Техногенные сейсмические явления, связанные с разработкой

Журнал «Геологияч и охрана недр».
2010. № 1(34)
А.Нурмагамбетов
ТЕХНОГЕННЫЕ СЕЙСМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, СВЯЗАННЫЕ
С РАЗРАБОТКОЙ И ЭКСПЛУАТАЦИЕЙ МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ТВЕРДЫХ ПОЛЕЗНЫХ ИСКОПАЕМЫХ, НЕФТИ И ГАЗА
В последние несколько десятилетий техногенная деятельность во многих отраслях
промышленности достигла таких масштабов, что способна радикально изменить
состояние земной коры и вызвать серьезные изменения искусственного происхождения в
виде техногенных землетрясений. Первенство в провоцировании техногенных
землетрясений утвердилось за гидротехническими сооружениями, затем проявила себя
добыча нефти и газа. В последние годы сигналы опасности техногенных катастроф
уверенно заявили о себе при добыче полезных ископаемых в виде мощных
горнотехнических ударов.
Увеличение объемов добычи нефти и газа и концентрации горного производства
оказывает грандиозное воздействие на верхнюю часть литосферы. При этом нарушается
нормальное функционирование геологической среды, она приходит в неустойчивое
состояние, которые реализуются в виде различного рода техногенных катастроф.
Опасность техногенных землетрясений, вызванных добычей полезных ископаемых,
усугубляется их проявлением в экономически освоенных районах с экологически
опасными объектами. В этом отношении особую тревогу вызывают интенсивные горные
разработки в восточном и центральном Казахстане, всевозрастающая разработка и
эксплуатация нефтегазовых месторождений на западе республики. По прогнозным
оценкам сложившаяся ситуация в ряде регионов перешагнула критический уровень
воздействия, за которым может последовать техногенная катастрофа.
Добыча твердых полезных ископаемых. Проблема техногенной сейсмичности
актуальна для многих стран с развитой горнодобывающей промышленностью. Взрывы,
которые производит человек с тем, чтобы раздробить, извлечь или переместить миллионы
тонн горной массы, нарушают структуру массива пород и установившиеся в нем связи. То
есть крупномасштабные горные работы нарушают геодинамический режим геологической
среды.
Практика эксплуатации многих рудников показывает, что некоторые сейсмические
события представляют серьезную угрозу для горных работ, так как их очаги
располагаются непосредственно в горных выработках. Такие сейсмические события
называются горнотехническими ударами 1. Горнотехнические удары вызывают
разрушения горных выработок и целиков на больших площадях, вследствие чего приносят
ущерб оборудованию рудников и приводят к жертвам среди их персонала.
Анализ имеющихся данных свидетельствует о том, что горно-тектонические удары
проявляются на всех месторождениях, где выявлены аномально высокие естественные
напряжения в массиве, вне зависимости от типа тектонической структуры (стабильные
щиты, подвижные платформы, мобильные горно-складчатые области) 2. При этом
инженерная деятельность человека может рассматриваться как дополнительное
кратковременное внешнее воздействие на сложную цепь природных взаимосвязанных
процессов, выступающего в роли триггера ранее накопленной упругой энергии,
определяющей напряженность массива горных пород.
Для формирования техногенных землетрясений при ведении горных работ
необходимо сочетание ряда условий 2:
2
- высокий уровень горизонтальных тектонических напряжений в массиве пород,
определяемый соответствующей тектонофизической обстановкой (т.е. наличием зон с
большими градиентами скоростей новейших тектонических движений);
- наличие соответствующих хрупких высокопрочных пород с тектоническими
неоднородностями в пределах зоны разработки, благоприятные геоморфологические
условия (гористый рельеф);
- наличие крупномасштабной разработки (площадь выемки, глубина разработки,
объем извлекаемой и перемещаемой горной массы);
- взрывное воздействие при проходке выработок и отбойке руды.
Эти факты приводят к изменению естественных физических полей. Адаптация к
новому
напряженному
состоянию
сопровождается
возникновением
слабых
землетрясений, а в тектонически активных районах возможны умеренные и даже сильные
сейсмические события.
