Динамика геосреды и изменчивость параметровсейсмоакустической эмиссии в Кольской сверхглубокой скважине

УДК 551.241

А.К. Троянов, Ю.Г. Астраханцев, Н.И. Начапкин, А.С. Прудиус Институт геофизики УрО РАН, Екатеринбург

ДИНАМИКА ГЕОСРЕДЫ И ИЗМЕНЧИВОСТЬ ПАРАМЕТРОВСЕЙСМОАКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ В КОЛЬСКОЙ СВЕРХГЛУБОКОЙ СКВАЖИНЕ

Изучение вариаций сейсмоакустической эмиссии (САЭ) привело к открытию явления модуляции САЭ длиннопериодными деформационными процессами (Рыкунов и др., 1984). При этом появилась возможность по известным периодичностям деформационных процессов выделять в вариациях САЭ аналогичные периоды и таким образом объяснять их природу. Экспериментальными исследованиями в скважинах было установлено, что в вариациях амплитудного уровня САЭ уверенно выделяются суточные и полусуточные периоды. Характер связи временных вариаций САЭ с земными приливами оценивался следующим образом.

Предположим, существует тесная связь между изменениями в приливных деформационных процессах и соответствующей акустической реакцией геосреды. Введем коэффициент Q, характеризующий отношение амплитуд суточной периодичности к полусуточной в каждом спектре временного интервала L длительностью128 часов для каждого из рассматриваемых процессов. Тогда изменение коэффициентов Q во времени должны происходить одинаково с соблюдением некоторой пропорции.

Результаты наблюдений временных вариаций САЭ в течение 640 часов, полученные на Среднем Урале (пункт наблюдений располагался в 70 км к востоку от Екатеринбурга) указывают на наличие связи между временными вариациями САЭ и приращений силы тяжести. Некоторая непропорциональность акустического отклика геосреды на отдельных временных интервалах зависит от факторов, осложняющих эту связь. К этим факторам можно отнести особенности геологического строения, свойств среды, влияние тектонических сил.

Следует заметить, что при изучении связи между исследуемыми процессами в вариациях приращения силы тяжести под терминами “суточная” и “полусуточная” периодичность подразумеваются группы волн солнечного и лунного прилива без рассмотрения какой-либо их них отдельно взятой волны.

Исследования в скважинах САЭ показали её возможности при расчленении геологического разреза. Было установлено три типа разрезов: с убывающей, возрастающей и сохраняющейся почти постоянной по глубине амплитудой акустических сигналов.

Обнаруженные аномалии САЭ на больших глубинах (свыше 6 км) свидетельствуют о динамике геологической среды в условиях высоких литостатических давлений (рис. 1). Рассмотрим на примере измерений САЭ в Кольской сверхглубокой скважине СГ-3 изменчивость амплитудного уровня регистрируемых горизонтальными датчиками акустических сигналов в диапазоне частот 0.1—0.5 кГц за период с 2000 по 2005 годы. Как видно из

рис. 1, минимальный уровень САЭ изменяется по величине, а ее аномалии изменяются как по величине, так и по глубине, при этом появляются отдельные аномалии САЭ или исчезают обнаруженные ранее. То есть особенности динамики геосреды проявляются в соответствующей изменчивости амплитудного уровня САЭ. Аномалии САЭ можно рассматривать как индикаторы современных динамических процессов, противостоящих консолидации верхней части земной коры. Различие в амплитудном уровне САЭ по стволу скважины служит диагностическим признаком, позволяющим дифференцировать геологический разрез по новому геофизическому параметру - динамической активности среды. Это позволяет классифицировать геологические разрезы на динамически пассивные и активные.

Максимальные амплитуды САЭ, как правило, пространственно совпадают с зонами разломов, дробления и трещиноватости пород по разрезам скважин. Наличие таких аномалий САЭ является отражением динамической расслоенности тектонически нарушенной геологической среды.

Динамически пассивные геологические разрезы могут быть представлены одним типом пород или же переслаиванием пород различного состава. Для таких разрезов характерен низкий амплитудный уровень САЭ и, соответственно, слабая динамическая расслоенность.

Выявленная по скважинным наблюдениям САЭ динамическая расслоенность геологической среды дает новые представления о современной динамике верхней части земной коры.

Обнаруженные аномалии САЭ на больших глубинах свидетельствуют о динамике геологической среды в условиях высоких литостатических давлений. Аномалии САЭ можно рассматривать как индикаторы современных динамических процессов, противостоящих консолидации верхней части земной коры. Различие в амплитудном уровне САЭ по стволу скважины служит диагностическим признаком, позволяющим дифференцировать геологический разрез по новому геофизическому параметру - динамической активности среды. Это позволяет классифицировать геологические разрезы на динамически пассивные и активные.

Максимальные амплитуды САЭ, как правило, пространственно совпадают с зонами разломов, дробления и трещиноватости пород по разрезам скважин. Наличие таких аномалий САЭ является отражением динамической расслоенности тектонически нарушенной геологической среды.

