Some effects of seismic vibration actions in saturated water environments and their comparison with the effects of seismic intensity


Barabanov, V.L.; Grinevskiy, A.O.; Kissin, I.G.; Nikolayev, A.V.

Doklady Akademii Nauk SSSR 297(1): 52-56

1987


Доклады
Академии
наук
СССР
1987.
ТОМ
297,
1
УДК
534.232:556.332.4
ГЕОФИЗИКА,
В.Л.
кАРАНАНОВ.
А.О.
ГРИНЕВСКИА
И.Г.
КИССИН.
А.В.
НИКОЛАЕВ
О
НЕКОТОРЫХ
ЭФФЕКТАХ
ВИБРАЦИОННОГО
СЕЙСМИЧЕСКОГО
ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА
ВОДОНАСЫЩЕННУЮ
СРЕДУ.
СОПОСТАВЛЕНИЕ
ИХ
С
ЭФФЕКТАМИ
УДАЛЕННЫХ
сильных
ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
(Лредставлеио
академиком
М.А.
Садов
ским
14
i'71
1987)
ч
.
Изучались
эффекты,
возникающие
в
системе
скважина
-водоносный
горизонт
под
действием
мощных
вибрационных
источников.
Эксперименты
проведены
на
специально
пробуренной
скважине
полигона
СКБ
сейсмической
техники
а
Гомели
,
ской
области
(с.
Узнож)
и
на
скважине,
расположенной
на
полигоне
Гомельскотй
университета
близ
д.
Ченки.
Скважина
Узнож
диаметром
108
мм
и
глубиной
125
м
вскрывает
напорный
водоносный
горизонт
в
песчаных
отложениях.
Горизонт
имеет
слабую
водопроводимость
(порядка
0,1
м
2
/сут)
.
Уровень
воды
в
скважине
находит
ся
на
глубине
2-З
м.
Скважина
42-1
Ченки
диаметром
127
мм
пробурена
до
глуби.
ны
321
м
и
вскрывает
напорные
воды
в
кавернозных
известняках
оксфордского
яруса.
Глубина
уровня
около
13
м.
Опыты
выполнялись
в
периоды
с
различнылв
j
по
интенсивности
и
знаку
естественными
вариациями
хода
уровня.
Для
наблюдений
за
уровнем
подземных
вод
использовали
прецизионные
дат
чики
уровня
с
порогом
чувствительности
0,2
мм.
11араллельно
вели
запись
атмосфер
ного
давления.
Сейсмические
волны
возбуждались
передвижными
сейсмическимя
вибраторами
СВ
-l0/100
и
СВ
-20/60,
которые
устанавливались
на
разных
расстояниях
от
скважин
-
от
5
до
200
м.
Контроль
за
мощностью
вибровоздействия
и
формой
получаемых
сигналов
осуществлялся
трехкомпонентным
сейсмоприемником
СК•1П
в
ттолосе
частот
5-50
Гц.
Исследования,
проведенные
ка
скважине
Узнож
в
1983--1985
гг.,
показали.
что
вибрационные
воздействия
определенным
образом
влияют
на
положение
н
хо
уровня
подземных
вод.
Это
влияние
проявляется
прежде
всего
в
том,
что
моме
начала
вибровоздействия
непосредственно
рядом
со
скважиной
соответствует
резк
понижение
уровня
(рис.
1)
.
По
окончании
вибрации
уровень
постепенно
восстанав
вался,
образуя
характерную
депрессию
с
более
крутыми
нисходящей
и
восходя
ветвями.
На
рис.
2
приведены
примеры
таких
депрессий.
Замечено,
что
подобное
ведение
уровня
на
скважине
Узнож
наиболее
четко
проявляется
при
частоте
аиб
воздействия
18
Гц.
для
этой
частоты
характерно
также
резкое
увеличение,
по
срав
кию
с
другими
частотами,
собственных
колебаний
уровня
воды
в
скважине.
