CC BY
72
УДК 622.83 + 551.21.3 А.Д. Сашурин
ИГД УрО РАН, Екатеринбург
СОВРЕМЕННАЯ ГЕОДИНАМИКА И РАЗВИТИЕ КАТАСТРОФ НА ОБЪЕКТАХ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ
Чем плотнее люди заселяют территорию Земли, чем более развитыми и сложными являются производства и используемые технологии, чем сложнее быт и жилище, тем уязвимее становится человек, тем заметнее влияние природных, техногенных и природно-техногенных катастроф. За год в России возникает более тысячи чрезвычайных ситуаций, а на ликвидацию их негативных последствий затрачивается более 15% валового дохода. При сохранении такой динамики событий отечественная экономика в ближайшее время может не справиться с ликвидацией последствий аварий и катастроф.
В жизни человеческого общества сфера недропользования занимает значительное место, охватывая не только добычу, переработку и транспортировку полезных ископаемых, но весь широкий спектр деятельности, в котором массив горных пород и земная поверхность выступают в качестве неотъемлемого важнейшего инженерно-геологического компонента. Это и среда, в которой создаются подземные сооружения, это и основание для всех наземных сооружений, это и трассы подземных и наземных инженерных коммуникаций.
Исследованиями последних лет в качестве основной причины возникновения катастроф все более и более четко высвечивается современная геодинамика приповерхностной части литосферы и земной поверхности.
Геодинамике, как самостоятельной научной дисциплине, отводят широкий и разнообразный круг вопросов [1]. Общая, или глобальная, геодинамика изучает глубинные процессы, определяющие движущий механизм преобразований в литосфере. Частная, или региональная, геодинамика изучает развитие поверхностных оболочек. Теркот Д.Л. и Шуберт Дж. определяют геодинамику как науку, изучающую движения и деформации, происходящие в земной коре, мантии, ядре, и их причины [2].
Ниже рассматриваются лишь современные геодинамические движения, протекающие в настоящее время в приповерхностной части литосферы и на земной поверхности в период срока службы объекта недропользования, потенциально опасного по возникновению катастрофических явлений.
Относительно изученности геодинамических процессов можно выделить две принципиально отличающиеся области геодинамики -фундаментальную и прикладную. В фундаментальной геодинамике роль современных геодинамических движений в формировании катастроф очевидна. Здесь подвижность массива горных пород и земной поверхности ни у кого не вызывает сомнений, а, следовательно, все объекты недропользования находятся под ее воздействием.
Иначе обстоит дело в прикладной области. В ней, по-видимому, из-за недостаточной изученности параметров современных геодинамических
движений свойство подвижности массива горных пород и земной поверхности пока не нашло отражения.
Кардинальный пересмотр взглядов на роль и место геодинамического фактора, как в фундаментальных проблемах, так и в решении прикладных задач, связанных с недропользованием, начался со второй половины прошлого века. Появившаяся в начале столетия гипотеза А. Вегенера о дрейфе континентов уже во второй его половине обрела статус теории глобальной тектоники литосферных плит [3]. Эта теория по сути утверждает, что литосферные плиты и материки движутся в горизонтальной плоскости; это движение можно наблюдать и в настоящее время. Спутниковые технологии геодезии позволили экспериментально определить численные значения некоторых параметров этих перемещений.
А далее, с постановкой обширных экспериментальных исследований современных движений земной коры на геодинамических полигонах различного назначения, были выявлены внутриплитовые геодинамические движения. Причем, на ряде разломов различного типа были обнаружены аномальные вертикальные и горизонтальные движения [4]. Эти аномальные события, названные суперинтенсивными геодинамическими движениями, высокоамплитудны (до 50 - 70 мм/год), короткопериодичны (0.1 - 1.0 год), пространственно локализованы (0.1 - 1.0 км) и обладают пульсационной и знакопеременной направленностью.
И, наконец, внедрение дифференциальных технологий спутниковой геодезии в периодическом (дискретном) и непрерывном вариантах мониторинга за смещениями и деформациями позволило коллективу ученых ИГД УрО РАН выявить новый класс геодинамических движений в разломных зонах с амплитудами до 60 - 110 мм, периодами 30 - 60 сек, 40 - 60 мин. и подтвердить движения с периодами до года и более. Всем этим движениям, наряду с трендовой составляющей, свойственны пульсационный характер и знакопеременная направленность [5].
Трендовые и цикличные знакопеременные геодинамические движения геологической среды, особенно вблизи разломов, свидетельствуют о ее постоянной подвижности и выступают в качестве естественной формы существования. В связи с этим, роль и место современной геодинамики трудно переоценить среди фундаментальных наук о Земле. Не менее важно ее значение в решении практических задач обеспечения устойчивости объектов недропользования.
Механизм воздействия геодинамики на объекты недропользования зависит от вида движений, их параметров, состояния и свойств массива и конструктивных особенностей сооружений. Места проявления геодинамических движений, а, следовательно, и места проявления аварий и катастроф в большей мере тяготеют к активным тектоническим структурам и непосредственно прилегающим к ним объемам пород и участкам земной поверхности. Так, например, на магистральных нефтепроводах повторяющиеся аварии разрывов более чем на 80 % концентрируются в разломных зонах [6].
