СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА И ПРОГНОЗА ТЕКТОНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ С ВЫБОРОМ МЕСТА И ВРЕМЕНИ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЯ И ВУЛКАНЫ
METHOD FOR AUTOMATIC MONITORING AND FORECASTING OF TECTONIC PROCESSES WITH SELECTION OF PLACE AND TIME OF ACTION ON EARTHQUAKES AND VOLCANOES

Изобретение относится к on-line наблюдениям за развитием тектонических процессов в земной коре, в том числе к способам прогноза землетрясений (ЗТ) и активности вулканов (ВК) с воздействием на них для снижения опасности.
Тектонические процессы являются отражением эволюции Земли. Они обусловлены движением тектонических плит и проявляются как рифты, орогенез, субдукции, ЗТ и вулканизм. Прогноз ЗТ и активности ВК - одна из самых актуальных фундаментальных задач современной геофизики. Половина населения планеты живет под постоянной угрозой ЗТ. На нашей планете от 700 до 1200 действующих ВК, и более половины из них представляют угрозу для 500 млн человек.
Существующие способы предсказания ЗТ дают большую погрешность предсказания места и времени сейсмического события. Известные сегодня предвестники не позволяют наблюдать подготовку ЗТ, т.к. они проявляются только в момент достижения в очаге ЗТ критических значений тектонических напряжений. «К сожалению, не найдено способа измерения напряжений в глубинах Земли. По нашему мнению, решение вопроса о надежной оценке напряженного состояния в очаге будущего землетрясения было бы выдающимся успехом в области физики очага и прогноза землетрясений» (Соболев Г.А. Обоснование Гамбурцевым программы исследований по прогнозу землетрясений. Вест. ОГГГГН РАН, Электрон. Науч.-информ. Журн., №2(4) 98, М. 1998, с.152-157, выделено нами).
Даже самое точное предсказание не отменяет землетрясение! Выданный за несколько дней прогноз вызовет в мегаполисе прежде всего панику. «Правительства многих стран раздраженно реагируют на любые прогнозы, в определенной степени справедливо считая, что предоставив прогноз, ученые перекладывают с себя всю ответственность на правительство». (Халилов Э. Интервью агентству "Kazakhstan Today" 29.01.2010).
Многочисленные эксперименты показали, что воздействия на разрушительные ЗТ даже незначительными но мощности электрическими разрядами, вибрациями или взрывами достигают локальных зон земной коры. В этих зонах напряжения уже достигли величины, при которой в ближайшее время неизбежно должно произойти ЗТ. "Преждевременно встряхивают" эту локальную зону и тем самым способствуют снятию накопившихся напряжений. В настоящее время имеются условия для того, чтобы поставить задачу искусственного управления разрядкой тектонических напряжений и снижения сейсмической опасности на научную основу и приступить к ее решению. Предложено теоретическое обоснование воздействия (Николаев А.В. О возможности искусственной разрядки тектонических напряжений с помощью сейсмических и электрических воздействий // Двойные технологии, 1999, №2. с.6-10), успешно опробованы МГД-генераторы (Савин М.Г. Лечу землетрясения. Услуги платные. Ж. Химия и жизнь. №11), вибраторы и другие средства. Однако отсутствие способа предсказания ЗТ, позволяющего выбрать время и место воздействия на очаг нависшего ЗТ, делает эти средства воздействия не более чем «орудиями без прицела».
Известны способы предсказания ЗТ (например, патент US 5675088 Е21В 49/00, G01V 1/00 1997), реализуемые путем измерения тектонических напряжений в скважинах. При этом измеряют только горизонтальные векторы напряжений и только в скважинах, приуроченных к тектоническим разломам.
Известен способ определения времени, места и магнитуды ЗТ (патент US 7277797 G01V 1/28 2007). Способ отражает лишь вероятностное суждение о месте, времени и силе возможного ЗТ. Он не позволяет наблюдать в реальном времени накопление тектонических напряжений в очаге ЗТ.
