В работе анализировались покомпонентные временные ряды движений земной поверхности по наблюдениям на десяти GPS станциях, размещенных в сейсмоактивной области юго-восточного Казахстана. Обработка данных выполнена программным комплексом GAMIT/GLOBK в системе координат ITRF2008.  Определены скорости региональных движений земной коры как линейный тренд приращений координат станций за период наблюдений 2009-2016 гг.  Методом наложения эпох выделены сезонные (годовые и полугодовые) компоненты планового смещений для каждой GPS станции. Установлено ежегодное устойчиво-направленное вращательное движение в горизонтальной плоскости, аппроксимируемое  эллипсом. Полное движение земной поверхности определено суперпозицией соответствующих компонент векторов скоростей линейного тренда и сезонных смещений по главным осям эллипсов.  

Выполнено моделирование параметров напряженно-деформированного состояния земной коры региона по скоростям движений. Деформации максимального сжатия субширотного простирания, рассчитанные для линейного тренда,  подтверждают деформационное укорочение горных хребтов Кунгей и Заилийский Алатау с юга на север и  достигают до 30^-9. В центральной части территории установлены девиаторные растяжения ориентированные субширотно  с амплитудами до 20^-9. 

Отмечается, что эпицентры сильных землетрясений пространственно совпадают с экстремумами максимального сжатия-растяжения полных деформаций (тренд+сезонные).  Пространственные особенности поля полных деформаций позволяют выделить сейсмоактивные зоны вероятного землетрясения. Сезонные вариации напряженно-деформированного  состояния поверхности при совместном учете региональных деформаций могут рассматриваться как триггерный механизм возникновения сильных континентальных землетрясений.

Рассмотрены условия формирования и эксплуатации водно-метановых залежей в мире, а также методы их моделирования. Приведены сведенья о геологических условиях водно-метановых месторождений Камчатки. Анализ геолого-геофизических разрезов неогенового вулканогенно-осадочного комплекса с использованием сейсмических атрибутов, распределения температуры и давления выявил циркуляционный режим формирования газовых отложений с перераспределением газа из нижних газонасыщенных горизонтов в верхние. Выполнено TOUGH2-EWASG моделирование истории эксплуатации Кшукского водно-метанового месторождения. Инверсионное моделирование iTOUGH2-EOS14 (EWASG) истории эксплуатации верхней части газонасыщенного комплекса (1998-2014 гг.) показывает, что ключевыми параметрами модели являются проницаемость вмещающего водонасыщенного комплекса и соотношение объёмов продуктивного газонасыщенного резервуара и вмещающего водонасыщенного комплекса.

Для территории Северо-Востока России количество сейсмических профилей весьма ограничено, что требует привлечения комплекса геофизических методов для получения данных о глубинном строении. Моделирование глубинной структуры земной коры осуществляется различными методами. В нашем случае для интерпретации аномалий поля силы тяжести используются методы новой интерпретационной гравиметрии. Земная кора моделируется многослойными пятигранными призмами.

Анализ плотностной модели земной коры, построенной для северо-восточного участка опорного геолого-геофизического профиля 3-ДВ (2350 - 2650 км), в совокупности с результатами интерпретации сейсмических разрезов ОГТ (частотно-энергетических атрибутов сейсмического разреза), а также геоэлектрической моделью земной коры позволил сделать вывод о неоднородном строении верхней части земной коры северо-восточных (Среднеканская ветвь Иньяли-Дебинского синклинория (ИДС)) и юго-западных, южных (осевая часть ИДС, Балыгычанское поднятие (БП)) структур территории. Сочленение этих структур совпадает с гравитационным градиентом северо-западного простирания мощностью 15-20 км. На основании представленных материалов границу между ИДС и БП, проходящую по действующей сегодня тектонической схеме региона Кузнецова В.М. по Право-Оротуканскому разлому, разделяющему юрские (ИДС) и триасовые (БП) осадочные образования, следует провести по Паутовскому разлому, который фактически является блокоразграничивающим (ПК 2600).

