CC BY
277
K.M. Мирзоев, Н.С. Гатиятуллин, Е.А. Тарасов, В.П. Степанов, Р.Н. Гатиятуллин,
М.Х. Рахматуллин, В.А. Кожевников
Татарское геологоразведочное управление ОАО «Татнефть», г.Казань
СЕЙСМИЧЕСКАЯ ОПАСНОСТЬ ТЕРРИТОРИИ
ТАТАРСТАНА
Введение
Сейсмические явления на территории Восточно-Европейской платформы (ВЕП) известны с исторических времен. Относительно слабый уровень ее сейсмической активности соответствует концепции динамического влияния на нее удаленных орогенных и складчатых областей (Средняя Азия и Казахстан, Памир, Гиндукуш, Закавказье, Балканы), где сейсмические процессы протекают более интенсивно. Данная концепция основывается на идее взаимодействия оконтуривающих складчатых орогенных областей и самой платформы как единой динамической системы, развивающейся в пространстве и во времени (Щукин, 1996).
Территория Татарстана расположена в центральной части ВЕП, и характер ее сейсмических проявлений в целом является типичным для всего региона. Здесь происходят и регистрируются три типа землетрясений - тектонические, карстовые и обвальные (оползневые). Из них тектонические землетрясения являются наиболее сильными.
В Новом каталоге сильных землетрясений территории СССР, составленным Институтом Физики Земли RAH, имеется небольшое количество исторических событий на территории Татарстана и прилегающих районов. Это 3 землетрясения в районе г. Казани, произошедшие в 1845,1865 и 1909 гг., землетрясение в Елабугев 1851 г. и двав районе г. Альметьевска в 1886 и 1914 гг. Магнитуды их оценены в пределах 3 -5(5 -7 баллов по 12-балльной Международной шкале сейсмической балльности MSK-64, рис. 1). Имеется немало других сведений о землетрясениях на территории Татарстана в прошлом, но они являются отрывочными и неполными, поэтому определить точное местонахождение очагов и силу не представляется возможным.
Особую природу имеют землетрясения территории Ромашкинского месторождения. Добыча нефти начата в 40-х годах и сейсмичность заметно активизировалась в начале 80-х, что связано с увеличением интенсивности добычи нефти, точнее, с закачкой воды в скважины, которая ведется под давлением, превышающим начальные пластовые.
В последние годы, с начала активизации сейсмического процесса (с 1982 г.) на юго-востоке Татарстана произошли 5 - 6 балльные землетрясения в районе Альметьевска (3 толчка в 1986 и1-в 1990), одно в р-не Заинска в 1988 и два в р-не Елабуги в 1988. Всего с 1982 по 2003 гг. произошло более 700 землетрясений с энергетическими классами К > 4 (магнитуда М > 0), из них примерно 60 имели интенсивность от 4 до 7 баллов на разных грунтах (Мирзоев и др., 2000, Рис. 1). Повышенная сейсмическая активность на Ро-машкинском месторождении является временной и может продолжаться только в случае неконтролируемой интенсивной закачки воды в скважины. Регулируя объемы и скорость закачки воды, сейсмическую активность удается стабилизировать (Муслимовидр., 1997).
В 1999 г. Институтом физики Земли РАН, совместно с
ведущими геолого-геофизическими организацями (включая ТГРУ ОАО «Татнефть») составлена и утверждена Госстроем новая нормативная карта сейсмического районирования России М 1:2500000, в соответствии с которой территория Татарстана относится к 5 - 6 балльной зоне сейсмичности (карта категории В) по 12-балльной международной шкале сейсмической балльности для средних грунтов (Общее..., 1999). В 2000 году в Татарстане составлена детальная карта сейсмического районирования М1: 500000, в которой уточнены границы сейсмической балльности и вероятности повторяемости событий (Мирзоев и др., 2001).
Проявления сейсмической балльности на поверхности Земли существенно зависят от инженерно-геологических свойств грунтов, включая уровни грунтовых вод. Для территории Татарстана и других районов Поволжья характерно большое разнообразие грунтовых условий - от скальных пород до заболоченных земель в зоне влияние Куйбышевского водохранилища, на которых балльность от одного и того же землетрясения может изменяться в пределах ±1 балл, а в отдельных случаях (на болотах) еще на балл выше.