Известны наблюдения градиента температур в скважине (фиг.1) для целей прогноза ЗТ (Виляев А.В., Дучков А.Д. Исследование вариаций геотермического поля в связи с прогнозом сейсмической опасности // Геотермия сейсмичных и асейсмичных зон. М., Наука, 1993, с.185-189). Высказано предположение, что изменение градиента температур обусловлено вариациями теплового потока вследствие появления источников или стоков тепла в изучаемом разрезе. Однако не предложена физическая модель вариаций градиента температур, хотя и высказано убеждение, что «эти вариации не связаны с изменением во времени глубинного теплового потока».
Известны наблюдения Амирханова Х.И. и др. в скважине за изменением плотности тепловых потоков в процессе подготовки и завершения Дагестанского ЗТ 14 мая 1970 г. магнитудой 6,6. (Амирханов Х.И., Суетнов В.В., Левкович Р.А. Тепловой режим осадочных толщ Дагестана, Махачкала. Даг. Книжн. Изд. 1972. с.199-201). «Измерения проводились с помощью тепломера на забое скважины, заполненной вязким буровым раствором. Уровень, на котором расположен тепломер, исключает возможность влияния на измерения вариаций, вызванных суточными и годовыми колебаниями температур земной поверхности. По истечении некоторого времени с начала наблюдений была отмечена тенденция к возрастанию величины теплового потока. Монотонный рост теплового потока осложнялся его короткопериодными флуктуациями. С февраля 1968 года по февраль 1969 года тепловой поток возрос в 1,5 раза, а к тому же периоду 1970 года он увеличился в 3,4 раза по сравнению с начальным значением. Достигнув максимума перед ЗТ, тепловой поток резко сократил свою величину во время основных толчков, а через 4 суток он достиг исходного уровня 1968 года» (фиг.2). Этот способ принят в качестве прототипа предлагаемого способа.
Амирханов и авторы полагали, что они наблюдали вариации естественного теплового потока. По данным Крылова С.В. и Дучкова А.Д. (Глубинное деформационно-прочностное районирование земной коры. Геология и геофизика, 1966, т.37, №9, с.56-65) скорость распространения этого потока соизмерима со скоростью протекания геологических процессов и составляет 1 км за миллион лет. Поэтому «естественный тепловой поток земных недр» не может «удвоиться», а также служить «косвенным способом изучения процесса накопления напряжений».
Амирханов и авторы не предложили физическую модель предвестника. Ясный физический смысл и физическая обоснованность связи предвестника с процессом подготовки ЗТ определяют методологию наблюдения, его связь и зависимость от других геофизических проявлений. Без такого наиважнейшего требования к предвестникам, сформулированного (Завьялов Л.Д. Прогноз землетрясений: что нового? Интервью журн. «Наука и жизнь» окт. 2007), можно говорить лишь о наблюдении феномена, но не о предвестнике.
Для измерений использовали тепломер. Датчиком в нем служил твердый раствор полупроводниковых веществ типа сплава Иоффе. Тепловой поток вызывает в нем появление термоЭДС. Измерялось абсолютное значение теплового потока и отмечалась кратность его увеличения. Сложное устройство тепломера требовало периодических настроек и эталонирования, поэтому измерения не были реализованы последние 40 лет.
При прогнозе активности ВК важно предсказать время извержения. Ученые пока не могут точно предугадать, когда именно начнется извержение. Оно зависит от ряда геологических факторов, многие из которых еще не до конца понятны или не поддаются наблюдениям. Система спутникового позиционирования GPS и технология радиолокационной интерферометрии InSAR позволяют определять текущую величину деформации поверхности, что дает информацию о динамике развития вулканического процесса и демонстрирует значительный успех вулканологии. Однако регистрируемые па поверхности деформации наступают уже при значительном уровне напряжений в магматической камере. Поэтому данные GPS и InSAR показывают не первые признаки просыпающегося ВК, а полномасштабный процесс развития вулкана.
Задача изобретения - разработка способа автоматического мониторинга и прогноза тектонических процессов с выбором места и времени воздействия на ЗТ и ВК.