Бь
выявлены
следующие
особенности
реакции
системы
скважина
-пласт
на
вибрацио
ные
воздействия.
1.
При
работе
вибратора
на
некотором
удалении
от
скважины
наблюдается
паздывание
аномального
понижения
уровня
по
отношению
к
временному
интерв
вибровоздействия.
Так,
в
случае,
когда
вибратор
был
установлен
в
150
м
от
скиа
вы,
эффект
понижения
уровня
зафиксирован
лишь
спустя
70
мал
после
нач
вибрации.
2.
Если
вибровоздействие
происходит
в
пределах
уже
сформированной
цеп
52
Р
а
,гйп
1010
990
10
11
12
Е.
ч
Рык.
1.
Фрагмент
хода
уровня
подземных
вод
аскважывгс
Узнож
28
VIII
1984.
Заштрихова-
ны
интервалы
внбровоздсйствнй
с
частотой
18гп
Рык.
2.
Изменение
уровня
подземных
вод
Н
а
скважине
Узнож
н
атмосферного
давления
Р,.
Вертикальными
линиями
показаны
мо-
менгы
вибровозисйствий.
В
больших
окруж-
носткх
показаны
фрагменты
хода
уровня
в
мишнзбс.
увеличенном
в
3
раза
2,s0
2,55
2,60
zб5
15
!7
19
20
21
22
Абдi
ст
/9ВЧг.
2J
24
25
2/
г
,Т1
схонной
аномалии,
то
эффекта
резкого
понижения
уровня
не
наблюдается.
На
рис.
2
хорошо
видно
различное
поведение
уровня
21
и
22
VIII
1984
г.
при
одинаковом
режиме
вибровоздействий
в
эти
дни.
3.
Внутри
депрессиомны
х
аномалий
четко
выявляются
регулярные
вариации
ирония
с
периодом
22-26
ч,
которые
отсутствовали
до
вибровоздействия.
Эти
коле-
бания
зарегистрированы
по
наблюдениям
1984
и
1985
гг.
Аналогичные
исследования
на
скважине
Ченки,
проведенные
в
1985
г.,
показа-
ли
следующее.
1.
Аля
этой
скважины
также
существует
ряд
"особых"
частот
вибровозцейст-
вий.
при
которых
наблюдаются
повышения
уровни,
по
абсолютной
величине
близкие
понижениям
на
скважине
Узнож.
"Особые"
частоты
находятся
в
интервалах
16-18
н
29-35
Гц.
2.
После
вибровоздействия
в
ходе
уровня
проявляется
аномалия,
которая,
и
отличие
от
скважины
в
Узноже,
имеет
положительный
знак.
На
рис.
3
видно,
что
уровень
воды
повысился
примерно
на
1,5
см
н
сохранялся
в
таком
положении
около
5
сут.
в
течение
которых
велнсь
наблюдения.
3.
Так
же,
как
и
в
Узноже,
наблюдается
запаздывание
аномального
смещения
уровня
при
работе
вибратора
на
некотором
удалении
от
скважины.
При
работе
вибра-
тора
на
расстоянии
86
м
резкое
повышение
уровня
произошло
через
3
мин
после
начана
вибровоздействия,
тогда
как
при
работе
вибратора
непосредственно
рядом
со
скважиной
повышение
уровня
отмечено
сразу
же
после
начала
отдельных
циклов
вхбрашгн.
4.
При
последовательных
вибровоздействинх
так
же,
как
и
на
скважине
Узнож,
наблюдалось
уменьшение
влияния
вибрации
на
ход
уровни
(рис.
4)
.
Проведенные
исследования
позволяют
сделать
заключение
о
некоторых
общих
особенностях
эффектов,
проявлявшихся
при
вибрационных
воздействиях
на
систему
скважина
--водоносный
горизонт.
1.
Вибровоздействие
при
определенных
(избирательных)
частотах
приводит
к
смещению
уровня
подземных
вод.
