Научно-методологические и экспериментальные основы технологии изучения пассивных сейсмических явлений

Форма научного знания, переработка опыта в логическую систему понятий, в строгую последовательную связь оснований и следствий. единственный практически доступный человеку способ ¦ достигнуть максимума осуществимой достоверности, точности и полноты знания. Это. великий способ проверки и очищения знания, отделения. истины от субъективных мнений, придания. ясности и обозримости. Вне этого. знание, даэюе будучи истинным, не имеет общедоступного критерия истинности,. ему угрожает смешение с субъективной фантастикой ., в лучшем случае, будучи самоочевидным и достоверным для самого объекта интуиции, оно лишено верных, прочных путей для. передачи другим людям, и его усвоение зависит от непроверяемых случайностей. восприятия.

ФРАНК СЛ.,.

1997).

Объект исследования: векторные микросейсмические процессы, причинная обусловленность эмпирических оценок их параметров, пространственно-временные распределения, степень устойчивости, взаимозависимость и эволюция этих оценок в связи с динамикой состава, свойств и структуры геосреды или несущих конструкций встроенного инженерного сооружения.

Актуальность проблемы. Управление государственным фондом недр, реализуемое через изучение глубинного строения и эндогенной активности территории России, разработки рациональной стратегии недропользования и оценки связанных с использованием недр и освоением территорий геологических и экономических рисков, -первый и важнейший аспект деятельности МПР РФ (Положение об МПР РФ, утвержденное Постановлением Правительства РФ № 726 от 25.09.2000 г.). Следовательно, необходима современная и надежная база знаний, корректных представлений о геологической среде, ее естественной и/или вынужденной эволюции.

Работа опирается на сегодня экспериментально доказанный и неоспоримый факт: неоднородная и многофазная геологическая среда — субъект естественных возмущений: статического и геодинамического (волнового). Деятельность людей здесь, разумеется, -только один (и далеко не всегда главный) из возмущающих факторов. Изучение полной динамической реакции среды в форме представительных временных рядов эффективных параметров (например, интенсивности микросейсм и др.) призвано осветить с большой надежностью:

• причины локально ярких возмущений,.

• доминирующие механизмы естественных движений (упругие и/или вязкие),.

• позиции и геометрию очаговых зон и зон, где реакция среды на возмущение аномально интенсивна и потенциально опасна (сайт-эффект — СЭ),.

• структуру и состояние среды, степень их устойчивости,.

• направление и скорость структурной эволюции (процессов текущей деструкции или ре-консолидации). Этот пункт, по крайней мере, на сейсмоопасных территориях, может быть жизненно важным показателем устойчивого развития. И очевидные альтернативные условия последнего: либо плавная, монотонная и легко предсказуемая эволюция некоторых ключевых параметров среды (например, структурной прочности, усталости), либо заблаговременное, но сегодня проблематичное, слабо формализованное и отчасти спорное предсказание места, времени, силы и последствий экстремального события (Соболев Г. А., 1987; Соболев Г. А., 1997).

Возможность приложения средств индустриальной сейсморазведки, широко представленных на рынке геофизических услуг, здесь ограничена и дискутируется. Это связано с наличием и неразрешенностью сегодня следующих весьма важных и острых проблем:

1) концептуально индустриальная сейсморазведка базирована на упругих волновых механизмах, ограниченно пригодных в случаях заметного участия вязкой механики и совершенно неоправданных при доминировании вязких механизмов,.

2) используемые в большинстве случаев приемники с максимальной чувствительностью к вертикальным движениям адаптированы исключительно к линейно поляризованным одноосным колебаниям,.

3) эффективное согласование спектральных и динамических диапазонов собственных (естественных) движений поверхности среды в векторной форме и приемных аппаратных трактов отсутствует,.

4) оценки интенсивности (кинетической энергии), как правило, сложно поляризованного волнового движения поверхности, ненадежны и часто в различной степени ошибочно занижены, t<).

5) мощные зондирующие импульсы «активной» сейсморазведки способны изменять исходную структуру геосреды и, особенно, ВЧР (по крайней мере, вблизи источника), ее проницаемость и гидрогеологический режим, а также прочность встроенных инженерных сооружений и конструкций, то есть необратимо модифицирует среду как объект исследования (Адушкин В.В. и Спивак А. А., 1993),.

6) стандартными программно-алгоритмическими средствами для анализа, обработки и интерпретации инструментальных данных не предусмотрены упруго-вязкие и, тем более, вязкие механизмы движения, не учтены поляризация микросейсм, динамика поляризационных возмущений, дисперсионные характеристики и т. п.

Формализация качественных характеристик и требований к направленной модификации концепций, программно-аппаратных и методических средств изучения собственных динамических свойств геосреды и встроенных инженерных сооружений особенно актуальна для освоенных городских территорий, территорий промышленных зон и заповедников, где сбор данных стандартными средствами попросту невозможен или серьезно ограничен.

Технология изучения пассивных сейсмических явлений удовлетворяет названные требования и с конца 80-х годов независимо развивается автором с сотрудниками вслед за японскими исследованиями как подход, использующий:

• трехкомпонентные (ЗС) высокочувствительные (на 2−3 порядка превосходящие индустриальный стандарт) измерения микросейсмического ускорения идентичными широкополосными (от 0,1 до 300 Гц) каналами с полным динамическим диапазоном близким к 100 дб,.

• продолжительные (до 60С), статистически представительные, синхронизированные временные ряды одноточечных измерений в рамках однократного скрининга территории и/или прерывистого мониторинга (многократный скрининг в идентичных климатических, сезонных условиях).

Благодаря продолжительным ЗС измерениям в каждой позиции технология изучения пассивных сейсмических явлений позволяет точно установить:

— интенсивность микросейсмического вектора в заданном временном интервале, диапазон и характер текущих изменений этого параметра;

— интервалы внутри временных рядов с преимущественно линейно поляризованным или с преимущественно плоско поляризованным движением, чтобы различить случаи доминирования объемных волн глубинного генезиса или поверхностных волн;

— один из трех потенциально возможных механизмов реакции среды на возмущение: упругий, переходный вязкоупругий или вязкий, характерный для данной позиции и даты (для механизма первого типа деформация — функция интенсивности возмущения, для механизма третьего типа деформация — функция скорости роста интенсивности возмущения, механизм второго типа — сочетание механизмов первого и третьего типов);

— пространственное распределение двух устойчивых видов диспергирующих сред: нормального (когда временные ряды интенсивности микросейсмического движения и доминирующей частоты спектральной реакции контркоррелированы) и аномального (когда имеет место слабая коррелированность временных рядов двух названных параметров или их корреляция отсутствует).

При развитии отечественной версии технологии изучения пассивных сейсмических явлений удалось отказаться от широко применяемой «событийной концепции», когда оценки вырабатываются в связи с реакцией на определенное заметное событие: землетрясение или взрыв. Этот отказ носил сначала гипотетический характер и основывался только на обнаруженном непрерывном характере фоновых микросейсм. Однако, теперь весь многолетний опыт пассивной сейсморазведки, коллекции ЗС данных, собранные на геологически разнообразных объектах (различные и обширные территории Русской платформы, Воронежского кристаллического массива и Балтийского щита, ЮВ Карпат и ЮВ Предкарпатья), эффективная параметризация и результаты анализа поддерживают нижеследующий тезис.

