CC BY
1
УДК 622.83:550.3
ВЫЯВЛЕНИЕ ЗОН ДЕФОРМАЦИЙ РАСТЯЖЕНИЯ И СЖАТИЯ
В МАССИВЕ ГОРНЫХ ПОРОД С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
РАДОНОМЕТРИИ
Т.Ш. Далатказин, Ю.П. Коновалова, П.И. Зуев, М.Д. Шевченко
Представлены результаты исследований возможности использования соотношения радона и торона в почвенном воздухе для выявления и оконтуривания зон растяжения и сжатия. Исходя из современных научных представлений о механизме формирования геодинамической составляющей поля радоновых эманаций, состоящих из Яп222 и Тп, в горном массиве, сделано предположение, что в почвенном воздухе над зоной растяжения, по сравнению с соседними участками, доля Яп222 увеличивается. Над зоной сжатия в почвенном воздухе, по сравнению с соседними участками, увеличивается доля Тп. Выполнены экспериментальные исследования на геодинамическом полигоне. Результаты достоверности выявления зон растяжения и сжатия с использованием радонометрии подтвердились данными геодезического мониторинга.
Ключевые слова: современная геодинамика, горный массив, деформация растяжения, деформация сжатия, радон, торон.
Напряженно-деформационное состояние массива горных пород имеет определяющее значение для обеспечения безопасности проектируемых, строящихся и эксплуатируемых объектов недропользования. Исходя из современных представлений о механизме формирования геодинамической составляющей поля эманаций радона в почвенном воздухе, свойствах радона и торона, из смеси которых состоит эманация радона в почвенном воздухе, возникла идея о возможности использования радонометрии для выявления зон деформации сжатия и растяжения в массиве горных пород и их относительного ранжирования. Гипотетически доля торона в эманации над зоной сжатия должна быть больше, чем над зоной растяжения при прочих равных условиях.
Кп222 (радон) и Кп220 (историческое название торон, обозначается символом Тп) диффундируют через капилляры и микротрещины горных пород, захватываются потоками других газов и водных паров и, несмотря на ограниченное время жизни, могут переноситься на значительные расстояния в земной коре и земной атмосфере. Естественная убыль этих газов компенсируется за счет постоянной генерации из материнских изотопов.
Различные условия миграции и эманирования радона обуславливают аномалии радона в горном массиве. Аномалии радона могут формироваться в связи с тем, что он может накапливаться в порах и трещинах тектонических нарушений, куда поступает по системам микротрещин. То есть радоновыделение определяется не только общей радиоактивностью горных пород, но также их коллекторскими свойствами (способностью аккумулировать радон). Проницаемость и коллекторские свойства тектониче-
ских разрывов зависят от степени геодинамической активности этих структур.
При тектонических подвижках пород возможность и интенсивность миграции увеличиваются, так как возникают её новые пути, а также локальные увеличения давления, дающие импульсы, способствующие продвижению газов по порам и микротрещинам. Кроме того, подвижки препятствуют процессу седиментационного заполнения полостей трещин [1 -
4].
Экспериментально установлено, что под влиянием вибрации наблюдается повышение интенсивности выделения радона из горных пород. Механизм этого процесса связан с более интенсивным высвобождением порового (находящегося в порах и микротрещинах) и адсорбированного радона под влиянием упругих волновых колебаний [5 - 7]. Этим объясняется наличие аномалий радона над разрывными структурами, перекрытыми мощными покровными отложениями. Покровные отложения являются резонаторами упругих колебаний, излучаемых зонами активных деформаций кристаллического фундамента. Глубинность картирования подвижных разрывных тектонических структур определяется уже не диффузионной длиной миграции эманаций из пород кристаллического фундамента, а интенсивностью современных геодинамических процессов, активизирующих выделение радона из покровных отложений. Все это позволяет использовать распределение значений радона в почвенном воздухе для геодинамического районирования горного массива [8].
