CC BY
303
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
tgru@tatneft.ru
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