Учитывая, что в вариациях САЭ доминирующими являются суточные и полусуточные периодичности, обусловленные воздействием лунносолнечных деформационных процессов, задача изучения приливного влияния на больших глубинах представляется привлекательной по многим причинам. Во-первых, в связи с открытием явления модуляции высокочастотных сейсмических шумов длиннопериодными деформационными процессами, в

том числе приливными, появилась возможность по известным периодичностям деформационных процессов выделять в вариациях САЭ аналогичные периоды и тем самым объяснять их природу.

Во-вторых, изучение акустического отклика геосреды на воздействие приливных деформационных процессов позволяет оценить физикомеханические свойства горных пород в условиях больших литостатических давлений и их изменения во времени. В-третьих, некоторое формирование лунно-солнечными приливами геодинамических процессов можно использовать для оценки динамической активности различных геологических структур и их возможной динамической расслоенности.

Особенности временных вариаций САЭ отражают характер происходящих в земной коре динамических процессов. Рассмотрим в этой связи модель двух контактирующих блоков, которые находятся под нагрузкой. При изменении действующих сил в зоне контакта будут деформироваться, разрушаться и возникать новые связи. И всё это будет сопровождаться формированием САЭ. Зона контакта, обычно, неоднородна и поэтому САЭ имеет флуктуационный характер. Уровень шума может заметно снизиться, если блоки войдут в прочное зацепление или, наоборот, связи между блоками в области наблюдения разрушены или так ослаблены, что развивается крип. Первый вариант реализуется редко, так как он ведет к значительному накоплению напряжений и к последующему резкому разрушению пород. Второй механизм с ослаблением напряжений в зоне контакта более вероятен в тектонически стабильных областях. Но ослабление на одном участке компенсируется возрастанием напряжений на другом и т.д.

Данный факт свидетельствует о том, что в земной коре наряду с деформационными процессами известной периодичности и природы существуют и другие, характер проявления которых отражается в картине распределения локальных аномалий САЭ.

Таким образом, в земной коре по границам блоков и других геологических структур могут мигрировать медленные волны напряжений, которые, в частности, проявляются в особенностях временного режима САЭ. В целом, САЭ отражает широкий временной спектр действующих в земной коре напряжений и являются чувствительным индикатором динамики земных недр.

В режиме краткосрочного мониторинга длительностью 6.4 минуты были проведены наблюдения в Кольской СГ-3 в 2003 г., охватывающие интервал глубин 300-6 400 м. Цель исследований заключалась в выявлении и изучении периодичностей излучения среды под воздействием деформационных процессов, обусловленных прохождением микросейсмических волн различной физической природы.

Рис. 1 .Изменчивость амплитудного уровня сейсмоакустической эмиссии в Кольской СГ-3

в интервале глубин 300-6840 м (2000-2005 гг.).

I -тектоническая колонка (интервалы нарушенных пород выделены черным цветом). В 2004 г.: а - измерения с шагом записи через 10 м,

ниже - через 40 м„ б, в - первичная и повторная запись САЭ, соответственно, с шагом 20 м.

На рис. 2 приведены графики огибающей сигналов САЭ (а) на глубине 6 400 м в Кольской СГ-3, их амплитудно-частотный спектр (б). Из спектра и данных спектрально-временного анализа (СВАН) следует, что в регистрируемом сигнале присутствуют периодичности, начиная с 3-х до 20 сек.

На рис. 3 уровень сигналов САЭ на глубине 4 100 м несколько ниже (а), на амплитудно-частотном спектре выделяются отдельные группы перидичностей с максимальной амплитудой (б), которые четко выделяются и по данным СВАН.

а б

Рис. 2. Временные вариации огибающей сигналов САЭ

а б

Рис. 3. Временные вариации огибающей сигналов САЭ (а) и их спектр (б).

Кольская СГ-3, глубина 4 100 м

Из приведенных примеров записи САЭ на глубинах 6 400 и 4 100 м можно сделать вывод, что регистрируемые сигналы имеют сложный состав с широким набором периодичностей и состоят из отдельных разделенных по величине периодов групп сигналов. В любом случае наличие периодичностей в вариациях амплитудного уровня САЭ, близких к периодам штормовых микросейсм, открывает новые возможности в изучении особенностей их

распространения в верхней части земной коры и формировании геодинамического состояния среды.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант 05-05-65177.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Рыкунов, Л.Н. Явление модуляции высокочастотных сейсмических шумов Земли / Л.Н. Рыкунов, О.Б. Хаврошкин, В.В. Цыплаков // Открытия в СССР в 1983 г. - М.: ВНИИЦПИ, 1984. - С. 14-18.

© А.К. Троянов, Ю.Г. Астраханцев, Н.И. Начапкин, А.С. Прудиус, 2007