1. Эманация радона в почвенном воздухе представляет собой смесь радона - Яп222 и торона - Тп (Кп22о). Период полураспада Кп222 составляет 3,8 суток, а период полураспада Тп - 55,6 секунд [9].
Рассмотрим геодинамические особенности формирования состава почвенного радона над зоной деформаций растяжения и над зоной деформаций сжатия в горном массиве с одинаковыми прочими параметрами.
В почвенном воздухе над зоной растяжения в горном массиве аккумулируется смесь радона и торона после миграции к поверхности по раскрытым трещинам после эманации из горных пород. Значительная доля Тп в этой смеси уменьшится (по сравнению с соседними, не затронутыми деформационными процессами участками) во время миграции за счет значительно более быстрого распада по сравнению с Кп222.
В почвенном воздухе над зоной сжатия процесс эманирования радона определяется, в основном, вибровоздействием на горные породы, возникающем при сжимающих деформациях. За счет сжимающих деформаций трещины смыкаются, что ограничивает миграцию газообразных флюидов из глубины массива. Поступающая в почву газовая смесь формируется вблизи поверхности и доля нераспавшегося торона больше, по сравнению с зоной растяжения.
Исходя из выше сказанного, гипотетически, появляется возможность использовать соотношение торона и радона в почвенном воздухе для выявле ния и оконтуривания в горном массиве зон сжатия и растяжения.
С целью практического подтверждения данного предположения и повышения информативности результатов радонометрии при выполнении геодинамической диагностики, Институтом горного дела УрО РАН на геодинамическом полигоне, расположенном в районе г. Краснотурьинск Свердловской области, горный массив шахты «Северопесчанская», в 2023 г. выполнены экспериментальные исследования.
Характеристика горного массива полигона
Северо-Песчанское месторождение является обособленной группой рудных тел Песчанского железорудного месторождения.
Месторождение приурочено к западному контакту Песчанского диоритового массива, прорывающего осадочные и осадочно-вулканогенные толщи коблецкого яруса нижнего девона. В районе месторождения массив представлен диоритами, габбро-диоритами и габбро. Среди образований коблецкого яруса выделяются: внизу мраморизованные известняки и мраморы фроловско-васильевской толщи мощностью свыше 800 м. Стратиграфически выше лежат переслаивающиеся туфопесчаники, туфосланцы и туфы андезитовых порфиритов с прослоями известняков башмаковской или «слоистой» толщи; вверху - роговообманково-плагиоклазовые порфириты и их туфы с резко подчиненным количеством туфопесчаником богословской толщи. С поверхности богословская толща слагает всю площадь Песчанского месторождения.
Вмещающие вулканогенно-осадочные породы и прилегающая часть массива пересекаются многочисленными дайками диабазовых, диоритовых и габбро-диабазовых порфиритов. В пределах Северо-Песчанского месторождения они имеют субмеридиональное простирание с западным падением под углом 40... 50°. В целом вмещающие породы залегают полого и срезаются крутым контактом интрузии.
Северо-Песчанский меридиональный разлом прослежен как в пределах одноименного участка, так и к северу и югу от него. Направление падения плоскости смесителя в пределах Северо-Песчанского месторождения восточное под углом 65. 70° [10].
Методы исследований
В целом, экспериментальные исследования заключаются в сравнении результатов радонометрии и геодезических мониторинговых исследований.
Экспериментальные исследования по использованию радонометрии для выявления зон растяжения и сжатия состояли из:
1. Раздельное определение Кп222 и Тп при выполнении эманацион-ной съемки. Построение карт деформаций растяжения и сжатия исследуемого горного массива по данным радонометрии.
2. Сравнительный анализ результатов выявления зон растяжения и сжатия с использованием радонометрии с результатами мониторинговых геодезических исследований.
Измерения объемной активности радона (Бк/м3) в почвенном воздухе выполняются радиометрами альфа-активных газов, например, РГА-500 по профильным линиям из шпуров, глубиной 0,8...1,0 м.