Анализ положения гипоцентров землетрясений в земной коре показывает, что гипоцентры, расположенные в интервале глубин от 20 до 35 км, приурочены к системам долгоживущих сквозькоровых региональных разломов: Хейджано-Мылтинской зоне и пересечению Умаро-Дебинской (северо-западного простирания) с Правооротуканской (северо-восточного простирания). Протяжённость этих зон разломов имеет порядок сотен километров, глубина заложения – не менее 40 километров.

С помощью созданного авторами метода исследования миграции сейсмической и вулканической активности был проведен анализ пространственно-временных закономерностей распределения очагов землетрясений и извержения вулканов в пределах Курило-Камчатской островной дуги.

Исследование проводилось по сейсмическому каталогу, включавшему более 1300 событий с магнитудой M≥6.0, произошедших с 1900 по 2016 годы, и вулканическому каталогу из более 500 событий за период 1030-2014 гг. В качестве энергетической характеристики извержений использовался параметр VEI, пропорциональный объему изверженного материала.

В результате проведенных вычислительных экспериментов показано, что и сейсмический, и вулканический процессы, протекающие в пределах исследуемого региона, можно рассматривать как совокупность миграционных цепочек событий, распространяющихся с определенной скоростью. При этом скорость миграции сейсмических событий прямо пропорционально зависит от энергетической характеристики землетрясений, а зависимость скорости миграции вулканических извержений от VEI имеет обратно пропорциональный характер.

Таким образом, на основе сейсмического и вулканического каталогов Курило-Камчатской островной дуги был подтвержден полученный ранее авторами вывод о существовании параметра, чувствительного к геодинамической обстановке в исследуемом регионе.

Вулканический процесс рассматривается как движение вещества недр. Механика извержения вулкана рассматривается как вертикальное течение много компонентной и много фазной смеси. По теории газлифта (В.А. Архангельский, 1958г) такое течение имеет область малых расходов, где при увеличении расхода уменьшается перепад давления. При этих малых расходах течение является не установившимся и поэтому реализуется в извержении. На основе практики геотермальных (пароводяных) скважин, работающих в парлифте, обсуждается изменения графиков давления в канале и учёт сепарации газа при цикле вулканического извержения. Показано, что для извержения не требуется в глубине давления, избыточного над гидростатическим. Вынос массы вещества выше поверхности можно рассматривать, как пример преодоления силы тяготения Земли самой природой. Мощность извержения, как и к.п.д. газлифта зависит от газосодержания магмы. Глубина вулканического процесса контролируется давлением, при котором начинается отделение газа в отдельную фазу.

Магма вулкана это магма верха конвективных систем астеносферы:  над спредингом, над плюмами, или как в модели С.А. Федотова (1974г) . Отмечается, что природа цикличности извержений не является реологическими свойствами, как у О.Э. Мельник (2002г).

Вулканизм - процесс дифференциации вещества Земли (в коре), а вынос вулканического газа аккумулирован по Е.К. Мархинину (1967г) в планетном круговороте  воды. Обсуждается влияние круговорота  воды  на механизм извержения.

Для геомеханического анализа инжекции даек под Корякским вулканом в период активности 2008-2009 гг использована геомеханическая модель (CFRAC). Предметом исследования являлось выяснение масштабов сейсмичности при инжекции магмы в существующие системы трещин. В рассматриваемой модели инжекция магмы осуществлялась в трещину с углом падения 60 град., размерами 2 х 2 км2 на глубине 6 км (-3 км абс). Расход инжекции магмы в трещину задан 2000 кг/с при допустимом максимальном давлении 200 МПа, продолжительность инжекции 1 сут. Начальное давление флюида в трещине задано 45 МПа. Плотность магмы 2800 кг/м3, вязкость от 2 до 200 Па*с. Начальное геомеханическое состояние определено по результатам предшествующих исследований. Результаты моделирования показывают возможность раскрытия трещины до 0.06 м, сдвиговых деформаций с генерацией N*10 - N*100 микроземлетрясений с магнитудой до 4.8.