0
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе автоматического мониторинга и прогноза тектонических процессов с выбором места и времени воздействия на ЗТ и ВК задают полигон для мониторинга тектонических процессов, ЗТ или ВК. Бурят скважины, расстояние между которыми зависит от сейсмогеологических условий на полигоне. Скважины обсаживают пластиковыми трубами, затем бурят открытый ствол. Его располагают ниже зоны интенсивного поверхностного водообмена и ниже глубины постоянства сезонных температур, преимущественно в литологически выдержанном на полигоне массиве плотных горных пород. Устанавливают в открытый ствол измерительное устройство и заполняют скважину вязким глинистым раствором, теплопроводность которого доведена до теплопроводности горных пород на интервале измерений. Устройство способно автоматически измерять с задаваемым временным шагом градиенты температур, передавать данные измерений на поверхностный блок и далее в Центр наблюдений. Затем рассчитывают как функцию U(τ) в реальном времени (τ) зависимость параметра U=gradT/gradT как отношение измеряемого градиента температур к его значению в асейсмический для ЗТ или неактивный для ВК периоды. Обрабатывают и прогнозируют известными методами тренд функции. При этом учитывают измеряемое воздействие Луны, Солнца и динамику атмосферного давления. Выносят прогнозируемые значения параметра на непрерывно обновляемые карты полигона и делают заключения о развитии тектонической активности. При наблюдении ЗТ зоны повышенных значений параметра на картах тяготеют к области эпицентра нависшего ЗТ. Максимальные значения параметра свидетельствуют о магнитуде ожидаемого ЗТ. По данным для скважин, близко расположенных к проявляющемуся эпицентру ЗТ на полигоне, непрерывно анализируют динамику первой и второй производных тренда функции и определяют с учетом их максимумов благоприятный момент внешнего искусственного воздействия вблизи проявляющегося эпицентра, которое может быть многократным. При наблюдениях активности ВК для скважины, близко расположенной к проявляющейся зоне повышенных значений параметра на полигоне прогнозируют указанными для ЗТ методами предстоящий момент воздействия. Воздействие запускает извержение ВК без внезапного вулканического взрыва. Отслеживая динамику спада активности ВК после воздействия, прогнозируют время прекращения извержения. С учетом уровня напряжений при воздействии и длительности извержения прогнозируют магнитуду извержения.
Предложенный способ предсказания ЗТ основан на скважинных измерениях, в том числе связанных с реальным ЗТ магнитудой 6,6. Способ достигает своей цели простыми средствами, прямыми и физически обоснованными измерениями, что определяет его высокую эффективность и надежность.
Описание предлагаемого изобретения поясняется чертежами.
Фиг.1. Динамика градиентов температур по [Виляев, Дучков, 1993].
Фиг.2. Динамика теплового потока по способу прототипа.
Фиг.3. Динамика нагрузки и температуры при разрушении образца по [Сальман, 1985].
Фиг.4. Градиенты температур в асейсмический и сейсмический периоды.
Фиг.5. Скважина и устройство для реализации способа.
Фиг.6. Выбор времени воздействия для снижения сейсмической опасности.
Фиг.7. Снижение опасности и контроль ЗТ и ВК.
Исходные представления о физической модели предвестника землетрясений и вулканов основываются на следующих фактах и заключениях.
1. Известен лабораторный эксперимент (Сальман А.Г. Некоторые тепловые эффекты при разрушении горных пород (лабораторный эксперимент). «Геотермические исследования в Средней Азии и в Казахстане», М., Наука, 1985, с.211-213). Подвергали разрушению при линейном росте одноосной нагрузки монолитные образцы мрамора и регистрировали нагрев образца (фиг.3). С ростом нагрузки до 80-90% величины, при которой происходит разрушение образца, увеличение температуры происходит линейно. В этой линейной области при мгновенном снятии нагрузки температура падает до значений, предшествующих началу нагружения образца. При нагрузке, превышающей 80-90% нагрузки разрушения, зависимость температуры от давления становится существенно нелинейной. В момент разрушения образца его нагрев достигает десятых долей градуса. Под нагрузкой в твердых телах возникают внутренние силы, которые характеризуют сопротивление тела деформации. Работа этих сил вызывает нагрев тела. Этот нагрев выше в кристаллических (плотных) горных породах, чем в аморфных.
