2·10 -19 до 1,2·10 -17 м2. Эти значения на пять-семь порядков превышают нижний порог проницаемости, равный 10 -24 м2.

Следовательно, во всем объеме горных пород, который задействован в подготовке Суматринского землетрясения, существует возможность перемещения флюидов.

Полученные нами значения проницаемости для очаговой зоны (9,0·10 -19 -1,2·10 -17 м2) частично попадают в интервал значений проницаемости, характерный для метасоматических процессов в зонах пластического течения пород и для процессов контактового метаморфизма. Проницаемость пород, расположенных юго-восточнее очаговой зоны (в направлении глубоководного желоба), изменяется в пределах 1,2·10 -19 - 1,3·10 -18 м2; проницаемость пород, расположенных северо-восточнее очаговой зоны (в направлении вулканической области), изменяется в пределах 5,3·10 -19 - 6,7·10 -18 м2.

Проницаемость пород, вмещающих очаговую зону, соответствует наиболее высоким значениям показателя для процессов регионального метаморфизма и находится в пределах значений, характерных для контактового метаморфизма. Максимальные значения проницаемости (6,7·10 -18 м2) пород, расположенных юго-восточнее очаговой зоны, находятся вблизи нижней границы проницаемости (6,3·10 -18 м2) при метасоматических процессах в зонах пластического течения пород.

Повышение значений проницаемости и пористости, понижение значений модуля Юнга в вулканической области по сравнению с участком земной коры, прилегающим к глубоководному желобу, представляются не случайными. Известно, что прочностные характеристики горных пород меняются в широких пределах в зависимости от термобарических условий, в которых они находятся, а также от насыщенности флюидами. Поэтому одним из наиболее вероятных объяснений отмеченных выше различий может быть большее влияние флюидов на физико-механические и емкостно-фильтрационные характеристики пород нижней части земной коры и верхней мантии района вулканической области по сравнению с глубинными породами участков прилегающих к океаническому желобу.

Пористость пород очаговой зоны, согласно нашей оценке, находится в интервале 1,29 - 1,67%. Эти значения превышают средние оценки пористости:

  • гранулит-базитовой оболочки континентальной и субконтинентальной коры- 0,72% [10];
  • земной коры в интервале глубин 20-38 км - 1,0% [6].

Следовательно, полученные нами оценки пористости и проницаемости позволяют охарактеризовать очаговую зону Суматринского землетрясения как область с повышенными по отношению к вмещающим породам значениями пористости (в 1,5-2 раза) и значениями проницаемости (на один - два порядка).


Библиографический список

  1. Каракин А.В., Курьянов Ю.А., Павленкова Н.И. Разломы, трещиноватые зоны и волноводы в верхних слоях земной оболочки. - М.: ВНИИгеосистем, 2003. 219с.
  2. Соболев Г.А., Понаморев А.И. Физика землетрясений и предвестники. - М.: Нау-ка, 2003. 270с.
  3. Мухамедиев Ш.А., Галыбин А.Н. Где и как зародились разрывы землетрясений 26.12.04 и28.03.05 у острова Суматра. Доклады Академии Наук, 2006, том 406, №1, 95-98с.
  4. Ребецкий Ю.Л., Маринин А.В. Напряженное состояние земной коры западного фланга Зондской субдукционной зоны перед Суматра-Адаманским землетрясением 26.12.04. Доклады Академии Наук, 2006, том 407, №1, 106-110с.
  5. Копничев Ю.Ф., Соколова И.Н. Характеристика сейсмичности и поля поглощения S-волн в районе очага Суматринского землетрясения 26 декабря 2004. Доклады Академии Наук, 2008, том 422, №5, 672-676с.
  6. Семашко С.В. Динамические процессы и пористость в литосфере. Известия Тульского государственного университета. Серия "Геооинформационные технологии в решении региональных проблем" Выпуск 2, Москва-Тула 2005, 122-127с.
  7. Семашко С.В. Оценка изменений напряженного состояния глубинных зон земной коры при современных геодинамических процессах. Известия Тульского государственного университета. Серия "Экология и безопасность жизнедеятельности" Выпуск 8, Тула 2006, 87-91с.
  8. Протасов Ю.И. Разрушение горных пород. -3-е изд., стер. -М.: Изд.МГГУ, 2002. -453с.
  9. Шмонов В.М., Витовтова В.М., Жариков А.В. Флюидная проницаемость земной коры. -М: Научный мир, 2002. -216с.
  10. Зверев В.П. Новые данные о массе имассопотоках вподземных вод в земной коре. Доклады Академии Наук, 2004, том 397, №5, 660-663с.
 

Разделы конференции

  1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
  2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
  3. Комплексное использование природных ресурсов
  4. Современные вопросы геологии
  5. Физика горных пород
  6. Новые технологии в природопользовании
  7. Применение современных информационных технологий
  8. Экономические аспекты недвижимости
  9. Мониторинг использования объектов недвижимости