Что происходит под землей во время гидроразрыва пласта
Исследовательская группа из Рурского университета в Бохуме (RUB) и Университета Макгилла в Монреале изучает, что именно происходит под землей, когда в Западной Канаде происходят сотрясения в результате операций по гидроразрыву пласта (ГРП). Команда под руководством профессора Ребекки Харрингтон стремится фундаментально понять, как происходят землетрясения — вызванные человеком или естественные. «Процесс гидроразрыва для нас — это что-то вроде масштабированного лабораторного эксперимента», — объясняет Харрингтон. — «Мы видим, что происходит, когда недра подвергаются контролируемым стрессовым условиям — при естественных условиях изменения напряжений изучать было бы гораздо сложнее».
Для своего исследования ученые анализируют записи естественных и вызванных человеком землетрясений. Один из источников данных — землетрясения, спровоцированные ГРП на территории примерно 50 на 50 километров в Западно-Канадском осадочном бассейне. Этот процесс используется для добычи нефти или газа из глубоко залегающих месторождений. Смесь воды, песка и слабоконцентрированной соляной кислоты закачивается в грунт под высоким давлением, чтобы создать трещины в породе и облегчить извлечение газа или нефти. Это может неоднократно вызывать землетрясения.
В 2018 году произошло землетрясение магнитудой 4.5 на очень ранней стадии процесса ГРП, когда было закачано крайне мало жидкости. «Это показывает, что жидкости перемещаются под землей способами, которых мы не ожидали», — отмечает Харрингтон. Команда RUB совместно с коллегами из Университета Макгилла проанализировала это землетрясение и несколько его афтершоков (магнитудой до 4.2 и 3.4). Ученые реконструировали источники различных толчков и их распространение под землей, связав эти данные с информацией о процессе ГРП, природе недр и взаимодействии флюидов с породой. Компьютерное моделирование показало: «Вероятно, в недрах существовала геологически молодая зона разлома — сеть трещин в земной коре, которая служила естественным путем для флюидов. Жидкость для ГРП могла течь через эту сеть трещин, как по каналу», — описывает процесс Ребекка Харрингтон. Поток флюида быстро достиг лежащего в основе разлома, что нарушило структуру напряжений в недрах и вызвало более сильное, чем ожидалось, землетрясение.
Немецко-канадская команда начала анализ около 8 200 землетрясений, зарегистрированных сейсмическими станциями в Западной Канаде с июля 2017 по сентябрь 2020 года. Исследователи показали, что многие землетрясения происходят в местах, где в недрах существуют естественные геологические разломы, с которыми взаимодействуют флюиды. Также доказано, что эти разломы оптимально ориентированы в стрессовом поле земной коры для запуска землетрясений.
«Землетрясения действительно берут начало от промышленной деятельности, но, будучи инициированными, геологические разломы ведут себя практически так же, как при землетрясении естественного происхождения», — заключает Ребекка Харрингтон. — «В целом, наши исследования показывают, что нет фундаментальных различий между естественными землетрясениями и землетрясениями, вызванными гидроразрывом. Все, что мы узнаем о индуцированных землетрясениях, также может помочь нам понять естественные землетрясения — и, надеюсь, однажды поможет минимизировать их воздействие на людей и инфраструктуру».