Геоэкология. Инженерная геология, гидрогеология, геокриология, 2020, № 6, стр. 32-40

ВВЕДЕНИЕ

Изучение вариаций содержания газообразных компонент в подземных водах занимает особое место в комплексе гидрогеосейсмологических методов прогноза землетрясений. По литературным источникам известно, что подземные воды являются индикатором многих процессов, происходящих на глубине [15–17]. Особенно они реагируют на изменения напряжений в горных породах, связанных с подготовкой землетрясений [12, 14].

Актуальность исследования заключается в определении компонентного, газового и изотопного составов подземных вод в Ташкентском геодинамическом полигоне, что может способствовать прогнозированию возможной сейсмической активности территории.

При подготовке землетрясений горные породы претерпевают значительные упругие деформации. Распространяясь в окружающую среду эти деформации, в свою очередь, влияют на ход физико-химических и гидрoгeодинамических процессов, выражающихся в колебаниях уровня, дебита, химического, газового и изотопного состава подземных вод [3, 8].

Изотопный и газовый состав подземных вод как предвестника предстоящего сильного землетрясения исследовали А.Н. Султанходжаев, А.А. Султанходжаев, И.Г. Чернов, Т.И. Исамухамедова, Ш.С. Юсупов и др. [3, 9, 10, 13].

Цель настоящей работы – изучение характера вариаций изотопного и газового составов в подземных водах в период подготовки землетрясения и после его свершения. Объектом исследований выбраны подземные воды Приташкентского артезианского бассейна, приуроченного к одному из сейсмоактивных районов Центральной Азии, в котором возможность возникновения землетрясений довольно высока.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

Методика исследований заключается в анализе зарубежных и отечественных исследований в области гидрогеологии и собственных наблюдений авторов на Ташкентском геодинамическом полигоне в период подготовки и свершения ряда землетрясений. Гидрогеологические исследования термоминеральных вод в Приташкентского региона начались задолго до Ташкентского землетрясения 1966 г. Систематические гидрогеосейсмологические наблюдения ведутся с 1972 г. по настоящее время [1, 14]. Район исследования представлен на рис. 1.

Рис. 1.

Карта-схема г. Ташкент с эпицентрами Ташкентского и Назарбекского землетрясений.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ

Основные газовые компоненты, находившиеся под режимным наблюдением: углекислый газ, гелий и водород. Обусловлено это, в первую очередь, их высокой миграционной способностью из земных недр и реакционной способностью с окружающей средой, что позволяет использовать их вариации в качестве среднесрочных и краткосрочных предвестников землетрясений. Это положение поддерживается накопленным к 1980 г. разными водопунктами фактическим материалом по изучению вариаций концентраций газовых параметров во времени, а также наблюдениями за вариациями стабильных изотопов подземных вод (³Не/⁴Не, ¹³С/¹²С в СO₂, ⁴⁰Ar/³⁶Ar, D/H и δ¹⁸O воды и др.).

Несомненно, что особое внимание в проводимых исследованиях должно уделяться пониманию явлений, происходящих в системе “газ–вода–порода”, поскольку соотношение между временем подготовки землетрясения и скоростью поступления химических компонентов из породы в поровый раствор определяет, в конечном счете, гидрогеохимическую аномалию.

В настоящей работе приведены данные о вариации изотопного состава углерода δ¹³С и содержания СО₂, концентрации гелия, молекулярного водорода и изотопного состава воды (δD и δ¹⁸О) скважины Улугбек в Ташкентском геодинамическом полигоне в период подготовки и свершения Назарбекского землетрясения 1980 г. (М = 5.3) и Чаткал в период подготовки и свершения Туябугузского (25.05.2013, М = 5.5) и Маржанбулакского (26.06.2013, М = 6.2, L = 230–240 км от Ташкента) землетрясений (рис. 2, 3).

Рис. 2.

Вариации изотопного состава углерода δ¹³С и содержания СО₂, концентрации гелия, молекулярного водорода и изотопного состава δD и δ¹⁸О воды скв. 7 (Улугбек) в Ташкентском геодинамическом полигоне в период подготовки и свершения Назарбекского землетрясения 1980 г.

Рис. 3.

Изменение гидрогеохимических параметров подземных вод скв. Чаткал во время подготовки и свершения Туябугузского (25.05.2013, М = 5.5, R = 50 км) и Маржанбулакского (26.05.2013, М = 6.2, R = 200 км) землетрясений.

Необходимо отметить, что на протяжении длительного времени перед свершением землетрясений как в 1980 г., так и в 2013 г. газовые компоненты находились на одном и том же уровне. Только в период подготовки землетрясения, примерно за два месяца до наступления события, наблюдались аномалии концентраций гелия и углекислого газа в подземных водах выше фоновых значений.

