Введение

Незначительные землетрясения и толчки, вызванные деятельностью человека. Индуцированная сейсмичность обычно представляет собой землетрясения и толчки, вызванные деятельностью человека, изменяющей напряжения в земной коре. Большинство случаев индуцированной сейсмичности характеризуются низкой магнитудой. Однако на некоторых участках регулярно происходят более сильные землетрясения, например, на геотермальной электростанции The Geysers в Калифорнии, где в период с 2004 по 2009 год в среднем регистрировалось два события магнитудой 4 и 15 событий магнитудой 3 в год. База данных о землетрясениях, вызванных деятельностью человека (HiQuake) содержит документацию по всем зарегистрированным случаям индуцированной сейсмичности, обоснованным с научной точки зрения, и является наиболее полным сборником подобной информации. Результаты многолетних исследований индуцированных землетрясений, проведенных Геологической службой США (USGS) и опубликованные в 2015 году, показали, что большинство значительных землетрясений в Оклахоме, в том числе землетрясение в Эль-Рено магнитудой 5,7 в 1952 году, могли быть вызваны глубоким закачиванием сточных вод нефтедобывающей промышленностью. Значительное количество сейсмических событий в нефтегазодобывающих штатах, таких как Оклахома, обусловлено увеличением объемов закачки сточных вод, образующихся в процессе добычи. "В последнее время отмечается заметное увеличение частоты землетрясений в ряде районов Центральных и Восточных Соединенных Штатов (CEUS), особенно начиная с 2010 года, и научные исследования связывают большую часть этой повышенной активности с закачкой сточных вод в глубокие скважины". Индуцированная сейсмичность также может быть вызвана закачкой углекислого газа в рамках технологий улавливания и хранения углерода, направленных на извлечение углекислого газа из выбросов ископаемого топлива или других источников и его захоронение в земной коре для смягчения последствий изменения климата. Этот эффект наблюдался в Оклахоме и Саскачеване. Несмотря на то, что безопасные методы и существующие технологии могут быть использованы для снижения риска индуцированной сейсмичности при закачке углекислого газа, этот риск остается значительным при крупномасштабном хранении. Последствия индуцированной сейсмичности могут привести к активизации существующих разломов в земной коре, а также к нарушению герметичности хранилищ. Оценка сейсмической опасности, связанной с индуцированной сейсмичностью, может проводиться с использованием тех же методов, что и для естественной сейсмичности, с учетом ее нестационарности. Характеристики сотрясений, вызванных индуцированными землетрясениями, могут быть схожи с характеристиками естественных тектонических землетрясений или проявляться более сильными колебаниями на небольших расстояниях. Это означает, что модели движения грунта, полученные на основе записей естественных землетрясений (которые часто более многочисленны в базах данных сильных колебаний, чем данные по индуцированным землетрясениям), могут быть использованы с незначительными корректировками. Впоследствии может быть проведена оценка риска с учетом повышенной сейсмической опасности и уязвимости подверженных риску объектов (например, населения и зданий). Наконец, риск может быть, по крайней мере теоретически, снижен путем уменьшения опасности, воздействия или уязвимости.

Причины

Существует множество механизмов, вызывающих индуцированную сейсмичность. В 2010-х годах было установлено или предполагается, что некоторые энерготехнологии, связанные с закачкой или извлечением жидкости из недр Земли, такие как добыча нефти и газа и развитие геотермальной энергетики, могут провоцировать сейсмические события. Некоторые энерготехнологии также производят отходы, которые могут быть утилизированы или захоронены путем закачки на большую глубину. Например, сточные воды от добычи нефти и газа и углекислый газ, образующийся в различных промышленных процессах, могут подвергаться подземной закачке.