Для
двух
скважин,
использованных
в
эксперимен-
тах,
эти
смещения
имели
противоположные
знаки
и
примерно
одинаковую
амплиту-
ау
сантиметры
водяного
столба.
2.
После
вибровоздействия
формируется
остаточная
аномалия
уровня,
кото-
рая
сохранялась
в
течение
нескольких
суток.
53
р
й
,гПа
!0/0
!000
990
Н,м
!зц0
!зцг
I
7
В
9
/91
11
1
#1пяь
/ЭВ5'.
/J
1
1
1S
Рис.
3.
Изменение
уровня
подземных
вод
Н
в
скважине
Ченки
и
атмосферного
давлении
Р
г
Стрелкой
показан
интервал
времени,
когда
производились
вибровоздействин.1
-
ахмосфервг
давление,
2
-
зарегистрированный
уровень
подземный
вод,
З
-
уровень
подземных
вод,
скер
,
ректированный
на
атмосферное
давление
3.
Указанные
эффекты
наблюдались
в
разных
гидрогеологических
услов
как
в
гранулярных,
так
и
в
трещиноватых
коллекторах.
для
выяснения
механизма
формирования
гидрогеологических
эффек
при
вибровоздействинх
целесообразно
привлечь
данные
о6
аналогичных
эффек
связанных
с
землетрясениями.
Влиянию
сильных
землетрясений
на
режим
поцзекИ
ных
вод
и
нефтяных
залежей
посвящены
многие
исследования.
Как
правило,
в
рел
ции
системы
скважина
-пласт
на
сильные
землетрясения
прослеживаются
три
фазы
изменений
гидрогеологических
показателей
(уровня
или
цебита
жидкости):
перил
дические
колебания
различной
частоты;
остаточные
изменения
показателя.
нередю1
сопутствующие
периодическим
колебаниям;
относительно
медденное
восстановла~
ние
показателя
до
фоновых
значений.
Эти
изменения
фиксируются
на
очень
больидП
расстояниях
(сотни
и
тысячи
километров)
от
эпицентра.
(Значительные
деформагя
в
плейстосейстовой
области
сильного
землетрясения
могут
вызвать
и
иные
нарувfi
ния
флюидного
режима,
которых
мы
здесь
не
касаемся)
.
Указанные
три
фазы
наблюдаются
и
при
вибрационном
воздействии
на
сист6
му
скважина-гигаст.
Такое
совпадение
телесейсмических
и
вибрационных
гидр;.
геологических
эффектов
представляет
большой
интерес,
ибо
эти
эффекты
обусловлг
ны
различными
по
характеру
и
интенсивности
воздействиями
упругих
волн.
Вибратор
в
наших
экспериментах
действует
на
грунт
периодической
сило1
10
5
Н.
при
этом
амплитуда
смещений
поверхности
земли
на
расстоянии
5-10
м
'
влиты
около
50
мкм,
а
излучаемая
мощность
при
частоте
колебаний
15-30
Ги
сo-
;
ставляет
100-500
Вт.
659
сейсмической
энергии
идет
на
образование
поверхноя.
ной
волны
Рэлея
и
сосредоточена
в
верхнем
10
-20
-метровом
слое,
28
и
7%
содернаг
ся
в
объемных
волнах,
соответственно
поперечной
н
продольной
[1].
Гiри
излучентв
продолжительного
(единицы
секунд
и
более)
гармонического
вибросигиала
в
сред
устанавливается
режим
стационарных
гармонических
колебаний.
Если
вибратор
ро
ботает
вблизи
скважины,
амплитуда
колебаний
у
забоя
на
глубине
120
м
составлив
около
1
мкм,
преобладает
вертикальная
компонента,
связанная
с
продольной
ваз.
ной,
амплитуда
давления
1-10
Па,
плотность
потока
энергии
около
0,1
Вт
.
м
-
'.
11р
установке
вибратора
в
150
м
от
скважины
в
колебаниях
водоносного
слоя
в
обладает
горизонтальная
компонента
поперечной
волны.
