Геохимия, 2022, T. 67, № 10, стр. 921-941

ВВЕДЕНИЕ

Многолетний интерес к изучению аномальных изменений ионно-солевого, изотопного и газового состава подземных вод перед землетрясениями (далее гидрогеохимические предвестники или ГГХП) обусловлен возрастанием опасности сильных сейсмических событий для населения и инфраструктуры урбанизированных территорий. Прогнозирование землетрясений рассматривается как один из способов уменьшения негативных последствий таких событий, поэтому детальным мониторинговым исследованиям предвестников землетрясений в изменениях полей Земли отводится особая роль в оценках места и времени будущих сейсмических событий (Jordan et al., 2011). Перспективы решения задачи надежного прогнозирования землетрясений связываются с использованием больших массивов данных наземных и космических наблюдений для диагностики сигналов в изменениях коррелированности различных природных процессов, предшествующих крупным землетрясениям (Martinelli et al., 2020a). Вместе с тем, такой подход может реализовываться лишь в совокупности с изучением механизмов образования и пространственно-временных закономерностей проявления различных видов предвестников в зависимости от параметров последующих землетрясений, их магнитуд и удаленности от районов наблюдений.

Гидрогеохимические предвестники или ГГХП относятся к классу геохимических предвестников землетрясений, объединяющих совокупность изменений химического состава вод и газов атмосферы, поверхностных и подземных вод в процессе подготовки землетрясений (Thomas, 1988; Cicerone еt al., 2009; Wang, Manga, 2010, 2021). Генетическая связь ГГХП с изменениями физико-химического состояния подземных вод, их давлением, температурой и водопроницаемыми свойствами водовмещающих пород в процессе подготовки землетрясений также обуславливает их принадлежность к гидрогеологическим предвестникам землетрясений (Барсуков и др., 1979; Киссин и др., 1982).

Обобщение данных о ГГХП, полученных в различных районах Мира при проведении наблюдений за ионным и, в отдельных случаях, изотопным и газовым составом подземных вод из самоизливающихся скважин и каптированных источников, дает возможность оценить характерные времена проявления ГГХП перед землетрясениями и их связи с параметрами сейсмических событий – величинами магнитуды, эпицентрального расстояния и воздействием в районах проявления ГГХП. Не менее важной задачей является построение адекватных моделей формирования ГГХП в системах наблюдательная скважина – водовмещающая порода для дальнейшего развития исследований аномальных изменений химического состава подземной воды при подготовке землетрясений.

МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ГГХП

Основу рассматриваемых в обзоре материалов о ГГХП составляют опубликованные данные регулярных наблюдений на скважинах (каптированных источниках), включающих отбор проб воды и газа для определения в них в лабораторных условиях параметров ионного состава воды и газа в подземных водах с температурой 10−94°С и минерализацией 0.24–12 г/л (табл. 1). Продолжительность таких наблюдений составляла не менее первых лет при периодичности отбора проб воды и газа от 3 сут до двух недель. Лишь при таких условиях проведения наблюдений могут выделяться эффекты землетрясений, соответствующие ГГХП перед землетрясениями, как проявление процессов их подготовки, и постсейсмические изменения, вызванные динамическим воздействием сейсмических волн на водоносные системы наблюдательных скважин и источников (Копылова, 2006). С использованием указанных критериев для 9 скважин и одного источника (всего для 10 режимных водопроявлений), расположенных в сейсмоактивных районах полуострова Камчатка, Японии, Республики Узбекистан и Исландии, были рассмотрены данные наблюдений за ионным составом подземных вод и составом газов, в изменениях которых проявлялись ГГХП перед землетрясениями.

При проведении долговременных наблюдений, ориентированных на поиск ГГХП, желательно, чтобы режим наблюдательных скважин был естественным, т.е. не нарушенным эксплуатацией и другими техногенными возмущениями режима подземных вод, гидравлически связанных со скважиной. Такие условия соблюдались в 1986–1998 гг. для трех скважин полуострова Камчатка, в которых ГГХП проявлялись неоднократно. Из публикаций о ГГХП в других регионах следует, что вода из большинства скважин, одновременно с проведением наблюдений, использовалась для водо- и теплоснабжения или в бальнеологии (табл. 1). В таких случаях для выделения ГГХП авторами применялись различные методы одномерного и многомерного статистического анализа временных рядов гидрогеохимических параметров (Копылова и др., 1994; Копылова, Таранова, 2013; Юсупов и др., 2014; Хаткевич, Рябинин, 2004; Biagi et al., 2000, 2000a, 2000b, 2001; Kingsly et al., 2001; Skelton et al., 2019). В настоящей работе в качестве ГГХП рассматриваются визуально выделяемые перед землетрясениями аномалии в изменениях временных рядов гидрогеохимических параметров с учетом имеющейся информации о природных и техногенных воздействиях на режим наблюдательных скважин. Аномалии во временных рядах гидрогеохимических параметров, выделяемые статистическими методами, привлекались как полезное подтверждение наличия предвестников перед отдельными землетрясениями.