Для раздельного определения Яп222 и Тп (Кп22о) в отбираемых пробах почвенного воздуха использовалась следующая методика.
В процессе выполнения эманационной съемки, после измерения объемной активности смеси (Кп222 + Тп) (Бк/м3), проба почвенного воздуха остается в измерительной камере (краны закрыты) и выдерживается временная пауза, продолжительностью 300 с. За этот период Тп, содержащийся в пробе, распадается. Выполняется повторное измерение, в результате которого определяется объемная активность Яп222 [11].
Для выявления зон растяжения горного массива исследуемой территории для каждой определяется показатель
_ 0Ип222
раст _ 5
0 Тп
где Ош22 - объемная активность Яп222, Бк/м3; ОТп - объемная активность Тп, Бк/м3.
По значениям Араст строится карта растяжений.
Для выявления зон сжатий в горном массиве исследуемой территории определяется показатель
А _ -О*-
Лсжат
г^Кп222
По значениям Асжат строится карта сжатий.
Числовые параметры горизонтальных деформаций (растяжения, сжатия) земной поверхности определяются на основании инструментальных геодезических измерений расстояний между реперами профильной линии. Измерения выполняются с помощью электронного тахеометра, среднеквадратическая погрешность измерения углов которого не превышает ±2". Измерение расстояний между реперами профильных линий тахеометром проводится в прямом и обратном направлениях. Расхождение дважды измеренной длины интервала не должно превышать ± 3 мм. Горизонтальные деформации интервала между реперами в за период между двумя наблюдениями определяется по формуле
$ п $ п—1
где <, <п, <Лп-1 - горизонтальные проложения интервалов соответственно из начального, предыдущего и последующего наблюдений.
Положительные значения деформаций соответствуют увеличению интервала - растяжению, отрицательные значения - сжатию. По результатам измерений строятся графики, на которых горизонтальные деформации относят к середине интервала.
Результаты исследований
Участок исследований расположен в пределах промплощадки ш. Северопесчанская. На участке оборудована профильная наблюдательная геодезическая линия № 12. Значительная часть территории участка заасфальтирована, на ней расположены производственные здания и сооружения, что не позволило равномерно распределить сеть радонометрических наблюдений. Всего выполнено 45 радонометрических измерений.
В результате выполненных исследований построены:
- карта деформаций растяжения исследуемого участка (рис. 1);
- карта деформаций сжатия исследуемого участка (рис. 2);
- график горизонтальных деформаций реперных интервалов вдоль профильной линии на основании данных геодезических измерений за период 8 месяцев (рис. 3).
Выполнен сравнительный анализ результатов выявления характерных участков горизонтальных деформаций по соотношениям Apаст и Асжат (рис. 1; 2), и данных геодезического мониторинга (рис. 3).
Рис. 1. Карта растягивающих деформаций по соотношению Араст. Горный массив участка промплощадки ш. «Северопесчанская», г. Краснотурьинск Свердловской области, 2023 г.
А сжатия
Рис. 2. Карта сжимающих деформаций ПО Соотношению А сжат.
Горный массив участка промплощадки ш. «Северопесчанская», г. Краснотурьинск Свердловской области, 2023г.
По соотношению Apаст выявлена зона растяжений между реперами Яр7 и Ярв, а по соотношению Асжат - зона сжатий в окрестностях репера Яр13. По данным геодезических измерений за период 8 месяцев на репер-ном интервале Яр7-Ярв наблюдается повышенное значение растягивающих горизонтальных деформаций на уровне 0,1*10-3, а на интервале Яр12-Яр13 зафиксировано максимальные сжимающие деформации - минус 0,4х10-3.
Участок реперной линии 12 в интервале Яр10-Яр12 заасфальтирован. Радонометрические измерения здесь выполнить невозможно. Поэтому два пиковых значения сжимающих и растягивающих деформаций, зарегистрированных по геодезическим измерениям в интервале реперов Яр10-Яр12, не отразились в результатах радонометрии.
