Экспериментальные дослідження динаміки зсувів в разломных зонах

Экспериментальные дослідження динаміки зсувів в разломных зонах

Панжин Андрій Олексійович, науковий співробітник інституту гірського справи Уральського відділення РАН, Екатеринбург В даної публікації узагальнюється досвід дослідження короткопериодных деформацій разломных зон верхню частину земної кори з допомогою комплексів супутникового геодезії. У результаті прокуратура вивчила короткочасні деформаційні процеси, що виникають у верхній частині земної кори, в разломных зони і на прилеглих територіях, період яких складає від однієї хвилини до кількох годин. Було визначено величини знакопеременных зсувів і деформацій, зміни компонент поля напруг в різних ділянках масиву. Величини зсувів і деформацій спроможні викликати руйнації в об'єктах, які у зону їхнього впливу. Відкриття короткопериодных зсувів і деформацій вносить нове уявлення про параметрах і закономірності формування напружено-деформованого стану масиву гірських порід у природних умовах. Безперервні моніторингові дослідження зсувів і деформацій земної поверхні проводилися як і осадочном чохлі, і у масиві скельних гірських пород.

Человек у своїй повсякденній діяльності звик керуватися уявлення про Землі як «про Lбезответной земної тверді¦. Сьогодні всім відомо про рух літосферних плит, про рухах із таких котрі живуть розламах як Сан-Андреас в Каліфорнії, Северо-Анатолийский у Туреччині та ін. На інших своїх частинах Земля — як середовище гірського виробництва, підземних споруд, основу всіх видів будівництва й т.п. — трактується як щось статична, незыблемое.

В реальної буденної дійсності це зовсім так. Тектонічні порушення навіть невисокого рангу у спільній ієрархії блокового будівлі масиву гірських порід мають певної рухливістю. Вона який завжди носить трендовий спрямований характер, але, можливо подано і динамічними коливаннями, викликаними поки невідомими ендогенними процесами. Такі протиріччя існуючих уявлень з реальними процесами в земної корі пов’язані з серйозної небезпекою для об'єктів, опинилися у зоні впливу рухливих тектонічних структур [1]. Найбільш контрастно її проявилося на протяжних об'єктах, як-от магістральні нафтопроводи і газопроводи, підземні колектори тощо. Та особливо віра це задля екологічно небезпечні об'єкти, аварії у яких можуть спричинити екологічних катастроф. До них віднести атомних електростанцій, підземні і наземні сховища ядерних отходов.

С кінця XIX століття і по останнього часу напряженно-деформированное стан масиву гірських порід у геомеханике, геодинаміці та інших науках про Землі уявлялося як щось статична. Змінювалися ставлення до його параметрах, про порождавших їх причинах, про залежностях між значеннями напруг і деформацій і базами їх вимірів. Але одне залишалося незмінним — статична стан параметрів напруг і деформацій в історичні відтинки часу. Динамічні чи повільні зміни по які встановилися поняттям відбувалися або за тривалі геологічні періоди, або на ділянки розвитку й вияву геодинамических процесів на короткі проміжки времени.

В 70−80 роки минулого століття, у наукові дослідження дедалі частіше почали зустрічатися праці з дослідження динаміки параметрів напружено-деформованого стану у взаємозв'язку з приливними явищами тяжіння відвідин Місяця й Сонця [2]. Сьогодні у багатьох роботах стоїть питання про флюктуациях параметрів напружено-деформованого гніву й теоретично ніхто з геомехаников не заперечуватиме динаміки напружено-деформованого стану. Однак у практичної сфері динаміка напруг і деформацій не знаходить свого відображення. Це іде за рахунок простої причини — хтозна параметрів динамічних процесів: амплітуди і частоти що відбуваються изменений.

В той час, практикою експлуатації магістральних нафтових та газових трубопроводів та інших протяжних об'єктів встановлено, що аварійні розриви ними групуються, найчастіше, в зонах тектонічних структур. Механізм їх руйнації у тих зонах дозволяє припустити про наявність динамічних змін в напряженно-деформированном стані масиву гірських порід і проложенном по нього трубопроводі. Ця обставина спонукали провести експериментальні дослідження динаміки напружено-деформованого стану разломных зон.

Исследование динаміки разломных зон проводилося у Західному Сибіру районі міста Сургута Тюменської області. Перший експериментальний об'єкт перебуває у 17 кілометрах від міста Сургута на перетині магістрального нафтопроводу з локальним тектонічним порушенням, у яких меридиональное простягання. У цьому ділянці нафтопроводу мали місце аварійні розриви труб. Другий об'єкт лежить у самому місті Сургуті на зчленуванні широтного і меридионального тектонічних порушень. На ділянці їх зчленування проходить система підземних каналізаційних колекторів міста, у яких сталося кілька аварій. Аварії на каналізаційних колекторах супроводжувалися освітою провалів на земної поверхні. Прикладна мета досліджень, у обох випадках полягало у з’ясуванні причин аварійних розривів і каналізаційних коллекторов.

