• Сегодня: Четверг, Ноябрь 23, 2017

Возбужденная сейсмичность при создании водохранилищ: анализ первых фактов и возможных причин

Отложения гляциального селя 2014 г. в селехранилище перед плотиной Талгар

Авторы:

Татьяна Ташлыкова
Инженер Аналитического центра Института земной коры СО РАН (АЦ ИЗК СО РАН)

Тамара Рященко
Доктор геол.-мин. наук, профессор, вед. науч. сотр. лаборатории инженерной геологии и геоэкологии ИЗК СО РАН


Аннотация

Приводится краткий аналитический обзор зафиксированных случаев возбужденной сейсмичности при создании водохранилищ (RIS – reservoir induced seismicity) и причин их возникновения за более чем полувековой период. Делается вывод о том, что современная наука до сих пор не может дать однозначного объяснения изложенным фактам RIS.


По данным мировой статистики, с середины XX века создание рукотворных водных объектов – водохранилищ – получило широкое распространение в различных странах, однако с наполнением некоторых из них произошла интенсификация сейсмичности прилегающей территории. Научного объяснения этой возникшей гипотезы не было в связи с тем, что специальных сейсмологических наблюдений до наполнения водохранилищ не проводилось.

По данным мировой статистики с середины XX века создание рукотворных водных объектов – водохранилищ – получило широкое распространение в различных странах, однако с наполнением некоторых из них произошла интенсификация сейсмичности прилегающей территории. Научного объяснения этой возникшей гипотезы не было в связи с тем, что специальных сейсмологических наблюдений до наполнения водохранилищ не проводилось.

Считалось, что техногенные водные объекты более крупные по площади, чем природные озера, не будут вызывать существенных негативных последствий. Ученые полагали, что могут возникнуть лишь слабые сейсмические толчки по причине оседания дна водоема под действием массы воды и возникающими в результате этого подвижками в земной коре [20]. Эти небольшие землетрясения считались фоновыми и не привлекали особого внимания исследователей, тем не менее увеличение их числа уже не могло рассматриваться как случайное явление [1].

Первые случаи возбужденной сейсмичности при создании водохранилищ (RIS)

К середине XX века в разных регионах уже были известны более 20 случаев землетрясений, связанных с наполнением крупных водохранилищ. Впервые эту связь описал D. Carder на примере создаваемого в пределах асейсмичной территории водного объекта Мид [10]. Первые ощутимые землетрясения произошли уже в сентябре 1936 г. при достижении уровнем годового максимума; в течение 1937 г. было зарегистрировано около 100 сейсмических событий, а в 1939 г. произошло кульминационное землетрясение, магнитуда которого равнялась 5 (М = 5). По данным, указанным в работе [10], большинство землетрясений было сосредоточено в зоне 25 км; эпицентры землетрясений периода 1936–1944 гг. сконцентрированы вдоль существующих разломов (рис. 1).

Более ранние случаи возбужденной сейсмичности зафиксированы в 1931 г. в радиусе 15 км от водохранилища Марафон (Греция) после достижения уровнем первых максимальных отметок. В 1938 г. произошло два разрушительных землетрясения с М > 5. Увеличение сейсмической активности коррелирует с сезонными колебаниями его уровня [11] (рис. 2).

Соотношение положения уровня водохранилища Мид и локальной сейсмичности (по материалам [10; 2]). На врезке: эпицентры землетрясений в районе Мид за период июль 1972– июнь 1973 гг. (с использованием материалов [17]).
Рис.1. Соотношение положения уровня водохранилища Мид и локальной сейсмичности (по материалам [10; 2]). На врезке: эпицентры землетрясений в районе Мид за период июль 1972– июнь 1973 гг. (с использованием материалов [17]).
Ход уровня воды озера Марафон в сопоставлении с локальными землетрясениями в радиусе 35 км (по материалам [11; 2]).
Рис. 2. Ход уровня воды озера Марафон в сопоставлении с локальными землетрясениями в радиусе 35 км (по материалам [11; 2]).

Позже, в 60-х гг., вблизи наполненных крупных водохранилищ произошел ряд землетрясений, среди которых три были разрушительными с М > 6: в Карибе (Африка), Кремасте (Греция) и Койне (Индия) [6]. Эти события наводили на мысль о причинно-следственной связи между созданием водохранилищ и сейсмичностью, получившее название RIS (reservoir induced seismicity «RIS»).

