Текст книги "Катастрофы в природе: землетрясения"

Наведённые землетрясения

Эти землетрясения иногда называют техногенными или антропогенными. Природа их возникновения связана с деятельностью человека или неким масштабным природным воздействием на земные недра. Проводя подземные взрывы, закачивая в недра или извлекая оттуда большое количество воды, нефти или газа, создавая крупные водохранилища, которые своим весом давят на земные недра, человек оказался способным вызывать подземные удары.

Земные недра на определенный период времени находятся в состоянии устойчивого равновесия. Как только в силу различных причин (внешние воздействия, разработка месторождений полезных ископаемых, выработка шахт и др.) оно нарушается, в них происходит перераспределение напряжений, и уравновешенная система превращается в неустойчивую. Возвращение к устойчивому состоянию сопровождается землетрясениями

Техногенное воздействие на природную среду способно изменять структуру напряжений в ней и выступить спусковым крючком для подготовленного природой землетрясения. В 1976 году Б. Болт, а затем В. Адушкин, А. Гамбурцев и А. Николаев в своих работах показали, что подземные ядерные взрывы инициируют землетрясения. Так, во время ядерных испытаний на расположенном в штате Невада полигоне были зарегистрированы тысячи инициированных ядерными взрывами землетрясений. Однако впервые с реакцией недр на их деятельность люди столкнулись в шахтах и при прокладке в горных массивах тоннелей.

В 1901 году небольшое землетрясение привело к потере прочности склонов горы Тартл. Вибрации горных склонов из-за производимых для добычи каменного угля взрывов и от движения составов по проложенной у подножья горы железной дороге, постоянно воздействовали на горный массив. От добычи каменного угля в нем образовались большие пустоты. Здесь ежесуточно извлекалось до 1100 тонн. Всего было извлечено почти 397 тысяч кубометров породы, а образовавшиеся под землей пустоты составили около 181 тысячи кубометров. Землетрясение, антропогенная деятельность и образовавшиеся пустоты в недрах горы, в конце концов, ослабили устойчивость горных склонов.

29 апреля 1903 года на горе Тартл с высоты 900 метров сорвалось вниз почти 30 миллионов кубометров горных пород. Скально-земляной вал высотой 30 метров и шириной фронта в 2,5 километров перемещался со скоростью 160 км/час. Он похоронил под собой долину реки Кроузнест вместе с шахтерским городком Френк. Погибло 70 жителей, только 16 работавших в шахтах шахтеров смогли спастись, прорубив себе путь в слоях угля.

В Испании произошедшее 11 мая 2011 года землетрясение около города Лорки отнесено к спровоцированному осушением фермерами водоносных пластов. С 1960 года фермеры добывали здесь воду для поливки полей из всё более глубоких колодцев. За 50 лет уровень грунтовых вод в котловине, на границе которой произошел тектонический сдвиг в 20 сантиметров, упал на 250 метров.

Мощные природные силы могут спровоцировать землетрясения. К примеру, перемещение громадных масс воды при лунно-солнечных приливах или резкое нагружение ослабленных участков земной поверхности значительными массами дождевой влаги или снега. Резкая разгрузка или нагрузка территорий, которые сами по себе отличаются высокой тектонической активностью, может влиять на сейсмическую активность.

Хотя энергетика землетрясений колоссальна провоцирующие их силы могут быть относительно небольшими. Так, при гигантских величинах веса вышележащих пород для возникновения разрыва и был преодолен предел прочности горного материала достаточно десять – сто бар дополнительной нагрузки. Это происходит в процессе заполнения глубоких водохранилищ, и приводит к землетрясениям. Подобное наблюдалось в момент заполнения водохранилищ Нурекского, Токтогульского и Червакского.

Накопление огромной массы воды в водохранилищах приводит к изменению гидростатического давления в породах и снижению сил трения на контактах земных блоков. Это повышает вероятность возникновения землетрясений. Установлено, что давление возрастает с увеличением высоты плотины. Так, для плотин высотой более десяти метров наведенную сейсмичность вызывало около 0,63% из них. При строительстве плотин высотой более 90 метров уже 10%, а для плотин высотой более 140 метров уже 21%.

Процент плотин провоцирующих наведённые землетрясения в зависимости от их высоты.

Интересные особенности изменения сейсмической активности на западе Туркменистана автор отметил при перекрытии стока воды из Каспийского моря в залив Кара-Богаз-Гол в марте 1980 года. Затем при открытии стока воды 24 июня 1992 года.