График горизонтальны! деформаций по профильной линии 12
Рис. 3. График горизонтальных деформаций по профильной геодезической линии 12 за период 8 месяцев. Участок промплощадки ш. «Северопесчанская», г. Краснотурьинск Свердловской области,
2023г.
Выводы
1. Геодезические наблюдения подтвердили достоверность результатов выявления зон деформаций растяжения и деформаций сжатия в горном массиве с использованием радонометрии.
2. Использование соотношения ^^222 и Qтn в почвенном воздухе позволяет оперативно, без периодических измерений выявлять и оконту-ривать зоны деформаций растяжения и сжатия в массиве горных пород.
3. Распределение соотношений ^^222 и Оп отражает напряженно-деформационное состояние массива на момент измерений.
Работа выполнена в рамках Госзадания №075-00412-22 ПР, тема 3 (2022-2024), (Б^-2022-0005), рег. N01021062010531-8-1.5.1.
Список литературы
1. Тагильцев С. Н. Основы гидрогеомеханики скальных массивов Екатеринбург: УГГГА, 2003. 88 с.
2. Новые методы инженерной геофизики / В. М. Бондаренко [и др.]. М.: Недра, 1983. 224 с.
3. Ульянов В.Ю. Организация и методика проведения мониторинга радона на площадках АЭС в асейсмичных регионах // Проблемы недропользования. 2015. №1. С. 103 - 107.
4. Методы мониторинга радоновыделения для изучения геодинами-чески активных зон горного массива / E.A. Ялпута [и др.] // Журнал теоретической и прикладной механики. 2020. №3 (72). С.57 - 64.
5. Резонансные особенности эсхаляции природного радона / В. В. Адушкин [и др.] // ДАН. 2005. Т. 400. № 3.
6. Уткин В.И., Юрков А.К., Козлова И.А. Выделение радона из горных пород при воздействии на них упругих колебаний различного диапазона // Сб. науч. тр. Геофизика XXI столетия. IX геофизические чтения им.
B.В. Федынского. Тверь: ООО Изд-во «ГЕРС», 2008. С. 317-320.
7. Грацинский В. Г., Горбушина Л. В., Тыминский В. Г. О выделении радиоактивных газов из образцов горных пород под действием ультразвука // Изв. АН СССР. Физика Земли. 1967. № 10. С.91 - 94.
8. Далатказин Т.Ш. Методические вопросы геодинамического районирования массива горных пород с использованием радонометрии // Проблемы недропользования. 2023. №1. С. 64 - 69.
9. Исследования по модернизации использования эманационной съемки в качестве экспресс-метода при геодинамической диагностике / Т.Ш. Далатказин, Ю.П. Коновалова, В.И. Ручкин, П.И. Зуев // Известия Тульского государственного университета. Науки о Земле. 2019. Вып. 4.
C. 206-220.
10. Геология СССР. Т. XII. Пермская, Свердловская, Челябинская и Курганская области. Ч. I. Полезные ископаемые / Министерство геологии
СССР, Урал. территориальное геологическое управление ; гл. ред. А. В. Сидоренко ; ред. тома: К. К. Золоев [и др.]. М.: Недра, 1973. 632 с.
11. Новиков Г. Ф., Капков Ю. Н. Радиоактивные методы разведки. Л.: Недра, 1965. 759 с.
Далатказин Тимур Шавкатович, канд. техн. наук, зав. лаб., [email protected], Россия, Екатеринбург, Институт горного дела УрО РАН,
Коновалова Юлия Павловна, ст. науч. сотр., [email protected], Россия, Екатеринбург, Институт горного дела УрО РАН,
Зуев Павел Игоревич, науч. сотр., [email protected], Россия, Екатеринбург, Институт горного дела УрО РАН.
