Учёные вызывают землетрясения нарочно: зачем физики будят тектонический разлом под Альпами

Сейсмология десятилетиями существует в условиях нехватки информации. Ученые прекрасно понимают математику распространения сейсмических волн и могут с высокой точностью определять эпицентры разрушительных событий, но сам момент зарождения землетрясения остается для них скрытым. Очаги подземных ударов находятся на глубинах в несколько километров, куда невозможно поместить датчики. Исследователи вынуждены изучать землетрясения исключительно постфактум, анализируя искаженные километрами горной породы сейсмические волны, вышедшие на поверхность.

Чтобы обойти это ограничение, международная группа ученых запустила проект FEAR (Fault Activation and Earthquake Rupture). Вместо того чтобы пассивно ждать очередной активности земной коры и фиксировать ее издалека, физики спустились в подземную лабораторию в швейцарских Альпах. Их цель — найти естественный тектонический разлом, обвешать его тысячами высокоточных датчиков и намеренно спровоцировать землетрясение. Прямой доступ к очагу деформации позволит зафиксировать физические процессы, которые предшествуют сдвигу горных пород и сопровождают его.

Разрыв масштабов: почему лабораторий недостаточно

Физика трения горных пород активно изучается в лабораторных условиях. На специальных прессах инженеры сдавливают гранитные или базальтовые цилиндры длиной в несколько сантиметров, имитируя колоссальное давление земных недр. Эти опыты позволили вывести базовые уравнения, описывающие переход от стабильного состояния камня к хрупкому разрушению.

Однако перенести эти лабораторные данные на реальный геологический масштаб крайне сложно. Сантиметровый образец избавлен от структурной сложности реального разлома, который может тянуться на десятки километров, иметь неровную геометрию, зоны локального уплотнения и заполняться подземными водами с разным химическим составом.

С другой стороны, полевые исследования на поверхности земли страдают от катастрофической потери данных. Сейсмические волны высокой частоты, которые несут информацию о микротрещинах и начальных этапах деформации, быстро затухают в горной породе. До наземных станций доходит лишь низкочастотный сигнал. Проект FEAR решает эту проблему, объединяя лабораторную точность с масштабами реального геологического объекта.

Полигон Бедретто и механика контролируемого сдвига

Эксперимент разворачивается в BedrettoLab — подземной исследовательской инфраструктуре, расположенной в туннеле Бедретто на глубине полутора километров под массивом Ротондо. Толща гранита над лабораторией создает горное давление, идентичное тому, при котором зарождаются настоящие землетрясения.

В ходе масштабных геологических изысканий ученые обнаружили целевую структуру — так называемый разлом MC. Это круто падающая зона шириной около двух метров, состоящая из множества пересекающихся трещин, заполненных мелкодисперсной раздробленной породой. Этот разлом находится в состоянии субкритического напряжения: тектонические силы уже давят на него, но естественного трения между блоками гранита пока хватает, чтобы удерживать их на месте.

Чтобы вывести разлом из равновесия, инженеры применяют метод гидравлической стимуляции. Из основного туннеля сквозь зону разлома пробурена сеть скважин. В эти скважины опускают пакерные системы — мощные стальные и резиновые цилиндры, способные расширяться и герметично изолировать короткие отрезки скважины длиной всего в несколько метров.

Через систему насосов в эти изолированные участки нагнетается вода под огромным давлением, достигающим 30 мегапаскалей. Жидкость проникает в микроскопические поры и трещины разлома. Возникающее поровое давление начинает физически распирать породу, противодействуя горному давлению, которое сжимает края разлома. Как только сила трения падает ниже критической отметки, накопленное тектоническое напряжение высвобождается. Блоки гранита резко сдвигаются друг относительно друга. Происходит искусственное землетрясение.

Главная цель проекта FEAR — вызвать серию разрывов магнитудой около 1.0, при которых длина сдвига составит от 10 до 100 метров. На поверхности Земли такие события абсолютно неощутимы, но в масштабах экспериментального полигона это массивный динамический удар.

Оптоволокно и акустическая эмиссия: как измерить невидимое

Поскольку землетрясение происходит прямо внутри измерительной сети, ученые применяют технологии, недоступные в классической сейсмологии.