2. Теоретические модели и экспериментальные наблюдения механики разрушения горных пород показывают, что макро-неустойчивость наступает после перехода реологической диаграммы напряжение-деформация через максимум. После этого катастрофа развивается самопроизвольно без подкачки внешней энергии. Лабораторные эксперименты и наблюдений на больших блоках горных пород говорят о том, что краткосрочные предвестники землетрясений наблюдаются именно на этой стадии деформирования (Соболев Г.А. Обоснование Г.А.Гамбурцевым программы исследований по прогнозу землетрясений. Вестник ОГГГН РАН, электронный научно-информационный журнал, №2(4)98, Москва, 1998, с.152-157).
3. Сравнение графиков Амирханова и Сальмана (фиг.2 и 3) показывает, что они аналогичны по характеру. На графиках сходным образом выделяются линейная и существенно нелинейная области. Для этих зависимостей максимальные значения достигаются в момент разрушения образца или в момент собственно ЗТ, когда наступает предел прочности в очаге ЗТ. Аналогично после завершения процессов показания приходят к исходным значениям регистрируемых величин. Это указывает на подобие отображаемых ими физических процессов.
4. Эксперимент Сальмана согласуется с тем фактом, что в земной коре с глубиной (фиг.4), по мере увеличения вертикального литостатического давления (L), обусловленного весом столба горных пород, растут упругие напряжения в горных породах. По данным (Короновский Н.В. Напряженное состояние земной коры. Соросовский журнал. Науки о Земле. 1997),
<mrow><mi>L</mi><mo>=</mo><mn>27</mn><mo>×</mo><mi>H</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где L в МПа, Н - глубина в км. Это вызывает рост температуры с глубиной (термограмма А). Вертикальный градиент этих температур как раз и отражает естественный, или глубинный тепловой поток. Этот поток является стационарным. С другой стороны, в очаге ЗТ энергия накапливается в виде потенциальной энергии упруго деформированных (сжимаемых, сдвигаемых или растягиваемых) горных пород и возникает поле упругих напряжений. Вектор нестационарной тектонической нагрузки (Т) направлен навстречу литостатической нагрузке. Упругие напряжения в массиве горных пород и вызванные ими температуры от каждой нагрузки суммируются. Появляется наведенная нестационарная составляющая температуры горных пород в зоне измерений (термограмма В).
Появление наведенной нестационарной составляющей температуры можно объяснить также в терминах адиабатического процесса, происходящего без теплообмена с окружающей средой. Условную теплоизолирующую (адиабатную) оболочку создают, в частности, низкая теплопроводность горных пород и отсутствие условий тепломассопереноса, т.е. водоносных горизонтов вблизи интервала измерений. Поэтому повышение напряжения (давления) в такой системе приводит к локальному повышению температуры. Иначе говоря, генерируемое в очаге развивающегося ЗТ поле напряжений индуцирует в окружающем скважину массиве горных пород соответствующее тепловое поле.
0
0
Термограмма А показывает постоянное во времени состояние теплового поля, тогда как термограмма В демонстрирует мгновенное суммарное состояние в период роста тектонической нагрузки (Т). На фигуре 4 показаны градиенты температур gradT и gradT, измеряемые в асейсмический и сейсмический периоды соответственно на интервале глубин ab скважины. Отношение gradT/gradT=U является мерилом текущих значений тектонических напряжений в единицах стационарных, постоянных по величине упругих напряжений. Временная функция U(τ) отражает график нестационарных тектонических напряжений в сейсмический период.
