Как деятельность человека влияет на частоту и интенсивность землетрясений

Оригинальное название: Beyond Tectonic Plates

Подавляющее большинство землетрясений происходит из-за естественных тектонических процессов — медленного, измельчающего движения плит Земли. Тем не менее, все больше доказательств подтверждает, что определенные виды деятельности человека могут вызывать или усиливать сейсмические события. Это явление, известное как индуцированная сейсмичность, стало критической областью исследования, поскольку добыча энергии, инфраструктурные проекты и управление ресурсами расширяются во всем мире. Понимание того, как наши действия влияют на частоту и интенсивность землетрясений, имеет важное значение для оценки риска, планирования землепользования и общественной безопасности.

Индуцированные землетрясения обычно меньше, чем естественные тектонические землетрясения, но они все еще могут наносить структурный ущерб, разрушать сообщества и вызывать обеспокоенность общественности. В некоторых случаях они достигли магнитуды 5 или выше. Изучая первичные механизмы - изменения давления пор, перераспределение напряжения и массовую загрузку - мы можем определить, какие виды деятельности представляют наибольшие сейсмические риски и как их смягчить.

Что такое индуцированная сейсмичность?

Индуцированная сейсмичность относится к землетрясениям, прямо или косвенно вызванным действиями человека. Ключевое отличие от естественных землетрясений является инициирующей причиной: вызванное человеком изменение состояния стресса земной коры. Наиболее распространенными механическими триггерами являются:

Повышенное давление поровой жидкости: Жидкости, вводимые в недра, снижают эффективное напряжение вдоль плоскостей разломов, делая скольжение более вероятным.
Массовая нагрузка: Вес больших водоемов или извлеченного материала изменяет вертикальные и горизонтальные напряжения.
Удаление материала: Добыча, добыча карьеров или добыча углеводородов удаляет породу или жидкость, которые ранее поддерживали напряжение, потенциально вызывая отскок напряжения или коллапс.
Прямая взрывная или вибрационная активность: Взрывы и тяжелые машины могут на мгновение изменить условия напряжения, хотя эти эффекты обычно неглубокие и малые.

Критически, индуцированные землетрясения происходят вдоль уже существующих разломов — человеческая деятельность не создает новые линии разломов, а скорее разблокирует сохраненные тектонические напряжения. Размер события зависит от длины и ориентации сегмента разлома, который проскальзывает.

Основные виды деятельности человека, влияющие на землетрясения

Ниже мы рассмотрим наиболее хорошо документированные категории индуцированной сейсмичности. Каждая из них имеет различные механизмы, географические закономерности и профили рисков.

1. Сейсмичность, индуцированная водохранилищем

Заполнение крупных водохранилищ за плотинами может спровоцировать землетрясения двумя основными процессами: прямым весом воды (загрузка) и диффузией воды в лежащие в ее основе породы (давление пор). Добавленная масса увеличивает вертикальное напряжение, в то время как вода, просачивающаяся в трещины, смазывает разломы и снижает эффективное нормальное напряжение. Сейсмические события могут начаться вскоре после первоначального наполнения или спустя годы, в зависимости от геологической обстановки и скорости изменения уровня воды.

Примечательные примеры:

Плотина Гувера (FLT:0) (Невада/Аризона) была связана с сотнями небольших землетрясений, самое большое из которых достигло магнитуды 5,0 в 1939 году.
Дамба Кариба (Zambia/Zimbabwe) пережила землетрясение магнитудой 6,2 в 1963 году, одно из крупнейших зарегистрированных событий, вызванных водохранилищем.
Плотина Коина (FLT:0) (Индия) считается примером для учебников; землетрясение магнитудой 6,3 в 1967 году убило почти 200 человек и подчеркнуло необходимость сейсмического мониторинга крупных водохранилищ.
Дамба Ципинпу (Китай) обсуждается на предмет ее возможной роли в инициировании землетрясения в Вэньчуани в 2008 году (магнитуда 7,9), хотя это остается спорным.

