Description:

"Экологическая и инженерная геофизика Американский проект по исследованию причин движений земной коры US project focuses on what makes the Earth move Джон Р. Стоуэлл (John R. Stowell) президент компании Mount Sopris Instrument, шт. Колорадо, США, рассказывает о геофизических исследованиях верхней части разреза в рамках американского проекта EarthScope, нацеленного на изучение геологического строения, истории геологического развития и геодинамики Северной Америки. Геологической истории есть масса напоминаний о том, что "terra firma - твердая земля", на которой мы живем, не столь тверда. Вспомнив древнее извержение Везувия, уничтожившее Помпеи, современные извержения Кракатау и Маунт Хелен и землетрясения в Сан-Франциско и Кобе, неизбежно приходишь к выводу, что верхняя часть земной коры - динамическая система. В конце XVIII в. Хаттон (Huton) и ряд других ученых удивили научное (и богословское) сообщество, предложив совершенно новую модель строения планеты Земля. Данные наблюдений по нескольким континентам резко изменили представления о возрасте и составе земных недр. В течение следующего века эти радикальные идеи находили все большую поддержку и, наконец, были приняты учеными. А на протяжении последних 30 лет Хесс (Hess) и другие подтвердили общую теорию тектоники плит данными глобальных и внеземных наблюдений. Земля оказалась не просто очень старым слоистым шаром; земная кора подвергалась пусть очень медленным, но непрерывным деформациям. В океанических хребтах выдавливался новый материал, а плиты размером с континент уносили старые породы обратно в глубины Земли. Катастрофы, подобные извержению Маунт Хелен и землетрясению в Кобе, показывают, что неожиданные изменения в верхней части разреза приводят к серьезным экономическим и экологическим последствиям. Неудивительно, что государственные органы и международные организации обратились к мировому научному сообществу за помощью в минимизации эффектов таких событий. В Японии и США для этой проблемы работают несколько программ. Национальному научному фонду (ННФ, National Science Foundation) США поручено вести программу EarthScope. ННФ - независимое агентство при правительстве США, созданное на основании Закона о Национальном научном фонде 1950 г. Задача программы EarthScope состоит в использовании современных методов наблюдения, анализа и передачи данных для исследования строения и истории Североамериканского континента и физических процессов, приводящих к землетрясениям и извержениям вулканов. В рамках программы используются разнообразные инструменты на многих наблюдательных пунктах, что существенно повышает возможности наук о Земле и позволяет лучше понять рис. 1 строение, историю и динамику Северной Америки. В рамках EarthScope исследованиями верхней части разреза занимаются два подразделения. Одно из них - Подземная обсерватория разлома Сан-Андреас (San Andreas Fault Observatory at Depth - SAFOD; рис. 1) ведет отбор проб горных пород и флюидов непосредственно из разломной зоны, измерение большого числа параметров разломной зоны и мониторинг подвижной сейсмически активной зоны на глубине. Через зону разлома Сан-Андреас будет пробурена скважина глубиной 3,2 км, которая пройдет вблизи очага Паркфилдского землетрясения 1966 г. (магнитуда 6 баллов), где разлом идет через область скопления очагов землетрясений малой и средней магнитуды и сейсмических сбросов. К августу 2004 г. Скважина достигла глубины около 1,45 км и начата подготовка обсадной колонны диаметром 34 см (13 3/8 дюйма) для следующего этапа бурения. На глубине примерно 3 км будет сделана попытка повернуть ствол скважины, чтобы разбурить саму разломную зону. Обсерватория SAFOD позволит по-новому, изнутри, взглянуть на состав и физические свойства вещества разломной зоны. Она также даст возможность напрямую проводить лабораторное и математическое моделирование для прогноза землетрясений. Рис. 2 Имеется множество непроверенных и неопробованных лабораторных и теоретических моделей физики процесса образования разломов и землетрясений. Бурение, отбор образцов и скважинные измерения непосредственно внутри разломной зоны Сан-Андреас позволят проверить многие из этих гипотез. Проект SAFOD позволит получить образцы пород и флюидов разломной зоны и провести детальные геофизические измерения в скважине. Планируется установка датчиков для длительного мониторинга разломной зоны и примыкающих областей. В рамках программы EarthScope работает также геодезическая обсерватория границы плит (Plate Boundary Observatory - PBO), предназначенная для трехкомпонентных измерений поля напряжений поперек активной пограничной зоны на западе США, разделяющей Североамериканскую и Тихоокеанскую плиты. Обсерватория состоит из ряда станций GPS, расположенных у поверхности Земли и датчиков давления на глубине несколько сотен метров. Проект PBO осуществляет некоммерческая организация UNAVCO, объединяющая 30 американских университетов и 6 зарубежных организаций. UNAVCO финансирует применение высокоточных геодезических технологий и способов измерения напряжений. Используя три различных элементарных установки, на обсерватории PBO предполагается измерять поле напряжений на границе плит в целом, а также локальные напряжения вблизи разломных зон и очагов магмы на западе Северной Америки и на Аляске. Дополнительно имеется набор переносных средств, которые позволят дополнить данные стационарных пунктов