Территория Татарстана подвержена геодинамической опасности, где карстовые проседания земной поверхности, особенно в проницаемых зонах разломов, приводят к уязвимости объектов от слабых землетрясений. Значительное превышение нормативной балльности возможно в зонах активных карстовых проявлений, где здания и сооружения утрачивают свою прочность и становятся уязвимыми даже от слабых 4 -5 балльных толчков, которые происходят на Русской плите на порядок чаще, чем максимально возможные.
1. Исследования техногенной сейсмичности
Многолетние сейсмологические наблюдения на Ромаш-кинском месторождении (с 1982 г.) и расчеты показали закономерную связь интенсивности добычи нефти с проявлениями сейсмичности. Откачка жидкости уменьшает внутреннее давление в земной коре, способствует сжатию разломов и трещин, увеличению трения на поверхностях разрывов и, в итоге, уменьшает возможность возникновения землетрясений (Мирзоев, Негматуллаев, 1979). При этом возможны существенные просадки земной поверхности. На Ромашкинском месторождении это обратимые проседания и поднятия земной поверхности с амплитудой до 10 см в год. На отдельных участках в прошлом эти деформации достигали 20 см в год (Мирзоев и др., 2001).
Закачка жидкости в скважины увеличивает внутренние напряжения в земной коре, способствует раскрытию трещин, уменьшению трения на поверхностях, увеличению касательной составляющей действующих сил на плоскостях скольжения, что облегчает возможности подвижек на разрывах и возникновение землетрясений. Число и сила возбужденных землетрясений могут контролироваться и регулироваться объемом и скоростью закачки воды в скважины.
■— научно-технический журнал ^гт-^ш
10М 410'
itf2 2107
ld' 1107
1<J° 8 106
U? 6106
108 4106
107 2106
суммарная годовая "энергия землетрясений (К) объем закачки воды (Q)
уменьшился в несколько раз. Если раньше с 1986 по 1997 гг. происходило от 100 до 200 землетрясений в год (с учетом пропусков землетрясений с К = 5 по графику повторяемости), то в 1998, 1999 и 2000 гг. на месторождении произошло 35, 22 и18 слабыхземлетрясенийсоответствен-но. И далее, в 2001 - 2003 гг. зарегистрировано 15, 14 и 7 слабых землетрясений. На 4 порядка, с К = 12 (1012 Дж) до К=8 (108 Дж), уменьшилась суммарная энергия землетрясений в год с 1982 по 2003 гг. Суммарная энергия землетрясений является наиболее надежным показателем изменения уровня сейсмической активности, и ее устойчивое понижение на протяжении последних 10 лет свидетельствует о техногенной причине активизации сейсмичности на Ромашкинском месторождении нефти (Рис. 2). Управление ходом сейсмического процесса является возможным и реальным. Для исключения возможности провоцирования сильных землетрясений на Ромашкинском месторождении нефти нами ведется непрерывный контроль геодинамических (сейсмологических и деформационных) процессов, цель которого - разработка рекомендаций по уменьшению сейсмической активности в районах инженерной деятельности человека.
1982 1984 1986 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 Рис. 2. Суммарная годовая энергия землетрясений и объемы закачки воды на Ромашкинскомместорождении нефти (1982-2002).
Тектонические напряжения в земной коре накоплены большие. В ее верхней части на глубинах 1 - 3 км, где возникает наибольшее число возбужденных землетрясений, напряжения составляют 100 - 300 атм. И доля сейсмической энергии, как при слабых, так и при сильных землетрясениях (сбросы напряжений) составляют десятые доли процента от накопленной упругой энергии. При сильных землетрясениях охватывается большая область подвижек по разломам, в результате чего высвобождается большая сейсмическая энергия. То есть энергии для возникновения сильных землетрясений в земной коре достаточно, и нарушать установившееся равновесие действующих сил в больших объемах геологической среды небезопасно. Все зависит от масштаба инженерной деятельности человека.
Размеры очагов сильных землетрясений с магни-тудами М = 6^7 (8 - 9 баллов по 12-балльной шкале MSK-64) составляют 20 - 30 км. И можно создать такие условия ускоренного высвобождения сей- v смической энергии в зонах слабой сейсмичности с помощью «ударной» закачки воды в скважины на больших пространствах, соизмеримых с размерами очагов сильных землетрясений, которые могут спровоцировать даже 9-балльные землетрясения в этих районах. В качестве примера можно привести 5-балльную, в прошлом, зону Газлийского месторождения газа, которая сегодня уверено отнесена к 8-балльной.