Данные о землетрясениях, которым предшествовали ГГХП в рассматриваемых скважинах (табл. 1), авторами цитируемых публикаций изначально брались из различных источников, в основном из региональных каталогов землетрясений. Это создавало сложности при сравнении энергетических и других параметров землетрясений из различных регионов.

В настоящей работе при характеристике землетрясений, которым предшествовали ГГХП, используются их параметры по данным мирового каталога USGS [https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/search] с расширением набора параметров за счет включения данных о механизмах очагов (по мировому каталогу GlobalСMT [https://www. globalcmt.org/]), величин максимальных линейных размеров очагов землетрясений по (Ризниченко, 1976) и параметров воздействия землетрясений в районах наблюдательных скважин: интенсивности сотрясений по шкале MSK-64 (Медведев и др., 1965), удельной плотности сейсмической энергии e (Wang, 2007) и объемной косейсмической деформации водовмещающих пород (Okada, 1985; Копылова и др., 2010).

Данные об 11-ти землетрясениях, перед которыми проявлялись ГГХП, представлены в табл. 2. Это были наиболее сильные землетрясения за периоды проведения наблюдений (табл. 1). В качестве параметров землетрясений приводятся величины моментных магнитуд М_w, сейсмического момента M₀, параметры подвижки в очаге и величины максимальных линейных размеров очагов L, км, рассчитанные по формуле lg L = 0.440M_w − 1.289 (Ризниченко, 1976).

Для землетрясений района полуострова Камчатка приводятся данные о времени в очаге и величине магнитуды M_w по каталогу USGS [https:// earthquake.usgs.gov/earthquakes/search]; определения координат и глубин гипоцентров даны по Региональному каталогу землетрясений Камчатки и Командорских о-вов КФ ФИЦ ЕГС РАН (Чебров и др., 2013) [http://sdis.emsd.ru/info/ earthquakes/ catalogue.php], полученному на уникальной научной установке “Сейсмоинфразвуковой комплекс мониторинга арктической криолитозоны и комплекс непрерывного сейсмического мониторинга Российской Федерации, сопредельных территорий и мира” [https://ckp-rf.ru/usu/ 507436/, http:// www.gsras.ru/unu/]. Для землетрясений Узбекистана, Японии и Исландии использовались данные USGS.

В табл. 3 приведены параметры, характеризующие воздействие землетрясений из (табл. 2) в районах наблюдательных скважин, а также даны оценки продолжительности (Т₁) и заблаговременности (Т₂) проявления ГГХП перед землетрясениями. Величина Т₁ показывает максимальную продолжительность аномального изменения гидрогеохимических параметров для отдельной скважины. Величина Т₂ соответствует времени от начала гидрогеохимической аномалии до землетрясения. Размерность Т₁ и Т₂ – месяцы.

Для характеристики воздействия землетрясений в районах скважин (табл. 3), использовались величины эпицентрального расстояния землетрясений до скважин (d_e, км), нормированные на максимальный линейный размер очага L (d_e/L); величины удельной плотности сейсмической энергии e, Дж/м³, рассчитанные по формуле lg d_e = 0.48M_w − 0.33lg e(d_e) − 1.4 (Wang, 2007; Wang, Manga, 2010); максимальные скорости сейсмических волн V, см/с по (Копылова, Болдина, 2020); величины косейсмической объемной деформации водовмещающих пород в районах скважин D, 10^–9 по (Okada, 1985; Копылова и др., 2010) и интенсивность сотрясений I по шкале MSK-64 (Медведев и др., 1965) по данным макросейсмического каталога КФ ФИЦ ЕГС РАН для камчатских землетрясений [http://sdis.emsd.ru/info/ earthquakes/catalogue.php]. Для землетрясений Узбекистана, Японии и Исландии величины I рассчитывались по формуле (Шебалин, 1968): I_MSK-64 = bM_w – vlg($d_{{\text{e}}}^{2}$ + H²)^1/2 + c, где H − глубина очага, км; b = 1.5, v = 3.5, c = 3.0.

Характеристика данных о ГГХП. Использовались следующие материалы:

– временные ряды данных о ионном составе подземных вод в скважинах ГК-1, М-1 и Г-1 и составе свободного газа из скважины ГК-1 на территории Петропавловск-Камчатского полигона, полуостров Камчатка, полученные Камчатским филиалом Федерального исследовательского центра “Единая геофизическая служба РАН” (КФ ФИЦ ЕГС РАН) в 1986−1998 гг. и выделенные в их изменениях аномалии перед шестью землетрясениями с M_w = 6.5−7.8 (Копылова и др., 1994; Копылова, Болдина, 2019; Копылова и др., 2020; Хаткевич, Рябинин, 2004; Kopylova, Boldina, 2020, 2021);

– временные ряды данных наблюдений за составом подземных вод и газов источника Озодбаш и трех скважин на территории Ташкентского полигона, Республика Узбекистан (табл. 1), полученные Сейсмологическим центром Министерства чрезвычайных ситуаций Республики Узбекистан в 2010−2013 гг. и выделенные в их изменениях аномалии перед землетрясением 24 мая 2013 г. с M_w = 5.3 (Юсупов и др., 2014; Копылова и др., 2019, 2020);

– опубликованные данные о гидрогеохимических предвестниках перед землетрясением 1995 г. в районе г. Кобе, Япония (М_w = 6.9) в скважине ROK (Tsunogai, Wakita, 1995) и в скважинах HU01 и HA01 на севере Исландии перед тремя землетрясениями 2002, 2012 и 2013 гг. с М_w = 5.8, 5.5 и 5.3 (Skelton et al., 2014, 2019; Wästeby et al., 2014).

