Стохастический поромеханический анализ прогнозирует заметную вероятность превышения для землетрясения Мс 5.5 в Пхохане (Южная Корея) 2017 года

Почему имеет значение техногенное землетрясение

В 2017 году землетрясение магнитудой 5.5 потрясло город Пхохан в Южной Корее, повредив здания и удивив учёных тем, что оно было связано с геотермальным проектом, а не с естественным сдвигом разлома. Понимание того, как деятельность человека, например глубокая закачка флюидов, может вызвать столь сильные толчки, крайне важно при планах расширения низкоуглеродной энергетики без риска для близлежащих сообществ. В этом исследовании используется физически обоснованный подход, основанный на вероятностях, чтобы задать простой вопрос с большими последствиями: учитывая то, что мы (не) знаем о породах и напряжениях под землёй, какова была вероятность появления землетрясения размера Пхохана?

Как энергетические проекты могут разбудить скрытые разломы

Улучшенные геотермальные системы извлекают тепло путём закачки воды под высоким давлением в глубокие горизонты, чтобы раскрыть существующие трещины и улучшить циркуляцию воды. В Пхохане эта закачка происходила в гранитные породы на глубине около 4,2 километра, рядом с предсуществующим разломом, не выходящим на поверхность. Когда вода под давлением проникает в породы, она повышает давление в крошечных порах между зернами минералов и слегка меняет то, как массив горной породы воспринимает напряжение. Эти тонкие сдвиги могут уменьшать трение на разломе, позволяя ему соскользнуть. В Пхохане несколько линий доказательств указывают на то, что основное землетрясение произошло рядом с инъекционной скважиной, вдоль зрелой плоскости разлома, чья точная ориентация и состояние напряжённости были и остаются слабо ограниченными.

Преобразование неопределённости в прогноз вероятности

Большинство ранних анализов Пхоханского землетрясения пытались восстановить одну «наилучшую» модель подземной обстановки, предполагая, что разлом уже был на грани разрушения, так что даже малые изменения напряжений могли его спровоцировать. Но полевые измерения и сейсмические данные указывают на то, что этот разлом был более стабильным, чем позволяет такая простая картина. Вместо ставок на один сценарий авторы рассматривают ключевые подземные свойства — такие как направление и величина напряжений, угол ориентации разлома и трение на его поверхности — как случайные величины. Затем они используют метод Монте‑Карло: порождаются тысячи слегка различных, но физически правдопodobных подземных реализаций, и для каждой из них рассчитывают, как распространяется давление флюида, как породы механически реагируют и сдвинется ли разлом, и если да, то насколько.

Моделирование реакции разломов на закачку

Чтобы сделать такое большое число испытаний вычислительно управляемым, команда использует аналитические формулы, а не тяжёлые численные модели, для описания того, как закачка повышает поровое давление вокруг скважины и как это изменение встраивается в окружающее поле напряжений. Они исследуют два реалистичных способа, как разлом может двигаться, оба предполагают косую смесь вертикального и бокового сдвига. В их базовом случае, при средних свойствах пород и напряжений, разлом фактически остаётся стабильным несмотря на закачку — явно не согласуясь с реальным землетрясением. Когда они позволяют неопределённым параметрам варьироваться в пределах, поддерживаемых измерениями и лабораторными испытаниями, некоторые реализации дают лишь крошечные, незафиксированные толчки, а другие порождают гораздо более крупные события. Преобразуя площадь скользившей поверхности разлома в каждой реализации в магнитуду землетрясения, они строят полное распределение вероятностей возможных исходов.

Насколько вероятно было землетрясение в Пхохане?

Симуляции показывают, что при условиях, релевантных для Пхохана, наихудшее возможное индуцированное землетрясение теоретически могло бы приблизиться к магнитуде 7, но такие события крайне маловероятны. Гораздо более информативной является оценённая вероятность превышения конкретных магнитуд. Для землетрясений такой же величины, как фактическое событие 2017 года (Mw 5.5), модель прогнозирует вероятность превышения примерно между 7% и 15%, в зависимости от предполагаемого сценария скольжения. Этот интервал близко соответствует вероятности, выведённой независимо из наблюдавшейся последовательности более мелких толчков на месте. Анализ также выявляет ясную связь между тем, насколько близко разлом находился к разрушению до закачки, и величиной последующего землетрясения. В Пхохане, когда начальный «запас прочности» разлома опускается ниже примерно 0.1–0.2 мегапаскаля, даже умеренные поромеханические возмущения могут подтолкнуть его к разрушительному разрыву.

Что это означает для будущих геоэнергетических проектов

Для непрофессионала главный вывод в том, что землетрясение в Пхохане не было случайной аномалией и не является неизбежным следствием геотермальной деятельности, а представляет собой количественно оцениваемый риск, зависящий от того, насколько критически напряжены близлежащие разломы и насколько хорошо мы их знаем. Это исследование показывает, что сочетая физически обоснованные модели с систематическим анализом неопределённостей, можно заранее оценить вероятность того, что закачка спровоцирует толчки заданной величины. Авторы предупреждают, что разломы, уже находящиеся близко к разрушению, могут вызвать разрушительные землетрясения от относительно небольших изменений давления, и предполагают, что традиционные «светофорные» системы, основанные только на контроле малых событий, могут быть недостаточными. Вместо этого тщательная характеристика площадки и адаптивная, основанная на моделях оценка рисков — такого рода, как показано в этом исследовании — будут необходимы, если мы хотим безопасно и ответственно использовать глубокие подземные ресурсы.

Цитирование: Wu, H., Vilarrasa, V., Parisio, F. et al. Stochastic poromechanical analysis forecasts a notable exceedance probability for the 2017 Pohang, South Korea, M_w 5.5 earthquake. Commun Earth Environ 7, 236 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03268-7

Ключевые слова: индуцированная сейсмичность, геотермальная энергия, устойчивость разлома, закачка жидкости, риски землетрясений