Искусственные озера

Водный столб в большом и глубоком искусственном озере изменяет напряжения в массиве горных пород вдоль существующего разлома или трещины. В этих водохранилищах вес водного столба может значительно изменить напряжения на лежащем в основе разломе или трещине, увеличивая общее напряжение за счет прямой нагрузки или уменьшая эффективное напряжение из-за повышения давления воды в порах. Это существенное изменение напряжения может привести к резкому смещению вдоль разлома или трещины, вызывая землетрясение. Сейсмические события, вызванные водохранилищами, могут быть относительно сильными по сравнению с другими формами индуцированной сейсмичности. Хотя понимание сейсмической активности, связанной с водохранилищами, весьма ограничено, отмечено, что сейсмичность, как правило, возникает на плотинах высотой более 330 футов (101 м). Дополнительное давление воды, создаваемое крупными водохранилищами, является наиболее общепринятым объяснением сейсмической активности. Индуцированная сейсмичность может возникать немедленно при заполнении или сбросе водохранилища, либо с небольшой задержкой во времени. Первый зафиксированный случай сейсмической активности, вызванной водохранилищем, произошел в 1932 году на плотине Уэд-Фодда в Алжире. Землетрясение магнитудой 6,3 в 1967 году произошло в штате Махараштра, Индия, с эпицентром, предвестниками и афтершоками, расположенными вблизи или под водохранилищем плотины Койна. Погибло 180 человек, 1500 получили ранения. Отголоски землетрясения ощущались на расстоянии 225 км в Бомбее, сопровождавшиеся толчками и отключениями электроэнергии. В начале строительства плотины Ваджонт в Италии были зарегистрированы сейсмические колебания во время ее первоначального наполнения. После оползня, почти заполнившего водохранилище в 1963 году, вызвавшего масштабное наводнение и около 2000 смертей, оно было осушено, и, как следствие, сейсмическая активность практически прекратилась. 1 августа 1975 года землетрясение магнитудой 6,1 в Оровиле, Калифорния, было отнесено к сейсмичности, вызванной крупной земляной плотиной и недавно построенным и заполненным водохранилищем. Примерами служат наполнение плотины Катсе в Лесото и плотины Нурек в Таджикистане. В Замбии озеро Кариба, возможно, спровоцировало аналогичные эффекты. Землетрясение 2008 года в Сычуани, унесшее жизни около 68 000 человек, является еще одним возможным примером. В статье, опубликованной в журнале Science, предполагалось, что строительство и заполнение плотины Зипинпу могли спровоцировать землетрясение. Некоторые эксперты опасаются, что плотина "Три ущелья" в Китае может привести к увеличению частоты и интенсивности землетрясений.

Скважины для захоронения отходов

Известно, что закачка жидкостей в скважины для утилизации отходов, чаще всего при утилизации попутной воды из нефтяных и газовых скважин, может вызывать землетрясения. Эта сильно минерализованная вода обычно закачивается в скважины для сброса соленых вод (SWD). Результирующее увеличение порового давления в недрах может спровоцировать смещение по разломам, приводящее к землетрясениям. Одним из первых известных примеров является случай с Арсеналом Скалистых гор к северо-востоку от Денвера. В 1961 году сточные воды были закачаны в глубокие горизонты, и впоследствии было установлено, что это вызвало серию землетрясений. Землетрясение магнитудой 5,8 в Оклахоме в районе города Прейг в 2011 году произошло после 20 лет закачки сточных вод в пористые глубокие формации с возрастающим давлением и степенью насыщения. 3 сентября 2016 года близ города Поуни, штат Оклахома, произошло еще более сильное землетрясение магнитудой 5,8, за которым последовали девять афтершоков магнитудой от 2,6 до 3,6 в течение 3,5 часов. Толчки ощущались даже в Мемфисе, штат Теннесси, и Гилберте, штат Аризона. Губернатор Оклахомы Мэри Фэллин объявила чрезвычайное положение в регионе и распорядилась о закрытии местных скважин для утилизации отходов. Результаты многолетних исследований индуцированных землетрясений, проведенных Геологической службой США (USGS) и опубликованные в 2015 году, показали, что большинство значительных землетрясений в Оклахоме, таких как землетрясение магнитудой 5,5 в Эль-Рено в 1952 году, могли быть вызваны глубокой закачкой сточных вод нефтегазовой промышленностью. Однако до апреля 2015 года Геологическая служба Оклахомы придерживалась мнения, что землетрясение, скорее всего, имело естественную природу и не было спровоцировано закачкой отходов. Это было лишь одно из многих землетрясений, затронувших регион Оклахомы. С 2009 года количество землетрясений в Оклахоме увеличилось в сотни раз, при этом число событий магнитудой 3 возросло с 1-2 в год до 1-2 в день. 21 апреля 2015 года Геологическая служба Оклахомы опубликовала заявление, изменив свою позицию относительно индуцированных землетрясений в Оклахоме: «ОГС считает весьма вероятным, что большинство недавних землетрясений, особенно в центральной и северо-центральной Оклахоме, вызваны закачкой попутной воды в скважины для утилизации».

