География и
геология / 3. Гидрология и водные ресурсы
Анахов П. В.
ФОП,
Україна
Можливість збудження землетрусу 26
квітня 1986 року в районі Чорнобильської АЕС наповненням охолоджувача
Вступ. 26 квітня 1986 року, за 16 с до першого вибуху IV блоку Чорнобильської АЕС (ЧАЕС), у цьому районі відбувся локальний землетрус з епіцентром на відстані 10 км на схід від майданчика станції (рис. 1) [1].
|
|
Рис.
1. Схема району ЧАЕС: |
Зроблено припущення, що аварію ЧАЕС зумовила сейсмічна дія на вібраційно-незахищену систему її реактора [1, 4].
Питання щодо можливих причин землетрусу на асейсмічній, як вважалося, території майданчика АЕС, не розглядалось.
Аналіз останніх досліджень і публікацій. Розвиток інструментальних геофізичних спостережень показав, що древні платформи схильні до сучасних деформацій, хоча значно повільніших, ніж їхні краї. Локальні землетруси, епіцентри яких знаходяться в межах літосферних тектонічних плит, виражаються в тектонічних рухах уздовж зон розломних дислокацій. Таким чином, глибинні розломи, що розсікають кору і проходять, можливо, в мантію, є зонами підвищеної мобільності або проникності речовини земної кори [2].
Зокрема, спостереження змін мікросейсмічних коливань в області підвищеної сейсмічності Японських островів, яка належить місцеположенню перетину тектонічних плит, дозволила прогнозувати Великий тохокуський землетрус 11 березня 2011 року, внаслідок якого відбулася радіаційна аварія на Фукусімській АЕС-1 [5].
В 1969 році Міжвідомча комісія по сейсмології і сейсмостійкому будівництву ЮНЕСКО, стурбована неодноразовими повідомленнями про помічену пов’язаність землетрусів з водосховищами, рекомендувала організувати дослідження ефекту збудження землетрусів після наповнення водосховищ [6].
Показовими прикладами сейсмічної активності стали водосховище Мід (США) площею 640 км2, охолоджувач атомної електростанції Монтічелло (США) площею 27,5 км2.
Навантаження, викликане наповненням водосховища Мід, спричинило опускання земної поверхні і збудило тектонічні рухи уздовж розломів, приурочених до депресійної зони. Це стало причиною декількох сотень невеликих землетрусів і декількох тисяч підземних поштовхів [7].
Наповнення охолоджувача Монтічелло викликало дифузію порової рідини в ізольовані зони основи з низькою водопроникністю. Зниження напруження площин розломів обумовило тектонічні рухи вздовж них, що стало причиною виникнення землетрусів [8].
В безпосередній близькості до майданчика станції проходять Тетерівський і Південно-Прип’ятський тектонічні розломи (рис. 1). Область їх перетину є джерелом сейсмічного нерегулярного шуму, який виникає в результаті тектонічних зрушень [2].
В межах Київського моря (рис. 1) площею 922 км2, наповненого протягом 1964-66 років, аж до 1992 року проявів сейсмоактивності не було відзначено. Зроблено висновок, що цю водойму в якості збудника сейсмічної активності і стимулятора землетрусів розглядати немає підстав, проте їй може належати певна роль в активізації коливань земної поверхні [2].
Охолоджувач Чорнобильської АЕС (рис. 1) площею 21,7 км2 в якості потенційного збудника сейсмічної активності не розглядався.
Формулювання цілей статті. Аналіз можливості збудження землетрусу в районі Чорнобильської АЕС наповненням водосховища-охолоджувача.
Виклад основного матеріалу. При наповненні водосховища створюється депресійна зони, в межах якої започатковуються новітні процеси подразнення сейсмічно активних тектонічних розломів [7, 8].
Особливістю депресійної зони є, по-перше, приуроченість геологічних меж зони межам дії геофізичних процесів, по-друге, приуроченість часу існування зони тривалості процесів (їх життєвим циклом) [9].
Площа воронки опускання земної поверхні району гідровузла перевищує площу водного дзеркала (наприклад, площа депресійної зони водосховища Мід становить 30 тис. км2 при площі дзеркала 640 км2; ізолінії повторюють контури водосховища); час релаксації, протягом якого початкове напруження в земній корі зменшується в е разів (37% від початкового значення), може становити до 30 років [10]. Охолоджувач ЧАЕС наповнений приблизно в 1977 р. [11].
