Экспериментальные исследования динамики смещений в разломных зонах

Панжин Андрей Алексеевич, научный сотрудник Института горного дела Уральского отделения РАН, Екатеринбург

В данной публикации обобщается опыт исследования короткопериодных деформаций разломных зон верхней части земной коры с использованием комплексов спутниковой геодезии. В результате исследований были изучены кратковременные деформационные процессы, проистекающие в верхней части земной коры, в разломных зонах и на прилегающих территориях, период которых составляет от одной минуты до нескольких часов. Были определены величины знакопеременных смещений и деформаций, изменения компонент поля напряжений на различных участках массива. Величины смещений и деформаций способны вызвать разрушения в объектах, попадающих в зону их влияния. Открытие короткопериодных смещений и деформаций вносит новое представление о параметрах и закономерностях формирования напряженно-деформированного состояния массива горных пород в естественных условиях. Непрерывные мониторинговые исследования смещений и деформаций земной поверхности производились как в осадочном чехле, так и в массиве скальных горных пород.

Человек в своей повседневной деятельности привык руководствоваться представлениями о Земле как о Lбезответной земной тверди¦. Сегодня всем известно о движении литосферных плит, о движениях по таким живущим разломам как Сан-Андреас в Калифорнии, Северо-Анатолийский в Турции и др. А в остальных своих частях Земля - как среда горного производства, подземных сооружений, основание для всех видов строительства и т.п. - представляется как нечто статическое, незыблемое.

В реальной действительности это далеко не так. Тектонические нарушения даже невысокого ранга в общей иерархии блочного строения массива горных пород обладают определенной подвижностью. Она не всегда носит трендовый направленный характер, но может быть представлена и динамическими колебаниями, вызванными пока неизвестными эндогенными процессами. Подобные противоречия существующих представлений с реальными процессами в земной коре сопряжены с серьезной опасностью для объектов, оказавшихся в зоне влияния подвижных тектонических структур [1]. Наиболее контрастно это противоречие проявилось на протяженных объектах, таких как магистральные нефтепроводы и газопроводы, подземные коллекторы и т.п. Но особенно это важно для экологически опасных объектов, аварии на которых могут стать причиной экологических катастроф. К ним можно отнести атомные электростанции, подземные и наземные хранилища ядерных отходов.

С конца девятнадцатого века и до недавнего времени напряженно-деформированное состояние массива горных пород в геомеханике, геодинамике и других науках о Земле представлялось как что-то статическое. Менялись представления о его параметрах, о порождавших их причинах, о зависимостях между значениями напряжений и деформаций и базами их измерений. Но одно оставалось неизменным - статическое состояние параметров напряжений и деформаций в исторические отрезки времени. Динамические или медленные изменения по установившимся понятиям происходили либо за длительные геологические периоды, либо на участка развития и проявления геодинамических процессов на короткие промежутки времени.

В 70-80 годы прошлого столетия в научных исследованиях все чаще стали встречаться работы по исследованию динамики параметров напряженно-деформированного состояния во взаимосвязи с приливными явлениями от влияния Луны и Солнца [2]. Сегодня во многих работах поднимается вопрос о флюктуациях параметров напряженно-деформированного состояния и теоретически никто из геомехаников не станет отрицать динамики напряженно-деформированного состояния. Но в практической сфере динамика напряжений и деформаций не находит своего отражения. Это происходит по простой причине - никто не знает параметров динамических процессов: амплитуды и частоты происходящих изменений.

В то же время, практикой эксплуатации магистральных нефтяных и газовых трубопроводов и других протяженных объектов установлено, что аварийные разрывы на них группируются, чаще всего, в зонах тектонических структур. Механизм их разрушения в этих зонах позволяет предположить о наличии динамических изменений в напряженно-деформированном состоянии массива горных пород и проложенном по нему трубопроводе. Эти обстоятельства побудили провести экспериментальные исследования динамики напряженно-деформированного состояния разломных зон.

Исследование динамики разломных зон проводилось в Западной Сибири в районе города Сургута Тюменской области. Первый экспериментальный объект находится в 17 километрах от города Сургута на пересечении магистрального нефтепровода с локальным тектоническим нарушением, имеющим меридиональное простирание. На этом участке нефтепровода имели место аварийные разрывы труб. Второй объект расположен в самом городе Сургуте на сочленении широтного и меридионального тектонических нарушений. На участке их сочленения проходит система подземных канализационных коллекторов города, на которых произошло несколько аварий. Аварии на канализационных коллекторах сопровождались образованием провалов на земной поверхности. Прикладная цель исследований в обоих случаях состояла в выяснении причин аварийных разрывов нефтепровода и канализационных коллекторов.

