CC BY
369
ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О СОВРЕМЕННЫХ ДВИЖЕНИЯХ ЗЕМНОЙ КОРЫ
Ольга Игоревна Некрасова
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры высшей геодезии СГГА, тел. (383)343-29-11, e-mail: olyanek@yandex.ru
Выполнен обзор влияния современных движений земной коры.
Ключевые слова: современные движения земной коры, мониторинг деформаций.
GENERAL CONCEPTS OF THE CURRENT EARTH’S CRUST MOVEMENT
Olga I. Nekrasova
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo Str., post-graduate student, department of advanced geodesy, tel. (383)343-29-11, e-mail: olyanek@yandex.ru
The article is devoted to the current earth’s crust movement effect.
Key words: current earth’s crust movement, deformations monitoring.
Наша планета - это сложный, постоянно меняющийся организм, развивающийся по не зависящим от человека законам. Энергия внутри Земли вызывает непрерывные процессы в ее недрах, которые находят для нас отражение
в виде деформаций земной коры и земной поверхности.
Геодезические методы в геодинамических исследованиях играют важную роль. На результаты геодезических наблюдений значимое влияние оказывает меняющееся гравитационное поле. Значимые вертикальные смещения точек земной поверхности и смещения уровенных поверхностей во времени могут возникать, в частности, при разработке крупных месторождений полезных ископаемых. Большие воздействия на приповерхностный слой Земли и изменения силы тяжести вызывают перемещения больших масс пород при крупномасштабных различных горных работах [1].
Под действием внешних природных и техногенных факторов породы могут проявлять свойства необратимости деформирования. Заложенные в верхние слои коры геодезические центры и реперы должны сохранять свою устойчивость во времени и не подвергаться влиянию различных процессов и изменению свойств породы [2].
В настоящее время техногенная деятельность человека по своим последствиям становится сопоставимой с последствиями естественных геодинамических процессов. Любые нарушения геодинамического равновесия на Земле сопровождаются не всегда объяснимыми и предсказуемыми последствиями, которые представляют опасность для существования людей.
Изучая движения и деформации поверхности Земли, можно судить о ее пространственно-временном состоянии (ПВС), а также оценивать опасность
этого состояния и принимать необходимые меры для снижения техногенного риска [3].
Для решения задач геодинамической безопасности газотранспортных систем первостепенное значение имеет выбор и обоснование оперативного, достоверного и экономического метода, технических средств, позволяющих изучать физические параметры и состояние горного массива в его естественном залегании.
В работе [4] приведены результаты полевых измерений обследований некоторых трасс газопроводов Северного Кавказа и Пермского края.
Изучение такой сложной самоорганизующейся природной системы, которой является меняющаяся со временем земная поверхность, - очень актуальная задача геодинамических исследований. Ее успешное решение предполагает комплексность наблюдений различных видов с соответствующей последующей математической обработкой [5, 6]. При решении некоторых задач геодинамики, когда интерпретация результатов наблюдений за движениями земной поверхности должна учитывать изменения поля силы тяжести, встает вопрос аппроксимации гравитирующих тел в исследуемом районе.
В нетронутом состоянии массив горных пород представляет собой энергетически уравновешенную систему с определенным запасом накопленной упругой энергии. При освоении подземного пространства это равновесие нарушается, и могут образовываться энергетические очаги. Если такой очаг формируется вблизи поверхности обнажения, то появляется опасность хрупкого разрушения приконтурной породы области, то есть горный удар. При формировании очага
в глубине массива возможно геодинамическое явление большего масштаба -техногенное землетрясение [7].
Наблюдение за движениями и деформациями земной коры на техногенных полигонах является важной задачей для обеспечения безопасности добычи полезных ископаемых. Повторные геодезические наблюдения позволяют регулярно контролировать состояние объекта, геодинамически получать временные ряды данных, которые нуждаются в последующей обработке и интерпретации. Интерпретация данных геодезических наблюдений выполняется для выявления накоплений напряжений и деформаций земной коры, их представляют в виде, удобном для дальнейшего анализа, а также для выявления изменений состояния объекта и прогнозирования.
Для анализа геодезических наблюдений за движениями земной коры Таштагольского геодинамического полигона в работе [8] был применен метод конечных элементов с последующей визуализацией векторов и полей основных геомеханических характеристик. Это метод позволяет получить представление о накоплении и распределении напряжений и деформаций земной коры в пределах промышленной площадки. Также по результатам наблюдений в [8] были получены поля, отражающие деформации для каждого цикла наблюдений и накопление деформаций вдоль осей х, у и общей деформации, и аналогичные поля для напряжений и величин смещений пунктов и их накоплений.
