В зоне опасного напряжения
Днепропетровские ученые развивают новое направление в прогнозировании подземных катаклизмов.
Научная работа «Напряженно-деформированное состояние геологической среды и опасные геодинамические явления: природа возникновения и направления прогноза», написанная заведующим кафедры геофизических методов разведки Днепропетровского национального горного университета доктором геологических наук Михаилом Довбничем в соавторстве с его аспирантками Светланой Демьянец и Ириной Виктосенко, удостоена Премии Президента Украины для молодых ученых за 2010 год. Об актуальности исследования и принципах, положенных в его основу, наш корреспондент беседует с руководителем научного коллектива.
Капля в космическом океане
— Конечно, мы не первые занялись этим направлением, – говорит Михаил Довбнич. – С 70-х годов школу геофизических исследований в НГУ возглавляет членкор НАН Украины Константин Федорович Тяпкин. Еще раньше подобные идеи разрабатывал ныне покойный заведующий кафедрой геодезии Михаил Владимирович Стовас.
Логика рассуждений достаточна проста. Наша планета, как и любые другие физические системы, стремится пребывать в равновесном состоянии, характеризующемся минимумом потенциальной энергии. В первом приближении форму Земли можно представить в виде эллипсоида вращения – фигуры равновесия вращающихся жидких тел. То есть в каком-то смысле земной шар может быть уподоблен капле жидкости. Однако существует множество факторов, не позволяющих ему пребывать в таком идеально равновесном состоянии. Но при отклонении от равновесия, как и повсеместно в природе, возникают силы, стремящиеся вернуть систему к энергетическому минимуму. Именно эти силы создают механические напряжения в геологических структурах, которые в свою очередь могут служить причиной геодинамических явлений самого разного масштаба – от мощных землетрясений до выбросов метана в шахтах, наносящих колоссальный ущерб угледобывающей отрасли Украины.
Изнутри…
Итак, какие же силы могут служить дестабилизирующим фактором, нарушающим «планетарное равновесие»?
– Большинство геофизиков, – объясняет автор, – склоняется к тому, что эти факторы суть эндогенной природы, то есть действуют из недр планеты. Говорят о конвекционных потоках, плотностной дифференциации, фазовых переходах вещества из одного состояния в другое, радиоактивном распаде. Однако «ахиллесова пята» такой «эндогенной» теории — ее неспособность объяснить давно известную ученым периодичность геологических процессов. Существуют, к примеру, 200-миллионолетние циклы глобальной тектонической активности, а такие явления, как колебания уровня грунтовых вод, могут иметь цикличность протяженностью в несколько десятков дней. Если связывать это со спонтанной физико-химической активностью внутри планеты, придется представить себе этаких чертей, которые то подбрасывают в печь топливо, то выходят на перекур.
Между тем еще в 60-е годы прошлого столетия советский геолог Николай Балуховский связал цикличность геологических процессов с космическими явлениями. Так, те же 200 миллионов лет – примерный период обращения Солнца вокруг центра нашей галактики.
…или снаружи?
К внешним факторам, способным создавать тектонические напряжения, современная наука относит нестабильности вращения планеты, изменение внутреннего положения планетарной оси (дрейф географических полюсов), солнечно-лунные приливы и отливы и так называемые аномалии геоида – отклонение формы глобуса от идеального эллипсоида вращения под влиянием гравитационных аномалий, вызванных, скажем, наличием в данных регионах залежей тяжелых руд.
Если оценка эндогенных влияний упирается в огромные математические сложности, подобно решению системы уравнений, где неизвестными являются не только переменные, но и параметры, то внешние факторы легко поддаются измерению, а полученные величины являются превосходными данными для численного моделирования. Мы точно знаем положение Луны и Солнца в каждый момент времени, по косвенным данным можем судить об изменении длительности суток, палеогеографические исследования покажут, как в прошлом менялось положение географических полюсов, на основании спутниковой гравиметрии можно оценить и аномалии геоида. Кстати, в рамках данной теории периодичность эндогенных процессов также рассматривается как следствие внешней, «космической» цикличности.
Чем заменить «напряжометр»?
Современная вычислительная техника и имеющийся в нашем распоряжении математический аппарат позволяют прийти к выводу, что заметные напряжения действительно возникают. Но, к сожалению, мы не имеем возможности замерить их непосредственно.
– Нет такого прибора, как «напряжометр», – повторяет известную шутку Михаил Довбнич. – Приходится пользоваться косвенными данными.
Здесь есть два основных подхода. В первом используются данные палеогеологии. Если в каком-то месте в каком-либо геологическом периоде наблюдались нарушения сплошности пород, значит, на них действовали соответствующие напряжения. А картина тектонических искажений в более поздних породах позволяет судить об изменении поля напряжений во времени. Второй подход базируется на анализе событий, происходящих в очагах землетрясений. Картину сдвига тектонических блоков легко воспроизвести по испускаемым в момент колебаний продольным и поперечным сейсмическим волнам, которые фиксируются датчиками. Напряженное состояние пытаются измерить и с помощью деформометров, но эти попытки пока не приводили к сколько-нибудь убедительным результатам.