Для каждого района существует свой предел интенсивности внедрения человека в естественные процессы, который может устанавливаться экспериментально. Здесь должна действовать основополагающая установка - чем меньше и плавнее ведется нарушение относительного равновесия действующих сил в земной коре, тем слабее и безопаснее отклик возмущенной среды (Муслимов и др., 1997).
В 1997 г. нами было рекомендовано исключить практику «ударной» закачки воды в скважины когда за короткий срок внедряются большие объемы воды, существенно повышающие естественное пластовое давление (Муслимов и др., 1997). Было рекомендовано закачивать необходимый объем воды в скважины посте- Ото-де пенно, без резких перепадов давления и, по
возможности, в более длительные сроки. _ 5 б^™^ J3T" - 7 Баллов
За последние годы, начиная с 1998 г., п , „ . ~ п г
Рис. 3. Карта сейсмического районирования территории Республики
уровень сейсмической активности в рай- Татарстан с учетом инженерно-геологических условий. М 1:500000. оне Ромашкинского мест°р°ждения Авторы: Мирзоев K.M., Галеев Р.К., Гатиятуллин Р.Н., Мирзоева Т.К.
Энергетические классы
Рис. 1. Карта основных разломов и эпицентров исторических (с 1845 г.) и современные (1982-2003 г.г.) землетрясений Республики Татарстан. М 1:500000. (Мирзоев, Степанов, Гатиятуллин).
СГБавлиЬская Ммах=5 - \ 1888
V
научно-технический журнал
I еоресурсы i (15) 2004
2. Карты детального сейсмического районирования
Нормативные карты сейсмического районирования (Общее..., 1999) уточняются по мере накопления сейсмологических и геолого-геофизических данных примерно через каждые 20 лет. Но для отдельных районов, где ведутся более детальные исследования, составляются внеочередные детальные карты сейсмического районирования в масштабах 1:1000000,1:500000,1:100000ит.д. померенакопле-ния материалов, которые могут оформляться в качестве республиканских нормативных документов.
Для Татарстана, при поисках нефти получен большой объем геолого-геофизических данных по строению земной коры, пробурено более 10000 скважин структурного бурения, создана сеть сейсмических наблюдений на юго-востоке, которая регистрирует слабые землетрясения, не востребованные при составлении карты общего сейсмического районирования мелкого масштаба. Эти данные позволили выделить наиболее активные группы разломов, объединенные в относительно однородные сейсмогенные зоны с генетически едиными геологическими структурами, имеющими единую или близкую по интенсивности и направлению тектоническую активность (Степанов и др., 1996, Рис. 1). Можно полагать, что такой подход является одним из наиболее приемлемых для построения детальных карт сейсмического районирования в условиях дефицита сейсмических станций и записей землетрясений.
Максимальные возможные землетрясения в сейсмоген-ных зонах Татарстана определялись по карте зон возникновения очагов землетрясений России (Общее.. .,1999). В Татарстане они не превышают магнитуды М = 5.5, которые возможны в Прикамской зоне разлома. Были построены карты детального сейсмического районирования территории Татарстана М 1:500000 категорий А,В и С с периодами повторяемости сейсмических колебаний 500, 1000 и 5000 лет, которые рассчитывались по уровню (активности) графиков повторяемости для разных магнитуд в разных сейсмогенных зонах. На картах уточнены границы зон балльности и их повторяемости (Мирзоев и др., 2001).
Карты детального сейсмического районирования построены для средних грунтовых условий по сейсмическим свойствам. Для районов, где известны типы грунтов, сейсмическая балльность может быть уточнена в соответствии с таблицей СНиП-11-7-81 (строительство в сейсмическихрай-онах). На основе этих карт составлены дополнительные карты сейсмических воздействий территории Татарстана для разных магнитуд от М = 4 до М = 5,5 с шагом через 0,5 магнитуды М 1:500000 в параметрах ускорений, скоростей и длительностей сейсмических колебаний с учетом основных несущих частот (Мирзоев идр., 2001).
В Татарстане Галеевым Р. К. выделено 8 инженерно-геологических комплексов по грунтам, которые обобщены нами в 3 категории грунтов по сейсмическим свойствам с учетом уровня залегания грунтовых вод. На базе карт сейсмического районирования РТ для средних грунтов М 1:500000 категории В и инженерно-геологических условий по сейсмическим свойствам составлена карта приращения и уменьшения сейсмической балльности (Рис. 3). Карта подразделяется на 5, 6 и 7-балльные зоны и является удобной для организаций, проектирующих гражданские объекты.
