Научные статьи

РОЛЬ СЕЙСМОГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ В РЕШЕНИИ ПРОБЛЕМ ДЕКОЛЬМАТАЦИИ ОКОЛОСКВАЖИННЫХ ЗОН: ПРЕДРАЗРУШЕНИЕ И РАЗРУШЕНИЕ.Ч.1

А.А.Цымбалов

Библиографическая ссылка на данную статью (ГОСТ):Цымбалов А.А. Роль сейсмогидрогеологических эффектов в решении проблем декольматации околоскважинных зон: предразрушение и разрушение.Ч.1. / А.А.Цымбалов // Актуальные проблемы современной сейсмологии: сб. науч. тр. Академии наук РУз , Ин-т сейсм. АН РУз по материалам международной конференции, посвященной 50-летию Института сейсмологии АН РУз (14-16 октября 2016г., г.Ташкент).- Ташкент: OOO «Mukriddin Press», 2016.- С.117-118.


      Работа состоит из двух частей. В первой части, рассматривая землетрясение как процесс нарушения сплошности среды с выделением накопленной энергии, а геофизическую среду как линейно-упругий континуум, усматривается закономерность деформирования среды, ее разрушения от поля сейсмотектонических деформаций. Учитывая самоподобие геофизической среды, использован подход в отожествлении процессов разрушения и последействия сейсмотектонических деформаций на приповерхностные водонасыщенные грунты с целью изучения и практического применения закономерностей в декольматации скважинных водозаборов. Анализируются факты последствий отдельных землетрясений, где выделены сейсмогидрогеологические эффекты, роль которых позволяют выработать новые пути в решении проблемы декольматации водозаборных скважин. На основе многочисленных землетрясений выделены такие наблюдения:
      1. В районе будущих землетрясений происходят процессы накопления напряжений от тектонических и гравитационных сил.
      2.Динамическая неустойчивость приповерхностных грунтов (песчаных, песчано-глинистых, пылеватых, лессовых) приводила к изменению физико-механических свойств грунтов и к их разжижению.
      3.Сила землетрясения на рыхлых песчано-глинистых грунтах увеличивалась на 2-3 балла, по сравнению с эпицентром, расположенным в скальных породах. 

    Подтверждение протекания сейсмогидрогеологических эффектов даны в форме таблицы. Обращает внимание тот факт, что в скважинах Кроноцкого землетрясения на Камчатке (R=310 км) выделены три типа вариаций уровня воды, обусловленные различными механизмами сейсмического воздействия: 

а) процессом подготовки землетрясения; б) статическим изменением напряженного состояния водовмещающих пород при образовании сейсмического разрыва в очаге; в) изменением фильтрационных свойств водовмещающих пород и соответствующими вариациями порового давления при сейсмических сотрясениях.

       Отмечено, что сейсмогидрогеологические эффекты на рыхлых грунтах приповерхностного слоя ведут к их разжижению. Приведены формулы для расчета потенциала разжижения. Выделена роль ученых: Б.Б. Голицына, Я.И. Френкеля, Н.Д. Красникова, В.И. Осипова, Е.А. Вознесенского, М.А.Садовского, Г.А.Мавлянова, В.И. Уломова, А.Н. Султанходжаева и др. Сделан вывод о подтверждении влияния динамики сейсмических волн на активизацию околоскважинных зон с изменением химического состава подземных вод в наблюдаемых событиях. 

     Современное состояние вопроса по влиянию упругих волн и их физического воздействия на геофизическую среду требуют изучения возникающих эффектов и их применения для увеличения добычи флюида из недр или регенерации системы «пласт-скважина» при кольматационных процессах.
Целью работы является: а) выявление и анализ фактов последствий отдельных землетрясений, в котором имелись сейсмогидрогеологические (СГГ) эффекты; б) выработка научного подхода в деструктивных методах декольматации водозаборных скважин на основе поля сейсмотектонических деформаций (СТД) геофизической среды.

      Физика процесса воздействия сейсмических волн на водонасыщенные грунты приповерхностных слоев экспериментально выполнено А.И. Ивановым. При прохождении в грунте низкочастотных сейсмических волн он обнаружил разность электрического потенциала, получившее название сейсмоэлектрического эффекта. Френкель Я.И. эффекту сделал теоретическое объяснение [13]. Гипотеза Я.И. Френкеля подтвердилась экспериментами в ультразвуковом диапазоне на насыщенной водой пористой грунтовой среде научной группой под руководством профессора Э.М.Симкина [12].

        В ходе экспериментов получено:
1. Время установления потенциала фильтрации составила 10-15минут при интенсивности акустического поля (0,01-0,25)Вт/〖см〗^2 в режиме непрерывного излучения с частотой 40 кГц.
2. Диапазон изменения времени потенциала фильтрации зависел от проницаемости среды, формы пор и каналов фильтрации, вязкости жидкости и других ее электрофизических свойств, а также от интенсивности акустического поля.

       На основе научных исследований [8,10,11,14] многочисленных землетрясений, произошедших в разных местах земного шара, имеем следующие наблюдения:
1. В районе будущих землетрясений происходят процессы накопления напряжений от тектонических и гравитационных сил.
2.Динамическая неустойчивость приповерхностных грунтов (песчаных, песчано-глинистых, пылеватых, лессовых) приводила к изменению физико-механических свойств грунтов и к их разжижению.
3.Сила землетрясения на рыхлых песчано-глинистых грунтах увеличивалась на 2-3 балла, по сравнению с эпицентром, расположенным в скальных породах[14]. 

       Подтверждение указанных выше пунктов с протеканием СГГ эффектов находим в работах [8,10,11,14] приведенных в таблице. Откуда следует, что перед землетрясением, т.е. при непосредственном воздействии сейсмических волн имелось: а) изменение физико-химического состава пород и водных источников, б) изменение напряженно-деформированного состояния (сжатие, растяжение) пород с трещинообразованием.

