УДК 550.349 (550.837.311+550.8.056)

СЕЗОННЫЕ ВАРИАЦИИ УДЕЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В ВЕРХНИХ СЛОЯХ ЗЕМНОЙ КОРЫ

© 2018 г. А.В. Дещеревский1, И.Н. Модин2, А.Я. Сидорин1

1 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, г. Москва, Россия

2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, г. Москва, Россия

Автор для переписки: А.Я. Сидорин, e-mail: al_sidorin@hotmail.com

Аннотация

Для прогнозирования последствий сильных землетрясений важно знать характеристики грунтов. В принятых методах такой оценки фактически игнорируется тот факт, что свойства грунтов могут очень сильно меняться в течение года. По-видимому, это связано с отсутствием данных, необходимых для такого учета. В настоящей работе на примере анализа данных многолетнего мониторинга методом вертикального электрического зондирования (ВЭЗ) на стационарной установке с большим количеством разносов исследуются сезонные вариации удельного электрического сопротивления на различных глубинах приповерхностной части разреза в районе хребта Петра Первого в Таджикистане. По данным многолетних прецизионных ежедневных измерений была построена 4-слойная горизонтально-слоистая модель геоэлектрического разреза. Амплитуда сезонных вариаций удельного сопротивления в каждом слое оценивалась как отношение стандартного отклонения сезонной вариации к среднемноголетней величине удельного сопротивления. В верхнем слое разреза (глубина 0–1.5 м) амплитуда сезонной вариации достигает 20%, а ее форма хорошо согласуется с сезонным ходом кажущегося сопротивления на малых разносах. Во втором (глубина 1.5–10 м) и третьем (глубина 10–66 м) слоях геоэлектрического разреза амплитуда сезонной волны быстро убывает, составляя менее 1% в третьем слое. В четвертом слое геоэлектрического разреза (глубина от 66 м и более) эта амплитуда вновь увеличивается и достигает 2%. При этом разница максимального и минимального значения сезонной волны (т.е. ее размах) достигает 7%. Одно из возможных объяснений столь высокой амплитуды сезонных вариаций удельного сопротивления на глубинах в сотни метров состоит в наличии глубинной зоны аэрации с годовым регулированием уровня и минерализации подземных вод. Полученные результаты необходимо учитывать в разведочной геофизике, при инженерных изысканиях и учете свойства грунтов при прогнозировании возможных последствий сильных сейсмических воздействий.

Ключевые слова: верхняя часть разреза, удельное электрическое сопротивление, сезонные изменения, свойства грунтов, влияние на оценки сейсмических воздействий, прецизионный геоэлектрический мониторинг, вертикальное электрическое зондирование, решение обратной задачи, горизонтально-слоистая модель, Гармский полигон

Цитирование: Дещеревский А.В., Модин И.Н., Сидорин А.Я. Сезонные вариации удельного электрического сопротивления в верхних слоях земной коры // Вопросы инженерной сейсмологии. 2018. Т. 45, № 3. С. 68–83. DOI: 10.21455/VIS2018.3-6

Литература

Амеличев Г.Н., Вахрушев Б.А., Дублянский В.Н. Гидродинамика и эволюция спелеоморфогенеза Амткельской карстовой системы (Западная Абхазия) // Геополитика и экогеодинамика регионов. 2007. Вып.2. С. 52–60.

Барсуков О.М., Сорокин О.Н. Изменение кажущегося сопротивления горных пород в Гармском сейсмоактивном районе // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1973. № 10. С. 100–102.

Барсуков О.М., Краснюк П.Д., Листов Н.А., Сорокин О.Н. Ориентировочная оценка размеров зоны подготовки землетрясения по измерению электрического сопротивления горного массива // Предвестники землетрясений. М.: ВИНИТИ, 1973. С. 207–214.

Бектемиров А.И., Романов В.П. Режимные электрометрические наблюдения на Фрунзенском прогностическом полигоне // Прогноз землетрясений. 1988. № 9. С. 95–108.