Безсобытийные" оценки высокоэффективны и статистически устойчивы в условиях реально действующих случайных (многочисленных, относительно слабых и потому порознь нераспознаваемых) возмущений среды всегда и везде. Этот тезис, первоначально защищавшийся только японскими исследователями (Kanai К., 1954), позволяет все более успешно доказывать и эксплуатировать имеющиеся связи между спектрально-корреляционными параметрами ЗС временных рядов микросейсм с одной стороны и структурой и эволюцией геологической формации вблизи позиции измерения — с другой.

Цель работы. Через обобщение российского и зарубежного опыта пассивных подходов к изучению внутренней структуры геологических формаций, их динамических свойств, направления и характера эволюции;

— через определение потенциально наиболее эффективных направлений и параметров для приложений ЗС микросейсмических измерений;

— через разработку технических требований, конструкторской документации и действующих опытно-промышленных образцов нового поколения инструментовчерез разработку научно-методических основ комплексных (геофизических и геохимических) синхронизированных инструментальных наблюдений и их взаимной увязки;

— через сбор данных, формирование и анализ коллекций наблюдений (скрининг и прерывистый мониторинг) на геологически разнообразных объектах;

— через статистическую верификацию и сопоставление с данными стандартных геофизических и геохимических подходов разработать научно-методические и экспериментальные основы технологии изучения пассивных сейсмических явлений.

Задачи диссертационных исследований. На базе обобщения и конструктивной критики имеющегося отечественного и зарубежного опыта, теоретического анализа, сравнительных оценок устойчивости и обоснования потенциально эффективных модификаций, оптимальной параметризации и массовых надежных эмпирических оценок разработать и испытать:

• новые образцы высокочувствительных полевых инструментов (сейсмоприемников и регистрирующей системы), совместимых со стандартными программно-аппаратными средствами вычислительной техники;

• методики одноточечного оперативного сбора ЗС данных микросейсмических измерений (скрининг), обновления этих данных (прерывистый мониторинг) и увязки с данными высокоточной грави-, наклоно-, гелиеметрии и других методов исследования в различной геологической обстановке;

• количественные подходы к оценке текущего состояния и динамики погребенныз зон деструкции и разломов (особенно «не залеченных», активных), а также к геодинамическому прогнозу для территорий, включающих встроенные важные объекты инфраструктуры (АЭС, магистральные трубопроводы, хранилища радиоактивных отходов, мосты и т. п.), базирующемуся на пространственно-временных распределениях эффективных спектрально-корреляционных параметров, производных из векторных измерений.

Научная новизна работы. До настоящей работы эффективные количественные оценки динамики «безсобытийных» микросейсмических векторов в отечественной наземной сейсморазведке отсутствовали. В целом оставались не вполне ясными и определенными причины и эффективные параметры ЗС микросейсмических движений, степень их пространственно-временной устойчивости, относительные вклады объемных и поверхностных волн, зависимые от пространственно-временных распределений источников, от времени и позиции наблюдений, и, наконец, направления наиболее перспективных приложений. Автор диссертации — инициатор исследований новой отечественной концепции «безсобытийного» ЗС микросейсмического скрининга и прерывистого мониторинга, требований к программно-аппаратным и к методическим средствам. Он является также ведущим участником межотраслевых разработок, завершившихся выпуском опытных образцов нового поколения регистрирующей техники, созданием специализированного математического обеспечения (алгоритмов и программ параметрических оценок) для оперативного анализа и предобработки эмпирических данных, совместимого со стандартными ПЭВМ-средствами, и успешными опытно-промышленными испытаниями в условиях разных геологических формаций, в России и за рубежом.

Предусмотренная технологией изучения пассивных сейсмических явлений инструментальная идентификация реально действующих в среде механизмов возмущения-релаксации и количественное их описание отличает реализуемый подход от ранних исследований. При этом благодаря картам добротности, построенным впервые по данным ЗС микросейсмического скрининга можно заблаговременно (до реализации проекта) прогнозировать качество данных индустриальной сейсмои высокоточной гравиразведки. Эти карты полезны, например, на этапе проектирования геофизических работ для оптимальной привязки позиций сейсмических расстановок и профилей к более упругим участкам, а опорных пунктов гравиметрической сети — к более вязким и сейсмически малошумным. Безусловным результатом опережающего прогноза качества является лучшая сопоставимость и согласованность мультидисциплинарных многофакторных данных и, следовательно, более надежная интерпретация.

Ранее (Gutenberg В., 1936; Prescott W.H., 1982; Sammis C.G. et al., 1987) экспериментально показано, что резкое увеличение ущерба, наносимого землетрясением, приурочено к близким, импедансно контрастным и часто скрытым латеральным зонам неоднородности (разломы, трещины, карстовые полости, каверны — деструктивные зоныкрутые кромки аллювиальных долин — «топографические» зоны). Максимальный ущерб локализован в сравнительно узкой полосе, в границах относительно мягкой акустически области. Положение и характеристики источника, траектории распространения возмущения имеют при этом подчиненное значение. Определяющие резонанс контактные условия (импедансный контраст > 3) играют главную роль. Разумеется, внутри таких полос успешность проектов индустриальной сейсморазведки и высокоточной гравиметрии является, по меньшей мере, спорной. Сейсмические риски здесь высоки, и, при необходимости практического использования территории, требуется изучить их пространственное распределение детально и количественно (Соболев Г. Л., 1997). Предложенные и обоснованные в работе карты добротности среды (в версии нововведенного FI-параметра как оценки динамики правых спектральных срезов для полного микросейсмического вектора) поэтому вполне эффективны и рациональны для идентификации и оконтуривания названных небезопасных (с высоким уровнем добротности) полос — резонаторов.

Контроль границ областей высоких резонансных свойств и добротности среды — не самоцель, поскольку им дополняется основа для эффективного планирования кондиционных геофизических исследований на конкретных территориях. Как результат такого дополнения растет надежность комплексных прогнозов и заключений относительно строения и эволюции геологической формации. Характер и скорость эволюции оказались разными: для древних платформ и бассейнов отмечена только медленная деструкциядля относительно молодых и активных формаций — чередование быстрых деструктивных процессов, связанных с мощными землетрясениями, и относительно медленных (но заметных в пятилетних повторных наблюдениях) конструктивных процессов «залечивания» или ре-консолидации. В новой эффективной технологии предусмотрена также количественная оценка и сопоставление других динамических параметров. Эти параметры — интенсивность, скорость изменения интенсивности, спектральное отношение горизонтальной и вертикальной составляющих вектора (HVSR-параметр), частотная привязка и уровни шести последовательно убывающих доминант спектра, отношение коэффициентов поляризации (Kp/Ki-параметр, где Кр и К| - коэффициенты плоской и линейной поляризации соответственно), скорость изменения параметра Kp/Ki, и степень корреляционной связи флуктуирующих оценок (АКФ и ВКФ соответственно).

Научная и практическая значимость работы. Опираясь исключительно на динамику продолжительных, статистически представительных и метрологически контролируемых ЗС микросейсмических рядов, из общих представлений об интерференционном характере наблюдаемых микросейсм, связанных, главным образом, с ближайшими резонаторами как вторичными источниками — переизлучателями, теоретически, посредством моделирования и экспериментально обоснована технология изучения пассивных сейсмических явлений (версия векторной — в терминах Е. И. Гальперина — сейсморазведки).

