CC BY
155
ГЕОМЕТРИЯ И КВАЛИМЕТРИЯ НЕДР ,
^ Ю.О. Кузьмин, 2000
УДК 622.831
Ю.О. Кузьмин
СОВРЕМЕННОЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ НЕДР
В настоящее время, на рубеже веков и тысячелетий, происходит радикальный пересмотр взглядов на роль геодинамического фактора при оценке экологического, социальноэкономического и страхового риска экологически опасных и особо ответственных объектов.
Существуют два подхода к определению геодинамики, как научной дисциплины: кинематической и силовой (Кузьмин, 1999).
Сторонники первого подхода (в основном, астрономы и геодезисты) считают, что центральным предметом исследований в геодинамике является изучение основных кинематических характеристик (смеще-ний, скоростей, направленности и т.д.) движений земной поверхности в различных пространственно-временных масштабах их протекания.
Иной точки зрения придерживаются исследователи (в основном, геотектонисты и геофизики), которые, основываясь на втором подходе, полагают, что основной проблемой геодинамики является установление механизмов формирования движений в различных геосферах. Современная геодинамика, как научное направление, является составной частью общей геодинамики и поэтому при определении основного предмета исследований здесь также имеется дуализм толкований.
Наиболее гармоничное, учитывая оба подхода, определение основной задачи геодинамики дано в работе (Теркот, Шуберт, 1985), где утверждается, что «Геодинамика изучает движения и деформации, происходящие в земной коре, мантии и ядре, и причины таких движений и деформаций». Однако и здесь имеет место двойственность определения - обо-
собление движений и деформаций. Это и понятно, поскольку исследователям зачастую приходится изучать раздельно (особенно на модельном уровне) движения литосферных плит и (или) блоков земной коры, как твердых (или жестких) тел, и деформации, которым подвержены эти тела в результате их взаимодействия.
Таким образом, имеет место обособление и, даже, противопоставление между такими понятиями, как: «напряжение - деформация» и «движение - деформация».
Вместе с тем представляется возможным снять обособления и противоречия при формулировании этих базовых понятий геодинамики.
Количественной основой для описания геодинамических процессов (в том числе и современных) служит механика деформируемого твердого тела. В рамках этой научной дисциплины возникновение деформаций (движений) трактуется, как результат действия на тело приложенных напряжений (сил). Однако если обратиться к опыту, то справедливым оказывается и обратное утверждение. Известно, что при деформации твердых тел возникают силы, действующие как внутри тел со стороны одних частей на другие, так и между соприкасающимися телами. В случае объемных деформаций, это справедливо также и для жидкостей и газов в полном соответствии с основной аксиомой реологии.
Иными словами имеет место явное и принципиальное противоречие.
Это противоречие исчезает, если вспомнить, что деформация - это изменение формы и размеров тела, изменение взаимного расположения отдельных частей тела друг относительно друга, т. е. результат различ-
ных перемещений отдельных частей тела. Следовательно, объяснить происхождение деформаций - это значит объяснить происхождение тех движений, которые привели к изменению взаимного расположения отдельных частей тела.
Деформации, таким образом, есть результат определенного движения, и непосредственной причиной деформаций является движение, а не силы (или напряжения, как силы, нормированные на площадь их приложения). Конечно силы играют существенную роль в возникновении движений, а значит, и в появлении деформаций. Но они являются лишь косвенной причиной деформаций. Установить непосредственную связь между силами и деформациями не всегда возможно. Силы сами по себе еще не определяют деформаций, которые должны возникнуть. Только, если эти силы таковы, что разные части тела движутся по разному, а взаимное расположение различных частей тела изменится, только тогда возникнут деформации.
Иными словами, и напряжения (силы) и деформации есть отражение различных форм (силовой и кинематической) единого процесса -движения и поэтому никакого обособления или противопоставления этих понятий при правильной трактовке не существует.
Необходимо отметить, что на практике, оперируя терминами «напряжение» и «деформация», исследователи часто упускают из вида, что наблюдаемыми (измеряемыми) величинами в геодинамике являются движения (горизонталь-ные, вертикальные или сдвиговые перемещения), а напряжения и деформации (как отношения перемещений к базе измерений) определяются по результатам вычислений. Именно поэтому в геодинамике (особен-но современной) движения являются и объектом наблюдений, и объектом интерпретации одновременно.
Из основ классической механики следует, что любое движение можно представить, как параллельный перенос и вращение участков среды, как абсолютно твердых (жестких) тел и их деформаций (объем-ных и сдвиговых).