По геологічним даним район експерименту належить до Обской кайлогенной області Західно-Сибірської низовини. У ньому виділяється різнорідний складчастий підмурок і слабко дислокований покрив. Формування структурних форм покриву почався наприкінці триаса і радіомовлення продовжується до нашого часу. Під прикриттям розуміється потужна товща відкладень, яка утворювалася за цей період, складена, переважно, песчано-глинистыми в окремих випадках, кременистими породами. Потужність покривних відкладень сягає 2700 метров.

Из геологічної інформації слід, що у неогене і четвертичном періоді мали досить інтенсивні тектонічні руху, і що великі орографические елементи Західно-Сибірської низовини результат новітніх тектонічних рухів. Диференційовані неотектонические руху, які обумовлюють зростання локальних структурних форм, мають амплітуди рухів до 250−300 метрів. Градієнт їх часто сягає 20 метров/километр. Експериментальний ділянку розташований безпосередньо на Сургутском зведенні, представляє собою слабко видовжене підняття северо-северо-восточного простирания довжиною 300 кілометрів, шириною 150 кілометрів. Амплітуда підняття по покрівлі фундаменту сягає 1200 метрів і швидко загасає до до70 метров.

Границы тектонічних зон добре проглядають й у приповерхностных шарах методами электрометрии по різкого зниження питомої електричного опору. У міських умовах становище кордонів тектонічних зон уточнювалося у процесі эксперимента.

Динамика зсувів в разломных зонах досліджувалася із застосуванням технологій супутникового геодезії. Під час проведення робіт було враховано як досвід робіт [3], і було виконано робота зі створення і апробації специфічної методики польових і камеральних робіт [4]. Безпосередньо вимірювалися взаємні вертикальні і горизонтальні усунення двох точок спеціальних спостережних станцій, обладнаних на досліджуваних ділянках. Для цього використовувався комплект приладів фірми Trimble (USA) серії 4600LS, що включав чотири GPS-приемника. Спостережні станції виглядали систему точок, закріплених на місцевості з допомогою забивних металевих реперів. Застосування реперів забезпечує можливість повторення експериментів. У першому об'єкті у районі нафтопроводу було обладнано 15 точок спостереження, але в другому 13. Вимірювання проводилися по технології диференціальної GPS у безперервному режимі з періодичністю знімання показань 5 секунд, 10, 15 і 30 хвилин. Водночас у роботі було задіяно 4 приймача, встановлених на виборах 4 реперах. Це забезпечувало моніторинг за змінами довжин і перевищень у 6 векторів. Усього дітей було виконано вимірів по 29 векторах першою об'єкті і 35 векторах другою. Тривалість безперервних спостережень кожному векторі була різною і становить від 1.5 години до 30 годин. Виконання всіх своїх вимог, що висуваються до плануванню й проведенню вимірів, і навіть до подальшої обробці експериментальних даних, забезпечує точність визначення взаємного становища двох суміжних приймачів в межах 1−3 мм. У процесі проведення вимірів проводився спеціальний контроль, підтверджує зазначену точность.

По результатам вимірів було встановлено, що амплітуди горизонтальних і вертикальних деформацій обох об'єктах мають досить близькі значення. Максимальна абсолютна величина горизонтальних деформацій становить 35−57 мм, а відносні досягають (1.03−1.17)x10−3. Для вертикальних деформацій максимальні величини становлять, відповідно, 86−108 мм (1.46−2.69)x10−3. Частотні характеристики коливань зсувів і деформацій мають досить широке характер, але це найбільш чітко виділяються гармоніки з тривалістю періодів від 30 до 60 хвилин. Є й інші менш виражені гармоники.

При аналізі даних було встановлено, що передвиборне збільшення періоду знімання показань тягне у себе згладжування динаміки коливань. З хвильової картини зникають короткопериодные коливання. На максимальні значення деформацій впливає ще й час і тривалість циклів виміру. Розглянуто результати вимірів з кількох векторах, виготовленим час і з різною тривалістю циклу виміру. У окремих випадках результати відзначалися у кілька разів, а інших вони були идентичны.

В цілому доки виявлено існування певних взаємозв'язків деформацій з напрямом векторів щодо тектонічних порушень. Можливо вони проявляться при наступних дослідженнях і накопиченні експериментальної информации.

