Геодинамические явления при создании водохранилищ

Проблема возникновения землетрясений в связи с инженерной деятельностью человека особенно остро встала в последние годы, когда участились случаи сейсмической активности при заполнении крупных водохранилищ, разработке месторождений, закачке жидкости в скважины, ее откачке, в частности при эксплуатации нефтяных и газовых месторождений, затоплении шахт экспериментальных подземных ядерных взрывах.

В СССР усиление сейсмической активности было зарегистрировано в связи со строительством крупных водохранилищ и гидростанций -Нурекской, Чарвакской, Чиркейской и некоторых других, при эксплуатации нефтяных месторождений в Дагестане. В связи с возникновением проблемы при ЮНЕСКО в 1970 г, была создана международная Рабочая группа по проблеме сейсмических явлений, связанных с заполнением крупных водохранилищ. Деятельность данной группы освещается в специальной статье сборника. В СССР в 1972 г. [3]

В настоящее время на территории РФ находятся десятки крупных водохранилищ, планируется строительство новых гидроузлов, а так же ведется массовое затопление шахт, поэтому данная тема достаточно актуальна на сегодняшний день, и для разработки этого вопроса в будущем.

Из наиболее крупных землетрясений, связанных с гидротехническим строительством за рубежом, можно отметить несколько хорошо документированных. Для которых связь землетрясений с водохранилищами не вызывает сомнений. Впервые на это явление было обращено внимание в США после постройки плотины Гувер на р. Колорадо, образовавшей озеро Мид. Толчок был зарегистрирован в 1936 г., т.е. через год после начала заполнения плотины.

Сильное землетрясения произошло в Греции на плотине Кремаста, магнитуда достигла 6,2 балла по 12 бальной шкале. Имелись человеческие жертвы. [2]

Самым сильным землетрясением, возникшим при строительстве водохранилища, считается 6-7 баллов (по 12 балльной шкале), произошедшее в декабре 1967 г. в Индии во время заполнения водохранилища на реке Койна. [3] Землетрясение охватило территорию радиусом около 700 км, эпицентр его находился 3-5 км южнее плотины. В результате землетрясения погибло 180 человек.

Значительное увеличение сейсмичности наблюдалось после заполнения самого крупного искусственного водохранилища в мире -озера Кариба на р. Замбези (Африка). Самые сильные толчки достигали здесь магнитуды М=6. [3]

Случаи наведенной сейсмичности при заполнении водохранилищ, помимо США и Индии, отмечены в Китае, Франции, Зимбабве, Греции, Таджикистане и других странах

В отношении зависимости сейсмических толчков от геологических условий выявляются эмпирические закономерности - геоморфологической обстановки, геологического строения, тектонических и тектонофизических условий. Их сочетание благоприятствует проявлению возбужденной сейсмичности.

Кратко остановимся на них.

Первое – расчлененный рельеф, который привлекает внимание проектировщиков (наиболее экономичный вариант), свойствен главным образом горным странам. Именно в них встречаются глубокие каньонообразные долины.

Но эти же участки отличаются сложным геологическим строением Вследствие этого большинство створов высоконапорных плотин в сейсмических районах оказывается приуроченным к наиболее тектонически неоднородным и потенциально сейсмичным участкам земной коры.

Второе – наличие мягких грунтов, спокойно залегающих осадочных горных пород, отсутствие разломов, однородность пород не способствуют накоплению напряжений и не приводят к образованию толчков после заполнения водохранилищ.

Наличие ранее существовавших разломов, по мнению некоторых ученых – необходимое условие для всех землетрясений, связанных с водохранилищами, и отсутствие таковых отчасти объясняет их асейсмичность.

Накопление напряжений, вызванных тектоническими деформациями, до уровня, при котором они превосходят прочность данной среды, является обязательным условием возникновения возбужденных сейсмических толчков. По данным опытных работ, анализам механизма очагов землетрясений и неотектоники оказалось, что поле естественных напряжений в верхних горизонтах земной коры весьма неоднородно и достаточно сложно. Выявлено значительное по величине накопление упругих напряжений, распределенных неравномерно, свидетельствующих об огромных запасах потенциальной энергии.

Последним необходимым геологическим условием возникновения сейсмических толчков при заполнении водохранилищ является наличие структурных неоднородностей в массиве горных пород, в частности ранее образованные разломы, в пределах которых происходит значительное скачкообразное перераспределение напряжений.

Из этого следует, что при прогнозе мест, где может возникнуть возбужденная сейсмичность, необходим структурный контроль.

Считается, что одним из необходимых условий возникновения сейсмических толчков при создании водохранилища является накопление напряжений, вызываемых тектоническими деформациями еще до его создания.

При этом уровень напряжений должен быть близким к прочности среды, где они накапливаются.

