CC BY
1
omedia and seismic emission processes / V. N. Oparin [et al.] // Mining information and Analytical Bulletin. 2019. No. 11. p. 5 - 26.
9. Baranov S.V., Shebalin P.N. On forecasting aftershock activity. 1 Adaptive estimates based on the laws of Omori and Gutenberg - Richter // Physics of the Earth. 2016. No. 3. pp. 82-101.
10. Baranov S.V., Shebalin P.N. On forecasting aftershock activity. 2 Assessment of the area of propagation of strong aftershocks // Physics of the Earth. 2017. No. 3. pp. 43-61.
11. Smirnov V. B., Ponomarev A.V. Physics of transient modes of seismicity. Moscow: RAS, 2020. 412 p.
12. Kocharyan G.G., Budkov A.M., Kishkina S.B. On initiation of tectonic earthquakes during underground mining of deposits // Physico-technical problems of mineral development. 2018. No. 4. pp. 34 - 43.
13. Utsu T., Ogata Yu., Matsuura R. The centenary of the Omori formula for the law of attenuation of aftershock activity // Journal of Physics of the Earth. 1995. Vol. 43. p. 1 -33.
УДК 622.83:550.3
ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОЦЕНКЕ СОВРЕМЕННОЙ
ГЕОДИНАМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПРИ ПОМОЩИ МЕТОДИКИ СРЕДИННОГО ГРАДИЕНТА
Т.Ш. Далатказин, А.С. Ведерников, Д.В. Григорьев
Представлены результаты изучения возможности совместного применения одной из методик электроразведки и геодезического мониторинга для геодинамической оценки с поверхности напряженно-деформированного состояния массива. Современная геодинамическая активность опосредованно влияет на изменение значений кажущегося удельного электрического сопротивления массива, так как подвижки пород приводят к изменению объема заполненных водными растворами пор и трещин. Получаемые результаты являются предпосылкой для продолжения исследований по использованию электроразведочной методики срединного градиента в комплексе геодинамической диагностики.
Ключевые слова: массив горных пород, дизъюнктивные нарушения, современная геодинамическая активность, напряжённо-деформированное состояние, мониторинг, кажущееся удельное электрическое сопротивление, геофизика, электроразведка методом сопротивления, методика срединного градиента.
Как показывает практика и опыт, современная геодинамическая активность массива горных пород, его подвижность во времени является одной из значимых причин развития аварийных и катастрофических событий, возникающих на объектах недропользования [1, 2].
С целью заблаговременного определения рисков возникновения подобных нештатных событий, существует методика геодинамической диагностики массива - геодинамическое районирование - изыскания, нацеленные на выявление геодинамически активных зон, определение их
пространственных параметров, разделение по уровню современной геодинамической активности [3]. Зачастую для геодинамического районирования используют не только геодезические и геологические методы, но добавляют комплекс геофизических методов [4]. Каждый метод, не только геофизический, имеет свои плюсы и минусы. В зависимости от горногеологических условий в конкретном массиве комплекс методов диагностики различается.
В настоящее время в комплексе геодинамической диагностики используются в том числе методы электроразведки для определения и картирования различных дизъюнктивных нарушений сплошности массива. Например, для этого применяется электроразведочный метод сопротивлений установкой срединного градиента, дающий распределение электрических параметров массива (удельное электрическое сопротивление, поляризуемость и др.) в плане до некоторой глубины, зависящей от параметров установки [5]. Нами была предпринята попытка продуктивно использовать данную методику для мониторинга напряженно-деформированного состояния массива горных пород.
Институтом горного дела УрО РАН на протяжении многих лет выполняются комплексные геодезические и геофизические исследования проявлений современной геодинамики природного и техногенного происхождения на геодинамическом полигоне - горном массиве Сарановского месторождения хромитов в Пермском крае.
Для совершенствования и уточнения комплекса геодинамической диагностики были выполнены аналитические и практические исследования по применимости электроразведочной методики срединного градиента для наблюдений за изменением напряженно-деформированного состояния горного массива. Идея исследований заключается в сравнении и поиске соответствий распределения геодинамической активности во времени по методике срединного градиента и по результатам периодических геодезических измерений. Сравнение планируется по сериям измерений, производимых с некоторой периодичностью.
