Физика Земли, 2020, № 4, стр. 102-122

Эффекты сейсмических волн в изменениях уровня воды в скважине: экспериментальные данные и модели

Г. Н. Копылова 1*, С. В. Болдина 1**

1 Камчатский филиал Федерального исследовательского центра “Единая геофизическая служба РАН”
г. Петропавловск-Камчатский, Россия

* E-mail: gala@emsd.ru
** E-mail: boldina@emsd.ru

Поступила в редакцию 13.03.2019
После доработки 08.07.2019
Принята к публикации 07.10.2019

Аннотация

В скважине ЮЗ-5, Камчатка, в 1996–2017 гг. проводились прецизионные измерения уровня воды с периодичностью 5–10 мин. В полученном ряду данных выделены вариации уровня воды, вызванные прохождением сейсмических волн (гидрогеосейсмические вариации – ГГСВ) при 19-ти землетрясениях с Мw = 6.8–9.1, произошедших на эпицентральных расстояниях 80–14.6 тыс. км. С учетом морфологических особенностей ГГСВ выделены четыре их основных типа: колебания (I), наложение на колебания кратковременных (до десятков часов) повышений уровня воды (II), кратковременные повышения (III), длительные (1.5–3 мес.) понижения уровня воды (IV). Рассматривается зависимость проявления выделенных типов ГГСВ от параметров землетрясений (магнитуда, расстояние), величин удельной плотности энергии и максимальной скорости сейсмической волны, а также амплитудно-частотного состава движений грунта по записям на ближайшей сейсмостанции. На отдельных примерах рассмотрены гидрогеодинамические процессы формирования ГГСВ с использованием моделирования. Показано, что амплитудные вынужденные и свободные колебания уровня воды (типы I и II) могут возникать вследствие усиления вариаций давления подземных вод в системе “скважина–водовмещающая порода” при прохождении поверхностных сейсмических волн с периодами, соответствующими резонансной частоте скважины (τ = 44.6 с); повышение уровня в течение десятков минут–часов (типы II и III) вызывается кратковременным ростом давления при нарушении стационарных условий течения воды в области непосредственно примыкающей к стволу скважины; местные сильные землетрясения¸ сопровождающиеся сотрясениями с интенсивностью Imsk-64 ≥ 5 баллов, вызывают длительные понижения уровня воды (тип IV) вследствие падения давления с амплитудами до 0.1 бар в радиусе до первых сотен метров от скважины.

Ключевые слова: гидрогеосейсмические вариации, амплитудно-частотный состав движений грунта.

DOI: 10.31857/S0002333720030035

Список литературы

  1. Адушкин В.В., Спивак А.А. Физические поля в приповерхностной геофизике. М.: ГЕОС. 2014. 360 с.

  2. Болдина С.В. Эффекты землетрясений в системе “скважина–водовмещающая породаˮ. Дюссельдорф: LAP LAMBERT Academic Publishing RU. 2017. 209 с.

  3. Болдина С.В., Копылова Г.Н. Моделирование гидрогеосейсмических вариаций уровня воды в скважине. Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России. Труды Второй региональной научно-технической конференции Петропавловск-Камчатский: 11–17 октября 2009 г. Петропавловск-Камчатский: ГС РАН. 2010. С. 166–170.

  4. Болдина С.В., Копылова Г.Н. Моделирование вариаций уровня воды в скважине ЮЗ-5, Камчатка, вызванных землетрясением 28.02.2013 г., М = 6.8. Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России. Труды Четвертой научно-технической конференции. Обнинск: ГС РАН. 2013. С. 435–439.

  5. Болдина С.В., Копылова Г.Н. Эффекты Жупановского землетрясения 30.01.2016 г., Mw = 7.2, в изменениях уровня воды в скважинах ЮЗ-5 и Е-1, Камчатка // Геодинамика и тектонофизика. 2017. Т. 8. № 4. С. 863–880. https://doi.org/10.5800/GT-2017-8-4-0321

  6. Дрознин Д.В., Дрознина С.Я. Интерактивная программа обработки сейсмических сигналов DIMAS // Сейсмические приборы. 2010. Т. 46. № 3 С. 22–34.

  7. Касимова В.А., Копылова Г.Н. О зависимости вариаций уровня воды при сильнейших землетрясениях от амплитудно-частотного состава максимальных фаз движений грунта (на примере ЮЗ-5, Камчатка). Современные методы обработки и интерпретации сейсмологических данных. Материалы Седьмой Международной сейсмологической школы. Обнинск: ГС РАН. 2012. С. 143–147.

  8. Киссин И.Г. Гидрогеологический мониторинг земной коры // Физика Земли. 1993. № 8. С. 58–69.

  9. Копылова Г.Н. Изменения уровня воды в скважине Елизовская-1, Камчатка, вызванные сильными землетрясениями (по данным наблюдений в 1987–1998 гг.) // Вулканология и сейсмология. 2001. № 2. С. 39–52.

  10. Копылова Г.Н. Изменения уровня воды в скважине ЮЗ-5, Камчатка, вызванные землетрясениями // Вулканология и сейсмология. 2006. № 6. С. 52–64.

