CC BY
38
© М.Г. Тиркель, В.В. Туманов, А.И. Компанец, А.В. Савченко,
2006
УДК 550.83:621.644
М.Г. Тиркель, В.В. Туманов, А.И. Компанец,
А.В. Савченко
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ УСЛОВИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА ТРУБОПРОВОДНОЙ СИСТЕМЫ "ВОСТОЧНАЯ СИБИРЬ - ТИХИЙ ОКЕАН" КОМПЛЕКСОМ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ
Семинар № 3
У'Л собое внимание при проектировании и строительстве трубопроводов уделяется изучению горногеологических условий территорий их расположения. Для выявления и детализации участков, потенциально опасных по возникновению аварийных ситуаций на трубопроводе "Восточная Сибирь -Тихий океан" (ВСТО), УкрНИМИ (г. Донецк) проведены изыскания комплексом геофизических методов.
Исследуемая часть трассы ВСТО расположена в гористой местности Амурской области в бассейне р. Олёкма. Поверхностный слой сложен щебенистыми грунтами на берегах, а также аллювиальными и флювиогляциальными отложениями в русле р. Олекма, залегающих на коренных кристаллических породах.
По геолого-тектоническому и глубинному строению, степени проявления новейших тектонических движений исследуемая территория входит в Олёк-минскую развивающуюся морфострук-туру Байкальской рифтовой зоны Забайкальской области умеренного горообразования.
Задачи исследований заключались в уточнении геологического и тектонического строения горного массива, а именно в определении геофизических
параметров основных литологических слоев разреза, выделении зон тектонических нарушений, таликов, оползней, карстов.
Из рекомендованного [1] перечня геофизических методов для решения поставленных задач были выбраны сейсморазведка корреляционным методом преломленных волн (КМПВ), а также бесконтактные методы регистрации естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) и структурного геодинамического картирования азимутального (СГДК-А), что было особенно важно в зимних условиях. Опыт применения указанных методов для решения аналогичных задач изложен в справочной и технической литературе [2-7].
Выбор данного комплекса исследований обусловлен тем, что методом КМПВ решались задачи литологического расчленения верхней части геологического разреза, определения глубины залегания и рельефа поверхности коренных пород и мощности зоны выветривания (экзогенной трещиноватости), выявления тектонических нарушений и сопровождающих их зон нарушенных пород под перекрывающие отложения; методом ЕИЭМПЗ - выявления напряженно-деформированного состояния пород,
геодинамической активности зон тектонических нарушений, СГДК-А - заверка положения выделенных сейсморазведкой тектонических нарушений, выявление поверхностного карста и участков формирования оползневых отрывов.
Для примера рассмотрим результаты полевых геофизических исследований на участке перехода трассы проектируемого трубопровода через русло р. Олёкма. Они выполнены методом
КМПВ по 5 профилям, ЕИЭМПЗ по 9 профилям, СГДК-А по 8 профилям. Профиль 1 проложен по трассе проектируемого трубопровода. Профили 2-5 проложены по руслу р. Олекма и пересекают профиль 1. Общий объем исследований составил 10,39 км.
Наблюдения КМПВ выполнены по
4-х кратным системам встречных и нагоняющих годографов преломленных волн с регистрацией продольных волн (вертикальная ориентация сейсмоприемников). Шаг ПП (пунктов приема) равен 5 м. Максимальный интервал регистрации - 280 м. Интервал возбуждения колебаний - 55 - 60 м. Максимальный вынос ПВ - 175 м. В качестве регистрирующей аппаратуры использовалась разработанная в УкрНИМИ 12- канальная цифровая накапливающая сейсмостанция ИБ2-12С. Возбуждение колебаний производилось путем ударов молота по деревянной подложке. На одно физическое наблюдение производилось от 10 до 64 синфазных накоплений - в зависимости от соотношения сигнал - помеха. Шаг дискретизации сигнала при записи 0,25 мс.
Обработка материалов КМПВ производилась на ПЭВМ с помощью специализированного программного комплекса «HEADWAVE» По данным обработки выполнялась аппроксимация преломляющих границ геологическими границами и составлялись сейсмогеологиче-
ские разрезы. Граничные скорости отождествлялись с пластовыми скоростями продольных волн.
Исследования методом ЕИЭМПЗ выполнены с помощью радиоволнового индикатора напряженно-деформи-
рованного состояния грунтов прибором РВИНДС. Выбор данного типа прибора обусловлен необходимостью проведения измерений в зимний период в условиях отрицательных температур. Прибор позволяет проводить измерение уровня потока ЕИЭМПЗ в частотном диапазоне 1-50 кГц с выборкой подсчета импульсов 0-10000 с-1.