В скважине ЮЗ-5 с 1996 г. проводятся измерения уровня воды с периодичностью 10 - 5 мин. В полученном ряду данных выделены вариации уровня воды, вызванные прохождением сейсмических волн от 18-ти землетрясений с магнитудами М_w=6.8–9.1, произошедших на расстояниях от 100 до 14 тыс. км. Выделены четыре типа вариаций уровня воды с учетом их морфологических особенностей: колебания, кратковременное (десятки минут) повышение, наложение колебаний и кратковременного повышения, длительное (месяцы) понижение уровня воды. Рассматривается зависимость проявления отдельных типов от параметров землетрясений (магнитуда, расстояние) и амплитудно-частотного состава колебаний параметров грунта при землетрясениях. На примере отдельных землетрясений с использованием моделирования выполнен анализ флюидодинамических процессов формирования выделенных типов гидрогеосейсмических вариаций уровня воды.

Предложена геомеханическая модель, описывающая изменение характеристик разлома при переходе его в метастабильное состояние. Процесс формирования неустойчивости при сдвиговом нагружении контакта между блоками горной породы исследовался в лабораторных экспериментах на слайдер-модели, установленной на одномерный протяженный волновод, в котором возбуждались колебания.

Идея экспериментов основана на том, что в ходе деформационного цикла механические свойства разломной зоны изменяются. Эти изменения могут быть обнаружены при детальном исследовании собственных частот блоковой структуры. Проведенные эксперименты показали, что, несмотря на низкую добротность механической системы блок-разлом, в спектре регистрируемых колебаний уверенно обнаруживаются моды, соответствующие ее собственным колебаниям. По мере приближения контакта к моменту динамического срыва отчетливо проявляется эффект смещения спектрального пика в область низких частот и восстановление значения, близкого к исходному, после остановки скольжения.

Обнаруженный эффект дает основания полагать, что изменения эффективной жесткости разлома на заключительной стадии подготовки землетрясения могут быть обнаружены при анализе параметров низкочастотного микросейсмического шума. Резонансные колебания структурных блоков могут проявляться, например, в процессе и после прохождения поверхностных волн от далеких землетрясений.

Сопоставление закона Омори [Omori, 1894] с результатами опытов по релаксации механических напряжений в подвергнутых стрессу горных породах, после резкого изменения нагрузки [Griggs, 1939; Scholz,1968] дало основание сформулировать гипотезы: 1) временная зависимость деформации среды очаговой области, после мощного землетрясения связана линейно с накопленным числом афтершоков; 2) вся последовательность афтершоков может рассматриваться, как суперпозиция более коротких последовательностей – «этапов». В рамках каждого из этапов протекают однотипные физические процессы, но с существенно различающимися характерными временами: фрагменты среды – блоки скользят, по плоским площадкам, ожидаемым местам группирования гипоцентров афтершоков.

Предложена и исследована модель строения среды и движений в ней. Упруго связанные непрерывно движущиеся блоки, контактируют плоскими частями (площадками). Соприкасающиеся на площадках частицы, испытывают зацепления и срывы, порождая афтершоковые события. Модель, есть развитие идей Беньоффа [Benioff, 1951]. Ожидаемый момент t_i наступления i-го афтершокового события, считая от начала этапа: t_i=-τ*ln(1-i/m), τ- характерное время этапа, m – параметр, близкий к полному числу событий в рамках этапа.  Сравнение положений модели с параметрами пространственно-временного распределения гипоцентров афтершоков десяти сильнейших камчатских землетрясений с 1992 по 2006 г. энергетического класса Ks≥11.0 указывает на справедливость выражения  t_i. Определены временные рамки и характерные времена ряда этапов. Обсуждается применимость выражения  t_i и вне временных рамок афтершоковых процессов. Установлено, что гипоцентры следующих подряд афтершоковых событий действительно группируются на небольшом числе плоских площадок.