Как видно из рис. 2, все геохимические и изотопные параметры, приведенные на нем, варьируют в период подготовки указанного землетрясения. Необходимо отметить, что наряду с аномалией концентраций Не, Н₂ и CO₂ на период землетрясений, наблюдается также и аномалия в изотопном составе воды. Причем, если для концентрации CO₂ аномалия представлена в виде двух пиков, то для величины δ¹³С – только одним, по времени проявления совпадающим со вторым пиком CO₂. Первый пик общего содержания углекислого газа, как считают авторы [13], возможно, обусловлен начальными процессами подготовки землетрясения. В этот период колебания значений δ¹³С были не очень велики.

Второй пик СО₂, коррелирующий с максимальными значениями δ¹³С, может быть связан с более интенсивным развитием упругих напряжений и соответствующих деформаций горных пород, с генерацией упругих волн, облегчающих поступление в воду более тяжелой по изотопу ¹³С углекислоты из карбонатов (δ¹³С = –4.9...+5.6‰) [13, 15]. Последнее утверждение было сделано на основе результатов изотопных определений величин δ¹³С как из растворенных CО₂, ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$ (Н₂CО₃), так и CO₂, выделенного из образцов керна водовмещающих пород (рис. 4).

Рис. 4.

Гистограммы распределения значений величины δ¹³С трех состояний: (а) – в подземных водах Ташкентского геодинамического полигона; (б) – карбонатной системы [12, 13].

На рис. 3 отчетливо проявлена аномалия в газовом составе подземных вод скважин санатория “Чаткал” во время подготовки и свершения Туябугузского и Маржанбулакского землетрясений. Сплошной вертикальной линией показаны моменты свершения землетрясений, происшедших непосредственно в Ташкентском геодинамическом полигоне. Наблюдается увеличение концентраций изотопов гелия, водорода, кислорода, углекислого газа непосредственно перед самим землетрясением, а в момент сейсмической активности – резкое снижение содержания данных изотопов.

С позиции изотопной геохимии гелия, основным источником газов осадочного чехла являются слагающие его породы [6, 17]. По литературным источникам известно, что гелий, в основном, концентрируется в зонах разрывных нарушений, в породах высокой радиоактивности и углеводородных скоплениях. К факторам увеличения концентрации гелия относятся: близость источников α-излучений (граниты и продукты их разрушения); неглубокое залегание кристаллического фундамента и наличие домезозойских коренных пород; процесс разложения углеводородов в древних газовых скоплениях [11].

К числу важнейших факторов накопления и сохранности гелия можно причислить и длительность контакта подземных вод с породами, продуцирующими гелий. Освободившись из разрушенных минералов химическим и механическим путем, растворенные в водах гелиевые пузырьки мигрируют по нарушениям в верхние слои литосферы.

Содержание гелия в подземных водах Ташкентского геодинамического полигона варьируется в пределах 0.03–2.7 об. %. Аномальные изменения во всех водопунктах в 6–8 раз выше фонового значения. Основываясь на наших [7] и литературных данных [3–5, 8, 9], можно сказать, что на стадии подготовки основного толчка землетрясений, по мере возрастания упругих напряжений, в породах происходит образование многочисленных микротрещин вокруг наблюдаемых водопунктов. Это в свою очередь приводит к повышению выхода захороненных газов из пор водосодержащих пород. Из вышесказанного следует, что основной источник повышения концентрации гелия в подземных водах – миграция газов из более глубоких слоев литосферы по имеющимся разрывным нарушениям (тектоническим разломам) и в результате процесса трещинообразования водосодержащих пород. Все анализируемые нами водопункты находятся в зоне Каржантауского глубинного разлома Пскемско-Ташкентской сейсмогенной зоны [2].

Изменяется во времени и изотопный состав водорода и кислорода самой воды. Сейсмически спокойный период характеризуется стабильными содержаниями дейтерия и кислорода-18, близкими к фоновым. Досейсмические изменения в воде скв. Улугбек начались примерно за год до реализации события. Наблюдались повышенные значения содержаний этих изотопов (на ~4‰ по дейтерию и ~0.6‰ по δ¹⁸O) относительно среднефоновых величин. Затем произошел медленный синхронный спад их концентраций до минимальных значений, наблюдаемый для δD на протяжении пяти, а для δ¹⁸O – двух месяцев. Облегчение изотопного состава водорода и кислорода относительно фоновых значений составило соответственно 4 и 0.2‰. Момент землетрясения пришелся на стабилизированные к этому времени содержания ¹⁸O и минимальные концентрации дейтерия, восстановление которых происходило еще в течение последующих трех месяцев.

