СПОСОБ СНЯТИЯ УПРУГИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ЗЕМНОЙ КОРЕ ДЛЯ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ КАТАСТРОФИЧЕСКИХ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЙ
METHOD OF REMOVING ELASTIC STRESS IN EARTH'S CRUST TO PREVENT CATASTROPHIC EARTHQUAKES

Изобретение относится к геофизическим исследованиям в области геоэлектричества и сейсмологии, а именно к снятию упругих напряжений в земной коре путем ее облучения электромагнитными импульсами, и может быть использовано для предотвращения катастрофических землетрясений в зонах повышенной концентрации упругих напряжений, возникающих в пределах территорий с высокой плотностью населения, большой техногенной нагрузкой на природный комплекс, на которых расположены объекты горнорудного производства, добычи нефти и газа, крупные гидротехнические и гидроэнергетические сооружения, а также территорий, на которых размещены особо важные объекты, объекты ядерной энергетики, химической промышленности и другие экологически опасные объекты.
Известен способ управления режимом смещений во фрагментах сейсмоактивных тектонических разломов, включающий внешнее воздействие на выбранный фрагмент, регистрацию исходных параметров фрагмента разлома, тестирующее воздействие на фрагмент разлома для оценки исходного уровня тектонических напряжений в нем, последующее воздействие на выбранный фрагмент для инициирования плавных смещений крыльев разлома в режиме сдвиговой ползучести (RU, патент №2273035, G01V 9/00, 2006).
Недостатком данного способа является низкая эффективность воздействия на обширные сейсмоопасные территории, так как воздействию подвергаются только локальные фрагменты сейсмоактивных тектонических разломов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ снятия упругой энергии в напряженных средах для предотвращения землетрясений, выделение местоположения напряженных сред, нагнетание жидкости в напряженные среды в интервалы времени, соответствующие расширению напряженных сред, обусловленному влиянием лунно-солнечных приливов, дополнительное вибровоздействие до, во время и после нагнетания жидкости 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 (RU, патент №2289151, G01V 9/00, 2006).
Недостатком данного способа является низкая вероятность предотвращения катастрофических землетрясений на обширных сейсмоопасных территориях, так как в данном способе производится только локальное воздействие на напряженные массивы горных пород, которое позволяет снизить упругие напряжения только в относительно небольшой области земной коры, а также низкая эффективность используемых воздействий (вибрация и нагнетание жидкости) из-за влияния фильтрационных потенциалов. Кроме того, применение данного способа требует больших материальных затрат.
Предлагаемым изобретением решается задача повышения эффективности снятия упругих напряжений в земной коре. Техническим результатом является повышение вероятности предотвращения катастрофических землетрясений за счет снятия контактных потенциалов, потенциалов, возникающих в сухих породах в результате трещинообразования и трения при крипе, фильтрационных потенциалов во флюидосодержащих породах, приводящего к уменьшению нормальных напряжений, уменьшению трения на трещинах, разрывах и в областях контакта структурных элементов земной коры на разных уровнях иерархической структуры и к снижению прочности массивов горных пород на сдвиг.
b
b
e
e
Технический результат достигается в способе снятия упругих напряжений в земной коре для предотвращения катастрофических землетрясений, включающем разбивку исследуемой территории на ячейки, определение в каждой ячейке скорости сейсмотектонических деформаций, характеризующей фоновое значение, с последующим определением средней фоновой скорости сейсмотектонических деформаций ν по всем ячейкам, установку на исследуемой территории, по меньшей мере, одного излучателя электромагнитных импульсов, облучение земной коры электромагнитными импульсами, определение скорости сейсмотектонических деформаций в каждой ячейке во время облучения и отношения этой скорости к соответствующему для данной ячейки фоновому значению с последующим определением среднего значения отношения скоростей по всем ячейкам, выявление зон повышенной концентрации упругих напряжений по отношению скоростей, превышающих среднее значение, дополнительное облучение выделенных зон электромагнитными импульсами с определением скоростей сейсмотектонических деформаций ν(t) до выполнения условия: ν(t)≤ν, определение средней скорости сейсмотектонических деформаций за все время облучения ν и времени облучения t, определение величины снятых упругих напряжений в земной коре из соотношения
e
b
e
Δσ=µ·(ν-ν)·t,
e
где ν - средняя скорость сейсмотектонических деформаций за все время облучения, 1/год,
b
ν - средняя фоновая скорость сейсмотектонических деформаций до облучения, 1/год,
e
t - время облучения, год,
2
µ - модуль сдвига, принятый для соответствующих горных пород, Н/м.