В 1983 году залив перестал существовать как открытый водоем, а в 1993 году в него было пропущено 25 кубических километров морской воды. На примыкающей к заливу территории, где велись работы по добыче нефти и газа, друг за другом возникли два небольших землетрясения. Сначала произошло в 1983 году Кумдагское, а затем в 1984 году Бурунское землетрясение. Их очаги находились на необычно малой глубине поэтому их сейсмических эффект был значителен. Пострадал поселок нефтяников Кум-Даг и близлежащие села.

В Индии 11 декабря 1967 года в районе плотины Койна произошло землетрясение с М = 6,4 по шкале Рихтера. Оно было вызвано заполнением водохранилища. Погибли 177 человек, а расположенному рядом городку Койна-Нагар причинен значительный ущерб.

В Лесото в конце октября 1995 года удерживаемый плотиной Катсе резервуар стал заполняться водой. Несколько дней спустя люди ощутили слабые сейсмические толчки. 2 февраля 1996 года произошло землетрясение с М = 3,1 по шкале Рихтера.

Возникновение наведённых землетрясений с магнитудой до шести происходило при строительстве Ассуанской плотины в Египте, плотины Койна в Индии, Кариба в Родезии, Лейк Мид в США.

В России возможной причиной землетрясения магнитудой 4,7 балла, произошедшего в Усть-Илимске Иркутской области 17 января 2014 года, скорей всего было заполнение водохранилища Богучанской ГЭС в Красноярском крае. Очаг землетрясения находился в районе северной части водохранилища.

Комплекс проблем может возникнуть вокруг нефтегазового комплекса при бурении на шельфе Каспийского моря. Здесь интенсивная разработка месторождений углеводородного сырья осложняется неблагополучными сейсмическими условиями. К примеру, если раньше на месторождении Тенгиз не было зафиксировано толчков, то в 2004 году здесь произошло 43 слабых землетрясения. В Южной части Каспия располагаются зоны грязевого вулканизма. Попытки бурения здесь приводят к выбросам и провалам.

Появились сообщения о проседании дна Северного моря в пределах месторождения Экофиск после извлечения из его недр 172 миллионов тонн нефти и 112 млрд. кубометров газа. Оно сопровождается деформациями стволов скважин и самих морских нефтяных платформ.

Одно из первых вызванных добычей нефти техногенных землетрясений произошло в 1939 году на месторождении Уилмингтон в Калифорнии. За ним здесь стартовал цуг подземных толчков. Они вызвали разрушение зданий, повреждение дорог, мостов, нефтяных скважин и трубопроводов. В 1954 году было доказано, что закачка воды в пласт позволяет бороться с проседанием почвы. Она также увеличивала коэффициент отдачи нефтяного пласта.

Грязевой вулкан в Западном Туркменистане (Legal Notices of Google Earth, 2009).

В 1958 году стартовал первый этап работы по заводнению. На южном крыле нефтеносной структуры в продуктивный пласт закачивалось до 60 тысяч кубометров воды в сутки. Через десять лет закачивалось до 122 тысячи кубометров в сутки, и проседание практически прекратилось. Тем не менее, данный способ не всегда эффективен. Вода, закаченная в глубинные пласты, может повлиять на температурный режим массива и спровоцировать землетрясения.

При неблагоприятном сочетании техногенных факторов и тектонических условий увеличивается риск техногенных землетрясений способных создать аварийные ситуации. Таким как разрывы продуктопроводов, выход из строя эксплуатационных скважин, разрушение жилых и производственных строений или коммуникаций. Экологический ущерб от подобных аварий может оказаться несопоставим с выгодой добычи углеводородов. Тому пример аварии на продуктопроводе в России под станцией Аша в Башкирии, когда сгорели два пассажирских состава. Или крупная экологическая катастрофа под Усинском, где авария на нефтепроводе привела к нефтяному загрязнению обширной территории и другие.

Примером изменения рельефа при закрытой разработке месторождений служит Западный Донбасс в Украине. Здесь общая площадь участков с глубиной оседания почвы в 5—7 метров составляет более двадцати квадратных километров. На солепромысле Новый Карфаген деформациями охвачена практически вся его территория с амплитудами оседаний от трех до восьми метров. На Назаровском буроугольном месторождении от обрушения кровли штреков на поверхности возникают воронки глубиной до семи метров.

На рудных месторождениях также образуются провалы. Так в районе Нижнего Тагила в России подземные разработки железной руды ведутся более 260 лет на глубинах от 300 до 750 метров. Они привели к провалу в отработанное пространство горы Высокая. Местами глубина проседания здесь составляет до 80 метров.

В Швейцарии землетрясение в Базеле в декабре 2006 года с магнитудой 3.5 по шкале Рихтера, судя по всему, было вызвано работами по реализации проекта по использованию геотермальных источников.

