Высокое давление закачиваемой под землю воды ослабит техногенные землетрясения

Европейские геологи обнаружили, что сила техногенных землетрясений, вызванных закачкой в скважины воды, может уменьшаться при повышении давления в жидкости. К такому эффекту приводит переход воды в разломе в сверхкритическое состояние, в результате чего она поглощает большое количество тепла и не дает горной породе плавиться. Этот механизм можно использовать для управления сейсмической активностью, вызванной работой геотермальных электростанций, пишут ученые в Nature Communications.

Известно, что жидкость, которая попадает в разломы горных пород под высоким давлением естественным образом или в результате деятельности человека (например при добыче нефти методом гидроразрыва пласта или в результате работы геотермальных электростанций), может приводить к заметному усилению сейсмической активности. Например, недавно ученым удалось доказать, что мощное землетрясение в Южной Корее в 2017 году у города Пхохан (его магнитуда составила 5,4) было вызвано именно закачкой воды в скважину геотермальной электростанции. Чуть более слабые аналогичные землетрясения наблюдались в 2006 и 2014 годах и в Европе.

Однако зависимость мощности этих землетрясений от условий работы станций все еще остается довольно мало изученной, в первую очередь — из-за недостаточного количества данных. Например, для зависимости силы землетрясений от давления в жидкости существовали только теоретические оценки, экспериментально же их удавалось проверить лишь для отдельных случаев, в которых условия были достаточно далеки от реальных. Более полное исследование в лабораторных условиях провели геологи из Швейцарии, Великобритании и Франции под руководством Мари Виолэ (Marie Violay) из Федеральной политехнической школы Лозанны. Исследователи изучили, как изменение давления жидкости в разломе влияет на механические свойства горной породы и мощность возможного землетрясения. В своем эксперименте ученые проводили измерения сдвигового напряжения в небольшой модели геологического разлома в сухих условиях и при наличии в нем воды под низким и высоким давлением. Также ученые проследили за изменением микроструктуры породы в различных условиях.

Авторы работы отмечают, что, поскольку движение горных пород в разломе друг относительно друга во время землетрясения происходит с довольно большой скоростью (до метра в секунду), то одним из наиболее важных фактором, влияющим на силу землетрясения, оказывается разогрев, который происходит в результате трения пород с двух сторон разлома. При этом в сухом состоянии и при наличии в разломе жидкости этот разогрев по-разному протекает.

Оказалось, что возможных механизмов разогрева в такой ситуации может быть два: при относительно небольших сдвиговых скоростях происходит резкий разогрев породы (flash heating), который приводит к ее локальному плавлению, в результате чего коэффициент трения резко падает, а сила землетрясения увеличивается. При более высоких скоростях доминирующим становится другой механизм — создание избыточного давления за счет разогрева жидкости (thermal pressurization), и как это сказывается на силе землетрясения — до проведения эксперимента было неясно. При этом, в отличие от первого варианта (который наблюдается в сухих условиях), второй механизм реализуется только при наличии в разломе воды под достаточно большим давлением.

Результаты лабораторного эксперимента показали, что вода в этом случае переходит в сверхкритическое состояние, в котором разница между жидкостью и газом стирается, и может поглощать очень большое количество выделяющегося тепла. Таким образом она становится буфером для выделяющейся тепловой энергии, не дает расплавиться горной породе, и из-за этого уменьшает силу землетрясения.

Ученые показали, что сила землетрясения в присутствии в разломе воды оказывается очень чувствительна к ее термодинамическим свойствам и поэтому сильно зависит от давления, под которым эта жидкость находится. Переход от режима резкого разогрева к сверхкритическому состоянию происходит при давлении от десяти до двадцати мегапаскалей. Модельные эксперименты проводились при давлениях в один мегапаскаль (это около 10 атмосфер), при котором наблюдался режим, аналогичный сухому состоянию, и при давлении 25 мегапаскалей (около 250 атмосфер), при котором плавления образцов не наблюдалось.

По словам авторов работы, максимальный эффект ослабления землетрясений при высоких давлениях жидкости должен наблюдаться в земной коре на глубине от 2 до 5 километров — именно такие скважины используются сейчас в геотермальных станциях. При этом используемые для закачки жидкости давления даже больше тех, которые рассматривались в эксперименте — до 50 мегапаскалей. На большей глубине (и при более высоких давлениях) эффективность механизма будет падать.

Отметим, что сейчас исследование землетрясений проводится не только с помощью классических подходов — теоретического анализа, на основе данных наблюдений и в лабораторных экспериментах. Все чаще ученые прибегают к более современным методам, связанных с использованием компьютерных технологий. Например, совсем недавно с помощью методов машинного обучения геологам удалось обнаружить цикличность в сейсмической активности, вызванной работой геотермальных электростанций.

Александр Дубов