Високий тиск закачуваної під землю води послабить техногенні землетруси

Геотермальна електростанція в Ісландії

Gretar Ívarsson / Wikimedia commons

Європейські геологи виявили, що сила техногенних землетрусів, викликаних закачуванням в свердловини води, може зменшуватися при підвищенні тиску в рідині. До такого ефекту призводить перехід води в розломі в надкритичної стан, в результаті чого вона поглинає велику кількість тепла і не дає гірській породі плавитися. Цей механізм можна використовувати для управління сейсмічною активністю, викликаної роботою геотермальних електростанцій, пишуть вчені в Nature Communications.

Відомо, що рідина, яка потрапляє в розломи гірських порід під високим тиском природним чином або в результаті діяльності людини (наприклад при видобутку нафти методом гідророзриву пласта або в результаті роботи геотермальних електростанцій), може призводити до помітного посилення сейсмічної активності. Наприклад, недавно вченим вдалося довести , Що потужний землетрус в Південній Кореї в 2017 році у міста Пхохан (його магнітуда склала 5,4) було викликано саме закачуванням води в свердловину геотермальної електростанції. Трохи більше слабкі аналогічні землетрусу спостерігалися в 2006 і 2014 роках і в Європі.

Однак залежність потужності цих землетрусів від умов роботи станцій все ще залишається досить мало вивченою, в першу чергу - через недостатню кількість даних. Наприклад, для залежності сили землетрусів від тиску в рідині існували тільки теоретичні оцінки, експериментально ж їх вдавалося перевірити лише для окремих випадків, в яких умови були досить далекі від реальних. Більш повне дослідження в лабораторних умовах провели геологи зі Швейцарії, Великобританії та Франції під керівництвом Марі Віоле (Marie Violay) з Федеральної політехнічної школи Лозанни. Дослідники вивчили, як зміна тиску рідини в розломі впливає на механічні властивості гірської породи і потужність можливого землетрусу. У своєму експерименті вчені проводили вимірювання сдвигового напруги в невеликої моделі геологічного розлому в сухих умовах і при наявності в ньому води під низьким і високим тиском. Також вчені простежили за зміною мікроструктури породи в різних умовах.

Автори роботи відзначають, що, оскільки рух гірських порід в розломі один щодо одного під час землетрусу відбувається з досить великою швидкістю (до метра в секунду), то одним з найбільш важливих чинником, що впливає на силу землетрусу, виявляється розігрів, який відбувається в результаті тертя порід з двох сторін розлому. При цьому в сухому стані і при наявності в розломі рідини цей розігрів по-різному протікає.

Виявилося, що можливих механізмів розігріву в такій ситуації може бути два: при відносно невеликих зсувних швидкостях відбувається різке розігрівання породи (flash heating), який призводить до її локального плавлення, в результаті чого коефіцієнт тертя різко падає, а сила землетрусу збільшується. При більш високих швидкостях домінуючим стає інший механізм - створення надлишкового тиску за рахунок розігріву рідини (thermal pressurization), і як це позначається на силі землетрусу - до проведення експерименту було неясно. При цьому, на відміну від першого варіанта (який спостерігається в сухих умовах), другий механізм реалізується тільки при наявності в розломі води під досить великим тиском.

Мікрофотографії поверхні модельного геологічного розлому: в початковому стані (a) b після проведення експериментів: в сухих умовах (b), з рідиною під невеликим тиском (c) і з рідиною під високим тиском (d)

Mateo Acosta et al./ Nature Communications, 2018

Вчені показали, що сила землетрусу в присутності в розломі води виявляється дуже чутлива до її термодинамічних властивостях і тому сильно залежить від тиску, під яким ця рідина знаходиться. Перехід від режиму різкого розігріву до надкритичних станом відбувається при тиску від десяти до двадцяти мегапаскалей. Модельні експерименти проводилися при тисках в один мегапаскалей (це близько 10 атмосфер), при якому спостерігався режим, аналогічний сухому станом, і при тиску 25 мегапаскалей (близько 250 атмосфер), при якому плавлення зразків не спостерігалося.

За словами авторів роботи, максимальний ефект ослаблення землетрусів при високому тиску рідини повинен спостерігатися в земній корі на глибині від 2 до 5 кілометрів - саме такі свердловини використовуються зараз в геотермальних станціях. При цьому використовуються для закачування рідини тиску навіть більше тих, які розглядалися в експерименті - до 50 мегапаскалей. На більшій глибині (і при більш високому тиску) ефективність механізму буде падати.

Відзначимо, що зараз дослідження землетрусів проводиться не тільки за допомогою класичних підходів - теоретичного аналізу, на основі даних спостережень і в лабораторних експериментах. Все частіше вчені вдаються до більш сучасним методам, пов'язаних з використанням комп'ютерних технологій. Наприклад, зовсім недавно за допомогою методів машинного навчання геологам вдалося виявити циклічність в сейсмічної активності, викликаної роботою геотермальних електростанцій.

Олександр Дубов