В 2009 году в немецком городе Ландау работы по использованию геотермального тепла спровоцировали землетрясение магнитудой 2,7. Подземные толчки вызвали раскачивание зданий, но не нанесли ущерба. Они сопровождались громким звуком, напоминающим звуковой удар. Землетрясение было вызвано закачкой воды под большим давлением на глубину в несколько километров. По проекту для выработки электроэнергии использовался обратный пар, получаемый в результате испарения закаченной воды.

Изменения природного рельефа происходят при скважинной добыче углеводородного сырья. Еще на стадии разведки месторождений бурение скважин нарушает гидрогеологические условия, и вызывает активизацию карста. Самым впечатляющим примером этого является город Лонг-Бич в Калифорнии (США).

Добыча нефти и газа здесь привела к проседанию территории площадью в 52 квадратных километра. Оседание происходило с все возрастающей скоростью. К 1952 году его скорость достигла 30—70 см/год. Воронка оседания имела форму эллипса с осями длиной 65 и 10 километров. К началу 60-х годов прошлого века максимальное опускание составило 8,8 метров, а горизонтальные смещения 3,7 метров.

Негативные экологические последствия разработки месторождений полезных ископаемых проявляются не сразу, а спустя некоторое время. Так, оседание поверхности на 2—3 метра вызывает в будущем снижение урожайности сельскохозяйственных культур на 10%, на 5—6 метров на 50%, а при оседании более чем на 8 метров угодья разрушаются полностью.

Проседание грунта и землетрясения происходят в старых нефтедобывающих районах России. Особенно это сильно проявляется на Старогрозненском месторождении. Здесь слабые землетрясения, как результат интенсивного отбора нефти из недр, возникали в 1971 году. Тогда произошло землетрясение интенсивностью до VII баллов в эпицентре. Он находился в шестнадцати километрах от г. Грозный. Пострадали жилые и административные здания не только поселка нефтяников расположенного на месторождении, но и города.

На старых месторождениях Азербайджана Балаханы, Сабунчи и Романы в пригороде г. Баку также происходит оседание поверхности, сопровождаемое горизонтальными подвижками. Они приводят к смятию и поломки обсадных труб эксплуатационных нефтяных скважин.

Землетрясения могут возникать из-за добычи нефти и газа в районах с активной тектоникой. К примеру, спустя двадцать лет после начала разработки нефтяного месторождения на западе Туркменистана в 1983 году произошло Кумдагское землетрясение.

Спустя тридцать лет после начала разработки Первомайского нефтяного месторождения на Сахалине в 1985 году произошло Нефтегорское землетрясение.

Газлийские землетрясения в Узбекистане возникли в 1976 году с магнитудами 7 и 7,3 по шкале Рихтера и еще одно, с магнитудой 7 спустя всего семь лет – в 1984 году.

В Северном море, землетрясение с М = 5 по шкале Рихтера в мае 2001 года считается было спровоцировано добычей нефти и газа.

В 2014 году подземные толчки на севере Нидерландов интенсивностью более III балла привели к обсуждению вопроса о возможности продолжения газовых разработок в регионе Гронинген. Здесь залежи газа были открыты в 1959 году и с тех пор дали стране огромное преимущество перед соседними странами ЕС. Тем не менее, из-за протестов жителей Гронингена в 2015 году лимит добычи на месторождении уменьшен на 7% – до 39,4 млрд. кубометров. Потери выручки от продажи газа оценены в 700 млн. евро в 2015 году и в 130 млн. евро в 2016 году.

Особый интерес к наведённым землетрясением возникает в связи с расширяющейся добычей сланцевого газа содержащегося в непрочных осадочных породах. В 1947 году в США был впервые проведен эксперимент с применением гидравлического разрыва пласта методом фрекинга (Hydraulic Fracturing). Сам метод заключается в закачке воды в подземные пласты породы. Вода с добавлением песка под большим давлением вытесняет скопившийся за миллионы лет газ в сланцевых породах. С 1949 года началась его коммерческое использование. В Германии в районе Клоппенбурга почти сорок лет ведется добыча природного газа методом гидравлического разрыва.

Карта эпицентров землетрясений произошедших за последние 500 лет в Копетдагском регионе и Западном Узбекистане. В правом верхнем углу изолированное тёмное пятно образовано афтершоками Газлийских сильных землетрясений. Структура сейсмичности здесь иная, чем на других участках карты.

Собственно сам по себе гидроразрыв представляет собой небольшое микроземлетрясение, которое можно зафиксировать только с помощью специальной аппаратуры. Тем не менее, иногда толчки бывают настолько сильными, что их можно почувствовать на поверхности даже без приборов.