Анализ научной литературы показывает, что основная гипотеза происхождения
горных ударов лежит в плоскости повышенного напряженного состояния горных пород и
высвобождения избыточной энергии горного давления 3. Для горных ударов характерно
также то, что они возникают при работе исполнительных механизмов - комбайнов и
другой техники, оказывающей на свою опору динамическое (вибрационное) воздействие.
Наиболее сильным примером, по мнению ряда ученых, является Чернобыльская авария,
где присутствуют все элементы техногенных землетрясений. Авария произошла в ходе
изменения режима работы турбин, и развитие ее началось с толчка, который
зарегистрировали сейсмологи. Этот толчок и был техногенным землетрясением, который
как раз и разрушил все системы жизнеобеспечения реактора. Кстати, длительное время
сейсмологи пытались опротестовать информацию об этом толчке как противоречащую их
представлениям о том, что Чернобыль не является сейсмоактивной зоной. Затем были
попытки объяснить это сейсмологическое событие взрывом реактора. И только последнее
время ученые все чаще высказывают недоумение по поводу того, что толчок примерно на
16 секунд предшествовал аварии 4.
Для прогноза таких опасных явлений как горно-тектонические удары и техногенные
землетрясения, в первую очередь весьма важным представляется выявление
напряженного состояния нетронутого массива, возможных деформаций и
дополнительных напряжений вследствие крупномасштабной выемки горных масс,
условий высвобождения накопленной энергии. Однако до сих пор эффективных датчиков
напряженного состояния не существует. Так же обстоит дело и с измерением энергии,
предположительно запасенной в горных породах.
Многие рудники и шахты на территории Казахстана, располагаются в сейсмически
активных регионах и известны случаи возникновение горнотехнических ударов и
техногенных землетрясений. Все это вызывает определенное беспокойство и требует
проведение крупномасштабных научно-практических исследований по изучению
проблемы техногенной сейсмичности в связи с разработкой твердых полезных
ископаемых.
Разработка нефтегазовых месторождений. Землетрясения, инициированные
разработкой месторождений нефти и газа, происходят как в сейсмоактивных районах, так
и в более спокойных платформенных областях. На платформах они вызывают
повреждения на более значительных площадях, чем в сейсмоактивных районах и
последствия от таких землетрясений иногда имеют катастрофический характер.
Объясняется это небольшой глубиной очагов и неадекватной сейсмостойкостью объектов
обустройства и эксплуатационных скважин промыслов. Возникают они как при
интенсивном отборе углеводородов, так и при закачке жидкости для поддержания
пластовых давлений с целью повышения нефтеотдачи. На некоторых месторождениях
проявляется тесная связь между изменениями во времени объема закачиваемой воды в
пласты и изменениями режима сейсмической активности. В качестве примера проявления
3
такой связи можно приводит Кумдагское нефтяное месторождение (Туркменистан), где
произошло землетрясение с магнитудой 5,7 и с очагом на глубине 7-8 км (1984 г.).
Землетрясения силой 9-10 баллов на месторождении Газли (1976 и 1984 гг.) были
весьма неожиданными, потому что произошли в районе, который считался сейсмически
безопасным [5]. Первое 9-балльное землетрясение произошло в 1976 г., через 15 лет после
начала разработки гигантского газового месторождения.
Сильное 9-балльное землетрясение произошло в 1995 г. на Южном Сахалине вблизи
г. Нефтегорск [6], которое привело к многочисленным жертвам и тяжелым
экономическим потерям (рис.1). Оно произошло примерно через 30 лет после начала
активной промышленной добычи нефти.
Этот перечень можно продолжить. В мировой практике известны многочисленные
случаи возникновения землетрясений умеренной силы (до 6 баллов) в слабосейсмичных
районах, связанные с добычей углеводородов.
Особую озабоченность по этим факторам у специалистов вызывает нефтегазовые
регионы Казахстана. Около 70 % запасов нефти и газа сосредоточены в западных
регионах страны, где в настоящее время создана мощная инфраструктура нефтяного
комплекса. Поэтому проблема обеспечения экологической и экономической безопасности
эксплуатации нефтегазовых месторождений приобретает для Республики Казахстан
первостепенное значение.
Рис.1
Последствия Нефтегорского землетрясения 1995 г.
