CC BY
77
УДК 911.2:528.9
ИЗУЧЕНИЕ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ В СОЛИГОРСКОМ ГОРНОПРОМЫШЛЕННОМ РАЙОНЕ ИННОВАЦИОННЫМИ ТЕХНОЛОГИЯМИ
Канд. геолог. наук, доц. МИХАЙЛОВ В. И.1, инженеры КОНОНОВИЧ С. И.2, ЧИБЕРКУСЮ. Н.2 , ТЕРЕШИНА О. Ю.2
1 Белорусский национальный технический университет, 2 ГНПО «НПЦ НАН Беларуси по биоресурсам»
Интенсивная разработка Старобинского месторождения калийных солей в течение 63 лет связана со значительными промышленными отходами, которые ежегодно увеличиваются в объемах и по площади. При эксплуатации месторождения возникают антропогенные геодинамические процессы в виде деформаций осадочных толщ, залегающих над горными выработками с образованием просадок земной поверхности глубиной до 4-5 м, происходящие на площади 150 км .
В результате новейших подвижек крупных блоков платформенного чехла намечается тенденция усиления тектонических движений. В 1978, 1983 и 1989 гг. в этом районе зарегистрированы землетрясения до четырех баллов по шкале Рихтера [1]. Наряду с выявленными сейсмическими явлениями, энергетический класс которых определяется современной мобильностью земной коры, обнаруживаются местные сейсмические явления (до 40 землетрясений в год) природно-техногенного происхождения. Эти землетрясения вызваны, вероятно, техногенной деятельностью (подработка месторождения, сосредоточение на дневной поверхности крупнотоннажных галитовых отвалов, шламов и водохранилища), оказывающей влияние на изменение геодинамического режима территории. Подъем активности местных землетрясений наблюдается в осенний и весенний периоды.
Совпадение относительно высокобалльных землетрясений и локальных сейсмических явлений с зонами повышенной активности новейших тектонических движений позволяет сделать предположение об их тесной генетической связи. Активные движения земной коры, ее ландшафт и местные землетрясения причин-
но связаны между собой. Все эти геодинамические явления находят свое отражение в рельефе земной поверхности и достаточно хорошо индицируются на материалах аэрокосмической съемки. Изложенные обстоятельства обусловливают применение в этом районе инновационных технологий (спутникового мониторинга) для изучения новейших и современных геодинамических процессов и явлений в комплексе с другими методами.
На современном этапе одним из основных способов регистрации геодинамических процессов могут быть натурные инструментальные измерения смещений в пространстве и во времени специально оборудованных точек земной поверхности - реперов наблюдательных станций, объединенных в сеть. Использование традиционных методик наблюдений за смещениями реперов наблюдательных станций не позволяет регистрировать изменения их местоположения с требуемой точностью и оперативностью, принципиально не решает задачу одновременного измерения трехмерных смещений реперов наблюдательных станций.
Возникшая в начале 1990-х гг. возможность использования системы спутникового позиционирования GPS позволила с высокой точностью измерять смещения точек земной поверхности в разовом режиме, в форме мониторинговых наблюдений и в режиме непрерывных наблюдений за короткопериодными деформациями массива горных пород. При этом следует отметить, что данные, полученные с использованием методов спутниковой геодезии, более информативны, так как измерения деформаций ведутся одновременно по трем координатам, а при использовании традиционных методов только в двух - в вертикальной плоскости и
Наука итехника, № 6, 2013
вдоль профильной линии. Реальные же векторы смещений реперов наблюдательной станции направлены в общем случае под углом к профильной линии, вследствие чего при измерениях деформаций с помощью традиционных методов затруднительно получить полный вектор смещений.
Первым шагом по созданию геодинамического мониторинга с использованием GPS-тех-нологий над современными геодинамически активными зонами Старобинского месторождения калийных солей стало создание в 2005 г. стационарной сети, расположенной в зонах тектонических разломов Краснослободского рудника.
Рис. 1. Схема расположения геодинамических реперов
Сеть включает четыре геодинамических репера, сооруженных по методике, близкой к методике польских ученых из Института геодезии и картографии [2], и расположенных в линию, перпендикулярную Краснослободскому разлому (рис. 1). Схематическое строение реперов 1-4, используемых для геодинамического GPS-мо-ниторинга, приведено на рис. 2.