Сейсмичность, вызванная водохранилищем, теперь учитывается при проектировании плотины в сейсмически активных регионах. Сети мониторинга помогают обнаруживать ранние признаки активации разломов, позволяя операторам постепенно, а не резко регулировать уровень воды.

2. Добыча и добыча полезных ископаемых

Подземная и наземная добыча удаляют большие объемы пород, изменяя поле напряжений. Обвалы шахтных столбов или полостей могут вызывать сейсмические события, начиная от незначительных подземных толчков до разрывов магнитудой 5. В глубоких шахтах перераспределение напряжений может реактивировать уже существующие разломы вдали от раскопок.

Обычные триггеры:

Добыча на платформе: Как столбы выходят из строя, надлежащая страта ломается, генерируя сейсмические волны.
Дорная добыча: Пещера породы крыши за угольной поверхностью производит непрерывную, низкоуровневую сейсмичность и случайные более крупные события.
Открытая добыча: Взрыв и удаление породы могут вызвать сбои наклона и стресс-релиз вдоль близлежащих неисправностей.

Одним из наиболее изученных сейсмических регионов, вызванных добычей полезных ископаемых, является золотой район Клерксдорп в Южной Африке, где глубокая добыча регулярно производит события до магнитуды 5,5. В Соединенном Королевстве добыча угля в прошлом вызывала многочисленные землетрясения, в том числе землетрясение магнитудой 4,6 в Сток-он-Тренте в 1976 году.

Современные горнодобывающие предприятия используют сейсмический мониторинг для картирования активных зон, изменения последовательности добычи и раннего предупреждения работников.

3. Гидравлическое растрескивание (фрекинг)

Гидравлический разрыв пласта, или фрекинг, включает в себя впрыскивание воды, песка и химических веществ под высоким давлением, чтобы разрушить низкопроницаемые горные образования (например, сланцевые) для высвобождения нефти или газа. Сам процесс создает микросейсмические события - обычно слишком малые, чтобы их можно было почувствовать, - но он также может вызвать большее проскальзывание по ранее существовавшим разломам, если давление впрыска достигает их.

Основные точки:

Землетрясения, вызванные скрещиванием, обычно имеют магнитуду 3 или меньше, но были зарегистрированы события магнитудой до 4,6 (например, событие 2019 года в Eagle Ford Shale, штат Техас).
Риск выше, когда фрекинг происходит в непосредственной близости (<1 км) от критически напряженных разломов.
В настоящее время в операциях по взлому обычно используются протоколы «светофорного» освещения: если сейсмичность превышает определенный порог (например, величину 2.0), впрыск приостанавливается или уменьшается.

По сравнению с другими видами деятельности по инъекциям, на фрекинг приходится меньшая доля вызванных землетрясений, но он получает непропорциональное внимание общественности из-за его видимости и противоречий.

4. Инъекция сточных вод (глубокое удаление скважины)

Впрыск сточных вод — закачка рассолов, производство воды или других жидкостей в глубокие геологические образования — был связан с крупнейшими и наиболее распространенными вызванными землетрясениями. Явление привлекло внимание нации в Соединенных Штатах в середине 2000-х годов, когда уровень землетрясений в центральной Оклахоме резко возрос.

Почему закачка сточных вод более опасна, чем фрекинг:

Гораздо большие объемы жидкости вводятся в течение более длительных периодов (от нескольких месяцев до нескольких лет).
Инъекция часто нацелена на глубокие солевые водоносные горизонты, непосредственно прилегающие к погребальным разломам.
Давление поры может диффундировать на широких участках, вызывая неисправности далеко от инъекции.

