Сила разуплотнения поверхностного слоя воды и ее роль в геологических процессах (стр. 47 )

Мной разработан и запатентован один из первых методов предотвращения катастрофических землетрясений – «Способ ста­билизации грунтового массива в сейсмически опасных районах» (патент России № 000, автор , приоритет от 24.06.98, опубликован 27.10.99) (Шабалин, 2001).

До настоящего времени все усилия ученых были сосредото­чены на поисках способов предсказания землетрясений (Рикитаке, 1979; Моги, 1988; Курскеев, 1990; Соболев, 1993 и др.). Установ­лено, что подготовка землетрясения сопровождается аномаль­ными изменениями слабой сейсмичности района, электрических и магнитных свойств пород, деформаций и наклона земной поверх­ности, уровня подземных вод, их химического состава и другими необычными явлениями. Эти явления названы предвестниками землетрясений и усиленно изучаются. На основании этого изуче­ния в настоящее время можно осуществлять долгосрочный и среднесрочный прогнозы землетрясений с вероятностью 0,7–0,8 (Соболев, 1993). В то же время наиболее важный прогноз – крат­косрочный, т. е. предсказание землетрясения за сутки или за не­сколько часов – почти неосуществим, так как ни одно крупное зем­летрясение в мире не было уверенно предсказано с такой точно­стью. Можно сказать, что в этом вопросе наука о землетрясениях оказалась бессильной несмотря на длительные исследования и многочисленные способы предсказания землетрясений. Трудно предсказать даже точное время раздавливания одного образца горной породы под прессом. Что же тогда говорить о предсказании времени разрыва в таком сложнейшем чередовании горных пород, как земная кора, сложенная из сотен разновидностей пород с раз­ными механическими свойствами, формами залегания и объе­мами.

С целью защиты от землетрясений на поверхности земли люди строят сейсмостойкие здания, мосты и другие сооружения, что значительно удорожает их строительство. Кроме того, как по­казывает опыт, кардинально и это не защищает от разрушений и гибели людей.

Так что же остается людям в сейсмоопасных районах: про­должать надеяться на способы предсказания землетрясений или искать новые, не будучи уверенным в точности этих предсказаний и со страхом ожидать землетрясения, возводя сейсмостойкие со­оружения?

А что если пойти по другому пути: самим активно воздейство­вать на очаг землетрясения, так чтобы вместо жесткого и сильного тектонического удара он или разрядился слабыми безопасными толчками или вообще не возник. Но как на него воздействовать, если он находится в толще земной коры на глубинах более не­скольких километров?

Для ответа на этот вопрос необходимо обратить внимание на так называемый гидрогеодинамический предвестник землетрясе­ний: изменение уровня подземных грунтовых вод в скважинах и колодцах. Этот предвестник относится к числу наиболее надеж­ных, так как благодаря ему в большом количестве случаев инстру­ментально зарегистрированы периоды, предшествующие началу землетрясений. Подземные воды циркулируют в большом объеме горных пород, в том числе могут присутствовать и в зонах, где соз­дается очаг будущего землетрясения, или в близких к нему участ­ках. Следует учесть, что очаги катастрофических, наиболее опас­ных для человека, землетрясений располагаются относительно недалеко от земной поверхности. Поэтому любые изменения плот­ности пород в очаге, связанные с тектоническими движениями гор­ных масс, сказываются на объеме содержащихся здесь подземных вод, которые или выдавливаются оттуда или, наоборот, увеличи­вают свой объем в зависимости от изменения объема трещинных пустот и микропор. В соответствии с этими изменениями происхо­дят и изменения уровня подземных вод в скважинах и колодцах на земной поверхности, которые являются чуткими деформометрами земных недр (Соболев, 1993).

В связи с этим возникает идея: а что если посредством под­земных вод, омывающих готовящийся очаг землетрясения или близкие к нему участки, воздействовать на них таким образом, чтобы уменьшить интенсивность нарастающих упругих стрессовых усилий при тектонических деформациях пород? По существу, под­земные воды – это единственная субстанция, способная проник­нуть к глубинному очагу максимально близко. В то же время эти воды выходят на поверхность, где человек может изменить их со­став, и они будут влиять на физико-химические и тектонические процессы в глубинах земли. Причем гидрогеологами эксперимен­тально и теоретически доказано, что поверхностные воды спо­собны проникать на большие глубины Земли – до 25 км и более, т. е. в зоны, где находятся очаги все крупнейших катастрофических землетрясений (Пиннекер и др., 1998).

На основе этой идеи я разработал способ стабилизации грун­тового массива в сейсмически опасных районах, с помощью кото­рого можно предотвратить катастрофические землетрясения: при наличии средне - или долгосрочного прогноза о готовящемся зем­летрясении в грунтовые подземные воды добавляют растворимые химические вещества таких типов, чтобы они способствовали сни­жению упругих напряжений в очаге землетрясения или прилегаю­щих к нему участках за счет увеличения податливости грунтов к деформациям и/или выравнивания плотности в разных его участ­ках.