Список литературы:

1. Benioff H. Earthquakes and rock creep: // Bull. Seism. Soc. Am. 1951. V. 41. № 1. P. 31-62.
2. Griggs D. Creep of Rocks// Jour. Geol. 1939. V. 47. P. 225-251.
3. Omori F. On the aftershocks of earthquakes // Journal of the College of Science, Imperial Unversity of Tokyo. 1894. № 7: P. 111–200.
4. Scholz С. H. Microfractures, aftershocks, and seismicity // Bulletin of the Seismological Socity of America. 1968, V.58, № 3, Р. 1117-1130.

Обобщены результаты применения метода низкочастотного микросейсмического зондирования (ММЗ) для изучения магматической питающей системы Толбачинского Дола, где преобладают трещинные извержения. В данном исследовании Толбачинский Дол рассматривается как самостоятельное активное вулканическое образование – Толбачинское поле ареального вулканизма. В ММЗ в качестве зондирующего сигнала используются низкочастотные (с частотой менее 1 Гц) микросейсмы, а аномальные вариации в спектрах микросейсм увязываются с глубинными неоднородностями. Исходные данные были получены в 2010–2015 гг. при пошаговой регистрации фонового микросейсмического излучения (микросейсмической съемке) на детально размеченном полигоне, который включает зоны трещинных извержений 1975–1976 гг. и 2012–2013 гг., а также частично постройку вулкана Плоский Толбачик. Для повышения достоверности интерпретации ММЗ-аномалий привлечены результаты независимых геолого-геофизических исследований. По результатам микросейсмической съемки построена структурная модель, объединяющая выявленные глубинные элементы, ассоциирующиеся с системой питания поля ареального вулканизма. Обнаруженные глубинные неоднордности сопоставлены с новой сейсмотомографической моделью магматических источников, питающих Южную часть Ключевской группы вулканов (Koulakov et al., 2017). Аномалии под ТД, выявленные двумя независимыми методами, в основном согласуются. ММЗ детализирует конфигурацию аномалий и дополняет сейсмотомографическую модель сублатеральными элементами.

Рассмотрен процесс накопления радона в накопительной камере в точках, где устанавливаются газоразрядные счетчики для мониторинга подпочвенного радона (222Rn) на Петропавловск Камчатском геодинамическом полигоне. На основе математического моделирования разработана методика оценки плотности потока радона с поверхности грунта под камерой по времени достижения равновесия между Rn и его продуктами распада и максимальной величине объемной активности Rn в накопительной камере. Осуществлена апробация методики, позволяющая оперативно оценивать величину ППР в точке установки накопительной камеры.

Методом численного моделирования выполнен анализ принципиальной возможности формирования напряженного состояния коры переходных областей типа "океан-континент" под действием тангенциальных массовых сил. Модельный профиль коры переходной области был построен на основе геофизических данных в районе очаговой области мега-землетрясения Тохоку (2011 г.). Полученные результаты сопоставлены обобщенной моделью напряженного состояния для исследуемой области, построенной на основе реконструкции напряжений по данным о механизмах очагов землетрясений (метод катакластического анализа Ю.Л. Ребецкого) в районе острова Хонсю.

Показано, что в рамках упруго-пластической реологии тангенциальные силы могут быть источником передачи тектонических напряжений и формировать напряженное состояние, по характеру соответствующее результатам тектонофизической реконструкции методом катакластического анализа.

