ГЕОТЕРМИЧЕСКИЙ СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ГЛУБИННЫХ РАЗЛОМОВ, КОНТРОЛИРУЮЩИХ ОБЛАСТИ СОВРЕМЕНННОЙ ДОЛГОВРЕМЕННОЙ СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ Российский патент 2004 года по МПК G01V9/00 

Геотермический способ прогнозирования глубинных разломов, контролирующих области современной долговременной сейсмической активности.

Изобретение относится к способам выявления и трассирования разломов в геологической среде на основе дистанционного аэрокосмического изучения температурного поля земной поверхности и может быть использовано в сейсмологии, в том числе в целях изучения природы сейсмичности и обоснования прогноза землетрясений в сейсмоактивных регионах.

Известен наземный контактный способ прогнозирования разломов на основе данных измерений температур в мелких скважинах, позволяющий по фоновым и экстремальным температурам судить о направлении плоскости разломов (Исмаилзаде Т.А., Аскеров Р.Б., Алиев С.А. Способ определения ориентации разломов земной коры. Авторское свидетельство СССР № 792198 по классу G 01 V 9/00. Опубл. 1980 г.).

Недостатки этого способа являются общими для контактных геофизических способов в сравнении с дистанционными: необходимость проведения дорогостоящего бурения и инструментальных измерений в сети скважин, ограничивающих охват территории и детальность съёмки.

Известны также более дешёвые способы дистанционного аэрокосмического изучения температурного поля земной поверхности, позволяющие прогнозировать разломы по аномалиям температуры.

В частности, известен способ [Лялько В.И. Тепломассоперенос в литосфере (теоретические и прикладные аспекты). Киев: Наукова думка, 1985, с.209-210], позволяющий дистанционно с помощью аэроинфракрасной съемки (съёмки с самолёта) картировать геологически информативные, в том числе, в отношении разломов, температурные аномалии на земной поверхности.

Недостатком способа является ограничение возможности его применения осенне-весенним периодом, а также условиями проведения съёмки: либо в предрассветные часы, либо в дневные - при полной облачности. Эти ограничения обусловлены методологией способа, исходящей из стремления свести к минимуму температурные контрасты, вызванные неравномерным прогревом земной поверхности за скоростью изменения её температуры, а также различиями в литологии, влажности и в видах подстилающей поверхности, что, согласно методологии, позволит выделить геологически информативные аномалии глубинного геотермического поля. Таким образом, идеологией этого способа является дешифровка прямого отражения в аномалиях температурного поля на поверхности геологических объектов-разломов через механизм сквозного вертикального теплопереноса. Однако аномальные эффекты подобного рода по интенсивности часто значительно ниже разрешающей способности дистанционной инфракрасной съёмки, что является ещё одним существенным недостатком способа. Всё эти недостатки в сумме затрудняют использование этого способа в сейсмологии.

Наиболее близким предлагаемому способу является способ [Котляр П.Е., Соловьев В.А. Обнаружение геотермических аномалий и связанных с ними разломов по космоснимкам (на примере Ангаро-Селегинской зоны). Геология и геофизика, 1985, № 12, с.25-32], позволяющий на основе данных космической съёмки картировать разломы, проявляющиеся температурными аномалиями на поверхности в связи с более интенсивным таянием снежного покрова вдоль трасс разломов. Идеология способа основана на фиксации из космоса прямых термопроявлений вдоль трасс разломов.

Недостатком способа является жесткое ограничение возможности его реализации временем года, когда присутствует снежный покров, что на практике сводит к минимуму прогностические возможности применения способа в области сейсмологии.