Добыча и хранение углеводородов

Крупномасштабная добыча ископаемого топлива может вызывать землетрясения. Индуцированная сейсмичность также может быть связана с операциями подземного хранения газа. Сейсмическая последовательность, произошедшая в сентябре-октябре 2013 года в 21 км от побережья Валенсийского залива (Испания), вероятно, является наиболее известным случаем индуцированной сейсмичности, связанной с операциями подземного хранения газа (проект Castor). В сентябре 2013 года, после начала закачки, испанская сейсмическая сеть зарегистрировала резкое увеличение сейсмической активности. Было зарегистрировано более 1000 событий с магнитудой от 0,7 до 4,3 (крупнейшее землетрясение, когда-либо зафиксированное в связи с операциями хранения газа), расположенных вблизи платформы закачки, в течение примерно 40 дней. В связи с серьезной обеспокоенностью населения правительство Испании приостановило операции. В конце 2014 года правительство Испании окончательно расторгло концессию на объект подземного хранения газа. С января 2015 года около 20 человек, участвовавших в сделке и утверждении проекта Castor, были привлечены к уголовной ответственности.

Добыча грунтовых вод

Изменения в напряженно-деформированном состоянии земной коры, вызванные масштабной откачкой подземных вод, показали способность провоцировать землетрясения, как это произошло в случае землетрясения в Лорке в 2011 году.

Геотермальная энергия

Улучшенные геотермальные системы (EGS), новый тип геотермальной энергетической технологии, не требующий природных конвективных гидротермальных ресурсов, известны своей связью с индуцированной сейсмичностью. EGS предполагает перекачку жидкости под давлением для увеличения или создания проницаемости с использованием методов гидравлического разрыва. Геотермальные системы горячих сухих пород (HDR) EGS активно создают геотермальные ресурсы посредством гидравлической стимуляции. В зависимости от свойств породы, давления закачки и объема жидкости, горная порода-коллектор может реагировать с образованием трещин растяжения, как это обычно происходит в нефтегазовой промышленности, или сдвигом по существующим трещинам в породе, что считается основным механизмом увеличения объема коллектора при реализации проектов EGS. Системы HDR и EGS в настоящее время разрабатываются и испытываются в Сольц-су-Форе (Франция), в районах Desert Peak и The Geysers (США), в Ландау (Германия), а также в Паралане и бассейне Купер (Австралия). Индуцированные сейсмические события на геотермальном поле The Geysers в Калифорнии тесно коррелируют с данными закачки. Испытательный полигон в Базеле (Швейцария) был закрыт из-за индуцированной сейсмической активности. В ноябре 2017 года в городе Поханг (Южная Корея) произошло землетрясение магнитудой 5,5, в результате которого пострадали люди и были нанесены значительные разрушения. Близость сейсмической последовательности к площадке EGS, где стимуляционные работы проводились всего за несколько месяцев до землетрясения, позволила предположить, что землетрясение могло быть вызвано деятельностью человека. Согласно двум различным исследованиям, представляется вероятным, что землетрясение в Поханге было индуцировано операциями EGS. + Наиболее мощные события на площадках EGS по всему миру: Максимальная магнитуда: Поханг, Южная Корея – 5,5; The Geysers, США – 4,6; Бассейн Купера, Австралия – 3,7; Базель, Швейцария – 3,4; Розманоуэзский карьер, Великобритания – 3,1; Сольц-су-Форе, Франция – 2,9.

Исследователи из MIT полагают, что сейсмичность, связанная с гидравлической стимуляцией, может быть смягчена и контролироваться посредством прогнозирования местоположения и других методов. При надлежащем управлении можно уменьшить количество и магнитуду индуцированных сейсмических событий, значительно снизив вероятность возникновения разрушительного землетрясения. Индуцированная сейсмичность в Базеле привела к приостановке проекта HDR. Затем была проведена оценка сейсмической опасности, в результате которой проект был отменен в декабре 2009 года.