Измерения по методике срединного градиента выполнялись на участке в пределах вмещающего массива горных пород Сарановского месторождения хромитов, которое находится на западном склоне Урала в Горнозаводском районе Пермского края в 100 км к востоку от районного центра. Северный Сарановский массив, где в настоящее время эксплуатируется Главное Сарановское месторождение, протягивается в меридиональном направлении на 1,8 км при ширине 0,4 км и к северу постепенно погружается на глубину. Несколько меньшего размера Южный Сарановский массив расположен в 1 км южнее. Здесь ранее на ряде рудников также осуществлялась добыча хромитов, в настоящее время завершенная.
Сарановский ультраосновной массив, вмещающий месторождения, представлен двумя телами гарцбургитовых серпентинитов, залегающих
согласно среди филлитовых и кварц-хлоритовых сланцев кембрийского возраста. Северное тело протяженностью около 2,5 км и шириной 80 - 250 м имеет субмеридиональное простирание и преимущественно восточное падение [6].
Простирание полосчатости в рудовмещающих породах северной части Главного месторождения субмеридиональное (355...13°), падение крутое на Запад под углом 80... 85°). В центральной части оно становится северо-западным и характеризуется восточным падением под углом 65.80°. Простирание полосчатости к югу постепенно изменяется от 345 до 310°, а падение выполаживается до 30. 40°.
Юго-западная часть Северного тела сложена преимущественно ду-нитовыми серпентинитами, а с востока к нему примыкает небольшой массив габбро, вытянутый также в северо-западном направлении. Жильная серия пород представлена главным образом метаморфизованными диабазами и габбро-диабазами, секущими как серпентиниты, так и рудные тела. Простирание их северо-восточное или близкое к широтному, падение в основном северное под углом 55. 90°.
Согласно детальным геоморфологическим исследованиям в пределах горы Сарановская наблюдается молодая блоковая тектоника. Об этом свидетельствуют многочисленные особенности микрорельефа горы. Наиболее интенсивно неотектоника проявилась в районе Главного месторождения [7].
В основе изучения современной геодинамической активности в пределах конкретной территории лежит исследование деформационных процессов сдвижения и обрушения, сопровождающих многолетние подземные разработки месторождения. Систематический мониторинг осуществляется с применением традиционных и спутниковых методов геодезии.
Современное состояние развития процесса сдвижения на месторождении представлено мульдой сдвижения с характерными зонами:
- зоны обрушения и трещин;
- зоны плавных сдвижений и деформаций.
Подземная разработка на Центральном участке и на Южном фланге месторождения выразилась в развитии процесса обрушения на поверхности, сформировав две разделенные гипербазитовой дайкой зоны обрушения.
На Северном фланге месторождения, вследствие погружения отрабатываемых рудных тел на глубину более 100 м, подрабатываемая толща находится в устойчивом состоянии. Мульда сдвижения на Северном фланге представлена зоной плавных сдвижений и деформаций земной поверхности без разрыва её сплошности.
Современная геодинамическая активность влияет на объем пор и трещин пород, заполненных в той или иной степени водным раствором
различных солей, по сути являющимся электролитом. Следовательно, такие колебания приводят к изменениям значений кажущегося удельного электрического сопротивления массива [8]. Также следует учесть, что помимо геодинамической активности на формирование электропроводимости горных пород в приповерхностной части разреза существенно влияют метеорологические условия (атмосферные осадки, температура воздуха и т.п.), которые различны в периоды между сериями измерений. В то же время в конкретный момент их влияние на участок распределяется равномерно. Таким образом, в нашем случае на кажущееся удельное электрическое сопротивление горных пород в приповерхностной части массива влияют основная пара факторов - метеорологические условия и современная геодинамика. Для выделения только геодинамической составляющей значений кажущегося удельного электрического сопротивления при мониторинговых исследованиях по методике срединного градиента предложено использовать нормирование [9].