b
b
e
e
Отличительными признаками предлагаемого способа снятия упругих напряжений в земной коре для предотвращения катастрофических землетрясений являются разбивка исследуемой территории на ячейки, определение в каждой ячейке скорости сейсмотектонических деформаций, характеризующей фоновое значение, последующее определение средней фоновой скорости сейсмотектонических деформаций ν по всем ячейкам, облучение земной коры электромагнитными импульсами, определение скорости сейсмотектонических деформаций в каждой ячейке во время облучения и отношения этой скорости к соответствующему для данной ячейки фоновому значению с последующим определением среднего значения отношения скоростей по всем ячейкам, выявление зон повышенной концентрации упругих напряжений по отношению скоростей, превышающих среднее значение, дополнительное облучение выделенных зон электромагнитными импульсами с определением скоростей сейсмотектонических деформаций ν(t) до выполнения условия: ν(t)≤ν, определение средней скорости сейсмотектонических деформаций за все время облучения ν и времени облучения t, определение величины снятых упругих напряжений в земной коре из вышеуказанного соотношения.
b
b
e
e
Разбивка исследуемой территории на ячейки необходима для локализации зон повышенной концентрации упругих напряжений. Определение в каждой ячейке скорости сейсмотектонических деформаций, характеризующей фоновое значение, необходимо для оценки изменений скоростей во время облучения. Определение средней фоновой скорости сейсмотектонических деформаций ν по всем ячейкам необходимо для сопоставления с текущими значениями скорости сейсмотектонических деформаций во время облучения. Предварительное облучение земной коры электромагнитными импульсами необходимо для оценки концентрации упругих напряжений в пределах исследуемой территории. Определение скорости сейсмотектонических деформаций в каждой ячейке во время облучения и отношения этой скорости к соответствующему для данной ячейки фоновому значению с последующим определением среднего значения отношения скоростей по всем ячейкам необходимо для выявления зон повышенной концентрации упругих напряжений. Выявление зон повышенной концентрации упругих напряжений по превышению отношения скоростей в ячейках среднего значения скорости сейсмотектонических деформаций необходимо для пространственной локализации зон дополнительного облучения электромагнитными импульсами и контроля изменения их напряженно-деформированного состояния. Облучение выделенных зон электромагнитными импульсами с определением скоростей сейсмотектонических деформаций ν(t) до выполнения условия: ν(t)≤νнеобходимо для снятия контактных потенциалов, потенциалов, возникающих в сухих породах в результате трещинообразования и трения при крипе, фильтрационных потенциалов и уменьшения прочности горных пород, инициирования тем самым активизации слабой сейсмичности, позволяющей повысить скорость сейсмотектонических деформаций и вызвать интенсивное высвобождение накопленной в земной коре потенциальной энергии упругих деформаций в виде интенсивного потока относительно слабых землетрясений и тем самым снизить уровень упругих напряжений. Определение средней скорости сейсмотектонических деформаций за все время облучения ν и времени облучения t необходимо для расчета величины снятых в процессе облучения упругих напряжений. Вышеуказанное соотношение необходимо для численного определения величины снятых в процессе облучения упругих напряжений в земной коре.
Способ снятия упругих напряжений в земной коре для предотвращения катастрофических землетрясений поясняется чертежом, где показано изменение скорости сейсмотектонических деформаций до, во время и после облучения земной коры электромагнитными импульсами на всей исследуемой территории (a), в пределах центральной (б) и южной (в) зон повышенной концентрации упругих напряжений.