СВЯЗЬ ГГХП С ПАРАМЕТРАМИ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ

Представленные в табл. 1−3 данные о гидрогеохимических предвестниках в отдельных наблюдательных скважинах и унифицированный набор параметров последующих землетрясений позволяют рассмотреть связь проявлений ГГХП с величинами магнитуд M_w, эпицентральных расстояний землетрясений до скважин d_e с учетом интенсивности сейсмического воздействия по величине удельной плотности сейсмической энергии е в районах наблюдений. Соответствующая диаграмма представлена на рис. 1.

При построении диаграммы (рис. 1) использовались примеры подобных диаграмм из работ (Wang, 2007; Wang, Manga, 2010), с помощью которых авторами анализировались явления разжижения водонасыщенных осадочных пород, ко- и постсейсмические процессы в поверхностных и подземных водах при воздействии сейсмических волн, излучаемых из очага землетрясения. Было показано, что величина e может использоваться в качестве метрической характеристики возникновения некоторых постсейсмических флюидодинамических процессов. В частности, разжижение осадочных отложений, инициация нестационарной фильтрации подземных вод и проявления устойчивых (“sustained”) смещений уровня воды в скважинах в результате землетрясений контролируются определенными диапазонами величин e.

На рис. 1 проводится сопоставление проявлений гидрогеохимических предвестников в четырех сейсмоактивных регионах с параметрами последующих землетрясений M_w и d_e и их воздействием в районах наблюдений по величине e. Такой способ представления связи между ГГХП и параметрами землетрясений позволяет давать оценки величин магнитуды и удаленности ожидаемого землетрясения по данным о гидрогеохимическом предвестнике, а также интенсивности ожидаемого землетрясения в районах наблюдения гидрогеохимических аномалий. Ранее аналогичные по построению диаграммы приводились в работах (Kopylova, Boldina, 2020, 2021) для оценки связи гидрогеодинамических и гидрогеохимических предвестников землетрясений по данным наблюдений в скважинах на территории полуострова Камчатка. Диаграмма на рис. 1 представлена впервые для совокупности данных о ГГХП в четырех регионах с учетом особенностей их проявления в отдельных наблюдательных скважинах.

В работах (Tsunogai, Wakita, 1995; Wang, 2007; Wang, Manga, 2010, 2021 и др.) при оценке области проявления различных видов предвестников и постсейсмических эффектов используются понятия ближней (near), промежуточной (intermediate) и дальней (far) зоны очагов землетрясений. В работе (Копылова и др., 2020) эти понятия были конкретизированы и было принято, что расстояние (в км), отсчитываемое от эпицентра землетрясения и равное одному максимальному линейному размеру его очага (1L) ограничивает ближнюю область очага землетрясения, а расстояние 1L < d_e < (5−10)L ограничивает промежуточную область очага землетрясения. Соответственно, районы, расположенные на эпицентральных расстояниях d_e > 10L, находятся в дальней зоне очага землетрясения. Такое определение ближней, промежуточной и дальней зоны очагов землетрясений находится в соответствии с их качественными оценками (зона очага, несколько длин очага и более нескольких длин очага), данными в цитируемых работах. На рис. 1 показаны размеры областей, соответствующих одному (1L) и пяти (5L) линейным размерам очагов землетрясений, в зависимости от величины магнитуды землетрясения по (Ризниченко, 1976). По данным о ГГХП, приведенным в табл. 3 и на рис. 1, их проявления приурочены к ближней и средней зонам очагов землетрясений для которых величина d_e/L = 0.4−8.1.

КОНЦЕПТУАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ НАБЛЮДЕННЫХ ГГХП

Результаты анализа гидрогеохимических предвестников в четырех сейсмоактивных районах демонстрируют их связь с наиболее сильными землетрясениями (рис. 1), а также индивидуальные особенности проявлений ГГХП в отдельных скважинах. Последнее обстоятельство обуславливает необходимость создания моделей формирования гидрогеохимических предвестников для каждой наблюдательной скважины, в которой они проявлялись. Разработка таких моделей, названных концептуальными моделями формирования наблюденных ГГХП, включает представление о ведущем механизме образования гидрогеохимического предвестника в водоносной системе и стволе наблюдательной скважины и описание процесса его формирования с использованием данных наблюдений (Kopylova, Boldina, 2019, 2020, 2021).