Гидравлический удар

Гидравлический разрыв пласта — это технология, при которой жидкость под высоким давлением закачивается в низкопроницаемые коллекторские породы для создания трещин и увеличения добычи углеводородов. Этот процесс обычно сопровождается сейсмическими событиями, которые слишком слабы, чтобы ощущаться на поверхности (с моментами магнитуды от -3 до 1), хотя исключены и события большей магнитуды. Например, в Канаде, в нетрадиционных месторождениях Альберты и Британской Колумбии, было зафиксировано несколько случаев событий с магнитудой более 4 (M > 4).

Анализ рисков

Было показано, что эксплуатация технологий, связанных с долгосрочным геологическим хранением жидких отходов, вызывает сейсмическую активность в близлежащих районах, и даже продемонстрирована корреляция периодов сейсмического затишья с минимальными объемами и давлениями закачки, например, при закачке сточных вод от гидроразрыва пласта в Янгстауне, штат Огайо. Особую обеспокоенность с точки зрения реализуемости хранения углекислого газа с угольных электростанций и подобных проектов вызывает то, что масштабы планируемых проектов по улавливанию и хранению углерода (УХУ) значительно превышают любые текущие или прошлые операции, уже показавшие способность вызывать сейсмичность, как по скорости закачки, так и по общему объему закачки. Поэтому необходимо провести обширное моделирование будущих мест закачки для оценки потенциальных рисков операций УХУ, особенно в отношении влияния долгосрочного хранения углекислого газа на целостность сланцевых покрышек, поскольку потенциал утечки жидкости на поверхность может быть достаточно высоким даже при умеренных землетрясениях.

Мониторинг

Поскольку геологическое секвестирование углекислого газа может спровоцировать сейсмичность, исследователи разработали методы мониторинга и моделирования риска сейсмичности, вызванной закачкой, для более эффективного управления рисками, связанными с этим явлением. Мониторинг может осуществляться с помощью измерений, полученных с приборов, таких как геофон, для измерения смещения земной поверхности. Как правило, вокруг места закачки используется сеть приборов, хотя многие современные объекты закачки углекислого газа не используют никаких устройств мониторинга. Моделирование является важной методикой оценки потенциала индуцированной сейсмичности, и используются две основные модели: физическая и численная. Физическая модель использует данные измерений, полученные на ранних стадиях проекта, для прогнозирования поведения проекта после закачки большего объема углекислого газа. Числовая модель, напротив, использует численные методы для симуляции физических процессов, происходящих в пласте. И моделирование, и мониторинг – полезные инструменты для количественной оценки, лучшего понимания и смягчения рисков, связанных с сейсмичностью, вызванной закачкой. В большинстве случаев разрушение происходит по существующим разломам из-за нескольких механизмов: увеличения касательного напряжения, уменьшения нормального напряжения или повышения порового давления. Когда достигается определенный предел, происходит сдвиговое разрушение и может ощущаться землетрясение. Этот процесс можно графически представить на круге Мора. На данный момент не было зафиксировано крупных сейсмических событий, связанных с закачкой углекислого газа, в то время как сейсмические события, вызванные другими методами закачки, были зарегистрированы. Одним из таких примеров является резкое увеличение индуцированной сейсмичности в Оклахоме (США), вызванное закачкой огромных объемов сточных вод в осадочную породу группы Арбакл.

Электромагнитные импульсы

Было показано, что высокоэнергетические электромагнитные импульсы могут спровоцировать высвобождение энергии, накопленной в результате тектонических движений, увеличивая частоту местных землетрясений в течение 2–6 дней после излучения генераторами ЭМИ. Высвобождаемая энергия примерно на шесть порядков превышает энергию самих ЭМИ. Высвобождение тектонического напряжения этими относительно небольшими индуцированными землетрясениями составляет 1,17% от напряжения, высвобождаемого сильным землетрясением в данном районе. Предполагается, что мощные ЭМИ-воздействия могут влиять на сейсмичность, поскольку динамика сейсмической активности в периоды экспериментов и длительное время после них была значительно более регулярной, чем обычно.

Факторы риска

Риск определяется как вероятность наступления последствий от события в будущем. Сейсмический риск обычно оценивается путем комбинирования сейсмической опасности с подверженностью и уязвимостью на конкретной площадке или в регионе.