Строители должны быть начеку
Пространственное распределение напряжений может служить теоретической основой сейсмического районирования. Около 20 лет назад стартовал международный научный проект WorldStressMap. Фактически это база данных о параметрах землетрясений, куда стекается информация со всего земного шара. Так вот, фиксируемые данные об аномалиях геоида великолепно коррелируют с данными WorldStressMap.
Сложнее ситуация в «локальных» областях, где нет столь обширного массива наблюдений. Впрочем, даже чисто эмпирически нам известно, что, например, в пределах Украинского щита, где расположены, в частности, Днепропетровск и Запорожье, землетрясения если и наблюдаются, то лишь как отголоски геологических катаклизмов в Карпатах и Крыму. Другое дело — сами Карпаты или Крымские горы.
Существуют специальные строительные нормы для сейсмоопасных районов (последний такой документ принят в 2004 году). В проекты закладываются дополнительные меры, которые должны предупредить разрушение зданий и сооружений в критической ситуации. Естественно, это приводит к весьма существенному (в разы!) удорожанию таких проектов. Поэтому строители, как правило, болезненно реагируют на необходимость возводить «противоземлетрясенческие» здания. Но теперь им можно предоставить дополнительные аргументы.
Скажите, где – и ладно!
Заметим, что разные внешние факторы вносят различный по величине вклад в формирование геодинамических явлений. Например, дрейф оси вращения (вековой дрейф полюсов) может вызвать колоссальные напряжения, вызывающие тектонические разломы или горообразование. А вот лунно-солнечные приливы, воздействующие на нас дважды в сутки, вызывают напряжения на два-три порядка меньше, чем необходимо для нарушения сплошности. Правда, в тектонически активных зонах, где геологическая среда изначально нестабильна, порой даже слабое воздействие может привести к катастрофическим последствиям. В науке это называется триггерным эффектом.
– Конечно, – говорит Михаил Довбнич, – наиболее интересной была бы возможность предсказания времени землетрясений, что позволило бы заранее принять соответствующие меры. Но данный вопрос остается открытым не только у нас, но и в России, США и наиболее сейсмоопасной Японии. С послевоенных времен продвинуться к цели не удалось никому, и сегодня в мире наметилась тенденция к сворачиванию финансирования исследований в этом направлении. Ученым как бы говорят: скажите нам, где, а мы уж заставим строителей сделать все необходимое. В той же Японии атомные электростанции и химические производства построены так, что сейсмический риск сведен к разумному минимуму.
Предупредим и горняков
В работе днепропетровских ученых также анализируются геодинамические катаклизмы в шахтах Донбасса – внезапные выбросы угля и газа. Если на землетрясения человек повлиять практически не может, то происшествия в горных выработках можно отнести к техногенно-тектоническим явлениям. В 90-е годы, когда темпы добычи угля резко сократились, проблема катастроф на шахтах исчезла сама собой. Но как только производственники возобновляют копание в земле, то начинают играть определяющую роль в подземном царстве.
Тем не менее ни один горняк сегодня не станет отрицать, что фактор напряженности горных пород также существенно влияет на возникновение в шахтах чрезвычайных ситуаций. Мы предложили подход к прогнозированию расположения напряженных зон. А вот как избегать исходящей от них опасности – относится к области искусства угледобытчиков. Возможно, при подходе к таким зонам следует замедлять темп разработки пласта, может быть, вообще не соваться туда, где риск слишком велик, или располагать выработки строго определенным образом в зависимости от направления действия напряжения. Словом, в горном деле, как и в науке, есть свои тонкости.
Цифры и факты
Величины механических напряжений, обусловленных нарушениями равновесного состояния Земли под воздействием различных факторов (из автореферата докторской диссертации Михаила Довбнича):
— вековое смещение оси вращения в теле Земли: > 107 Па;
— вековое затухание скорости вращения Земли: 105 Па;
— лунно-солнечные приливы: 104 Па;
— чандлеровские и годичные колебания полюса: 103 Па;
— короткопериодные вариации скорости вращения: 102 Па.
Кстати
Работа днепропетровских ученых открывает новые возможности добычи так называемого угольного метана. Подобные совместные проекты последнее время активно обсуждаются с российским «Газпромом» и с британско-голландским концерном Shell. Если в обычном месторождении газ в свободном виде заполняет пустоты пород-коллекторов, например сланцев, то угольный метан находится в сорбированном состоянии, связанный с породой на молекулярном уровне. Но в местах, где под действием напряжения произошло нарушение сплошности, такой газ переходит в свое обычное состояние, что позволяет легко его извлечь.