В этом случае геодинамику можно определить как научную дисциплину, изучающую движения, происходящие в
земной коре, мантии и ядре, и причины этих движений (Кузьмин, 1989).
С этих позиций можно определить научное направление «современная геодинамика». При этом необходимо отметить ряд принципиальных обстоятельств. Как известно из механики, динамику можно определить в противопоставлении либо кинематике, либо статике. В первом случае динамика ответственна за изучение причин, вызывающих движения, во втором, она понимается в более обобщенном смысле - и, как изучающая (описывающая) сами движения, и, как изучающая причины их вызывающие. В этом смысле традиционный термин «современные движения земной коры» должен быть отождествлен с термином «современная геодинамика».
Особо следует остановиться на трактовке термина - «современный». Его, как правило, определяют двояким образом: либо подчеркивая инструментальный характер изучения (фиксации) движений, либо отмечая длительность протекания процессов в сравнении с геологическими масштабами времени. В данном случае вновь возникает двойственность толкований основного предмета исследований в современной геодинамике. Так, например, в случае полной унаследо-ванности движений от прошлых геологических эпох, можно (инструментально) зарегистрировать движения, которые по длительности протекания формирующих их процессов, не относятся к разряду современных.
С другой стороны существует определенная относительность средств наблюдений к свойствам исследуемых объектов. Так, если измерять с помощью повторных нивелирований, такой, типичный для современной геодинамики процесс, как земноприливные деформации, то существует ограничение по чувствительности и временной детальности наблюдений. В случае, когда предпринимается попытка измерения движений плит или блоков земной коры наклономерами и деформографами, то существует ограничение по пространственному масштабу наблюдений.
В связи с этим, одним из главных условий адекватной трактовки измеряемых процессов является соизмеримость длительности протекания последних с длительностью самого измерения. В этом случае совершенно
необходимо четко следовать принципу наблюдаемости Н. Бора: существующим считается лишь то, что наблюдаемо или может быть сделано таковым, который был разработан именно в тех областях естествознания, в которых свойства объекта не всегда доступны прямому наблюдению.
Таким образом, современную геодинамику (современные движения земной коры) можно определить как часть общей геодинамики, изучающей движения земных недр и причины, их вызывающие, когда время действий последних соизмеримо с длительностью самого процесса наблюдений.
При этом под длительностью наблюдений понимается либо интервал между повторными (геодезическими, геофизическими, сейсмологическими) измерениями, либо период непрерывной регистрации параметров (дефор-мографами и наклономерами).
С позиций сформулированного определения объектом изучения в современной геодинамике могут быть наиболее мобильные и активные структуры литосферы и, в первую очередь, зоны тектонических нарушений (разломов).
Учитывая определенную степень дискуссионности в определении понятия «разлом» необходимо сформулировать авторскую позицию в этом вопросе.
Как правило, термин «разлом» или «разломная зона» используется как некая граница раздела между блоками, которые отличаются различной мобильностью или иными характеристиками. По мнению автора, разломы следует рассматривать как специфические геологические тела, некий объем земной коры, имеющий аномальное строение и повышенную трещиноватость, возникшие в результате линейной деструкции среды.
Поэтому в данной работе такие понятия, как «разлом», «раз-ломная зона», «зона разрывных нарушений», «зона повышенной трещиноватости» рассматри-ваются в качестве синонимов. Главным здесь является то, что зона разломов есть область, вмещающая породы с аномаль-ными физико-механическими, геологогеофизическими, флюидо-
геохимическими и т.д. характеристиками.
В этом случае зоны разломов естественным образом являются концентраторами современного напря-
женно-де-формированного состояния, а, следовательно, и базовым объектом изучения современных геодинамиче-ских процессов.
Необходимо также определиться в использовании терминов «недра», «верхние слои земной коры», «геологическая среда», когда речь идет о характеристике тех объемов среды, в которых протекают современные гео-динамические процессы. Автор под всеми перечисленными выше терминами понимает тот слой земной коры, в котором имеют место современные динамические процессы обусловленные суперпозицией природных и техногенных воздействий.
Таким образом, современная аномальная геодинамика недр - это есть современная геодинамика раз-ломных зон.
В последние годы произошли радикальные перемены в имеющихся представлениях о современном гео-динамическом состоянии земных недр.
