Землетрясения и подземные воды

2. Возбужденные (техногенные) землетрясения

  Воздействие флюидов при развитии сейсмических разрывов наиболее четко проявляется  при возбужденных, или наведенных, землетрясениях. Такие землетрясения  происходят под влиянием техногенных процессов, которые в определенных условиях могут действовать как триггерный (спусковой) механизм, провоцирующий разрядку накопившихся тектонических напряжений [3].

  Возбужденные  землетрясения связаны преимущественно  с теми техногенными воздействиями, которые вызывают сильные нарушения естественного флюидного режима: с заполнением крупных водохранилищ, закачкой воды в глубокие горизонты, эксплуатацией нефтяных и газовых месторождений.

1. Землетрясения и водохранилища

   В ночь с 10 на 11 декабря 1967 г. в Индии  произошло разрушительное землетрясение. Его эпицентр находился близ плотины  гидроэлектростанции Койна, в западной части Деканского плато. Погибло 180 человек и около 2000 было ранено. Толчок ощущался в радиусе до 700 км.  В Бомбее, на расстоянии 200 км от эпицентра, землетрясение вызвало панику. Этот толчок, магнитудой около 6,3-6,4, ощущался в эпицентре с силой более 8 баллов. Были разрушены многие дома и огромная часть инфраструктуры. В плотине образовались многочисленные трещины [3].

      Землетрясение Койна было сильнейшим в ряду сейсмических событий, сопутствовавших заполнению крупных водохранилищ. Если ранее связь таких землетрясений с водохранилищами считали чистым совпадением, то анализ фактических материалов, накопившихся к концу 60-х годов, заставил многих сейсмологов по-иному взглянуть на проблему. Ныне известно уже несколько десятков случаев, когда при заполнении крупных водохранилищ сейсмическая активность усиливалась или проявлялась в районах, ранее считавшихся асейсмичными.

     Синфынь (Китай) – водохранилище ёмкостью 275 млн. м³. Плотина высотой 105 м расположена к северо-востоку от Гуанчжоу. Землетрясения в районе регистрировались с октября 1959 г., вскоре после начала заполнения водохранилища. 19 марта 1962 г. вблизи водохранилища произошло 8-балльное землетрясение с магнитудой 6,1. Ему предшествовало свыше 80 тыс. толчков. Еще большее количество толчков было зарегистрировано сейсмической сетью после главного землетрясения. Очаги большей частью  приурочены к глубокой части водохранилища, вблизи плотины. По данным наблюдений, сейсмичность усиливалась по мере повышения уровня водохранилища, особенно после наиболее быстрого роста уровня [3].

      Нуренское водохранилище на реке Вахш в Таджикистане, вмещающее 10,5 млрд. м³ воды протянулось на 70 км в узком Пулисангинском ущелье. Плотина, высотой 300 м относится к числу наиболее высоких в мире. Детальные сейсмические исследования Вахшского района для обоснования строительства гидротехнических сооружений, а также в процессе заполнения водохранилища начали проводиться Таджикским институтом сейсмологии в 1955 г. Было установлено, что в зоне проектируемого водохранилища регистрировалось 50-100 толчков в год с энергетическим классом 7 и выше. В 1956 г. здесь произошло сильное землетрясение с магнитудой 5,3. Как отметили таджикские сейсмологи, в начальный период заполнения Нурекского водохранилища, после того как уровень его в 1967 г. поднялся на 40 м, стала заметна тенденция к увеличению количества толчков (рис.4). Сейсмологи выполнили тщательный анализ особенностей сейсмического режима в зоне водохранилища. Выяснилось, что в 1972 г. в Вахшском районе сейсмическая активность увеличилась преимущественно в наиболее глубокой части водохранилища, примыкающей к плотине. Было также установлено, что большое количество слабых толчков на этом участке не является афтершоками трех сильных землетрясений, которые произошли вблизи водохранилища в 1972 г. Таким образом, данные толчки следует связывать с заполнением водохранилища [3].

Рис. 4. Изменение месячных количеств толчков Nk в зависимости от уровня и от объема воды на Нуренском водохранилище [3]. 

2.2. Землетрясения и нагнетание воды в скважины

      Ухудшение сейсмической обстановки вызывают не только крупные водохранилища. В  начале 1962г. было завершено оборудование глубокой скважины для сброса сточных  вод арсенала Роки Маунтин близ Денвера (штат Колорадо, США). Раньше удаление этих вод, содержащих ядовитые химические вещества, было сопряжено с большими трудностями.