Самым разрушительным в мире землетрясением RIS до настоящего времени считается событие, произошедшее 10 декабря 1967 г. с М = 6,3 в районе плотины Койна водохранилища Шиваджисагар (Западная Индия) и вошедшее в мировую историю как классический пример возбужденной сейсмичности: город Койнанагар был разрушен на 80 %, погибло 200 и ранено более 1500 человек [6]. Эпицентр почти совпал с местоположением самой плотины (рис. 3). До заполнения водоема данные о сейсмической активности района отсутствовали. Геологи традиционно характеризовали Индийскую плиту как самый древний континентальный блок и наиболее устойчивую геологическую структуру. Индийская платформа, как и Сибирская, на которой размещен один из крупнейших в мире Ангарский каскад водохранилищ, всегда считались асейсмичными областями, на территории которых допускается размещение специфических производств с высоким классом опасности. Однако произошедшая резкая сейсмическая активизация на одном из участков Индийской платформы вызвала серьезную озабоченность геологов и сейсмологов.

29 декабря 1967 г. в парижской газете «Монд» появилась статья Ж.П. Ротэ «Землетрясения могут вызываться деятельностью человека», в которой он резюмировал свои представления о сейсмической активности в окрестностях больших водохранилищ, образованных плотинами [6]. В январе 1969 г. на 4-й Международной конференции по инженерной сейсмологии в Сантьяго многие известные геофизики и геологи весьма скептически отнеслись к представленным Ж.П. Ротэ аргументам о возможности землетрясений при наполнении водохранилищ. На тот момент имевшиеся в распоряжении ученых факты изучались разрозненно и совпадение во времени упомянутых явлений считалось случайным. Комитет экспертов в 1968 г. провозгласил: «По мнению комитета, водохранилище Шиваджисагар не является причиной основных толчков в сентябре и декабре 1967 г.». Однако после того, когда отдельные случаи были рассмотрены более детально, а затем собраны воедино и тщательно проанализированы, «реальность указанной связи стала очевидной и в настоящий момент не вызывает сомнений» [6, с. 11].

Из числа других первых случаев RIS отмечается ситуация в районе водохранилища Мангла в Пакистане (территория входит в состав сейсмически активного Альпийско-Гималайского пояса). До его наполнения в конце 1965 г. в Мирпуре был установлен короткопериодный сейсмограф Вилмора, а в начале 1967 г. при заполнении водоема были открыты еще две сейсмостанции в Барале и Яри. По результатам исследований общее число регистрируемых событий с М =1~2 увеличилось в 2,5 раза [8]. Самое сильное землетрясение имело М =3,6. «Число толчков возросло с марта по декабрь 1967 г. при первоначальном наполнении водоема. В июле – августе 1968 г., когда нагрузка на дно быстро возрастала, частота толчков опять увеличилась. В период с 1 апреля по 12 июля 1968 г. уровень воды был самым низким и толчков не наблюдалось» [2, с. 128–130] (рис. 4). В районе водохранилища кристаллический фундамент перекрыт трехкилометровой толщей осадочных пород, представленных песчаниками, алевролитами и глинами, которые легко деформируются под действием нагрузки [8].

Эпицентры землетрясений вокруг водохранилища Шиваджисагар (Зап. Индия) за период с 10 декабря 1967 г. по 31 декабря 1971 г. (по материалам [2]).
Рис. 3. Эпицентры землетрясений вокруг водохранилища Шиваджисагар (Зап. Индия) за период с 10 декабря 1967 г. по 31 декабря 1971 г. (по материалам [2]).
Частота повторения землетрясений и уровень воды водохранилища Мангла: I и II – уровень и объем водохранилища соответственно (по материалам [8; 2]).
Рис.4. Частота повторения землетрясений и уровень воды водохранилища Мангла: I и II – уровень и объем водохранилища соответственно (по материалам [8; 2]).

Другой случай RIS отмечался после наполнения в 1967 г. водохранилища Даньцзянкоу в Центральном Китае; интенсивная сейсмичность стала локализоваться вокруг акватории Дан, концентрируясь в ее узкой срединной части, вдоль крупного разлома (рис. 5, 6). При этом магнитуда землетрясений на прилегающей территории до 1974 г. возрастала с каждым максимальным повышением уровня воды (рис. 7). Кульминацией стало землетрясение с М =4,7 в ноябре 1973 г., после которого этот эффект исчез. Согласно выводам, сделанным в работе [15], происходит систематическое увеличение во времени гидравлического коэффициента диффузии и возрастает поровое давление в трещинах скальных пород; в гипоцентрах при землетрясениях с М =1~4 величина порового давления может изменяться от 100 до 400 кПа. Также отмечено, что ежегодное повышение уровня водохранилища на протяжении его первых лет эксплуатации непосредственно коррелировало с количеством и М последовавших землетрясений (до конца 1973 г.).

