Резонансы гравитационных приливов - мощный энергетический источник геодинамических процессов в земной коре

Ньютон на основе закона всемирного тяготения объяснил природу приливов в морях и океанах. Гравитационные приливы характерны не только для морской среды (где они легко наблюдаются человеком без приборов), но и для земной коры. Современные лазерные интерферометры-деформометры, высокоточные гравиметры и GPS-приемники позволяют регистрировать приливные волны в геологической среде [1, 2]. При морских приливах вещество перемещается в пространстве, в земной коре приливы приводят только к вертикальным колебаниям частиц горных пород и вызывают изменения тензора напряженно деформированного состояния (НДС) геологической среды [3].

В средних широтах дважды в сутки поверхность Земли и границы раздела внутри земной коры смещаются вдоль радиуса Земли на 30÷40 см [4].

Установлено [3, 4], что приливы имеют сложную структуру: наиболее изучены приливы вдоль экватора (параллелей), образующие бегущую волну. Приливы вдоль меридианов между полюсами и экватором, согласно исследованиям Эри (1845 г.), представляют собой стоячие волны. Приливы делятся на суточные, полусуточные, полумесячные – 14÷15 суток и более длительные, связанные с движением Земли вокруг Солнца [4].

Гравитационные приливы постоянно регистрируются специальной аппаратурой (в том числе лазерными интерферометрами-деформометрами) на геодинамических полигонах РАН и других организаций [5]. Возникновение резонансов гравитационных приливов в земной коре следует из ньютоновской теории тяготения [3].

В русскоязычной литературе нам не удалось найти примеры проявлений резонансов гравитационных приливов в земной коре. Кроме «классических» приливов на напряжённо-деформированное состояние (НДС) геологической среды оказывают влияние и другие циклические гравитирующие факторы. В частности, известно, что вокруг Солнца вращается не центр тяжести планеты Земля, а так называемый барицентр системы Земля – Луна. При этом в связи с различием масс (масса Луны ≈ в 81 раз меньше массы Земли) барицентр находится внутри Земли и колеблется на глубине от 1200 до 1900 км от поверхности Земли в течение лунного месяца. Известно, что если центр тяжести физической системы не совпадает с геометрическим центром, то при вращении возникают периодические колебания напряжений (деформаций). Таким образом, помимо гравитационного (приливного) влияния Луны и Солнца литосфера Земли постоянно подвергается волнам сжатия-растяжения за счет изменения положения барицентра. В 2009 г. авторами была обоснована необходимость учета колебаний барицентра при оценке приливных воздействий на геологическую среду [6]. Для расчёта координат барицентра использовался программный комплекс Калифорнийского технологического института (США) для эфемерид [7].

Нормировка приливных факторов для оценки воздействия на напряжённо-деформированное состояние геологической среды

В течение лунно-солнечного месяца расстояние Земля – Луна изменяется примерно на 40 тыс. км, фазы Луны изменяются от полнолуния до отсутствия Луны на небосводе («черная» Луна), а барицентр системы Земля – Луна колеблется примерно на 700 км внутри литосферы – верхней мантии. Для того чтобы увязать упомянутые гравитирующие факторы в единую систему отсчета, была использована нормировка параметров гравитирующих факторов в интервале от нуля до единицы (0;1). При этом за единицу принято максимальное значение параметра в течение года, а за 0 – минимальное годовое значение.

В результате получены графики изменения во времени нормированных к единице параметров гравитирующих факторов (расстояние Земля – Луна, фазы Луны, расстояние барицентра от поверхности Земли и от наблюдателя, т.к. барицентр в любой точке не только колеблется по вертикали, но и «обегает» земной шар вдоль параллелей).

При этом максимальное влияние на НДС геологической среды земного шара оказывают колебания барицентра в интервале ±28-30° относительно плоскости эклиптики.

На рис. 1 представлен фрагмент нормированных параметров приливных гравитирующих факторов для наблюдателя, находящегося в пункте с координатами 53° с.ш. и 91° в.д.