      Скважина  глубиной 3671 м вскрыла трещиноватые гнейсы. С 8 марта 1962 г. в неё начали закачивать сточные воды, а с конца апреля сейсмические станции в районе Денвера стали регистрировать слабые подземные толчки. Высказывались опасения, что Денвер может быть полностью разрушен, и многие жители застраховались от землетрясений, однако, стало известно, что землетрясения связаны с закачкой сточных вод в Денверскую скважину [3].

      Американский  геолог Д. Эванс сопоставил уровень  сейсмической активности в районе Денвера  с расходом воды, подаваемой в скважину. Выяснилось, что после увеличения расхода воды в периоды апрель-июнь 1962 г. и февраль-март 1963 г. частота  землетрясений возросла. Во время  перерыва в закачке количество толчков было небольшим. В июне-сентябре 1964 г. закачка проводилась под высоким давлением , при этом частота землетрясений резко увеличивалась. Было установлено соответствие между количеством толчков и давлением воды в призабойной части скважины Эпицентры землетрясений располагались в небольшой зоне вокруг скважины. Определенные с большой точностью по специальной сети сейсмостанций эпицентры 62 землетрясений в январе-феврале 1966 г. находились в пределах вытянутого участка длиной 10 км, шириной 3 км . 

Рис. 5. Зависимость среднего давления на забое  скважины близ Роки Маунтин от количества толчков [3]. 

Глубина очагов этих землетрясений 4,5-5,5 км. Всего  за период с 1962 по 1967 г. было зарегистрировано свыше 1500 толчков (рис.5). Несмотря на то, что нагнетание в скважину прекратили в феврале 1966 г., землетрясения продолжались, причем в 1967 г. произошли сильные толчки с магнитудой 5-5,4, вызвавшие сильные разрушения [3].

      Усиление  сейсмичности при закачке воды в  глубокие горизонты наблюдалось  еще в двух районах США-на нефтяном месторождении Рейнджели в штате Колорадо и на соляном месторождении Дейл в штате Нью-Йорк.

      Советский сейсмолог И. П. Пасечник на основе обобщения  данных по подземным ядерным взрывам  в пустыне Невада (США) установил  некоторые особенности порожденных  взрывами тектонических землетрясений. Эти землетрясения имеют неглубокие очаги и связаны с разрядкой  существующих в земной коре напряжений. Наиболее сильное землетрясение происходит вскоре после взрыва, затем следуют многочисленные толчки меньшей силы, которые в ряде случаев продолжаются в течение нескольких месяцев [3].

2.3. Возможный механизм возбужденных землетрясений

      Возбужденные  землетрясения – это разновидность  тектонических землетрясений, которые  спровоцированы нарушением природных  равновесий в земной коре под влиянием деятельности человека. Основными путями нарушения равновесий могут служить  гравитационная нагрузка массы воды в крупных водохранилищах и возрастание давления подземных вод [5].

2.3.1. Гравитационная нагрузка

     Нагрузка  воды на ложе крупных водохранилищ, в районе которых происходили  возбужденные землетрясения, очень  велика. Естественно, что гравитационное воздействие водной массы, прежде всего, привлекло внимание исследователей как возможный спусковой механизм землетрясений, связанных с водохранилищами.

      Под влиянием водной нагрузки ложе крупных  водохранилищ прогибается. Величины такого прогибания достигали 12-20 см. Детальные исследования, выполненные для водохранилища Кариба, показали, что водная нагрузка вызывает увеличение вертикального напряжения на 6.7 бара и касательного напряжения на 2,1 бара. Эти дополнительные напряжения невелики по сравнению с прочностью горных пород, и они могут служить спусковым механизмом возбужденных землетрясений лишь при наличии разломов, испытывающих критическое напряжение. На других водохранилищах воздействие водной нагрузки также не считают основной причиной повышения сейсмичности. Однако, в некоторых случаях эта нагрузка влияет на возбужденную сейсмичность. Поскольку напряжения от веса воды существенно уменьшаются с глубиной, такое влияние может проявляться лишь на небольших глубинах – для узких водохранилищ чаще всего в пределах первых километров. Расчеты, выполненные для Нурекского водохранилища, показали, что напряжения от водной нагрузки уменьшаются на глубине 2 км от ложа водохранилища почти в 10 раз [2].

      Сейсмический  эффект, связанный с нагрузкой  водной массы, может быть различным  в зависимости от направления  и величины действующих главных  напряжений, определяющих характер разрыва. Поэтому в одних условиях воздействие  водной нагрузки приводит к усилению, в других – к ослаблению сейсмической активности.