Используемое для анализа естественное импульсное электромагнитное поле Земли возникает в горном массиве в результате необратимых деформаций зерен минералов диэлектриков или заполненных электролитом капилляров при критических значениях механических напряжений [5]. Сопровождающие эти процессы электроразрядные явления проявляются в виде электромагнитных импульсов, временная интенсивность которых качественно отражает геодина-мического состояния горного массива. В зонах структурных нарушений горного массива, в которых активно происходит накопление или перераспреде-ление напряжений, интенсивность электромагнитной эмиссии значительно выше, чем в средах с релаксированными напряжениями, с повышенной трещиноватостью и (или) обводненностью, в которых электромагнитная эмиссия близка к фоновым значениям.
Таким образом, по повышенным значениям ЕИЭМПЗ выделяются зоны напряженно-деформированного состояния пород, а по пониженным - зоны разрывных нарушений, повышенной трещиноватости или обводненности пород. Относительная величина аномалии позво-
ляет качественно судить об интенсивности проявления нарушенности пород.
Измерения ЕИЭМПЗ выполнены по всем профилям с шагом 5 м.
Структурное геодинамическое картирование азимутальное (СГДК-А) основано на концепции, согласно которой текущие геодинамические процессы, приуроченные к тектоническим нарушениям фундамента и осадочного чехла, достаточно отчётливо проявляются в динамике физико-химических свойств горных сред поверхностного горизонта.
СГДК-А - азимутальный способ, оперирующий гармоническими полями, базируется на установленном явлении азимутальной неоднородности электропроводности различных сред поверхностного горизонта в связи с текущими геодинамическими процессами коренного массива [6].
Азимутальная неоднородность электропроводности поверхностных сред, далее просто азимутальная электропроводность, обнаруживает несколько фоновых и аномальных уровней [7]. Аномальные значения она приобретает над разрывными нарушениями и зонами их динамического влияния, над приповерхностным карстом, геологическими уступами, локальными магматическими объектами, формирующимися опол-зневыми отрывами и пр., что позволяет участки с аномальной азимутальной электропроводностью относить к геодинамиче-ским зонам. Через азимутальную неоднородность обнаруживаются и деформации грунтов, обусловленные интенсивными инженерными воздействиями на горную среду.
Реализация способа СГДК-А, в сущности, сводится к картированию зон аномального проявления азимутальной электропроводности (далее геодинами-ческих зон) с последующим установле-
нием природы объектов и процессов, их провоцирующих.
Основным техническим средством реализации способа является специально разработанный для этих целей полевой прибор "ЭФА" [6]. Сущность метода заключается в следующем. В точках геофизического профиля в поверхностном слое породного массива возбуждают первичное электромагнитное поле на фиксированной рабочей частоте и регистрируют амплитуды магнитной составляющей вторичного поля по кругу с центром в точке профиля.
Полевые измерения прибором ЭФА проводились на тех же профилях, что и методом ЕИЭМПЗ с шагом 5 м. По результатам измерений электропроводности по 13 направлениям (по кругу через 30°) рассчитывались критерии: ХК К2, Кз.
Наиболее значимым, является критерий ХКь который представляет собой число 3 с изменяющимся показателем степени. Кривая ХК по профилю отражает вариации процесса дисперсии осей азимутальной электропроводности
грунтов и характеризует степень изменения фонового поля данного параметра над зонами тектонических нарушений. Количественная оценка процесса дисперсии производилась по специальной вероятностной шкале, с последующим осреднением (К! ^ ХК^.
По значению показателя степени более 7 и протяженности интервала более
5-7 пикетов выделялась аномалия, характеризующая тектоническое нарушение, трещиноватую зону.
Критерии К2 и К3 являются вспомогательными и отражают отклонение ориентировок азимутальной электропроводности на пикете соответственно от мегарегионального и регионального фона.
Глубинный разрез КМПВ
І I 1 2 І І І І І І І І І І І І І І II 3 — 4 І I 5
Рис. 1. Результаты комплексных геофизических исследований вдоль проектируемой трассы трубопровода "ВСТО" на участке перехода через р. Олекма: 1 - геодинамические зоны; 2 - зоны тектонической нарушенности; 3 - зоны напряженно-деформированного состояния пород; 4 - зона тектонического нарушения; 5 - зона талика
Результаты геофизических исследований приводятся на примере профиля №1, пройденного вдоль трассы трубопровода (рис. 1).
На разрезах КМПВ прослеживается две преломляющие границы, соответствующие кровле и подошве зоны выветривания коренных пород.
