из книги А.Д. Потапова Землетрясения. Причины, последствия и обеспечение безопасности
В.Л. Барабанов (1994) на основе анализа большого количества опубликованных материалов все наведенные землетрясения, связанные с закачкой жидкости в пласт и эксплуатацией месторождений полезных ископаемых, подразделяет на четыре группы (А, Б, В, Г), соответствующие четырем различным по отношению к эксплуатируемому горизонту сейсмогенерирующим зонам.
Сейсмогенерирующая зона А — это вышележащие породы над продуктивным пластом, или породы-покрышки. Обычно наведенные землетрясения типа А связаны с оживлением тектонических смещений по границам блоков в самой верхней части разреза над залежью. Общая причина — нарушение механического равновесия за счет отбора флюида или твердой породы из пласта и вследствие этого снижение сцепления на границах блоков либо за счет разгрузки, либо вследствие участия инициированной этой разгрузкой дополнительной нисходящей или восходящей фильтрации подземных вод вдоль оживляющихся магистральных трещин. Землетрясения этого типа часто сопровождаются оседаниями земной поверхности. Механизмы очагов могут быть различными (сдвиги, сбросы, надвиги, подвиги), и определяются они главным образом конкретной тектонической структурой верхней части разреза.
Пример землетрясений типа А — землетрясения на нефтегазовом месторождении Лак в Южной Франции. Активизация сейсмичности зафиксирована через 10 лет после начала эксплуатации месторождения. С августа 1976 по июнь 1979 г. зарегистрировано более 220 землетрясений с максимальной магнитудой М= 4,2. Газовые коллекторы представлены доломитизированными песчаниками и известняками, залегающими на глубинах от 500 до 3100 м. Снижение давления газа за 20 лет добычи (с 1957 г.) составило 0,5 МПа. Землетрясения на этом месторождении связаны с оседанием блока горных пород, находящегося над газовой залежью.
Сейсмогенерирующая зона Б — это собственно пласт, вскрытый скважинами или подземной выработкой. Классический случай землетрясений типа Б — гидроразрыв пласта, возникающий при нагнетании жидкости под давлением, достаточным для инициирования процесса трещинообразования, а также горные удары.
Выделяют три основных фактора трещинообразования, вызывающие землетрясения этого типа: изменения эффективных напряжений в скелете горной породы за счет изменения давления жидкости в порах или трещинах; изменение коэффициента трения вдоль трещин сдвига, ориентированных в соответствии с региональным полем напряжений; формирование зародышей трещин за счет быстрых геохимических реакций типа гидратация — дегидратация на контакте твердая фаза —жидкость, а также температурных деформаций.
Например, в г. Денвере (штат Колорадо, США) на закрытой территории военного завода Арсенал была пробурена скважина глубиной 3671 м для захоронения загрязненной отработанной воды (рис. 9.5). Закачка началась в марте 1962 г. в объеме 21 тыс. м3 в месяц, а уже в апреле этого года сейсмологами был зарегистрирован рой землетрясений с очагами на глубине 4,5—5,5 км, в том числе несколько сильных толчков. В поисках причины сейсмоактивности специалисты к 1965 г. выявили факт закачки воды в глубокие горизонты. Сопоставление графиков хода нагнетания воды и числа землетрясений по годам и месяцам позволило предположить связь между закачкой воды и землетрясениями. Закачки были прекращены в начале 1966 г., но сейсмическая активность потревоженной части земной коры продолжалась, затухая, еще 5 лет. Более чем через год после окончания закачки зарегистрировано три землетрясения с магнитудами М = 5,0—5,2. С 1962 по 1967 г. зарегистрировано свыше 1500 землетрясений с магнитудами до 4,0. Эпицентры землетрясений располагались вдоль тектонического разрыва, проходящего через скважину на расстояниях до 5 км от скважины. Денверский эксперимент хорошо подтверждает гипотезу о связи возбужденных водохранилищами землетрясений с передачей гидростатического давления на глубину (Гупта, Растоги,
Рис. 9.5. Количество землетрясений за месяц в районе г. Денвер (США), объем воды, закачанной в течение месяца и давление в устье скважины по месяцам за 1962-1972 гг. (Гупта, Растоги, 1979)
1979). Аналогичные факты отмечены при нагнетании воды в штате Нью-Йорк при гидравлической разработке соляной залежи и в штате Колорадо при законтурном обводнении нефтяного месторождения Рейнджли в США (Гупта, Растоги, 1979).
