Действие воды на породы, залегающие на глубине

Если бы в горных породах не было воды, то не происходило бы и тектонических землетрясений. Причин этому много. Прежде всего, если вычислить гидростатическое давление в земной коре на глубине 5 км, обусловленное весом вышележащих пород, то окажется, что оно равно прочности гранита и подобных ему по­род (т.е. тому давлению, которое порода может выдержать, не разрушаясь) при давлении (1000 бар*)) и температуре (500°С), со­ответствующих этой глубине. На больших глубинах из-за того, что гидростатическое давление там уже больше прочности по­род, можно было бы ожидать, что породы будут 1ечь и дефор­мироваться пластически, а не подвергаться хрупкому разруше­нию (вызывая тем самым землетрясения). В самом деле, если образец прочной гранитной породы подвергнуть в лаборатории сжатию при соответствующих условиях температуры и давления, то в нем в общем случае проявится текучесть, а не хрупкость. Тем не менее землетрясения происходят, и, таким образом, мы имеем перед собой некий парадокс.

Однако опыты по воздействию давления на минералы, со­держащие кристаллизационную воду, или на водонасыщенные горные породы позволяют понять, почему в глубинах Земли дро­бление все-таки возможно. По-видимому, вода воздействует на горные породы таким образом, что в них могут происходить резкие подвижки,-возможно, вода создает на плоскостях сколь­жения некоторое подобие смазки. В соответствующих экспери­ментах подвижки в образце породы сопровождаются короткими рывками пневматического пресса, используемого для сжимания образца. Эти рывки соответствуют резкому понижению всесто­роннего давления. Иными словами, каждый такой рывок озна­чает почти мгновенное падение напряжения на плоскости скола (т.е. разрыва) внутри образца. Переходя от лабораторных экспе­риментов к наблюдениям в сейсмоактивной области, интересно отметить, что, как показывает анализ волн, записанных на сейс­мограммах, при мелкофокусных землетрясениях касательное на­пряжение, т.е. напряжение, ориентированное вдоль разлома, рез­ко падает на величину в несколько десятков-сотен бар. Этот довольно небольшой сброс напряжения гораздо меньше прочно­сти твердых пород, которая достигает 1 килобар. Поэтому воз­можно, что вода, присутствующая в породах вдоль зоны разло­ма, ослабляет их, в результате чего при сейсмической подвижке снимается только совсем небольшая часть касательного напря­жения.

Имеются и другие данные о влиянии воды на механизм зе­млетрясения. Вспомним приведенный в гл. 3 типичный геологи­ческий разрез зоны разлома, представленный комплексом глинки трения, раздробленных и перетертых пород и глины; гидрологи­ческие условия в зоне разлома часто приводят к образованию водосодержащих пород, таких как серпентинит. В глинке трения и других глинистых породах часто видны, по крайней мере у по­верхности, прямые свидетельства сдвигового проскальзывания, происходившего во влажных условиях: плотно притертые блоки слоистых пород с бороздками на так называемых зеркалах скольжения. Следовательно, в большинстве сейсмоактивных зон на глубине имеется, по-видимому, достаточно много воды, и при­мечательно, что вода часто присутствует в источниках и глубоких скважинах вдоль крупных разломов.^

Роль воды в возбуждении землетрясений вызвала интерес сейсмологов в 1962 г., когда началась серия землетрясений в рай­оне Денвера (штат Колорадо). Хотя землетрясения происходили там и в прежние годы, например VII-балльное (по модифициро­ванной шкале Меркалли) землетрясение 1882 г. и последовавшие за ним другие местные толчки, все же естественная сейсмичность всегда была низкой. Начиная с апреля 1962 г. обстановка неожи­данно изменилась: землетрясения стали ощущаться одно за дру­гим. С апреля 1962 г. по сентябрь 1963 г. местные сейсмические станции зарегистрировали в этом районе более 700 толчков! Магнитуда колебалась от 0,7 до 4,3 по шкале Рихтера.

