CC BY
42
© Б.А. Закрсвский, М.Ю Богак, 2007
УДК 550.83.04 (477.61/62)
Б.А. Закревский, М.Ю. Богак
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ПРИМЕНЕНИЯ ЭМАНАЦИОННОЙ СЪЕМКИ ПРИ ИССЛЕДОВАНИЯХ НА ПОДРАБАТЫВАЕМЫХ ТЕРРИТОРИЯХ
Семинар № 3
Зманационная съемка - это полевой радиометрический метод, основанный на изучении пространственного распределения концентраций свободной эманации радиоактивных газов радона Нп222 и то-
'Т 220
рона 1п в приповерхностном слое грунтов. Ввиду очень короткого периода жизни изучение актинона Ап219 в практике почти не выполняется [1].
Эманационная съемка производится с целью прослеживания скрытых под наносами зон тектонических нарушений, прогноза развития оползневых процессов, выявления участков развития деформаций земной поверхности при формировании мульды сдвижения над отработанным горными выработками пространством [2].
Предпосылкой применения эмана-ционной съемки в комплексе инженерно-геофизических методов разведки при инженерно-технических изысканиях на подрабатываемых территориях является возникновение зон напряженно-деформированного состояния массива горных пород вследствие ведущихся в нем горных работ.
Локальное напряженно-деформированное состояние приводит к возникновению в массиве акустических, магнитных, электрических и некоторых других физических явлений, приводящих к резкому увеличению естественного импульсного электромагнитного поля Земли и эманирующей
способности радиоактивных газов при кларковом содержании в массиве горных пород радиоактивных элементов [3].
Считается, что аномалии радиоактивных газов вблизи земной поверхности возникают вследствие их диффузии из массива скальных пород по трещинам, возникшим в результате тектонической деятельности и антропогенного воздействия. Однако пробег радона и, особенно, торона в массиве незначителен, для радона он исчисляется первыми метрами, а для торона - сантиметрами.
Следует также учесть, что радон и торон хорошо растворимы в воде, следовательно, при высоком уровне залегания грунтовых вод проникновение этих газов к земной поверхности несколько проблематично.
В результате теоретических проработок и выполненных в значительных количествах опытно-методических работ авторы приняли рабочую гипотезу, что радон и торон выделяются непосредственно в приповерхностном слое грунтов в результате увеличения их эманирующей способности под воздействием акустических, магнитных, электрических и других физических явлений.
Следует отметить, что массив горных пород чутко откликается даже на сравнительно слабые техногенные нагрузки, особенно динамические. При
относительно слабых вибрационных нагрузках нами неоднократно отмечалось возрастание концентрации радиоактивных газов в пробах почвенного воздуха в 3-5 раз, после снятия динамических нагрузок концентрация радиоактивных газов плавно релак-сирует и через 15-25 минут возвращается к исходному уровню.
Предложенная нами рабочая гипотеза позволяет объяснить значительные концентрации радона и торона в пробах почвенного воздуха при мощности покровных отложений в 50-100 и более метров и при уровне грунтовых вод от 1,5 до 15 м.
В практику инженерно-технических изысканий на подрабатываемых территориях Донбасса для целей строительного проектирования эма-национная съемка начала широко внедряться в 1975 году. На первом этапе внедрения эманационной съемки в практику изысканий основной целью было получение дополнительных сведений о тектоническом строении застроенных и застраиваемых территорий.
Однако в процессе теоретических и практических исследований были выявлены широкие возможности этого метода, особенно после комплексирования с другими геолого-геофи-зическими методами разведки.
В комплексе с другими по природе геофизическими методами стало возможным применять эманационную съемку для выявления в геологическом разрезе пустот и зависаний, связанных с естественными и техногенными причинами (карст, старые горные выработки), успешное применение метод нашел при изучении оползнеопасных склонов естественного и искусственного происхождения и т.д.
Следует отметить, что эманацион-ные аномалии не всегда совпадают с положением в плане выходов под
рыхлые отложения дизъюнктивных тектонических нарушений, поэтому было введено понятие “геодинамическая зона”. Это происходит преимущественно на кулисообразных в плане тектонических нарушениях, где максимальная концентрация напряженно-деформированного состояния примыкает к вогнутой части нарушения.
Непосредственно на выходе такого тектонического нарушения под рыхлые отложения отмечается область разгрузки массива горных пород ввиду наличия участков нарушения сплошности горных пород и отсутствия, следовательно, напряженного состояния.
В понятие “геодинамическая зона” вкладывается участок земной поверхности, в пределах которого под воздействием опасных физико-геологических процессов и явлений возникает напряженно-деформированное состояние массива горных пород.
Активизация напряженно-деформированного состояния массива горных пород приводит к пластическим и остаточным деформациям земной поверхности и расположенным на ней зданий и сооружений.