В работе (Thomas, 1988) были рассмотрены пять гипотетических механизмов образования геохимических аномалий, возникающих при подготовке землетрясений. С привлечением данных лабораторных экспериментов и полевых наблюдений, автор пришел к заключению, что модель смешивания вод различного химического состава в подземных водоносных системах, гидравлически связанных со скважиной, является наиболее универсальной для объяснения гидрогеохимических аномалий в составе подземных вод. Авторы публикаций, в которых описываются ГГХП, также отводят этому процессу первостепенную роль. В частности, в работе (Skelton et al., 2019) с использованием геохимических методов, были обоснованы источники смешивания вод различного состава при образовании ГГХП в воде из скважин HU01 и HA01 (табл. 1). В качестве таких источников рассматриваются метеорные воды, морские воды и изменение состава смешанных вод при взаимодействии с новообразованными (свежими) поверхностями в горных породах в результате микротрещинообразования на стадиях подготовки землетрясений.

Ниже рассматриваются примеры построения моделей, зарегистрированных ГГХП в скважинах М-1 и ГК-1 (табл. 1), которые функционировали в 1987−1998 гг. в условиях естественного самоизлива, и в которых однотипные ГГХП были зарегистрированы неоднократно (Копылова и др., 2020; Kopylova, Boldina, 2020) (табл. 3).

Механизм и условия образования ГГХП. Образование аномалий химического состава воды и газа из скважин перед землетрясениями (табл. 2, 3) происходят в результате изменения условий смешивания вод разного состава в водоносной системе, питающей скважину. Причинами этого могут быть изменения гидродинамических условий в водоносной системе или изменения трещинно-поровой емкости водовмещающих пород при развитии в них микротрещиноватости, а также возникновение других факторов, изменяющих физико-химическое взаимодействие подземных вод, газов и водовмещающих пород.

При создании модели гидрогеохимических аномалий, развивающихся в реальном времени, необходимо учитывать локальные геолого-гидрогеологические условия и технические особенности наблюдений (Kopylova, Boldina, 2019, 2021). Для каждой скважины необходимо оценить объем воды в ее стволе (V, м³) и время его разгрузки при свободном самоизливе (T = 0.001V/Q, с, здесь Q − дебит, дм³/с). Объем воды в стволе скважины обычно составляет от единиц до десятков м³, расход воды – от n × 0.01 до n × 0.1 дм³/с, здесь n = 1, 2…9. Таким образом, время полного водообмена в стволе скважины T может составлять от нескольких часов до первых лет. Величину T необходимо учитывать при оценке длительности развития гидрогеохимической аномалии в водоносной системе скважины, поскольку такая длительность может быть равной или превышающей величину T.

Для скважин М-1 и ГК-1 величины V = 7.3 и 16.2 м³ и Т = 1.0−1.6 ч и 1.9 сут соответственно (Копылова, Болдина, 2012), и для них при построении модели гидрогеохимического предвестника, развивающегося в течение суток–десятков суток, временем полного водообмена в стволе скважины можно пренебречь. В то же время для скважин с временем полного водообмена Т, равного первым годам, построение модели ГГХП за счет смешивания вод контрастного состава в водоносной системе является более сложным вопросом.

При создании модели аномальных изменений концентраций ионов в составе воды необходимо учитывать интервал отбора проб (Δt), относительную погрешность химического анализа отдельных компонентов состава воды − (Δ_i) и погрешность химического анализа состава воды в отобранных пробах (O).

Пусть x_i − аналитически определенная концентрация i-го компонента состава воды, мг/л; Δ_i − относительная погрешность определения x_i, %. В этом случае концентрация компонента X_i может принимать множество значений в диапазоне

Вода в пробах из скважин представляет собой слабоминерализованный раствор, состоящий из воды и положительно и отрицательно заряженных ионов (катионов K⁺ и анионов A^–). Когда концентрации A^– и K⁺ выражены в ммоль/л, условие электрической нейтральности раствора выражается как

Формула (2) обычно служит критерием правильности определения ионного состава воды в отобранных пробах. Погрешность химического анализа ионного состава воды определяется соотношением O = |ΣK⁺ – ΣA^–|/|(ΣK⁺ + ΣA⁻)| × 100%. Химический анализ считается правильным и может быть использован по назначению при O ≤ ≤ 5−10% в зависимости от минерализации и сложности химического состава воды (Лаптев, Соколов, 1962).

Математическая модель. Гидродинамический анализ смешивания двух вод разного состава в зоне повышенной проницаемости (проводимости) в водовмещающих породах для фоновых и возмущенных условий впервые был рассмотрен в работе (Wang et al., 2004), в которой разработанный подход был применен для объяснения постсейсмического понижения электропроводности воды из скважины KAT в Грузии. В работе (Копылова, Воропаев, 2006), предложенная в работе (Wang et al., 2004) математическая модель была адаптирована для анализа постсейсмических повышений концентрации хлорид-иона в воде Пиначевского источника на полуострове Камчатка. В указанных публикациях было показано, что в возмущенных условиях изменение величины индикаторного показателя химического состава воды (ИП), в частности, электропроводности или концентрации хлорид-иона в смешанной воде из скважины или источника, можно описать зависимостью:

где δσ(t) – изменение величины ИП во времени (для ионов – концентрация, мг/л); ±δσ₀ – амплитуда изменения ИП во время развития аномалии, “+” − при увеличении ИП, “положительная аномалия”, “–” − при уменьшении ИП, “отрицательная аномалия”; t₀ – продолжительность релаксации импульса давления в водоносной системе, сут; τ₀ – продолжительность течения смешанной воды в водоносной системе и в стволе скважины, сут.

