Зачем геофизики слушают мини-землетрясения, которые сами же создают в лаборатории, — рассказывает Илья Фокин, заведующий Центром петрофизических и геомеханических исследований Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАН.

— Илья Владимирович, как геофизики изучают землетрясения?

Илья Фокин, заведующий Центром петрофизических и геомеханических исследований Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН. Фото: Н. Лесковой.

— C момента основания института в 1928 году сотрудники ИФЗ РАН занимаются физикой горных пород, в том числе её изучением для прогноза землетрясений. Например, для этих целей в 1980-е годы был использован уникальный «Большой пресс» расположенный в Институте Физики Высоких Давлений. Он мог развивать осевое усилие в 50 тысяч тонн и позволял испытывать образцы горных пород размером до 2 м. Это позволило создать и исследовать модель очага землетрясения. При внутренних разрушениях образца возникает так называемая акустическая эмиссия — её можно рассматривать в качестве аналога реальных сейсмических событий. Акустическая эмиссия и естественная сейсмичность вызваны одним и тем же физическим процессом — динамическим развитием разрыва в твёрдом веществе, хотя размеры этих разрывов различаются на много порядков.

Большой пресс в Институте физики высоких давлений имени Л. Ф. Верещагина РАН в г.Троицке. НКМЗ — аббревиатура Новокраматорского металлургического завода, где были изготовлены основные детали пресса. Несмотря на то, что в промышленности используются и более мощные прессы, они не способны долго удерживать созданное усилие, тогда как Большой пресс мог поддерживать давление в объёме нескольких кубических метров образца в течение нескольких суток. Фото предоставлено Фокиным И. В.

Опыты на Большом прессе позволили сопоставить результаты лабораторного эксперимента и природных закономерностей. Это помогло создать модели подготовки землетрясений: например, модель неустойчивого скольжения (stick-slip) и дилатантно-диффузную модель, предложенную американскими геофизиками, или модель лавинно-неустойчивого трещинообразования, предложенную группой учёных Института физики Земли.

— А сейчас землетрясения изучают на таких же больших установках?

— Сейчас механику разрушения пород изучают преимущественно с помощью управляемых быстродействующих прессов. Они позволяют детально исследовать кинетику трещинообразования на самой заключительной, лавинной стадии накопления дефектов, когда образец разрушается при переходе предела прочности. Такие исследования проводятся и в нашей лаборатории. В 2014 году мы приобрели испытательную установку для исследования образцов в термобарических условиях пласта. По температуре и по давлению она может имитировать напряжённое состояние горной породы до глубин в десять километров и давить на образец с силой в 450 тонн.

Сервогидравлическая установка GCTS RTR-4500. Силовая рама и гидравлические усилители.

Почти три года мы осваивали новый инструмент, учились правильно работать на этой установке, чтобы довести навык работы до того уровня, чтобы железо стало продолжением рук исследователя. В итоге эта установка стала основой нового структурного подразделения института — Центра петрофизических и геомеханических исследований ИФЗ РАН.

— И что же умеет делать ваша установка?

— По сути это гидравлический пресс с четырьмя усилителями — манипуляторами. Первый представляет собой гидравлический цилиндр, который напрямую воздействует на образец и давит на заданную область с усилием вплоть до 450 тонн. Второй создаёт давление около образца. К прессу мы добавляем испытательную камеру, стабилометр, способный выдерживать внутреннее давление до 200 мегапаскалей и температуру до 200 градусов Цельсия — это аналог условий, которые существуют на глубине 10 километров. Ещё два усилителя предназначены для создания и поддержания внутреннего давления на двух торцах образца. С их помощью можно измерять проницаемость горной породы, один из важнейших параметров для разработки месторождения.

Арсенал приспособлений для испытаний образцов горных пород.