Математическая модель для составляющих обычно слабого колебательного процесса вдоль каждой из трех ортогональных осей, представлена (на примере оси X) в форме линейного неоднородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами (упругости — к и динамической вязкости — h): d2X2(t)/dt2+2hdX2(t)/dt+k2X2(t)=k2X1(t) (Bl), где Xlj2(t) — временные ряды возмущения и реакции соответственно (в смещениях). Вещественные решения (В1) в частотной области (как передаточные функции среды — ПФС): nOC (co/k)=ModSX2(t)/ModSXi (t)={ [ 1 -(co/k)2]2+4 (co/k)2(h/k)2}I/2 (В2), где Mod SXi, 2(t) — модули комплексных спектров для временных рядов Xij2(t) соответственно, со — круговая частота, h/k = относительный коэффициент демпфирования, экспериментально подтверждены как эффективные для описания (покомпонентно и средневзвешенно) поля реальных «безсобытийных» микросейсм. Модель допускает разные значения коэффициентов по координатным осям и, таким образом, подходит неоднородным и анизотропным, вязким и упругим средам.

Для оперативной полевой регистрации и предобработки векторных микросейсмических движений разработаны и успешно прошли опытно-промышленное опробование в рамках скрининга и прерывистого мониторинга методические и аппаратно-программные средства сбора данных нового поколения (опытные образцы системы «Вибротестер-МС»), совместимые с новыми и с ранее применяемыми высокочувствительными и широкополосными ЗС сейсмоприемиками-акселерометрами.

Разработаны и внедрены программы специализированного математического обеспечения углубленной многофакторной обработки ЗС микросейсмических данных (реформатирование, поляризационный анализ, покомпонентный анализ интенсивности, идентификация спектральных доминант и их уровня, табличное и графическое представление временных рядов и результатов анализа), совместимые со стандартными компьютерными средствами.

Создана, поддерживается, пополняется доступная для пользователей информационная база «безсобытийных» ЗС микросейсмических данных скрининга и прерывистого мониторинга в регионах с различным геологическим строением (древние и молодые платформы и бассейны, кристаллический щит, предгорный прогиб и альпийская складчатость), на встроенных инженерных сооружениях, в сейсмически безопасных зонах и в зонах высокого сейсмического риска.

Опытно-промышленное внедрение технологии в первую очередь при идентификации погребенных аномально вязких, обычно обводненных разломных зон, при изучении их геометрии и «узких полос» активности (СЭ), примыкающих к сместителю, подтвердило статистическую устойчивость и высокую эффективность многофакторных «безсобытийных» оценок в условиях непрерывно действующих случайных во времени, но пространственно упорядоченных возмущений.

Другие значимые направления внедрения технологии: районирование стабильных территорий платформ, бассейнов, щитов по уровню микросейсмической активности, обратно пропорциональному степени долговременной устойчивости геологической формации и степени сохранности залежей углеводородовидентификация и селекция погребенных зон деструкции по скорости, степени и режиму «залечивания» — ре-консолидациидополнение и уточнение геодинамических прогнозов для нестабильных территорий в части места и времени потенциального катастрофического (экстремального) событияоперативная оценка вибронагрузок, состояния устойчивости встроенных в среду инженерных сооружениймногофакторный скрининг и мониторинг геологической среды и встроенных сооружений, в том числе контроль геометрии погребенных каналов массопереноса (грунтовых вод), состояния (герметичности) подземных газохранилищ и роста сейсмической активности в процессе длительной интенсифицированной нефтедобычи и заводнения залежиопережающий оперативный прогноз потенциальной эффективности индустриальной сейсморазведки и высокоточной гравиметриидополнение и уточнение оценок локального теплообмена над глубинными разломами, рифтамиоперативный прогноз утраченной плановой геометрии и состояния (сохранности) погребенных фундаментов древних сооружений, опережающий вскрышные археологические работы.

Легкая и экономичная технология изучения пассивных сейсмических явлений (пассивной сейсморазведки) полностью удовлетворяет современные требования высокой степени автоматизации и оперативности процессов сбора, обработки цифровых данных и представления результатов.

Использование и внедрение результатов исследований. Интерпретация пространственно-временных распределений наблюденных динамических параметров микросейсмического вектора открыла возможность эффективного и первоочередного использования разработанной технологии по следующим направлениям:

1. выявление геодинамически наиболее потенциально опасных по максимальному градиенту параметра (СЭ) участков активных разломных зон, в пределах которых недопустимо размещение особо важных объектов инфраструктуры;

2. обнаружение и оценка сечения флюидои газопроницаемых каналов в литосфере, связанных с активными разломными зонами;

3. оконтуривание участков высоких уровней относительного коэффициента демпфирования для размещения опорных точек и сетей высокоточной гравиметрии, и участков низких уровней относительного коэффициента демпфирования для надежной реализации проектов стандартной сейсморазведки.

Фактический материал, методы исследования и личный вклад автора. Измерения, сохраненные в виде временных рядов оценок, составляют проанализированную базу данных, относящуюся исключительно к «безсобытийным» микросейсмам. ЗС измерения выполнены с использованием серийных и опытных образцов акселерометров от четырех различных производителей и адаптированного ко всем этим акселерометрам опытного образца цифровой полевой регистрирующей системы «Вибротестер-МС». Функцией системы является, в частности, предобработка зарегистрированных временных рядов. Интервал выборки — 2 мС. Несколько тысяч продолжительных микросейсмических выборок скрининга собрано и сохраняется, начиная с 1994 г., в виде электронного архива, доступного для просмотра и углубленной обработки с помощью вновь разработанных и стандартных программных средств. Эти выборки относятся к различным и обширным регионам древних формаций Русской платформы, Воронежского и Балтийского щитов, а также относительно молодых, активных, продолжающих формироваться образований Карпатского орогена и Предкарпатского краевого прогиба. При этом детальность наблюдений варьирует от 1 м до нескольких км. Географическая привязка измерений выполнена на основе опубликованных карт, планов и чертежей встроенных сооружений, а также на основе GPS данных фиксированной точности. Повторные микросейсмические измерения (прерывистый мониторинг, TLM) выполнены с интервалами продолжительностью от нескольких месяцев до 5 лет в сходных климатических и сезонных условиях, в дневное время. Известно, что достоверность однометодных оценок принципиально невелика для многофакторных природных явлений и моделей, поэтому ЗС микросейсмические данные в большинстве случаев сопровождены и заверены прецизионными и синхронизированными данными высокоточной грави-, наклонои гелиеметрии. Использована также доступная скважинная и другая геологическая информация. В результате реализована мультидисциплинарная верификация содержательности и представительности исходных микросейсмических данных, динамики производных параметров и итоговой интерпретации.

В работе использован классический метод исследования, включающий формулирование базисной гипотезы, подбор и обоснование описывающих гипотезу математической модели, параметризацию, разработку инструментария, пригодного для практической и достаточно масштабной проверки гипотезы, сбор, анализ и верификацию подходящих экспериментальных баз данных и, наконец, научно обоснованную оценку справедливости исходных предположений. Базисная гипотеза в работе — это представление о практически наблюдаемых спектрально-корреляционных параметрах временных рядов микросейсм прежде всего как производных от структуры и состояния геологической формации в соответствующей точке измерения. Параметры удаленного источника возмущения и/или путей распространения (от источника возмущения до позиции наблюдений) имеют подчиненное значение. Каждое из трех взаимно ортогональных одноосных микросейсмических колебаний в точке на поверхности формации, вместе характеризующих полный вектор, моделировано посредством линейного неоднородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами (упругости и динамической вязкости), в общем случае (анизотропной среды) различными для колебаний вдоль трех осей: X, Y, Z. Принятая модель охватывает широкий диапазон возможных состояний геологических формаций: от квазиупругих до вязких.