Сейсмогенерирующая зона В располагается ниже залежи, где имеют место напряжения изначально более высокие, чем в рассмотренных зонах А и Б. Положение зоны В обычно соответствует поверхности контакта между резко различными по возрасту, составу, трещиноватости и формам и залегания массивами горных пород или слоистых толщ. Часто это граница между породами осадочного чехла и кристаллического фундамента. Такую границу геологи описывают как стратиграфическое несогласие. Она резкая, неровная, как погребенный горный рельеф, под ней лежит древняя зона экзогенной трещиноватости или даже древняя кора выветривания. Массив фундамента разбит тектоническими разрывами, имеет блоковое строение. По разрывам продолжаются медленные движения, которым в платформенном чехле соответствуют флексуры и плакантикли- нали, развивающиеся унаследованно. Именно в этой сейсмогенерирующей зоне чаще всего возникают очаги техногенных землетрясений, связанные с эксплуатацией вышележащих продуктивных горизонтов в осадочных отложениях.
Например, на газовых месторождениях Скалистых гор (Канада) через 10 лет после начала их эксплуатации площадными сейсмическими наблюдениями, проведенными с 16 сентября по 8 октября 1980 г., зарегистрировано 146 землетрясений с М < 3,4. Залежи газа приурочены к известнякам в интервале глубин 3—5 км, а очаги землетрясений располагались на глубине 5—6 км, что соответствует контакту между докембрийским массивом магматических и метаморфических горных пород и слоистой толщей палеозойских осадочных пород. Подавляющее число техногенных землетрясений, возникающих при эксплуатации месторождений твердых полезных ископаемых, также относится к данному типу.
Сейсмогенерирующая зона Г — это зона очагов коровых землетрясений, расположенная на глубинах 10—20 км. Возникающие здесь землетрясения относятся к наведенным лишь по времени их соответствия техногенным воздействиям на вышележащие пласты. Многие исследователи считают, что техногенные воздействия являются вторичными по отношению к мощным необратимым тектоническим процессам, подготавливающим коровые землетрясения, т.е. выполняют роль «спускового крючка».
Примерами наведенных землетрясений типа Г являются три самых сильных землетрясения, связанных с разработкой залежей газа, которые произошли в районе газового месторождения Газли (Узбекистан) в 1976 (М= 7,0; /0 = 9) и 1984 (М= 7,3; /0 = 9—10) годах. Месторождение расположено в осадочном чехле над крупной древней разломной структурой в фундаменте Туранской плиты. Этот район до 1976 г. относился к слабосейсмичной зоне Западного Узбекистана (Плотникова и др., 1994). Эксплуатация месторождения началась в 1962 г., и до 1976 г. было отобрано 60% запасов газа (300 млрд м3). Разработка проводилась с избирательным внедрением контурной пластовой воды в газовые залежи по проницаемым слоям и прослоям, что существенно повысило уровень газоводного контакта. В 1974-1975 гг. фиксировались толчки с магнитудой от 1,5 до 4,0. Они явились форшоками землетрясения 1976 года. В 1981 г. отмечено перераспределение давления по месторождению, в 1982— 1983 гг. пластовое давление в восточной части месторождения повысилось за счет активного напора пластовой воды. Частота повторения мелких землетрясений в это время коррелировала с объемом и скоростью внедряемой воды.
О техногенном характере Газлийских землетрясений свидетельствует ряд факторов: до начала интенсивной эксплуатации месторождения в этом районе временной промежуток между разрушительными землетрясениями в одном и том же месте составлял сотни и более лет; случаи, когда три 9- и 10-балльных землетрясения произошли за столь короткий промежуток времени (8 лет) в одном месте, неизвестны; эпицентральная зона землетрясения 1984 г. находится в районе залежи.
Исследователями (Плотникова и др., 1994; Лобацкая, Корф, 1997) указываются разные причины возникновения Газлийских землетрясений, однако все они прямо или косвенно связаны с эксплуатацией месторождения: сброс напряжений вследствие смещения по разлому, залегающему ниже залежи; нарушение изостазии земной коры, вызванной неравномерным перераспределением давления по площади месторождения.