54
/7
Р
~~
II111t1I1
111
В
9
/0
11
/2
hi
1
Ч
I5
ч
Ак.4,
Фрагмент
хода
уровня
воды
в
скважине
Ченкн
10
VII
1985.
Вертикальными
линиями
но-
гхаяы
интервалы
вибровоздействий,числа
-
частота
в
герцах.
Воздействие
на
насыщенную
среду
удаленных
сильных
землетрясений
может
быть
оценено
по
соответствующим
параметрам
сейсмических
колебаний.
При
земле-
трясениях
с
магннтуцой
7,5
на
расстоянии
3
тыс.
км
максимальными
амтигитудами
колебаний
(около
500
мкм)
обладают
поверхностные
волны
Лява
и
Рэлея,
макси-
мальные
давления
на
глубине
0,5-1,0
км
связаны
с
первой
продольной
волной
и
со-
ставляют
10
Э
Па,
максимальная
плотность
потока
энергии
первой
продольной
вол-
не)
около
0,1
Вт
м
-2
.
для
землетрясения
с
магнитудой
8,0
эти
значения
составляют
соответственно
1500
мкм,
3
10
з
Па,
1
м
-2
.
Если
периодические
колебании
уровня
подземных
вод
в
скважинах
при
про-
хождении
сейсмических
волн
(первая
фаза)
получили
теоретическое
обоснование
[2
н
др.]
,
то
механизм
остаточного
смещения
н
последующей
релаксации
уровня
по-
ка
не
имеет
удовлетворительного
объяснения.
Остаточные
смешения
уровни
подзем-
ных
вод
при
удаленных
сильных
землетрясениях
прослеживаются
лишь
в
некоторых
наблюдательных
скважинах.
Например,
по
данным
[3]
из
711
скважин
на
территории
США,
в
которых
зафиксированы
эффекты
Аляскинского
землетрясения
27
II1
1964
г.
сМ
=
8,4,
остаточные
смещения
уровня
отмечались
лишь
по
206
скважинам,
причем
в
127
уровень
снижался,
а
в
79
повышался.
Таким
образом,
и
при
телесейсмических,
н
при
вибрационных
воздействиях
смещения
уровня
имеют
различные
знаки,
кото-
рые,
по-видимому,
соответствуют
разутцлотнекию
(дипатански)
либо
сжатию
пород.
Общие
особенности
остаточных
смещений
уровня
воды
в
скважинах
как
при
вибрационных,
так
и
при
телесейсмических
воздействиях,
очевидно,
связаны
с
изме-
нениями
коплекторских
свойств
(пористости
н
проницаемости)
водонасышенных
по-
род
при
прохождении
упругих
волн
и
влиянием
последних
на
процессы
фильтрации.
Неповсеместное
распространение
остаточных
смещений
уровня
подземных
вод
и
разные
знаки
смещений
отражают
свойство
дискретности
геофизической
среды
[4]
н
могут
быть
объяснены,
если
учитывать
характер
напряжений
в
приповерхностных
горизонтах
земной
коры.
Наличие
таких
напряжений
установлено
во
многих
районах,
а
их
величина
и
знак
связаны
с
локальными
неоднородностями
[5]
.
В
соответствии
с
величинами
н
знаками
компонентов
тензора
напряжений
под
действием
упругих
волн
происходит
быстрая
перестройка
структуры
насыщенных
пород,
изменение
их
поро-
во-трещинного
пространства,
а
следовательно,
давлении
(уровня)
подземных
вод.
Длительное
течение
нескольких
суток)
восстановление
уровня
воды
после
про-
хождения
сейсмических
волн
следует
связывать
с
выравниванием
пластового
давле-
ния
как
за
счет
фильтрации,
так
и
вследствие
восстановления
исходной
структуры
геоматернала.