Согласно традиционной точке зрения, современные движения земной поверхности равнинноплатформенных, асейсмичных, областей характеризуются относительно слабым скоростями, до 5ё10 мм в год, в отличие от орогенных, сейсмоактивных регионов, где скорости могут достигать величин существенно больших, 50 мм в год и более. Подобный вывод вполне обоснованно следует из анализа карт современных вертикальных движений земной поверхности, построенных по данным повторных нивелирований больших территорий с интервалами между повторными наблюдениями в десятки лет.
В начале шестидесятых годов под эгидой Междуведомственного геофизического комитета при Президиуме АН СССР была развернута обширная программа изучения современных движений земной коры на геодинами-ческих полигонах различного целевого назначения. Результаты повторных наблюдений на этих полигонах, с интервалами времени между повторениями в месяцы и годы, выявили наличие интенсивных, локальных движений, которые имели пульсацион-ный и короткопериодический характер. Это не явилось большой неожиданностью для специалистов, поскольку первые геодинамические по-
лигоны закладывались в сейсмоактивных регионах.
Как известно, одной из основных особенностей пространственного распределения современных вертикальных движений земной поверхности больших территорий (порядка сотен и более километров) являются протяженные аномальные зоны, представленные градиентным характером аномальных изменений, которые контролируются зонами глубинных разломов. При этом величины горизонтальных градиентов движений составляют величин первых мм/км в год. На графиках, отражающих линейную (профильную) составляющую движений, эти градиентные участки имеют форму ступенеобразных изменений в полном соответствии с общепринятыми представлениями о медленных, дифференцированных вертикальных перемещениях смежных объемов среды (блоков земной коры) вдоль зон разломов под воздействием изменений регионального поля напряжений.
В начале семидесятых годов Миннефтепромом СССР была начата реализация долгосрочной программы изучения современных движений земной коры в нефтегазоносных осадочных бассейнах. Основная цель этих работ заключалась в использовании результатов геодинамических наблюдений при изучении особенностей геологического строения и оценки перспектив нефтегазоносности выбранных объектов. (Сидоров, Кузьмин, 1989) В качестве таких объектов были использованы территории крупных нефтегазоносных бассейнов древней докембрийской Русской платформы (Припятс-кий прогиб, западное и северо-западное обрамление Прикаспийской впадины, Башкирский свод и Соликамская впадина), Западно-Сибирской плиты (Вартов-ский свод), предгорных и межгорных прогибов складчатых областей (Терско-Каспийский, Предгиссарский, Рионо-Куринский).
Примечательно, что основные параметры измерительных систем (густота, частота опроса и точность наблюдений) на геодинамических полигонах, расположенных в платформенных, асейсмичных районах, оказались идентичными полигонным системам измерений, расположенных в ороген-ных, сейсмоактивных областях. Это обстоятельство позволило провести
последовательное сопоставление характеристик современной геодинами-ческой активности земных недр, полученных идентичными системами наблюдений, находящимися в наиболее контрастных в геодинамическом отношении областях, которыми в первую очередь являются сейсмоактивные и асейсмичные регионы.
В результате комплексного сопоставительного анализа данных, полученных идентичными системами измерений (плотность пунктов наблюдений, точность и частота опроса), расположенными в сейсмоактивных и асейсмичных регионах, были сформулированы следующие эмпирические обобщения.
Выявлены интенсивные локальные аномалии вертикальных и горизонтальных движений земной поверхности, которые приурочены к зонам разломов различного типа и порядка. Эти аномальные движения высокоамплитудны (50^70 мм/год), короткопериодичны (0.1^1 года), пространственно локализованы (0.1^1 км), обладают пульсацион-ной и знакопеременной направленностью.
Существуют устойчивые типы локальных аномалий вертикальных движений земной поверхности в зонах разломов. Основные пространственно-временные характеристики аномальных движений идентичны, как для сейсмоактивных, так и для асейсмичных разломных зон. При этом интенсивность деформационного процесса в разломах асейс-мичных регионов выше, чем в сейсмоактивных.
Установленные типы аномальных движений соответствуют региональным типам напряженного состояния земной коры.
Наибольшей интенсивностью обладают аномалии типа ^ (локальные просадки земной поверхности), амплитуды которых превышают на порядок амплитуды других типов аномалий, в то время как их горизонтальные размеры на 1®2 порядка меньше (0.1 - 1.5 км).
Среднегодовые скорости деформаций для них чрезвычайно высоки и со-
ставляют величины порядка (2 ©7)410-5/год Поэтому их следует определить как суперинтенсивные деформации (СД) земной поверхности в зонах разломов (Кузьмин, 1996; Kuzmin, 1998).