Предлагаемые результаты исследований, составляющие основу для инновационной технологии, были получены, начиная с 90-х годов по настоящее время, исключительно диссертантом или при его непосредственном участии в итоге плановой и/или инициативной научно-производственной и организационной деятельности в ГФУП ВНИИГеофизика МПР РФ и в ИФЗ РАН.

Апробация работы. Результаты, включенные в диссертацию, доложены в течение последних десяти лет на следующих всероссийских и международных конгрессах, конференциях, симпозиумах, чтениях: Новые методики и технологии геофизических исследований на основе комплексирования методов и взаимодействия полей, Геофиз. конф. ЕАГО и ВНИИГеофизика, Москва, 2005; 4th Congress of the Balkan Geophysical Society,.

Bucharest, 9−12 October 2005; Workshop on preparation of large scale fault zone map of Tehran area and guidelines for civil construction, Tehran, Iran, 2004; Междунар. геофиз. конф, Москва, 2003; Междунар. конф. «Научное наследие академика Г. А. Гамбурцева и современная геофизика», Москва, 2003; Междунар. конф. «Живая тектоника», Москва, 2003; Четвертые геофиз. чтения им. В. В. Федынского, Москва, 2002; Конф. и выставка по подпрограмме «Топливо и энергетика» Программы «Научные исследования Высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», Москва, 2001; Междунар. геофиз. конф. «300 лет горно — геологической службе России», Санкт-Петербург, 2000; XXI11 General Assembly of EGS, Nice, 1998; Third research symposium «Developing and managing turbidite reservoirs. Case histories and experiences», Almeria, Spain, 1998; Cairo' 98 Africa/Middle East Second International Geophysical Conference and Exp., 1998; XXI1 General Assembly of EGS, Vienna, 1997; 59 EAGE Conference, Geneva, 1997; Istanbul' 97 International Geophysical Conference and Exp., 1997; XXI General Assembly of EGS, Hague, 1996; 30 International Geological Congress, Beijing, China, 1996; Междунар. геофиз. конф. и выставка, Санкт-Петербург, 1995.

Научные результаты получены и апробированы в ВНИИГеофизика МПР РФ и в Институте физики Земли РАН. Диссертация официально обсуждена и получила экспертную оценку также на НТС МГИЭТ-ТУ, на научных семинарах кафедр сейсмических и скважинных исследований МГГРУ и сейсмометрии и геоакустики МГУ им. М. В. Ломоносова.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано более 40 научных работ, в том числе 12 — в ведущих отечественных научных изданиях, 16 — в материалах национальных и международных научных конференций, три изобретения. Защищаемые научные положения. Автор защищает разработанные, теоретически и экспериментально обоснованные технические решения и модели, новые данные об эффективных параметрах ЗС микросейсмического вектора, об устойчивости и динамике количественных оценок этих параметров, об их связях и обусловленности как основу технологии изучения пассивных сейсмических явлений. Эта технология открывает новые широкие возможности прогнозирования и контроля текущего состояния, динамики интегральных упруго-вязких параметров среды, степени стабильности геологических формаций и долговременной прочности встроенных инженерных сооружений через изучение комплекса эмпирических энергетических, спектрально-корреляционных, поляризационных и дисперсионных характеристик.

1. Динамика реального («безеобытийного») микросейсмического вектора наилучшим образом определяется в спектре микросейсм через средневзвешенные распределения эмпирических оценок трех текущих однокомпонентных (по осям X, Y, Z) относительных коэффициентов демпфирования — эффективных, статистически устойчивых и надежных параметров идентификации ведущего механизма движения (в подавляющем большинстве случаев имеющего упруго-вязкую, в более редких случаях — вязкую и еще более редко — реликтовую квазиупругую природу), что позволяет I производить инструментальное районирование среды по типу преимущественного механизма движения.

2. Более высокая крутизна правого («высокочастотного») из срезов зарегистрированного микросейсмического спектра соответствует случаю вязкоупругой или квазиупругой среды с нормальной дисперсией. Более высокаякрутизна левого («низкочастотного») из срезов зарегистрированного микросейсмического спектра соответствует случаю вязкой (часто водонасыщенной) среды с аномальной дисперсией. Независимая оценка дисперсионного параметра увеличивает надежность идентификации механизма движения.

3. Данные скрининга и прерывистого мониторинга предложенных параметрических оценок, использующие временные ряды ЗС микросейсмических движений, отражают состояние и эволюцию геосреды (динамику встроенного инженерного сооружения): обычно скрытые и медленные процессы подготовки деструкции или ре-консолидации (деформационного упрочнения).

4. Технические, программные и методические решения, сочетающие управление процессом сбора данных, оперативную, широкополосную цифровую регистрацию микросейсмического вектора, предобработку в полевых условиях, камеральную параметризацию, углубленный анализ продолжительных временных рядов оценок и их пространственно-временных1 распределений, а также представление результатов на стандартной компьютерной платформе.

Исследования проведены в соответствии с планами НИР по Федеральным целевым программам и проектам фундаментальных и прикладных исследований МПР РФ и РАН: «Экология и природные ресурсы России, 2002;2010 гг." — «Сейсмобезопасность территории России, 2002;2010 гг." — «Развитие федеральной системы сейсмологических наблюдений и прогноза землетрясений, 1995;2000 гг.». С середины 90-х годов инициативные проекты НИР и экспедиции поддержаны грантами Российского фонда фундаментальных исследований.

РФФИ): № 98−05−65 087, 1998;2000 гг. и др., приборные НИР — грантом Минобразования и науки РФ.

Объем и структура работы. Диссертация включает в себя 13 разделов: введение (1), девять глав основной части (2−10), в том числе три главы (2−4), характеризующие состояние проблемы, заключение, выводы и рекомендации (11), список литературы из 146 наименований (12) и сведения об авторе (13). Полный объем диссертации 233 страниц: 176-текст- 63 — иллюстрации (59) и таблицы (7).

Выводы.

Представлены полученные диссертантом с коллегами оригинальные и свежие данные о динамике полного вектора микросейсмических движений вблизи двух коровых разломов: в ЮВ Карпатах (TPV) и на Мезийской плите (IMF), а также некоторые результаты их анализа в рамках первичного скрининга и двух фаз прерывистого мониторинга (TLM), разделенных пятилетним промежутком (lapse). Конечно, еще до постановки измерений была вполне ясной множественность причин, вызывающих микросейсмы. A priori ясной являлась также множественность доминирующих волновых типов и распределенных во времени и пространстве возможных траекторий распространения микросейсмической энергии в сложной среде.

Однако, гипотетически присутствующие в геологической среде нарушения, особенно крупные региональные разломы, являются объектами, канализирующими энергообмен и придающими определенную степень регулярности пространственным распределениям путей распространения микросейсм, а также распределениям производных параметров.