Шевченко Максим Дмитриевич, мл. науч. сотр,
[email protected], Россия, Екатеринбург, Институт горного дела УрО РАН
IDENTIFICATION TENSILE AND COMPRESSIVE DEFORMATION ZONES IN THE ROCK
MASS USING RADONOMETRY
T.Sh. Dalatkazin, Yu.P. Konovalova, P.I Zuev, M.D. Shevchenko
The results of studies on the possibility of using the ratio of radon and thoron in soil air to identify and delineate zones of tension and compression are presented. Based on modern scientific ideas about the mechanism of formation of the geodynamic component of the field of radon emanations consisting of Rn222 and Tn in a mountain range it has been assumed that in the soil air above the tension zone compared with neighboring areas the proportion of Rn222 increases. Above the compression zone in the soil air compared to neighboring areas the proportion of Tn increases. Experimental studies were carried out at a geodynamic test site. The results of the reliability of identifying tension and compression zones using radonometry were confirmed by geodetic monitoring data.
Key words:recent geodynamics, mountain range, tensile deformation, compression deformation, radon, thoron.
Dalatkazin Timur Shavkatovich, candidate of technical sciences, head of the lab., [email protected], Russia, Yekaterinburg, Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,
Konovalova Yulia Pavlovna, art. scientific. officer, lisjul@,mail.ru, Russia, Yekaterinburg, Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,
Zuev Pavel Igorevich, scientist. officer, [email protected], Russia, Yekaterinburg, Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences,
Shevchenko Maxim Dmitrievich, jr. scientific. officer,
[email protected], Russia, Yekaterinburg, Institute of Mining, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences
Reference
1. Tagiltsev S. N. Fundamentals of hydrogeomechanics of rock massifs Yekaterinburg: UGGGA, 2003. 88 p.
2. New methods of engineering geophysics / V. M. Bondarenko [et al.]. M.: Nedra, 1983.224 p.
3. Ulyanov V.Yu. Organization and methodology of radon monitoring at NPP sites in aseismic regions // Problems of subsoil use. 2015. No. 1. pp. 103 - 107.
4. Methods of monitoring radon emission for studying geodynamically active zones of a mountain massif / E.A. Yalput [et al.] // Journal of Theoretical and Applied Mechanics. 2020. No.3 (72). pp.57-64.
5. Resonant features of natural radon eschalation / V. V. Adushkin [et al.] // DAN. 2005. Vol. 400. No. 3.
6. Utkin V.I., Yurkov A.K., Kozlova I.A. Isolation of radon from rocks under the influence of elastic vibrations of various ranges on them // Sb. nauch. tr. Geophysics of the XXI century. IX Geophysical readings named after V.V. Fedynsky. Tver: LLC Publishing House "GERS", 2008. pp. 317-320.
7. Grazinsky V. G., Gorbushina L. V., Tyminsky V. G. On the release of radioactive gases from rock samples under the action of ultrasound // Izv. AN USSR. Physics of the Earth. 1967. No. 10. pp.91-94.
8. Dalatkazin T.S. Methodological issues of geodynamic zoning of a rock mass using radonometry // Problems of subsoil use. 2023. No.1. C. 64 - 69.
9. Research on the modernization of the use of emanation survey as an express method for geodynamic diagnostics / T.Sh. Dalatkazin, Yu.P. Konovalova, V.I. Ruchkin, P.I. Zuev // Izvestiya Tula State University. Earth sciences. 2019. Issue 4. pp. 206-220.
10. Geology of the USSR. Vol. XII. Perm, Sverdlovsk, Chelyabinsk and Kurgan regions. Ch. I. Minerals / Ministry of Geology of the USSR, Ural. territorial Geological Management ; chief editor A.V. Sidorenko ; volume editor: K. K. Zoloev [et al.]. M.: Nedra, 1973. 632 p.
11. Novikov G. F., Kapkov Yu. N. Radioactive methods of exploration. L.: Nedra, 1965. 759 p.
