Способ снятия упругой энергии в напряженных средах для предотвращения землетрясений

Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано для снятия упругой энергии в напряженных средах, которая является источником сейсмической энергии, для предотвращения землетрясений путем активного физического воздействия на напряженные среды с учетом лунно-солнечных приливов. Сущность: выделяют местоположения напряженных сред. Нагнетают жидкость в напряженные среды в интервалы времени, соответствующие расширению напряженных сред, обусловленному влиянием лунно-солнечных приливов. Дополнительно в течение всего периода снятия упругой энергии в напряженных средах проводят вибровоздействие в пределах напряженных сред. Вибровоздействие проводят с интенсивностью, превышающей интенсивность микросейсмического фона. Измеряют горизонтальные и вертикальные смещения земной поверхности напряженных сред, являющиеся остаточными деформациями, и по величине этих деформаций судят о величине снятой упругой энергии в напряженных средах. Технический результат: повышение эффективности снятия упругой энергии.

 

Изобретение относится к сейсмологии и может быть использовано для снятия упругой энергии в напряженных средах, которая является источником сейсмической энергии, для предотвращения землетрясений путем активного физического воздействия на напряженные среды с учетом лунно-солнечных приливов.

Известно, что сегодня не существует надежных способов краткосрочного прогноза места, силы и времени землетрясений. Известны лишь отдельные предвестники подготовки землетрясений, которые не всегда проявляются однозначно и не всегда обнаруживаются даже на специальных прогностических полигонах. Однако даже если бы и существовала возможность краткосрочного прогноза землетрясений, можно было бы лишь предотвратить гибель большинства населения, но предотвратить от разрушения сами города, поселки и промышленные объекты при этом невозможно. В то же время сегодня в сейсмологии в значительной степени разработана проблема среднесрочного прогноза мест наиболее вероятного возникновения землетрясений в пределах сейсмогенерирующих структур. Известно, что большинство землетрясений в сейсмоактивных районах происходят в потенциальных «энергетических ямах» (зонах затишья), выделенных на картах эпицентров землетрясений средней силы в результате исследований по долгосрочному прогнозу. Прогноз осуществляется по областям затиший сейсмической активности, выделяемым по менее крупным сейсмическим событиям, с учетом длительности их существования. Это позволяет принять ряд подготовительных профилактических мероприятий к ожидаемым в таких областях землетрясениям, но не позволяет предотвратить само разрушительное землетрясение. Среднесрочный прогноз землетрясений осуществляется также и по многократным измерениям пластового давления в верхней части земной коры с помощью глубинных манометров, часто используемых в нефтедобывающих районах.

Известен способ снятия механических напряжений в геологической среде, включающий размещение сейсмоприемников, определение очагов напряжения, воздействие на них путем пенетрации земной коры твердыми телами (патент РФ № 2050014, G 01 V 9/00, 1993).

Недостатком данного способа является низкая эффективность воздействия на очаги напряжения, так как он предусматривает только один единственный удар по очагам напряжений, что вызывает не плавное снятие накопленной упругой энергии из мест ожидаемых землетрясений, а мгновенное снятие этих напряжений в виде инициации одного разрушительного землетрясения только в момент удара.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ снятия упругой энергии в напряженных средах для предотвращения землетрясений, включающий выделение местоположения напряженных сред и нагнетание жидкости в напряженные среды (патент РФ № 2150721, G 01 V 9/00).

Однако данный способ имеет низкое качество снятия упругой энергии для предотвращения землетрясений, т.к. закачка жидкости производится круглосуточно как в периоды растяжения, так и сжатия напряженной среды, связанные с лунно-солнечными приливами, при этом в периоды сжатия происходит дополнительное накопление напряжений, которое приводит к гидроразрывам и землетрясениям.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности снятия упругой энергии в напряженных средах, которая является источником сейсмической энергии, для предотвращения землетрясений. Техническим результатом является повышение вероятности предотвращения землетрясений за счет уменьшения трения на скользящих поверхностях и всесторонних сил сжатия, перераспределения и выравнивания напряжений, увеличения пластической деформации и скачкообразной деформации, происходящей от большого числа слабых землетрясений с энергетическими классами К≤8 {М≤2,5}.