Наряду с аномалиями величин δD и δ¹⁸О на период Назарбекского землетрясения наблюдаются также аномалии в содержаниях водорода, гелия, углекислого газа и его изотопного углерода, растворенного в подземных водах (см. рис. 2). В связи с этим произведена оценка влияния процесса изотопного обмена между этими газами и подземными водами бассейна, которая показала, что даже увеличение концентраций Н₂ и CO₂ до максимальных значений, когда-либо наблюдаемых в подземных водах Приташкентского артезианского бассейна, может изменить содержание дейтерия (увеличить) и кислорода-18 (уменьшить) в этих водах лишь на ~0.002‰, что более чем на порядок меньше точности измерений.

Процесс изотопного обмена в системе “вода–порода–газ”, протекающий в изменившихся термобарических условиях зон подготовки землетрясений, в принципе также может влиять на изотопный состав подземных вод. Температурный коэффициент фракционирования изотопов кислорода при взаимодействии вод с нижнемеловыми отложениями, имеющими наибольший кислородный сдвиг, оценен в ~0.2‰/1°С. Однако поскольку изотопный обмен – процесс долговременный и не сравнимый по времени с температурными вариациями, то можно утверждать, что и в результате его реализации не может быть обусловлено изменение содержания О₂ в течение ограниченного времени наблюдений.

Для возникновения аномалии по водороду в ~5‰ необходимо, чтобы таких вод выделилось примерно в десять раз больше, чем прочносвязанных, что и наблюдается. Наличие аномалий только в скважинах, расположенных в зонах разломов, т.е. в областях, для которых характерны повышенные скорости образования трещин. На основании этого сделано предположение о том, что аномалии величин δD и δ¹⁸О обусловлены процессами, происходящими в системе “вода–порода–газ” не по всему водоносному горизонту, а лишь в локальных его участках. Представление об их локальности подтверждается оценкой баланса радиогенных составляющих инертных газов, проведенной для системы “вода–порода–газ” в условиях Приташкентского артезианского бассейна.

Если относительно природы формирования аномалий изотопного состава воды мы пришли к какому-то заключению, то этого не скажешь о природе формирования аномалий газового состава, в частности молекулярного водорода. Как уже отмечалось выше, при незначительных фоновых содержаниях H₂ наблюдаются отдельные всплески, когда его концентрация возрастала на 1–2 порядка в периоды подготовки и после свершения сильных землетрясений. На момент землетрясений, как правило, концентрации молекулярного водорода имели минимальные значения. Кроме того, с течением времени изменялось и его среднефоновое содержание. Так, например, если в период подготовки Назарбекского землетрясения (см. рис. 2) фоновое содержание Н₂ составляло десятитысячные и тысячные доли процента, а увеличение концентрации водорода до сотых долей процента принималось за аномалию, то после 1983 г. фоновое содержание Н₂ возросло на 2–3 порядка.

Полученные результаты дают нам возможность сделать следующие выводы:

− изотопный состав молекулярного водорода, растворенного в подземных водах Приташкентского артезианского бассейна, характеризуется концентрациями δD, изменяющимися в диапазоне от –200 до –130‰. Возможным источником поступления молекулярного водорода с наблюдаемым изотопным составом в водоносный горизонт может быть химическая реакция между подземными водами нижележащих водоносных горизонтов и свежими сколами пород, образующихся при их растрескивании;

− наблюдаемые вариации газов гелия и водорода в подземных водах – следствие передаваемых упругих напряжений на стадии подготовки основного толчка землетрясений, что приводит к процессам трещинообразования водосодержащих пород и миграции газов из более глубоких слоев литосферы по имеющимся разрывным нарушениям, т.е. тектоническим разломам;

− аномалии концентрации CO₂ и изотопного углерода δ¹³С углекислого газа, растворенного в подземных водах, в период подготовки землетрясения, возможно, связаны с более интенсивным развитием упругих напряжений и соответствующих деформаций горных пород с генерацией упругих волн, облегчающих поступление в воду более тяжелой по изотопу ¹³С углекислоты из карбонатных пород.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

При подготовке землетрясений горные породы в Ташкентском геодинамическом полигоне претерпевают значительные упругие деформации. Распространяясь в окружающую среду, эти деформации влияют на ход физико-химических и гидрoгeодинамических процессов, выражающихся в колебаниях уровня, дебита, химического, газового и изотопного состава подземных вод. Аномалии, возникающие в периоды подготовки землетрясений, как в изотопном, так и в газовом составе подземных вод (Не, Н₂, СО₂), обусловлены процессами взаимодействия в системе “вода–порода–газ” для водовмещающих пород вокруг наблюдательных скважин.