Потужність земної
кори в районі 30-км зони ЧАЕС становить 40 км [2]. В результаті буріння
надглибоких свердловин (Миннібаєвська глибиною 5 099 м; Кольська – 12 261
м, Саатлінська – 8 324 м, Гравберг – 6 670 м, КТБ – 9 101 м)
тріщинуваті проникні зони були виявлені по всій глибині [12]. Середня відстань r розповсюдження ґрунтової
води по геологічному середовищу за час t
оцінюється як 
, де K=0,01-10 м2/с – коефіцієнт гідравлічної дифузії [13]. При
таких значеннях коефіцієнта дифузії проникнення ґрунтової води на глибину 12,261
м передається від 14 діб до 37 років.
Зміщення крил фрагменту сейсмічно активного тектонічного розлому можна викликати шляхом подразнення обраного фрагменту мікросейсмами [14]:
- високочастотні (ВЧ) мікросейсмічні коливання, обумовлені роботою сейсмічних вібраторів, викликають зміщення крил фрагменту сейсмічно активного тектонічного розлому (смуга частот стаціонарних вібраторів становить 3 600-54 000 cph [15], де cph – cycles per hour – циклів за годину);
- середньочастотні (СЧ) мікросейсмічні коливання, обумовлені розгойдуванням висотної 30-метрової споруди, викликали зміщення крил фрагменту сейсмічно активного тектонічного розлому (частота розгойдувань 900-1 200 cph).
Мікросейсми виникають переважно в результаті передачі енергії морських хвиль в земну кору [16]. Спектр частот хвиль представлено на рис. 2.
|
|
Рис.
2. Спектр частот поверхневих морських хвиль. Огинаюча вказує оціночні
амплітуди [17] |
Згідно типологічної класифікації морські хвилі можна підрозділити на діапазони:
- низькочастотні (НЧ) хвилі, які складають: місячно-сонячні приливи; анемобаричні хвилі, що утворюються при зміні атмосферного тиску; сейші; сезонні коливання рівня води, пов'язані зі змінами течій, пануючих вітрів тощо;
- середньочастотні інфрагравітаційні хвилі в діапазоні 20-120 cph [18];
- високочастотні хвилі з двогорбим енергетичним спектром; перший максимум їх обумовлений дією прогресивних хвиль і належить області частот навколо 216 cph, другий – обумовлений дією прогресивних та стоячих хвиль, і належить області частот навколо 540 cph [16, 18].
Мікросейсми розповсюджуються на великі відстані [16, 19]. Наприклад, поблизу греблі Нурецької ГЕС амплітуда зміщень ґрунту для основного тону антропогенних ВЧ-мікросейсмів, обумовлених роботою агрегатів ГЕС, становить приблизно 1 мкм, убуваючи з відстанню; причому мікросейсми були реєстровані на відстанях до 70 км від джерел [20].
Центральні частоти піків в спектрі ВЧ-мікросейсмів, викликаних роботою потужних машин, розраховуються по формулі: f=F/N, де F – частота електричної мережі (50 Гц=180 000 cph), N – ціле число, рівне числу пар полюсів машини. Спектри мікросейсмів, які обумовлені роботою помпи і спостережені на території майданчика Ленінградської АЕС, містять монохроматичні сигнали на частотах 30 000, 45 000, 60 000 cph (8,(3) Гц (50 Гц/6 пар полюсів), 12,5 Гц (50/4), 16,(6) Гц (50/3)) [20].
Систему охолодження ЧАЕС складають 2 петлі охолодження по 4 циркуляційні насоси (ЦН). Причому 3 насоси петлі використовуються при нормальній експлуатації; четвертий – перебуває в режимі готовності у якості резерву для використання при необхідності відключення одного з трьох працюючих насосів [21]. О 01:03 і 01:07 26 квітня додатково до шести працюючих ЦН було підключені ще два. В результаті ревма ревли всі вісім ЦН з перевищенням по окремим насосам витрат, встановлених регламентом. Такий режим роботи заборонений через небезпеку зриву подачі насосів і можливості виникнення вібрацій магістралей контуру. Приблизно о 01:24 пролунали послідовно два вибухи [11].