Большинство этих землетрясений происходило в радиусе 8 км от военного завода «Рокки-Маунтин», расположенного к се­веро-востоку от Денвера. На заводе, принадлежащем военному ведомству, производилось вооружение, а одним из побочных ре­зультатов этого производства была загрязненная вода, которую вначале сливали в открытые резервуары и оставляли свободно испаряться. Но в 1961г. завод переключился на тот метод удале­ния отходов, который казался более приемлемым с точки зрения сохранения окружающей среды, и жидкие отходы стали закачи­вать в глубокую скважину, пробуренную до 3670 м. Закачка про­изводилась с 8 марта 1962 г. до 30 сентября 1963 г. После этого она была прекращена на год, а затем возобновилась и продолжа­лась с сентября 1964 г. по сентябрь 1965 г. В результате в Денве­ре стали ощущаться землетрясения. Жители города жаловались, указывая на возможную связь между закачкой воды и вспышка­ми землетрясений, и в конце концов добились того, что удаление отходов этим способом было прекращено.

Корреляция между количеством закачанной воды и числом землетрясений действительно была очень тесной: большая часто­та землетрясений была отмечена в начале 1963 г., в 1964 г. она резко упала, а в 1965 г. опять стали возникать многочисленные землетрясения — в это время количество нагнетаемой воды благо­даря повышенному давлению, создаваемому насосами, вновь стало максимальным.

Физическое объяснение этого эффекта может быть двояким. Во-первых, возросший напор воды в скважине мог вызвать пере­текание грунтовых вод в полости и трещины вдоль существовав­ших раньше подземных разломов. Повышение порового давле­ния могло в свою очередь привести к уменьшению сдвиговой прочности горных пород и глинки трения. Во-вторых, из-за того что породы в существовавших раньше зонах разлома находились в раздробленном состоянии, основное течение воды должно бы­ло сосредоточиться в микротрещинах и плоскостях разрыва, и внутрипоровая вода могла служить важным источником смаз­ки. К этому времени должны были созреть условия для того, чтобы тектоническая деформация, которая накапливалась в зем­ной коре на протяжении многих лет, начала высвобождаться в серии подвижек, вызывающих землетрясения. Это могло бы и не произойти еще ряд лет или могло занять более длительное время, если бы не было создано дополнительное давление воды.

Денверский феномен обнаружился, конечно, случайно, но по­сле него были проведены планомерные полевые эксперименты при таких же условиях. Соответствующие работы были начаты Геологической службой США в 1969 г. на нефтяном месторожде­нии Рейнджли в западном Колорадо. На этой площади уже су­ществовало большое число нефтяных скважин; следовательно, через них можно было закачивать и откачивать воду и измерять поровое давление в породах на глубине. Одновременно была развернута специальная сеть сейсмографов, которые могли кон­тролировать флюктуации сейсмической активности в данном районе. В результате была установлена чрезвычайно тесная зави­симость между количеством закачанной жидкости и местной сейсмической активностью (рис. 1). Когда поровое давление жид­

кости достигало некоторой пороговой величины (в данном слу­чае 1,1 • 104
паскалей*)), сейсмическая активность возрастала. Ког­да при откачке воды давление падало, сейсмическая активность уменьшалась. И опять-таки надо подчеркнуть, что скважины в районе Рейнджли проходят через древние разломы и земная кора в этом районе уже находилась в состоянии некоторой тек­тонической деформации, на что указывает возникновение неболь­ших местных землетрясений в предшествующие годы.

Итак, исследования в районах Денвера и Рейнджли проде­монстрировали решающее значение воды в возбуждении резких подвижек в глубинах земной коры. Они породили также идею о возможности контролировать землетрясения. Одним из пред­ложений было нагнетание воды через глубокие скважины внутрь разломов в том регионе, где естественные землетрясения могут представлять особую опасность. Этим способом можно было бы вызвать возникновение слабых землетрясений, снижая тем самым энергию деформации, накопившуюся в коре в данном районе, и уменьшая вероятность возникновения сильного земле­трясения. Вмешательство в природные процессы, конечно, несет особой определенную опасность: если эксперименты проводятся вдоль крупного активного разлома, последствия могут быть раз­рушительными. Однако «снятие напряжения» с пород коры путем нагнетания воды на участках будущего строительства особенно важных сооружений, например крупных плотин, возможно, име­ло бы смысл. Планы такого рода когда-нибудь, вероятно, будут осуществлены на практике.