Для устранения влияния метеорологических факторов (в первую очередь обводненности от атмосферных осадков) на значения кажущегося удельного электрического сопротивления по участку изысканий по результатам исследований было выполнено нормирование полученных значений. Нормирование выполнено путем деления каждого значения кажущегося удельного электрического сопротивления на изучаемом участке на среднее значение кажущегося удельного электрического сопротивления по участку
к, / К . (1)
Параметры установки срединного градиента исходя из априорной информации были выбраны следующие - разнос АВ 160 метров, разнос МЫ 3 метра, шаг по профилю 3 метра, расстояние между профилями 10 метров. Измерения выполнялись с помощью электроразведочных генератора АСТРА-100 и измерителя МЭРИ-24. Производился полевой контроль качества измерений.
Карты распределения нормированных значений кажущихся электрических сопротивлений по участку исследований за 2019 г. и 2021 г. представлены на рис. 1, 2.
Затем из карты за 2021 год была вычтена карта за 2019 год. По полученным величинам построена карта, отражающая «результат» геодинамического процесса за период между сериями измерений (рис. 3).
Эта результирующая карта с целью установления возможных зависимостей между изменениями в полученном поле кажущегося удельного электрического сопротивления и изменениями в результатах геодезических измерений была сравнена с результатами геодезических измерений.
Красными окружностями на рис. 3 показаны актуальные геодезические реперы, попадающие на рассматриваемый участок. По результатам обработки геодезических измерений для данных реперов была составлена
таблица, в которой также приведены осредненные значения, полученные с результирующей карты, представленной на рис. 3.
Рис. 1. Карта нормированных значений кажущихся сопротивлений экспериментального участка, 2019 г.
Рис. 2. Карта нормированных значений кажущихся сопротивлений экспериментального участка, 2021 г.
Для наглядности по данным из таблицы были построены графики. Они представлены на рис. 4 (точки на графиках принадлежат межрепер-ным интервалам «7-17», «16-17» и «17-18» слева направо соответственно).
п
0,6 0,5 ,0,4
0,3 ^ 0,2 /
0,1
/
1Е-16
о
-ОД -0,2 -0,3 -0,4 -0,5 -0,6
Рис. 3. Карта распределения разницы нормированных значений кажущихся сопротивлений между измерениями 2021 и 2019 гг.
а) разница по нормированным значениям кажущегося электрического сопротивления 0Д6
6) наклоны линий, 1-0,001
в) изменения длин, мм
г) горизонтальные деформации, е-0.001
Рис. 4. Изменения на экспериментальном участке между геодезическими измерениями 2021 и 2019 гг.
При сравнении графиков, а и б, наблюдается схожий характер изменений параметров, а сравнивая графики, а и в (и зависящий от в график г) видна обратная зависимость. На межреперном интервале «7 - 17» при
практически нулевом изменении его длины наблюдается значительный наклон, что соответствует уменьшению нормированных значений кажущегося удельного электрического сопротивления. На межреперном интервале «16 - 17» наклон линии близок к нулю, и имеется сокращение его длины, что выражается в увеличении нормированных значения кажущегося удельного электрического сопротивления. На межреперном интервале «17 - 18» вновь отмечается наклон линии, а также значительное растяжение в горизонтальной плоскости, что приводит к небольшому увеличению нормированных значений кажущегося удельного электрического сопротивления.
Для определения структурных особенностей данного участка помимо площадных измерений по методике срединного градиента были проведены сейсмометрические исследования по методике преломленных волн [10].
Приведем некоторые результаты проведенных сейсморазведочных работ. Измерения были выполнены по профилю, проходящему по линии, соединяющей реперные точки 16-17-18. Вертикальные сейсмоприемники в количестве 24 штук были установлены с шагом 3 м вдоль профиля. Запись была произведена на 13 пунктах возбуждения, из которых четыре располагались на выносах за пределами сейсмокосы, а девять - в пределах сейсмической косы. На рис. 5 и 6 приведены скоростные разрезы по продольным и поперечным скоростям соответственно.
Ур, км/с
-10
_1_
о
_3_I_1_1_
10
20 30
_I_!__I I I_!_
40
. |
50
_1_
60 70
1 ■ ■ |_I_
80
3,20 2,80 2,10 2,00 1,60 1,20 0,30 0.10
Мй/с
Рис. 5. Скоростной разрез по продольным волнам (горизонтальная и вертикальная оси в метрах)
-10 о
-1—.1__I__1_1—1__1_1_
10
I
20 30 40 50 60 70
............................