(Тотальное разрушение 17 пятиэтажных зданий)
Анализ имеющихся материалов показывает, что выявляется некая особенность
техногенных землетрясений, связанная с разработкой нефтегазовых месторождений,
которая состоит в том, что они происходят через несколько лет – несколько десятков лет
после начала активного техногенного воздействия, когда вызванные этим воздействием
изменения состояния среды станут достаточно значительными (табл.). Установлено, что
ни одно длительно разрабатываемое нефтегазовое месторождение не гарантировано от
проявления техногенных землетрясений.
4
На рис.2 приведена карта эпицентров умеренных и сильных землетрясений
Центральной Азии, откуда следует, что вокруг нефтегазовых регионов Казахстана
сейсмическая деятельность проявляется бурно. На юге и юго-западе в северо-западном
направлении Прикаспийского региона протягивается Ашхабадско-Копетдагско-Кавказская зона.
На юго-востоке региона выделяется участок аномального сгущения эпицентров
землетрясений, приуроченный к эпицентральной зоне Газлийских землетрясений 1976 и
1984 гг. (афтершоковая область). На севере Карачаганакского и на юге Кумкольского месторождений
также функционируют сейсмически активные зоны.
Рис.2
Карта эпицентров сильных землетрясений Центральной Азии
При этом территории нефтегазовых регионов свободны от эпицентров умеренных и
сильных землетрясений. По этой причине, на официальной нормативной карте сейсмического
районирования Казахстана 7, эти регионы отнесены к сейсмически спокойным зонам.
5
Следует сказать, что ввиду отдаленности и слабой сейсмической активности, эти регионы до
недавнего времени не привлекали внимания сейсмологов. Как правило, отсутствие местных
сильных землетрясений снижает уровень общественного внимания к этим событиям, и они
находят слабое отражение в историко-архивных материалах. Поэтому исторические
сведения о проявлениях сильных землетрясений также здесь очень ограничены 8-10.
Тем не менее, очень важно установить уровень сейсмической активности региона до
начала разработки месторождения, хотя бы по материалам региональных исследований. В
этом отношении сейсмические истории ряда месторождений Казахстана выглядят
следующим образом.
Месторождение Тенгиз. В географическом отношении месторождение находится в
юго-восточной части Прикаспийской впадины и находится в опытно–промышленной
разработке с апреля 1991года [11]. В исследованиях, касающихся сейсмичности
территории СССР, нет сведений о сильных сейсмических проявлениях в исследуемом
регионе и в его окрестностях. Тем не менее, по материалам глобальных (PDE, CNSS,
NGDC, USGS), региональных каталогов и материалов полевых наблюдений удалось
составить каталог слабых сейсмических событий за период с 1968 по 1997 гг. [11] (рис.3а).
а)
б)
Рис. 3
Эпицентры слабых землетрясений Северного Прикаспия и Южного Урала:
а – по данным [12] за период с 1968 по 1997 гг.
б - 1-3-по ВНИИ Геофизика Мингео СССР за 1962, 1963, 1965 гг. соответственно;
4-обвально-карстовые; 5-магнитудная классификация; 6-район работ
Месторождение Карачаганак. Нефтегазоконденсатное месторождение Карачаганак
расположено на северной окраине Прикаспийской впадины. Оно было открыто в 1979
году и введено в разработку в 1984 году. На рис.3б показаны эпицентры слабых
землетрясений, зарегистрированных в 1962, 1963 и 1965 гг. экспедицией ВНИИ
Геофизики Мингео СССР [12]. Энергия их предположительно оценивается около К=7-9
(К=lgЕ, Дж). Всего в каталоге содержатся сведения о 38 землетрясениях за 1807-1990 гг.
Месторождение Кумколь. Кумкольское месторождение находится в пределах
Приаральских платформенных равнин на северо-востоке Туранской платформы, которая
относится к числу слабосейсмичных районов [13]. Невысокая плотность населения и
отсутствие инструментальных наблюдений в районе месторождения не позволяет иметь
сведения о характере проявления сейсмических событий исторического прошлого.