Приливные волны способны входить в резонанс между собой при известных условиях близости частоты и фазы. Длиннопериодные (14-15 суток) гравитационные приливы удовлетворяют этим условиям, поэтому графики гравитирующих факторов образуют точки пересечения, которые мы рассматриваем в качестве индикатора резонансов гравитационных приливов. Время резонансов можно рассчитать с помощью аппарата MatLab как точку пересечения двух функций X и Y:

X=[];

Y=[];

for i=1:3

k=i+2;

for j=1:4-i

[xi,yi] = polyxpoly(A(:,1),A(:,i+1),A(:,1),A(:,k));

k=k+1*

X=[X;xi]'

Y=[Y;yi];

end end

При подготовке рисунков мы для наглядности пользовались графической формой. Принцип графического прогноза резонансов различных гравитирующих факторов представлен на рис. 1. В дальнейшем изложении на всех рисунках использовались условные обозначения, принятые для рис. 1.

Следует отметить, что основной результат наших исследований – прогнозирование и регистрация резонансов гравитационных приливов в различных геофизических полях.

Примеры проявления резонансов гравитационных приливов

Обоснованность предположения о приуроченности пересечений графиков гравитирующих факторов к резонансам приливов подтверждена многолетними экспериментальными дан-

Рис. 1. Резонансы деформационных приливов и момент аварии на Саяно-Шушенской ГЭС на реке Енисей (Красноярский край, 17.08.2009)

ными. В частности, на рис. 2 представлена корреляция между резонансами гравитационных приливов, сейсмической, электромагнитной эмиссией и эмиссией радона в подземных водах.

При геодинамическом мониторинге в 2007-2015 гг. на п-ове Камчатка, о. Сахалин и в Алтае-Саянской области постоянно наблюдаются резонансы гравитационных приливов [2, 8].

Принципиальное отличие позиции авторов от других исследователей заключается в допущении в качестве энергетического источника напряжённо-деформированного состояния (НДС) геологической среды не только лунно-солнечных приливов, но и колебаний барицентра системы Земля – Луна. При этом основное энергетическое воздействие на геологическую среду оказывают не сами приливы, а резонансы приливных факторов различных типов, включая взаимодействие лунно-солнечных приливов с колебаниями барицентра. На рис. 3-8 изображены примеры проявления резонансов гравитационных приливов в различных геофизических полях.

Как видно из рис. 2, структура ЕИЭМПЗ, эмиссии радона, сейсмической эмиссии чётко коррелируются с пересечением графиков гравитирующих факторов, т.е. с резонансами гравитационных приливов. Во всех регионах Сибири и Дальнего Востока эта закономерность проявления резонансов приливов в структуре геофизических данных устойчиво фиксируется.

Сопоставление времени катастрофических (М≥6.0) землетрясений на земном шаре за XX и XXI вв. с расчетными резонансами гравитационных приливов для каждого сейсмического

Резонансы грани!анионных приливов в земной коре и их влияние на сейсмические, электромагнитные (ЕИЭМПЗ) и газгидрохимические (Rn) предвестники Каа-Хемских землетрясений на территории р. Тыва (27 декабря 2011 года и 26 февраля 2012 года)

Рис. 2. Корреляция между структурой естественного импульсного электромагнитного поля Земли, структурой эмиссии радона и расчетными резонансами деформационных приливов

Рис. 3. Распределение частоты совпадения моментов (±12 часов) сильных (М≥6.0) землетрясений в XX-XXI вв. с временами различных типов резонансов гравитационных приливов события позволяет утверждать, что около 80 % катастрофических землетрясений по времени с точностью ±12 ч совпадают с расчетными резонансами [9].

На рис. 3 представлена приуроченность выборки катастрофических землетрясений к определённым типам резонансов (пересечениям графиков различных гравитирующих факторов).

Тесная корреляция (около 80 %) между временем расчетных резонансов и срабатыванием сейсмических очагов зафиксирована в Алтае-Саянском сейсмоактивном регионе, на Камчатке и Сахалине для землетрясений с М≥5.0.

Таким образом, резонансы гравитационных приливов являются триггерами подавляющего большинства сильных и катастрофических землетрясений на земном шаре. Помимо сейсмических очагов резонансы приливов оказывают влияние и на другие геологические объекты. В процессе исследований выявлено влияние резонансов на такие объекты, как скальные массивы, флюидонасыщенные коллекторы в земной коре, а также техногенные сооружения (плотины ГЭС).