Считается, что закачка воды на месторождении Приз Холл при добыче сланцевого газа близ Блэкпула в Англии стала причиной землетрясений с М = 2,3 и 1,5 в апреле и мае 2011 года. Пробная добыча, начатая британской газовой компанией Cuadrilla, но была остановлена после этих землетрясений. Комиссия экспертов, назначенных департаментом энергетики и климатической безопасности страны, пришла к выводу, что подземные толчки будут продолжаться, но их энергия слишком мала для причинения серьезного ущерба. Поэтому комиссия разрешила продолжение работ с мониторингом состояния недр.

В США почти 20% землетрясений происходивших в штате Оклахома имеют отношение добычи газа методом гидроразрыва. Специалисты Корнелльского университета пришли к выводу, что пятая часть происходящих юго-восточнее города Оклахома-Сити землетрясений связана с четырьмя скважинами по добыче газа. По их данным промысловая деятельность способна вызывать подземные толчки в радиусе до 35 километров от места их расположения скважин.

Зачастую обычные землетрясения относят к спровоцированным фрекингом. Так, в Германии 13 февраля 2012 года произошло землетрясение недалеко от города Нойенкирхен-Тевель магнитудой три в районе газового месторождения. Последний гидроразрыв здесь был произведён за два года до него, а в 2004 году здесь уже случалось землетрясение с магнитудой 4,5. Поэтому новое землетрясение скорей всего с газодобычей не связано.

В Голландии и Нижней Саксонии регистрировались подземные толчки связанные с добычей природного газа, но они произошли до использования технологии фрекинга. То же самое можно сказать о тех сейсмоактивных районах, где подобные технологии еще не применялись.

Возникновение землетрясений в местах добычи сланцевого газа происходят редко и, скорей всего, обусловлены особенностями строения недр в местах разработок.

Мегалоземлетрясения

Это почти планетарного масштаба тектонические события. Их магнитуда может составлять от 8,5 до 9 по шкале Рихтера, но для более точного описания необходимо использовать специальные энергетические шкалы. Мегалоземлетрясения возникают не часто – всего несколько штук за столетие и именно они отвечают за основной расход сейсмической энергии на планете. Сила их такова, что они способны вызвать собственные колебания Земли и повлиять на скорость её вращения.

Несмотря на масштаб энергии таких землетрясений в XIX веке около половины произошедших на планете подземных ударов магнитудой более 8,5 не были учтены. Сейсмических станций на тот период времени ещё не было, а учёт землетрясений был не совершенен, как из-за качества информационных коммуникаций, так и недостатка знаний необходимых для точной их классификации. Одним из подобных примеров является землетрясение на Камчатке 1841 года. Другой пример, это подземные толчки на Малых Антильских островах в 1843 году.

Мегалоземлетрясениям прошлого обязана своим ликом наша планета. Так, после землетрясения и крупнейшего на Земле оползня-обвала образовалось озеро Сеймерре в Иране. В Азербайджане озеро Гёйгёль (Голубое озеро) возникло после сильного землетрясения, произошедшего близ Гянджи 30 сентября 1139 года. Тогда вершина горы Кяпаз обрушилась в ущелье реки Ахсу.

«В месяце Арег, на 18-й день месяца, в течение ночи с пятницы на субботу, в день праздника святого Георга, ярость господнего гнева обрушилась на мир; неистовство земли и сильное разрушение двинулись ужасными толчками и достигли этой страны Албании. Этим землетрясением много было разрушено во многих местах в областях Парисос и Хачен, как на полях, так и в горах. В результате его столица Ганджак также была швырнута в ад, поглотив своих жителей. И во всех концах своей поверхности земля держала их в своих объятиях, а в горных районах многие крепости и деревни были разрушены вместе с монастырями и церквами, которые обрушились на головы их жителей, и бесчисленное множество людей было убито разрушенными зданиями и башнями» (Очевидец, уроженец и житель Гянджи Мхитар Гош).

При землетрясении 1958 года дно заливов Криллон и Джильберт на Аляске по тектоническому разлому резко сдвинулось почти на семь и приподнялось более чем на шесть метров. Со склонов гор в воду обрушилось более 36 миллионов кубометров горных пород.

Мегалоземлетрясениям предшествует активизация сейсмической активности на больших территориях. Их афтершоковые последовательности продолжаются многие годы. Сами по себе они бывают очень опасными, поскольку возникают на большой площади и далеко от места главного удара. В прошлом веке мегалоземлетрясениями были Чилийское 1960 года и Аляскинское 1964 года с очагами под морским дном.