Для проверки корректности решения прямых задач в качестве модели в натуральную величину авторами выбраны оползневые склоны северного берега Азовского моря с быстро протекающими деформациями массива горных пород и наличием значительного количества участков напряженно-деформированного состояния массива. Долговременные режимные наблюдения на оползневых и оползнеопасных участках этого региона позволили выявить ряд интересных закономерностей развития геофизических полей и выработать интерпретационные критерии для исследований на подрабатываемых территориях Донбасса [4].
В прибровочной ненарушенной части склона по всем наблюдаемым участкам выявлены характерные однотипные аномалии геофизических полей. По одному из исследованных участков в процессе развития оползня, в пределах выявленной аномальной зоны произошел закол очередного блока и быстрое его смещение, как в плане, так и по высоте. При этом смещению предшествовала существенная перестройка всех геофизических полей, резкое снижение амплитуды аномалий.
В нарушенной части склона на теле оползня выявлены локальные аномалии геофизических полей характерного строения, соответствующие погребенным древним плоскостям скольжения. Три из этих плоскостей скольжения не были выявлены предшествующими ин-женерно-геологи-ческими изысканиями, но были позже подтверждены выполненными целевыми пенетрацион-ными исследованиями, проведенными по результатам наших работ.
Интересным представляется сопоставление результатов режимных геодезических и геофизических наблюдений на теле оползня с явно выраженным контрфорсом. Большая часть тела оползня подвергалась опус-канию со скоростью 4-18 см/мес., средний же блок, испытывая оползневое давление со стороны верхней части оползня и противодействие со стороны контрфорса, подвергался поднятию со скоростью 2-5 см/мес.
По опускающейся части оползня зафиксированы преимущественно тороновые аномалии, при этом, чем выше была скорость опускания, тем выше было содержание торона в почвенном воздухе. По всей площади выпучивающегося блока зафиксированы радон-тороновые аномалии, при этом, чем выше была скорость поднятия того или иного участка, блока, тем выше была доля радона в газовой смеси.
Одновременно с геофизическими исследованиями институтом ВСЕГИН-ГЕО выполнялись работы по изучению напряженно-деформирован-ного состояния массива грунтов методом разгрузки. Сопоставление материалов эманационной съемки с материалами, полученными ВСЕГИНГЕО, показало хорошее совпадение результатов исследований.
С целью установления участков, где возможны изменения геодинамической активности массива горных пород под воздействием естественных динамических нагрузок на этом же оползневом участке была предпринята попытка установить взаимосвязь между лунносолнечными приливами и характером изменения аномалий геофизических полей. Для этого было оборудовано 27 стационарных пикетов, по которым с интервалом 3-4 часа в течение 2 суток выполнялись режимные геофизические исследования.
Работы выполнялись в полнолуние с фиксацией моментов восхода и захода Солнца и Луны. По 24 пикетам отмечены синусоидальные изменения амплитуды аномалий геофизическим полей с двумя четко выраженными максимумами и двумя минимумами в течение одних суток, по 3 пикетам концентрация радиоактивных газов в пробах почвенного воздуха оставалась практически стабильной [5, 6].
Аналогичные исследования по 12 стационарным пикетам с интервалом 2-3 часа в течение 72 суток были выполнены в процессе геолого-геофи-зических изысканиях на подработанной площадке квартала 102 г. Дзержинска Донецкой области. Основные результаты по всем отработанным пикетам полностью совпали с результатами исследований на оползневом участке, что позволяет сделать вывод об изменении геодинамической активности массива горных пород под
воздействием естественных динамических нагрузок.
Следует отметить, что в течение 2 суток по контрольным точкам, расположенным в аномальной зоне, происходило плавное непрерывное возрастание амплитуды аномалий геофизических полей, особенно СГДК-ЭС и ЕИ-ЭМПЗ, после чего произошел резкий срыв и характер аномалий восстановился, что свидетельствует о резком снижении уровня напряженно-деформированного состояния массива горных пород. Время резкого снижения амплитуды аномалий геофизических полей совпало с катастрофическим землетрясением в Карпатах на территории Румынии.
По контрольным точкам, расположенным вне аномальных зон, в период подготовки землетрясения и в момент его существенные закономерные изменения амплитуды аномалий не отмечены.
Впоследствии аналогичная перестройка аномалий геофизических полей была получена перед катастрофическим землетрясением в Армении. Таким образом, был получен “побочный” результат, свидетельствующий о возможности применения
геофизический методов разведки для решения не только локальных, но и глоббжаиьтрзаначнекоторые различия в механизме формирования зон напряженно-деформированного состояния массива горных пород, большую часть методических приемов, примененных при изучении оползневых и оползнеопасных участков Северного Приазовья, удалось применить при комплексных геолого-геофизических исследованиях на подрабатываемых территориях Донбасса [7].