Вплив мікросейсмічних коливань на геологічне середовище може полягати в тому, що їх дія забезпечує спрямовану еволюцію деформаційних процесів в земній корі, обумовлюючи накопичення її дефектів [22].
Момент досягнення рівня зміщення у фрагменті сейсмоактивного розлому визначається інтегралом сумарного ушкодження [23]:
|
|
|
(1) |
,де N – кількість циклів дії мікросейсмічної хвилі; Nf – кількість циклів до зміщення; De – амплітуда деформації.
Спостережено, що штормові мікросейсмічні коливання виступають як механізм розрядки напруження земної кори. Зокрема:
- широкосмугові штормові мікросейсми в північно-західній частині Тихого океану обумовлюють послаблення сейсмічної активності при одночасному зростанні сумарної сейсмічної енергії слабких землетрусів [24];
- широкосмугові штормові мікросейсми в районах Курильських островів, озера Байкал, в яких окремо виділені створені сейшами НЧ коливання, стимулюють зняття напружень в земній корі [19];
- НЧ-мікросейсми, обумовлені полем приливних напружень і деформацій, суттєво впливають на виникнення землетрусів [25]; також виявлена присутність добових і півдобових періодичностей в послідовності афтершоків (М≥4) Великого тохокуського землетрусу [26];
- широкосмугові штормові мікросейсми в районі Курильських островів, в яких окремо виділені СЧ коливання (450-720 cph), стимулюють розрядку тектонічного напруження в прибережних зонах відносно невеликими, але частими землетрусами [27].
Висновки. Розглянуто можливість зміщення крил фрагментів сейсмічно активних тектонічних розломів при наповненні водосховища, за рахунок опускання земної поверхні внаслідок навантаження; зниження напруження площин розломів внаслідок дифузії порової рідини в ізольовані зони основи; накопичення дефектів внаслідок дії мікросейсмічних коливань.
Література:
1. Страхов В. Н. Сейсмические явления в районе Чернобыльской АЭС / В. Н. Страхов, В. И. Старостенко, О. М. Харитонов и др. // Геофизический журнал. – 1997. – Т. 19, №3. – С. 3-15.
2. Отчет о результатах доизучения глубинного строения литосферы района расположения Чернобыльской АЭС в связи с оценкой сейсмической опасности строительства и эксплуатации промообъекта / Институт геофизики им. С. И. Субботина АН Украины. – К. – 1992. – 256 с.
3. Казаков С. В. Геофизические исследования и сейсмотектоника района размещения Чернобыльской АЭС / С. В. Казаков, В. Д. Омельченко, С. И. Рыбалко. – Чернобыль: Изд-во НПО "Припять", ИГФ НАНУ, 1994. – 64 с.
4. Аптикаев Ф. Ф. О сейсмическом событии 26 апреля 1986 года в районе Чернобыльской АЭС / Ф. Ф. Аптикаев, Е. В. Барковский, О. К. Кедров и др. // Физика Земли. – 2000. – №3. – C. 75-80.
5. Международная заявка WO 2012/161606 A1, МПК G 01 V 1/28, G 01 V 9/00. Способ прогнозирования сейсмического события / Любушин А. А. – №PCT/RU2011/000346; заявл. 20.05.2011.; опубл. 29.11.2012.
6. Report and Recommendations SC/CONF.164/3 / United Nations Educational, Scientific and Cultural Organization. Joint Committee on Seismology and Earthquake Engineering (Paris, 27-29 August 1969). – 11 p.
7. Carder D. S. Seismic investigations in the Boulder Dam area, 1940-1944, and the Influence of reservoir loading on local earthquake activity // Bulletin of the Seismological Society of America. – 1945. – Vol. 35, No. 4. – Pp. 175-192.
8. Zoback M. D., Hickman S. In Situ Study of the Physical Mechanisms Controlling Induced Seismicity at Monticello Reservoir, South Carolina // Journal of Geophysical Research. – 1982. – Vol. 87, No. B8. – Pp. 6959-6974.