На рис. 1 представлены примеры СД для различных регионов. Хорошо видно, что кривые совершенно идентичны по морфологии, т.е. у них совпадают ширина (горизонталь-ный масштаб всех графиков одинаков) и амплитуда.
Важной особенностью СД-
процессов является пульсационный характер их проявлений во времени. На рис.2 представлены результаты повторных нивелирных наблюдений вдоль локальных профилей (длинной порядка 5 км), расположенных в пределах одного региона. Как видно из графиков происходит периодическая активизация СД-процессов и перемежаемость периодов активности и покоя с преимущественной активизацией одних и тех же разломных зон.
Однако наиболее парадоксальным фактом, безусловно, явилось то, что аномальная деформационная активность разломных зон асейсмичных областей выше, чем сейсмоактивных. Причем это также относится и к зонам разломов, которые расположены в сейсмоактивных регионах, но которые, либо не являются сейсмогенерирующими, либо находятся в данный момент в состоянии "сейсмического затишья".
В этой связи, есть достаточно оснований полагать, что наличие более мощных деформационных процессов в зонах платформенных, асейсмичных разломов обусловлено отсутствием там диссипирующего (рассеивающего) сейсмического фактора, который в сейсмоактивных разломах осуществляет "переток" части общего энергетического эквивалента в форму сейсмичности, уменьшая тем самым ту часть потенциальной энергии, которая реализуется в форме СД.
Эффект резкого усиления деформационной активности в
зонах асейсмичных разломов, под которыми автор понимает такие раз-ломные зоны, которые либо не являются сейсмогенерирующими в принципе (расположены в асейсмичных регионах), либо находятся в состоянии сейсмического затишья, можно определить как новое геодинамическое явление.
Рис. 1. Примеры локальных аномалий современных вертикальных движений земной поверхности типа у для различных регионов. Условные обозначения: 1 - зоны разрывных нарушений; 2 - зоны аномальных вертикальных движений; 3 - амплитуды современных вертикаль-ных движений земной поверхности; 4 - пробуренные скважины
Рис. 2. Пульсирующий характер СД-процессов в зонах разломов
Полученный экспериментальный материал, несомненно, указывает на локальную пространственно-
временную нестабильность (неустойчивость) процессов деформирования, имеющих место в пределах собственно разломных зон.
Согласно традиционным представлениям динамика разломов обусловлена силовым воздействием меняющегося во времени регионального поля тектонических напряжений (эндогенное воздействие), которое вызывает адекватную деформационную реакцию разломной зоны. В этом случае, уровень приложенной нагрузки должен быть соизмерим (адекватен) с уровнем деформационного отклика.
Однако многочисленные эмпирические данные (в том числе и приведенные выше) входит в существенное разногласие с этими представлениями.
Ниже приведен пример, когда малые воздействия приводит к аномально высоким (неадекватным) деформационным откликам среды.
На рис. 3 приведены результаты многолетних деформационных наблюдений в зоне Передового разлома Копетдага. На рисунке приведены данные высокоточных, прецизионных нивелирных наблюдений, которые проводились повышенной простран-ственно-времен-ной детальностью (расстояние между реперами 250® 300 м, частота опроса - 1 раз в месяц). Этот профиль общей протяженностью 14 км пересекает разломную зону, которая выявлена по целому комплексу геолого-геофизических и гидрогеологических параметров.
Для детального анализа современной геодинамики данной разлом-ной зоны результаты нивелирования сопоставлялись с данными непрерывных наклономерных наблюдений, ко-
торые осуществлялись в специально оборудованном наклономерном шурфе глубиной 25 м, в котором расположены две наклономерные станции системы А.Е. Островского имеющие чувствительность на уровне одной угловой миллисекунды. С целью дифференциации пространственной картины вертикальных движений земной поверхности нивелирные данные представлены на графике в виде двух участков ("бортового" и "приразломного") единого профиля. Учитывая, что бортовой участок имеет длину порядка 5 км, а приразломный - 0.8 км, то данные вертикальных превышений отметок реперов переведены в угловую меру (путем деления на длину участков) и рассмотрены в режиме двух, расположенных друг за другом, длиннобазисных наклономеров. Это позволяет в едином масштабе провести сопоставления с маятниковыми наклономерными данными.