Параметры t₀ и τ₀ характеризуют нарушенное гидродинамическое состояние водоносной системы, гидравлически связанной со скважиной, как при подготовке землетрясения, так и на постсейсмической стадии после динамического воздействия сейсмических волн. При этом величины t₀ и τ₀ могут принимать разные значения на пред- и постсейсмической стадиях.

При проявлении гидрогеохимической аномалии в изменениях нескольких показателей ионного состава воды из скважины величины δσ₀ для каждого аниона и катиона оцениваются по данным наблюдений. Величины t₀ и τ₀ определяются подбором при минимальном расхождении между расчетными и наблюденными значениями для всех ИП, например, для всех анионов и катионов в случае проявления аномалий в изменениях их концентраций перед землетрясением или после воздействия сейсмических волн.

Ниже с использованием изложенного подхода и формулы (3) рассматриваются концептуальные модели образования аномалий ионного состава воды из скважин М-1 (рис. 2) и ГК-1 (рис. 3) в период землетрясения 2 марта 1992 г., М_w = 6.9 (табл. 2, 3). Данные о локальных гидрогеологических условиях и химическом составе воды из этих скважин приводятся в табл. 1 и более подробно в работах (Копылова, Болдина, 2012; Kopylova, Boldina, 2021).

Скважина М-1 глубиной 600 м вскрывает трещинно-жильные подземные воды в туфах миоценового возраста в интервалах 310−313, 407−410 и 553−556 м (табл. 1). Водовмещающие породы характеризуются повсеместной пропилитизацией и трещиноватостью.

Гидрогеохимическая аномалия перед землетрясением 2 марта 1992 г. (табл. 2, 3) проявилась в увеличении минерализации на 30% и в изменении гидрогеохимического типа воды из скважины за счет увеличения концентрации сульфат-иона и уменьшения концентрации гидрокарбонат-иона (рис. 2). Химический состав воды из скважины соответствовал формулам M_0.19(SO₄78 HCO₃20)/(Ca56 Na44) − в фоновых условиях, т.е. до проявления предвестниковой аномалии; M_0.25(SO₄87 HCO₃11)/(Ca55 Na45) – на экстремальной стадии предвестниковой аномалии; концентрации анионов и катионов выражены в % ммоль/л, M_0.19 − минерализация воды, г/л. Ошибки химического анализа отдельных проб воды составляли O = 1–6%. Относительные ошибки определения концентраций отдельных ионов Δ_i = 2–10% (Хаткевич, Рябинин, 2004).

На рис. 2а представлены изменения концентраций четырех главных ионов в составе воды и результаты расчета по (3) с учетом относительных ошибок химического анализа каждого иона в отдельных пробах по (1). Удовлетворительное соответствие между расчетными и наблюденными данными по четырем ИП было получено для значений t₀ = 20 сут и τ₀ = 50 сут.

Как видно на рис. 2б, имеется некоторое расхождение между расчетными и наблюденными величинами концентраций четырех ионов в течение первых десятков суток после землетрясения. Причиной такого эффекта является наложение воздействия сейсмических сотрясений интенсивностью I_MSK-64 = 5−6 баллов при землетрясении 2 марта 1992 г. (табл. 3) на развитие гидрогеохимической аномалии, вызванной подготовкой землетрясения. Сейсмические сотрясения вызвали относительное увеличение концентрации ${\text{HCO}}_{3}^{ - }$ и уменьшение концентраций ${\text{SO}}_{4}^{{2 - }},$ Ca²⁺ и Na⁺ (рис. 2а), по сравнению с развитием предвестникового эффекта в их изменениях. Это показывает, что эволюция ионного состава воды в скважине М-1 на постсейсмической стадии была противоположной, по сравнению с предвестниковым эффектом.

Скважина ГК-1 вскрывает минерализованные воды в диапазоне глубин 400–1261 м в слаботрещиноватых плиоценовых андези-базальтовых туфах и позднемеловых алевролитах и сланцах (табл. 1). Химический состав воды из скважины соответствовал формуле M₁₀Cl98/(Na68 Ca27).

На стадии подготовки землетрясения аномалия проявлялась в понижении концентрации Cl^– на 180 мг/л (рис. 3а) или на 3% по отношению к фоновой концентрации. После землетрясения, концентрация Cl^– повышалась.