В результате, хотя при скрининге и не удается получить идеально устойчивых параметрических оценок (точнее: интервалов, средних значений, дисперсий) для всех пространственных позиций, в которых произведены измерения, и произвольных моментов времени, некоторая, и при том немалая, часть этих позиций, близких к каналам энергообмена, обнаруживает признаки регуляризации характеристик и, как следствие, робастности (robust) оценок.

Время от времени, особенно после крупных событий с катастрофическими последствиями, подобных цунами 26.12.2004 в ЮВ Азии, активизируется широкий интерес к проблемам геодинамики, предвестникам событий и прогнозированию последних. Этот интерес, разумеется, оправдан, но, чтобы быть адекватным проблемам, он очевидно должен быть непрерывным или, по крайней мере, периодическим. Учет эволюции принятых геодинамических ЗС микросейсмических параметров, реализуемый в пространственных координатах при скрининге и в пространственно-временных координатах при TLM, представляется в этом смысле содержательным и перспективным. Многочисленные эмпирические данные, производные параметры и результаты их интерпретации свидетельствуют о чередовании эпох (ритмах) низкой и высокой микросейсмической активности. Трактовка этих эпох через механизмы накопления и релаксации (сброса) избыточной энергии в среде — тривиальна. Однако, несомненно, что само по себе признание доминирования тех или других механизмов и даже факта их чередования без надежной оценки характера (скорости) переходного процесса в конкретной геологической формации, учитывающей ее предысторию, мало продуктивно в отношении даже вероятностного прогнозирования даты, силы и места события (Beklemishev А.В. et al., 2004; 2005).

Глава 10. Использование результатов для опережающего (look ahead) прогноза качества индустриальной сейсморазведки и приложения к проблемам прогноза геодинамически опасных эффектов места (СЭ) и их локализации, геологических рисков.

Инструментальная идентификация действующих в геологической среде и на ее поверхности фактических механизмов нагружения — релаксации, количественная их характеристика, предусмотрены только в отечественных, совместимых с TLM, модификациях пассивной сейсморазведки. Как результат, эти легкие и экономичные модификации приобретают способность заблаговременно (до реализации проекта) прогнозировать качество данных индустриальной сейсморазведки и высокоточной гравиметрии, используя прежде всего карты добротности (FI). На этапе проектирования эти карты полезны для оптимизации пространственной привязки позиций сейсмоприемников и профилей к упругим высокодобротным участкам, а опорных гравиметрических сетей — к вязким. Безусловным эффектом такого прогноза качества являются улучшенная увязка (сопоставимость) мультидисциплинарных данных и большая надежность комплексной интерпретации. Следствиями являются: уточнение геометрии и режима погребенных каналов энергои массопереноса, флюидои газонасыщения этих каналов и степени современной активности глубинных разломов и вообще деструктивных зонкоррекция прогнозов локальных сейсмических рисков и рекомендаций инженерного характера.

На рис. 7.4 было представлено состояние на момент публикации (Беклемишев А.Б. и др., 2004) текущей деструкции осадочного чехла в значениях FI параметра во внутренней и СЗ периферической частях Московской синеклизы (Тверская область). Правый сегмент этого распределенияя, не более 10%, соответствующий высоким значениям FI, характеризует не измененную (со времени заложения) или слабо измененную консолидированную геологическую формацию. Левый сегмент распределения, около 20%, соответствующий предельно низким значениям FI, характеризует полностью деструктурированную, деконсолидированную, фрагментированную формацию в погребенных разломных зонах. Наиболее представительный центральный сегмент распределения, около 70%, соответствующий промежуточным значениям FI, имеет ясно выраженный максимум, более 12%, который указывает наиболее вероятное состояние текущей’деструкции формации на дату измерений. Очевидна асимметрия центрального сегмента относительно максимума: более вероятна формация, пока слабо затронутая деструктивными процессами. В итоге имеет место следующая интерпретация: деструктивная геологическая история древнего бассейна является в значительной мере незавершенной, то есть не продвинувшейся повсеместно до минимальных значений FI параметра. При этом реликтовый статус, под которым понимается эмпирическое предельно высокое значение FI, практически повсюду утрачен, но скорость деструктивной эволюции существенно различна для разных фрагментов бассейна. Действительно, эта скорость максимальна для фрагментов бассейна, соответствующих левой периферии распределения и убывает по мере смещения направо. В правом предельном случае эта скорость близка к нулю.

На рис. 10.1 (TLM) и 10.2 (скрининг) представлены карты, отображающие зоны деструкции и близреликтового статуса осадочного чехла бассейна в диапазонах значений FI параметра, соотнесенных с вышеназванными сегментами распределения (Беклемишев А.Б. и др., 2004).

Интенсивной окраской выделены участки территории, сохраняющие сегодня близреликтовый (консолидированный) статус осадочной формации. Эти участки и соответствующие им фрагменты погребенного геологического полупространства можно признать доказанно упругими. И средства индустриальной сейсморазведки, опирающейся на аксиоматику теории упругости, принципиально способны удовлетворить здесь растущие требования по качеству структурных исследований. В то же время эти участки могут быть (при высоких уровнях микросейсмического нагружения, особенно характерных для периферии блоков) совершенно непригодны для размещения опорных пунктов и сетей высокоточной гравиметрии. Участки иной окраски и, особенно, ограниченные овалами, в той или иной степени проблемны с точки зрения качества (надежности результатов) стандартных средств сейсморазведки, поскольку упругая аксиоматика здесь не эффективна и не оправдана. В пределах этих участков, однако, подбирая позиции с минимальными уровнями микросейсмического нагружения и значениями F1 параметра, возможно размещать опорные пункты и сети высокоточной гравиметрии.

Вязкие, постдеструктивные зоны в осадках (см. овалы), выявленные пассивной сейсморазведкой, сгруппированы в почти линейных кластерах. Направление этих линий координировано с речными долинами. И допустимо гипотеза, что и кластеры деструктивных зон, и речные долины на древней платформе есть общее проявление унаследованного осадочной формацией глубинного разлома в кристаллическом фундаменте).

По крайней мере, три участка (рис. 10.1) вблизи Каблуково, Юрьево-Девичье и, особенно, Харитоново являются рискованными как потенциальные носители СЭ. Здесь кинетическая энергия микросейсм экстремально высока во всех трех TLM фазах. Характерно, что СЭ прогнозированы в позициях, где переход от предельно вязкой к предельно упругой среде.

РИС. 10.1 Зоны завершенной и текущей деструкции, а также близреликтового статуса осадочной формации бассейна, представленные в форме карты в диапазонах значений FI параметра. Результат трехфазного TLM [15]. ы о.

Зоны деструкции осадочного чехла по данным ЗС мнкросейсмнческнх исследований, 2003 г.

РИС. 10.2 Зоны завершенной и текущей деструкции, а также близреликтового статуса осадочной формации бассейна, представленные в форме карты в диапазонах оценок FI параметра. Результат скрининга [15] реализован на коротких дистанциях. Реалистичная модель такой области — это периферия жесткой упругой плиты с максимально возможной свободой собственных и вынужденных движений, контактирующая по латерали с вязким внутриразломным материалом. В условиях обычно избыточного флюидонасыщения здесь, согласно (Ребиндер П.А. и др., 1972), должна быстро нарастать усталость породного материала плиты, и деструктивный процесс (динамометаморфизм) на ее периферии ускоряется.