Таким образом, проведено сопоставление трех наклономеров, два из которых расположены в бортовых зонах (рис. 3а, б), а один непосредственно в окрестности разломной зоны (рис. 3в).
Как следует из рисунка, результаты нивелирных и наклономерных наблюдений, полученные в бортовой части разломной зоны, хорошо согласуются между собой. На фоне практического отсутствия тренда отчетливо прослеживаются сезонные (тепловые) наклоны земной поверхности. Иными словами в рассматриваемый промежуток времени (порядка 10 лет) не происходили существенные изменения регионального поля напряжений во времени, т.е. активизация во времени эндогенного воздействия была минимальна.
В то же время, как следует из рис. 3в, характер деформирования земной поверхности в разломной зоне имеет принципиальное отличие. Амплитуды аномальных изменений достигают величин 1.5©2.0 угловых секунд (порядка 10-5), их временная структура содержит колебания с периодами от 3 ©4 лет до 2©2.5 лет. Очевидно, что имеет место "собственная", локальная динамика разломной зоны со своей временной структурой и аномально высоким уровнем деформаций.
Однако самое примечательное состоит в том, что временная структура деформационного процесса в зоне разлома сильно коррелирует с ходом выпа-
Рис. 3 Временной ход наклонов земной поверхности и выпадения атмосферных осадков: (а) наклономерные данные; (б) результаты нивелирования в пределах блока; (в) результаты нивелирования в пределах зоны разлома; (г) график выпадения осадков на метеостанции "Г аудан"
Возвращаясь к проблемам современной геодинамики разломов можно утверждать, что СД-процессы, обусловленные флуктуациями внутренних параметров среды в обстановке региональных квазистатических полей напряжений, есть ярко выражен-
дения атмосферных осадков в горах, который построен по данным метеостанции "Гаудан", расположенной на расстоянии порядка 40 км к югу от зоны разлома.
Очевидно, что прямое деформационное воздействие выпадения осадков на земную поверхность не может обеспечить наблюдаемый уровень деформационных аномалий.
Анализ гидрогеологической обстановки показал, что областью питания приразломных, глубинных вод являются осадки выпадающие в горах, где и расположена метеостанция. В этом случае периодическое увеличение и уменьшение уровня выпавших осадков в горах, которые ин-фильтруются в зону разлома, меняет величину порового давления в приразломном флюиде, что может привести к адекватным деформациям разломной зоны. Однако, как показывают оценки, амплитуды изменений порового давления явно малы и составляют величины не более 0.001 МПа (0.01 бара или почти 0.01 атмосфер). Эти нагрузки способны вызвать деформационный отклик не более чем 10-7, в то время как наблюдения зафиксировали деформации на два поряд-
ка больше (10-5 и более). То есть имеет место возбуждение СД процессов крайне малыми по величине воздействиями.
В таком случае остается единственная возможность объяснения выявленной взаимосвязи. Флуктуации порового давления в приразломном флюиде приводит к изменению сте-
пени трещиноватости (меняются же-сткостные характеристики) в разлом-ной зоне, а это формирует СД процессы в данной зоне.
В связи с этим, можно полагать, что возникновение локальных СД явлений непосредственно не вызвано временным ходом регионального (внешнего по отношению к объему среды, контролируемому наблюдениями) поля напряжений, а обусловлено изменениями параметров среды (модули жесткости, коэффициенты трения и т.д.) внутри самих разлом-ных зон.
Из теории колебаний хорошо известно, что любую систему вывести из состояния равновесия (возбудить систему) можно двояким образом: либо посредством внешнего силового воздействия на систему в целом, либо путем возмущений внутренних параметров системы, предварительно нагруженной извне.
Такой тип вывода любой системы из состояния равновесия назван в физике параметрическим возбуждением. Наиболее часто приводимый пример параметрического возбуждения процессов - это человек, который, приседая и вставая на качелях, может раскачать сам себя, без вмешательства
внешней, вынужденной силы. В данном случае предварительно нагруженная система - маятник "человек -качели" изменяет свой параметр (длину маятника, как расстояние от точки подвеса до цента тяжести), что приводит к выводу ее из состояния равновесия.
ный пример параметрического возбуждения.
В рамках этих представлений становится естественным происхождение аномальных деформаций в зоне Передового разлома Копетдага под воздействием атмосферных осадков. Периодическое изменение эффективной жесткости флюидонасыщенной раз-ломной зоны, за счет вариаций поро-вого давления в такт выпадающим осадкам, приводит к тому, то постоянно нагруженная тектоническими и гравитационными усилиями, разлом-ная зона начинает деформироваться периодическим образом.