Распределение сейсмичности до наполнения водохранилища Даньцзянкоу (1959–1967) в Центральном Китае (по материалам [15]).
Рис. 5. Распределение сейсмичности до наполнения водохранилища Даньцзянкоу (1959–1967) в Центральном Китае (по материалам [15]).
Распределение сейсмичности после наполнения водохранилища Даньцзянкоу (с 1967 по 1987 г.). Пунктирный круг показывает зону интенсивной сейсмичности (по материалам [15]).
Рис. 6. Распределение сейсмичности после наполнения водохранилища Даньцзянкоу (с 1967 по 1987 г.). Пунктирный круг показывает зону интенсивной сейсмичности (по материалам [15]).
 Ход уровня на водохранилище Даньцзянкоу (вверху) и развитие сейсмичности (внизу) (по материалам [15]).
Рис.7. Ход уровня на водохранилище Даньцзянкоу (вверху) и развитие сейсмичности (внизу) (по материалам [15]).

Очередное увеличение сейсмичности отмечалось в Италии при быстром опускании уровня на водохранилище Пьеве-ди-Кадоре; наблюдалась корреляция сейсмических событий с периодическими изменениями уровня [9].

Первые версии возможных причин RIS

Землетрясения, связанные с наполнением водохранилищ, получили название «возбужденная сейсмичность», которая рассматривалась как результат техногенного воздействия на верхний слой литосферы – геологическую среду. Причины такой сейсмичности в разное время были проанализированы геологами и сейсмологами.

В 1934 г. H.M. Westergaard и A.W. Adkins [20] выдвинули следующую гипотезу: прогиб дна водохранилищ под действием массы воды и связанные с этим подвижки в подстилающем субстрате могут быть причиной тектонической активизации таких районов. D. Carder [10] первый высказал мысль о том, что нагрузка, возникшая при заполнении водохранилища Мид (США), вызвала не только опускание участков, но и оживление ранее существовавших в этом районе разрывов.

Теоретические расчеты, проведенные для водохранилищ Кариба и Мид, показали, что статическое давление массы воды вызывает упругое прогибание. В 1970 г. Г. и В. Гафы (США) рассчитали величину этого прогибания, которое составило 23,5 см, что подтвердилось нивелировками; далее был сделан вывод – гравитационная энергия, накопленная при опускании дна водоема, достаточна для проявления сейсмической активности в районе [12, 4]. В работе [13] было установлено, что дополнительное напряжение, возникшее при заполнении Кариба, также послужило спусковым механизмом, так как в тектонических разрывах было превышено его критическое значение. К другим факторам относят температурные напряжения, возникающие в результате проникновения холодных вод в породы с более высокой температурой, а также градиенты давления [2].

По мнению Н.И Николаева [4, с. 7–8], на проявление возбужденной сейсмичности влияют не только высота напора и колебания уровня в водоеме, но и его площадь. (Мы предполагаем, что это не совсем так, о чем свидетельствует «сдержанная» сейсмическая обстановка вокруг акватории второго по величине в мире, крупнейшего и глубоководного Братского водохранилища, которое эксплуатируется почти полвека.)

Установлены два эффекта, вызванные регулированием уровня: первый является ответом на наполнение водоема, второй связан с задержкой при сработке водных объемов, причинами которой стали изменения порового давления при диффузии [19].

По результатам проведенных более полувека назад исследований многие ученые связывают RIS с увеличением порового давления в породах. М.К. Hubbert и W.W. Rubey [14] указывают на особую роль давления жидкости при образовании надвигов.

Роль воды при возникновении RIS

В настоящее время большинство исследователей придерживаются предложенной в 50-х годах прошлого столетия теории Hubbert и Rubey [14], согласно которой возрастание порового давления ведет к ослаблению прочности пород, что способствует возникновению RIS.

Н.И. Николаев [4, с. 9–11] считает: «Поровое давление нейтрализует геостатическую нагрузку, уменьшает трение и приводит к смещению блоков по ранее образованным разрывам с освобождением тектонических напряжений и образованием очагов землетрясений… Увеличение порового давления приводит к уменьшению прочности породы настолько, что оказывается возможным образование разрыва при напряжениях, которые уже были в массиве горных пород, но которые до создания водохранилища не могли его вызвать… Эта стадия кратковременная, а создание водохранилища ускоряет процесс формирования разрыва, скола, который сопровождается наиболее сильным землетрясением … Вода водохранилища (при создании определенных градиентов напора) действует как «спусковой» механизм естественных напряжений».