Рис. 4 демонстрирует корреляцию амплитуд спектра сейсмических шумов гранитоидного массива (в районе г. Красноярска) с прогнозными резонансами. Как видно, при неучёте колебаний барицентра невозможно объяснить аномалии (A, B, C) амплитуды спектров сейсмических шумов в гранитоидном массиве.

В последние 5 лет (судя по публикациям) усилился интерес исследователей к оценкам влияния гравитационных приливов на геологическую среду. В частности, в литературе анализи- – 151 –

Рис. 4. Амплитуды спектра сейсмических шумов гранитоидного массива и резонансы гравитационных приливов. Аномалии спектра шумов на каналах X, Y, Z (A, B, C и др.) обусловлены резонансом 14-15-дневных лунно-солнечных приливов и колебанием барицентра системы Земля – Луна руется влияние приливов на поведение флюидных (водоносных) систем [10]. Много внимания уделяется вкладу приливов в аномальное гравитационное поле Земли [11 и др.].

Однако при этом исследователи игнорируют вклад колебаний барицентра в формирование НДС геологической среды. Неучёт резонансов гравитационных приливов не позволяет удовлетворительно объяснить результаты экспериментов, выполненных при решении различных задач (от прогноза землетрясений до оценки НДС геологической среды при ГГД мониторин-– 152 – ге и др.). Достаточно сопоставить влияние резонансов двухнедельных приливов с откликом флюидонасыщенных коллекторов [10] (рис. 5), чтобы убедиться, что именно резонансы гравитационных приливов формируют поле напряжений в геологической среде, в частности во флюидонасыщенных коллекторах.

Особенности циклических изменений поля напряжений на геодинамическом полигоне в районе С.-Петербурга [11 и др.], представленные на рис. 6, свидетельствуют о тесной (прак-

Рис. 5. Отклик флюидонасыщенных коллекторов на лунно-солнечные приливы (интерпретация графиков, представленных в статье А.Н. Бесединой и др. [10])*

*Колебания уровня подземных вод в кристаллическом массиве незначительны, тем не менее и в этом случае наблюдается корреляция с резонансами приливов

Рис. 6. Сопоставление данных регистрации приливов сейсмометром в районе С.-Петербурга [11] со временем расчётных резонансов тически 100%-ной) корреляции с резонансами приливов. Все особенности поля напряжений соответствуют расчётным точкам возникновения резонансов.

Резонансы приливов оказывают влияние на НДС крупных техногенных объектов (плотины ГЭС и т.д.). На рис. 7 и 8 представлена наша интерпретация данных о колебаниях плотины в Дагестане (СВАН-диаграмма взята из доклада ИФЗ РАН на конференции «Гальперинские чтения – 2013»), а также колебаний секции плотины в Красноярском крае (исходные данные из отчёта ИФЗ РАН за 2012 г. по геодинамическому мониторингу Саяно-Шушенской ГЭС). Как видно, в НДС плотин ощутимый вклад вносят резонансы гравитационных приливов. К сожалению, влияние резонансов гравитационных приливов на безопасность крупных техногенных сооружений не учитывается. Необходимо пересмотреть принцип организации геодинамиче-ского мониторинга плотин, долговременных хранилищ радиоактивных отходов и других экологически опасных объектов.

В частности, авторы рекомендовали (2013 г.) при модернизации сети геодинамического мониторинга ГХК в районе Красноярск не только обеспечить мониторинг землетрясений и их

Рис. 7. Интерпретация природы аномалий СВАН-анализа собственных колебаний плотины ГЭС в Дагестане. Наблюдается явная корреляция структуры СВАН-диаграммы с резонансами гравитационных приливов

Рис. 8. Интерпретация природы напряжений одной из секций плотины (март 2014 г.)

влияния на техногенные объекты, но и одновременно контролировать медленные волны деформации в геологической среде, которые, по нашим наблюдениям, также генерируются резонансами гравитационных приливов. Известная техногенная катастрофа на Саяно-Шушенской ГЭС (17 августа 2009 г.), вероятно, вызвана резонансом плотины и одиночной волны деформации [8, 12].

Реакция флюидных нефтегазовых объектов на резонансы приливов

В нефтегазовой отрасли резонансы приливов могут использоваться для прямых поисков нефтегазовых залежей (НГЗ) [12,13].