Технический результат достигается в способе снятия упругой энергии в напряженных средах для предотвращения землетрясений, включающем выделение местоположения напряженных сред, нагнетание жидкости в скважины, расположенные в напряженных средах, в интервалы времени, соответствующие расширению напряженных сред, обусловленному влиянием лунно-солнечных приливов, проведение дополнительно до, во время и после нагнетания жидкости вибровоздействия в пределах напряженных сред с интенсивностью, превышающей интенсивность микросейсмического фона, измерение горизонтальных и вертикальных смещений земной поверхности напряженных сред, являющиеся остаточными деформациями, и суждение по величине этих деформаций о величине снятой упругой энергии в напряженных средах.

Отличительными признаками предлагаемого способа являются нагнетание жидкости в интервалы времени, соответствующие расширению напряженных сред, обусловленному лунно-солнечными приливами, проведение дополнительно до, во время и после нагнетания жидкости и вибровоздействия в пределах напряженных сред с интенсивностью, превышающей интенсивность микросейсмического фона, измерение горизонтальных и вертикальных смещений земной поверхности напряженных сред, являющиеся остаточными деформациями, суждение по величине этих деформаций о величине снятой упругой энергии. Это позволяет повысить вероятность предотвращения землетрясений. В интервалы времени, соответствующие расширению напряженных сред, обусловленному лунно-солнечными приливами, внутри напряженных сред трещины расширяются, возникает относительно пониженное давление, которое способно усиленно всасывать в себя жидкость из окружающего пространства. Нагнетание жидкости в этот интервал времени способствует уменьшению трения на поверхностях скольжения, облегчает подвижки по ним, увеличивает пластическую и скачкообразную деформации напряженной среды, способствует возникновению большого числа слабых землетрясений в напряженных средах. В период нагнетания жидкости возрастает поровое давление, которое способствует уменьшению действующих тектонических сил разных направлений, перераспределению и выравниванию напряжений в среде, что увеличивает выделение накопленной упругой энергии пластическими деформациями и большим числом малых скачкообразных деформаций, предотвращает возникновение сильных землетрясений. В интервалы времени до и после нагнетания жидкости, которые соответствуют сжатию напряженных сред, обусловленному лунно-солнечными приливами, трещины сжимаются, повышается уровень воды в напряженных средах за счет выжимания ее из трещин, увеличивается трение на поверхностях скольжения. В этот период нельзя проводить нагнетание жидкости, т.к. в этом случае возникают гидроразрывы, которые могут спровоцировать сильные разрушительные землетрясения. Проведение в этот период вибровоздействий в пределах этих сред позволяет увеличить скорость пластической деформации напряженных сред за счет большого числа малых подвижек и увеличения количества поверхностей скольжения, что приводит к уменьшению скачкообразных деформаций и предотвращению сильных землетрясений. Проведение вибровоздействия с интенсивностью, превышающей интенсивность микросейсмического фона, необходимо для того, чтобы предотвратить и уменьшить триггерные воздействия пиковых микросейсм на возникновение землетрясений, уменьшить количество как слабых, так и сильных землетрясений. Измерение горизонтальных и вертикальных смещений земной поверхности напряженных сред, являющихся остаточными деформациями, позволяет по величине этих деформаций судить о величине снятой упругой энергии в напряженных средах.

Способ снятия упругой энергии в напряженных средах для предотвращения землетрясений осуществляется следующим образом.

Выделяют местоположения напряженных сред. Нагнетают жидкость в напряженные среды в интервалы времени, соответствующие расширению напряженных сред, обусловленному влиянием лунно-солнечных приливов. Нагнетание жидкости проводят с нарастанием ее объемов в период наибольшей скорости расширения трещин земной коры, когда облегчается нагнетание жидкости, и уменьшением ее объемов по мере приближения к максимальной амплитуде волны лунно-солнечных приливов (при растяжении). Нагнетание жидкости осуществляют как через скважины, расположенные в напряженных средах, так и от водохранилищ. Регулирование объемов нагнетаемой жидкости для предотвращения гидроразрывов в напряженной среде контролируют сетью сейсмических станций, регистрирующих землетрясения. При возникновении землетрясений с энергией К≤9 {М≤3}, объемы нагнетаемой жидкости уменьшают. Дополнительно в течение всего периода снятия упругой энергии в напряженных средах проводят вибровоздействие в пределах напряженных сред. Вибровоздействие проводят с интенсивностью, превышающей интенсивность микросейсмического фона. Вибровоздействие можно проводить как с помощью вибраторов, расположенных в скважинах или на земной поверхности, так и с помощью энергоагрегатов и вибраций от водосброса. Измеряют горизонтальные и вертикальные смещения (движения) земной поверхности напряженных сред, являющиеся остаточными деформациями, и по величине этих деформаций судят о величине снятой упругой энергии в напряженных средах по формулам связи между упругой энергией землетрясения и величиной остаточной деформации (подвижки) в очаге этого землетрясения (Borman P. (Ed.) New Manual of Seismological Observatory Practice, GeoForschungs Zentrum Potsdam, 2002, ISBN 3-9808780-0-7, 1252 p.).