На рис. 10.2 также можно видеть семь инструментально обнаруженных вязких постдеструктивных зон (в овалах) и, в том числе, два участка потенциальных сайт-эффектов (между озерами Боталы и Отолов). При этом прогноз возможных сроков активизации сайт-эффектов предусматривает учет платформенных микросейсмических ритмов.

На рис. 10.3 представлен гидрогеологический разрез от Ижорского плато на ЮВ до Финского залива вдоль 80 км участка воздымающегося в СЗ направлении Балтийского щита (Ar-Pri-г). Здесь в 20 км прибрежной полосе в течение последнего десятилетия детально изучены ЗС микросейсмические движения и производные параметры с тем, чтобы в Предглинтовой низменности оконтурить основные погребенные каналы массопереноса, связанные с разгрузкой водоносных горизонтов. Самый верхний из них, четвертичный (Q), разгружается через трещины в нижележащие водоносные горизонты в карбонатах ордовика (O1−2) и в породах кембрия, а также через родники у кромки Ижорского плато. Грунтовые воды из этой естественной и сложной напорной системы разгружаются непосредственно в залив и, частично, в нижележащий Ломоносовский водоносный горизонт. Таким образом, область разгрузки содержит сложно организованную в погребенном пространстве систему проводящих каналов и перемычек — водоупоров Лонтовской свиты, Котлинского горизонта и покрышки Гдовского комплекса.

Даже частичная блокировка каналов чревата торможением естественного стока, накоплением избыточных масс грунтовых вод выше «плотины» и ростом риска преодоления предела ее прочности и прорыва с последствиями, подобными катострофе в Санкт-Петербургском метро у станции «Площадь Победы».

Исключить экстремальные геологические риски, очевидно, необходимо в интересах стабильного функционирования промышленной инфраструктуры. И для этого следует знать в деталях геометрию каналов и контролировать ее пространственно-временную эволюцию.

Водонасыщенные породы канала (в предельном случае — пульпы) по своим акустическим характеристикам (крутизне срезов АЧХ, дисперсионным свойствам и др.) отличаются от.

Я2£>

У слоёные cчых стложенигс tS) — Медоносный zopujCKm opgcSukckusc сгпложенкгс.

— Ясуочоскый icpujcj-vn. верхнеюнижнего Кембрия.

— ЛоитоёасЫя с$ита &euro-±-Ы н. ижне-10 кежория — fogoyrtop fcffflЛомоносовский £одсксснъо1 горизонтCjlm.

— Хотминскый zepujenm позднего npomepejest? R3kt-Sc^ovnop.

— Шрекрыбающие Sccjcyncpu гдо? сксго #соохссноьо комплекса:

Тдс^ский. So^CHCCHbcw горизонт.

— Стрелбнинский. бс^оноскый горизонт. zgcSckoic комплекса.

— Ярхейпротерозойский бодонхеный zopujou-m 'AR-P2, 2.

— Урс&нь педз&пнызе cpgcS-икскочо водоносного горизонта.

PR^cl j—* 1~ Урссеш? подъемных: £сд лсиконссоёского ёсаснссксгогсри? сн-т.сс.

I?. — Ыстпочник.

РЯС. 10.3 Гидрогеологический разрез: Ижорское плато — Финский залив (см. текст). вмещающих пород подобно тому, как водонасыщенные породы внутриразломной зоны отличаются от консолидированной формации вне разлома.

Действительно, на рис. 10.4 а (Беклемишев А.Б., 2003) представлена детальная карта значений FIw параметра по 109 позициям скрининга. Интенсивной окраской здесь выделены перемычки — водоупоры, обладающие относительно высокой упругостью и, соответственно, значениями FIw параметра в пределах, 05-, 2. Основные каналы подземного массопереноса в западном направлении (к урезу залива), оставленные незакрашенными, характеризуются относительно высокими вязкостями и относительными коэффициентами демпфирования и, наоборот, низкими значениями FIw параметра. Слабо окрашены полупроницаемые области с эмпирически оцененными промежуточными значениями FIw параметра.

На карте отчетливо видно, что погребенные каналы в северной части территории промышленного предприятия, периметр которого отмечен пунктиром, в отличие от каналов в южной части всюду блокированы или имеют весьма широкие (до 300 и более метров) полупроницаемые барьеры. В южной части территории, наоборот, имеют место относительно тонкие (до 100 м по латерали) полупроницаемые барьеры, а вблизи точки 14 идентифицирован единственный канал (русло) массопереноса шириной около 50 метров.

На рис. 10.4 б обобщены результаты скрининга количественных оценок FI параметра по району Воронежского кристаллического массива. Здесь проявилась блоковая структура массива и отчасти облекающей осадочной формации. При этом количество блоков, суммарная протяженность их границ и разделяющих разломных зон возрастает к востоку и к югу, а размеры блоков, наоборот, убывают. Это приводит к ускорению процессов релаксации после возмущений и, как следствие, к росту геодинамической устойчивости среды в этих направлениях.

Район работ (экспедиционный проект поддержан РФФИ, 09.2005 г.) представляет собой прямоугольник 30×40 км2, примыкающий к Воронежскому водохранилищу с юга, и включает 66 позиций ЗС измерений. Модуль «безсобытийного» микросейсмического вектора характеризуется здесь следующим сравнительно узким интервалом энергий: -5,6 < lg Е < -4,97. Эмпирические оценки параметров занимают интервалы:, 03 < FI <, 18 и 1,3 < HVSR < 4. Скважиной 7801 (вблизи позиции 1−19) с забоем на глубине 500 м вскрыты кровля коренных кристаллических пород на глубине 75 м, представленная эффузивами преимущественно основного состава, и покровные песчано-глинистые осадочные отложения девона, мела, палеогена, неогена и четвертичных с включениями карбонатных слоев (до двух) мощностью до 10 м. Ближайшие к поверхности грунтовые воды обнаружены на глубине 3−12 м. До.

Координатная сетка со стороной ячейки — SO и.- О контур зданиянадаеииый трубопроводж/д ветка: шоссеаномально диспергирующая средааномально низкие (до 7 Гц.} доминирующие компоненты АЧС ЗС микроускорений;

Параметр деструктуриэации среды (Fl-lg dt/iav) в пределах от -0.35 (30) до +0.20 (77): в диапазоне от +0,05 до +0,20 в диапазоне от-0.08 до +0.05 Г 97? — .83″ ;

I 1,'Bfi V I ч7.

•101.ой I ч. б2 .воJ—г". 1—'" Ч ,¦. у" 96, * '".56 * 64. , Vг 72.

Ш I 81 Ц

К" 81 Л".

ЩЗЩ: «Ы V ла Ч? Л.

ШЗ «81 ь9 bJ* fi5 asa.

•. —: •• • шшттщ штштШШ&ш г.

РИС. 10.4 а Основные каналы подземного массопереноса, полупроницаемые перемычки — барьеры и водоупоры поверх кристаллических (Ar-Pri-2) пород Балтийского щита, представленные в форме детальной карты в диапазонах значений FIw параметра [17]. Результат скрининга.

Малышево Шилово.

Гремячье.

Масловка г. N5T32.9941 Е39Ч 6.859' Ф.

Боево.

• 049.

0 т Колодезный 1.

Россошь i и.

НОВОВОРОНЕЖ.

336^.

FI <, 1.

10J5.

11 6 Фскважина.