2.3.2. Изменение флюидного давления

      В отличие от гравитационной нагрузки, влияние давления подземных вод  на сейсмический режим однозначно: повышение давления увеличивает  сейсмичность. Согласно теории М. Хуберта и В. Раби, при возрастании давления подземных вод нормальное напряжение соответственно уменьшается, а касательное остается неизменным, что ослабляет прочность породы на сдвиг.

      Повышение давления подземных вод может  происходить при закачке воды в водоносные горизонты или в  результате заполнения водохранилищ. В последнем случае величина повышения  давления зависит от уровня воды в  водохранилище и условий передачи напора. При наличии хорошей гидравлической связи глубоких водоносных горизонтов или трещинных зон с поверхностными водами давление подземных вод может подняться на величину, близкую к повышению уровня воды в водохранилище. Влияние возросшего давления подземных вод на напряженное состояние среды будет более значительным и распространится на большую глубину, чем влияние водной нагрузки, что создает условия для соответствующего усиления сейсмичности. Многочисленные исследования, проведенные в районах нагнетательных скважин и водохранилищ, где наблюдались возбужденные землетрясения, показали, что землетрясения эти тесно связаны с возрастанием давления подземных вод [3].

3. Представление о модели очага землетрясения

В настоящее  время предложено несколько гипотез, трактующих процессы подготовки землетрясений. На их основе разрабатываются модели подготовки землетрясений. Рассмотрим две модели подготовки землетрясения, получивших более детальное обоснование.

3.1. Модель лавинно-неустойчивого трещинообразования (ЛНТ-модель) разработана в    Институте физики Земли АН СССР. Согласно этой модели, на разных стадиях подготовки землетрясения происходит изменение количества, размеров и ориентации трещин. Под действием возрастающих тектонических напряжений начинается равномерное растрескивание горной породы. Постепенно увеличение числа и размеров трещин приводит к их взаимодействию. Наступает вторая, лавинная стадия подготовки землетрясения, когда благоприятно расположенные трещины за счет разрушения перемычек сливаются, образуя более крупные разрывы. Опыты, проведенные на различных материалах и горных породах, показывают, что существует зависимость между размерами трещин и их критической плотностью, т.е. той плотностью, при которой начинается лавинное взаимодействие и слияние. Чем крупнее трещины, тем меньшее их количество требуется, чтобы наступила эта стадия развития трещин.

На третьей, последней стадии, в результате объединения  трещин образуется небольшое число  более крупных разрывов. Они сливаются  в основной разрыв, приводящий  к  землетрясению. Эту стадию авторы назвали  стадией неустойчивой деформации, потому что происходит концентрирование деформаций в зоне основного разрыва и их ослабление за ее пределами. Таким образом, область подготовки землетрясений разделяется на две части. В первой, прилегающей к зоне разрыва, развиваются неупругие деформации, во второй, периферийной, деформации имеют упругий характер, т.е. они уменьшаются по мере ослабления напряжений и образовавшиеся ранее трещины закрываются [1].

3.2. Дилатантно-диффузионная модель подготовки землетрясения (ДД-модель) разработана американскими специалистами. Дилатансия-это увеличение объёма горных пород при сдвиговых деформациях. Такое явление, связанное с образованием открытых трещин, хорошо изучено экспериментальным путём для различных горных пород. Если образец породы в условиях всестороннего давления подвергается дополнительному сжатию в одном направлении, объем его увеличится. При этом развиваются многочисленные микротрещины, в результате чего возрастает пористость породы. Дилатантно-диффузионной моделью предусматривается, что породы насыщены водой и в процессе развития деформации происходит перемещение (диффузия) воды. Согласно ДД-модели на первой стадии подготовки землетрясения напряжения возрастают, однако величина их недостаточна для образования или раскрытия трещин. Когда напряжения достигают определенного уровня, наступает вторая стадия - дилатансии. При этом появляются открытые трещины. Растрескивание пород на этой стадии обусловливает увеличение общего объема пустот. Давление воды в трещинах падает, и некоторые трещины могут осушаться, что сопровождается повышением прочности пород. Такое повышение прочности называют дилантантным упрочнением.

Снижение  порового давления воды в зоне дилантансии и одновременное увеличение проницаемости пород вследствие растрескивания приводят к тому, что в эту зону устремляется вода из соседних участков массива. В результате поровое давление вновь повышается, а прочность пород падает. Начавшееся разрушение пород соответствует наступлению третьей стадии подготовки землетрясения. Когда прочность снизится до уровня возрастающих тектонических напряжений, происходит магистральный разрыв, вызывающий землетрясение [1].