Примеры реализации способа снятия упругой энергии в напряженных средах для предотвращения землетрясений.

Пример 1.

На юго-востоке Татарстана была выделена территория повышенных напряжений земной коры, в которой активно проявлялась возбужденная сейсмичность, отдельные землетрясения достигали интенсивности 6-7 баллов. Верхний слой земной коры данной напряженной среды сложен осадочными породами типа суглинок и супесей (до 40 м), далее идет слой песка (до 300 м) и глубже (до 1800 м) следуют слои легко растворимых сульфатов и доломитов. Далее следуют твердые кристаллические породы консолидированного фундамента земной коры. Наибольшее число землетрясений происходило на глубинах до 2 км. На данной территории расположены скважины, в которые осуществлялось нагнетание жидкости в интервалы времени, соответствующие расширению напряженных сред, обусловленному влиянием лунно-солнечных приливов. Во многих скважинах были установлены глубинные манометры, по результатам измерений которых строились распределения величин пластового давления как в пространстве, так и во времени. Контроль напряженного состояния верхней части земной коры показал, что землетрясения возникают на участках наибольшего напряженного состояния, где давления достигают 20-25 МПа. Эти напряжения зависят от объемов нагнетаемой жидкости в скважины, они вызывают гидроразрывы и землетрясения. Дополнительно до, во время и после нагнетания жидкости проводили вибровоздействие в пределах напряженных сред с интенсивностью, превышающей интенсивность микросейсмического фона. Вибровоздействия проводились как наземными, так и скважинными вибраторами. Наиболее эффективными оказались скважинные вибраторы в водной среде, создающие гидроудары за счет небольших взрывов или электростатических разрядов. Доля сейсмической энергии от этих воздействий достигала 10-20%, в то время как доля сейсмической энергии от ударов наземных вибраторов составляла не более 0,1%. Интенсивность колебаний от скважинных вибраторов превышала интенсивность фона микросейсмических колебаний на расстоянии до 2 км от вибратора. Интенсивность микросейсмического фона на этой территории равна 0,01 микрон. На данной исследуемой территории была создана геодезическая сеть, с помощью которой измеряли горизонтальные и вертикальные смещения земной поверхности напряженных сред, являющиеся остаточными деформациями. Измерения вертикальных и горизонтальных смещений земной поверхности проводились, соответственно, нивелирами Ni002 и светодальномерами ЕОК-2000. До начала нагнетания жидкости в напряженные среды и вибровоздействий тектонические горизонтальные и вертикальные смещения земной поверхности составляли около 1 мм в год. В результате нагнетания жидкости и вибровоздействий в напряженную среду ежегодные вертикальные и горизонтальные смещения земной поверхности достигли 5-7 см, что соответствует остаточным деформациям земной коры в очагах землетрясений с энергетическим классом К=13 (М=5), который является максимальным для данной территории, исчезли ощутимые 6-7 балльные землетрясения с энергетическими классами К≥9 (М≥3), суммарная годовая сейсмическая энергия уменьшилась на 4 порядка - от 10¹² джоулей до 10⁸ джоулей, общее количество землетрясения с К≥5 уменьшилось в 10 раз. Определяли магнитуду землетрясения, которая соответствует величине снятой упругой энергии, по известной формуле M=1,32LogD+6,72 на основании измеренных величин остаточных деформаций (Borman P. (Ed.) New Manual of Seismological Observatory Practice, GeoForschungs Zentrum Potsdam, 2002, ISBN 3-9808780-0-7, 1252 p.).

Пример 2.