Известны землетрясения с магнитудами более 5, индуцированные искусственными взрывами. Через 2—3 суток после испытаний на Семипалатинском ядерном полигоне фиксировались землетрясения в пределах Северного Тянь-Шаня, вызванные подвижками по разломам, удаленным от полигона на несколько сотен километров. А.В. Николаев (1994) считает, что разрушительные землетрясения в Газли в 1976, 1984 гг. были спровоцированы ядерными взрывами в Семипалатинске. Эти и еще 9 менее крупных землетрясений произошли в двухнедельный срок после взрывов. Гипотеза о влиянии взрывов на момент начала землетрясения не снимает гипотезы о происхождении землетрясений от откачки газа, но только дополняет ее, указывает возможность определить момент землетрясения. Место же его определяет гипотеза о влиянии отбора газа на напряженное состояние земной коры.
Наведенная сейсмичность на эксплуатируемых месторождениях полезных ископаемых тесно связана с оседанием земной поверхности. Основные причины оседания (Барабанов, 1994): отбор флюида непосредственно из пласта и его уплотнение, сопровождающееся подвижками вдоль границ вышележащих блоков; отток грунтовых и подземных вод из приповерхностных частей разреза в глубинные зоны; механическая суффозия, выражающаяся в выносе песка и других мелких фракций из пласта через скважины. Отсюда следуют и наиболее грозные последствия оседания: необратимые деформации земной поверхности, приводящие к разрушению зданий, дорог, коммуникаций, заболачиванию и затоплению площадей, сейсмической неустойчивости. Оседание поверхности приводит к возникновению горизонтальных напряжений, освобождающихся через горизонтальные смещения.
Следует отметить, что имеются проекты по использованию индуцированной сейсмичности для превентивного снятия напряжений в сейсмоактивных зонах, особенно там, где имеются объекты, разрушение которых может привести к тяжелым экологическим последствиям (АЭС, химические производства и др.). Например, в штате Огайо (США) вблизи атомной станции в Пери (Кливленд) сооружена серия нагнетательных скважин, вызывающих сейсмические события с глубинами очагов от 1 до 3 км и магнитудами до 4,9 (31.01.1986 г.), что приводит к постепенной разрядке напряжений и, предположительно, к устранению возможного сильного сейсмического толчка в непосредственной близости от станции (Лобацкая, Кофф, 1997).
Подводя итог сказанному в данной главе, отметим:
1) основные события, побудившие ученых к изучению возбужденных землетрясений, произошли в десятилетие, которое предшествовало 1976 г., известному как год наибольшей сейсмической активности XX в.; к этому времени в недрах накопились значительные напряжения, которые были в ряде мест высвобождены инженерными воздействиями до завершения подготовки очага землетрясения;
2) все возбужденные и наведенные землетрясения произошли в областях в той или иной мере сейсмоактивных: можно утверждать, что возбужденные землетрясения происходят в подвижных частях литосферных плит, где формируются поля тектонических напряжений, но нельзя утверждать обратное, что всякая закачка воды и всякое водохранилище в сейсмоактивной зоне приведет к возникновению возбужденных землетрясений;
3) возбужденные и наведенные землетрясения имеют малую глубину очага (обычно от 1 до 10 км), поэтому при максимальных магнитудах М = 6 и М = 7, которых они пока достигали, эти землетрясения носят разрушительный характер с интенсивностью до 9 баллов в локальной эпицентральной области;
4) отмечаются закономерности: во-первых, чем больше скорость нарастания напора в водохранилище или скважине, тем больше рост сейсмической активности (эта закономерность использована при наполнении Нурекского водохранилища на реке Вахш глубиной до 250 м, где удалось избежать ощутимых землетрясений медленным подъемом уровня); во-вторых, максимальные землетрясения обычно приурочены к максимальным уровням водохранилищ;
5) факты и закономерности, найденные учеными разных стран в годы интенсивного исследования проблемы (1963—1995), позволили в дальнейшем избежать ущерба от своеобразного загрязнения геологической среды перенапряжением. В частности, Италия отказалась от добычи газа на шельфе Адриатического моря, чтобы не подвергать Венецию наведенным землетрясениям и погружению.