Одним из важнейших элементов информационной технологии геодинамического мониторинга и математического моделирования природно -технических систем (ПТС) является визуализация параметров и полей, характеризующих ПТС.
Использование спутниковых технологий позволяет уплотнить во времени наблюдение геодинамических объектов и процессов, ПТС, приближаясь даже к мониторингу и параллельно идущей при этом математической обработке в режиме «реального времени» [9].
Современные движения земной поверхности достаточно широко распространены в регионах с интенсивной техногенной нагрузкой на недра.
Наряду с геодинамическими процессами природного происхождения, характеризуемыми среднегодовыми скоростями движений в первые миллиметры, во многих нефтегазоносных бассейнах мира надежно регистрируются многочисленные геодинамические события техногенно -индуцированного генезиса, связанные с разработкой месторождений. Они проявляются в виде просадок земной поверхности, горизонтальных сдвигов, поверхностного разломообразования, сейсмических событий, и приводят к различного рода ущербам - от производственных и социальных до экологических.
Мониторинг деформационных процессов при разработке месторождений является обязательной нормой эксплуатации природных ресурсов.
Выполнение на геодинамическом полигоне ежегодного высокоточного нивелирования по методике II класса позволяет оценить достоверность спутниковых определений.
Рассмотренные в [10] примеры показывают реальную возможность мониторинга деформаций земной поверхности при использовании спутниковых навигационных систем с точностью, практически не уступающей, а иногда и значительно превосходящей традиционные методы [10].
Вопросы обеспечения геоэкологической безопасности урбанизированных территорий становятся все более актуальными, а природные катастрофы в России включены в число стратегических рисков. Геодезический мониторинг является важнейшей составляющей системы геодезического обеспечения геоэкологического мониторинга, поскольку обеспечивает его пространственно -временную привязку и позволяет определить факторы, влияющие на состояние и развитие природно-технических систем.
Перемещение крупных объемов природных ископаемых изменяет геологическую среду, нарушает стабильность и равновесное состояние недр, являющихся чувствительными индикаторами деятельности человека.
Предположительно вследствие масштабного инженерного воздействия промышленных объектов на недра происходит активизация проявлений горных ударов, толчков, внезапных выбросов угля и газа, оползневых явлений, сейсмических и динамических явлений.
Прорастающие разломы представляют собой природные тектонические процессы, на которые влияет и техногенная деятельность человека.
В настоящее время GPS/ГЛОНACC наблюдения широко используются для исследования современных движений земной коры. Установлено, что результаты таких измерений испытывают сезонные вариации в пределах от нескольких миллиметров до полутора сантиметров. При малом количестве спутниковых наблюдений, игнорирование таких вариаций может привести к некорректной оценке среднегодовых скоростей смещений геодинамических пунктов [ІІ].
При тектонофизической интерпретации данных геодинамического мониторинга природно-технических систем возникают существенные противоречия при сопоставлении пространственно-временных характеристик наблюдаемых процессов и аналогичных характеристик геологической среды.
Резюмируя результаты [І2], можно высказать мнение, что пространственно- временная миграция аномалий современных движений земной поверхности является следствием автоволновых деформационных процессов в геодинамически активной, возбудимой геологической среде, являющейся открытой системой.
Методами гравиметрии и геодезии изучаются изменения во времени параметров гравитационного поля и земной поверхности и ее недр.
Информация о движениях и напряженно-деформированном состоянии (НД^ земной поверхности и земной коры, обусловленных эндогенными и экзогенными факторами, является важнейшей в аспекте прогноза катастрофических геодинамических явлений (землетрясений, извержений вулканов, оползней, сходов ледников, горных ударов и проседания грунтов в области разработки полезных ископаемых и т. п.). Аномальные техногенные геодинамические процессы вызывают горизонтальные сдвиги земной коры, разломообразование, подземные аварии, наводнения.
Важнейшим практическим значением изучения геодинамических процессов является решение задач прогноза, снижения риска и уменьшения последствий геодинамических катастроф природного и техногенного характера, мониторинга окружающей среды. В современных условиях возрастает необходимость совершенствования методов изучения геодинамических процессов с учетом новых технических достижений.
При оценке степени устойчивости природно-технических систем, прогнозировании последствий природно-техногенных воздействий на исследуемой территории опережающим методом является гравиметрия, фиксирующая сразу состояние устойчивости структур геологического разреза, блоков горных пород.
Модельная система наблюдений за вертикальными движениями и вариациями силы тяжести включает нивелирные наблюдения и гравиметрические наблюдения, также значительные перемещения масс одновременно с вертикальными движениями земной поверхности происходят во время крупных вулканических извержений [ІЗ]. В работе [І4] описан алгоритм, позволяющий аппроксимировать гравитационное влияние конуса как сумму влияний конечных элементов - кольцевых секторов.
