Мониторинг плотностного состояния геологической среды Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

© И.Б. Мовчан, М.В. Койро, Д. С. Кузнецова, 2005

УДК 550.838

И.Б. Мовчан, М.В. Койро, Д. С. Кузнецова

МОНИТОРИНГ ПЛОТНОСТНОГО СОСТОЯНИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ

Семинар № 2

Постановка задачи А ктуальность темы определяется -/л.двумя факторами. Во-первых, интенсивным развитием строительства в крупных промышленных и культурных центрах России. Здесь ряд инженерных аспектов, в частности, состояние грунта, нередко приносятся в жертву соображениям экономической целесообразности. Во-вторых, проведением исследования параметров геологической среды на начальном этапе строительных мероприятий. Вместе с тем, геологическая среда сама по себе может быть нестационарной в силу, например, сезонных процессов протаивания и промерзания верхней части разреза. Дополнительно к естественным процессам давление наземных конструкций, вибрация со стороны подземного и наземного транспорта, ремонтно-строительных мероприятий, меняют напряженное состояние геологической среды.

Очевидна потребность в мониторинговых методах оценки, в частности, плотно-стной динамики геологической среды, сочетающие: доступную инструментальную базу; возможность выполнения площадных измерений; быструю обработку и интерпретацию их результатов. Последний пункт связан с разработкой формальных методов пересчета поверхностных измерений в геологическое полупространство. Кроме того, необходимо выбрать для опытных работ полигон, где имеется большинство факторов, определяющих нестационарность геологической среды:

метро, развитая сеть трещиноватости, строительство жилых кварталов, неглубоко залегающие грунтовые воды.

Измерения и первичная интерпретация их результатов

В качестве такого полигона рассмотрен Васильевский остров С.-Петербурга, половину которого составляет насыпная часть, примыкающая к Финскому заливу. В пределах острова ведутся строительные работы, как в его центре, на естественном грунте, за счет демонтажа старого жилого фонда, так и вдоль побережья, в насыпной части острова. В течение последнего года в пределах острова активно проводится ремонт дорожного покрытия и обновление трамвайных путей. Геологический объем полигона иссечен системой трещин преимущественно северо-восточного простирания (рис. 1, в), из которых наиболее протяженная трещина, заложенная вдоль юго-восточной границы острова и ориентированная вдоль русла Невы, рассматривается нами как трещина глубинного заложения. К территории работ подходит ветка метро, проложенная под руслом Невы субортогонально плоскости этой трещины. Материалы родоновой съемки демонстрируют приуроченный к Васильевскому острову минимум эманаций, что косвенно указывает на отсутствие естественной активизации дизъюнктивов.

Метод мониторинга представлен измерениями напряженности гравитационного поля маятниковым способом в его классической реализации [1]. Сеть измерений со-

Рис. 1. Первичные результаты гравитационных исследований по Васильевскому острову: а - в

марте, б - в мае, в - в сентябре 2004 г, правый и левый нижние углы карты - моделирование подсветки поля g ( х, у ) , верхний левый угол карты -

роз-диаграмма поля; г. - карта трещиноватости. Прямоугольники - просадки зданий. Измерительные пикеты обозначены звездочками на рис. 1, а.

ставлена 65 пикетами (рис. 1, а), равномерно распределенными по площади полигона для достоверной оценки структуры гравитационного поля. На каждом пикете выполнялось от 3 до 5 измерений периода колебаний с последующим расчетом его средней величины и относительной погрешности, которая не превышала 10 %. Территория работ поделена на полигоны, к вершинам которых приурочены измерительные пикеты: при проведении эксперимента контур полигона обходился по или против часовой стрелки с возвращением на один из исходных пикетов для оценки «смещения нуля» под влиянием на маятник температуры и напряжений. Из-

мерительные работы выполнены нами в марте, мае и сентябре 2004 года.

Результаты измерений представлены тремя картами изолиний гравитационного поля, значения напряженности g (х, у)

которого выражены в м/сек2 с точностью до третьего знака после запятой (рис. 1, ав). В структуре поля отчетливо выделяются четыре области: две - с повышенными значениями напряженности и две с пониженными. Зоны резкого пространственного градиента, разделяющие эти области, практически не меняют свою конфигурацию и простирание, как и особенности поля, относящиеся к области его повышенных значений и приходящиеся на часть Васильевского острова с естественным основанием. Насыпная часть острова, маркирующаяся зоной пониженных значений g (х, у), характеризуется заметной

временной нестационарностью зафиксированных экстремумов. Наибольшая временная нестационарность в структуре измеренного гравитационного поля свойственна участкам, где реализуется реконст-

рукция старого жилого фонда (в северовосточной части острова) или строительство нового жилья (в северо-западной части полигона), а также, - где проходит ветка метро. Сопоставление карт гравитационного поля (рис. 1, а-в) с фрагментом карты трещиноватости (рис. 1, г) отражает прямые пространственные корреляции между положением выраженных зон пространственного градиента поля и протяженными дизъюнктивами. Расчеты, как и визуальные оценки, показывают, что временная изменчивость гравитационного поля наиболее выражена в юго-восточной части Васильевского острова, что теоретически может быть связано с антропогенной активизацией подвижек вдоль плоскости трещины, простирающейся параллельно руслу Невы. На антропогенную природу активизации косвенно указывают минимум родонового фона, наличие ветки метро и интенсивных ремонтно-строительных работ. О наличии самой активизации подвижек вдоль плоскости этой трещины косвенно свидетельствуют трещины по фасаду зданий, просадки и растрескивания дорожного покрытия, значительный перекос несущих элементов зданий, наиболее выраженные в юговосточной части Васильевского острова (рис. 1, г).

