У зоні небезпечної напруги
Дніпропетровські вчені розвивають новий напрямок у прогнозуванні підземних катаклізмів.
Наукова робота «Напружено-деформований стан геологічного середовища й небезпечні геодинамічні явища: природа виникнення й напрямки прогнозу», написана завідувачем кафедри геофізичних методів розвідки Дніпропетровського національного гірничого університету доктором геологічних наук Михайлом Довбничем (на знімку) у співавторстві з його аспірантками Світланою Дем’янець та Іриною Віктосенко, визнана гідною Премії Президента України для молодих учених за 2010 рік. Про актуальність дослідження й принципи, покладені у його основу, наш кореспондент розмовляє з керівником наукового колективу.
Крапля в космічному океані
— Звичайно, ми не перші зайнялися цим напрямком, — говорить Михайло Довбнич. — Із 70-х років школу геофізичних досліджень у НГУ очолює членкор НАН України Костянтин Федорович Тяпкін. Ще раніше такі ідеї розробляв нині покійний завідувач кафедри геодезії Михайло Володимирович Стовас.
Логіка міркувань досить проста. Наша планета, як і будь-які інші фізичні системи, прагне до рівноважного стану, що характеризується мінімумом потенційної енергії. У першому наближенні форму Землі можна представити у вигляді еліпсоїда обертання — фігури рівноваги обертових рідких тіл. Тобто якоюсь мірою земна куля може бути уподібнена до краплі рідини. Однак є безліч чинників, які не дозволяють їй перебувати в такому ідеально рівноважному стані. Але в разі відхилення від рівноваги, як і скрізь у природі, виникають сили, що прагнуть повернути систему до енергетичного мінімуму. Саме ці сили створюють механічні напруги в геологічних структурах, які у свою чергу можуть бути причиною геодинамічних явищ різного масштабу — від потужних землетрусів до викидів метану в шахтах, що завдають колосальних збитків вуглевидобувній галузі України.
Зсередини…
Отже, які сили можуть бути дестабілізувальним фактором, що порушує «планетарну рівновагу»?
— Більшість геофізиків, — пояснює автор, — уважають, що ці фактори ендогенної природи, тобто діють із надр планети. Говорять про конвекційні потоки, щільнісну диференціацію, фазові переходи речовини з одного стану в інший, радіоактивний розпад. Однак «ахіллесова п’ята» такої «ендогенної» теорії — її нездатність пояснити давно відому вченим періодичність геологічних процесів. Існують, приміром, 200-мільйонолітні цикли глобальної тектонічної активності, а такі явища, як коливання рівня ґрунтових вод, можуть мати циклічність довжиною в кілька десятків днів. Якщо пов’язувати це зі спонтанною фізико-хімічною активністю усередині планети, доведеться уявити собі чортів, які то підкидають у піч паливо, то виходять на перекур.
Тим часом ще в 60-ті роки минулого сторіччя радянський геолог Микола Балуховський пов’язав циклічність геологічних процесів із космічними явищами. Так, ті ж 200 мільйонів років — приблизний період обертання Сонця навколо центра нашої галактики.
…чи зовні?
До зовнішніх факторів, здатних створювати тектонічні напруги, сучасна наука зараховує нестабільність обертання планети, зміну внутрішнього становища планетарної осі (дрейф географічних полюсів), сонячно-місячні припливи й відпливи й так звані аномалії геоїда — відхилення форми глобуса від ідеального еліпсоїда обертання під впливом гравітаційних аномалій, спричинених, скажімо, наявністю в цих регіонах покладів важких руд.
Якщо оцінити ендогенні впливи заважають величезні математичні складнощі, подібні до вирішення системи рівнянь, де невідомими є не тільки змінні, а й параметри, то зовнішні фактори легко піддаються вимірюванню, а отримані величини є найкращими даними для чисельного моделювання. Ми точно знаємо положення Місяця й Сонця в кожен момент часу, за непрямими даними можемо судити про зміну тривалості доби, палеогеографічні дослідження покажуть, як раніше змінювалося положення географічних полюсів, на підставі супутникової гравіметрії можна оцінити й аномалії геоїда. До речі, у рамках цієї теорії періодичність ендогенних процесів також розглядається як наслідок зовнішньої, «космічної» циклічності.
Чим замінити «напругометр»?
Сучасна обчислювальна техніка й наявний математичний апарат дозволяють дійти висновку, що помітні напруги дійсно виникають. Але, на жаль, ми не маємо можливості замірити їх безпосередньо.
— Немає такого приладу, як «напругометр», — говорить Михайло Довбнич. — Доводиться користуватися непрямими даними.
Тут є два основних підходи. У першому використовуються дані палеогеології. Якщо в якомусь місці в якомусь геологічному періоді спостерігалися порушення суцільності порід, це означає, що на них діяли відповідні напруги. А картина тектонічних перекручень у більш пізніх породах дозволяє судити про зміну поля напруг у часі. Другий підхід ґрунтується на аналізі подій, що відбуваються у вогнищах землетрусів. Картину зрушення тектонічних блоків легко відтворити за поздовжньою та поперечною сейсмічними хвилями, що випускаються в момент коливань, які фіксуються датчиками. Напружений стан намагаються вимірити й за допомогою деформометрів, але ці спроби поки не приводили до якихось переконливих результатів.