В районе крупнейшего водохранилища Нурекской ГЭС в Таджикистане была выделена территория повышенных напряжений земной коры, где проявлялась высокая активность возбужденной сейсмичности. По нормативной карте сейсмического районирования установлено максимальное возможное в этом районе землетрясение с энергетическим классом К=15 {М=6}. Территория напряженной среды в районе Нурекского водохранилища занимает площадь 20 на 40 км². До начала заполнения водохранилища происходило в среднем по 3 землетрясения за декаду с энергетическими классами К≥7 {М≥1.5}. Для снятия упругой энергии производили нагнетание жидкости и вибровоздействие. Нагнетание жидкости, в данном случае воды, осуществлялось от водохранилища. Осуществляли расчет проникающей способности воды. В интервалы времени, соответствующие расширению напряженных сред, обусловленному влиянием лунно-солнечных приливов, в напряженную среду поступало больше воды. Вариации давления воды на ложе водохранилища оценивались путем контроля за уровнем зеркала и глубины водохранилища. По выполненным оценкам вода Нурекского водохранилища способна проникать на глубины 5-7 км, а в отдельных местах высокой трещиноватости еще глубже. Более 80% всех землетрясений в районе Нурекского водохранилища происходят на глубинах до 10 км, где находятся осадочные четвертичные и нижнечетвертичные отложения песчаника, мела, соленосно гипсоносных пород верхней юры. Глубже идут гранитоидные породы верхнего палеозоя. Вибровоздействие проводилось после заполнения водохранилища водой в пределах напряженных сред до, во время и после нагнетания жидкости, т.е. в течение всего периода снятии упругой энергии с интенсивностью, превышающей интенсивность микросейсмического фона. В качестве вибратора выступали энергоагрегаты Нурекской ГЭС и вибрации от водосброса воды через отводные туннели. Сейсмическая ситуация контролировалась сетью сейсмических станций. Интенсивность вибраций на ближайшей от водосброса сейсмической станции, расположенной на расстоянии 5 км, составляла 0,3 микрона. Интенсивность вибраций, превышающая интенсивность микросейсмического фона, которая для данного района составляла 0,01 микрона, распространялась до 40 км. Измерения горизонтальных и вертикальных смещения земной поверхности напряженных сред, являющиеся остаточными деформациями, осуществляли с помощью геодезической сети и по величине этих деформаций судили о величине снятой упругой энергии. После начала заполнения Нурекского водохранилища проводили изменения его уровня посредством накопления и сброса воды через отводные туннели, изменяли интенсивность вибраций в зависимости от количества сброшенной воды, регистрировали землетрясения и деформации земной поверхности. В результате нагнетания жидкости вышеуказанном способом увеличилось вдвое число слабых землетрясений, а относительно сильные землетрясения с К≥13 исчезли. Упругая энергия стала высвобождаться большим числом толчков небольшой энергии, в результате чего значительно увеличился наклон графика повторяемости землетрясений от γ=-0,41 до γ=-0,53. Величина суммарной снятой упругой энергии (выделенной сейсмической энергии) уменьшилась более чем на два порядка с 10¹⁵ джоулей до 10¹³ джоулей. Измеряемые геодезической сетью деформации земной поверхности до начала заполнения Нурекского водохранилища достигали 3 мм в год. В результате нагнетания жидкости и вибровоздействий вертикальные смещения (проседания) земной поверхности в ложе водохранилища достигли 70 см, а горизонтальные смещения - 53 см в разных направлениях, то есть произошло снятие упругой энергии в напряженной среде большим числом слабых землетрясений с К≤11 и остаточной деформацией величиной 0,5-0,7 м, соответствующей остаточным деформациям (подвижкам) при землетрясениях с энергетическим классом К=15 (М=5,5).

Предлагаемое изобретение повышает вероятность предотвращения землетрясений за счет уменьшения трения на поверхностях скольжения и всесторонних сил сжатия, перераспределения и выравнивания напряжений, увеличения пластической деформации и скачкообразной деформации, происходящей от большого числа слабых землетрясений, может безопасно применяться вблизи крупных городов и промышленных агломераций, расположенных в зонах напряженных сред и на удалении от них, в районах крупных плотин с водохранилищами, в местах интенсивной добычи газа, нефти и других полезных ископаемых, где накапливаются дополнительные напряжения, вызывающие сильные возбужденные (техногенные) землетрясения. Способ экологически чист и безопасен, затраты на него незначительны по сравнению с ущербом, который наносится сильными землетрясениями, особенно вблизи скопления народонаселения и объектов хозяйственной и промышленной деятельности.

Способ снятия упругой энергии в напряженных средах для предотвращения землетрясений, включающий выделение местоположения напряженных сред и нагнетание жидкости в напряженные среды, отличающийся тем, что нагнетание жидкости осуществляют в интервалы времени, соответствующие расширению напряженных сред, обусловленному влиянием лунно-солнечных приливов, дополнительно до, во время и после нагнетания жидкости проводят вибровоздействие в пределах напряженных сред с интенсивностью, превышающей интенсивность микросейсмического фона, измеряют горизонтальные и вертикальные смещения земной поверхности напряженных сред, являющиеся остаточными деформациями, и по величине этих деформаций судят о величине снятой упругой энергии в напряженных средах.