55
Подобный
механизм,
по-видимому,
не
является
единственно
возмож
Однако
он
применим
и
для
вибрационных,
и
для
телесейсмнческих
воздейств
Исходя
из
результатов
вибрационных
экспериментов,
можно
полагать,
что
оста
ные
телесейсмическме
эффекты
не
проявляются
в
тех
случаях,
когда
в
спектре
уп
гих
волн,
проходящих
через
систему
скважина
—пласт,
отсутствуют
"особые"
ча
ты,
соответствующие
параметрам
данной
системы.
Авторы
выражают
признательность
А.С.
шагиняну,
А.Г.
Асан-Джалалову
А.П.
Пннчуку
за
содействие
в
экспериментальных
работах.
Институт
физики
Земли
им.
О.Ю.
Шмидта
Пост
Академии
наук
СССР
21
УЦ
Москва
ЛИТЕРАТУРА
1.
Гущии
В.В.,
докуцаев
В.Л.
и
др.
В
сб.:
Исследование
Земли
невзрывнымн
сей
ческимн
источниками.
М.:
Наука,
1981,
с.
113-117.
2.
Соорет
Н.И.
е
а!.
-
J.
Geop1iys.
К.
1965.
ч01.
70,
Г
1б,
р.
3915-3926.
3.
Vorhis
R.C.
Hydrotogic
effects
оГ
ihe
earthquake
ог
МагсЬ.
1964
outside
А1авка.
Сео1.
Surv.
Prof.
Рарет
544-С,
1967.
4.
Садовский
М.А.,
Болховитинов
.W
Писпреико
В.Ф.
Изв.
АН
СССР.
Физика
Земли,
1982,
12,
с.
3-18.
5.
Арпошков
Е.В.
В
о
Природа
и
методология
огеределеиня
тектонических
напряжений
в
верхней
части
земной
ко
Апатиты.
1982,
с.
10-18.
УДК550.347.642+55120
Г
Е
ОФ
[13
ИК4
Ю.А.
БУРМАКОВ,
Л.П.
ВИННИК,
А.М.
САЙИПБЕКОВА,
А.В.
ТРЕУСОВ
ТРЕХМЕРНАЯ
СКОРОСТНАЯ
МОДЕЛЬ
ТЕКТОНОСФЕРЫ
ТЯНЬ-ШАНЯ
И
ПАМИРА
(Представлено
академиком
В.А.
Мºгнидким
V
1986)
Процесс
горообразования
в
Средней
Азии
трудно
понять
без
расипвфровi1
структуры
литосферы
1i
астеносферы
этого
региона.
Существенную
информацию
о
строении
недр
дает
анализ
аномалий
(невязок)
времени
пробега
Р
-волн
цалекрд
землетрясений,
регистрируемых
местными
сетями
сейсмических
станций.
Ранее
т*
кие
невязки
использовались
для
определения
скоростных
моделей
мантии
6iамир
и
Тянь-Шаня,
при
построении
которых
предполагалось,
что
латеральная
неоцнороo-
ность
мантии
сосредоточена
на
глубинах
до
300
км
и
в
пределах
этого
интервала
н
зависит
от
глубины
[1,
2]
.
Построению
трехмерных
моделей
препятствовало
отсус•
ствие
подходящего
алгоритма
(известный
метод
[3]
трудно
реализовать
на
комссьиг
тере
средних
возможностей)
и
данных
о
невязках
для
землетрясений
западного
гзн•
мутального
сектора
(при
резко
асимметричном
аэимутальиом
распределении
исто
ников
теряется
разрешающая
способность
метода
по
глубине)
.
Теперь
оба
эти
пра
пятствия
преодолены
благодаря
разработке
эффективного
ал
горитма
[4]
и
завериса
нию
измерения
невязок
для
западного
сектора.
Предполагается,
что
аномалию
скорости
S
i
-
можно
представить
как
малуе'
поправку
к
исходной
модели,
в
которой
скорость
распространения
волн
6'
о
зависн7'
только
от
глубины
т.
Последнее
условие
позволяет
представить
5
-величину.
обрат•
ную
к
скорости,
в
виде
З(х,
у,
т)
=
(т)
+
5
1(х
,
у,
т)
,
56