Установка измеряет четыре класса величин: давление, силу, перемещение и скорости упругих волн. Измерить их при высоких температурах и давлениях — задача порой нетривиальная. Например, одна из сложностей, с которыми мы сталкиваемся, — это как обеспечить герметичность и экранирование электрических вводов для датчиков в область с высокими давлениями и температурами.

— Наверное, такие исследования — недешёвое удовольствие. Кто их финансирует?

— Основной источник финансирования нашей работы — это исследования горных пород из нефтегазовых месторождений. Нефтяники разрабатывают более сложные месторождения, в которых скважины часто проходят через разломы и солевые отложения.

Для эффективной и безопасной добычи нефти, которая становится всё более труднодоступной для человечества, проводится большая работа. Технология следующая: специалисты бурят скважину, при этом давление горной породы пытается её схлопнуть. Чтобы этого не произошло, в скважину подаётся буровой раствор, плотность которого подбирается специальным образом, чтобы, с одной стороны, не допустить фильтрации бурового раствора в пласт, а с другой стороны, не дать скважине схлопнуться. Геомеханическая модель позволяет рассчитать правильную плотность бурового раствора. Также в процессе разработки важно не жадничать и не слишком много добывать, иначе пласт испортится.

Испытательный постамент установки GCTS RTR4500.

Подобные технологии начали активно внедряться в нашей стране с 2010-х годов и сейчас стали общепринятыми. На заре нашей работы это было чем-то новым, и мы стали одними из первых, кому удалось получить ряд крупных договоров с нефтедобывающими компаниями. Сейчас проекты продолжаются. Дорогостоящее оборудование не должно простаивать, его нужно интенсивно использовать. В нашем подразделении трудится шесть человек, весь последний год мы работаем в режиме 24/7, чтобы в нужные сроки обеспечить выполнение заказов.

— Чем конкретно заняты сотрудники вашего Центра?

— Мы определяем прочностные и упругие свойства горной породы. Имея эту информацию, нефтяная компания получает модель механических свойств месторождения, а дальше может безопасно добывать углеводороды. На выходе получаем удешевление и безопасность процесса бурения. Также мы можем посчитать, как меняются фильтрационно-ёмкостные свойства горных пород при различных пластовых давлениях, что оптимизирует процесс разработки нефтегазовых месторождений.

Для строителей и шахтёров мы можем определить прочностные свойства горной породы и выявить, какой размер должен быть у шахты, какой ширины тоннель безопасно строить при разработке горной породы, какую нагрузку можно давать на фундамент строящегося дома.

С точки зрения инженерной науки есть и другие интересные задачи. Например, под Москвой существует карст, и при достижении карстовыми полостями определённых размеров начинается процесс разрушения. Его можно «поймать»: поставив датчики и проводя акустический мониторинг, определяем, в каком месте и в какое время начинается процесс разрушения, и предотвращаем его. Для более точных данных в Москве нужно установить много подобных датчиков — тогда возможно осуществлять круглосуточный мониторинг карстового процесса.

Красное озеро в Хорватии — пресноводное озеро, сформировавшееся в одной из самых глубоких карстовых воронок в мире. Глубина озера составляет более 250 метров. Фото: James Rintamaki/Flickr.com.

— В чём оригинальность, уникальность ваших работ?

— Уникальность наших работ в сочетании громадного опыта и фундаментальных исследований, которые мы можем проводить вместе с чисто прикладными работами по геомеханике нефтедобычи. Например, мы продолжаем заниматься землетрясениями. Уже много лет это одно из основных направлений деятельности института. Пресс, способный разрушить образец, по сути, может создавать условия формирования землетрясения в лаборатории. Мы можем попытаться повторить условия, на которых происходят крупномасштабные катастрофические события в земной коре. Ведь микроземлетрясения могут происходить, в том числе, при добыче нефти и газа, когда начинает разрушаться горная порода около скважины, и возникает акустическая эмиссия.