По геологическим данным район эксперимента относится к Обской кайлогенной области Западно-Сибирской низменности. В ней выделяется разнородный складчатый фундамент и слабо дислоцированный покров. Формирование структурных форм покрова началось в конце триаса и продолжается до настоящего времени. Под покровом понимается мощная толща отложений, образовавшаяся за указанный период, сложенная, преимущественно, песчано-глинистыми и, в отдельных случаях, кремнистыми породами. Мощность покровных отложений достигает 2700 метров.

Из геологической информации следует, что в неогене и четвертичном периоде имели место довольно интенсивные тектонические движения и что все крупные орографические элементы Западно-Сибирской низменности являются результатом новейших тектонических движений. Дифференцированные неотектонические движения, обуславливающие рост локальных структурных форм, имеют амплитуды движений до 250-300 метров. Градиент их часто достигает 20 метров/километр. Экспериментальный участок расположен непосредственно на Сургутском своде, представляющем собой слабо вытянутое поднятие северо-северо-восточного простирания длиной 300 километров, шириной 150 километров. Амплитуда поднятия по кровле фундамента достигает 1200 метров и быстро затухает к поверхности до 70 метров.

Границы тектонических зон хорошо прослеживаются в приповерхностных слоях методами электрометрии по резкому снижению удельного электрического сопротивления. В городских условиях положение границ тектонических зон уточнялось в процессе эксперимента.

Динамика смещений в разломных зонах исследовалась с применением технологий спутниковой геодезии. При проведении работ был учтен как предыдущий опыт работ [3], так и были выполнены работы по созданию и апробации специфической методики полевых и камеральных работ [4]. Непосредственно измерялись взаимные вертикальные и горизонтальные смещения двух точек специальных наблюдательных станций, оборудованных на исследуемых участках. Для этих целей использовался комплект приборов фирмы Trimble (USA) серии 4600LS, включавший четыре GPS-приемника. Наблюдательные станции представляли собой систему точек, закрепленных на местности с помощью забивных металлических реперов. Применение реперов обеспечивает возможность повторения экспериментов. На первом объекте в районе нефтепровода было оборудовано 15 точек наблюдения, а на втором 13. Измерения производились по технологии дифференциальной GPS в непрерывном режиме с периодичностью съема показаний 5 секунд, 10, 15 и 30 минут. Одновременно в работе находилось 4 приемника, установленных на 4 реперах. Это обеспечивало мониторинг за изменениями длин и превышений у 6 векторов. Всего было выполнено измерений по 29 векторам на первом объекте и 35 векторам на втором. Продолжительность непрерывных наблюдений на каждом векторе была различной и составляла от 1.5 часа до 30 часов. Выполнение всех требований, предъявляемых к планированию и проведению измерений, а также к последующей обработке экспериментальных данных, обеспечивает точность определения взаимного положения двух смежных приемников в пределах 1-3 мм. В процессе проведения измерений проводился специальный контроль, подтверждающий указанную точность.

По результатам измерений было установлено, что амплитуды горизонтальных и вертикальных деформаций на обоих объектах имеют достаточно близкие значения. Максимальная абсолютная величина горизонтальных деформаций составляет 35-57 мм, а относительные достигают (1.03-1.17)×10-3. Для вертикальных деформаций максимальные величины составляют, соответственно, 86-108 мм и (1.46-2.69)×10-3. Частотные характеристики колебаний смещений и деформаций имеют достаточно широкий характер, но наиболее четко выделяются гармоники с продолжительностью периодов от 30 до 60 минут. Имеются и другие менее выраженные гармоники.

При анализе данных было определено, что увеличение периода съема показаний влечет за собой сглаживание динамики колебаний. Из волновой картины исчезают короткопериодные колебания. На максимальные значения деформаций влияет также и время и продолжительность циклов измерения. Были рассмотрены результаты измерений по нескольким векторам, произведенным в разное время и с разной продолжительностью цикла измерения. В некоторых случаях результаты отличались в несколько раз, а в других они были почти идентичны.

В целом пока не выявлено существования определенных взаимосвязей деформаций с направлением векторов относительно тектонических нарушений. Возможно они проявят себя при последующих исследованиях и накоплении экспериментальной информации.