3. Карта сейсмического микрорайонирования г. Казани по категориям грунтов М 1:25000
Целью сейсмического микрорайонирования является уточнение сейсмической балльности территорий, установленной по карте общего или детального сейсмического районирования с учетом инженерно-геологических условий в масштабах 1:25000 и крупнее. Литологический состав и физико-механические свойства грунтов, на которых закладываются фундаменты зданий и сооружений, весьма разнообразны. Это вызывает различия в величине сейсмической интенсивности на изучаемом участке по сравнению с балльностью по нормативной карте. Рекомендации по инструментальному сейсмическому микрорайонированию (Рекомендации..., 1971) предназначаются для территорий городов, населенных пунктов и строящихся крупных предприятий, расположенных в районах сейсмичностью 7, 8 и 9 баллов, а также особо ответственных зданий и сооружений в районах сейсмичностью 6 баллов. Для городов, расположенных в районах с сейсмичностью 6 баллов по средним грунтам, допускается уточнять сейсмичность площадки строительства на основании общих инженерно-геологических и гидрогеологических изысканий, используя таблицу типов грунтов без специальных исследований.
Карта сейсмического микрорайонирования г. Казани по инженерно-геологическим условиям М 1:25000 строилась на основе карт инженерно-геологических комплексов, составленных КазТИСИЗом. Территория г. Казани четко подразделяется на три зоны сейсмической интенсивности колебаний - 5, 6 и 7 баллов в зависимости от типов грунтов и уровней грунтовых вод (Рис. 4).
КI категории относятся грунты, которые понижают сейсмичность территории на 1 балл относительно нормативной балльности. Для г. Казани таковыми являются скальные грунты невыветрелые и слабовыветрелые, крупнообломочные грунты плотные маловлажные из карбонатных пород, содержащие до 30 % песчано-глинистого заполнителя. Такие грунты слабо распространены на территории г. Казани. Грунты 1 категории отнесены к зоне 5-балльной сейсмичности. Зона 5 баллов на карте рис. 4 занимает небольшие территории. Они распространяются, в основном, в восточной, более холмистой части города Казани, где породы скального типа выходят на поверхность. Встречаются небольшие площадки пород такого же типа и в средней части Казани. Уровни грунтовых вод в этих породах, как правило, залегают глубже 10 м, что способствует понижению сейсмической балльности относительно нормативной на 1 балл.
Зона 6 баллов занимает значительную часть г. Казани. Это, в основном, территория, удаленная от крупных водоемов, где уровни грунтовых вод расположены в пределах 5 - 10 м от поверхности земли. Ко 2 категории грунтов по сейсмическим свойствам отнесены породы типа маловлажных плотных песчаных комплексов с коэффициентами пористости е < 0,6 и глинистых комплексов с е< 0,9. На грунтах 2 категории сейсмическая балльность остается соответствующей балльности по нормативной карте сейсмического районирования.
Зона 7 баллов занимает немалую часть территории г. Казани. Это, как правило, прибрежные территории у водоемов, где уровни грунтовых вод залегают выше 5 м. К 7-бальным зонам отнесены территории с грунтами 3 категории по сейсмическим свойствам, которыми являются
■— научно-технический журнал
Рис. 4. Карта сейсмического
микрорайонирования территории г.Казани по инженерно-геологическим условиям. М 1:25000 (Мирзоев, Галеев).
породы типа влажных песчаных комплексов с коэффициентами водонасыщенности 8г > 0,5, а также типа рыхлых песчаных комплексов с коэффициентами пористости е > 0,75. К этой же 3 категории грунтов отнесены техногенные комплексы г. Казани с аналогичными характеристиками влажности и пористости, глинистые комплексы с коэффициентами текучести И > 0,5 и пористости е > 0,9, проса-дочные комплексы с относительной просадочностью
= 0,01, биогенные комплексы с содержанием органических веществ Ьо>10 и показателем текучести И > 0,5. К районам 7-балльной сейсмичности по грунтовым условиям отнесены также участки, занятые овражно-балочными системами. На грунтах 3 категории сейсмическая балльность увеличивается на 1 балл относительно средних грунтов.
Заключение
Как видно из проведенных исследований, сейсмическая активность территории Татарстана в целом проявляется слабо. Под контролем находится техногенная сейсмичность территории Ромашкинского месторождения нефти на юго-востоке Татарстана, где количество землетрясений уменьшено примерно в 10 раз и суммарная годовая энергия землетрясений понижена на 4 порядка.