Землетрясение

Землетрясения могут вызывать как структурные, так и неструктурные повреждения зданий и других сооружений. Общепринято считать, что структурные повреждения современных инженерных конструкций возникают только при землетрясениях магнитудой более 5.0. В сейсмологии и сейсмостойком строительстве интенсивность сотрясений земли может измеряться как максимальная скорость колебаний грунта (PGV), максимальное ускорение грунта (PGA) или спектральное ускорение (SA) для периода колебаний здания. В регионах с высокой сейсмической активностью, где здания проектируются с учетом сейсмических нагрузок, возможны умеренные структурные повреждения, а очень сильные сотрясения могут ощущаться при значениях PGA, превышающих 18-34% от g (ускорения свободного падения). В редких случаях наблюдаются неструктурные повреждения.

Характеристика источника землетрясения

Понимание геологического строения участка является обязательным условием для оценки сейсмической опасности. При этом учитываются состав горных пород, подземные структуры, расположение разломов, состояние напряженно-деформированного поля и другие параметры, влияющие на возможность возникновения сейсмических событий. Также принимаются во внимание данные о прошлых землетрясениях в районе участка. Однако целью данного анализа является определение вероятности будущих землетрясений. В отличие от естественной сейсмичности, для индуцированной сейсмичности частота землетрясений меняется во времени под воздействием изменений в человеческой деятельности и, следовательно, количественно оценивается как нестационарный процесс с переменной скоростью сейсмичности.

Движения земли

На данном участке движение грунта описывает сейсмические волны, которые были бы зарегистрированы сейсмометром в этой точке. Для упрощения представления полной сейсмограммы используются такие параметры, как PGV (пиковая скорость движения грунта), PGA (пиковое ускорение грунта), спектральное ускорение (SA) для различных периодов, длительность землетрясения и интенсивность Ариаса (IA) для характеристики сейсмического воздействия. Распространение сейсмических волн от источника до участка для землетрясения заданной магнитуды оценивается с помощью уравнений прогнозирования движения грунта (GMPE), разработанных на основе исторических данных. Поскольку исторических данных по индуцированной сейсмичности недостаточно, исследователи вносят корректировки в GMPE, предназначенные для природных землетрясений, чтобы применять их к индуцированным землетрясениям.

Сейсмическая опасность

В рамках PSHA используются распределения магнитуд землетрясений и распространение сейсмических колебаний для оценки сейсмической опасности – вероятности превышения определенного уровня интенсивности землетрясения (PGA, PGV, SA, IA и т.д.) в будущем. В зависимости от сложности вероятностных распределений, для оценки сейсмической опасности могут использоваться как численные методы, так и моделирование (например, метод Монте-Карло). Функция уязвимости или хрупкости определяет вероятность повреждения при различных уровнях интенсивности землетрясения. В регионах, таких как Оклахома, с небольшим количеством исторических природных землетрясений, конструкции не проектируются с учетом сейсмических нагрузок и, следовательно, более уязвимы даже при низких уровнях сотрясений, по сравнению с конструкциями в тектонически активных регионах, таких как Калифорния и Япония.