В НГЗ в результате резонанса 14-15-дневных приливов возникают стоячие волны в частотном диапазоне от долей до нескольких Гц (0,1÷3,0 Гц) в зависимости от параметров НГЗ (мощность залежи, её протяженность, флюидонасыщенность) (рис. 9) [13]. Регистрируя на поверхности собственные низкочастотные колебания НГЗ, можно установить местоположение залежи.

Рис. 9. Возникновение стоячих волн в нефтегазовых залежах под влиянием резонанса гравитационных приливов

Амплитудно-фазовые параметры резонансов гравитационных приливов различных типов в земной коре недостаточно исследованы.

Глубина проникновения деформационных волн, вызванных гравитационными резонансами, вероятно, более 30 км, т.е. охватывает земную кору, литосферу и, возможно, мантию (до 2000 км), т.к. в течение «лунного» месяца барицентр системы Земля – Луна перемещается внутри тела Земли на 700 км (от 1200 до 1900 км от поверхности).

Экспериментально установлено, что резонансы гравитационных приливов усиливают собственные колебания (0,1÷5,0 Гц) нефтегазовых залежей, что позволяет использовать их в качестве энергетического источника для прямых поисков нефти и газа. На этом принципе разработана и прошла апробацию технология «Флюидная резонансная сейсморазведка – Регистрация приливных воздействий на нефтегазовые залежи» (ФРС–РПВНГЗ) [14].

Технология ФРС основана на энергии резонансов гравитационных приливов, т.е. используется разновидность природного невзрывного источника волновых процессов в земной коре. В этом её принципиальное отличие от «пассивной» низкочастотной сейсморазведки [15, 16].

В течение 2010-2015 гг. проведены полевые эксперименты на четырёх площадях на Сибирской платформе с различными типами коллекторов [14]:

• 1)    трещинно-кавернозный коллектор;

• 2)    терригенный нефтегазоносный коллектор мощностью от одного до 10-20 м;

• 3)    газонасыщенный коллектор мощностью от 1-2 до 50 м.

Наиболее чётко фиксируются аномалии спектров колебаний газовых залежей (рис. 10 и 11).

На площади с недостаточно изученной нефтегазоносностью (одна скважина) в бассейне р. Подкаменная Тунгуска получены чёткие аномалии, физическая природа которых, вероятно, связана с нефтегазовыми залежами (рис. 12).

залежью

Рис. 10. Реакция газового пласта мощностью около 50 м на резонансы приливов

Рис. 11. Реакция газового пласта мощностью от 1 до 20 метров на резонанс приливов*

*Резонансы 18.03.2016 и 19.03.2016 обусловили максимум амплитуды спектра сейсмических шумов над газовой

В) - 'Эталон энергограммы типа «±»

Рис. 12. Типы энергограмм сейсмических шумов на одной из нефтегазовых площадей в бассейне Подкаменной Тунгуски (по оси абсцисс – частота в Гц; по оси ординат – амплитуда спектров сейсмических шумов); T1 – день, соответствующий резонансу приливов, T2 – безрезонансный день* *При наличии НГЗ регистрируется чёткая разница в амплитудах спектров сейсмических шумов, предложен алгоритм прогноза наличия или отсутствия НГЗ: А, Б, В

Рис. 13. Сопоставление литосферных деформаций в Крыму (по данным Б.Г. Пустовитенко [5]) с различными приливными факторами и их резонансами*

*Структура литосферных деформаций контролируется не только приливными факторами, но и их резонансами. Для демонстрации связи структуры литосферных деформаций с резонансами приливов на рисунке проведены прямые линии, которые любой читатель может провести через все возможные точки резонансов гравитирующих факторов самостоятельно и убедиться в тесной корреляции структуры литосферных деформаций с временными интервалами между резонансами

Оценка напряжений, возникающих при резонансах приливов

Как уже отмечалось, в 2010-2014 гг. авторами предложена графическая методика (см. рис. 1) прогнозирования времени резонансов гравитационных приливов [8]. Однако величина напряжений, которая возникает при этом в геологической среде, оставалась неясной, так как теория недостаточно разработана. Известная программа ETERNA [17] позволяет оценивать напряжения, возникающие в геологической среде при прохождении приливных волн, но она пока не опробована для расчёта напряжений, появляющихся при резонансах приливов.

В условиях отсутствия надёжных теоретических оценок только экспериментальные данные позволяют оценить величину возможных напряжений при возникновении резонанса.