Первый от дневной поверхности слой составляют щебенистые грунты на
берегах, а также аллювиальные и флю-виогляциальные отложения в русле р. Олекма. Поскольку породы пребывают в замерзшем состоянии, скорость продольных волн ^р) вблизи дневной поверхности изменяется, в зависимости от степени обводненности, от 1800 м/с на слабообводненных участках до 35003700 м/с в русле реки и на участках мерзлых обводненных грунтов. В русле
реки ниже уровня сезонного промерзания породы находятся в оттаявшем состоянии. Определить скорость Ур в талых породах без скважинных наблюдений не представляется возможным. Высокие значения Ур, изменчивость их вдоль профиля наблюдений, понижение скорости ниже зоны сезонного промерзания в русле реки существенно повышает относительную погрешность определения глубины залегания преломляющих границ, в особенности, для первой преломляющей границы, характеризующей поверхность трещиноватых коренных пород. Эта граница прослеживается фрагментарно, и достоверность определения глубины ее залегания весьма низка. В центральной части русла реки определить положение этой границы невозможно даже приблизительно из-за высокого фона регулярных помех, создаваемых многократными отражениями обменных волн в волноводе, образуемом таликом. Глубина залегания поверхности трещиноватых коренных пород по данным КМПВ изменяется от 2 м до более 20 м, граничная скорость продольных волн в слое находится в пределах 30004100 м/с.
Нижняя граница зоны трещиноватости коренных пород залегает на глубинах от первых метров на склонах речной долины до более 40 м в центральной части русла реки. В разрезе, пересекающем реку, профиль поверхности слабо-выветрелых коренных пород имеет форму каньона, с более пологим склоном (17°-18°) со стороны левого берега реки и более крутым (около 45°) - со стороны правого берега. Наиболее глубоко залегают коренные породы по данным КМПВ в районе ПК370 профиля 1. Граничные скорости изменяются от 3500 до 5660 м/с. Обширная зона пониженной скорости (ПК55-ПК415) связана
с крупным тектоническим нарушением, вдоль которого развивалась речная долина. В конечной части профиля 1 (ПК620 - ПК690) наблюдается зона резкого ухудшения прослеживаемости сейсмических границ, по-видимому, также связанная с тектоническим нарушением. Низкие значения скорости и резкое понижение видимой частоты волнового поля в этой области может указывать на то, что породы в этой части профиля находятся в талом состоянии. Область развития талика в русловой части (ПК135 - ПК415 профиля 1) определяется изменением характера вол-нового поля, обусловленным снижением кажущейся скорости обменных волн, образующихся в слое с пониженной скоростью (волноводом), и возникновением интерференционной картины, создаваемой наложением многократно отраженных обменных волн.
Значения вертикальной составляющей Еz ЕИЭМПЗ на исследуемой территории изменяются от 5 до 75 отн. ед. Преобладают пониженные значения Еz равные 20-30 отн.ед. (см. рис. 1). Это объясняется наличием слоя мерзлых и многолетнемерзлых пород.
Уровень поля естественно-напряженного состояния пород закономерно уменьшается от 20-70 отн.ед. на склоновых частях долины до, в основном, 5-20 отн.ед. по руслу реки. В отдельных 2050 м интервалах по руслу реки значения ЕИЭМПЗ возрастают до 30-60 отн.ед. с размахом до ±10 отн. ед. Эти участки соответствуют напряженно-
деформирован-ному состоянию пород. Зоны тектонических нарушений выделялись по пониженным относительно соседних участков значениям ЕИЭМПЗ. В аномальных зонах значения ЕИЭМПЗ снижаются в среднем на 10-20 отн.ед.
Рис. 2. Карта аномалий критерия К1 по данным СГДК-А
На каждом профиле выделяется по 37 зон аномально пониженных значений ЕИЭМПЗ, отождествляемых с зонами проявления тектонических нарушений (разуплотненных, трещиноватых пород) в приповерхностных слоях грунтов.
На отдельных пикетах выполнена оценка изменения горизонтальной составляющей потока ЕИЭМПЗ по 12 направлениям. Значения горизонтальной составляющей составляли 5-25 отн.ед. и были практически в 2-3 раза ниже вертикальной составляющей со слабо выраженной ориентировкой максимальных значений в северо-восточном и северозападном направлениях. Указанная закономерность проявляется достаточно устойчиво практически на всех пунктах и отражает, по-видимому, преобладание ориентировок региональных структур.
Методом СГДК-А по критерию ХК на каждом профиле выделены аномальные интервалы азимутальной электропроводности (см. рис. 1). Для каждого аномального интервала составлена круговая диаграмма.