Недостатки известных способов могут быть преодолены использованием прямо противоположного методологического подхода. Он основывается на применении методических приёмов, которые позволяют максимизировать в наблюдённом на земной поверхности поле такие температурные контрасты, которые являются геологически информативными. Именно этот тип аномалиеобразующих эффектов наблюдается в ареалах динамического влияния разломов, контролирующих области высокой сейсмичности. Эти контрасты отражают в аномалиях поверхностных температур не прямые - через вертикальный теплоперенос, а косвенные проявления геологического объекта-разлома через систему его вторичных признаков. Механизмом проявления разломов служит сейсмогенная пространственно-временная изменчивость физико-механических (плотность, влажность, микротрещиноватость, проницаемость) и, соответственно, тепловых (коэффициенты тепло- и температуропроводности, удельная теплоёмкость, тепловая инерция) свойств почвы. Изменчивость этих свойств в пространстве и времени развивается над разломами, проходящими через эпицентральные зоны землетрясений. Указанная изменчивость имеет место в период долговременной сейсмической активности при подготовке землетрясений.

Предлагаемый способ состоит в использовании методических приёмов, позволяющих максимизировать в наблюдённом поле температурные контрасты на земной поверхности в условиях живого сейсмогенного процесса, чтобы через эти контрасты в температурном поле проявилась зона разлома, контролирующего область высокой сейсмичности.

Известно, что температурное поле на земной поверхности, как и поле в верхнем слое почвы, существенно зависит от её тепловых свойств. К настоящему времени среди специалистов сложилось мнение, что формирование аномалий температурного поля на поверхности при прочих равных условиях определяется, главным образом, величинами тепловой инерции I (Дж· ⁰К^-1·^{м-2·с-1/2) верхнего слоя почвы. Термические модели, основанные на учёте изменчивости тепловой инерции почвы, были обоснованы в 70-80-х гг. [См., например: 1). Kahle A. B. A Simple Thermal Model of the Earth's Surface for Geologic Mapping by Remote Sensing //Journal of Geophysical Research, Vol.82, № 11, 1973, p.1673-1680; 2). Pratt D.A. Two-dimensional model variability in thermal inertia surveys //Remote Sensing Environment, 1980, V.9, № 4, p.325-338]. Величина тепловой инерции I выражается известной формулой}

где λ - коэффициент теплопроводности почвы,

с - удельная теплоёмкости почвы,

ρ - плотность почвы.

Преобразуя формулу (1) вводом в нее коэффициента температуропроводности почвы k=λ /ср, получаем

Из формул (1) и (2) следует, что параметры тепловой инерции, теплопроводности, температуропроводности и плотности взаимосвязаны. Оценочные расчёты показывают, что наблюдающаяся сейсмогенная изменчивость указанных тепловых свойств почвы при переходе от одного параметра к другому, в том числе к тепловой инерции, сохраняется пропорциональной. Таким образом, отсюда следует, что геологический процесс, который сопровождается пространственно-временной изменчивостью плотности почвы ареального характера и, соответственно, изменчивостью макро- и микротрещиноватости и проницаемости, отобразится в ареалах изменчивости тепловой инерции почвы и, соответственно, выразится в аномалиях температуры земной поверхности. В методологическом аспекте с существованием этой закономерности связаны перспективы использования данных космической съёмки поверхностного температурного поля для изучения проявлений сейсмичности.

В районах выхода к поверхности трещинных, разломных и ослабленных зон, разделяющих тектонические блоки, механизм образования температурных аномалий в связи с сейсмическим режимом возникает в связи с резкой изменчивостью под действием сейсмогенных напряжений в период подготовки землетрясения степени разуплотнения и увлажнённости почвы. Это формирует пространственно-временную изменчивость тепловой инерции почвы, обусловленную, как следует из формулы (1), изменением ее плотности, а также увлажнённости. Последний параметр, как известно, связан с плотностью почв тесной корреляционной зависимостью. Само по себе заметное влияние влажности почвы на поверхностную температуру установлено по результатам дистанционных и наземных исследований. В данном случае это согласуется с современными представлениями о детерминированных сейсмогенных колебаниях влажности пород в сейсмоактивных регионах вследствие изменения проницаемости в массивах трещиноватых горных пород перед землетрясением. Одновременно в связи с сейсмогенным режимом изменяется интенсивность фильтрации атмосферных осадков и подземных вод в пределах субвертикальных проницаемых зон. Поэтому кроме тепловой инерции почвы на температуру земной поверхности оказывает также прямое влияние фильтрация, усиливающая аномалиеобразующий эффект поля.

