Table of Contents

Человеческая цивилизация глубоко изменила планету, от бетонных каньонов наших городов до глубоких шрамов от горных работ. В то время как многие из этих изменений видны из космоса, некоторые из наиболее последовательных изменений происходят далеко под нашими ногами. За последние несколько десятилетий ученые создали убедительный набор доказательств того, что определенные промышленные действия могут непосредственно вызывать землетрясения. Это не большие тектонические судороги, которые формируют горные хребты, но они часто достаточно сильны, чтобы повредить структуры, разрушить сообщества и поднять фундаментальные вопросы о том, как мы управляем недрами. Два наиболее изученных триггера - это большие резервуары, созданные заглубленными реками и процессом гидравлического разрыва (фрекинга), используемым для добычи нефти и газа, наряду с связанной с ним практикой впрыска сточных вод. Понимание механизмов и рисков индуцированной сейсмичности имеет важное значение для развития более безопасной инфраструктуры и ответственной добычи ресурсов.

Сейсмичность, индуцированная водохранилищем

Связь между крупными плотинами и землетрясениями была признана более полувека. Когда глубокий резервуар заполнен, огромный вес воды оказывает новое напряжение на кору. Эта дополнительная нагрузка может изменить давление пор в трещинах породы и вдоль ранее существовавших разломов. По данным Геологической службы США, явление известно как вызванная водохранилищем сейсмичность (RIS). Добавленное давление воды эффективно смазывает плоскости разломов, уменьшая сопротивление трения, которое обычно удерживает их на месте. Если разлом уже близок к отказу - из-за региональных тектонических напряжений - дополнительное давление из резервуара может вызвать проскальзывание.

Механизмы, стоящие за землетрясениями, вызванными водохранилищами

Два первичных физических механизма приводят в движение водоем-индуцированную сейсмичность. Первый — это прямой эластичный нагрузочный эффект: по мере заполнения водоема масса воды сжимает подстилающую породу, заставляя ее деформироваться. Эта деформация может усиливать нагрузку на близлежащие разломы. Второй, зачастую более значительный, — это диффузия повышенного давления пор вдали от водоема. Вода просачивается вниз в проницаемые слои породы, повышая давление жидкости глубоко под землей. Высокое давление пор противодействует нормальному напряжению, удерживающему разлом закрытым, облегчая разлому скольжение. Задержка между начальным наполнением водоема и началом сейсмической активности может колебаться от месяцев до лет, в зависимости от того, как быстро распространяется фронт давления.

Известные случаи землетрясений, вызванных водохранилищем

Некоторые из наиболее разрушительных вызванных землетрясений в истории связаны с крупными водохранилищами. Землетрясение в Коинном водохранилище в Индии в 1967 году магнитудой 6,3 было связано с плотиной Койна. Оно убило почти 200 человек и разрушило тысячи домов. Район Койна продолжает испытывать сейсмичность спустя десятилетия после строительства плотины. Другим хорошо документированным случаем является землетрясение в Оровильском заливе в Калифорнии в 1975 году магнитудой 5,7, которое произошло около плотины Оровиль. Резервуар был заполнен за несколько лет до землетрясения, что предполагает отсроченный пусковой эффект. Плотина Гувера на реке Колорадо, хотя и не связана напрямую с крупными землетрясениями, была изучена на микросейсмичность, которая коррелирует с сезонными изменениями уровня воды.

Факторы, влияющие на риск

Не каждый водоем вызывает землетрясения. Ключевыми факторами являются глубина и объем водоема, скорость его заполнения, местная геология. Глубокие водоемы в регионах с ранее существовавшими разломами и высоким тектоническим напряжением, скорее всего, вызовут сейсмичность. Быстрое заполнение представляется более опасным, чем постепенное заполнение, так как позволяет меньше времени рассеивать давление. Наличие проницаемых горных пород, способных передавать давление воды глубоко в кору, также повышает риск. Сейсмологи используют эти факторы для оценки потенциала индуцированных землетрясений на новых участках плотины и для рекомендации стратегий мониторинга.