Способ снятия упругих напряжений в земной коре для предотвращения катастрофических землетрясений осуществляется следующим образом.
b
b
e
e
Разбивают исследуемую территорию на ячейки. Определяют в каждой ячейке скорости сейсмотектонических деформаций, характеризующие фоновое значение и среднюю фоновую скорость сейсмотектонических деформаций ν по всем ячейкам. Устанавливают на исследуемой территории, по меньшей мере, один излучатель электромагнитных импульсов. Облучают земную кору электромагнитными импульсами. Определяют скорости сейсмотектонических деформаций в каждой ячейке во время облучения и отношения этой скорости к соответствующему для данной ячейки фоновому значению с последующим определением среднего значения отношения скоростей по всем ячейкам. Выявляют зоны повышенной концентрации упругих напряжений по отношению скоростей, превышающих среднее значение. Дополнительно облучают выделенные зоны электромагнитными импульсами с определением скоростей сейсмотектонических деформаций ν(t) до выполнения условия: ν(t)≤ν. Определяют средние скорости сейсмотектонических деформаций за все время облучения ν и время облучения t. Определяют величину снятых упругих напряжений в земной коре из соотношения
e
b
e
Δσ=µ·(ν-ν)·t,
e
где ν - средняя скорость сейсмотектонических деформаций за все время облучения, 1/год,
b
ν - средняя фоновая скорость сейсмотектонических деформаций до облучения, 1/год,
e
t - время облучения, год,
2
µ - модуль сдвига, принятый для соответствующих горных пород, Н/м.
Конкретный пример осуществления способа снятия упругих напряжений в земной коре для предотвращения катастрофических землетрясений.
10
b
b
0
2
Исследуемая территория, в качестве которой был выбран один из наиболее сейсмоопасных районов Средней Азии площадью 120×210 км, имеющий сложное геологическое строение, сильнопересеченный горный рельеф и высокий уровень сейсмической активности A=2.1, была разбита на ячейки площадью 50 км. В каждой ячейке были определены скорости сейсмотектонических деформаций ν(х,y), характеризующие фоновые значения, и средняя фоновая скорость сейсмотектонических деформаций ν(таблица). Была построена карта их пространственного распределения. Определение скорости сейсмотектонических деформаций осуществлялось по известной методике (Костров Б.В. Механика очага тектонического землетрясения. М.: Наука, 1975, 174 с.): сейсмотектоническая деформация ячейки объемом V, высвобожденная за время Δt=t-t за счет возникших в ней землетрясений, определялась по данным каталогов с помощью соотношения
а скорость сейсмотектонической деформации в этом интервале времени оценивалась как
ν=ε(t)/Δt,
0
i
0
i
10
2
где t - время начала наблюдений, t - текущее время,  - скалярный сейсмический момент i-го землетрясения, время возникновения которого t лежит в интервале t<t≤t, N - число таких землетрясений, µ - модуль сдвига, принятый равным 2.65·10 Н/м.
x
y
z
x
y
z
e
b
e
b
b
b
Для определения  по энергетическим классам землетрясений использовалось известное корреляционное соотношение (Раутиан Т.Г., Халтурин В.И., Закиров М.С. и др. Экспериментальные исследования сейсмической коды. М.: Наука, 1981, 142 с.). Эффективный объем каждой из рассматриваемых ячеек оценивался по совокупности землетрясений как V=4·δ·δ·δ, где δ, δ и δ - среднеквадратичное рассеяние координат гипоцентров по осям X, Y и Z. Затем на исследуемой территории установили один излучатель электромагнитных импульсов. В качестве излучателя электромагнитных импульсов был использован электрический диполь с разносом электродов 3 км и сопротивлением 1.5 Ом. Может быть использован в качестве излучателя магнитный диполь. Данный излучатель был установлен в центральной части исследуемой территории. В качестве источника использовался магнитогидродинамический (МГД) генератор. При запуске генератора ток в диполе достигал 1.5 кА, длительность электромагнитных импульсов - 2.0-2.5 с, а их энергия составляла 6.7-8.5 МДж. Затем было проведено облучение земной коры электромагнитными импульсами. По изложенной выше методике были определены скорости сейсмотектонических деформаций ν(x,y) в каждой ячейке во время облучения, отношения этой скорости к соответствующему для данной ячейки фоновому значению ν(х,y) и определено среднее значение этого отношения по всем ячейкам. По отношению скоростей ν(x,y)/ν(x,y), превышающих среднее значение, были выявлены зоны повышенной концентрации упругих напряжений. Одна из зон располагалась в центре исследуемой территории, а другая - в ее южной части. После чего было проведено дополнительное облучение выделенных зон электромагнитными импульсами с помощью МГД-генератора, во время которого для каждой из этих зон определялись текущие значения скорости сейсмотектонических деформаций ν(t) и строились их графики. Дополнительное облучение проводилось до выполнения условия: ν(t)≤ν, т.е. до того момента, когда скорость сейсмотектонических деформаций ν(t) становится равной или меньшей фонового значения скорости сейсмотектонических деформаций ν. После чего дополнительное облучение было прекращено. Время облучения составило 39 месяцев, в течение которого было проведено около 40 сеансов облучения. После завершения этих работ в течение некоторого времени определялись скорости сейсмотектонических деформаций. Зависимость скорости сейсмотектонических деформаций от времени ν(t) для всей исследуемой территории приведена на чертеже (а). Периоды облучения показаны вертикальными линиями. До облучения скорость сейсмотектонической деформации имеет относительно низкое значение. Сразу же после начала облучения скорость резко возрастает. После облучения - скорость снижается. На чертеже (б) и (в) приведены зависимости скорости сейсмотектонических деформаций от времени для выявленных зон повышенной концентрации упругих напряжений. Скорости сейсмотектонических деформаций во время облучения в этих зонах значительно выше.