0
Отношение плотностей тепловых потоков в сейсмический (q) и асейсмический (q) периоды пропорционально отношению градиентов температур, если вокруг скважины теплопроводность среды не изменяется. Согласно закону Кирхгофа:
<mrow><msub><mi>q</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><msub><mi>λ</mi><mn>0</mn></msub><mo>×</mo><mi>g</mi><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>d</mi><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mi>λ</mi><mo>×</mo><mi>g</mi><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>d</mi><mi>T</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>q</mi><mo>/</mo><msub><mi>q</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>λ</mi><mo>/</mo><msub><mi>λ</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mo>×</mo><mo stretchy="false">(</mo><mi>g</mi><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>d</mi><mi>T</mi><mo>/</mo><mi>g</mi><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>d</mi><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
0
0
<mrow><mi>q</mi><mo>/</mo><msub><mi>q</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mi>g</mi><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>d</mi><mi>T</mi><mo>/</mo><mi>g</mi><mi>r</mi><mi>a</mi><mi>d</mi><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mi>U</mi><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где λ и λ - теплопроводности среды в сейсмический и асейсмический периоды соответственно. Отношение λ/λ равно или близко к единице, т.к. влияние на теплопроводность давления и температуры близко по величине и разнонаправлено (Яковлев Б.А. Прогнозирование нефтегазоносности недр по данным геотермии. М. Недра. 1996. С.82-84). Тогда:
Таким образом, график на фиг.2 правомерно читать в терминах параметра U.
Изменения упругих тектонических напряжений в очаге ЗТ со скоростью до 7 км/сек, достигают поверхностных слоев Земли и порождают сотни вторичных предвестников ЗТ. Они, как правило, опосредованы и сильно зависят от геологических, атмосферных и других процессов со своей нестационарной и нерегулярной динамикой. Вторичные предвестники, как правило, являются статистическими, а основанный на них прогноз - сугубо вероятностным, при котором достаточно высок процент ошибок.
0
Однако измеряемый в скважинах градиент температур приповерхностного массива горных пород относится к особому - детерминированному - классу вторичных предвестников. Поле упругих напряжений индуцирует своеобразное тепловое поле в массиве горных пород, поддерживаемое без теплообмена полем упругих напряжений. Такие условия создаются как естественно низкой теплопроводностью пород, так и выбором плотной (кристаллической) структуры массива, расположением интервала измерений ниже зоны интенсивного поверхностного водообмена и ниже уровня постоянства сезонных температур. Измерение параметра U в единицах gradT позволяет сравнивать измерения по полигону при некотором различии свойств массива и адиабатной оболочки. Иными словами, поле упругих напряжений как первичный предвестник в совокупности со вторичным детерминированным предвестником в границах квази-закрытой адиабатической системы создают прямой канал почти мгновенной передачи информации об уровне накопленных напряжений на всех стадиях развития очага ЗТ, наблюдаемый путем мониторинга градиента температур в режиме on-line. Такова модель предлагаемого предвестника ЗТ.
5. Замечено, что повышение температуры подпочвенных слоев в результате роста напряжений вызывает инфракрасное излучение, регистрируемое из космоса как тепловые аномалии. В центрах таких аномалий оказывается эпицентр ЗТ (Choudhury et al. Remote sensing observations of pre-earthquake thermal anomalies in Iran. // International Journal of Remote Sensing, Volume 27, Number 20, 20 October 2006, pp.4381-4396 (16). Abstract). Это свидетельствует о принципиальной локальности предвестника. Наблюдения за повышением температуры подпочвенных слоев (Омуралиев М., Каракеев К. Особенности теплового поля подпочвенных слоев и сейсмичность. // Геотермия сейсмичных и асейсмичных зон. М.: Недра. 1993) показали, что перед главными толчками ЗТ максимальное приращение суточных температур больше на близких к эпицентрам станциях, чем на удаленных. Очевидно, что аналогично в эпицентре землетрясения отмечаются и максимальные приращения регистрируемых в скважинах градиентов температур.
Схематично тектонический ВК представляет собой канал, один конец которого соединен с магматической камерой. Извержение ВК сводится к прокачке магмы через канал, для чего необходимо повышение давления в магматической камере. Это вызывает вариации поля нестационарных упругих напряжений, регистрируемых, как показано выше, в виде вариаций параметра U. При этом повышение уровня напряжений сигнализирует об активизации ВК. Если напряжение на полигоне постоянное и не отличается от спокойного поля напряжений вдали от ВК, это указывает на потухший ВК. Постоянно повышенное напряжение указывает на действующий ВК.