В предгорных и горных условиях сейсмогенная изменчивость тепловой инерции обусловлена нарастанием сдвиго-раздвиговых деформаций в трещинно-разрывных зонах коренных пород геологического субстрата при подготовке землетрясений. При этом происходят сдвиги соприкасающихся массивов сплошности пород в плоскости разрывной зоны [Каспаров С.А., Дейнега А.Г. Фундаментальная сейсмогенерирующая роль деформации типа сдвиго-раздвиг //Геодинамика и сейсмичность территории Дагестана. /Труды Ин-та геологии Даг. ФАН СССР, № 3 (21). Махачкала, 1979, с.11-18], которые вызывают в климатических условиях гор и предгорий соответствующую изменчивость уровня влажности в почвах, что проявляется в возрастании изменчивости тепловой инерции почвы. Изменчивость тепловой инерции и, соответственно, интенсивность температурных аномалий вдоль трасс разломов наиболее контрастны в пределах ареалов динамического влияния максимальных сдвиго-раздвиговых деформаций, линейные размеры которых имеют порядок километров. Поэтому пространственная разрешающая способность космической съёмки должна быть не меньше одного километра.

Условия осуществления космической съёмки определяются методологией, требующей максимизации тепловых контрастов в наблюдённом поле. Это достигается учётом типа ландшафта в районе съёмки и расчётом моментов наступления максимумов суточного хода частот эффективных температурных контрастов. При применении аэросъёмки в условиях сухостепного ландшафта в суточном режиме в летние месяцы, например в июле, по данным инфракрасной аэросъёмки наблюдаются два таких максимума [См. Виноградов Б.В., Григорьев А.А., Липатов В.Б., Черненко А.П. Инфракрасная аэросъёмка и наземные исследования термальной структуры ландшафтов сухих степей //Сб. ст. "Исследование природной среды космическими средствами". М., 1974, № 3, с.69-73], что в целом значительно расширяет сезонные периоды применения предлагаемого способа в сравнении с известным способом обнаружения геотермических аномалий и связанных с ними разломов по космоснимкам.

Способ осуществляется следующим образом.

Прежде всего выбирают район оптимального применения способа, для чего, используя данные местной сети режимных сейсмических станций, определяют контуры эпицентральной зоны долговременной сейсмической активности. Затем по ландшафтным картам района исследований идентифицируют ландшафты, приуроченные к эпицентральной зоне. Исходным фактическим материалом для реализации способа служат результаты космической съёмки с пространственным разрешением не меньше одного километра над эпицентральной зоной, по которым строят карты температур земной поверхности. В суточном режиме космических съёмок моменты наблюдений для построения карты выбирают в периоды наступления максимумов суточного хода частот эффективных температурных контрастов, которые рассчитываются для ландшафтов, приуроченных к эпицентральной зоне. Методика выполнения таких расчетов известна [см. выше, Виноградов Б.В. и др., 1974, а также: 1) Виноградов Б.В., Григорьев А.А. Физико-географическая характеристика опытного полигона "КЭНЭКС-11 "//Труды ГГО, 1973, вып. 296, с.12-17; 2) Виноградов Б.В. и др. Данные о термальной структуре подстилающей поверхности песчаной пустыни по результатам совмещённых наземных и самолётных измерений //Труды ГГО, 1972, вып. 276, с.33-42]. Затем по положительным аномалиям температур поверхности трассируют глубинные разломы, контролирующие области современной долговременной сейсмической активности, и по наиболее высокоинтенсивным аномалиям выделяют ареалы динамического влияния максимальных сдвиго-раздвиговых деформаций, резко проявляющиеся в температурном поле через соответствующие контрастные ареалы тепловой инерции почвы.