При выборе химических веществ необходимо учитывать два фактора, которые способствуют разрядке напряжений в земной коре.

Первый – это эффект Ребиндера, когда добавка в грунтовую воду поверхностно-активных веществ способствует увеличению микротрещиноватости пород, ослаблению их механических свойств, уменьшению упругости и в конечном счете способствует большей податливости грунтов к деформациям, не позволяя им разрядиться в виде жесткого тектонического удара.

Второй фактор связан с появлением различий в плотности при деформациях, когда в сильно сжатых участках уменьшаются количество и объем микропор и микропустот за счет их сдавлива­ния, и наоборот: в расширяющихся участках их объем возрастает и породы разуплотняются. Но если выровнять объем микропустот и соответственно плотность пород, то деформация и их упругая сила будут сведены к минимуму.

Выравнивание объема микропор и микротрещинных пустот в земной коре происходит путем заполнения их химическими компо­нентами, вынесенными из вмещающих пород при гидротермально-метасоматических и диагенетических процессах. Примером этого являются эндогенные гидротермально-метасоматические место­рождения, которые образовались на месте тектонических разло­мов в земной коре. По существу, образованию каждого такого ме­сторождения предшествовало землетрясение, в результате кото­рого образовались разломы и трещинные пустоты в нем. Послед­ние затем были заполнены рудным или другого типа минеральным веществом, вынесенным из вмещающих пород; этим плотность пород здесь и во всех близлежащих участках выравнивается. Та­кие же процессы идут в настоящее время в зонах диагенеза гор­ных пород и в зонах активной вулканической деятельности, прояв­лением которой являются сольфатары, фумаролы, гейзеры. Зем­летрясение происходит потому, что гидротермально-метасомати­ческие процессы не успевают вовремя выровнять плотность пород и заполнить новообразующиеся микротрещины минеральным ве­ществом.

Если воздействовать на горные породы очага землетрясения или его окружения химически агрессивными растворами, способ­ными производить выщелачивание веществ из вмещающих пород и переотложение их в трещинах и порах, то само катастрофиче­ское землетрясение будет ликвидировано в самом зародыше. Следует отметить, что сам очаг может находиться на глубинах, не доступных подземным водам. Но известно, что очаг возникает как результат геодинамических напряжений в большом участке земной коры, в том числе и в близповерхностных зонах. Поэтому доста­точно снять напряжение в этих близповерхностных зонах, чтобы или отдалить его на большие глубины и расстояния от населенных пунктов, или ликвидировать совсем.

Последовательность операций по предотвращению земле­трясения следующая: при наличии средне - или долгосрочного про­гноза землетрясения на данной территории поперек зоны предпо­лагаемого тектонического разлома бурят сеть скважин с учетом гидрогеологических данных, охватывая при этом все направления и глубины течения подземных грунтовых вод; одновременно по скважинам отбирают пробы грунтов и экспериментально опреде­ляют тип жидкости, обусловливающий максимальное снижение упругих напряжений в грунтовом массиве за счет увеличения по­датливости грунтов к деформациям и/или выравнивания плотности в разных его участках; затем изменяют состав подземных вод, для чего в грунтовый массив закачивают через скважины соответст­вующий тип и объем жидкости; достаточность ввода жидкости кон­тролируют по появлению вводимой жидкости в контрольных сква­жинах; одновременно фиксируют количество и силу форшоков (небольших сейсмических ударов, предшествующих землетрясе­нию) или других предвестников землетрясений; при уменьшении их активности закачку жидкости в грунтовый массив прекращают.

Теоретической основой разработки способа предотвращения катастрофических землетрясений мне послужили новые научные идеи об объяснении механизмов действия эффекта Ребиндера и гидротермально-метасоматических процессов рудообразования: МДК-эффект и давление разуплотнения поверхностного слоя воды. МДК-эффект способствует деятельности гидротермально-метасоматических процессов, поддерживая постоянной проницае­мость пород и препятствуя закупориванию микропор, сквозь кото­рые идет весь поток минерального вещества. Через механизм диффузионного флюидозамещения МДК-эффект выравнивает плотность пород в разных участках горных пород. Давление разуп­лотнения способствует созданию эффекта Ребиндера, снижая ме­ханическую прочность пород, увеличивая их податливость к меха­ническим деформациям и этим снижая их способность к жестким упругим разрывам, приводящим к землетрясениям. Причем, по моим представлениям, добавка в воду поверхностно-активных ве­ществ, способствующих этому эффекту, только улучшает смачи­ваемость стенок микропор, благодаря чему вода лучше проникает в них. Само же раздвигание стенок и разрушение породы произво­дит давление разуплотнения поверхностного слоя воды.