Полученные экспериментальные данные о наличии динамических форм движения в зонах тектонических нарушений и вызванных ими знакопеременных деформаций и сдвижений влечет за собой серьезные фундаментальные и прикладные последствия. В фундаментальной области они, прежде всего, связаны с усугублением представлений о естественном напряженно-деформированном состоянии массива горных пород. К установленным сегодня гравитационным и тектоническим компонентам добавляется динамическая составляющая. при полученных горизонтальных деформациях сжатия-растяжения 1.27×10-3 и модуле упругости массива горных пород от 3000 МПа до 5000 МПа величины динамических напряжений составят от 3.9 до 6.4 МПа.

Если принять во внимание результаты обобщений (Brown & Hoek 1978; Sashourin 1999), в соответствии с которыми величина первого инварианта горизонтальных нормальных напряжений s1+s2 в приповерхностных слоях массива горных пород составляет от (16.31.1)МПа до (30.82.3)МПа, то динамические компоненты будут весьма существенными. При указанных выше параметрах первый инвариант динамических горизонтальных напряжений составит от 7.8 до 12.8 МПа, что сопоставимо с его значениями для статических компонентов. Этими величинами уже нельзя пренебрегать. Более того, необходимо учитывать их циклический знакопеременный характер. Наличие динамических сил в зонах тектонических нарушений, которые, по-видимому, имеют эндогенное происхождение, обуславливает многие особенности в развитии и существовании напряженно-деформированного состояния не только разломных зон, но и в целом массива горных пород. Но это выходит за рамки данного доклада и, вероятно, послужит темой другой работы.

Трудно переоценить роль динамических деформаций и в прикладной сфере. Все искусственные объекты, попавшие на тектонические нарушения с динамическими деформациями, безусловно окажутся под их воздействием, испытывая влияние усталостных эффектов от цикличного нагружения. В соответствии с полученными частотами, сооружения подвергнутся не менее 500000 циклов нагружения в год. В первую очередь воздействию динамических деформаций подвергаются протяженные подземные объекты, такие как магистральные газопроводы и нефтепроводы, водопроводы, теплотрассы, канализационные коллекторы, метрополитены и др.

Особое внимание динамике тектонических зон должно быть уделено на участках строительства и эксплуатации экологически опасных объектов, аварии на которых могут сопровождаться экологическими катастрофами. При этом следует иметь ввиду, что динамика может быть присуща и тектоническим нарушениям невысокого ранга. Поэтому обследование промплощадок ядерных отходов и других опасных объектов по фактору наличия динамики должно стать нормой.

Таким образом, инструментальными измерениями в зонах тектонических нарушений получены следующие результаты:

1. В зонах тектонических нарушений имеют место динамические деформации, величины которых в горизонтальной плоскости (сжатие-растяжение) достигают 1.27 х 10-3, а в вертикальной плоскости (наклон) до 2.69 х10-3. Наиболее четко проявляются гармоники колебаний с продолжительностью периодов в пределах 30-60 секунд и 30-60 минут.

2. Выявленные динамические деформации тектонических нарушений влекут за собой радикальный пересмотр представлений о формировании естественного напряженно-деформированного состояния массива горных пород, что имеет значение не только для геомеханики, но и для других наук о Земле.

3. Динамические деформации тектонических нарушений безусловно оказывают негативное воздействие на искусственные объекты. Серьезного внимания по этому факту требуют протяженные сооружения и экологически опасные объекты, такие как атомные электростанции и подземные хранилища атомных отходов.

Список литературы

1. Сашурин А.Д., Ручкин В.И., Панжин А.А., Дубовик В.В. Мониторинг напряженно-деформированного состояния верхней части земной коры на шахте Сарановская-Рудная //Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковские чтения): Доклады Международной конференции 6-10 июля 1998 г. -Екатеринбург, УрО РАН, 1998. -C.192-198.

2. Кострюкова Н.К., Кострюков О.М. Динамика приливных деформационных процессов в локальных разломах земной коры v в связи с безаварийной эксплуатацией продуктопроводов //Геомеханика в горном дела - 2000: Доклады международной конференции. -Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 2000. - С.295-305.

3. Панжин А.А. GPS-технологии в геодезическом мониторинге НДС техногенного участка. //Геомеханика в горном деле /ИГД УрО РАН. Сборник научных трудов. -Екатеринбург, 1999. -С.68-85.

4. Панжин А.А. Непрерывный мониторинг смещений и деформаций земной поверхности с применением комплексов спутниковой геодезии GPS //Геомеханика в горном деле - 2000: Материалы Международной конференции. -Екатеринбург: ИГД УрО РАН. -2000. -С.320-324.