Пример. Способ реализован в сейсмоактивном дагестанском регионе на Северном Кавказе. Территория Республики Дагестан простирается в пределах расположения 4-х зон интенсивности землетрясений (от 6-балльной зоны до 9-балльной) с преимущественным распространением 8- и 9-балльных зон, поэтому она представляет собой оптимальный объект для применения предлагаемого способа.

В ландшафтных условиях территории Дагестана, как следует из ландшафтной карты республики [см., Атлас Республики Дагестан. М.: Федеральная служба геодезии и Картографии России, 1999, с.37], равнинный сухостепной, а также примыкающие и близкие к нему по ландшафтным характеристикам лесостепной и степной ландшафты предгорий развиты с запада на юго-восток в 9-балльной зоне землетрясений. В её пределах расположен контур эпицентральной зоны [см. там же, с.13], который оконтуривает область современной долговременной - с конца прошлого века - и почти непрерывной сейсмической активности. Достаточно указать, что после разрушительного Дагестанского землетрясения 1970 г. (магнитуда М=6,6; интенсивность J=9) в период с 1974 по 1998 гг. в пределах контура этой зоны многократно происходили 5 - 6-балльные землетрясения (М=5,3÷ 5,6).

Оптимальным временем суток для космической съёмки, исходя из предлагаемого способа, следует считать моменты достижения максимумов частот эффективных температурных контрастов для условий сухостепных и примыкающих к ним ландшафтов. Для определения оптимального времени съёмки в этих ландшафтных условиях использовались известные данные [см. выше: Виноградов Б. В. и др., 1974 г.] суточного хода частот эффективных температурных контрастов сухостепного ландшафта (FΔ Т_п, ⁰С ). На их основе при условии, что частоты эффективных температурных контрастов FΔ Т_п≥_{20С, была построена диаграмма (см. фиг.1), позволяющая выбирать оптимальное в отношении информативности температурного поля время суток. Как видно из диаграммы, в течение суток наблюдаются 3 максимума частот эффективных температурных контрастов, когда выраженная в процентах величина FΔ Т достигает наибольших значений и, следовательно, геологические объекты могут проявляться в температурном поле земной поверхности наиболее рельефно: в 10÷ 11 ч - на 80 %, в 13÷ 14 ч - на 60 % и в 17 ч - на 80%.}

На фиг. 2 приведена температурная карта, построенная по данным космической съёмки со спутника NOAA с пространственным разрешением один километр, что обеспечивает отображение на карте ареалов динамического влияния разломов. Съемка выполнена в вечернее время - согласно диаграмме на фиг. 1 близко к моменту одного из максимумов суточного хода частот эффективных температурных контрастов на земной поверхности. Поэтому на этой карте в наибольшей степени проявились ареалы термической неоднородности приповерхностного слоя, обусловленные современной долговременной сейсмической активностью региона. Карта аномалий поверхностной температуры центральной части территории Дагестана построена по данным съемки спутника NOAA от 7 апреля 1998 г. на 17 ч. 40 мин. по местному времени. На карте пунктирная линия трассирует Предгорный разлом, сплошная оконтуривает эпицентральную зону Дагестанского землетрясения 1970 г. (М=6,6).

На карте фиг. 2 повышенными температурами поверхности, представленными на зелёном фоне гаммой оттенков жёлтого, красного и бардового цветов, резко выделяются положительные температурные аномалии, приуроченные к трассе глубинного Предгорного разлома, иначе называемого Пшекиштырныаузским, контролирующего область высокой сейсмичности региона. По трассе разлома ареалы наиболее высоких температур, окрашенные на карте в красно-бордовый цвет, расположены внутри или вблизи контура эпицентральной зоны Дагестанского землетрясения 1970 г. - области современной долговременной сейсмической активности. При этом температурные контрасты аномалий и фона весьма значительны - перепады поверхностных температур достигают величины 5° С. Эти аномалии приурочены к ареалам динамического влияния максимальных сдвиго-раздвиговых деформаций вдоль трассы разлома.