-8
-5
b
a
e
В таблице приведены численные значения скоростей сейсмотектонических деформаций (10/год) до (ν), после (ν) и во время (ν) облучения коры, снятые упругие напряжения (Δσ) и высвобожденные упругие деформации (Δε) в процентах от известных значений предельной деформации (4.7·10).
Таблица
Область
ν<sub>b</sub>
ν<sub>a</sub>
ν<sub>e</sub>
Δσ, бар*
Δε, %
вся территория
2.42
2.35
38.81
0.351
2.82
центральная зона
9.51
1.58
182.77
1.670
13.41
южная зона
2.40
1.95
88.78
0.832
6.69
* 1 бар = 10<sup>5</sup> Па.
Из таблицы видно, что во время облучения земной коры скорости сейсмотектонических деформаций на исследуемой территории возрастают в 16 раз, а в выявленных зонах повышенной концентрации упругих напряжений - в 19-37 раз. Наибольший рост отмечается в пределах зоны, расположенной в центральной части исследуемой территории. Из таблицы также видно, что после облучения скорости деформаций в этих областях становятся ниже, чем до его начала, что свидетельствует о снятии упругих напряжений в земной коре за счет интенсивного высвобождения упругих деформаций во время облучения.
e
e
Затем определялись средние скорости сейсмотектонических деформаций за все время облучения ν и время облучения t, а величины снятых упругих напряжений в земной коре определялись из соотношения
e
b
e
Δσ=µ·(ν-ν)·t,
e
где ν - средняя скорость сейсмотектонических деформаций за все время облучения, 1/год,
b
ν - средняя фоновая скорость сейсмотектонических деформаций до облучения, 1/год,
e
t - время облучения, год,
2
µ - модуль сдвига, принятый для соответствующих горных пород, Н/м.
e
e
b
e
Вышеуказанное соотношение получено из закона Гука путем подстановки деформации, определяемой как разность деформации, высвобожденной за полное время облучения и равной произведению средней скорости на время (ν·t) и деформации, которая должна была высвободится за это же время при неизменной скорости (ν·t).
w
Полученные при этом значения снятых упругих напряжений представлены в таблице, из которой видно, что в результате облучения в выявленных зонах произошло снижение упругих напряжений на 0.8-1.7 бар, что в пересчете на деформации составляет 7-13% от известных значений предельных деформаций, слагающих земную кору горных пород. Это привело к уменьшению упругих напряжений в земной коре ниже критических значений и предотвратило возникновение сильного (с магнитудой M=5.6) землетрясения.
Предлагаемый способ снятия упругих напряжений в земной коре для предотвращения катастрофических землетрясений позволяет снимать избыточные упругие напряжения в земной коре за счет повышения скорости высвобождения сейсмотектонических деформаций и соответственно их потенциальной энергии, в результате инициирования электромагнитными импульсами интенсивного потока относительно слабых землетрясений, обладает высокой эффективностью снятия избыточных упругих напряжений на обширных территориях, а также может применяться для поддержания сейсмической безопасности особо важных объектов. Данный способ является экологически чистым, может осуществляться с помощью относительно компактного передвижного оборудования и требует относительно невысоких затрат.