Сейсмический риск

Сейсмический риск определяется как вероятность превышения определенного уровня воздействия в будущем. Например, он может оценить вероятность превышения умеренного или более сильного ущерба зданию в будущем. Сейсмическая опасность комбинируется с подверженностью воздействию и уязвимостью для оценки сейсмического риска. Хотя для оценки риска на отдельной площадке могут использоваться численные методы, методы, основанные на моделировании, лучше подходят для оценки сейсмического риска для региона с портфелем объектов, чтобы корректно учитывать корреляции в интенсивности сотрясений и последствиях. В случае индуцированной сейсмичности сейсмический риск меняется со временем из-за изменений сейсмической опасности. Это также может приводить к выбросам пластовых вод и утечкам. Проще предсказать и снизить сейсмичность, вызванную взрывами. Распространенные стратегии снижения риска включают ограничение количества динамита, используемого при одном взрыве, и выбор мест проведения взрывов. Однако в отношении индуцированной сейсмичности, связанной с закачкой, все еще сложно предсказать, когда и где произойдут индуцированные сейсмические события, а также их магнитуду. Поскольку индуцированные сейсмические события, связанные с закачкой флюидов, непредсказуемы, они привлекают больше внимания общественности. Индуцированная сейсмичность – это лишь часть цепной реакции, вызванной промышленной деятельностью, которая вызывает обеспокоенность у населения. Отношение к индуцированной сейсмичности у разных групп людей сильно различается. Общественность, как правило, относится к землетрясениям, вызванным деятельностью человека, более негативно, чем к природным землетрясениям. Две основные области общественной озабоченности связаны с повреждением инфраструктуры и благополучием людей. Регуляторы, промышленность и исследователи предприняли определенные действия. 6 октября 2015 года представители промышленности, правительства, научных кругов и общественности собрались вместе, чтобы обсудить эффективность внедрения системы светофоров или протокола в Канаде для управления рисками, связанными с индуцированной сейсмичностью. Однако оценка риска и допустимый уровень индуцированной сейсмичности субъективны и формируются различными факторами, такими как политика, экономика и понимание ситуации общественностью. Политикам часто приходится балансировать между интересами промышленности и интересами населения. В таких ситуациях оценка сейсмического риска служит важным инструментом для количественной оценки будущего риска и может использоваться для регулирования деятельности, вызывающей землетрясения, до тех пор, пока сейсмический риск не достигнет максимально допустимого уровня для населения. +Системы светофоров по всему мируСтранаМестоположениеОсновная операцияTSLШвейцарияБазельУлучшенная геотермальная системаРабота по плану: PGV < 0,5 мм/с, ML < 2,3, нет ощутимых толчковУведомить регулирующие органы; без увеличения скорости закачки: PGV ≤ 2,0 мм/с, ML ≥ 2,3, небольшое количество ощутимых толчковУменьшить скорость закачки: PGV ≤ 5,0 мм/с, ML ≤ 2,9, много ощутимых толчковПриостановить закачку; сброс давления в скважинах: PGV > 5,0 мм/с, ML > 2,9, обычно ощутимоВеликобританияПо всей странеГидравлический разрыв сланцевых породРабота по плану: ML < 0Работа с осторожностью; снижение скорости закачки; усиление мониторинга: 0 ≤ ML ≤ 0,5Приостановка работы: ML > 0,5СШАКолорадоГидравлический разрыв; Удаление сточных водИзменить операцию: ощущается на поверхностиПриостановить операцию: ML ≥ 4,5СШАОклахомаУдаление сточных вод; Гидравлический разрывУсилить пересмотр процедур снижения риска операторами: ML ≥ 2,5, ≥ 3,0Приостановить операцию: ML ≥ 3,5СШАОгайоУтилизация сточных вод; Гидравлический разрывРабота по плану: ML < 1,5Уведомить регулирующий орган: ML ≥ 1,5Изменить план работы: 2,0 ≤ ML ≤ 2,4Временно приостановить работы: ML ≥ 2,5Приостановить работы: ML ≥ 3,0КанадаРайон Фокс-Крик, АльбертаГидравлический разрывРабота по плану: ML < 2,0Уведомить регулирующий орган; реализовать планы снижения риска: 2,0 ≤ ML ≤ 4,0 в пределах 5 км от скважины закачкиУведомить регулирующий орган; приостановить операцию: ML ≥ 4,0 в пределах 5 км от скважины закачкиКанадаРайон Ред-Дир, АльбертаГидравлический разрывРабота по плану: ML < 1,0Уведомить регулирующий орган; реализовать планы снижения риска: 1,0 ≤ ML ≤ 3,0 в пределах 5 км от скважины закачкиУведомить регулирующий орган; приостановить операцию: ML ≥ 3,0 в пределах 5 км от скважины закачкиКанадаБританская КолумбияГидравлический разрывПриостановить операцию: ML ≥ 4,0 или ощутимые колебания грунта на поверхности в пределах 3 км от буровой площадки

Ядерные взрывы

Ядерные взрывы могут вызывать сейсмическую активность, но, согласно данным USGS, вызванная сейсмическая активность менее энергична, чем сам ядерный взрыв, и как правило, не порождает крупных повторных толчков. Ядерные взрывы могут, напротив, высвобождать накопленную в горных породах упругую энергию, усиливая начальную ударную волну.