Богданов М.И., Калинин В.В., Модин И.Н. Применение высокоточных низкочастотных электроразведочных комплексов для ведения длительного мониторинга опасных инженерно-геологических процессов // Инженерные изыскания. 2013. № 10/11. С. 110–115.

Гусев А.С., Мазина С.Е. Движение карстовых вод системы Снежная (Западный Кавказ): Результаты индикаторного опыта 2010 года // Спелеология и спелестология. 2010. № 1. С. 121–124.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Экспериментальные исследования сезонных вариаций кажущегося сопротивления применительно к задачам сейсмологии // Сейсмические приборы. 1999а. Вып. 32. С. 62–75.

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Некоторые вопросы методики оценки среднесезонных функций для геофизических данных. М.: ОИФЗ РАН, 1999б. 40 с. ISBN: 5-201-926-3

Дещеревский А.В., Сидорин А.Я. Сезонные и прогностические вариации кажущегося сопротивления // Докл. РАН. 2000. Т. 370, № 4. С. 529–533.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Сидорин А.Я. Спектрально-временные особенности сезонных изменений кажущегося сопротивления // Физика Земли. 1997. № 3. С. 53–63.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Сидорин А.Я. Организация банка данных геоэлектрического мониторинга на Гармском полигоне и свойства временных рядов // Сейсмические приборы. 1998. Вып. 30. С. 61–79.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Проблемы анализа временных рядов с пропусками и методы их решения в программе WinABD // Геофизические процессы и биосфера. 2016а. Т. 15, № 3. С. 5–34.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Технологии анализа геофизических временных рядов. Ч. 1. Требования к программе обработки // Сейсмические приборы. 2016б. Т. 52, № 1. С. 61–82.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Технологии анализа геофизических временных рядов. Ч. 2. WinABD – пакет программ для сопровождения и анализа данных геофизического мониторинга // Сейсмические приборы. 2016в. Т. 52, № 3. С. 50–80.

Дещеревский А.В., Журавлев В.И., Никольский А.Н., Сидорин А.Я. Программный пакет ABD – универсальный инструмент для анализа данных режимных наблюдений // Наука и технологические разработки. 2016г. Т. 95, № 4. С. 35–48. (Темат. вып. «Импортозамещение в геофизике». Ч. 2. Аппаратура и программное обеспечение). DOI: 10.21455/std2016.4-6

Дещеревский А.В., Модин И.Н., Сидорин А.Я. Метод построения модели геоэлектрического разреза с учетом сезонных вариаций по данным многолетнего мониторинга методом ВЭЗ для поиска предвестников землетрясений // Сейсмические приборы. 2017. Т. 53, № 4. C. 61–80. DOI: 10.21455/si2017.4-5

Дещеревский А.В., Модин И.Н., Сидорин А.Я. Построение оптимальной модели геоэлектрического разреза по данным режимных ВЭЗ на примере центральной части Гармского полигона // Геофизические процессы и биосфера. 2018. Т. 17, № 3. С. 109–140. DOI: 10.21455/GPB2018.3-7

Журавлев В.И., Зейгарник В.А., Сидорин А.Я. Электромагнитные зондирования земной коры Гармского полигона одиночными импульсами. М.: ОИФЗ РАН, 1997. 208 с.

Заборовский А.И. Электроразведка: Учебник для вузов. М.: Гостоптехиздат, 1963. 423 с.

Зейгарник В.А., Сидорин А.Я. МГД-генератор «Памир-1» в исследованиях по прогнозу землетрясений // Сейсмические приборы. 1997. Вып. 27. С. 77–91.

Климчук А.Б. Развитие глубочайших карстовых систем и субмаринная разгрузка массива Арабика (Западный Кавказ): роль позднемиоценовой регрессии восточного паратетиса // Геология и полезные ископаемые Мирового океана. 2018. № 1 (51). С. 58–82.

Куфуд О. Зондирование методом сопротивлений. М.: Недра, 1984. 270 с.