В институте есть научная школа по работе с этим явлением: они изучают землетрясения и в лабораторных и в полевых условиях. Целые группы выезжают на место, ставят временные сейсмические сети, способные охарактеризовать сейсмическую активность.

Мы переняли принцип работы с акустической эмиссией и можем «слушать», как начинает разрушаться образец. Когда начинается образование микротрещин в образце, мы ставим датчики в нужных точках и фиксируем по сигналам, где именно хрустнула горная порода, записываем эти события непосредственно в процессе разрушения и таким образом представляем целую картину этих микроразрушений, которые потом перерастают в макротрещины. Система регистрации акустической эмиссии — разработка сотрудников нашего института.

С одной стороны, этот процесс чисто фундаментальный, не имеющий чёткого практического применения, а с другой — именно такой процесс происходит при закачке и откачке газов в подземное газовое хранилище. То же самое происходит при гидроразрыве пласта, и важно понимать, с какой интенсивностью нужно закачивать флюид в скважину, чтобы трещина не пошла слишком глубоко вниз и слишком далеко вверх, не нарушила целостность пласта.

— Как скоро учёные смогут наконец-то предсказывать землетрясения?

— Мы осторожны в прогнозах. Мы понимаем, что такое напряжённость или деформированное состояние горной породы. Знаем, в какой момент она переходит через критерий прочности и приближается к разрушению, но это может происходить как в процессе землетрясения, так и в процессе так называемого крипа, когда создавшееся напряжение сбрасывается в ходе различных микрособытий. Институт может предупреждать о возможности сейсмической опасности в тех или иных регионах, но говорить о точном прогнозе землетрясений пока не приходится. Учиться прогнозировать землетрясения — глубокая фундаментальная задача, стоящая перед всем мировым сообществом.

Однако мы знаем многое о так называемых предвестниках землетрясений. Умея «слушать» образцы, мы можем выявлять сопутствующие микрособытия. Для нас землетрясением будет разрушение образца. Перед тем как пойдет магистральный разлом, происходит излучение акустической эмиссии и образование микротрещин.

Когда происходят землетрясения? При движении литосферных плит большие массивы горной породы сжимаются или растягиваются, напряжённое состояние становится нестабильным, образуются трещины. Это долгий процесс, который может длиться тысячи лет. Но как выделить тот признак, который приведёт именно к землетрясению? Это тоже одно из направлений наших исследований.

В частности, мы исследуем образцы из окрестностей индийского водохранилища в окрестностях Койна-Варна. В какие-то периоды она накапливает воду, в какие-то — сбрасывает для целей полива территории. Вокруг стоят сейсмические станции, наблюдается интенсификация сейсмического процесса.

Дамба на реке Койна в штате Махараштра (Индия). Заполнение водохранилищ Койна (1961 г.) и Варна (1985 г.) превратило асейсмичный район Койна-Варна в область наведённой сейсмичности, где происходят землетрясения магнитудой более 5 баллов. Фото: वर्षा देशपांडे/Wikimedia Commons.

— Почему это происходит?

— Может, всё дело в накоплении воды, что увеличивает давление на массив, и горная порода начинает трескаться, а может, из-за поднятия уровня воды начинается интенсивная фильтрация в горную породу, и это стимулирует сейсмический процесс за счёт уменьшения прочности породы. Возможен и третий вариант: всё происходит из-за подъёма порового давления. Процессы разные, но чтобы избежать сейсмической активности, надо разобраться в причинах.

Повторюсь, что пока чёткой технологии прогноза землетрясений не существует. Однако мы в лаборатории можем наблюдать, как горные породы различного типа приближаются к разрушению, доводя их до критического состояния: можем «слушать» акустику либо добавлять датчики электрического и магнитного поля, искать индикаторы этого критического напряжённого состояния и думать об этом в масштабах города или литосферной плиты. Понимая базовые вещи, можно заглянуть вглубь процесса. Вот это, пожалуй, самые важные на сегодня задачи.