Тот факт, что в рассмотренных примерах суперинтенсивные деформации вызываются малыми воздействиями, позволяет отнести эти процессы к индуцированным. В этом смысле
современные суперинтенсивные деформации разломных зон это параметрически индуцированные тектонические деформации геологической среды.
Рассматривая физическую природу возникновения импульса СД необходимо иметь в виду следующее. Геологическая среда в современном нам (реальном) масштабе времени находится под воздействием системы внешних и внутренних (экзогенных и эндогенных), квазистатических (глобальное и/или региональное поле напряжений) и динамических (приливы, неравномерное вращение Земли, процессы подготовки землетрясений, взрывы, сейсмические волны, техногенные воздействия и т.д.) нагрузок. В разломных зонах, особенно осадочных бассейнов, постоянно присутствуют и перераспределяются динамически активная и химически агрес-
сивная флюидная система. Взаимодействие и совокупное влияние всех этих факторов реализуется, в первую очередь в условиях повышенной кон-
центрации дефектов среды, т.е. в зонах разломов с неустойчивыми механическими характеристиками, посредством кратковременных флуктуаций жесткостных характеристик горных пород в локальных объемах. Следствием этого процесса, является возникновение СД-аномалий.
Из вышеизложенного следует, что существуют два варианта формирования локальных деформационных аномалий в зонах разломов (рис. 4).
Вариант 1. Зона разлома представляет собой ослабленный участок среды, вдоль которого происходит дифференцированные движения блоков, напрямую обусловленные вариациями во времени поля напряжений.
В варианте 2 реализуется механизм параметрического возбуждения аномальных деформаций в зоне разлома. В этом случае региональное поле напряжений квазистационарно, а разломная зона представляет собой параметрически возбудимую, активную среду.
Как показывает анализ обширного эмпирического материала и математическое моделирование, основные пространственно-
временные характеристики современного геодинамического состояния недр обеспечивают механизмы реализованные в рамках второго варианта. (Кузьмин, 1989 -1999).
Столь высокие скорости деформаций земной поверхности в зонах асейсмичных разломов приводят к
возникновению аварийных ситуаций на длительно эксплуатируемых объектах недропользования (Касьянова, Кузьмин, 1996; Кузьмин, Никонов,
1998; Кузьмин, 1999).
На рис. 5 приведены результаты сопоставления аварий на скважинах и порывов трубопроводов с аномальными проявлениями современных вертикальных движений земной поверхности, полученные при повторных нивелирных наблюдениях с повышенной пространственно - временной детальностью. Как следует из проведенных исследований более 70 % аварийных ситуаций связано с областями контрастно-неодно-родного деформирования земной поверхности (зонами СД процессов).
В последние годы в литературе, посвященной анализу катастрофических или чрезвычайных ситуаций, активно используется термины «опасность» и «риск». Очень часто эти два определения выступают как синонимы, которые облегчают лексические обороты, но не подвигают к познанию их сути.
В действительности же эти термины обозначают абсолютно разные понятия. В качестве примера можно провести аналогию геодинамического процесса с сейсмическим.
Очень часто сейсмичность относят к категории геодинамических явлений. Это действительно так. Сейсмичность это «быстрая» составляющая геодинамического процесса. В то же время тектонические движения (включая современные) относятся к «медленной» части спектра геодина-мических явлений.
Рис. 4 ФормировпретайшаЛЬйМХ
йрфйемййрннш пшр^й а5 шр
разломов
Жинах и порывов трубопроводов с аномальными проявлениями современной геодинамики недр, на примере Усть-Балыкского месторождения
1 - аварии на скважинах;
2 - порывы трубопроводов
В последние годы среди, профессионалов в области изучения геодинамики, утвердилась тенденция медленные движения именовать геодинамикой (или деформационными процессами), а все связанное с проявлением землетрясений определить, как сейсмические процессы. В этом случае при правильном и профессиональном употреблении терминологии смешения понятий не происходит.
В сейсмологии с конца семидесятых годов используют понятия сейсмическая опасность и сейсмический риск. Под сейсмической опасностью понимается сама фактическая подверженность данной территории сейсмическому воздействию - опасному явлению природы, которое, при определенных обстоятельствах, может обернуться тяжелыми последствиям для человека и среды его обитания.