Нерсесов И.Л., Сидорин А.Я., Журавлев В.И., Велихов Е.П., Волков Ю.М., Кукса Ю.И., Венгерский В.В., Бабаков Ю.П., Писакин А.В., Исаев Ю.И., Назаровский В.В. Прогноз землетрясений методом глубинного электрического зондирования земной коры с использованием МГД-генератора "Памир-1" // Докл. АН СССР. 1979. Т.245, №1. С.55–58.

Осташевский М.Г., Сидорин А.Я. Метод и результаты электрометрических наблюдений в сейсмоактивном районе // Докл. АН СССР. 1985. Т. 282, № 2. С. 295–299.

Осташевский М.Г., Сидорин А.Я. Аппаратура для динамической геоэлектрики. М.: Наука, 1990. 206 с.

Осташевский М.Г., Сидорин А.Я. Многофункциональная станция электрического зондирования и результаты ее использования // Комплексные исследования по прогнозу землетрясений. М.: Наука, 1991. С. 182–199.

Осташевский М.Г., Полтанов А.Е., Сидорин А.Я. Генераторная техника для исследований по прогнозу землетрясений методом электромагнитных зондирований с накоплением сигналов // Сейсмические приборы. Вып.27. М.: ОИФЗ РАН, 1997. С.15–20.

Сидорин А.Я. Вариации электрического сопротивления верхнего слоя земной коры // Докл. АН СССР. 1984. Т.278, №2. С.330–334.

Сидорин А.Я. Результаты прецизионных наблюдений за вариациями кажущегося сопротивления на Гармском полигоне // Докл. АН СССР. 1986. Т. 290, № 1. С. 81–84.

Сидорин А.Я. (ред.). Гармский геофизический полигон. М.: Наука, 1990. 240 с.

Сидорин А.Я. Предвестники землетрясений. М.: Наука, 1992. 192 с.

Сидорин А.Я., Осташевский М.Г. Методика прецизионного электрического зондирования при поиске предвестников землетрясений // Сейсмические приборы. Вып.25–26. М.: ОИФЗ РАН, 1996. С. 189–211.

Сидорин А.Я., Осташевский М.Г. Опыт режимных дипольных зондирований с аппаратурой СЭЗ-1 // Сейсмические приборы. 1999. Вып.32. С. 54–61.

Сидорин А.Я., Осташевский М.Г. Результаты применения аппаратуры СЭЗ на Гармском полигоне // Сейсмические приборы. 2000. Вып.34. С. 72–88.

Хмелевской В.К., Шевнин В.А. (ред.). Электрическое зондирование геологической среды. Ч. 1. М.: Изд-во МГУ, 1988. 176 с.

Хмелевской В.К., Шевнин В.А. (ред.). Электрическое зондирование геологической среды. Ч. 2. М.: Изд-во МГУ, 1992. 200 с.

Loke M.H., Dahlin T., Rucker D.F. Smoothness-constrained time-lapse inversion of data from 3D resistivity surveys // Near Surf. Geoph. 2014. No. 12. P. 4–24.

Supper R., Ottowitz D., Jochum B., Kim J.H., Römer A., Baron I., Pfeiler S., Lovisolo M., Gruber S., Vecchiotti F. Geoelectrical monitoring: an innovative method to supplement landslide surveillance and early warning // Near Surf. Geoph. 2014a. No. 12. P. 133–150.

Supper R., Ottowitz D., Jochum B., Römer A., Pfeiler S., Kauer S., Keuschnig M., Ita M. Geoelectrical monitoring of frozen ground and permafrost in alpine areas: field studies and considerations towards an improved measuring technology // Near Surf. Geoph. 2014b. No. 12. P. 93–115.

Wilkinson P., Chambers J., Kuras O., Meldrum P., Gunn D. Long-term time-lapse geoelectrical monitoring // First Break. 2011. V. 29. P. 77–84.

