Диагностика геодинамической активности на участке недропользования Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

----------------------------------------- © А.Д. Сашурин, 2004

УДК 622. 83 А.Д. Сашурин

ДИАГНОСТИКА ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ НА УЧАСТКЕ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ

Семинар № 8

Сфера недропользования занимает одно из важных мест в жизни человеческого общества. При этом следует принимать во внимание, что к этой сфере относится не только добыча, переработка и транспортировка полезных ископаемых, которые в экономике России играют ведущую роль, но и другие виды деятельности, в которых массив горных пород и земная поверхность выступают в качестве основания или вмещающей среды для возводимого или эксплуатируемого сооружения. К ним относятся наземные и подземные гражданские и промышленные объекты, сооружения транспортного комплекса, подземная инженерная инфраструктура градопромышленных агломераций и тому подобное.

Осуществляя свою деятельность с использованием недр люди привыкли рассматривать массив горных пород и земную поверхность как статическую среду, обладающую определенными прочностными и деформационными свойствами, учитываемыми в этой деятельности. Отдельные аномальные явления, такие как землетрясения, нарушающие статическое состояние, известны с давних времен и при определенных ожидаемых параметрах проявления (частота, магнитуда) подлежат учету.

Однако исследованиями последних лет установлено, что, наряду с контрастными проявлениями современной геодинамики в виде землетрясений, существует обширный спектр современных геодинамических движений, выявить которые можно только высокоточными инструментальными измерениями [1]. Несмотря на незначительные величины, их роль в сфере недропользования чрезвычайно велика и едва ли менее значима, чем роль землетрясений [2].

Во-первых, современные геодинамические движения распространены повсеместно, воздействуя на самые разнообразные объекты.

Во-вторых, современные геодинамические движения происходят постоянно. На первых по-

рах их воздействие бывает незаметным, а со временем вызывает существенные нарушения в объектах недропользования.

Создание объектов недропользования без учета современных геодинамических движений заведомо создает противоречие между техногенной и природной геосистемами, которое обычно разрешается природно-техногенными авариями или катастрофами в зависимости от последствий. А последствия бывают достаточно ощутимы как по материальному ущербу, так и по трагическим последствиям. Многочисленные аварии на магистральных газопроводах и нефтепроводах, порывы магистральных теплотрасс в зиму 2002-2003 гг., грозившие перерасти в национальную катастрофу - все это следствия современных геодинамических движений.

Кроме того, многочисленными статистическими исследованиями установлено, что проживание или длительное нахождение в зонах тектонических нарушений, к которым по данным современных исследований тяготеют современные геодинамические движения, сопряжено с повышенным риском заболеваемости многими распространенными болезнями, в том числе сердечнососудистыми, онкологическими и другими [3]. Причем, риск по данным некоторых исследователей возрастает в 3-4 раза. Все сказанное свидетельствует о необходимости проведения диагностики геодинамической активности эксплуатируемых и вновь осваиваемых под застройку территорий. Данные о геодинамической активности на эксплуатируемых территориях позволяют принять меры к нейтрализации негативных последствий современных геодинамических движений путем реконструкции существующих объектов. Но особенно эффективных результаты диагностики на вновь осваиваемых территориях, где генеральные планы застройки могут быть согласованы со структурными особенностями участка, а необходимые конструктивные изменения будут

* Работа выполнена при поддержке РФФИ и Совета по грантам Президента Российской Федерации

предусмотрены проектами.

Методика диагностики геодинамической активности территории разработана с учетом видов современных геодинамических движений, закономерностей распределения их в пространстве и проявления во времени. В настоящей работе к современным геодинамическим движениям относятся движения, проявляющиеся в настоящее время и в период срока службы объекта недропользования.

Исследованиями выявлены два вида современных геодинамических движений: трендовые, сохраняющие длительное время относительно стабильные направления и скорость; цикличные, изменяющие периодически свои направления движения. Трендовые движения, укладывающиеся в продолжительные геологические или исторические временные рамки, известны давно. К ним примыкают длиннопериодные и среднепериодные цикличные движения, которые в мониторинговых наблюдениях при непродолжительном периоде наблюдений порой трудно отличить от трендовых. Важную роль в развитии природнотехногенных катастроф играют короткопериодные цикличные геодинамические движения выявленные экспериментально непрерывными наблюдениями с применением технологий спутниковой геодезии GPS.

С позиции проведения диагностики основополагающими являются следующие особенности современных геодинамических движений:

- приуроченность трендовых и цикличных движений к тектоническим нарушениям различных рангов;

- широкий спектр частот цикличных движений, охватывающий по экспериментальным данным от 30-60 сек. до нескольких часов и более;

- максимальные амплитуды смещений достигают по превышениям 100-110 мм, а по изменению длин векторов 50-65 мм, вызывая, соответственно, наклоны до 2,5*10"3 и деформации растяжения-сжатия до 1,2 10-3.

В соответствии с этими особенностями современных геодинамических движений, в задачу диагностики геодинамической активности участка недропользования входит:

- выявление структуры массива горных пород и местоположения тектонических нарушений различных рангов;

- изучение состояния и степени дезинтеграции массива горных пород, слагающих тектонические нарушения;

- определение численных значений параметров геодинамических движений.

Результаты диагностики в сопоставлении с допустимыми критериями деформируемых объектов недропользования позволяют произвести прогнозные оценки воздействия современной геодинамики на объекты и принять своевременные меры по предотвращению катастрофических явлений или снижению тяжести их последствий.