Гидравлическое расщепление и землетрясения

Гидравлический разрыв пласта, обычно известный как фрекинг, стал точкой вспышки в дебатах по поводу индуцированной сейсмичности. Процесс включает бурение скважины и впрыскивание смеси воды, песка и химических веществ высокого давления в глубокие горные образования, чтобы создать небольшие трещины, которые выделяют захваченную нефть и газ. Само давление может вызвать очень небольшие землетрясения, обычно слишком слабые, чтобы ощущаться на поверхности. Они известны как «удары фрака» или микросейсмические события, и они являются рутинной частью процесса фрекинга. Однако в редких случаях впрыскиваемая жидкость может мигрировать в соседние ранее существовавшие разломы и вызывать более крупные, ощущаемые землетрясения.

Подключение Fracking-Fault

Сейсмическая опасность от фрекинга не от самого разрыва, а от непреднамеренной активации разломов вне целевого образования. Если разлом расположен в нескольких сотнях метров от зоны впрыска и ориентирован благоприятно по отношению к региональному напряжению, увеличение давления пор может привести к его скольжению. Большинство землетрясений, связанных с фрекингом, ниже магнитуды 3.0, но события до магнитуды 4.6 были зарегистрированы в таких местах, как сланец Дуверней в Канаде. Исследование 2018 года в журнале Наука показало, что землетрясения, связанные с фрекингом, в западной Канаде коррелируют с объемом впрыскиваемой жидкости и наличием критически напряженных разломов. Исследование подчеркивает важность предварительного картирования разломов бурения .

Известные события сейсмичности, вызванные фрекингом

В США наиболее резкое повышение сейсмичности произошло в Оклахоме, Техасе и Огайо. Однако эти события в первую очередь связаны с обезвреживанием сточных вод, а не с самим гидроразрывом. Истинные события, вызванные гидроразрывом, были зафиксированы в бассейне реки Хорн в Британской Колумбии, Канада, где землетрясение магнитудой 4,4 в 2014 году было напрямую связано с гидроразрывом. В Великобритании событие магнитудой 2,9 вблизи Блэкпула в 2011 году привело к временному мораторию на гидроразрыв. Правительство Великобритании ввело систему светофора, которая останавливает работу, если сейсмическая активность превышает определенный порог.

Инъекция сточных вод: основной водитель

В то время как сам фрекинг может вызвать небольшие толчки, гораздо больший сейсмический риск возникает при удалении добытой воды - соленого рассола, который течет обратно на поверхность во время добычи нефти и газа. Эти сточные воды обычно впрыскиваются глубоко под землю в пористые породные образования через скважины для удаления. Огромный объем жидкости, вводимой в течение длительных периодов, может повысить давление пор на широкой площади, потенциально активируя разломы в нескольких километрах от скважины для впрыска.

Оклахомское землетрясение бум

Наиболее ярким примером сейсмичности, вызванной сточными водами, является резкое увеличение землетрясений в Оклахоме и южном Канзасе, начиная примерно с 2009 года. До бума нетрадиционной добычи нефти и газа Оклахома в среднем производила около двух землетрясений магнитудой 3,0 или более в год. К 2015 году это число возросло до более 900. Геологическая служба США и государственные учреждения связали этот всплеск с впрыском миллиардов баррелей сточных вод в формацию Арбакл, глубокий осадочный слой, который лежит в основе большей части штата. Исследования USGS обнаружили, что скорость сейсмичности коррелирует с объемами впрыска . После того, как регуляторы заказали снижение скорости впрыска, число землетрясений начало снижаться, обеспечивая явную демонстрацию причинно-следственных связей.