Предложенная физическая модель предвестника позволяет обосновать способ автоматического мониторинга для предсказания ЗТ и активности ВК с выбором времени и места воздействия для снижения их опасности и упростить устройство для его реализации. Наблюдения по способу проводят в скважинах на прогностических полигонах.
1. Тектонические полигоны создают для решения задач наук о Земле путем мониторинга напряжений в земной коре. Расстояния между скважинами могут достигать 100 км. Полигоны могут быть трансконтинентальными (например, «Огненное кольцо», опоясывающее Тихий океан) и региональными.
2. Сейсмические полигоны учитывают сейсмогеологические условия - размеры сейсмогенных геоблоков, прогнозируемое местоположение областей сейсмической активизации и др. (V.Ulomov Structural and dynamical regularity of Eurasia intracontinental seis-micity and some aspects of seismic hazard prediction // XXIV General ESC Assembly. 1994 September 19-24. Proceedings and Active Report 1992-1994. Vol.1. Athens. Greece. P.271-281). Расстояния между скважинами определяют исходя из указанных условий, они могут составлять 50-100 км. Полигоны тяготеет к защищаемым объектам, которые могут понести значительный людской и/или материальный ущерб - крупные города, плотины, атомные электростанции, другие важные объекты промышленности и инфраструктуры.
3. Полигоны для наблюдений за ВК разворачивают вокруг ВК, отступив от его основания в область спокойного теплового ноля, не осложненного проявлениями действующего ВК. Как и для сейсмических полигонов, учитывают указанные выше сейсмогеологические условия. Расстояния между скважинами из-за меньших размеров полигонов могут быть до 20 км.
Скважины (фиг.5) при необходимости обсаживают колонной 1 из пластиковых труб, затрубье заливают цементом 2. Ниже забоя бурят открытый ствол 3, в котором устанавливают градиент-термометр. Для предотвращения конвективного выноса тепла из зоны измерений скважину заливают вязким глинистым раствором 4, теплопроводность которого равна теплопроводности горных пород на интервале измерений. Интервал измерений в открытом стволе скважины выбирают ниже зоны интенсивного поверхностного водообмена и ниже глубины влияния изменений сезонных температур или ниже уровня морского дна. Глубина таких скважин может составлять 100 м. Создают минимальные различия условий измерения градиента температур на полигоне, для чего учитывают гидрогеологические и литологические условия при выборе точек бурения каждой скважины. При этом предпочтителен литологически выдержанный на полигоне массив плотных горных пород. Градиент температур измеряют автоматически с задаваемым временным шагом. Его сокращают накануне решения о воздействии на нависшую угрозу. Результаты измерений передают из скважины на поверхностный блок 5 и далее в Центр наблюдений.
В процессе наблюдений on-line рассчитывают в функции реального времени (τ) зависимость параметра U как функцию U(τ). Обрабатывают и прогнозируют известными методами тренд этой функции. При этом учитывают измеряемое воздействие Луны, Солнца и динамику атмосферного давления. Эти воздействия измеряют в асейсмический (неактивный вулканический) периоды в конкретных условиях выбранного полигона и учитывают при расчете прогнозируемого значения параметра для каждого предстоящего временного шага измерений. Прогнозируемые значения параметра выносят на непрерывно обновляемые карты полигона. На них зоны повышенных значений параметра тяготеют к эпицентральной области нависшего ЗТ. При этом максимальные значения параметра свидетельствуют об уровне накопленных напряжений в очаге и, следовательно, о магнитуде ожидаемого ЗТ. Для ближайших к проявляющемуся эпицентру ЗТ скважин непрерывно анализируют динамику первой и второй производных тренда функции и выделяют фазы подготовки ЗТ.