Будівельники мають бути напоготові
Просторовий розподіл напруг може бути теоретичною основою сейсмічного районування. Близько 20 років тому стартував міжнародний науковий проект WorldStressMap. Фактично це база даних про параметри землетрусів, куди надходить інформація з усієї земної кулі. Отож, фіксовані дані про аномалії геоїда добре корелюються із даними WorldStressMap.
Складніше ситуація в «локальних» областях, де спостережень не так багато. Утім, навіть суто емпірично нам відомо, що, наприклад, у межах Українського щита, де розташовані, зокрема, Дніпропетровськ і Запоріжжя, землетруси якщо й трапляються, то лише як відгомін геологічних катаклізмів у Карпатах і Криму. Інша річ — самі Карпати або Кримські гори.
Є спеціальні будівельні норми для сейсмонебезпечних районів (останній такий документ ухвалений у 2004 році). У проектах передбачені додаткові заходи, які мають попередити руйнування будинків і споруд у критичній ситуації. Природно, це призводить до досить істотного (у рази!) подорожчання таких проектів. Тому будівельники, як правило, болісно реагують на необхідність будувати «протиземлетрусові» будинки. Але тепер їм можна надати додаткові аргументи.
Скажіть, де — та й годі!
Зауважимо, що різні зовнішні чинники роблять різний за величиною внесок у формування геодинамічних явищ. Наприклад, дрейф осі обертання (віковий дрейф полюсів) може спричиняти колосальні напруги, що викликають тектонічні розлами або горотворення. А от місячно-сонячні припливи, які впливають на нас двічі на добу, викликають напруги в два-три рази менші, ніж необхідно для порушення суцільності. Правда, у тектонічно активних зонах, де геологічне середовище завжди нестабільне, часом навіть слабкий вплив може призвести до катастрофічних наслідків. У науці це називається тригерним ефектом.
— Звичайно, — говорить Михайло Довбнич, — найцікавішою була б можливість прогнозування часу землетрусів, що дозволило б заздалегідь вжити відповідних заходів. Але це питання залишається відкритим не тільки в нас, а й у Росії, США й найбільш сейсмонебезпечній Японії. Із післявоєнних часів наблизитися до мети не вдалося нікому, і сьогодні у світі окреслилася тенденція до згортання фінансування досліджень у цьому напрямку. Ученим ніби говорять: скажіть нам, де, а ми вже змусимо будівельників зробити все необхідне. У тій же Японії атомні електростанції та хімічні виробництва побудовані так, що сейсмічний ризик зведено до розумного мінімуму.
Попередимо й гірників
У роботі дніпропетровських учених також аналізуються геодинамічні катаклізми в шахтах Донбасу — раптові викиди вугілля й газу. Якщо на землетруси людина вплинути фактично не може, то події в гірничих виробках належать до техногенно-тектонічних явищ. У 90-ті роки, коли темпи видобутку вугілля різко скоротилися, проблема катастроф на шахтах зникла сама собою. Але як тільки виробничники відновлюють роботу, то починають відігравати визначальну роль у підземному царстві.
Проте жоден гірник сьогодні не заперечуватиме, що фактор напруженості гірських порід також істотно впливає на виникнення в шахтах надзвичайних ситуацій. Ми запропонували підхід до прогнозування розташування напружених зон. А от як уникати небезпеки від них — мистецтво вуглевидобувачів. Можливо, підходячи до таких зон, треба сповільнювати темп розробки пласта, може, узагалі не лізти туди, де ризик занадто великий, або розташовувати виробки певним чином залежно від напрямку дії напруги. Словом, у гірничій справі, як і в науці, є свої тонкощі.
Цифри і факти
Величини механічних напруг, обумовлених порушеннями рівноважного стану Землі під впливом різних факторів (з автореферату докторської дисертації Михайла Довбнича):
— віковий зсув осі обертання в тілі Землі: > 107 Па;
— вікове загасання швидкості обертання Землі: 105 Па;
— місячно-сонячні припливи: 104 Па;
— чандлерівські й річні коливання полюса: 103 Па;
— короткоперіодні варіації швидкості обертання: 102 Па.
До речі
Робота дніпропетровських учених відкриває нові можливості видобутку так званого вугільного метану. Такі спільні проекти останнім часом активно обговорюються з російським «Газпромом» і з британсько-голландським концерном Shell. Якщо у звичайному родовищі газ у вільному вигляді заповнює порожнечі порід-колекторів, наприклад сланців, то вугільний метан перебуває в сорбованому стані, пов’язаний із породою на молекулярному рівні. Але в місцях, де під дією напруги сталося порушення суцільності, такий газ переходить у свій звичайний стан, що дозволяє легко його витягти.