Таким образом, уровень сейсмической активности регионов названных
месторождений, в целом характеризуется относительно
спокойным, особых
сейсмических проявлений не известно. Тем не менее, почти все названные регионы были
6
подвержены воздействию сильных удаленных землетрясений с интенсивностью до 5
баллов, эпицентры которых располагались в соседних сейсмоактивных зонах.
С 1997 года в ряде нефтегазовых месторождений Казахстана (Тенгиз, Карачаганак,
Жанажол, Кенкияк и Кумколь) начаты инструментальные сейсмологические наблюдения
силами казахстанских сейсмологов (хотя, аналогичные наблюдения на этих
месторождениях ведутся российскими учеными довольно давно). В результате
сейсмологического мониторинга обеспечивается непрерывный оперативный контроль за
геодинамическими и геомеханическими процессами, что открывает широкие возможности
для принятия своевременных мер, предотвращающих негативные последствия возможных
природно-техногенных катастроф [14].
На рис.4, по материалам Института сейсмологии, представлены распределения
эпицентров слабых землетрясений за небольшой промежуток времени. Как видно из
рисунка, по сравнению с рис.3 картина резко изменилась. Все зарегистрированные
местные землетрясения были неглубокими (не более 15 км), эпицентры толчков, в
основном, сосредоточены на самой территории группы месторождений.
а)
б)
в)
Рис.4
Эпицентры слабых землетрясений, зарегистрированные в районе
Месторождений (по данным Института сейсмологии МОН РК):
а– Тенгиз (2004–2005 гг); б- Карачаганак (2001 – 2005 гг); в-Кумколь (2004-2005 гг)
Наличие сейсмических проявлений указывают на изменения сейсмического режима
и свидетельствуют об изменении напряженного состояния геологической среды в связи с
разработкой указанных месторождений. Очевидно, что в выявленных зонах сейсмической
активности необходима организация более детальных исследований с целью достоверного
установления влияющих технологических факторов.
Литература
1. Ловчиков А.В. Горно-тектонические удары на Левозерском редкометальном
месторождении. Вестник МГТУ, том 11 1983, № 3. С. 385-392.
2. Козырев А.А., Панин В.И., Савченко С.Н. Геомеханические исследования и
обоснования при ведении горных работ на Кольском полуострове. Горный институт КНЦ
РАН.
3. Гликман А.Г. О физике землетрясений. – www.newgeophys.spb.ru/ru/docl.shtml
4. Страхов В.Н., Старостенко В.И. и др. Сейсмические явления в районе
Чернобыльской АЭС. Геофизический журнал. Т.19, № 3, 1997. С.3-15.
5. Газлийские землетрясения 1976 и 1984 гг.Ташкент:Фан, 1986.368 с.
6. Нефтегорское землетрясение 27(28).05.1995 г. Информационно-аналитический
бюллетень. Спецвыпуск. М., 1995. 236 с.
7
7. Строительство в сейсмических районах Казахстана. СНиП РК 2.03-30-2006.
Алматы: 2006. 80 с.
8. Нурмагамбетов А. О сейсмичности и сейсмической опасности Мангыстауского
региона //Доклады МН-АН РК. 1997. №1. С. 47-53.
9. Нурмагамбетов А. Сейсмичность Арало-Каспийского региона //Геология регионов
Каспийского и Аралского морей» МГК-32. Алматы. 2004. С.443-450.
10. Нурмагамбетов А. Проблема возбужденной сейсмичности в Казахста не //Геология и разведка недр. Алматы, 1997. №1 .С.32-36.
11. Нусипов Е., Оспанов А.Б. и др. Сейсмическая опасность территории Западного
Казахстана //Пятый Казахстанско-Китайский международный симпозиум «Современная
геодинамика и сейсмический риск Центральной Азии» Алматы. 2004. С.94-103.
12. Нусипов Е., Оспанов А.Б. и др. Сейсмическая опасность трассы нефтепровода
Атасу-Алашанкоу Алматы. 2004. 105 с.
13. Нусипов Е., Оспанов А.Б. и др. Сейсмическое районирование Кызылординской
области Алматы: Ғылым. 2003. 84 с.
14. Нусипов Е., Оспанов А.Б. и др. Сейсмологический мониторинг на
месторождениях углеводородов: методические указания / Алматы. 2004. 72 с.