Основа системы мониторинга — распределенное оптоволоконное зондирование (DAS и DSS). Оптоволоконные кабели жестко цементируются в скважинах, пересекающих разлом. Система работает на принципах лазерной интерферометрии: свет, проходя по стеклянной сердцевине кабеля, отражается от естественных микроскопических неоднородностей внутри стекла. Если горная порода деформируется хотя бы на долю микрона, кабель растягивается или сжимается вместе с ней. Анализируя изменение характеристик отраженного света, инженеры превращают километровый кабель в десятки тысяч датчиков деформации и температуры, расставленных с интервалом в несколько сантиметров.

Параллельно в скважинах работают пьезоэлектрические акселерометры и датчики акустической эмиссии. Они способны фиксировать высокочастотные колебания до 100 килогерц. Это позволяет регистрировать так называемую пико- и фемтосейсмичность — микроскопические разрушения структуры камня, которые происходят до основного сдвига.

Дополнительно используются масс-спектрометры, которые в реальном времени анализируют воду, выдавливаемую из разлома. Они отслеживают изменение концентрации растворенных газов — радона, гелия и аргона. При разрушении кристаллических решеток минералов эти газы высвобождаются, служа химическими маркерами происходящих на глубине процессов.

Загадка нулевой секунды

Плотный массив данных необходим для решения главной теоретической проблемы сейсмологии: как именно начинается землетрясение.

Существуют две конкурирующие физические модели. Первая — каскадная. Согласно ей, разрыв начинается спонтанно в одной микроскопической точке из-за локального превышения напряжения и мгновенно распространяется дальше, как цепная реакция. Предсказать такое событие невозможно.

Вторая модель предполагает наличие фазы подготовки. Перед тем как сорваться в быстрый сейсмический сдвиг, края разлома начинают медленно и плавно скользить друг вдоль друга. Этот процесс, называемый асейсмическим крипом, не вызывает сильных вибраций, но перераспределяет напряжение в породе. Если вторая модель верна, то у землетрясений есть четкие физические предвестники. Наземные станции не видят их из-за низкого разрешения, но датчики проекта FEAR, расположенные в нескольких метрах от гипоцентра, должны зафиксировать эти медленные деформации, если они действительно существуют.

Управление наведенной сейсмичностью

Помимо фундаментальной физики, проект решает острую прикладную задачу, связанную с энергетическим переходом. Добыча глубинной геотермальной энергии требует постоянной закачки холодной воды в нагретые пласты породы. Этот процесс регулярно вызывает наведенную (индуцированную) сейсмичность. Из-за незапланированных подземных толчков уже были остановлены крупные геотермальные проекты в Швейцарии (Базель) и Южной Корее (Пхохан).

Эксперименты в Бедретто позволяют протестировать методы управления тектоническим напряжением. Ученые проверяют, можно ли подобрать такой режим нагнетания воды (определенную скорость потока и графики изменения давления), чтобы заставить разлом скользить медленно и безопасно, стравливая избыточное напряжение без динамического удара.

Во время подготовительных экспериментов (фазы VALTER и Mzero) физики уже закачали сотни кубических метров воды в соседние участки массива, вызвав более 50 000 микросейсмических событий. Анализ этих данных показал, что предварительное «кондиционирование» разлома длительным воздействием умеренного давления способно изменить его механический отклик на последующие гидроудары.

Техника безопасности и перспективы

Искусственное провоцирование землетрясений даже магнитудой 1.0 в замкнутом туннеле несет прямые риски для инфраструктуры и персонала: на расстояниях в несколько десятков метров от очага ускорение грунта может вызвать локальные обрушения породы. Поэтому вся система BedrettoLab полностью автоматизирована. Во время активных фаз нагнетания жидкости в туннеле не остается ни одного человека — управление насосами и сбор данных ведутся дистанционно из диспетчерского центра в Цюрихе. Разработан строгий протокол «светофора», который автоматически прекращает закачку воды и сбрасывает давление в скважинах, если регистрируемые параметры сейсмичности начинают превышать расчетные пределы.

Проект FEAR знаменует важный методологический сдвиг в науках о Земле. Сейсмологи перестают быть просто наблюдателями, фиксирующими последствия природных катастроф. Получив возможность проводить контролируемые крупномасштабные эксперименты внутри земной коры, они переходят к активному изучению механики разломов. Это необходимый шаг к созданию физически обоснованных моделей прогнозирования сейсмической опасности и разработке технологий безопасного освоения подземных ресурсов.

Источник:Seismica