На рис. 14 и 15 представлены результаты регистрации давления и температуры в скважинах на газовом месторождении в Сибири, в пределах которого эффективная мощность газоносного пласта колеблется от 1-2 до 20-30 м.

Анализ рис. 14 и 15 позволяет оценить величину возникающих в горных породах на глубине около 3000 м напряжений при различных типах резонансов. Максимальные отклонения графиков давления связаны с резонансами барицентра и фазы Луны – от 10-12 (рис. 15) до 4-5 % (рис. 14) от уровня горного давления.

К сожалению, количественная оценка величин колебаний давления в упомянутых скважинах (рис. 14 и 15) в результате воздействия резонансов искажена технологическими процессами (изменение диаметра, смена режимов отбора жидкости через штуцер). При гидропрослушивании скважин влияние техногенных факторов можно минимизировать.

Рис. 14. Колебания давления и температуры в скважине под влиянием резонанса приливов (ΔР ≈ 10 атм. при Р0 ≈ 250 атм. или ΔР±4-5 % от нормального горного давления)

Рис. 15. Колебания давления и температуры в скважине (зона В) под влиянием резонанса приливов (зона А) (ΔР ≈ 10-15 атм. при Р0 ≈ 110 атм. или ΔР±10-12 % от нормального горного давления)

С согласия ООО «Альтаир» (г. Томск) мы публикуем сопоставление данных гидропрослушивания одной из скважин на месторождении «Самотлор» с резонансами гравитационных приливов (рис. 16).

Скважина с 28.09.2011 по 25.10.2011 г. находилась в состоянии покоя – велась непрерывная (через 2-3 с) регистрация температуры и давления на уровне нефтяного пласта (мощность около 10 м на глубине 1800 м). На рис. 16 чётко прослеживается связь между аномалиями пластового давления в течение суток с расчётными резонансами гравитационных приливов. Характерное «разрастание» давления в течение суток соответствует возбуждению «стоячей волны» в нефтяном пласте. Максимальная амплитуда волны совпадает со временем резонанса, а амплитуда колебаний давления составляет около 1,5 атм. (при уровне горного давления около 125 атм.). Таким образом, резонанс гравитационных приливов оказывает дополнительное воздействие на нефтяной пласт с силой до 1,5 атм. или 1,5 % от горного давления.

Соответственно, возможные колебания напряжений (деформаций) в скважинах под влиянием различного типа резонансов гравитирующих факторов по экспериментальным данным составляют от 1,5 до 5 % от горного давления.

Влияние колебаний барицентра системы Земля – Луна на геологическую среду

Учитывая, что барицентр системы Земля – Луна в течение синодического месяца колеблется в мантии Земли на глубине от 1200 до 1900 км от поверхности, резонансы приливов – 160 –

Рис. 16. Сопоставление данных гидропрослушивания скважины на Самотлорском месторождении с резонансами гравитационных приливов*

*Наблюдается устойчивая корреляция между шумами, возникающими в нефтяном пласте, и резонансами гравитационных приливов. Только в зоне «возможной техногенной помехи» уровень шумов в пласте связан, по-видимому, не с резонансом приливов, а с неизвестным воздействием охватывают огромные массы геологической среды, включая не только земную кору, но и верхнюю мантию. В результате периодически в земной коре, литосфере и верхней мантии возникают аномальные напряжения, которые неизбежно влияют на различные геодинамические процессы (разрядку очагов землетрясений, усиление собственных колебаний НГЗ, перемещение пластичных масс в мантии с формированием плюмов и т.д.).

В частности, в опубликованной в Nature Geoscience статье [18] по результатам лабораторного моделирования предполагается, что на глубине около 1400 км происходит аномальное (в 2-3 раза) уплотнение – увеличение вязкости ферросиликатов вещества мантии (рис. 17). Именно в этом интервале глубин колеблется барицентр в течение лунного месяца.

На глубинах около 1500 км горное давление достигает от 20 до 60 ГПа или от 200 до 600 тыс. атм. При резонансах приливов и барицентра можно ожидать скачки давления (по отношению к горному давлению на этих глубинах) не менее 1,5-5 %, т.е. от 2 до 30 тыс. атм.