Механизм и факторы риска

Впрыск сточных вод вызывает землетрясения посредством процесса, аналогичного заполнению резервуара: увеличение давления пор снижает эффективное напряжение на плоскостях разломов. Однако, поскольку скважины для инъекций могут нацеливаться на глубокие, проницаемые образования, фронт давления может перемещаться далеко от скважины. Факторы, повышающие риск, включают высокие скорости инъекций, близость к критически напряженным разломам и наличие проницаемых путей, соединяющих зону инъекций с подвальными породами, где находятся многие разломы. Не все скважины для инъекций вызывают проблемы; исследования показали, что скважины, вводимые в относительно непроницаемую породу или вдали от активных разломов, представляют значительно более низкий риск.

Другие виды деятельности человека, которые могут вызвать землетрясения

Плоды и бурение являются наиболее обсуждаемыми виновниками, но они далеко не единственные. Деятельность человека, начиная от добычи полезных ископаемых и заканчивая извлечением геотермальной энергии, также может вызывать сейсмические события.

Минно-индуцированная сейсмичность

Подземная добыча может вызвать землетрясения двумя способами. Во-первых, удаление больших объемов породы изменяет распределение напряжений вокруг раскопок, в результате чего окружающая порода разрушается или проскальзывает по уже существующим трещинам. Во-вторых, обрушение заброшенных шахт может генерировать «дромы горной добычи», которые часто ощущаются как землетрясения. В некоторых регионах, таких как Рурская область Германии и части Южной Африки, сейсмика, вызванная добычей, была значительной опасностью в течение десятилетий. Землетрясение магнитудой 5,0 в немецком городе Корбург было связано с добычей калия. Современные горнодобывающие операции используют мониторинговые массивы для обнаружения и управления сейсмичностью, часто корректируя планы добычи в режиме реального времени.

Геотермальное извлечение энергии

Усовершенствованные геотермальные системы (EGS) работают путем впрыска воды высокого давления в горячую, сухую породу для создания трещин и циркуляции воды для теплоотдачи. Этот процесс по существу похож на гидравлический разрыв и может вызывать землетрясения. Самым известным примером является землетрясение магнитудой 3,4 в Базеле, Швейцария, в 2006 году во время проекта EGS. Это событие вызвало незначительные повреждения и привело к приостановке проекта. Последующий анализ показал, что инъекция активировала ранее неизвестный разлом. Напротив, некоторые геотермальные поля, такие как Гейзеры в Калифорнии, работали в течение десятилетий с управляемыми уровнями индуцированной сейсмичности. Департамент энергетики опубликовал руководящие принципы для мониторинга и смягчения сейсмического риска .

Добыча жидкости (нефть, газ, вода)

Не только инъекция может вызвать землетрясения; удаление жидкостей также может вызвать изменения оседания и напряжения, которые приводят к сейсмичности. В газовом месторождении Гронинген в Нидерландах десятилетия добычи газа вызвали тысячи небольших землетрясений, поскольку уплотнение породы резервуара напрягает лежащие разломы. Крупнейшее событие, магнитудой 3,6 в 2012 году, вызвало повреждение зданий и привело к поэтапному отключению поля. Аналогичным образом, добыча подземных вод в таких районах, как Центральная долина Калифорнии, была связана с локализованной сейсмичностью, поскольку удаление воды снижает стабилизирующее давление на разломы.

Другие заметные мероприятия

Подземные ядерные испытания привели к измеримым землетрясениям, как правило, умеренной величины. Северокорейское ядерное испытание 2017 года вызвало событие магнитудой 6,3, хотя это был взрыв, а не тектоническое скольжение. Проекты улавливания и хранения углерода (CCS), которые вводят CO2 глубоко под землей, представляют аналогичные сейсмические риски для впрыска сточных вод, хотя объемы CCS в настоящее время намного меньше. Даже строительство очень тяжелых зданий на мягкой земле может, теоретически, изменить местный стресс, но такие эффекты незначительны по сравнению с большими резервуарами или глубоким впрыском.