В изменениях концентраций Na⁺ и Ca²⁺ эффект подготовки землетрясения был выражен слабо и это не позволяло использовать в расчетах данные по катионам. Поэтому расчет ГГХП по (3) проводился только по изменениям концентрации Cl^–, отдельно для предвестникового и постсейсмического эффектов (рис. 3а). В случае скважины ГК-1 слабое изменение концентраций катионов Na⁺ и Ca²⁺ на стадии подготовки землетрясения понижает достоверность результатов расчетов величин t₀ и τ₀ для этой скважины по сравнению со скважиной М-1.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ И ВЫВОДЫ

О связи ГГХП с параметрами землетрясений. При введенных выше ограничениях по методу получения данных о ГГХП (периодичность наблюдений, определение комплекса параметров состава воды) в научной литературе обнаружено весьма немного примеров проявлений ГГХП в изменениях ионного и газового состава подземных вод. Если рассматривать работу (Thomas, 1988) в качестве первого обобщения мировых сведений о геохимических предвестниках, то в течение последующих примерно тридцати лет сохраняется ситуация с недостаточным фактологическим обеспечением исследований гидрогеохимических предвестников, их связи с параметрами землетрясений и использованием для сейсмического прогнозирования. Опубликованные в последнее время работы по Китаю, Корее и Италии (https://www.mdpi. com/ journal/water/special_issues/earthquakes_groundwater) не проясняют вопрос значимости гидрогеохимических предвестников для прогнозирования землетрясений, т. к. посвящены, в основном, описаниям сейсмических, гидрогеологических и гидрогеохимических условий в районах тектонических разломов и намерениям проводить режимные гидрогеохимические наблюдения в таких районах в целях поиска предвестников землетрясений.

Рассмотренные примеры проявления ГГХП из четырех сейсмоактивных регионов с использованием уточненных и унифицированных данных о параметрах землетрясений показали, что такие предвестники проявлялись в течение времени от менее одного до девяти месяцев перед землетрясениями с M_w = 5.3–7.8 на эпицентральных расстояниях d_e = 20–300 км (табл. 2, 3, рис. 1). Такие землетрясения были наиболее сильными сейсмическими событиями и сопровождались сотрясениями интенсивностью от 4 до 8 баллов по шкале MSK-64. В районах проявления ГГХП плотность сейсмической энергии при последующих землетрясениях изменялась в пределах пяти порядков e  = 0.003–66 Дж/м³, расчетные величины максимальной скорости сейсмических волн составляли V = 1–75 cм/с, объемная косейсмическая деформация водовмещающих пород – (0.2–137) × 10^–9 (табл. 3). Гидрогеохимические предвестники проявлялись в скважинах, расположенных в ближней и промежуточных зонах очагов землетрясений, для которых отношение эпицентрального расстояния к максимальному линейному размеру очага d_e/L = 0.4−8.1 (табл. 3, рис. 1)

Представленные данные могут использоваться в сейсмопрогностических целях при проявлениях гидрогеохимических предвестников, а также в исследованиях поведения природных гидрогеологических и гидрогеохимических систем при подготовке и реализации землетрясений, а также других полей Земли, связанных с изменениями в водонасыщенной среде сейсмоактивных регионов.

О практическом применении концептуальных моделей ГГХП. По развитию наблюденной аномалии в изменениях концентраций ионов в воде из скважины и с использованием формулы (3) могут оцениваться параметры возмущенного гидродинамического состояния водоносной системы, питающей скважину, на стадии подготовки землетрясения: t₀ – время релаксации импульса давления подземных вод и τ₀ – время движения смешанной воды аномального состава в водовмещающих породах и в стволе скважины. Морфология (форма) и продолжительность развития ГГХП в изменениях состава воды из наблюдательной скважины определяются соотношением параметров t₀ и τ₀. С использованием совокупности данных режимных наблюдений, данных о строении скважин, локальных гидрогеологических и гидрогеохимических условиях и формулы (3) были построены модели предвестников и постсейсмических эффектов землетрясения 2 марта 1992 г. для скважин М-1 (рис. 2) и ГК-1 (рис. 3). Было обнаружено, что параметры t₀ и τ₀ могут значительно отличаться для различных скважин даже при подготовке одного и того же землетрясения.

Продемонстрированные модели зарегистрированных ГГХП на примере двух скважин (рис. 2, 3), также как и ранее созданные модели постсейсмических эффектов в изменениях электропроводности (Wang et al., 2004) и концентрации хлорид-иона (Копылова, Воропаев, 2006) в подземной воде, показывают широкие возможности механизма смешивания вод с контрастным химическим составом и математической модели (3) для объяснения гидрогеохимических предвестников и других эффектов сейсмичности в изменениях состава подземной воды из скважин и источников.