Однако, активные карстовые процессы на территории республики, способствующие неравномерным просадоч-ным явлениям и потере первоначальной прочности объектов, являются существенным дополнительным фактором повышения их уязвимости. Объекты, потерявшие прочность, могут быть разрушены до 8 - 9-балльного эффекта даже от слабых 4 - 5 балльных сотрясений земной поверхности, которые происходят значительно чаще (примерно в 10 раз), чем максимально возможные 6 - 7 балльные. Поэтому слабая сейсмичность территории Татарстана является опасной и требует своего изучения.
Карты карстовой опасности территории Татарстана в масштабе 1:500000 и г. Казани в масштабе 1:25000 даются в настоящем сборнике (Мирзоев, Степанов и др.). В соответствии с этими картами, вся территория республики относится к «весьма опасной» категории карстовой опасности. Поэтому сейсмическая опасность территории Татарстана является комплексной.
Вышеизложенное определяет степень должной востребованности карт сейсмической и карстовой опасности территории Республики Татарстан, включая ее столицу, которые пока остаются не оформленными в качестве республиканских нормативных документов заинтересованными и ответственными государственными ведомствами и не используются в практике обеспечения безопасного строительства.
Литература
Мирзоев К.М., Гатиятуллин Н.С., Степанов В.П., Гатиятуллин Р.Н. Карты детального сейсмического районирования территории Республики Татарстан масштаба 1:500000. Современная геодинамика, глубинное строение и сейсмичность платформенных территорий и сопредельных регионов. Мат. конф. Воронеж: 2001. 123-126.
Мирзоев К.М., Гатиятуллин Н.С., Степанов В.П., Кашуркин П.И., Гатиятуллин Р.Н. Активные разломы земной коры Ромашкинского месторождения нефти по геолого-геофизическим и геодезическим данным. (Современная... - см. выше). 2001. 126-129.
Мирзоев К.М., Негматуллаев С.Х. Возбуждение сейсмичности в зонах водохранилищ на примере района Нурекской ГЭС. Сов.-Амер. раб. по прогнозу землетрясений. т.2., кн.1. Душанбе: 1979. 7-19.
Мирзоев К.М., Рахматуллин М.Х., Гатиятуллин Р.Н. Татарстан (с древнейших времен по 1994 г.). Землетрясения Северной Евразии в 1994 г. М. 2000. 44-56.
Муслимов Р.Х., Мирзоев К.М., Гатиятуллин Н.С., Назипов А.К., Тарасов Е.А. Целевая программа сейсмологических исследований территории Татарстана. Мониторинг, №3, 1997. 17-21.
Общее сейсмическое районирование территории Российской Федерации, ОСР-97, А, В, С. Объяснит. записка. ОИФЗ РАН. М. 1999.
Степанов В.П., Мирзоев К.М., Муслимов Р.Х., Гатиятуллин Н.С., Тарасов Е.А. Геолого-геофизическое обоснование сейсмо-генных зон Татарстана. Недра Поволжья и Прикаспия. Вып. 13, Саратов. 1996. 67-73.
Рекомендации по сейсмическому микрорайонированию. Изд. лит-ры по стр-ву, ИФЗ РАН. М. 1971. 66.
Щукин Ю.К. Глубинная сейсмотектоника Северной Евразии. Недра Поволжья и Прикаспия. Вып. 13. Саратов. 1996. 6-10.
И.А. Резанов
ЭВОЛЮЦИЯ
ПРЕДСТАВЛЕНИЙ 0 ЗЕМНОЙ КОРЕ
Отв. ред. И.Н. Томсон. М.: Наука, 2002. - 299 с
Дается история взглядов на состав и происхождение коры Земли - становление геологической, гравиметрической и сейсмической моделей. Рассматривается история изучения структуры и вещественного состава коры континентов и океанов геофизическими и геохимическими методами. Обсуждаются дискуссионные проблемы происхождения, эволюции и современного состояния различных типов коры в свете существующих геотектонических концепций. Рассмотрены условия образования первичной коры Земли, ее эволюция, причины возникновения тонкой океанической коры. Предложена химическая модель современной коры. Для геологов, геофизиков и геохимиков, интересующихся проблемой эволюции земной коры.
мЗъ
7 __ > 1
|— научно-технически и журнал
I еоресурсы i (15) 2004