При воздействии на нависшее ЗТ, как это следует из [Николаев, 1999], необходимо сначала выявить подготовленный очаг и только затем правильно выбрать момент воздействия на него. Раннее воздействие на неподготовленный очаг ЗТ не будет эффективным. На фиг.6 схематично представлена реконструкция графика Амирханова, где по шкале времени ведется обратный отсчет в месяцах до момента ЗТ. Максимум первой производной параметра dU/dτ определяет момент выхода в область максимальных напряжений в очаге ЗТ. «Из лабораторных опытов следует, что макроразрыв нагружаемой горной породы наступает с некоторым запаздыванием после достижения предела длительной прочности. Время задержки, по-видимому, зависит от жесткости нагружаемой системы, прочности, степени хрупкости и неоднородности строения горной породы и других мало изученных факторов» (Соболев Г.Л., Кольцов А.В. Крупномасштабное моделирование подготовки предвестников землетрясений. М.: Наука, 1988. 203 с). Из этого следует, что точка на графике U(τ), определяемая максимумом первой производной dU/dτ, является моментом достижения предела длительной прочности. Временной интервал между максимумами второй и первой производными характеризует напряженный очаг, готовый для воздействия. Воздействие в этом интервале обеспечивает необходимое упреждение до наступления макроразрыва нагруженной горной породы. Собственно воздействие может быть многократным. Эффективность воздействие на ЗТ по предложенному способу можно будет наблюдать по резкому спаду значения параметра U на графике U(τ).
Ранее при натурных воздействиях не всегда получали положительный эффект, т.к. эксперименты проводились на очагах, степень подготовки которых к таким воздействиям не была известна. Это напоминало артиллерийскую стрельбу по невидимой мишени орудием без прицела. Предложенный способ воздействия - это и прицел, и указатель цели.
По мнению А.Николаева, потенциально опасный ВК можно «заставить» извергаться раньше, чем он того «захочет» сам. В этом случае его энергия будет выходить постепенно, извержения станут слабыми, а их последствия менее разрушительными (Выключить стихию. Газета РБК daily 13.02.2007). Нами предложен алгоритм реализации этой идеи. Для предсказания активности ВК выносят прогнозируемые значения параметра на непрерывно обновляемые карты полигона. Для скважины, близко расположенной к проявляющейся зоне повышенных значений параметра, прогнозируют указанными выше методами предстоящий момент воздействия. На фиг.7а кривой U(τ) представлен сейсмический процесс, схематично аппроксимированный отрезками АВ, ВС и CD, а на фиг.7б отрезками A'B', B'C', C'D' - предполагаемый вулканический. На фигурах указаны моменты воздействия - точки V и V'. Пунктирной линией на пересечениях с осями времени указаны моменты ЗТ или извержения ВК. Графики АВС и A'B'C' на фигурах схожи, потому что они отражают аналогичные процессы накопления тектонические напряжений. Отрезки CD и C'D' показывают естественную разрядку напряжений.
Разрядка в сейсмическом процессе происходит путем разрушения пород в очаге ЗТ, в вулканическом - за счет разрушения пород в вулканическом канале и последующего излияния лавы. Это дает основание полагать, что методика выбора времени воздействия, предложенная для ЗТ, справедлива и для ВК. Однако в отличие от ЗТ, если остановить извержение ВК пока невозможно, то контролировать вулканический процесс становится реальным уже сегодня. Фиксируют первые признаки активности ВК и наблюдают в реальном времени накопление напряжений в его очаге. Прогнозируют указанными для ЗТ методами предстоящий момент воздействия, запускающий извержение без внезапного вулканического взрыва. После воздействия продолжают измерения и прогнозируют спад активности ВК, который пойдет, например, по отрезку V'M'. Прогнозируют динамику спада и определяют время прекращения извержения. С учетом уровня напряжений при воздействии и длительности извержения прогнозируют магнитуду извержения, пропорциональную площади треугольника V'M'n.
Известно устройство, принятое в качестве прототипа (Кутас Р.И. и др. Непосредственное измерение тепловых потоков из недр земли в скважинах. - Геофиз. Сб. 1977, вып.76, с.79-81) для измерения тепловых потоков в скважине (тепломер). Оно состоит из датчика теплового потока (ДТП) и градиент-термометра. ДТП является телом, для которого известны форма, размеры и теплопроводность (λ). Например, тело цилиндрической формы, торцы которого пронизывает измеряемый тепловой поток. Градиент-термометр измеряет разность температур (gradT) на торцах. Измеряемый тепловой поток (q) определяют по формуле Кирхгофа: q=λ×gradT. Такой тепломер принят в качестве прототипа устройства для реализации предложенного способа.