80
_1_
1,60 1,40 1,20
11,00 0,80 0,60 0,40 0,20
Рис. 6. Скоростной разрез по поперечным волнам (горизонтальная и вертикальная оси в метрах)
На сейсморазрезах можно отметить наличие зоны снижения скоростей в районе отметок 30 - 50 м по профилю. Это примерно соответствует зонам пониженных сопротивлений в районе репера 17 на рис. 1 и 2. В ближайшем будущем запланированы дополнительные измерения - как сейсморазведочные, так и при помощи других геофизических методов. В частности, вызывает интерес протяженная зона пониженных сопротивлений на юго-восточной границе участка, в которой, судя по рис. 3, произошли наибольшие изменения между сериями электроразведочных исследований.
В связи с имеющейся малой выборкой безусловно делать однозначные выводы преждевременно. Однако представленные результаты являются предпосылкой для продолжения изучения применения мониторинговых наблюдений электроразведки методом сопротивлений установкой срединного градиента в исследованиях проявлений современной геодинамики.
Исследования выполнены в рамках Госзадания №075-00412-22 ПР, тема 3 (2022-2024), (FUWE-2022-0003), рег. No1021062010536-3-1.5.1.
Список литературы
1. Сашурин А.Д., Мельник В.В. Взаимосвязь геомеханики и недропользования с позиций законодательного определения термина «Недра». Горная промышленность. 2022;(1S):100-104. DOI: 10.30686/1609-91922022- 1S-100-104.
2. Горшков Л.К., Декусар З.Б. Геодинамическая нестабильность и природно-техногенные катастрофы // Геомеханика. СПБГУ. Санкт-Петербург, 2011.
3. Руководство по геодинамическому районированию шахтных полей. Межотраслевой научный центр ОАО ВНИМИ. Санкт-Петербург 2012. С. 116.
4. Геофизический мониторинг геодинамических процессов в земной коре / Н.Н. Гриб [и др.] // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2014. № 9-1. С. 145-149; URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=5805 (дата обращения: 21.05.2023).
5. Бакумцев А. А. Оптимизация методики электроразведки методом срединного градиента при изучении археологических объектов // Вестник ВГУ. Сер. «Геология». 2017. № 1. С. 115-118.
6. Геология СССР. Т. XII. Пермская, Свердловская, Челябинская и Курганская области. Полезные ископаемые / Под ред. К.К. Золоева. М.: Недра, 1973. 632 с. (Уральское территориальное геологическое управление).
7. Кизилов Г.И., Зимин И.А. Неотектоника и россыпи валунчатых хромитовых руд горы Сарановской // Минералы и минеральное сырье гор-
нопромышленных районов Урала. Свердловск: УрО АН СССР. 1989. С.134.
8. Тагильцев С. Н., Чередниченко А. В., Мельник В. В. Комплекси-рование методов гидрогеомеханики, электроразведки и биолокации для выбора мест заложения гидрогеологических скважин // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2020. № 3-1. С. 224-234. DOI 10.25018/0236-1493-2020-31-0-224-234. EDN MQEHSR.
9. Далатказин Т.Ш., Коновалова Ю.П., Ручкин В.И. Мониторинг поля радоновых эманаций в зоне техногенного воздействия // Проблемы недропользования. 2016. Вып. 4. С. DOI: 10.18454/2313-1586.2016.04.097.
10. Воскресенский М. Н. Инженерные сейсмические изыскания в различных грунтовых условиях // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2022. № 5-1. С. 56-69. DOI 10.25018/0236_1493_2022_51_0_56. EDN ZYBBOM.