измерения батареи и система слежения за солнцем двухчастотный приемник GPS со спутниковым модемом антенна спутниковой связи (Интернет) солнечные батареи антенна двухчастотного приемника GPS заглубленные опоры кабельные линии опоры заглублены на 10-15 м рис. 3 Экологическая и инженерная геофизика БУРЕНИЕ ДЛЯ УСТАНОВКИ ДАТЧИКА НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ (СПОСОБ 2) Разработка UNAVCO рис. 4 1) установить металлическую колонну (25-30 см) на глубину более 6-7 м. 2) пробурить турбобуром (12-15 см) 150 м или до достижения подходящих пород 3) пробурить с отбором керна 30-50 м, определить место для датчика 4) разбурить до диаметра 30-35 см участок длиной 12-15 м выше места для датчика 5) в расширенной части установить и зацементировать стальную колонну (16 см) 6) разбурить до диаметра 15 см минимум интервал отбора керна и еще 2-3 м Данные по Канаде и Мексике. Эту "аппаратуру поля боя" можно также применять в местах угрозы вулканической или тектонической опасности. Опорная сеть будет состоять из 116 новых и 20 существующих приемников, которые позволят осуществлять долгопериодический мониторинг всей границы плиты на большой территории, включающей и восточную часть США. На западе Северной Америки и на Аляске расстояние между приемниками составит 200 км, а на востоке США - 500 км (рис. 2). Типичная опорная станция GPS показана на рис. 3. Второй основной комплекс аппаратуры (так называемые "кластеры") устанавливается вблизи разломных зон и очагов магмы на западе Северной Америки и на Аляске (см. карту). Будет установлено около 775 станций GPS и 145 скважинных датчиков напряженного состояния. Датчики напряженного состояния будут установлены в коренных породах в течение пяти лет, начиная с конца 2004 г. Начать планируется с области Каскадия (Cascadia) на Олимпийском полуострове, шт. Вашингтон. Там будет установлено 12 датчиков; еще 4 - в области Паркфилд на севере Калифорнии. Остальное оборудование будет установлено через 3-5 лет. Глубина заложения датчиков будет, в зависимости от места, от 80 до 200 м. При бурении скважин будет проведен каротаж в составе термометрии, съемки ПС, кавернометрии и исследования с помощью ориентированных акустических камер. Для оценки механических свойств пород и состояния цементации возможно применение акустического каротажа. Типовые каротажные диаграммы показаны на рис. 4. В скважинный комплекс входит также видеосъемка, позволяющая геологу как бы видеть полный керн скважины. Акустические данные говорят о прочности породы, а механическая и акустическая кавернометрия позволит выбрать глубину для заложения трехкомпонентного датчика напряжений. Типовой набор методов исследования скважин представлен на рис. 5. Бурение производится с отбором полного керна с целью выбора мест для заложения датчиков напряжений и для отслеживания упругих эффектов в порах в возможных проницаемых пластах. Информация по керну дополняется данными каротажа. Скважины частично обсаживаются стальной колонной диаметром 16,8 см (6 5/8 дюйма) с цементацией. Трехкомпонентный датчик напряжения помещается в необсаженной части скважины в 12-15 м после конца обсадной колонны на расстоянии 0,3 - 0,6 м от забоя в месте, где по данным каротажа и по керну нет трещин и каверн. При необходимости скважина заполняется цементом от забоя в направлении устья до тех пор, пока не найдется подходящее место для датчика. Подготовка необсаженной части скважины к размещению датчика ведется с большой осторожностью (рис. 6). Датчик помещается в мягкую цементную смесь, которую аккуратно подают через спускаемый в скважину дозатор. В ходе установки работа датчика напряжения постоянно проверяется. После затвердевания цемента в течение ночи через тонкую трубу" Ключевые слова: кабель, измерение, датчик, забой, экран, солнечный батарея, диаметр, движение плита, установка, сша, отбор, станция, колонна, исследование, напрячь, разы, состав, разбурить, оборудование, зазор, время, трехкомпонентный измерение, мониторинг, вблизи, датчик напрячь, способ, область, место, стальная колонна, америка аляска, геологический, эффект, год, керн, приемник, помощь, разрез, данные каротаж, экологический, северный америка, аляска, каротаж, состояние, установка датчик, граница, цементация, трехкомпонентный датчик, америка, инженерный геофизик, часть, земной, хелен, геофизик, верхний часть, разлом, верхний разрез, инженерный, поле, трехкомпонентный, строение история, северный, несколький, приёмник, экологический инженерный, континент, информация, обсерватория, км, процесс, строение, акустический, извержение, учёный, реальный время, упругий, запад, система, пробурить, трубка, скважинный, организация, обсадный колонна, изменение, специальный, разломный зона, история, сентябрь, чувствительность, необсаженный часть, заложение, полный керн, американский, напряжение, расстояние, долгопериодический изменение, ход, порода, антенна, земля, очаг, землетрясение, сентябрь экологический, ряд, очаг магма, давление, флюид, период, диам, напряжённый состояние, реальный, шт, движение, поровая давление, батарея, программа, запад северный, установленный, разломный, секунда, плита, скважина, чувствительный, течение, сообщество, датчик напряжение, выпуск, глубина, проект, долгопериодический, цемент, сеть, сейсмоприёмник, рамка, специальный выпуск, верхний, зависимость, сигнал, тонкий трубка, напрячь состояние, свойство, наблюдение, бурение, зона