Начиная с 2005 г. регулярно два раза в год проводились спутниковые геодезические наблюдения одновременно на всех четырех пунктах сети. До 2008 г. на всех пунктах сети устанавливали двухчастотные геодезические приемники серии Leica WILD GPS SYSTEM 200, а с 2008 г. измерения стали выполнять высокоточными двухчастотными и двухсистемными GPS-приемниками серии Leica GPS1200 (рис. 3).
Спутниковые приемники серии GPS1200 обладают уникальными возможностями отслеживания GPS-сигналов, широким выбором настроек и конфигураций для выполнения съемок в режиме реального времени и с постобработкой.
Чугунная Земная
крышка поверхность
Рис. 2. Схема строения геодинамического репера (все размеры даны в сантиметрах)
В приемниках серии GPS1200 реализованы уникальные технологии слежения и приема сигналов со спутников - SmartTrack и SmartCheck. Технология SmartTrack позволяет осуществлять захват сигналов всех видимых спутников за секунды, отслеживать спутники на малых углах возвышения, выполнять измерения в условиях множества сигналов. Кроме того, технология SmartTrack включает возможность работы с новыми типами GPS-сигналов, т. е. при вводе в эксплуатацию новых навигационных систем (например, планируемой Европейской космической системы) можно без изменения программных и аппаратных средств использовать при обработке сигналы с этих систем.
Реализация в приемниках технологии SmartCheck позволила выполнять измерения в режиме RTK (реального времени) более точно и расширила диапазон измерения с сантиметровой точностью до 30 км. Линии длиной 30 км и более можно измерять с частотой 20 Гц. Встроенная уникальная система мониторинга
Наука итехника, № 6, 2013
целостности проверяет все регистрируемые данные.
Таким образом, кроме высокоточных статических измерений, приемники серии GPS1200 могут использоваться практически для всего спектра геодезических задач: создания опорного обоснования, топографических съемок, инженерных изысканий, кадастровых съемок, выноса в натуру, мониторинга объектов, сейсмической разведки, решения многих других задач.
GPS-наблюдения на геодинамических реперах в районе Краснослободского разлома выполняли сетевым методом. Использовали режим измерений «Статика». Длину эпохи наблюдений устанавливали равной 30 с, выбирали исходя из рекомендаций фирмы-изготовителя GPS-оборудования и технических возможностей оборудования. Угол возвышения спутников, с которых принимали сигналы (угол засечки), устанавливали равным 10-15 град. (Угол 10 град. использовали на четвертом репере для увеличения числа принимаемых спутников, поскольку на этом репере условия приема GPS-сигналов были далеки от идеальных.) С целью исключения искажений, вносимых расположением фазового центра GPS-антенны, на каждый пункт сети всякий раз устанавливали один и тот же GPS-приемник и ориентировали его всегда в одном и том же направлении.
АнтеннаАТ1200
Клавиатура со стандартной раскладкой QWERTY
CF-карта
Аккумулятор
Рис. 3. GPS-приемник Leica GX1230
Программа каждой из ежегодной серии спутниковых наблюдений (GPS-измерений) состояла из нескольких сдвоенных, равных по времени сеансов наблюдений. Между сеансами наблюдений выполняли повторную установку и центрирование антенны. При этом изменение ее высоты, по сравнению с предыдущим сеан-
сом, составляло не менее 10 см. Длительность одного сеанса наблюдений продолжалась не менее 3 ч. По истечении заданного времени наблюдения повторно измеряли высоту прибора, производили запись данных наблюдений. В качестве опорного пункта был выбран репер 1. Предполагалось, что он неподвижен, и все изменения местоположения остальных трех реперов фиксируются относительно него. При последующей постобработке GPS-наблюдений выбирали фиксированные геоцентрические WGS 84-координаты первого репера, полученные в режиме Singlepoit solution в первой серии наблюдений. Во всех последующих сериях измерений координаты первого репера оставались неизменными, и от него вычисляли всевозможные базовые линии и координаты остальных трех реперов в геоцентрической системе координат WGS 84.