  11. Копылова Г.Н. Оценка информативности уровнемерных наблюдений в скважинах для поиска гидрогеодинамических предвестников землетрясений (на примере Камчатки) // Геофизические исследования. 2009. Т. 10. № 2. С. 56–68.

  12. Копылова Г.Н., Болдина С.В. Оценка пороупругих параметров резервуаров подземных вод (по данным уровнемерных наблюдений на скважинах ЮЗ-5 и Е-1, Камчатка) // Вулканология и сейсмология. 2006. № 2. С. 17–28.

  13. Копылова Г.Н., Болдина С.В. Отклик уровня воды в скважине ЮЗ-5, Камчатка, на Суматра-Андаманское землетрясение 26 декабря 2004 г., М = 9.3 // Вулканология и сейсмология. 2007. № 5. С. 39–48.

  14. Копылова Г.Н., Болдина С.В. Гидрогеосейсмологические исследования на Камчатке: 1977–2017 гг. // Вулканология и сейсмология. 2019. № 2. С. 3–20.

  15. Копылова Г.Н., Болдина С.В., Касимова В.А. Эффекты сильных землетрясений, Mw = 6.8–9.1, в изменениях уровня воды в скважине ЮЗ-5, Камчатка. Проблемы комплексного геофизического мониторинга Дальнего Востока России. Труды Шестой научно-технической конференции. Петропавловск-Камчатский. 1–7 октября 2017 г. Обнинск: ФИЦ ЕГС РАН, 2017. С. 276–280.

  16. Копылова Г.Н., Болдина С.В., Смирнов А.А., Чубарова Е.Г. Опыт регистрации вариаций уровня и физико-химических параметров подземных вод в пьезометрических скважинах, вызванных сильными землетрясениями (на примере Камчатки) // Сейсмические приборы. 2016. № 4. С. 43–56. https://doi.org/10.21455/si2016.4-4

  17. Копылова Г.Н., Болдина С.В., Смолина Н.Н., Сизова Е.Г., Касимова В.А. Гидрогеосейсмические вариации уровня воды в пьезометрических скважинах Камчатки (по данным наблюдений 1987–2011 гг.). Сейсмологические и геофизические исследования на Камчатке. К 50-летию детальных сейсмологических наблюдений / Под ред. Е.И. Гордеева, В.Н. Чеброва. Петропавловск-Камчатский: Новая книга. 2012. С. 236–269.

  18. Копылова Г.Н., Иванов В.Ю., Касимова В.А. Разработка элементов информационной системы комплексных геофизических наблюдений на территории Камчатки // Российский журн. наук о Земле. 2009. Т. 11. RE2002. https://doi.org/10.2205/2009ES000329

  19. Копылова Г.Н., Куликов Г.В., Тимофеев В.М. Оценка состояния и перспективы развития гидрогеодеформационного мониторинга сейсмоактивных регионов России // Разведка и охрана недр. 2007. № 11. С. 75–83.

  20. Копылова Г.Н., Стеблов Г.М., Болдина С.В., Сдельникова И.А. О возможности оценок косейсмической деформации по данным уровнемерных наблюдений в скважине // Физика Земли. 2010. № 1. С. 51–61. https://doi.org/10.1134/S1069351310010040

  21. Кочарян Г.Г., Виноградов Е.А., Горбунова Э.М., Марков В.К., Перник Л.М. Гидрогеологический отклик подземных коллекторов на сейсмические колебания // Физика Земли. 2011. № 12. С. 50–62. https://doi.org/10.1134/S1069351311120068

  22. Кочарян Г.Г., Марков В.К., Марков Д.В., Перник Л.М. О механизме вариаций флюидодинамического режима подземных коллекторов под действием слабых возмущений. Физические поля и динамика взаимодействующих геосфер. Сборник научных трудов ИДГ РАН. М.: ГЕОС. 2007. С. 56–65.

  23. Левина В.И., Гусев А.А., Павлов В.М. и др. Кроноцкое землетрясение 5 декабря 1997 г. с Mw = 7.8, I0 = 8 (Камчатка). Землетрясения Северной Евразии в 1997 г. Обнинск: ГС РАН. 2003. С. 251–271.

  24. Ризниченко Ю.В. Размеры очага корового землетрясения и сейсмический момент. Исследования по физике землетрясений. М.: Наука. 1976. С. 9–27.

  25. Besedina A., Vinogradov E., Gorbunova E., Svintsov I. Chilean earthquakes: Aquifer responses at the Russian platform // Pure and Applied Geophysics. 2016. V. 173. P. 1039–1050. https://doi.org/10.1007/s00024-016-1256-5

  26. Bower D., Heaton K. Response of an aquifer near Ottawa to tidal forcing and the Alaskan earthquake of 1964 // Can. J. Earth Sci. 1978. V. 15. P. 331–340.

