Механизмы искусственных землетрясений

Добыча углеводородов гидроразрывом, бурение для получения гидротермальной энергии, подземное захоронение отходов – все это резко повышает вероятность землетрясений. Часто они, вопреки ожиданиям, происходят не во время работ, а месяцы спустя после их окончания и вызывают человеческие жертвы, как это было недавно в провинции Сычуань (см. «Химию и жизнь», 2021, 3). Специалистам известны и другие случаи, например землетрясение, произошедшее в южнокорейском Пхохане в 2017 году через два месяца после работ на скважине для получения геотермальной энергии; это землетрясение магнитудой 5,5 было вторым по силе за современную историю Корейского полуострова.

Круг явлений, вызывающих такие рукотворные землетрясения, специалисты уже очертили; к примеру, известно, что они происходят при эволюции разломов земной коры. А механизмы сейсмичности далеки от полного понимания. Их поиском, в частности, занимаются геофизики корейского происхождения из Национальной лаборатории Сандия Министерства энергетики США под руководством Кюн Вончана. Они выясняли, как механические напряжения, возникающие при закачке жидкости в скважины, передаются к разломам разных размеров.

В предложенной модели это происходит в результате действия двух механизмов. Напрямую, при гидравлической передаче давления подземных вод, и косвенно, за счет  миграции водонасыщенных пор подземных пород к окружающим разломам, где они и скапливаются. Суть этого интересного явления такова. Порода неоднородна, в ней есть более и менее плотные области, которые в разной степени насыщаются водой при закачке ее в скважины. В неоднородных полях механических напряжений, которые возникают в среде с разломами, поры становятся подвижными и устремляются туда, где напряжения выше, то есть к разлому, ведь он – концентратор напряжений. Когда количество пор превысит критическое значение, сконцентрированные у разлома напряжения разрядятся через быстрое появление дополнительной поверхности разрыва, то есть удлинение разлома и землетрясение. Из этой модели следует, что время задержки катастрофы связано с механическими полями, а также скоростью миграции пор.

Ученые апробировали модель на примере окрестностей городка Азл в нефтяном штате Техас. Здесь с ноября 2013 года по май 2014-го в районе двух пересекающихся разломов случилось пять сотен небольших землетрясений. Все они располагались вдоль более длинного и глубокого разлома, а ведь скважины бурили возле меньшего. Ученые пришли к выводу: сначала давление повышалось вблизи него, а затем механические напряжения передавались к более глубокому разлому, который стал концентратором напряжений, а потом разрядился. Сейчас авторы работают над применением машинного обучения для предсказания положения скрытых разломов и оценки механических напряжений вокруг них. Это поможет предсказывать не только места, но и магнитуды будущих землетрясений.

(Scientific Reports, 2020, 10, 2073, полный текст; Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 2020, 125, 9)