Исследования выполнены в рамках гранта РФФИ 16-05-01-115

Фундаментальный механизм неустойчивости между контактирующими объемами газа и жидкости, GLI-механизм (Gas-Liquid-Imbalance mechanism), был описан в работах [1-3]. Предполагается, что он несет ответственность за извержения гейзеров (жидкость – вода, газ – водяной пар) [1] и вулканов (жидкость – магма, газы – смесь вулканических газов)[ 2-3 ]. Верификация GLI- механизма  осуществлялась как эмпирически с помощью простых экспериментальных моделей, так и теоретически с использованием данного механизма для объяснения стандартного и нестандартного поведения природных гейзеров, а также для интерпретации разных типов вулканических извержений. В данной работе  описана демонстрационная модель, имитирующая работу «горячего» и «холодного» гейзеров, рассмотрено и объяснено «парадоксальное» поведение ряда гейзеров Камчатки и Йеллоустона. Также показано, каким образом с помощью GLI-механизма  можно  объяснить формирование стратовулкана,  кальдерообразующие извержения, а также ареальные извержения с образованием моногенетических шлаковых конусов.

1. Belousov A, Belousova M, Nechayev A. Video observations inside conduits of erupting geysers in Kamchatka, Russia, and their geological framework: Implications for geyser mechanism. Geology. 2013;41:387-390.
2. Nechayev A. Magma, crust and fluid: Critical conditions of their interaction and types of volcanic eruptions. Applied Physics Research. 2015;7(6):75- 84.
3. Nechayev A. On the Mechanism of Catastrophic Caldera-forming Eruptions: Yellowstone's Approval. Journal of Geography, Environment and Earth Science International, 2016, 6(4): 1-9.

Начиная с конца 70-х гг. прошлого столетия на территории Камчатского края, на основе долговременной программы осуществлялись комплексные геолого-геофизические исследования вдоль региональных профилей с постановкой глубинных геофизических методов МОВЗ (обменных волн землетрясений) и МТЗ (магнитотеллурического зондирования). В частности, за период времени с 2008 по 2010 гг. был отработан транскамчатский профиль мыс Лопатка – с. Хаилино (1500 пог. км).

В свете сейсмической активности в северо-восточной части Камчатки, произошедшей в марте-мае 2013 г. (Ильпырское землетрясение), предлагаются к рассмотрению результаты интерпретации глубинных исследований вдоль фрагмента транскамчатского профиля, проходящего вдоль Камчатского перешейка на участке п. Оссора – п. Тиличики.

В результате интерпретации материалов МОВЗ были построены глубинные разрезы с выделением разделов Мохо, Конрада, консолидированной коры и других границ литосферы [4]. По данным МТЗ построен двумерный геоэлектрический разрез, где показано распределение электропроводности в земной коре и верхней мантии. На основе материалов гравиметрической съемки м-ба 1:200 000 выполнено слоисто блоковое геоплотностное моделирование. В результате комплексной интерпретации геолого-геофизических данных, подготовлена глубинная геолого-геофизическая модель с выделением верхней, нижней коры, материковой верхней мантии и фрагментов верхней мантии обдуцированной плиты [1,2,3], выделены коровые и коромантийные разломы. В модель внесены проекции гипоцентров наиболее сильных сейсмических толчков, произошедших к юго-западу от п-ва Ильпыр в 2013 г. Проведен анализ глубинного строения земной коры и верхней мантии, выделены блоки, в которых произошла сейсмическая разрядка. 

Список литературы:

1. Мишин В.В., Нурмухамедов А.Г., Белоусов С.П. Палеосубокеанический тип земной коры на северо-востоке Камчатки. Тихоокеанская геология. 2003. № 5. С. 58 – 72.
2. Нурмухамедов А.Г. Результаты интерпретации глубинных геофизических исследований, проведенных в районе Камчатского перешейка и материковой части Камчатского края в свете сейсмической активности в Олюторском районе // Геофизический мониторинг и проблемы сейсмической безопасности Дальнего Востока России: Тр. региональной научно-технической конф. Т. 1. Петропавловск-Камчатский: ГС РАН, 2008. С. 194-199.
3. Нурмухамедов А.Г., Мороз Ю.Ф. Особенности геологического строения северо-восточной части Корякско-Камчатской складчатой области по данным глубинных геофизических исследований // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2008. № 1, вып. № 11. С. 125-133.