9. Анахов П. В. Прирощення сейсмічної інтенсивності депресійної зони // Сб. науч. тр. Sworld. Мат. междунар. н.-практ. конф. "Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития '2012". – Вып. 3, Т. 35. – Одесса: КУПРИЕНКО, 2012 – 312-459. – С. 81-85.
10. Тетельмин В. В. Воздействие строительства крупных гидроузлов на изостатическое состояние земной коры // Гидротехническое строительство. – 2009. – №11. – с. 46-50.
11. Абагян Л. А. Информация об аварии на Чернобыльской АЭС и ее последствиях, подготовленная для МАГАТЭ / Л. А. Абагян, В. Г. Асмолов, А. К. Гуськова и др. // Атомная энергия. – 1986. – Т. 61, вып. 5. – С. 301-320.
12. Киссин И. Г. Флюиды в земной коре: геофизические и тектонические аспекты / И. Г. Киссин. – М.: Наука, 2009. – 328 с.
13. Parotidis M., Rothert E., Shapiro S. A. Pore-pressure diffusion: A possible triggering mechanism for the earthquake swarms 2000 in Vogtland/NW-Bohemia, central Europe // Geophysical Research Letters. – 2003. – Vol. 30, No. 20. – 4 p.
14. Патент РФ №2273035, МКИ G01V 9/00. Способ управления режимом смещений во фрагментах сейсмоактивных тектонических разломов: Псахье С. Г., Попов В. Л., Шилько Е. В. и др. – №2004108514/28; Заявлено 22.03.2004.
15. Алексеев А. С. и др. Вибрационные источники / Активная сейсмология с мощными вибрационными источниками. – Новосибирск: ИВМиМГ СО РАН, Филиал "Гео" Изд-а СО РАН , 2004. – С 9-18.
16. Монахов Ф. И. Низкочастотный сейсмический шум Земли / Ф. И. Монахов. – М.: Наука, 1977. – 96 с.
17. Munk W. H. Origin and generation of waves / Proceedings 1st International Conference on Coastal Engineering. – L. Beach, California: ASCE, 1950. – Pp. 1-4.
18. Овчаренко В. В. Трансформация инфрагравитационных и ветровых волн в зоне перехода "океан – земная кора": дис. … канд. физ.-мат. наук: 25.00.28 / Овчаренко Владимир Владимирович. – Владивосток, 2008. – 122 с.
19. Табулевич В. Н. Влияние штормовых вибраций на землетрясения / В. Н.Табулевич, Е. Н. Черных, В. А. Потапов, Н. Н. Дреннова // Природа, 2002, №10. – С. 12-16.
20. Капустян Н. К. Техногенное вибровоздействие на литосферу - объект планетарных исследований XXI века / М.: Наука, 2003. (Проблемы геофизики XXI века: в 2 кн. / Отв. А. В. Николаев. – Кн. 2). – С. 213-244.
21. Чернобыльская авария: дополнение к INSAG-1: INSAG-7: Доклад Международной консультативной группы по ядерной безопасности. – Вена: МАГАТЭ, 1993. – 146 с.
22. Адушкин В. В. О влиянии сейсмических колебаний на развитие тектонических деформаций / В. В. Адушкин, Г. Г. Кочарян, Д. В. Павлов и др. // Доклады РАН. – 2009. – Том 426, №1. – с. 98-100.
23. Островский А. А. Возможная причина сезонной периодичности некоторых Калифорнийских землетрясений // Доклады АН СССР. – 1990. – Т. 313, №1. – С. 83-86.
24. Ярошевич М. И. Некоторые особенности динамики циклонической и сейсмической активности в северо-западной части Тихого океана // Доклады РАН. – 2008. – Т. 240, №5. – С. 674-678.
25. Довбнич М. М. О вибрационном воздействии лунно-солнечных приливов на геодинамические процессы / М. М. Довбнич, В. П. Солдатенко // Доповіді НАН України. – 2008. – №12. – С. 96-100.
26. Datta A., Kamal. Triggering of aftershocks of the Japan 2011 earthquake by Earth tides // Current Science. – 2012. – Vol. 102, No. 5. – Pp. 792-796.
27. Науменко Б. Н. О явлении частичной ликвидации тектонических напряжений штормовыми микросейсмами // Известия АН СССР. Серия Физика Земли. – 1979. – №8. – С. 72-75.