Сведения об авторах

ДЕЩЕРЕВСКИЙ Алексей Владимирович – кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7 (499) 254-90-35. E-mail: adeshere@ifz.ru

МОДИН Игорь Николаевич – доктор технических наук, профессор, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова. 119991, г. Москва, Ленинские горы, д. 1. E-mail: imodin@yandex.ru

СИДОРИН Александр Яковлевич – кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией, Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. 123242, г. Москва, ул. Большая Грузинская, д. 10, стр. 1. Тел.: +7 (499) 254-42-68. E-mail: al_sidorin@hotmail.com

SEASONAL VARIATIONS OF SPECIFIC ELECTRIC RESISTIVITY

IN UPPER LAYERS OF THE EARTH CRUST

A.V. Desherevskii1, I.N. Modin2, A.Ya. Sidorin1

1 Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

2 Lomonosov Moscow State University, Moscow, Russia

Corresponding author: A.Ya. Sidorin, e-mail: al_sidorin@hotmail.com

Abstract. For predicting the effects of strong earthquakes, it is important to know the ground characteristics. In the usual methods of such an assessment, the fact is ignored that the ground properties can vary greatly during the year. This is due to the lack of data required for such accounting. In this paper, using the example of the analysis of long-term VES monitoring data on a stationary line array with a large number of spacings, we study seasonal variations in electrical resistivity at different depths in the near-surface part of the section in the area of ​​Peter the Great Range in Tajikistan. According to the data of long-term precise daily measurements, a 4-layer horizontal-layered model of the geoelectrical section was constructed. The amplitude of seasonal variations in specific resistivity in each layer was estimated as the ratio of the standard deviation of seasonal variation to the multiyear average of specific resistivity. In the upper part of the section (depth 0–1.5 m), the amplitude of the seasonal variation reaches up to 20%, and its shape agrees well with the seasonal variation of apparent resistivity at small spacings. In the second (depth 1.5–10 m) and third (depth 10–66 m) layers of the geoelectric section, the amplitude of the seasonal wave decreases rapidly, being less than 1% in the third layer. In the fourth layer of the geoelectric section (depth from 66 m and more), the amplitude of the seasonal changes increases again and reaches 2%. In this case, the difference between the maximum and minimum values ​​of the seasonal wave (i.e., its range) reaches 7%. One of the possible explanations for such a high amplitude of seasonal variations in specific resistivity at depths of hundreds of meters is the presence of a deep aeration zone with annual regulation of the level and salinity of groundwater. The obtained results must be taken into account in exploration geophysics, in engineering surveys and taking into account the properties of soils when predicting the possible consequences of strong seismic effects.

Keywords: shallow structure, electrical resistivity, seasonal changes, ground properties, effect on seismic load estimates, precise geoelectric monitoring, vertical electrical sounding, inverse problem solution, horizontal-layered model, Garm research area

Cite this article as: Desherevskii A.V., Modin I.N., Sidorin A.Ya. Seasonal variations of specific electric resistivity in upper layers of the earth crust, Voprosy Inzhenernoi Seismologii (Problems of Engineering Seismology), 2018, Vol. 45, No. 3, pp. 68–83. [in Russian]. DOI: 10.21455/VIS2018.3-6

English translation of the article will be published in Seismic Instruments, ISSN: 0747-9239 (Print) 1934-7871 (Online), https://link.springer.com/journal/11990), 2019, Volume 55, Issue 3.

About the authors

DESHCHEREVSKII Alexey V. – Cand. Sci. (Phys. and Math.), leading researcher, Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences. Moscow, Russia. Tel.: +7 (499) 254-90-35. E-mail: adeshere@ifz.ru

MODIN Igor N. – Dr. Sci. (Tech.), professor, Lomonosov Moscow State University. Moscow, Russia. E-mail: imodin@yandex.ru

SIDORIN Alexander Ya. – Cand. Sci. (Phys. and Math.), head of laboratory, Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of Sciences. Moscow, Russia. Tel.: +7 (499) 254-42-68. E-mail: al_sidorin@hotmail.com