Из сказанного можно сделать два вывода. [3]

• а)    Возбужденные землетрясения – это те же природные землетрясения, которые отличаются только режимом выделяющейся сейсмической энергии под влиянием инженерной деятельности человека

• б)    Для образования возбужденных землетрясении при заполнении водохранилищ необходимо сочетание благоприятных условий. К ним относятся указанные выше параметры водохранилища (высота напора, объем массы воды, зеркало водохранилища), наличие соответствующих горных пород с тектоническими неоднородностями в пределах чаши водохранилища, благоприятные геоморфологические условии, заранее накопленные избыточные упругие напряжения в массивах горных пород; благоприятная тектонофизическая обстановка. В разных конкретных условиях эти сочетания могут быть очень различными и давать разные эффекты. Возможны и другие, еще не выявленные факторы возникновения возбужденных землетрясений.

Некоторые исследователи полагают, что в крупных водохранилищах нагрузка в виде веса воды может объяснить освобождение сейсмической энергии.

Гравитационная энергия, освобождающаяся по мере прогибания земной коры под весом воды, превращается в энергию упругого напряжения и сейсмическую энергию. Справедливость этой точки зрения соответствующими расчетами была показана для водохранилища Кариба и озера Мид в США. [7]

В настоящее время более распространенной точкой зрения является признание влияния воды на прочностные свойства горных пород. В основе этих представлений лежат экспериментальные данные о поведении пород под давлением, выводом в изучении генезиса возбужденных землетрясений как следствие этих работ является признание влияния давления жидкости на механические свойства пород и их роли в механизме тектонических деформаций.

Установлено, что порово-трещинное давление нейтрализует геостатическую нагрузку, уменьшает трение, прочность горных пород, изменяет их пластичность и приводит к формированию очагов землетрясений и к смещению блоков по тектоническим неоднородностям с освобождением ранее накопленных тектонических напряжений.

Создаваемое повышение градиента давления способствует проникновению воды в более глубокие зоны, где повышение порового давления способствует росту трещиноватости, результатом чего является еще более глубокое проникновение воды. Дополнительное поровое давление должно быть достаточно высоким, чтобы проникать в породы. Этот процесс идет по ослабленным зонам и тектоническим неоднородностям.

Порода становится менее прочной, ранее существовавшая тектоническая напряженность разрешается землетрясениями.

Вода, проникая по зонам трещиноватости и или дробления, по разломам, будучи гидравлически связанной с водохранилищем, приводит к существенному увеличению парового давления по отношению к окружающей среде.

Произойдет быстрое разрушение перемычек между ранее образовавшимися разломами. Величина естественного напряжения, способного вызвать скольжение или сколовые деформации, значительно уменьшается.

Образуется крупный разрыв с выделением большой порции сейсмической энергии.

Таким образом, увеличение порово-трещинного давления приводит к уменьшению прочности породы настолько, что оказывается возможным образование разрыва при напряжениях, которые уже были в массиве горных пород, но до создания водохранилища не могли его вызвать.

Таким образом, увеличение порово-трещинного давления приводит к уменьшению прочности породы настолько, что оказывается возможным образование разрыва при напряжениях, которые уже были в массиве горных пород, но до создания водохранилища не могли его вызвать.

Если обратится к карте сейсмического районирования, можно заметить что часть действующих на территории водохранилищ находятся в сейсмически не активных районах, (например, волжские ГЭС) или в районах с малой сейсмической активностью например Зейская и

Чиркейская, хотя именно на Чиркейской ГЭС была зарегистрирована сейсмическая активность в связи с ее постройкой. Следовательно, учет только таких данных недостаточно для достаточной безопасности при эксплуатации действующих станций и при проектировки новых гидроузлов.

Одним из наиболее перспективных методов прогноза землетрясений может быть метод геодинамического районирования, который позволяет выделить блочное строение земной коры, активные разломы и тектонически напряженные зоны, производить расчеты напряжений, проницаемости и влагогазоемкости пород.

Если обратится к карте участков земной коры [2] (рис.1) с указанием геодинамической опасности и сравнить с картой сейсмического районирования то видно, что Волжские станции (например, Жигулевская ГЭС), находящиеся в сейсмически неактивном районе, на данной карте эти ГЭС обозначены в районе со второй степенью опасностью. Чиркейская ГЭС находится в районе со второй степенью опасностью, что может объяснить сейсмическую активность при ее строительстве.

Рис. 1. Действующие и строящиеся водохранилища

В настоящее время планируется к постройке Элистинское водохранилище на балке Гашун-Сала для обеспечения жителей города хозпитьевой водой. [6] По карте геодинамического районирования, планирующийся к постройке объект, находится на участке со второй степенью опасности, но эти сведения так же не учитываются в проекте (рис.2).

Рис. 2

Это новая постановка вопроса предполагает анализ и развитие существующих представлений о природной и техногенной системах с последующим определением их взаимодействия в целях обеспечения их безопасного и эффективного освоения недр земли и земной поверхности.