По совокупности наблюдений по всем профилям участка был установлен региональный фон азимутальной электропроводности участка. Фоновое поле азимутальной электропроводности грунтов участка близко к мегаре-гиональному фону с преобладающей ориентировкой в широтном и меридиональном направлениях.
Одним из критериев аномальности в способе выступает показатель степени искажения качественных характеристик фонового поля азимутальной электропроводности. В аномальных интервалах
6 7 8 9 Показатель степени К1
ориентировка тектонических зон перпендикулярна ориентировке максимальной электропроводности. Практически по всем аномальным зонам преобладает ориентировка максимального электросопротивления (ориентировка тектонических зон) в северо-восточном и северо-западном направлениях, что согласуется с данными ЕИЭМПЗ (рис. 2, 3).
По выявленным аномалиям и их ориентировке составлена карта геодинами-ческой зональности участка исследований (рис. 3).
В пределах исследуемой площади на земной поверхности выделено 10 геоди-намических зон зоны северо-восточного простирания СВ-1 - СВ-4; зоны северозападного простирания СЗ-1 - СЗ-6.
По комплексу признаков (интенсивность проявления, протаженность выявленных аномалий) наиболее высокоактивная ГДЗ СВ-2, низкоактивная ГДЗ СЗ-1, остальные отнесены к среднеактивным.
Непосредственно по оси трубопровода выделено 5 аномалий в том числе 2 аномалии приурочены к береговым участкам реки и 2 - непосредственно к руслу реки.
Рис. 3. Карта геодинамической зональности на участке перехода трубопровода через р. Олек-ма (по данным СГДК-А).
Полученные результаты по СГДК-А согласуются с данными микролинеа-ментного анализа (анализа линейных форм рельефа местности) - на участке пересечения реки с трубопроводом наблюдается пересечение линеаментов северо-восточного и северо-западного простираний. В данном месте река течет в субмеридиональном направлении. В региональном плане река имеет направление по азимуту 330°.На участке пересечения реки с трубопроводом выявлены линеаменты с азимутами простираний 50° и 310°.
Таким образом, по результатам геофизических исследований методом
КМПВ участок перехода трубопровода через р. Олекма представляет собой обширную тектоническую зону, в пределах которой по данным ЕИЭМПЗ и СГДК-А выделяются участки с разной геодинамической активностью. В целом, на исследованной территории отмечается тенденция увеличения глубины залегания ненарушенных коренных пород в зонах тектонических нарушений, особенно при переходе речных долин.
Результаты данной статьи могут быть использованы при проектировании и строительстве трубопровода «ВСТО».
------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СНиП 1.02.07-87. Инженерные изы- ГУГК СССР. - М.: ЦИТПГосстроя СССР, 1988.
скания для строительства / Госстрой СССР, - 104 с.
2. Огильви А.А. Основы инженерной геофизики. - М.: Недра, 1990. - 468 с.
3. Электроразведка: Справочник геофизика / Под ред. А.Г. Тархова. - М.: Недра, 1980. - 518 с.
4. Никитин В.Н. Основы инженерной сейсмики. - М.: Изд-во МГУ, 1981. - 176 с.
5. Методические рекомендации по изучению напряженного состояния горных пород методом ЕИЭМПЗ/ Разраб. ИМР. - Симферополь: ИМР, 1991. -27 с.
6. Панов Б.С., Тахтамиров Е.П. Новое в геолого-геофизических исследованиях// Известия высших учебных заведений, геология и разведка. - 1993. - №3. - С. 57-67.
7. А. с. 693317 СССР G 01 V 3/12.1976.
Способ геоструктурного карти-рования / Ю.С. Рябоштан, Е.П. Тахтамиров (СССР) -
№2493904; Заявл. 8.06.77; Опубл. 25.10.79; Бюл. № 39.
— Коротко об авторах -------------------------------------------------------
Тиркель М.Г., Туманов В.В., Компанец А.И., Савченко А.В. - УкрНИМИ НАН Украины, Донецк, Украина.
ДИССЕРТАЦИИ
ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИИ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ
Автор Название работы Специальность Ученая степень
КУЗБАССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПОКАТИЛОВ Андрей Владимирович Разработка способов геофизического контроля состояния и свойств влагонасыщенных глинистых горных пород при электрохимическом закреплении 25.00.16 к. т. н.
СУРУНОВ Николай Федорович Прогноз влияния геодинамической активности блоковых структур на напряженно-деформированное состояние массивов и метановыделение из угольных пластов 25.00.20 к. т. н.