Для каждой серии наблюдений, после этапа вычислений WGS 84-координат реперов, уравнивание выполняли в программном модуле Adjustment программного обеспечения Leica Geosystems; использовались стандартные параметры для оценки наличия грубых ошибок в наблюдениях. Для сопоставления и анализа результатов наблюдений использовали уравненные координаты реперов в WGS 84. Для визуализации результатов измерений была построена проекция Меркатора с началом координат на репере 1 .
Уравненные координаты второго геодинамического репера, полученные в результате GPS-измерений, выполненных в 2008-2010 гг., представлены в табл. 1. В последней строке табл. 1 приводятся координаты второго геодинамического репера, вычисленные как средние из шести серий наблюдений.
Отклонения в миллиметрах от среднего значения (табл. 1, строка «Среднее») координат репера 2 для каждого из шести уравненных значений приведены в табл. 2. Из табл. 2 видно, что различия не превышают нескольких миллиметров и не превосходят паспортных точностных характеристик этого типа GPS-систем. Максимальное отклонение высоты репера составляет 2,9 мм, вычисленное из наблюдений, проведенных в сентябре 2009 г. Полученные смещения репера для этой серии наблюдений (2,2-2,9 мм) могут быть обусловлены как неко-
62
Наука итехника, № 6, 2013
торой геодинамической активностью в районе разлома, так и различающимися неконтролируемыми условиями съемки (состоянием атмосферы, ионосферы, солнечной активности, времени съемки). Аргументы в пользу объяснения той или другой причины смещений могут дать дополнительные систематические наблюдения с созданием новых пунктов геодинамической сети и привлечением современных методов обработки экспериментальных данных.
Ретроспективный анализ GРS-измерений на стационарных пунктах геодинамической сети в выбранной зоне тектонического разлома Крас-нослободского рудника показал достаточную
сходимость наблюдений и подтвердил возможность оперативной оценки местоположения пунктов геодинамической сети на миллиметровом уровне точности. Дисперсии измеренных координат геодинамических реперов значительно меньше паспортных точностных характеристик используемых GРS-систем и носят, по предварительным данным, случайный характер. Таким образом, на протяжении серий GPS-наблюдений не выявлено значимых изменений относительного местоположения реперов Крас-нослободского геодинамического полигона, превосходящих допустимые погрешности измерительных систем.
В Ы В О Д
Разработана методика ОР8-измерений на реперах, заложенных в районе Краснослобод-ского разлома, входящего в геодинамически активную зону Старобинского месторождения калийных солей. Данная методика показала высокую эффективность ОР8-наблюдений и подтвердила возможность оперативного определения пространственного положения фундаментальных пунктов геодезической сети на миллиметровом уровне точности.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Михайлов, В. И. Изучение местных сейсмических явлений по картам и аэрокосмическим снимкам / В. И. Михайлов, И. А. Тяшкевич, А. М. Боборыкин // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 1991. -№ 5. - С. 111-118.
2. Современные движения земной коры на территории Воложинского и Солигорского геодинамических полигонов (Беларусь) // А. В. Матвеев [и др.] // Лггасфера. -2002. - № 1. - С. 113-117.
Поступила 18.02.2013
Таблица 1
Уравненные координаты репера 2
Дата наблюдении Проекция Меркатора,
прямоугольные координаты, м
Восток (Y) Север (X) Высота
Сентябрь 2008 -1160.1548 1548.1073 204.4006
Ноябрь 2008 -1160.1526 1548.1066 204.4034
Июнь 2009 -1160.1502 1548.1049 204.4022
Октябрь 2009 -1160.1506 1548.1043 204.4047
Май 2010 -1160.1537 1548.1045 204.4055
Сентябрь 2010 -1160.1500 1548.1027 204.4046
Среднее 1160.1520 1548.1050 204.4035
Таблица 2
Отклонения координат репера 2 от среднего значения
Дата наблюдений Отклонение координаты, мм
Восток (Y) Север (X) Высота
Сентябрь 2008 2.82 -2.25 2.9
Ноябрь 2008 0.62 -1.55 0.1
Июнь 2009 -1.78 0.15 1.3
Октябрь 2009 -1.38 0.75 -1.2
Май 2010 1.72 0.55 -2.0
Сентябрь 2010 -1.98 2.35 -1.1
Наука итехника, № 6, 2013