4. Нурмухамедов А.Г., Недядько В.В., Ракитов В.А., Липатьев М.С. Границы литосферы на Камчатке по данным метода обменных волн землетрясений // Вестник КРАУНЦ. Науки о Земле. 2016. № 1. Вып. № 29. С. 35-52.

Настоящее исследование направлено на формулировку математической модели эволюции геофизических полей различной природы в районе измерительной скважины Г-1 (Камчатский геодинамический полигон), вызванной изменением напряженно-деформированного состояния геосреды при подготовке сильного близкого землетрясения. На основе разработанной модели проведено прямое численное мультифизическое моделирование изменения напряженно-деформированного состояния среды в районе скважины с учетом ее конкретного геологического строения, и вызванных им изменений фильтрационных, концентрационных и электрических полей. Необходимость проведения прямого численного моделирования обозначенных явлений обусловлена необходимостью верификации физического базиса, ранее предложенного авторами, для объяснения закономерностей изменения геофизических параметров в районах ряда измерительных скважин при подготовке и реализации относительно близких и сильных сейсмических событий.

В результате моделирования для стационарных условий, соответствующих асейсмичному периоду, вычислена схема питания скважины Г-1, показано, что основная миграция флюида к скважине осуществляется по разлому Совхозный (характерная скорость 12-15 м/сутки). На основе решения диффузионной задачи получено распределение концентрации хлорида натрия во флюиде, заполняющем порово-трещинное пространство геосреды в районе скважины Г-1. Показано, что минерализация флюида на забое скважины определяется в основном минерализацией флюида с более глубоких горизонтов. На базе решения диффузионной задачи получено решение задачи электрокинетики о появлении потенциала течения, вызванного фильтрацией проводящего флюида в пористой среде, величина которого в районе забоя скважины не превышает 100-120 мВ.

Установленные стационарные распределения и закономерности в асейсмичный период функционирования скважины Г-1 были использованы в качестве начальных условий при решении задачи эволюции геофизических полей в районе скважины при подготовке близкого сильного землетрясения.

Работа выполнена при финансовой поддержке гранта Президента РФ для государственной поддержки молодых российских ученых – кандидатов наук (МК-2682.2017.5).

С использованием программы PetraSim v.5.2 (пре- и постпроцессор программы TOUGH2), проведено моделирование процесса циклического изменения давления в скважине 30 Мутновского геотермального месторождения (с амплитудой около 1 бар). Для этого была построена одномерная радиальная модель, материальные свойства в модели заданы одинаковыми во всех элементах. На внешней границе модели заданы условия Fixed State (постоянные значения давления и температуры равные 44.7 бар и 259 οС соответственно). В элементе 1 (скважина) задана «скважина на самоизливе», моделирующая разгрузку теплоносителя. В этот же элемент 1 задается приток глубинного теплоносителя (вода).

В результате моделирования с использованием модуля состояния EOS1 (однокомпонентный многофазный флюид) было установлено соответствие моделирования и фактических данных при расходе воды 7,5 кг/с, энтальпии 1129 кДж/кг и  ее импульсном поступлении с 5 минутным интервалом.

По результатам моделирования при использовании модуля состояния EOS2 (однокомпонентный многофазный флюид + CO2), обнаружено, что хорошая сходимость модельных и фактических данных циклического изменения давления в скважине 30 достигается при совместном циклическом расходе флюида и углекислого газа. Наиболее высокая сходимость с фактическими данными достигнута при расходе флюида 7 кг/с. и CO2 – 0,01 кг/с.

Создана 2D модель неглубокозалегающего продуктивного резервуара, позволившая понять основные особенности инжекции холодной воды из озера через каналы затопленных гейзеров, и через размытые селевыми потоками окна в водоупорном слое на участке, выше по течению реки Гейзерной. Проанализированы результаты мониторинга за режимом основных гейзеров, а также результаты моделирования последствий инжекции холодной воды в локальную часть гидротермальной системы Долины Гейзеров.