При этом показательно, что аномалиями в температурном поле проявляется только разлом, проходящий через эпицентральную зону землетрясений, контур которой обозначен сплошной линией. В то же время два других глубинных разлома, обозначенных пунктирными линиями на фиг. 2, и также контролирующих области высокой сейсмичности, но расположенных на значительном удалении от эпицентральной зоны современной долговременной сейсмической активности, температурными аномалиями на карте не отображены. Это указывает на явную и закономерную связь аномального поля температур только с разломом, секущим эпицентральную зону, что обусловлено развитием вдоль трассы этого разлома сдвиго-раздвиговых деформаций, которые контролируют пространственное распространение макро- и микротрещиноватости в приповерхностном слое пород. Вследствие современного долговременного сейсмогенного процесса над глубинным разломом в пределах контура эпицентральной зоны происходит непрерывное обновление и развитие макро- и микротрещиноватости в приповерхностных породах, которая образует ареалы динамического влияния разломов с наибольшим радиусом до пяти километров вокруг участков максимальных сдвиго-раздвиговых деформаций. Это, соответственно, через изменчивость плотности и увлажнённости выражается в изменчивости тепловой инерции почвы и формировании интенсивных аномалиеобразующих эффектов в поле температур земной поверхности.

Необходимо отметить, что в данном случае наблюдается именно приповерхностный аномалиеобразующий эффект. В районе рассматриваемой эпицентральной зоны тепловые потоки Земли (q), согласно данным Института геологии Дагестанского научного центра РАН, достигают значений q_cp=75 мВт/м². Будучи в регионально-статистическом смысле повышенными, на ещё более высоком геотермическом фоне прилегающих участков земной коры они являются локально пониженными, где величины q колеблются в пределах 80-120 мВт/м². Однако высокий геотермический фон окружающих участков, как это видно из фиг. 2, не проявляется аномальными ареалами на температурной карте, построенной по данным космической съёмки, что подтверждает достоверность принятой физико-геологической модели и методологии, положенной в основу предлагаемого способа.

Использование предлагаемого способа позволит, не вводя инструментальных технических новшеств и не увеличивая общую стоимость научно-исследовательских работ, существенно повысить информативность космической съёмки: получать новую информацию о ведущих элементах разломной тектоники сейсмоактивного региона для использования её в сейсмологии - как для прогностических целей, так и для уточнения геологического строения региона.

Использование: для изучения температурного поля Земли из Космоса и в сейсмологии. Сущность: данные космической съемки используют для построения карт температур земной поверхности и трассирования по аномалиям разломов. Для построения карт используют данные съемки из космоса с пространственным разрешением не менее одного километра над контурами эпицентральных зон долговременной сейсмической активности. Идентифицируют принадлежащие к этим зонам ландшафты. Строят температурные карты, приуроченные к моментам достижения максимумов частот суточного хода эффективных температурных контрастов, рассчитанным для наблюдаемых ландшафтов по известной в аэросъемке методике. По аномалиям температур трассируют разломы. По наиболее высокоинтенсивным аномалиям вдоль трасс разломов выделяют ареалы динамического влияния максимальных сдвиго-раздвиговых деформаций. Технический результат: повышение информативности способа. 2 ил.

Геотермический способ прогнозирования глубинных разломов, контролирующих области современной долговременной сейсмической активности, включающий построение по данным космической съемки карт температур земной поверхности и трассирование по температурным аномалиям разломов, отличающийся тем, что карты температур строят по данным космической съемки с пространственным разрешением не менее одного километра над контурами эпицентральных зон долговременной сейсмической активности и идентифицируют принадлежащие к ним ландшафты, при этом данные космической съемки и карты температур приурочены к моментам достижения максимумов частот суточного хода эффективных температурных контрастов, рассчитанным для наблюдаемых ландшафтов, по картированным аномалиям температур трассируют разломы, а по наиболее высокоинтенсивным аномалиям вдоль трасс разломов выделяют ареалы динамического влияния максимальных сдвиго-раздвиговых деформаций.