     Известно, что в районе будущих землетрясений происходит процесс накопления напряжений от тектонических и гравитационных сил. Однако они являются не единственными. В 80-х годах прошлого столетия была отмечена созидательная роль в разрушении земной коры слабых колебаний в перемещении горных масс в виде спектра механических микросейсмических колебаний природного и техногенного характера. В работах ученых (Melosh,1987; Кочарян, Родионов, Федоров,1988) объяснен механизм трансформации колебательного движения горных масс в поступательное движение (эффект «акустического разжижения» [11]), приводящее к разжижению водонасыщенных грунтов. Отметим, что излучение колебаний техногенного источника может усилить подобные эффекты на водонасыщенных грунтах.

 

Выводы:

1.Хронология приведенных событий подтверждает влияние динамики сейсмических волн на активизацию околоскважинных зон с изменением химического состава подземных вод.
2.Динамический характер нагрузок сейсмических волн может быть положен в основу метода виброволнового воздействия грунтов.

Литература

1. Цымбалов А.А. Новые возможности метода очистки водозаборных скважин с импульсной активизацией призабойной зоны / А.А.Цымбалов // Озон и другие экологически чистые окислители. Наука и технологии: сб. науч. тр. химического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова по материалам 33-го Всероссийского семинара 25 июня 2014г.-М.: Макспресс,2015.-С.112-122.
2.Цымбалов А. А.О прочностных особенностях кольматанта водозаборных скважин и деструктивных методах воздействия / А.А.Цымбалов //Водоснабжение, водоотведение, экологическая безопасность строительства и городского хозяйства: сб. науч. тр.НПО ВОДГЕО. Вып. 17.-М: Изд-во ДАР/ВОДГЕО, 2015.-С. 110-112.
3.Цымбалов А.А. Регенерация подземных источников при проведении восстановительных работ после чрезвычайных ситуаций / А.А.Цымбалов // Анализ, прогноз и управление природными рисками в современном мире: сб. науч. тр. Рос.акад.наук, Ин-т геоэк.РАН, Всерос.НИИ по проб. ГО и ЧС по материалам 9-ой междун. науч.-практ. конф. «Геориск-2015» в 2-х т., Т.2.; под ред. акад. РАН В.И.Осипова. -М.: РУДН,2015.- С.415-419.
4. Цымбалов А.А. Обоснование декольматации скважин хозяйственно-питьевого назначения: особенности, проблемы и перспективы / А.А. Цымбалов// Современные технологии в охране труда и здоровья населения: сб. науч. тр. Сарат. НИИСГ Роспотребнадзора по материалам межрег. науч.-прак. конф. 16-17 ноября 2012г. Саратов: Издательский центр «Наука», 2013.-С.190-194.
5.Голицын Б.Б. О микросейсмических колебаниях // Известия Императорской Академии Наук.-Т.3.-Серия 6.- С.-Петербург: Типограф. Импер. Акад.наук,1909.-С.59-68.
6.Голицын Б.Б.Избранные труды в 2-х т./Т.1.Сейсмология.-М.:Из-во АН СССР,1960.-460с.
7.Садовский М.А.Проблемы интерпретации временной структуры геофизических полей/ М.А. Садовский, А.А.Лукк, А.Я. Сидорин, И.А.Сидорин.- М.: ИФЗ РАН,1993.-100с.
8. Вознесенский Е.А. Динамическая неустойчивость грунтов. -М.: ЛЕНАНД,2014.-264с.
9. Мячкин В.И. Процессы подготовки землетрясений. - М.: Наука, 1978.-232с.
10. Кисин И.Г. Землетрясения и подземные воды.-М.:Наука,1982.-176с.
11.Качарян Г.Г., Спивак А.А. Динамика деформирования блочных массивов горных пород.-М.:ИКЦ Академкнига,2003.-423с.
12. Кузнецов О.Л. Физические основы вибрационного и акустического воздействия на нефтяные пласты / О.Л. Кузнецов, Э.М.Симкин, Дж. Чилингар.-М.: Мир,2001.-260с.
13.Френкель Я.И. О теории сейсмических и сейсмоэлектрических явлений во влажной почве // Известия АН СССР. Серия «Геофизика».- 1944.-Вып.8.-№4.-С.134.
14.Пучков С.В. Закономерности колебаний грунта при землетрясении.-М.:Наука,1974.-120с.
15. Цымбалов А.А. Обоснование декольматации скважин хозяйственно-питьевого назначения: особенности, проблемы и перспективы/ А.А. Цымбалов// Современные технологии в охране труда и здоровья населения: сб. науч. тр. Сарат. НИИСГ Роспотребнадзора по материалам межрег. науч.-прак. конф. 16-17 ноября 2012г. Саратов: Издательский центр «Наука», 2013.-С.190-194.
16.Копылова Г. Н., Пинегина Т. К., Смолина Н. Н. Сейсмогидрогеологические эффекты сильнейших землетрясений (на примере Камчатского региона). Режим доступа: https:// kcs.dvo.ru.
17.Holzer T.L., Youd T.L., Hanks T.C. Dynamics of liquefaction during the 1987 Superstition Hills, California, earthquake // Science.- 1989.- V. 244.- P. 56-59.
18. Seed H.B. Landslides during earthquakes due to liquefaction // Journal of Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE.-1968.-V.94.-№SM5.-P.1053-1122.
19. Seed H.B., Idriss I.M. Simplified procedure for evaluating soil liquefaction potential // Journal of Soil Mechanics and Foundations, ASCE.-1971.-V.97.-№SM9.-P.1249-1273.