Чувствительность метода эманаци-онной съемки настолько высока, что позволяет зафиксировать изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород уже на
начальной стадии выемочных работ по пласту полезного ископаемого, задолго до возникновения регистрируемых маркшейдерскими наблюдениями смещений дневной поверхности. В процессе горных работ эманационные аномалии постоянно изменяются, их линейные размеры и амплитуда увеличиваются.
Достаточно уверенно прослеживаются границы будущей мульды сдвижения. В этих местах формируются характерные изометричные аномалии эманационного поля с преобладающим содержанием в пробах почвенного воздуха торона, соответствующие зонам растяжения массива горных пород.
Непосредственно над выемочным пространством отмечаются хаотичные резко дифференцированные эманационные аномалии с чередованием участков преобладающего содержания радона и торона, т.е., здесь имеет место чередование зон сжатия и растяжения массива горных пород.
В процессе формирования мульды сдвижения происходит постоянная перестройка эманационных аномалий с постепенным снижением ее амплитуды, радон-тороновое соотношение сглаживается. В этот период практически невозможно выделить зоны сжатия и растяжения массива горных пород. Возвращение эманационных аномалий к уровню, существовавшему до начала горных работ в недрах площадки происходит через полтора - два года после окончания выемки полезного ископаемого и обрезки крепи.
Высокая информативность метода эманационной съемки позволяет применять ее для долговременного прогноза опасных физико-геологических процессов, протекающих в массиве горных пород и грунтов.
В качестве примера долговременного прогноза этих процессов можно привести результаты изысканий на тер-
ритории нынешней Святогорской Успенской православной Лавры, в то время - санаторий им. Артема
В процессе инженерно-техничес-ких изысканий в 1978 году на участке береговой линии протяженностью 2,5 км по результатам эманационной съемки по сети 1х1 м. был выделен единственный участок размером 12,5х 18,0 м., в пределах которого было возможным образование небольшого по размерам циркообразного оползня.
В 1998 году в этом месте произошла активизация оползневого про-цесса. В результате движения оползня была перекрыта асфальтированная автодорога, идущая вниз по течению реки. Контур оползня очень точно совпал с выделенными нами границами аномального оползнеопасного участка.
Приведенные примеры свидетельствуют о высокой информативности метода эманационной съемки и его при-
1. Нагля В.В., Овчинников Л.И. Радиометрические и ядернофизические методы разведки. - М.: Недра, 1982. 343 с.
2. Ляховицкий В.И., Хмелевской В.К., Яценко 3.Г. Инженерная геофизика. - М.: Недра, 1989.- 262 с.
3. Балек В., Тёльаеши Ю. Эманационно-термический анализ. Применение в химии твердого тела, аналитической химии и технике: Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 368 с., ил.
4. Ильницкий К.Н., Закревский Б.А., Вербин В. П. Возможности эманационной съемки при инженерно-геологических изысканиях в оползнеопасных районах. В сб. Специальные инженерно-геологические и геофизические работы в оползневых и сейсмоопасных районах. Киев, Общество "Знание", 1977, с. 20-21.
5. Закревский Б.А. К вопросу о взаимо-
годности для составления долгосрочных прогнозов развития опасных физико-геологических процессов и явлений в массиве горных пород, в частности, провальных явлений и сдвижения горных пород над пустотами техногенного и естественного происхождения, а также оползневых явлений на естественных и искусственных склонах.
Особую ценность метод приобретает в комплексе с методами естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ), радиокомпариро-вания и пеленгации (РадиоКИП) и маркшейдерскими наблюдениями за смещениями дневной поверхности.
В этом случае появляется возможность составления количественных оперативных и долгосрочных прогнозов сдвижения дневной поверхности при активизации опасных физикогеологических процессов и явлений, протекающих в массиве горных пород.
-------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
связи деформаций земной поверхности с аномалиями геофизических полей. - В сб. Научные труды ВАГО. Геодезические работы на подрабатываемых территориях. - М.; изд. ВАГО, 1987.- с. 53-57.
6. Закревский Б.А., Антюхов А.А. Применение эманационной съемки при изучении зональности распределения напряжений в оползневых склонах побережья Азовского моря. - В сб. Инженерно-технические изыскания и проектирование фундаментов в Донбассе. - Донецк, 1981. - с.24-26.
7. Закревский Б.А. Опыт применения геофизических методов для целей строительного проектирования на подрабатываемых территориях Донбасса. - В сб. Инженерно-технические изыскания и проектирование фундаментов в Донбассе. - Донецк: 1981. - с.27-29.
— Коротко об авторах-----------------------------------------------------------
Закревский Б.А., Богак М.Ю. - Украинский государственный научно-иссле-
довательский и проектно-конструкторский институт горной геологии, геомеханики и мар кшейдерского дела НАН Украины (УкрНИМИ), г. Донецк.