В качестве схемы, объясняющей изменения сейсмичности в зоне водохранилища, D. T. Snow [18] использовал известное в технике понятие о круге Мора, когда в сейсмических районах главные оси напряжений (1 и 2) находятся в состоянии «неустойчивого равновесия». Малейшие изменения значений этих напряжений приводят к изменению уровня сейсмичности. Однако RIS может произойти лишь в случае, если предельная прочность пород в результате проникновения воды значительно уменьшится. Изложенная схема может считаться весьма проблематичной.

Обязательными условиями возникновения возбужденных землетрясений являются высокий уровень напряжений в породах под/вблизи водохранилищ и наличие в них сильно водопроницаемых зон, через которые вода может проникнуть на глубину 10 км и более [3, 5, 16]. Рост порового давления, вызываемый проникновением фильтрующейся воды в глубинные слои, рассматривается как основной фактор, стимулирующий возбужденные землетрясения. Повышение порового давления обусловливает уменьшение геостатической нагрузки в скальном массиве, снижает прочность пород и приводит к смещению блоков по ранее образованным разрывам, которое сопровождается освобождением накопленных тектонических напряжений [7].

По отношению к постоянно действующим факторам формирования полей напряжений в массиве горных пород (гравитационный, космический) создание водохранилищ относится к группе локальных воздействий/факторов, которые становятся стимулятором возбужденных землетрясений преимущественно вследствие увеличения фильтрационного напора в толще скальных оснований и их охлаждения фильтрационным потоком (ФП) на большую глубину. Глубокое проникновение фильтрующей воды в трещиноватый скальный массив вызывает обжатие отдельных его блоков, что приводит к их уменьшению и дополнительному раскрытию вертикальных трещин. В результате в зоне повышенных фильтрационных напоров накопленная в породах упругая энергия может скачком высвободиться. Таким образом, процесс глубокого проникновения ФП в трещиноватый скальный массив вызывает фильтрационное обжатие отдельных его блоков и одновременно их охлаждение. Эти два фактора (фильтрационный напор и охлаждение скальных массивов) следует рассматривать в ряде причин возникновения возбужденной сейсмичности [7].

Обсуждение и выводы

Проблема RIS, возникшая около века назад, однако в настоящее время остается крайне актуальной для разных регионов нашей планеты. Главной задачей является выявление механизмов и причин процесса, тем более что этого требуют регистрируемые в последние десятилетия новые факты возбужденной сейсмичности при создании крупных водоемов.

Исследованиями ученых различных стран выяснены следующие моменты: 1) наполнение водохранилищ усиливает общую сейсмичность района; 2) возбужденные землетрясения проявляются в условиях определенного геологического строения территории; 3) существует корреляционная связь между изменениями уровня и сейсмичностью, что характерно не только для крупных, но и небольших водохранилищ.

Например, в мировой статистике известны случаи усиления сейсмичности для водохранилищ с низким уровнем напора (высота плотины < 100 м): Белеча (Югославия) – 40 м; Марафон (Греция) – 54 м; Грандвиль (Франция) – 78 м и др. В бассейне р. Арды (Болгария) после создания каскада из трех небольших водоемов (Студен Кладенец, Кырджали и Ивайловград) также увеличилось количество местных землетрясений [1]. Как указывалось выше, значительная роль при возникновении RIS отводится воде, которая повышает поровое давление и понижает прочность пород, что приводит к разгрузке уже накопленных напряжений. Считается, что создание искусственного водоема может вызвать землетрясение только в зонах, находящихся в критически напряженном состоянии. На основе изложенных в статье материалов можно сформулировать следующие дискуссионные вопросы. Известно, что землетрясения с высокой магнитудой происходят на крупных (объем более 1 км3) и глубоководных водохранилищах (более 100 м). Но как объяснить возникновение ряда сильных землетрясений с М >5 на небольшом водоеме Марафон, водная масса которого составляет только 4% от 1 км3, а высота плотины всего 54 м? Когда обсуждают проблему RIS, данный водоем стараются не упоминать, так как он не соответствует общепринятым параметрам водохранилищ с проявлением RIS. Небольшие водоемы не вписываются в существующие теории, поэтому здесь и возникают различные вопросы.

Глубоководные водохранилища (Шиваджисагар, Братское, Усть-Илимское) созданы на платформенных областях, стабильных в сейсмическом отношении участках суши. Почему на небольшом водоеме Шиваджисагар (плотина Койна), водная масса которого составляет всего 1,6 % от общего объема Братского водохранилища, произошло самое крупное техногенное землетрясение? Почему на Братском водохранилище, которое занимает второе место в мире по водному объему, за полувековой период его эксплуатации не произошло ни одного землетрясения с М ≥5 (как на Койне)?