Показания тепломера зависят от соотношения теплопроводностей окружающих скважину горных пород и ДТП, формы и размеров последнего. В скважине ДТП, теплопроводность которого отлична от теплопроводности пород, нарушает естественное тепловое поле. Сама скважина является в тепловом отношении инородным телом в массиве горных пород и также нарушает естественное распределение теплового поля.
Задача изобретения - разработка устройства для реализации способа автоматического мониторинга и прогноза тектонических процессов с выбором места и времени воздействия на ЗТ и ВК.
Технический результат достигается тем, что ДТП выполнен в форме столба вязкого глинистого раствора, высота которого ограничена интервалом установки пары полых металлических электродов. Теплопроводность раствора близка к теплопроводности массива горных пород вокруг скважины. Электроды соединены между собой и герметичным электронным блоком охранными трубками из материала низкой теплопроводности. Внутри трубок помещены оптоволоконные нити с оптоволоконными датчиками температуры, имеющими хороший тепловой контакт с электродами. Электронный блок содержит стандартные компоненты для измерения градиентов температур оптоволоконными датчиками, узлы управления временным шагом измерений и тестирования аппаратуры. Он также содержит компоненты известной скважинной телеметрии для коммуникации тепломера по каротажному грузонесущему кабелю с поверхностным блоком. Этот блок содержит солнечные батареи, приемно-передающую антенну и другие стандартные компоненты для двусторонней коммуникации с Центром наблюдений.
-6
Устройство имеет предельно простую конструкцию. Оптоволоконные датчики отвечают жестким требованиям долговременных измерений на полигонах. Они стабильные, не требуют калибровок, их порог чувствительности составляет 10°C.
Устройство показано на фиг.5. Оно содержит ДТП 6, представляющий собой вязкий глинистый раствор на интервале измерений, теплопроводность которого доведена до величины теплопроводности горных пород. ДТП устанавливают в открытом стволе 3 скважины, обсаженной пластиковыми трубами 1 и закрепленными цементом 2. Градиент-термометр спускают в скважину на грузонесущем каротажном кабеле 7 и устанавливают в открытом стволе 3. Градиент-термометр состоит из датчиков температур и герметичного электронного блока 8. Оптоволоконные датчики температуры установлены внутри полых металлических тепловых электродов 9 и 10 с обеспечением теплового контакта с ними. Оптоволоконные нити датчиков защищены от мешающего внешнего давления трубками 11 из материала низкой теплопроводности, например из ситалла. Электронный блок 8 содержит известные компоненты для измерения градиентов температур оптоволоконными датчиками (на фиг.5 не показаны блок частотного генератора, лазер, оптический модуль, микропроцессор и др.). Он содержит также узлы управления и тестирования аппаратуры, а также известную скважинную телеметрию (на фиг.5 не показаны) для коммуникации градиент-термометра по каротажному кабелю с поверхностным блоком 5. Поверхностный блок содержит солнечные батареи 12, приемно-передающую антенну 13 и другие стандартные компоненты для автономной работы скважинного устройства и двусторонней коммуникации с Центром наблюдения.
Равенство теплопроводностей ДТП и массива горных пород не нарушает естественное тепловое поле. Собственно массив можно рассматривать как огромный по поперечному сечению датчик теплового потока, ограниченный интервалом установки пары тепловых электродов, а сами электроды как бы имплантированы в массив.
Работа устройства. Градиент-термометр спускают в скважину посредством грузонесущего каротажного кабеля и устанавливают в открытом стволе. Заливают ствол приготовленным вязким глинистым раствором. После достижения теплового равновесия между устройством и окружающим скважину массивом горных пород устройство включают в многолетнюю непрерывную, автоматическую и автономную работу. Измеряемое значение градиента температур кодируется и по каналу телеметрии передается на поверхностный блок, далее в Центр наблюдений, по командам которого управляют устройством.