При Чилийском землетрясении 1960 года многочисленные обвалы и оползни привели в движение массу горной породы объемом в сотни миллионов кубометров. Только в районе озера Риниту пять миллионов кубометров горной породы переместилось почти на километр по долине реки Сан-Педро. В зоне набольших сотрясений продолжительность сейсмических колебаний составила около 200 секунд. Землетрясение превратило Андийские Кордильеры в громадный «вибрационный стол» на котором горные массы приобретали необычную подвижность и обрушивались вниз.

Землетрясение 1964 года на Аляске спровоцировало грандиозный оползень Шерман. Сместилось 30 миллионов кубометров горной породы, и только слабая заселенность этих мест свела к минимуму человеческие потери.

Сильнейшие землетрясения в истории США произошли в 1811 и 1812 годах. Они были такой силы, что изменили русло реки Миссисипи. Толчки ощущались от южной Канады до Мексиканского залива, от Атлантического побережья США до Скалистых гор.

Мегалоземлетрясение с магнитудой более восьми по шкале Рихтера произошло 12 июня 1897 года в северо-восточной Бенгалии. Оно изменило рельеф земной поверхности в эпицентральной зоне.

Места возникновения сильнейших землетрясений XX века.

Сильные землетрясения начала XXI возникли в 2004 и 2005 годах в Юго-восточной Азии. Первое из них сопровождалось разрушительным цунами и гибелью более двухсот тысяч человек. Второе причинило значительный ущерб острову Ниас, расположенному неподалеку от западного побережья Суматры и унесло жизни нескольких тысяч человек. Третье землетрясение произошло в Пакистане, и вызвало гибель 73 тысяч человек. Четвертое возникло в Японии, и вызвало разрушение АЭС «Факусима». Таким образом, почти несколькими сотнями тысяч смертей открыта летопись сейсмических катастроф нового века.

Благодаря мегалоземлетрясениям доказано существование собственных колебаний Земли. Так, любое упругое тело после удара подобно колоколу совершает колебания. В 1911 году английский математик профессор Огастес Эдвард Хаф Ляв (Лав) вычислил период собственных колебания стального шара размером с Землю. Оказалось, что он будет равен одному часу. Первые собственные колебания Земли с периодом 57 минут обнаружены Беньоффом в 1952 году после землетрясения на Камчатке. После чилийского землетрясения в 1960 году были зарегистрированы колебания Земли с периодом 54 минуты.

Собственные колебания это лучший тест для оценки верности принятой модели Земли. Определённые теоретически они получают подтверждение путём наблюдения за последствиями мегалоземлетрясений. Сопоставление теоретических и наблюдательных данных решает вопрос о правильности или ошибочности принятых представлений о планете.

Мегалоземлетрясения всегда сопровождаются уникальными природными явлениями – извержениями вулканов, громадными обвалами, оползнями, цунами, снежными лавинами, протяженными разрывами земной поверхности и многим другим. Они приводят к изменению продолжительности земных суток. Так, землетрясение 2004 года на Суматре сократило земные сутки на 6,8 микросекунды, землетрясение 2010 года в Чили на 1,26 микросекунды, а землетрясение 2011 года в Японии на 1,8 микросекунды.

Отметим, оценивать величину землетрясений исходя из размеров принесённого ущерба неверно. Энергия землетрясения и потери от него чаще всего не адекватны друг другу. Суммарные человеческие потери от двух мегалоземлетрясений прошлого века не превысили десяти тысяч человек. Намного уступающие им по энергии землетрясения в Ашхабаде, Спитаке и других местах унесли в несколько раз больше жизней.

Крупный оползень в результате небольшого землетрясения сошел 18 февраля 1911 года на Памире – 2,2 миллиарда кубометров. Был завален кишлак Усой со всеми его жителями, их имуществом и домашним скотом. Скальные породы перегородили долину реки Мургаб с поперечником в 4 – 5 километров и высотой более 700 метров. Возникло новое озеро Памира – Сарезское. Оно стало быстро расти, и затопило кишлаки Сарез, Нисор-Дашт и Ирхт.

Относительно слабое Гиссарское землетрясение 23 января 1989 года с эпицентром в тридцати километрах юго-западнее столицы Таджикистана Душанбе с М=5,3 привело в движение лёссовидные толщи на горных склонах. Положение усугубило то, что из-за дождей произошло их сильное обводнение. Возник крупный оползень, заваливший поселок Шарора и погубивший более двухсот человек.

Вывод очевиден. Даже не очень сильное землетрясение там, где к нему не готовы, приносит несоизмеримый ущерб в сравнение с его энергией и тогда его называют катастрофическим.