  27. Brodsky E.E., Roeloffs E., Woodcock D., Gall I., Manga M.A. A Mechanism for sustained groundwater pressure changes induced by distant earthquakes // J. Geophysical Research. 2003. V. 108. P. 2390–2400. https://doi.org/10.1029/2002JB002321

  28. Chelidze T., Melikadze G., Kobzev G., Shengelia I., Jorjiashvili N., Mepharidze E. Hydrodynamic and seismic response to teleseismic waves of strong remote earthquakes in Caucasus// Acta Geophysica, 2019. V. 67. P. 1–16. https://doi.org/10.1007/s11600-018-00241-7

  29. Chia Y., Chiu J.-J., Chiang Y.-H., Lee T.-P., Wu Y.-M., Horng M.-J. Implications of coseismic groundwater level changes observed at multiple-well monitoring stations // Geophys. J. Int. 2008. V. 172. P. 293–301. https://doi.org/10.1111/j.1365-246X.2007.03628.x

  30. Cooper H.H., Bredehoeft J.D., Papadopulos I.S., Bennet R.R. The response of well-aquifer system to seismic waves // J. Geophysical Research. 1965. V. 70. P. 3915–3926.

  31. Gomberg J., Felzer K., Brodsky E. Earthquake Dynamic Triggering and Ground Motion Scaling. Proc. of 4th International Workshop on Statistical Seismology. 9–13 January, 2006. Kanagawa, Japan. P. 45–51.

  32. Kanamori H., Brodsky E.E. The physics of earthquakes // Rep. Prog. Phys. 2004. V. 67. P. 1429–1496.

  33. Kopylova G.N., Boldina S.V., Smirnov A.A., Chubarova E.G. Experience in Registration of Variations Caused by Strong Earthquakes in the Level and Physicochemical Parameters of Ground Waters in the Piezometric Wells: the Case of Kamchatka // Seismic Instruments. 2017. V. 53. №. 4. P. 286–295. https://doi.org/10.3103/S0747923917040065

  34. Matsumoto N., Roeloffs E.A. Hydrological response to earthquakes in the Haibara well, central Japan: II. Possible mechanism inferred from time-varying hydraulic properties // Geophys. J. Int. 2003. V. 155. P. 899–913.

  35. Roeloffs E.A. Persistent water level changes in a well near Parkfield, California, due to local and distant earthquakes // J. Geophysical Research. 1998. V. 103. № B1. P. 869–889.

  36. The Monitoring and Forecasting Department of China Earthquake Administration. Theoretical basis observation techniques of seismic underground fluids. Beijing: Seismology Press, 2007. P. 98–110.

  37. Shalev E., Kurzon I., Doan M.-L., Lyakhovsky V. Water-level oscillations caused by volumetric and deviatoric dynamic strains // Geophys. J. Int. 2016a. V. 204. P. 841–851. https://doi.org/10.1093/gji/ggv483

  38. Shalev E., Kurzon I., Doan M.-L., Lyakhovsky V. Sustained water-level changes caused by damage and compaction induced by teleseismic earthquakes // J. Geophys. Res. Solid Earth. 2016b. V. 121. P. 4943–4954. https://doi.org/10.1002/2016JB013068

  39. Shi Zh., Wang G., Liu C. Co-seismic groundwater level changes induced by the May 12, 2008 Wenchuan earthquake in the near field // Pure Appl. Geophys. 2013. V. 170. P. 1773–1783. https://doi.org/10.1007/s00024-012-0606-1

  40. Shi Zh., Wang G., Manga M., Wang C.-Y. Mechanism of co-seismic water level change following four great earthquakes – insights from co-seismic responses throughout the Chinese mainland. Earth and Planetary Science Letters. 2015. V. 430. P. 66–74. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2015.08.012

  41. Sun X., Liu Y. Changes in groundwater level and temperature induced by distant earthquakes // Geosciences J. 2012. V. 16. №. 3. P. 327–337. https://doi.org/10.1007/s12303-012-0022-7

  42. Sun X., Wang G., Yang X. Coseismic response of water level in Changping well, China, to the Mw 9.0 Tohoku earthquake // J. Hydrology. 2015. V. 531. P. 1028–1039. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2015.11.005

  43. Wakita H. Water wells as possible indicators of tectonic strain // Science. 1975. V. 189. P. 553–555.

  44. Wang C.-Y., Manga M. Earthquakes and Water. Lecture Notes in Earth Sciences 114. Springer, Berlin, 2010. 249 p. https://doi.org/10.1007/978-3-642-00810-8

  45. Wang C., Cheng L.H., Chin C.V., Yu S.B. Coseismic hydrologic response of an alluvial fan to the 1999 Chi–Chi earthquake, Taiwan // Geology. 2001. V. 29(9). P. 831–834.

  46. Weingarten M., Ge S. Insights into water level response to seismic waves: a 24-year high-fidelity record of global seismicity at Devils Hole // Geophys. Res. Lett., 2014. V. 41. P. 75–80.

  47. Zhang Sh., Shi Zh., Wang G., Zhang Zh. Quantitative Assessment of the Mechanisms of Earthquake-Induced Groundwater-Level Change in the MP Well, Three Gorges Area // Pure Appl. Geophys. 2018. V. 175 (7). P. 2475–2484. https://doi.org/10.1007/s00024-017-1643-6

Дополнительные материалы отсутствуют.