Примечательные примеры:

Оклахома, США: До 2009 года штат в среднем производил около 2 магнитуд 3+ землетрясений в год. К 2015 году это число достигло более 900. Самым крупным событием было землетрясение магнитудой 5,8 вблизи Праги, штат Оклахома, в 2011 году. Последующие нормативные сокращения объемов впрыска резко снизили сейсмичность.
Колорадо/Рокки Маунтин Арсенал: В 1960-х годах армия США впрыскивала химические отходы в глубокую скважину, вызвав землетрясение магнитудой 4,9. Это часто упоминается как первый хорошо документированный случай инъекционной сейсмичности.
Базель, Швейцария: Геотермальный проект (усовершенствованная геотермальная система, EGS) в 2006 году ввел воду в горячую кристаллическую породу, вызвав землетрясение магнитудой 3,4. Проект был приостановлен, и компания в конечном итоге выплатила компенсацию за незначительный ущерб.
Пханг, Южная Корея: Проект EGS, как полагают, вызвал землетрясение магнитудой 5,4 в 2017 году, второе по величине индуцированное событие в истории, вызвав обширный ущерб и судебные баталии.

Впрыск сточных вод доказал, что даже скромные скорости впрыска могут нарушить тектонический стресс, если принимающее образование находится в гидравлической связи с неисправностью.Регуляторные ответы включали моратории, пределы впрыска и обязательные сети сейсмического мониторинга.

5. Геотермальное извлечение энергии

Усовершенствованные геотермальные системы (ЭГС) и, в меньшей степени, обычные геотермальные установки могут вызывать сейсмичность путем введения холодной воды в горячую породу, вызывая термическое сокращение и проскальзывание трещин, а также путем увеличения давления пор. В то время как ЭГС стремится создать подземный теплообменник, та же герметизация жидкости может активировать неисправности.

Примеры:

Базель (Швейцария) Проект EGS: Упомянутое выше событие магнитудой 3,4 закончило пилотный проект.
Pohang (Южная Корея) EGS: Событие магнитудой 5,4 вдвое снизило фактор сейсмической безопасности во всем мире для EGS.
Гейзеры (Калифорния): Обычный паровой поля, который произвел сотни небольших землетрясений из-за отвода жидкости и впрыска — процесс, называемый «производственно-индуцированной сейсмичностью».

Геотермальная промышленность разрабатывает методы «мягкой стимуляции» (например, более низкие показатели впрыска, циклические впрыскивания) и оценку сейсмической опасности в режиме реального времени, чтобы сбалансировать цели использования возобновляемых источников энергии с общественной безопасностью.

6. Улавливание и хранение углерода (CCS)

Секвестрация CO2 в глубоких геологических формациях включает в себя впрыскивание больших объемов сверхкритической жидкости, повышая давление пор аналогично впрыску сточных вод. Хотя проектов CCS все еще мало, риск индуцированной сейсмичности является ключевым препятствием. Пилотные проекты в Северном море и наземных солевых водоносных горизонтах тщательно контролируют микросейсмичность с максимально допустимыми величинами, обычно устанавливаемыми консервативно (например, M<2).

7. Добыча подземных вод и истощение нефти/газов

В то время как инъекция доминирует в заголовках, отвод жидкости также может вызвать землетрясения. Удаление грунтовых вод или углеводородов снижает давление пор, что может вызвать уплотнение или оседание разлома, но в некоторых случаях это также может способствовать скольжению, если изменение эффективного стресса благоприятно.

Центральная долина Калифорнии: Обширная закачка грунтовых вод для сельского хозяйства была предварительно связана с мелководными сейсмическими событиями вдоль системы разломов Сан-Андреас (например, недалеко от Бейкерсфилда).
Газовое месторождение Гронинген в Нидерландах: Десятилетия добычи из большого песчаника вызвали уплотнение и проскальзывание на уже существовавших разломах. Наибольшее вызванное землетрясение было магнитудой 3,6 в 2012 году. Голландское правительство позже приказало фундаментальный производственный предел ограничить сейсмический ущерб.

8.Ядерные взрывы

Подземные ядерные испытания могут вызвать землетрясения ударной волной и перераспределением стресса. Например, США провели испытания операции Plowshare в Неваде; испытание Дианы на 1,7 килотонна (1962) могло вызвать событие магнитудой 4.0. Однако, поскольку испытательные полигоны часто находятся в отдаленных районах с небольшим количеством разломов, индуцированные события от ядерных взрывов нечасты и малы по сравнению с другими видами человеческой деятельности.