Сторожевое ([3 область СЭ.

РИС. 10.4 б Обобщение результатов скрининга оценок FI параметра по участку Воронежского кристаллического массива (ARu, PRi), перекрытому осадочными юродами (D, К, Pg, N, Q) с суммарной мощностью до 70 м [6] глубины 100 м обнаружены два изолированных водоносных горизонта. Деструктивные изменения в разломных зонах вблизи позиции 1−19 выражены в форме разрыва и ступенчатого смещения кровли (подошвы) жесткого основания и в облекающих формах песчано-глинистых слоев, лесса. Состав осадочного покрова, альтитуды и геометрия границ отдельных его составляющих весьма неустойчивы даже на дистанциях, не превышающих 3 км. Альтитуды поверхности наблюдений имеют выраженную тенденцию роста с юга на север (от 150 до 205 м). Для правобережья р. Дон характерно развитие 15° оползневых склонов и оползней нескольких возрастных генераций площадью до нескольких квадратных км, существенно усложняющих оценку устойчивости формации. В теле оползней обнаруживаются очаги новейших подвижек. База оползней — на десятки метров ниже уровня реки. В попытке установить причины, механизмы и потенциальные последствия активизации оползней были изучены относительная микросейсмическая активность и ее связь с разрывными нарушениями и с гидрогеологическими характеристиками. Вследствие существования нескольких плоскостей легкого скольжения практически равновозможны альтернативные сценарии разделения оползней на самостоятельные блоки.

Каков же полезный информационный прирост? Во-первых, вблизи скважин 116 и 7801 с почти одинаковыми суммарными мощностями покровных отложений получены следующие также почти совпадающие оценки HVSR параметра: 2,2 и 2,1. Грубая интерпретация, этого факта позволяет заключить, что относительные изменения мощности покровных отложений и HVSR параметра коррелированы и часто почти совпадают по уровню. Во-вторых, вблизи двух подозреваемых разломных. зон обнаружены (как и ожидалось согласно теоретическим и модельным предпосылкам) аномально низкие значения FI параметра:, 07-, 09. В то же время над консолидированной формацией, подтвержденной скважинными данными, оценка этого параметра почти вдвое выше (, 14). Здесь необходимо учитывать, что дистанция до границы: консолидированный блок — разломная зона имеет порядок длины волны (до 3 км), доминирующей в составе микросейсм. Таким образом, FI параметр как индикатор зоны глубинного разлома эффективен. В третьих, на фоне общей тенденции спада уровня в направлении на юг вблизи всех ранее установленных разломных зон имеют место локальные минимумы оценок параметра lg Е, составляющие по отношению к оценкам в бортовых зонах соответственно:, 4-, 7. Это дает определенные, основания для утверждений об однотипности разломных зон, а также для распознавания участков в границах разломных зон, связанных с оползнями и с потенциально опасными СЭ (Антонов Ю.В. и др., 2005). Повышение геодинамической активности изменяет водонасыщение тела оползня: обычно оно локально растет. Вблизи зон активной геодинамики формируются границы новых блоков (и/или изменяется геометрия границ уже существующих), трещины отрыва, то есть имеет место процесс подготовки потенциальных срывов оползневых масс.

11.

Заключение

выводы и рекомендации.

Теоретически вынужденное движение поверхности геологической формации тесно связано с известным видом неоднородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами (к — упругости и h — динамической вязкости). Тремя такими уравнениями (в общем случае с различными к и h) характеризуется разложение вектора микросейсмического движения на три ортогональные компоненты по координатным осям. Как результат, покомпонентные микросейсмические спектры (амплитудно-частотные и энергетические) существенно различаются в четырех-пяти октавной области относительных частот со/к >, 5. Область выраженного спектрального максимума надежно устанавливается по доминирующему периоду АКФ для ряда оценок кинетической энергии (lg Е). На спектры, сохраняющие в целом форму, продиктованную заданным видом уравнения движения, накладываются возмущения, особенно существенные в области со/к>1, связанные с реальной интерференцией волн вблизи акустически контрастных границ внутри среды и поверхности. Теоретические предпосылки и модели нашли многократное и серьезное практическое подтверждение при анализе продолжительных ЗС микросейсмических выборок, полученных, начиная с 1994 года, в разнообразных сейсмогеологических условиях платформ, бассейнов, кристаллического щита, краевого прогиба, орогена, в России и в Румынии. Эти же предпосылки и модели использованы при анализе динамики реальных рукотворных конструкций — мостов и многоэтажных зданий.

Благодаря разработке и успешному внедрению новой высокопроизводительной технологии, основанной на прецизионной цифровой регистрации, полевом препроцессинге и машинном углубленном анализе временных рядов и производных спектральных, корреляционных (статистических), дисперсионных и поляризационных параметров микросейсм *.

1. сформированы, поддерживаются и пополняются ЗС микросейсмические базы данных из статистически представительных выборок;

2. разработаны основы и развиты (и/или адаптированы) прикладные программные пакеты обработки и интерпретации ЗС микросейсмических данных «и производных параметров для идентификации деструктивных процессов в реальных геологических средах и рукотворных конструкциях, для обнаружения погребенных разломов и зон деструктуризации, а также изучения их современного состояния и активности, для идентификации реальных сред с принципиально различными механизмами отклика на возмущение: преимущественно упругим, преимущественно вязким или вязкоупругим,*.

3. определен и обоснован перечень содержательных и эффективных количественных параметров, включая так называемый индикатор разломов (FI) по покомпонентно усредненной крутизне правого среза энергетической спектральной реакции*.

4. разработаны методические основы оперативного инструментального скрининга территорий и конструкций, а также параметрического мониторинга (TLM) для пространственно — временных прогнозов степени сохранности реликтового статуса (консолидированности) геологической формации и/или встроенной в нее конструкции и скорости эволюции.

5. накоплен и продолжает пополняться положительный опыт использования концепции, инструментальных средств и подходов пассивной сейсморазведки, контролирующих динамику свойств геологических формаций, а также встроенных в среду рукотворных конструкций:

В повседневной жизни претензии ученых учить практиков весьма часто признаются нездоровыми, однако, время от времени наука получает шанс эффектно выступить в роли губителя или спасителя цивилизации. Так, наука XX века обеспечила создание угрожающих термоядерных арсеналов, но устранила гибельные планы производства и масштабного использования ДДТ. Именно сейчас, кажется, науке, и геофизике в особенности, выпадает очередной шанс такого рода. Похоже, сюрреалистическая фантазия Беляева («Продавец воздуха») обретает сегодня смысл вполне обоснованного и зловещего предсказания. Но люди, в массе своей слабо информированные и слабо осознающие последствия текущих глобальных процессов в атмосфере, склонны думать, что воздух завтра будет столь же пригоден для дыхания, как и сегодня.

Геодинамическая проблема активности погребенных разломов воспринималась ранее исключительно как внутринациональная, имеющая отношение к безопасности отдельных сейсмически активных территорий в России, или к сравнительной оценке отдельных масштабных технологических решений (например, к привязке маршрутов магистральных трубопроводов, позиций АЭС, морских буровых платформ, туннелей и т. п.).

Теперь, как субьект международных отношений, Россия является участником в проектах и процессе глобального устойчивого развития. В рамках процесса предполагаются, разумеется, определенные обязательства по ограничению объемов загрязнения природной среды и, в первую очередь, выбросов в атмосферу так называемых парниковых газов: двуокиси углерода, паров воды, метана, хлоро — и фтороуглеродов, а также аэрозолей, закиси азота и озона.