Рассмотрим изменения во времени индикаторного показателя (ИП) по (3) для различных величин t₀ и τ₀ (рис. 5). По вертикальной оси показаны величины ИП в долях максимальной амплитуды аномалии |δσ₀|, взятой за единицу. Из приведенных графиков следует, что при малых значениях t₀, τ₀ (рис. 5а) и относительно большой периодичности наблюдений Δt гидрогеохимический предвестник зарегистрирован не будет или представление о его форме будет искажено. Например, гидрогеохимическая аномалия в скважине М-1 (рис. 2а) по морфологическим признакам ранее классифицировалась как “импульсная” (Копылова и др., 1994) или “скачкообразная” (Рябинин, Хаткевич, 2009). Причиной неверных суждений была относительно “большая” периодичность наблюдений Δt = 3 сут, которая не позволяла корректно оценить форму аномалии по временным рядам данных. В то же время, такая периодичность наблюдений оказалась достаточной для оценки нормальной “бухтообразной” формы предвестниковой и постсейсмической аномалий в изменениях хлорид-иона в воде скважины ГК-1 (рис. 3a), а также постсейсмических аномалий в изменениях хлорид-иона в воде Пиначевского источника (Копылова, Воропаев, 2006).

Соотношение между амплитудой аномалии δσ₀ и ошибкой химического анализа Δ_i также необходимо учитывать при выделении гидрогеохимических предвестников в изменениях отдельного компонента ионного состава воды.

Если

где σ₁ – аналитически определенная концентрация иона в фоновых условиях, σ₂ – экстремальная (максимальная или минимальная) его концентрация на стадии аномалии, то выделение такой аномалии является невозможным.

В случае

гидрогеохимическая аномалия может быть идентифицирована во временном ряду при достаточной периодичности наблюдений Δt.

Предположим, что периодичность наблюдений составляет Δt = 3–10 сут и условие (5) выполняется при величине |δσ| ≥ 0.7. В этом случае большая часть аномалий на рис. 5а, 5б не будет зарегистрирована или будет проявляться во временных рядах в виде отдельных всплесков значений. И только при величинах параметров t₀ и τ₀, соответствующих рис. 5в, аномалии в изменениях концентраций ионов могут быть адекватно выделены во временных рядах при периодичности наблюдений Δt = 3–10 сут.

Приведенные выше оценки развития ГГХП (рис. 5) в зависимости от параметров времени возмущенного гидродинамического состояния водоносной системы (t₀, τ₀) с наличием источников контрастных по химическому составу подземных вод, а также разнообразие гидрогеологических обстановок формирования ГГХП и технических условий проведения наблюдений, показывают необходимость совершенствования методологии исследований, направленных на регистрацию и изучение гидрогеохимических эффектов сейсмичности в подземных водах. Для этого необходимо внедрять автоматизированные системы наблюдений на скважинах и источниках для прецизионной регистрации концентраций отдельных компонентов химического состава воды и газа, а также интегральных показателей химического состава воды, таких как соленость и электропроводность, с частотой не менее одного измерения в час.

Отметим очевидные трудности экспериментальной и теоретической проверки гипотетических предположений о механизмах образования гидрогеохимических предвестников из-за недостаточного обеспечения полного комплекса данных о физико-химических параметрах подземных вод при проведении режимных наблюдений. Для построения адекватных моделей необходимо учитывать данные по всем компонентам ионного состава воды, состава газов, pH, температуре и гидродинамическим параметрам для оценки влияния вариаций давления и разгрузки подземных вод на изменения гидрогеохимических показателей под влиянием землетрясений. В условиях неполноты набора физико-химических параметров подземных вод будет иметь место неопределенность в поведении гидрогеохимической системы во время подготовки землетрясения. Не менее значимую роль в изучении гидрогеохимических предвестников имеют условия проведения наблюдений. В случае скважин с нарушенным (техногенным) режимом функционирования могут возникать неопределенности в разделении вариаций гидрогеохимических параметров, связанных с эксплуатацией подземных вод, и вариаций, вызванных процессом подготовки землетрясения.

Гидрогеохимические предвестники землетрясения 2 марта 1992 г., М_w = 6.9 в изменениях химического состава воды и газа в скважинах М-1 и ГК-1 являются одним из наиболее изученных и достоверных примеров их проявления. Они описаны во множестве работ (Копылова и др., 1994; Хаткевич и др., 1994, 2004; Bella et al., 1998; Biagi et al., 2000, 2000a, 2000b, 2001; Kingsley et al., 2001; Kopylova, Boldina, 2020, 2021). Землетрясение 2 марта 1992 г. было одним из наиболее сильных сейсмических событий в районе Петропавловск-Камчатского полигона по своему воздействию в районах наблюдательных скважин М-1 и ГК-1 (табл. 3).