Почему на Карибе происходят землетрясения, когда нагрузка от водной массы оказывается недостаточной?

После наполнения Даньцзянкоу (Китай) на прилегающей территории до 1974 г. магнитуда землетрясений возрастала с каждым последующим максимальным повышением уровня воды (рис. 5). Почему в дальнейшем этот эффект исчез и не наблюдался в 1974, 1975, 1987 гг.?

Почему землетрясения не прекращаются в районе Койны (водоем существует больше полувека) – территории, которая ранее считалась асейсмичной?

По итогам выполненного анализа многочисленных работ зарубежных и российских ученых можно заключить, что возбужденная сейсмичность представляет собой эндогенный геологический процесс техногенной природы. RIS, являясь одной из ключевых и дискуссионных проблем современности, не потеряла своей актуальности, ставя новые вопросы перед учеными, так как землетрясения в районах давно созданных водохранилищ не прекращаются.


Литература

  1. Водохранилища и их воздействие на окружающую среду. М.: Наука, 1986. 368 с.
  2. Гупта Х., Растоги Б. Плотины и землетрясения. М: Мир, 1979. 253 с.
  3. Киссин И.Г. Землетрясения и подземные воды. М.: Наука, 1982.
  4. Николаев Н.И. Искусственные землетрясения // Природа.1973. № 7. С. 2–17.
  5. Николаев Н.И. Механизм и особенности возникновения землетрясений, связанных с водохранилищами // Тр. Гидропроекта, 1978. Вып. 65. С. 9–27.
  6. Ротэ Ж.П. Предисловие //Плотины и землетрясения. М.: Мир, 1979. С. 10–11.
  7. Уляшинский В.А., Тетельмин В.В., Идельсон В.Б., Васильева Г.А. О двух факторах в ряду причин, вызывающих возбужденные землетрясения // Энергетическое строительство. 1988. №3. С. 29–31.
  8. Adams R.D., Asghar Ahmed. Seismic effects at Mangla Dam. Nature, 222, 1153-1155, 1969.
  9. Caloi P. How nature reacts on human intervention – responsibilities of those who cause and who interpret such reaction. Ann. Geofis. (Rome), 23, 283–305, 1970.
  10. Carder D.S. Seismic investigations in the Boulder Dam area, 1940–1944, and the influence of reservoir loading on earthguake activity. Bull. Seismol. Soc. Am., 35, 175–192, 1945.
  11. Galanopoulos A. G. The influence of the fluctuation of Marathon Lake elevation of local earthquake activity in the Attica Basin area. Ann. Geol. Pays Helleniques (Athens), 18, 281–306, 1967.
  12. Gough D. I., Gough W. I. Load-induced earthguakes at Lake Kariba, 2. Geophys. J., 79–101, 1970а.
  13. Gough D. I., Gough W. I. Stress and deflection in the lithosphere near Lake Kariba, 1. Geophys. J., 21, 65–78, 1970б.
  14. Hubbert M.K., Rubey W.W. Role of fluid pressure in mechanics of overthrust faulting, 1. Bull. Geol. Soc. Am., 70, 115–166, 1959.
  15. Liu S., Xu L., Talwani P. 2011. Reservoir-induced seismicity in the Danjiangkou Reservoir: a quantitative analysis. Geophys. J. Int. 185, 514–528. doi: 10.1111/j.1365-246X.2011.04959.x.
  16. Oborn L.E. Seismic phenomena and engineering geology // Proc. 2 nd Intern. Congress of the Intern. Ass. Of Engng Geology. 1974. Vol. 1. IIGR. P. 41.
  17. Rogers A. M., Gallanthine S. K. Seismic study of earthquakes in the Lake Mead region. Rep., Environmental Research Corporation, U. S. A., Contract No. 14-08-0001-13069, 1974.
  18. Snow D.T. Geodynamics of seismicreservoirs. Proc. Symp. on Percolation through Fissured Rocks,Deutsche Gesellschaft fur Erd- und Grundbau, Stuttgart, Т2-J, 1–19, 1972.
  19. Talwani P. 1997. On the nature of reservoir-induced seismicity, Pure appl. Geophys., 473–492.
  20. Westergaard H. M., Adkins A.W. Deformation of Earth’s Surface due to Weight of Bouider Reservoir. U. S. Bureau of Reclamation, Denver, Colo., Tech. Mem. No. 422, 1934.
Татьяна Ташлыкова

Инженер Аналитического центра Института земной коры СО РАН (АЦ ИЗК СО РАН)