Диагностика производится поэтапно. На первом этапе создается тектоноструктурная модель участка недропользования. На этом этапе необходимо определить местонахождение тектонических нарушений, параметры их залегания, мощность, слагающие породы, состояние, в котором они находятся. Информационной базой для этой стадии могут служить результаты геологической разведки участка, материалы инженерно-геологических изысканий под конкретные объекты. При отсутствии инженерно-геологических данных, этот этап может быть совмещен с последующим изучением участка геофизическими методами.

В задачу второго этапа диагностики геодинамической активности территории входит выявление состояния тектонических нарушений геофизическими методами. Первоначально используется изучение распределения интенсивности радоновой эмиссии по диагностируемой территории. По этим данным уточняется тектоническое строение диагностируемого участка, полученное на первом этапе, и осуществляется первичная ранжировка геодинамической активности тектонических нарушений по интенсивности радоновой эмиссии.

Измерения интенсивности радоновой эмиссии производятся маршрутными съемками с помощью РГА-500, позволяющая производить экспресс измерения в отдельных точках. Информация пространственно координируется с помощью геодезического обоснования, разбиваемого на местности.

Следующий шаг диагностики состоит в углублении познания параметров, состояния и свойств пород тектонических нарушений методами электрометрии и спектрального сейсмопрофилирования.

Геоэлектрическая структурная модель диагностируемого участка, построенная на основе электрометрических исследований, существенно расширяет представление о строении массива горных пород. Однако эта модель носит опосредованную взаимосвязь с возможными геомехани-ческими процессами, отражая в большей мере структурные особенности.

Геомеханической информацией структурная модель обогащается с помощью спектрального

сейсмического профилирования (ССП). Метод ССП по своей сущности обеспечивает томографию массива горных пород по наличию в нем плоскостей нарушений, которые либо находятся в состоянии подвижности, либо достигли предельного состояния нарушения их устойчивости.

Следовательно, метод ССП дает геомехани-ческую информацию о состоянии массива горных пород и, что особенно важно, о наличии в массиве горных пород тектонических нарушений зон тиксотропии, в которых горные породы находятся в подвижном состоянии и имеют в массиве пониженные прочностные и деформационные характеристики.

Таким образом, информация о структуре массива горных пород и состоянии пород в зонах тектонических нарушений позволяет выделить на диагностируемом участке наиболее опасные тектонические нарушения, которые могут вызвать в объектах недропользования катастрофические нарушения. На завершающей стадии диагностики участка недропользования исследованию подвергаются те зоны, которые выделяют двумя предшествующими стадиями в качестве потенциально опасных для находящихся там объектов. На этой стадии определяются численные параметры, характеризующие геодинамические движения, а именно: скорости трендовых движений; амплитуда и частоты короткопериодных геодинамических движений. Для этих целей используются высокоточные геодезические методы измерений движений и деформаций земной поверхности и массива горных пород. Трендовые движения и деформации определяются на специальных наблюдательных станциях путем проведения нивелировок реперов наблюдательной станции и измерения горизонтальных смещений реперов, определяющих изменение расстояний между ними. Нивелировки осуществляются либо с помощью высокоточных нивелиров, удовлетво-ряющих

1. Sashourin A.D., Panzhin A.A., Kostrukova N.K., Kostrukov O.M. Field investigation of dynamic displacements in zone of tectonic breaking / Rock mechanics - a challenenge for society: Proceedings of the ISRM regional Simposium EUROCK 2001/Espoo, Finland 3-7 June 2001/Balkema 2001.- p.157-162.

требованиям к нивелировкам I и II класса, либо с применением технологии спутниковой геодезии GPS.

Горизонтальные смещения и деформации могут определяться с помощью светодаль-номерной техники, но более полную картину горизонтальных смещений и деформаций дают технологии спутниковой геодезии GPS, поскольку с их помощью можно определить полные вектора смещении каждого репера, а не только изменения расстояний между реперами.

Короткопериодные цикличные геодинамические смещения и деформации определяются путем проведения непрерывных наблюдений системами спутниковой геодезии GPS. Охватываемый исследованиями спектр частот зависит от периодичности съема данных. В рамках данной работы минимальная периодичность принималась равной 5 сек (0,2 герца).

Наиболее эффективно применение нескольких приемников, что дает значительное количество одновременно контролируемых отрезков между каждыми двумя реперами, на которых установлены приемники. Число таких отрезков определяется числом сочетаний по два из общего числа работающих приемников. В этом случае представляется возможность проследить параметры поля деформаций исследуемого участка в динамике.

Таким образом, параметры поля деформаций, полученные на завершающем этапе диагностики, дают четкое представление о деформационных процессах, протекающих на диагностируемой территории под влиянием современных геодинамических движений. Эти данные служат основой для прогнозных оценок развития природнотехногенных катастроф на объектах недропользования.

---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

2. Сашурин А.Д. Современная геодинамика и техногенные катастрофы // Геомеханика в горном деле: Доклады международной конференции 19-21.11.2002 г. - Екатеринбург: ИГДУрОРАН, 2003. - с. 180-191.

3. Кострюкова Н.К., Кострюков О.М. Локальные разломы земной коры - фактор природного риска. - М.: Издательство Академии горных наук, 2002. -239 с.

— Коротко об авторах ------------------------------------------

Сашурин А.Д. - доктор технических наук, зав. лабораторией, ИГД УрО РАН.