Дополнительно нами выполнена компьютерная обработка измеренного гравитационного поля, результаты которой условно разделены на первичные и детальные. Первичная обработка ориентирована на анализ структурных особенностей площадного сигнала. Здесь исключены пересчеты измеренного гравитационного поля в различные редукции (изоста-тические, Буге и Фая): абсолютные высоты измерительных пикетов невелики (не превышают 50 м), рельеф дневной поверхности слабо дифференцирован, площадь исследуемого полигона мала. Фокус сделан на расчет роз-диаграмм доминирующих простираний изолиний в картах гравитационного поля g (х, у) и его полутоновые представления для наглядного

описания временной динамики этого поля. Построения роз-даграмм основаны на автокорреляционных функци-

ях

+ед +ед

к(тх,ту)= | |gу)■ g(х-тх,у-ту)хау ,

структура которых (рис. 1, а-в) симметрична относительно центрального экстремума. Алгоритм выделения доминирующих простираний опирается на распознавание локальных экстремумов, симметричных относительно центрального, и оценку их размеров и удаленности от центрального экстремума. Полутоновые

представления являются аналогом фильтрации площадного сигнала по направлениям и ориентированы на подчеркивание в структуре этого сигнала протяженных элементов методом моделирования подсветки и Ламбертова рассеяния [2]. Протяженные элементы в структуре гравитационного поля (рис. 1, а-в) подчеркиваются тенями и субортогональны направлению подсветки. Результаты первичной обработки подтверждают изменение во времени доминирующих простираний в изолиниях гравитационного поля, а также заметное изменение степени протяженности отдельных структурных элементов этого поля. Наряду с выделенными временными вариациями амплитуды напряженности гравитационного поля, эти факты косвенно свидетельствуют о наличии как вертикальных, так и горизонтальных (сдвиговых) смещений, в основном, по плоскости дизъюнктивов под действием антропогенной нагрузки.

Реконструкция структурного разреза

Составляет детальную обработку измеренного гравитационного поля. Основанием для этой процедуры служат два алгоритма, апробированные на некоторых геологических объектах. Первый предполагает расчет нормированного гравитационного поля в области геологического полупространства с использованием автокорреляционной функции поля и его последующего покомпонентного разделения.

А

БА

Б

А

Б

Второй алгоритм опирается на методику Цирульского А.В. аппроксимации наблюденного гравитационного поля системой подобных по природе откликов от семейства материальных стержней. Объединение этих двух подходов и авторских усовершенствований, ориентированных на оптимизацию пересчетов, привело к созданию авторской программной разработки, результаты которой даны на рис. 2. Он содержит структурную реконструкцию разреза по линии профиля А-Б, отмеченного на рис. 1, г. Изолиниями обозначено нормированное гравитационное поле, косвенно отражающее распределение плотно -сти в геологическом полупространстве. Наложенные на изолинии жирные отрезки обозначают подобранное семейство материальных стержней. Опыт использования этих алгоритмов показывает их эффективность при реконструкции син- и анти-

Рис. 2. Формальная реконструкция структурного разреза по профилю А-Б: а - состояние на март, б - на май, в - на сентярь 2004. Пояснения к рисунку см. в тексте

форм, ступенеобразных структур, определении глубины залегания аномалеобра-зующего объекта. В данной задаче рис. 2 иллюстрирует наличие временной плотно-стной динамики в геологическом полупространстве вплоть до глубин 400-500 м. Система материальных стержней определяет приблизительную геометрию и глубину залегания подошвы этой динамической области.

Резюме

Взаимодействие естественных, в том числе, сезонных процессов с активным антропогенным воздействием определяет ненулевую временную динамику геологической среды до глубин 400-500 м. Разработана методика, позволяющая в мониторинговом режиме оценить эту динамику по латерали и по разрезу геологической среды.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Веселов К.Е. Абсолютные измерения силы тяжести. Гравиразведка. М., 1990.

2. Dods S.D. The new series of 1:1 000 000-scale magnetic anomaly maps of the Geological Survey of

Canada. The Utility of Regional Gravity and Magnetic Anomaly Maps. Tulsa, 1985.

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

Мовчан И.Б. - кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры геоэкологии, КойроМ.В. - студент, кафедра «Технология и техника разведки месторождений», КузнецоваД.С. - студентка, кафедра «Инженерная защита»,

Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет).

© С. В. Глебов, 2005 71