Далатказин Тимур Шавкатович, канд. техн. наук, зав. лаб., [email protected], Россия, Екатеринбург, Институт горного дела УрО РАН,
Ведерников Андрей Сергеевич, науч. сотр., [email protected], Россия, Екатеринбург, Институт горного дела УрО РАН,
Григорьев Данила Вячеславович, науч. сотр., [email protected], Россия, Екатеринбург, Институт горного дела УрО РАН
STUDIES ONESTIMA TING MODERN GEODYNAMIC ACTIVITY WITH ELECTRIC MEDIUM GRADIENT METHOD
T.Sh. Dalatkazin, A.S. Vedernikov, D.V. Grigoriev
The article presents the results of studying the possibility of joint application of one of the techniques of electrical exploration and geodetic monitoring for geodynamic assessment of the stress-strain state of the massif from the surface. Modern geodynamic activity indirectly affects the change in the values of apparent electrical resistivity of the array, as the movement of rocks leads to changes in the volume of pores and cracks, which are often filled with aqueous solutions. In addition, the distribution of electrical properties of rocks in the near-surface part of the section is influenced by meteorological conditions. At the same time, the influence of meteorological conditions on the section is distributed uniformly, and in order to exclude the influence of their change between observation series, it is proposed to use normalization of measured values of apparent resistivity of rocks. The results obtained are a prerequisite for the continuation of research on the use of the median gradient methodology in the complex of geodynamic diagnostics.
Key words: rock mass, disjunctive disturbances, modern geodynamic activity, stressstrain state, monitoring, apparent electrical resistivity, geophysics, electrical resistivity exploration.
Dalatkazin Timur Shavkatovich, candidate of technical sciences, head of the lab., [email protected], Russia, Yekaterinburg, Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,
Vedernikov Andrey Sergeevich, scientist. officer, [email protected], Russia, Yekaterinburg, Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,
Grigoriev Danila Vyacheslavovich, scientist. officer, danilging@,gmail.com, Russia, Yekaterinburg, Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
Reference
1. Sashurin A.D., Melnik V.V. The relationship of geomechanics and subsoil use from the standpoint of the legislative definition of the term "Subsoil". Mining industry. 2022;(1S):100-104. DOI: 10.30686/1609-9192-2022-1S-100-104.
2. Gorshkov L.K., Dekusar Z.B. Geodynamic instability and natural and man-made disasters // Geomechanika. St. Petersburg State University. St. Petersburg, 2011.
3. Guide to geodynamic zoning of mine fields. Intersectoral Research Center of VNIMI OJSC. St. Petersburg 2012. p. 116.
4. Geophysical monitoring of geodynamic processes in the Earth's crust / N.N. Grib [et al.] // International Journal of Applied and Fundamental Research. 2014. No. 9-1. PP. 145149; URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=5805 (date of reference: 05/21/2023).
5. Bakumtsev A. A. Optimization of the technique of electrical exploration of the median gradient method in the study of archaeological objects // Vestnik VSU. Ser.: Geology. 2017. No. 1. pp. 115-118.
6. Geology of the USSR. Volume XII. Perm, Sverdlovsk, Chelyabinsk and Kurgan regions. Minerals. Ed. Volumes K.K. Zolo-ev. M. "Nedra", 1973. 632s. (Ural Territorial Geological Department).
7. Kizilov G.I., Zimin I.A. Neotectonics and placers of boulder chromite ores of the Saranovskaya mountain // Minerals and mineral raw materials of mining districts of the Urals. Sverdlovsk: Ural Branch of the USSR Academy of Sciences. 1989. p.134.
8. Tagiltsev S. N., Cherednichenko A.V., Melnik V. V. Integration of methods of hydrogeomechanics, electrical exploration and biolocation for the selection of sites for laying hydrogeological wells // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2020. No. 3-1. pp. 224-234. DOI 10.25018/0236-1493-2020-31-0-224-234. EDN MQEHSR.
9. Dalatkazin T.Sh., Konovalova Yu.P., Ruchkin V.I. Monitoring of the radon emanation field in the zone of technogenic impact // Problems of subsurface use. 2016. Issue 4. S. DOI: 10.18454/2313-1586.2016.04.097.
10. Voskresensky M. N. Engineering seismic surveys in various ground conditions // Mining information and analytical bulletin (scientific and technical journal). 2022. No. 5-1. pp. 56-69. DOI10.25018/0236_1493_2022_51_0_56. EDN ZYBBOM.