Одной из основных задач физической геодезии является задача определения геогравитационного потенциала и его трансформант, а также определение значений вариаций (изменений во времени) трансформант. Для выявления вариаций можно периодически проводить повторные измерения характеристик гравитационного поля Земли, например, аномалий силы тяжести. Однако возникают ситуации, когда невозможно выполнить измерения в некоторых точках, или число измерений является значительным. В том случае, когда характер изменения гравитационного поля известен (в частности, известно перемещение масс внутри или на поверхности Земли), значения этих вариаций можно вычислить, используя различные модели, в частности, модели точечных масс. Однако характер перемещения масс не всегда может быть известен.
Выражение гравитационного или электростатического потенциала конкретных тел в элементарном виде или через хорошо известные функции имеет определенные трудности. Есть частные решения для фигур равновесия небесных тел, для прямоугольной призмы бесконечного простирания, для прямоугольного параллелепипеда и вертикального цилиндра для точки на его оси.
В работе [14] предлагаются формулы вычисления гравитационного потенциала однородного эллиптического конуса через однократные интегралы. В случае кругового конуса они сводятся к элементарным функциям, но имеют практическое приложение для пространства вблизи вершины конуса.
Шаровая модель была использована, например, при аппроксимации гравитационного влияния конуса вулкана в работах [1, 5]. В работе [13] была представлена пятиточечная модель, причем для вычисления координат центров тяжести пяти равнообъемных масс, аппроксимирующих гравитационное влияние усеченного конуса, аналитически выведены строгие математические формулы оценки гравитирующего влияния. В работах [5, 6] приведены результаты вычислительного эксперимента по оценке степени влияния конусообразного тела на результаты геодезических измерений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Мазуров Б.Т. Математическая обработка нивелирных и гравиметрических наблюдений в условиях извлечения и перемещения больших объемов руды и пород // Изв. вузов. Горный журнал. - 2006. - № 4. - С. 99-104.
2. Олейник А.М. Выбор мест закладки грунтовых реперов с учетом прогнозного изменения геокриологической обстановки от техногенной деятельности // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). -Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. - С. 37-40.
3. Вовк И.Г., Бугакова Т.Ю. Теория определения техногенного геодинамического риска пространственно-временного состояния технических систем // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). -Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 1, ч. 2. - С. 25-28.
4. Оценка напряженно-деформированного состояния горных пород по трассам магистральных газовопроводов методом регистрации радиошумов Земли в ОНЧ диапазоне /
Гордеев В.Ф. и др. // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. - С. 127-132.
5. Мазуров Б.Т. Совместная математическая обработка разнородных комплексных геодезических и геофизических наблюдений за движениями земной поверхности и изменениями аномальных масс // Изв. вузов. Горный журнал. - 2007. - № 6. - С. 30 - 38.
6. Идентификация движений и напряженно-деформированного состояния самоорганизующихся геодинамических систем по комплексным геодезическим и геофизическим наблюдениям / В.А. Середович, В.К. Панкрушин, Ю.И. Кузнецов, Б.Т. Мазуров, В.Ф. Ловягин; под общ. ред. В.К. Панкрушина. - Новосибирск, СГГА. 2004. - 356 с.
7. Каленицкий А.И., Соловицкий А.Н. Оценка изменений во времени деформаций блоков земной коры при освоении угольных месторождений Кузбасса // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). -Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. - С. 157-160.
8. Дорогова И.Е. Интерпретация наблюдений за движениями земной коры на техногенном полигоне // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. - С. 191-195.
9. Анимационное представление движений и деформаций на техногенном
геодинамическом полигоне / Лобанова Т.В. и др. // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 1,
ч. 1. - С. 199-201.
10. Гришко С.В. Применение ОРБ-технологий для геодинамического мониторинга природно-технических систем // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 1, ч. 2. - С. 340-345.
11. Учет сезонных вариаций координат ОРБ/ГЛОНАСС пунктов при определении современных движений земной коры / Шестаков Н.В. и др. // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). -Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 1, ч. 2. - С. 287.
12. Кузьмин Ю.О. Автоволновые геодинамические процессы в зонах разломов // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 1, ч. 2. - С. 97-101.
13. Мазуров Б.Т. Некоторые модели аппроксимации гравитационного влияния усеченного конуса // ГЕО-Сибирь-2009. V Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 20-24 апреля 2009 г.). - Новосибирск: СГГА, 2009. Т. 1, ч. 2. - С. 30-35.
14. Некрасова О.И. Алгоритм аппроксимации гравитационного влияния конусообразных форм земного рельефа // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 1, ч. 1.
С. 205-210.
© О.И. Некрасова, 2012