Понятие сейсмический риск непременно связывается с воздействием землетрясения на материальное состояние объектов и экономическое положение субъектов, которые оказались в зоне сейсмической опасности. Так, например, землетрясение, которое может произойти на необитаемом острове, являет собой сейсмическую опасность, но не определяет в данном месте сейсмический риск.
Аналогично этому определим понятие геодинамическая опасность, как факт подверженности определенной территории воздействию опасного явления природы - СД-процессов, которые при определенных обстоятельствах может привести к тяжелым последствиям для человека и среды его обитания. В этом случае современные суперинтенсивные деформации (СД) земной поверхности, которые проявят себя в пустынном месте, представляют собой геодинамическую опасность, но не создают геодинами-ческого риска.
Для разработки методов оценки геодинамического риска и геодина-мической опасности, когда имеют место современные СД земной поверх-
ности в зонах асейсмичных разломов, необходимо детально рассмотреть, как формируется негативное воздействие аномальной геодинамики разломов на объекты недропользования.
Выше неоднократно отмечалось, что СД-процессы характеризуются ярко выраженным пульсационным характером. Периоды аномальной активности tA перемежаются с периодами стабилизации ^.
Поэтому, при определении длительности безопасного функционирования объекта необходимо тщательно учитывать это обстоятельство. В противном случае оценки 5/Б будут существенно занижены.
Очевидно, что при определении среднегодовой скорости деформирования, при неравномерном развитии современных геодинамических процессов, необходимо учитывать, как 5 /А, так и 5/С.
Пусть имеется некоторый участок земной поверхности, в пределах которого возможны СД-процессы, и на котором расположен объект недропользования. Для определения периода безопасной эксплуатации объекта необходимо оценить предельно допустимую среднегодовую скорость деформации земной поверхности этого участка.
Предположим, что за время 5/Б может произойти п активизаций (импульсов) СД-процессов длительностью 5/А, которые отделены друг от друга периодами стабилизации 5/С.
Очевидно, что:
ЫБ = п ■ /а+ (п + \) ■ /с (1)
Тогда из (1) имеем:
-П
периодом стабилизации (покоя). В этом случае из (2) имеем:
5/б = — = ^( 2п +1)
(7)
— (2) п ■ /а+ (п +1) ■ /С
Где 8 п есть деформационный порог разрушения какого-либо из элементов конструкций выбранного объекта (или объекта в целом).Из формулы (2) следует, что традиционному (унаследованному) подходу к определению предельно допустимой среднегодовой скорости деформации будет соответствовать частный случай: п= 1, 5 /С= 0, что автоматически приводит к резкому завышению предельно допустимой среднегодовой скорости и, соответственно, к занижению периода безопасной эксплуатации объекта.
В реальной ситуации длительность протекания СД импульса либо несколько меньше, либо соизмерима с
8 П
(3)
(2п +1) ■ 5/а
Из (3) следует, что при п= 1 и 5/А= 0.5 года, то допустимая среднегодовая скорость деформации составит величину порядка 6.1 40-5 в год, при п=2 она достигнет 4 ■ 10-5 в год, при п= 3 она уменьшится до 1.440-5 в год и т.д.
Если зафиксировать среднее время эксплуатации объекта Т, то условие его безопасного функционирования можно записать в виде:
5/б > Т (4)
А критерий геодинамической опасности, как:
5/б < Т (5)
Принимая Т= 50^100 лет, можно из (3) определить п. Если положить, что среднегодовая скорость СД-процессов имеет порядок 3-10-5, тогда за период эксплуатации объекта может произойти п= 5^7 импульсов СД. В этом случае справедливо неравенство (5) и, следовательно, имеет место явная СД-опасность.
Таким образом, при определении геодинамических критериев безопасного функционирования объектов недропользования, необходимо различать среднегодовую скорость деформирования земной поверхности, определенную путем осреднения, и конкретную скорость СД-процессов, которая равна отношению амплитуды аномальной деформации к длительности аномального СД-импульса. Очевидно, что из (3) следует равенство:
8СД
(6)
( 2п +1)
В этом, случае при формулировке критериев геодинамической опасности по среднегодовой скорости деформирования, обязательным становится учет повторяемости (количества п) импульсов СД.
Автором предлагается следующий подход к построению геодинамиче-ских нормативов и критериев безопасности, учитывающих фактор СД.
Используя (6) и (1) можно получить следующую формулу для оценки времени безопасного функционирования объектов недропользования:
8
8СД
Таким образом, определяя в каждом конкретном случае скорость СД-процессов по результатам прямых измерений, можно, задавая порог прочности и длительность эксплуатации объекта, определить критерии геоди-намической опасности по формулам: (4, 5, 6, 7).