Объекты, расположенные на активных тектонических структурах с выраженными трендовыми движениями, зачастую разрушаются при достижении в их конструктивных элементах предельных деформаций или напряжений. Однако тектонические структуры со значимыми трендовыми движениями встречаются не часто. Иногда они могут инициироваться техногенной деятельностью. Так, например, на шахте «Магнетитовая», разрабатывающей Высокогорское железорудное месторождение, в 2000 г. произошла подвижка по взбросо-сдвигу Среднему на 25 - 30 см, зафиксированная в подземных горных выработках.
Цикличные движения более распространенные, воздействие их более многогранно и, в зависимости от частоты, проявляется как в непосредственном влиянии цикличных деформаций на сам объект, так и через изменение свойств массива горных пород в разломных зонах под влиянием переменных цикличных нагружений. Механизм непосредственного воздействия цикличных деформаций на инженерные сооружения достаточно прост. Если амплитуда знакопеременных деформаций длиннопериодных и короткопериодных движений превысит допустимые деформации конструктивных элементов сооружений, то в нем проявятся нарушения с соответствующими аварийными последствиями.
Если уровень деформаций ниже допустимых значений, то аварийные последствия от короткопериодных цикличных движений определяются усталостными эффектами. Наибольшую опасность в этом плане представляют короткопериодные колебания с продолжительностью циклов около одной минуты и около одного часа, создающие, соответственно, 500000 и 9000 циклов нагружения в год. Время разрушения от цикличных нагружений зависит от соотношения амплитуды переменных деформаций со значениями предельных деформаций.
Изменение свойств массива горных пород в разломных зонах под влиянием переменных цикличных нагружений довольно распространенное явление. Однако внешне его признаки не контрастны и выявление непосредственного их влияния на объекты весьма проблематично. Известно, что в природе явление тиксотропии возникает в некоторых видах грунтов и пород в период землетрясений. За счет знакопеременных цикличных нагружений грунты, имеющие в статическом состоянии достаточную несущую способность, разжижаются, резко снижая свои прочностные и деформационные характеристики. Это вызывает деформирование зданий и инженерных сооружений и нередко ведет к их перекосу и опрокидыванию. Но это явление происходит лишь в короткий период действия землетрясения. Впоследствии грунты восстанавливают свои обычные свойства.
Тиксотропия в разломных зонах, сложенных во многих случаях скальными породами с более нарушенной структурой, вызывается цикличными короткопериодными геодинамическими движениями и, в силу более низких частот в сравнении с колебаниями при землетрясениях, проявляется в размытой форме на протяжении длительных промежутков
времени. Это явление более точно, видимо, можно охарактеризовать термином квазитиксотропия.
Таким образом, причиной квазитиксотропного состояния пород разломной зоны являются короткопериодные современные знакопеременные геодинамические смещения. Вызванные ими знакопеременные цикличные нагружения приводят к изменению прочностных и деформационных свойств структурно нарушенных пород разломных зон. В зависимости от конструктивных особенностей сооружений, взаимодействующих с разломными участками массива горных пород, складываются различные механизмы и сценарии развития аварий и катастроф.
Выявленный спектр современных геодинамических движений и обусловленные ими явления в массиве горных пород и на земной поверхности позволяют схематично представить механизм развития катастроф на объектах недропользования в следующем виде:
- при трендовых геодинамических движениях объекты недропользования подвергаются непосредственному нагружению медленно развивающимися смещениями и деформациями и разрушаются при достижении предельных значений;
- при цикличных геодинамических движениях объекты недропользования подвергаются непосредственному воздействию цикличных смещений и деформаций и негативному влиянию неравномерного деформирования за счет изменения свойств пород, взаимодействующих с объектом.
Синтезированные схемы развития аварийных состояний использованы при решении практических задач по изучению причин нарушения и разработке рекомендаций по сохранению устойчивости канализационного коллектора в г. Сургуте, по обеспечению устойчивости бортов Коршуновского карьера, магистрального газопровода Бухара-Урал, при выборе площадки под строительство IV энергоблока БАЭС и др.
Выявленная взаимосвязь современных геодинамических движений с механизмом катастроф на объектах недропользования составляет основу в изучении их зарождения и развития, а также позволяет повысить эффективность решения прикладных задач по предупреждению и предотвращению негативных событий.
Работа выполнена при поддержке РФФИ, грант № 03-05-64891, и Совета по грантам Президента РФ и государственной поддержки ведущих научных школ, грант НШ-1258.2003.5.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Николаев Н.И. Новейшая тектоника и геодинамика литосферы. - М.: Недра, 1988.
2. Теркот Д.Л., Шуберт Дж. Геодинамика: Геологические приложения физики сплошных сред. Ч. 1. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985.
3. Вегенер А. Происхождение материков и океанов. Современные проблемы естествознания. - М.-Л.: Геоиздат, 1925.
4. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании. - М.: Агенство экологических новостей, 1999.
5. Sashourin A.D., Panzhin A.A., Kostrukova N.K., Kostrukov O. M. Field investigation of dynamic displacements in zone of tectonic breaking / Rock mechanics - a challenenge for society: Proceedings of the ISRM regional Simposium EUROCK 2001. Espoo, Finland / Balkema / Rotterdam / Brookfield. - 2001.
6. Кострюкова Н.К., Кострюков О.М. Локальные разломы земной коры - фактор природного риска. - М.: Изд-во АГН, 2002.
© А.Д. Сашурин, 2005