Как сейсмика отличается от природных землетрясений

Индуцированные землетрясения неотличимы от естественных в плане тряски и повреждения. Разница заключается в причине и предсказуемости. Естественные землетрясения происходят, когда тектонические напряжения накапливаются в течение сотен или тысяч лет по разлому, пока они не преодолеют трение. Деятельность человека, изменяющая напряжение или давление пор, может вызвать разлом, который уже был близок к провалу. В этом смысле индуцированные землетрясения редко «вызываются» активностью в двоичном смысле; скорее, это ускоренные события, которые произошли бы естественным образом в какой-то момент геологического будущего.

Индуцированные землетрясения имеют тенденцию быть более мелкими (в пределах нескольких километров поверхности), чем естественные землетрясения, которые могут происходить глубоко в коре. Мелкие землетрясения производят более сильное сотрясение поверхности для данной величины, делая их более опасными по отношению к их размеру. Они также имеют тенденцию происходить в кластерах вблизи запускающей активности, тогда как естественные землетрясения следуют региональным тектоническим моделям. Ученые используют эти пространственные и временные модели, чтобы отличать индуцированные от природных событий, хотя некоторые случаи остаются неоднозначными, особенно в тектонически активных регионах, где как естественное, так и индуцированная сейсмичность перекрываются.

Смягчение последствий и мониторинг

При тщательном планировании и мониторинге в режиме реального времени можно избежать многих крупнейших событий. Ключевыми инструментами являются предварительная оценка места бурения, системы светофора и адаптивное управление.

Светофорные системы

Многие юрисдикции теперь требуют от операторов инъекционных или фрекинговых скважин принять систему светофора. Зеленый означает, что операции продолжаются нормально; желтый вызывает снижение скорости или объема инъекций; красный требует полного отключения. Пороги варьируются в зависимости от региона, но общий желтый порог составляет величину 1,5-2,0, а красный - величину 3.0 или выше. Великобритания ввела величину 0,5 красного света для операций фрекинга после событий Блэкпула. Хотя эти системы не могут предотвратить все землетрясения, они были эффективны в снижении частоты более крупных войлочных событий.

Регуляторные подходы

В Оклахоме после скачка землетрясений Комиссия корпорации Оклахома приказала операторам закрыть или значительно сократить объемы впрыска в районах с самым высоким риском. Результатом стало заметное снижение сейсмичности к 2017 году. В Нидерландах правительство прекратило добычу газа из Гронингена после вызванных землетрясений. Эти случаи демонстрируют, что регулирование может быть эффективным, когда оно основано на здравой науке и последовательно применяется. Однако есть проблемы: землетрясения могут происходить далеко от места впрыска, что затрудняет возложение ответственности; а экономическое давление часто отталкивает от строгого регулирования.

Государственная политика и коммуникация по рискам

Сейсмичность вызывает уникальные проблемы для государственной политики. Поскольку землетрясения вызваны промышленными операциями, существует потенциал для юридической ответственности и общественного противодействия. Во многих случаях страховые полисы не покрывают ущерб от вызванных землетрясений, и домовладельцы изо всех сил пытались подать претензии. Четкая передача рисков и прозрачные данные мониторинга необходимы для поддержания общественного доверия. Ученые и регулирующие органы должны работать вместе, чтобы объяснить, что, хотя вероятность разрушительного вызванного землетрясения низкая, она не равна нулю, и что меры по смягчению последствий могут значительно снизить этот риск.

Заключение

Доказательства очевидны: деятельность человека, от строительства водохранилищ до закачки сточных вод, может вызвать землетрясения. Механизмы хорошо понятны - изменения давления пор и стресса на уже существующие разломы. Масштабы проблемы варьируются в зависимости от региона и активности, но она поддается надлежащему контролю. Поскольку мир продолжает зависеть от плотин для хранения воды и гидроэнергетики, а также от гидравлического разрыва для нефти и газа, необходимость надежного сейсмического мониторинга и гибкого регулирования становится все более актуальной. Цель состоит не в том, чтобы полностью устранить риск - это невозможно - но свести его к минимуму до уровней, которые общество считает приемлемыми. Изучая прошлые события и применяя эти знания к будущим проектам, мы можем продолжать использовать недра, не вызывая разрушительных сейсмических последствий.