На примере скважины М-1 (рис. 2), с использованием данных наблюдений, продемонстрирована возможность построения концептуальной модели зарегистрированного гидрогеохимического предвестника этого землетрясения. В данном случае, предвестниковая аномалия объясняется изменением в смешивании двух вод с различным химическим составом, содержащихся в крупных взаимосвязанных трещинах и в относительно слабопроницаемых блоках водовмещающих пород (рис. 4). Благодаря выполненной оценке химических составов смешивающихся вод (табл. 4), было обнаружено, что при подготовке землетрясения в смешанной воде из скважины примерно в течение одного месяца происходило увеличение доли воды сульфатного состава с повышенной минерализацией из слабопроницаемых блоков и понижение доли воды сульфатно-гидрокарбонатного состава с пониженной минерализаций из системы трещин. Наиболее вероятным механизмом такого процесса является улучшение гидравлической связи системы трещин со слабопроницаемыми блоками за счет развития микротрещиноватости в плотных неогеновых туфах, слагающих “блоки”. Альтернативным механизмом изменения условий смешивания двух вод может быть неравномерное (локализованное) распределение вариаций флюидного давления в “трещинах” и “блоках” на стадии подготовки землетрясения и соответствующее перераспределение расходов взаимодействующих потоков подземных вод в сторону увеличения поступления в ствол скважины воды из “блоков”. В этом случае соотношение между смешивающимися водами также может нарушаться, и будет происходить изменение химического состава изливающейся воды.

В случае скважины М-1 предвестниковая аномалия отчетливо проявлялась в изменениях всех четырех макрокомпонентов ионного состава воды (рис. 2). Именно это обстоятельство позволило оценить составы смешивающихся вод в водоносной системе скважины. Создание концептуальной модели зарегистрированного ГГХП в данном случае оказалось возможным из-за благоприятного сочетания между периодичностью наблюдений Δt = 3 сут и продолжительностью гидрогеохимической аномалии в изменениях временных рядов концентраций главных анионов и катионов (примерно 26 суток, 8 измерений).

Воздействие сейсмических волн при землетрясении 2 марта 1992 г. сопровождалось сотрясениями земной поверхности интенсивностью I_MSK-64 = 5−6 баллов в районе скважины и динамическими вариациями давления подземных вод. В результате произошло увеличение поступления слабоминерализованной воды из трещин в ствол скважины, который является зоной пониженного давления из-за постоянной разгрузки трещинно-жильных вод. К сожалению, при периодичности наблюдений Δt = 3 сут, расчет параметров постсейсмического эффекта в изменении ионного состава воды из скважины М-1 не представляется возможными. Попытки расчета кратковременных предвестниковых эффектов в ионном составе воды из этой скважины до землетрясений 1987−1996 гг. с M_w = 6.5−7.5 (табл. 3) также не увенчались успехом из-за очевидного технического недостатка системы наблюдения – слишком большой периодичности наблюдений в трое суток. Вместе с тем, общий характер предвестниковых аномалий во всех пяти случаях их проявления в скважине М-1 был одинаковым – увеличение концентраций сульфат-иона, натрия и кальция и уменьшение концентрации гидрокарбонат-иона. Это позволяет утверждать, что на стадиях подготовки всех пяти землетрясений в скважине М-1 проявлялся единый механизм инициации гидрогеохимического предвестника за счет увеличения притока сульфатных вод с повышенной минерализацией из слабопроницаемых блоков в трещинную систему.

В скважине ГК-1 при подготовке землетрясения 2 марта 1992 г. наблюдалось уменьшение концентрации хлорид-иона в течение девяти месяцев. В результате воздействия сейсмических волн произошло повышение концентрации хлорид-иона (рис. 3).

Концентрация хлорид-иона в составе воды составляет более 50% от ее общей минерализации, поэтому можно полагать, что перед землетрясением 2 марта 1992 г., также, как и перед другими сильными землетрясениями (табл. 3), вблизи ствола скважины на глубинах ниже 400 м происходило разбавление минерализованных хлоридных натриево-кальциевых вод относительно низкоминерализованными водами с пониженной концентрацией хлорид-иона (Хаткевич, Рябинин, 2004; Копылова и др., 2018). Кроме этого, в течение двух месяцев перед землетрясением 2 марта 1992 г. проявилась аномалия в составе свободного газа из скважины ГК-1 в увеличении доли газов воздушного происхождения и в уменьшении доли “глубинных” газов − метана, гелия и углекислого газа (Копылова и др., 1994, 2020; Kopylova, Boldina, 2020). Характер аномалии в составе свободного газа и совокупность данных по вариациям хлорид-иона в воде из скважины позволяют предполагать, что на стадии подготовки землетрясения происходил рост проницаемости приповерхностной толщи горных пород и увеличение в воде из скважины доли низкоминерализованных преимущественно гидрокарбонатных вод из приповерхностных водоносных горизонтов. Динамическая деформация водовмещающих пород и возмущение гидродинамического режима при воздействии сейсмических волн сопровождалось увеличением доли глубинной минерализованной воды хлоридного состава в воде из скважины ГК-1.

Сопоставление времени развития гидрогеохимических предвестников землетрясения 2 марта 1992 г. в скважинах М-1 (рис. 2) и ГК-1 (рис. 3) по величинам t₀ и τ₀ показывает их существенное различие и указывает на очевидные особенности процессов формирования гидрогеохимических предвестников в двух скважинах. Это также является важным аргументом для разработки концептуальных моделей ГГХП для отдельных наблюдательных скважин.

Работа выполнена по проекту РФФИ № 20-15-50082_Экспансия.