Полученные експериментальні дані про наявність динамічних форм руху на зонах тектонічних порушень сну і викликаних ними знакопеременных деформацій і сдвижений тягне у себе серйозні фундаментальні і прикладні наслідки. У фундаментальної області вони, передусім, пов’язані з збільшенням уявлень про природному напряженно-деформированном стані масиву гірських порід. До встановленим сьогодні гравітаційним і тектонічним компонентами додається динамічна складова. при отриманих горизонтальних деформації сжатия-растяжения 1.27×10−3 і модулі пружності масиву гірських порід від 3000 МПа до 5000 МПа величини динамічних напруг становитимуть від 3.9 до 6.4 МПа.

Если прийняти до уваги результати узагальнень (Brown & Hoek 1978; Sashourin 1999), відповідно до якими величина першого інваріанту горизонтальних нормальних напруг s1+s2 в приповерхностных шарах масиву гірських порід становить від (16.31.1)МПа до (30.82.3)МПа, то динамічні компоненти будуть дуже суттєвими. При зазначених вище параметрах перший інваріант динамічних горизонтальних напруг становитиме від 7.8 до 12.8 МПа, що можна з його значеннями для статичних компонентів. Цими величинами вже не можна нехтувати. Понад те, необхідно враховувати їх циклічний знакопеременный характер. Наявність динамічних наснаги в реалізації зонах тектонічних порушень, які, очевидно, мають эндогенное походження, зумовлює багато особливості у розвитку та існуванні напружено-деформованого стану як разломных зон, а й у цілому масиву гірських порід. Але це далеко за межі даної доповіді і, мабуть, послужить темою інший работы.

Трудно переоцінити роль динамічних деформацій й у прикладної сфері. Усі штучні об'єкти, потрапили на тектонічні порушення з динамічними деформаціями, безумовно виявляться під сумнів їхню впливом, відчуваючи вплив усталостных ефектів від цикличного навантаження. Відповідно до отриманими частотами, споруди піддадуться щонайменше 500 000 циклів навантаження на рік. У першу чергу впливу динамічних деформацій піддаються довгі підземні об'єкти, такі як магістральні газопроводи і нафтопроводи, водопроводи, теплотраси, каналізаційні колектори, метрополітени і др.

Особое увагу динаміці тектонічних зон має приділятися у тих ділянках будівництва і експлуатації екологічно небезпечні об'єкти, аварії у яких можуть супроводжуватися екологічними катастрофами. У цьому слід враховувати, що динаміку то, можливо властива і тектонічним порушень невисокого рангу. Тому обстеження проммайданчиків ядерних відходів та інших небезпечні об'єкти по чиннику наявності динаміки має стати нормой.

Таким чином, інструментальними вимірами в зонах тектонічних порушень отримані такі результаты:

1. У зонах тектонічних порушень мають місце динамічні деформації, величини що у горизонтальній площині (сжатие-растяжение) досягають 1.27×10−3, а в вертикальної площині (нахил) до 2.69×10−3. Найчіткіше виявляються гармоніки коливань з тривалістю періодів не більше 30−60 секунд і 30−60 минут.

2. Виявлені динамічні деформації тектонічних порушень тягнуть у себе радикальний перегляд поглядів на формуванні природного напружено-деформованого стану масиву гірських порід, що є значення як для геомеханики, але й інших наук про Земле.

3. Динамічні деформації тектонічних порушень безумовно чинять негативний вплив штучні об'єкти. Серйозного уваги цим фактом вимагають довгі спорудження та екологічно небезпечними об'єктами, такі як атомні електростанції та підземні сховища атомних отходов.

Список литературы

1. Сашурин А. Д., Ручкин В.І., Панжин А. А., Дубовик В. В. Моніторинг напружено-деформованого стану верхню частину земної кори на шахті Сарановская-Рудная //Проблеми геотехнологии і недроведения (Мельниковские читання): Доповіді Міжнародної конференції 6−10 липня 1998 р. -Єкатеринбург, УрО РАН, 1998. -C.192−198.

2. Кострюкова М. К., Кострюков О. М. Динаміка припливних деформаційних процесів в локальних розламах земної кори v у зв’язку з безаварійної експлуатацією продуктопроводів //Геомеханика у гірському справи — 2000: Доповіді міжнародної конференції. -Єкатеринбург, ИГД УрО РАН, 2000. — С.295−305.

3. Панжин А. А. GPS-технологии в геодезическом моніторингу ПДВ техногенного ділянки. //Геомеханика у справі /ИГД УрО РАН. Збірник наукової праці. -Єкатеринбург, 1999. -С.68−85.

4. Панжин А. А. Безперервний моніторинг зсувів і деформацій земної поверхні з застосуванням комплексів супутникового геодезії GPS //Геомеханика у справі - 2000: Матеріали Міжнародної конференції. -Єкатеринбург: ИГД УрО РАН. -2000. -С.320−324.

Для підготовки даної праці були використані матеріали із сайту internet.