Содержание аэрозолей в атмосфере, например, сегодня и 150 лет назад характеризуется двумя следующими точными цифрами: 356 и 280 частиц на миллион соответственно. Среднее содержание в атмосфере долгоживущей двуокиси углерода сравнительно с доиндустриальным периодом (завершившимся 250 лет назад) характеризуется сегодня превышением на 31% и продолжающимся экспоненциальным ростом. Скорость этого роста координирована с глобальным потеплением, составляющим 0,7 град Цельсия за последние сто лет (по независимым отечественным данным 0,45±0,15 град, К.Я. Кондратьев) и с прогнозируемым 2−6 градусным потеплением в следующем столетии, а также с ростом аллергических и легочных заболеваний, с сокращением видового разнообразия флоры и фауны, особенно в Северном полушарии, с сокращением эффективных площадей для земледелия, с ростом количества и мощности экстремальных событий. Прогнозы обещают удвоение названного превышения в течение ближайших 50−100 лет (Беклемишев А.Б., 2003).

Ограничение объемов выброса парниковых газов (ВПГ) как продукта деятельности людей в соответствии с показателями Киотского Протокола, декабрь 1997 г., дает весьма слабую (как полагают, из-за значительной инерционности процессов) надежду на то, что глобальное потепление будет развиваться далее по контролируемому некатастрофическому сценарию. И это при условии, что человечество успеет рационально распорядиться имеющимися ресурсами и избежать масштабных военных столкновений.

Избыточный (сравнительно со средним природным содержанием) уровень ВПГ вызван следующими четырьмя причинами: аномально высоким поступлением названных газов из активных глубинных разломов в связи с интенсификацией эндогенных процессов и явлений, в том числе вулканическихкрупными лесными пожарами и сжиганием так называемых попутных газов при добыче углеводородного сырьяпотерями транспортируемых и хранимых углеводородов на повреждениях действующих и, особенно, старых трубопроводных магистралей, при авариях и пожарах на трубопроводах и подземных газохранилищахнизкой эффективностью использования невозобновляемого энергоемкого сырья и топлива. Сегодня относительный вклад каждой из четырех вышеназванных составляющих является предметом дискуссий, в которые вовлечены эксперты Межправительственного Совета ООН по климатическим изменениям (IPCC), Международной ассоциации нефтяной промышленности по сохранению окружающей среды (IPIECA) и транснациональных топливных корпораций (Chevron).

Среднесрочные сценарии и прогнозы развития, основанные на предположении о том, что ответственность за ускоренную эволюцию состава атмосферы, климата, за рост числа и мощности производных экстремальных событий лежит прежде всего на человечестве и индустриальной революции, совершенно неутешительны, более того, катастрофичны.

Но эти сценарии и прогнозы учитывают только три из четырех названных составляющих. Первая же из них и, повидимому, наиболее существенная, остается пока вне внимания экспертов. Это так, поскольку ни один из экспертов (J. Shinn, К. Trenberth, R. Repetto из Национального центра атмосферных исследований, L. С. Gerhard из геологической службы штата Канзас, США) не приводит данных относительно доли естественных парниковых газов в суммарном тренде ВПГ (по информации из AAPG Explorer, 2001;2002).

Реалистичная модель эндогенной газовой продуктивности должна быть построена, как модель квазистационарного астеносферного источника, охваченного неоднородно проницаемой оболочкой (кора и осадочный чехол) переменной толщины и водосодержания. Через заводненные, но неактивные разломы оболочки проникновение газа к поверхности блокировано. Газ присутствует здесь лишь в незначительных концентрациях. Сейсмически активный разлом (и узлы таких разломов, для которых мобильность и вариации содержания грунтовых вод особенно заметны) — клапанный механизм, сбрасывающий газ в* атмосферу и обеспечивающий. аномально высокие приповерхностные концентрации. При этом сечение и степень остаточного заводнения разлома являются существенными факторами. Механизм вполне обычен и контролирует многие непосредственно наблюдаемые похожие природные явления: вулканизм, грязевой вулканизм, гейзеры, грифоны над подземными газохранилищами.

Важной деталью срабатывания указанного механизма может являться непосредственно предшествующее ВПГ, то есть открытию клапана, его субвертикальное движение (холостой ход), вначале медленное и равномерное, затем, по мере прогрессирующего ослабления тормозящих периферических связей, ускоренное. И там, например, где заводненный разлом (клапаном является вода) контролирует уровень грунтовых вод, последний перед ВПГ должен повышаться. Как результат, дренаж из поверхностных источников будет ограничен или вовсе невозможен в течение соответствующего временного интервала, а территория подвергнется затоплению. Непредсказанные стандартными подходами катастрофические наводнения последнего времени в Центральной и Восточной Европе становятся таким образом вполне объяснимыми.

Нельзя сказать, что данные о естественном тренде ВПГ полностью отсутствуют или нет инструментов для его оценки, хотя бы косвенной или качественной. Через геохимический и тепловой мониторинг (time lapse monitoring-TLM), в том числе использующий средства газовой хроматографии над глубинными разломами, идентифицированными и позиционно прослеженными на земной поверхности прецизионными геофизическими и GPS методами, через измерения плотности вертикальных электрических токов в атмосфере как функции эндогенного аэрозольного и/или радонового потока (норма — единицы мкА/кв. км) — эти данные могут быть получены повсеместно. Разлом же является, как известно, наиболее газопроницаемым и теплопроводным (благодаря прежде всего незатрудненной циркуляции грунтовых вод) литосферным объектом.

Учет естественной (и может быть ритмической) составляющей в тренде ВПГ существенно дополнит и обогатит базовые модели атмосферной энергетической накачки и/или баланса в условиях двустороннего энергообмена как с литосферой, так и с внешним космическим пространством (то есть двустороннюю комбинацию источников и стоков), и даст более обоснованный прогноз на будущее.

Чтобы избежать спешки в этом весьма недалеком будущем, требуется только единое понимание приоритетности проблемы научным сообществом, опережающие управляющие решения по организации этой принципиально корпоративной работы и по ее адекватной финансовой поддержке. Решающая роль здесь принадлежит топ-менеджерам госструктур и частного бизнеса, способным понять мысль К. Гаусса о том, что «наука охотно способствует сиюминутным материальным интересам, но ими не ограничивается» .

Примеры наших подходов, успешно реализованных на Русской платформе, Балтийском щите и в Карпатах, можно видеть в ряде источников, где зафиксирована пространственновременная вариабельность уровней естественной эмиссии газа эндогенного генезиса, достигающая двух порядков и более над доказанными узлами активных разломов, относительно фона вблизи поверхности консолидированной литосферы. Само существование столь мощных («ураганных») и долгоживущих газовых аномалий естественной природы может быть значимым фактором для изменений, по крайней мере, локальных, климата и состава атмосферы.

Останки динозавров и мамонтов, возможно не переживших изменений прежде всего в составе атмосферы, а не только температуры, также сигнализируют нам из реального геологического прошлого: острота жизненно-важной проблемы нарастает неслучайно, исторические прецеденты существовали. Требуется срочное, всестороннее изучение проблемы: масштабный инструментальный геофизический и геохимический мониторинг.