Известно, что для получения искусственных алмазов необходима температура от 1000 до 2000 °С и давление в 20-60 тыс. атм. Эти «алмазные» величины давления вполне сопо-

Рис. 17. Субдуктивная плита в нижней мантии и профили эффективной вязкости: а – изображение субдуктивной плиты в нижней мантии Земли. Синим выделена субдуктивная плита. Синие стрелки – плита может преодолеть барьер вязкости и продолжать погружение в глубокий слой нижней мантии. Красные стрелки – иллюстрация влияния профиля эффективной вязкости на погружающуюся плиту. CMB – граница мантия-ядро; b – профили эффективной вязкости (µ). Красный: смоделированный профиль вязкости в зонах высокой деформации, рассчитанный для трех различных значений напряжения ơ. Синий: смоделированный профиль вязкости в зонах с низким уровнем деформации, рассчитанный для двух различных значений степени детализации h. Существует предположение о резком повышении вязкости на два порядка на глубине 660 км. Слабый пост-перовскит (PPV) может привести к снижению вязкости мантии в зонах с высокой деформаций, показанных стрелкой в части b. Зеленый: прогнозируемый профиль вязкости на основании сравнения инверсии конвекции и данных об изостатической компенсации. PPV – пост-перовскит ставимы с условиями, которые возникают при перемещении барицентра в верхней мантии.

Колебания барицентра и резонансы приливов, вероятно, обусловливают перемещение вещества мантии с образованием известных в теории «плюмов». Колебания барицентра, несомненно, играют важную роль в латеральной миграции флюидов (включая нефть и газ) в земной коре. В нефтегазоносных бассейнах (Западная Сибирь, Тимано-Печорский и др.) преимущественно нефтяные залежи расположены к югу от более северных преимущественно газовых месторождений.

Это обстоятельство можно объяснить с позиций колебаний напряжений в земной коре под влиянием перемещения барицентра внутри тела Земли – более подвижный газ смещается в Северном полушарии на север по отношению к менее «подвижным» нефтяным залежам. Поэтому целесообразно учитывать геодинамические процессы при разработке теории формирования залежей нефти и газа.

Заключение

Исходя из вышеизложенного можно утверждать следующее:

• 1.    Резонансы гравитационных приливов – значимый энергетический источник геодинами-ческих процессов в земной коре. Резонансы приливов – основной триггерный фактор для возникновения сильных (М>5.0) землетрясений. Энергия резонанса приливов достаточна для возбуждения стоячих волн в НГЗ, что позволило предложить технологию прямых поисков нефти и газа – ФРС (РПВНГЗ) [14].

• 2.    В практике нефтегазовой отрасли многие явления можно объяснить с позиций резонансной геодинамики. В частности, известно, что периодически на нефтегазовых промыслах случаются аварии – поломки труб внутри горной среды. Если исключить человеческий фактор, то причины аварий связаны с геодинамическими подвижками, возникающими при резонансах гравитационных приливов. Отсюда следует целесообразность не только изучения и теоретического осмысления механизмов резонансов гравитационных приливов в земной коре, но и использования мощного, устойчивого и предсказуемого энергетического источника (резонанса приливов) в горно-геологической практике: от прямого прогноза залежей нефти и газа до оптимизации технологических режимов испытаний, отбора нефти и газа, соблюдения геодинами-ческой безопасности на промыслах.

• 3.    Колебания давления в горных породах неизбежно сопровождаются сейсмоэлектриче-ским эффектом. Отсюда следует потенциальная возможность разработки технологии поиска месторождений твёрдых полезных ископаемых на основе использования энергии резонансов гравитационных приливов.

• 4.    Целесообразно оценить возможную роль резонансов в формировании одиночных деформационных волн типа солитонов (основа так называемого тектонического оружия), что позволит прогнозировать «волны-убийцы» не только в океанах, но и в земной коре для обеспечения безопасности крупных техногенных сооружений (плотины и др.). Таким образом, мониторинг и учёт резонансов гравитационных приливов позволяет объяснять и прогнозировать многие практически важные геодинамические процессы в земной коре и литосфере Земли.

Благодарности

Авторы выражают благодарность члену-корреспонденту РАН Владимиру Викторовичу Шайдурову за поддержку исследований, Геннадию Яковлевичу Дидичину и Ольге Васильевне Гутиной за помощь в получении геолого-геофизических материалов, использованных в работе.