Полагая, что геодинамическая опасность, есть вероятность появления современных суперинтенсивных деформаций (СД) в данном месте и в данное время, то можно подойти к количественной оценке геодинамиче-ского риска.
Авторская трактовка состоит в том, что любой риск есть математическое ожидание ущерба.
В таком случае оценку геодина-мического риска R (СД-риска) можно проводить в рамках следующей формулы:
R = РСД ■ Ру ■С (8)
где РСд - есть геодинамическая опасность; Ру - вероятность того, что данный уровень СД-процессов окажется достаточным для вывода объекта риска из нормального функционирования (уязвимость объекта); С - ущерб, обусловленный либо стоимостью объекта, выведенного из эксплуатации, либо расходы по проведению превентивных мероприятий, экологические штрафы и т.д.
Исходя из изложенного выше можно констатировать, что геодина-мический риск (СД риск) есть вероятность появления современных СД-процессов, способных к выводу объекта риска из режима нормального функционирования, сопровождающегося материальным ущербом.
Учитывая необходимость коренного пересмотра нормативноправовой базы и создание принципиально новых ведомственных нормативов, регламентирующих безопасное функционирование объектов недропользования в зонах распространения СД-процессов, в 1997 году в Минтопэнерго РФ и Госгортехнадзоре РФ состоялись специальные заседания, посвященные этому вопросу.
Так, 14 мая 1977 года Экспертный Совет по нефтяной промышленности посчитал необходимым и своевременным учет фактора СД,
как нового фактора социальноэкономического и экологического риска, при создании проектносметной документации и техникоэкономических обоснований при строительстве и эксплуатации объектов нефтяной промышленности, создании ведомственных регламентов и нормативов и т.д.
Учитывая важную роль современной аномальной геодинамики недр в обеспечении промышленной, Федеральный Промышленный и Горный Надзор РФ (Госгортехнадзор РФ) провел расширенное заседание секции «Охрана недр» НТС по вопросу «Современная аномальная геодинамика платформенных разломов - новый
фактор экологического и социальноэкономического риска», а в апреле 1998 года по вопросу «Роль современной геомеханики и геодинамики недр в обеспечении безопасности при пользовании недрами».
Следует особо отметить, что помимо подготовки ведомственных документов представления о современной аномальной геодинамике недр нашли отражение, по инициативе Комитета по природным ресурсам и природопользованию Государственной думы РФ, в изменениях и дополнениях к Федеральным Законам РФ (1999 г.), в том числе:
• «О недрах»;
• «О соглашениях о разделе продукции»;
• «Об экологической экспертизе»;
• «О промышленной безопасности
опасных производственных объектов»;
• «О защите населения и территорий от чрезвычайных ситуаций при-
родного и техногенного характера».
Таким образом, есть достаточно оснований считать, что новый фактор гео-динамического риска объектов недропользования - фактор современных су-перинтенсивных деформаций (СД) в зонах асейсмичных разломов будет учитываться во всех сферах недропользования, как на Федеральном, так и на отраслевом и ведомственном уровнях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
73. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика разломных зон осадочных бассейнов и процессы подготовки землетрясений.// Прогноз землетрясений, №11, М.: Душанбе: Дониш, 1989, с.52-60.
74. Кузьмин Ю.О. Современные суперинтенсивные деформации земной поверхности в зонах платформенных разломов.// Геологическое изучение и использование недр.// Науч.-техн. Сб., «Гео-информмарк», М.: 1996, Вып. №4, с.43-53.
75. Касьянова Н.А., Кузьмин Ю.О. Современная аномальная геодинамика недр и ее влияние на объекты нефтегазового комплекса.// Предисловие акад.
А.Л. Яншина. - М.:Геоинформмарк,, 1996, 56 с.
76. Kuzmin Yu.O. Recent superintensive deformations of platform fault zones.// Annales Geophysicae, 1998, Vol. 16, 47 P.
77. Сидоров В.А., Кузьмин Ю.О., Современные движения земной коры осадочных бассейнов.// М.: Наука, 1989, 183 с.
78. Теркот Д., Шуберт Дж. Геодинамика. В 2-х частях.// М.: Наука, 1979, 560 с.
79. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика и оценка геодина-мического риска при недропользовании.// М.: 1999, АЭН, 220 с.