Подробнее о Механизмы: как действия человека вызывают скольжение по вине

Диффузия давления пор

Наиболее индуцированная сейсмичность обусловлена изменениями давления пор. При впрыскивании жидкости в пористую породу давление распространяется наружу от скважины. Если фронт давления достигает критически напряженного разлома, эффективное нормальное напряжение на разломе уменьшается, позволяя произойти скольжению. Магнитуда землетрясения диктуется областью разлома, которая становится критически напряженной. Ключевым параметром является пороэластическое соединение — порода также может расширяться или сжиматься в ответ на изменения давления, вызывая дополнительную передачу напряжения.

Впрыск сточных вод в Оклахоме является классическим примером диффузии порового давления, вызывающей землетрясения вдоль зоны разлома Вильзетта и других ранее существовавших структур, некоторые из которых расположены в 10-20 км от скважин для инъекций.

Эластичная передача стресса (загрузка)

Добавление веса к поверхности Земли, например, резервуар или куча отходов шахты, увеличивает вертикальное напряжение. Это может либо зажимать разломы (добавляя стабильность), либо, благодаря эффекту Пуассона, увеличивать горизонтальные напряжения, которые приводят к скольжению. Фактическое влияние зависит от ориентации разлома и геометрии. Сейсмичность, вызванная водохранилищем, часто включает в себя как эффекты нагрузки, так и эффекты давления пор, действующие вместе.

Субсидирование и комплаенс

При удалении жидкостей или твердых веществ (нефть, вода, уголь) оставшиеся породы сжимаются. Получающиеся в результате изменения напряжения могут реактивировать разломы, особенно в осадочных бассейнах с множественными слабыми слоями. В Гронингене оседание за счет газоотвода создало дифференциальное движение между пластом и перегрузкой, вызвав тысячи небольших землетрясений.

Стратегии смягчения и лучшие практики

Индуцированной сейсмичностью можно управлять, хотя и не устранять. Ключ заключается в понимании локальной тектонической установки и избегании впрыскивания в образования, которые непосредственно связаны с большими, критически напряженными разломами. Подходы смягчения включают:

Предварительная оценка сейсмической опасности: Характеризует локальные разломы, режим напряжения и базовую сейсмичность до начала операций.
Системы светофора: Мониторинг в реальном времени с предопределенными порогами величины.Если события превышают «красный» уровень (например, величина 2,5-3,0), операции приостанавливаются или скорость впрыска снижается.
Контроль скорости инъекций: Более низкие скорости и циклическая инъекция снижают накопление порового давления и дают время для рассеивания давления.
Хорошее размещение: Избегайте активных неисправностей и убедитесь, что введенные жидкости не могут мигрировать вверх через заброшенные скважины или переломы.
Общественная коммуникация и прозрачность: Обмен данными мониторинга, консультации с сообществами и создание системы компенсации потенциального ущерба.

В настоящее время регулирующие структуры в юрисдикциях с высоким индуцированным риском сейсмичности (например, Оклахома, Огайо, Соединенное Королевство, Швейцария, Нидерланды) требуют от операторов выполнения этих протоколов в качестве условий разрешения.

Вывод: Сейсмический след человека

Деятельность человека стала измеримой силой в инициировании землетрясений, особенно в регионах, находящихся под воздействием критических напряженных разломов. В то время как большинство индуцированных событий невелики, потенциал для землетрясений магнитудой 5+, способных повредить структуры и нарушить жизнь, реален. Наука индуцированной сейсмичности быстро продвинулась через плотные сети мониторинга, и операторы теперь имеют инструменты для снижения риска. Но фундаментальная истина остается: любая деятельность, которая значительно изменяет давление жидкости или напряжение в земной коре, несет некоторый сейсмический риск.

Поскольку общество стремится к энергии, воде и минеральным ресурсам, мы должны взвесить преимущества против сейсмических опасностей. В сочетании с тщательным регулированием и прозрачной связью мы можем минимизировать влияние человека на частоту и интенсивность землетрясений. Тектонические силы Земли всегда будут доминировать в общей картине, но мы узнали, что даже наши небольшие стрессы могут иметь значение.