Главная О проекте Архив новостей Статьи Об авторах Конференции Форум Ссылки

ИССЛЕДОВАНИЕ КОРОТКОПЕРИОДНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ РАЗЛОМНЫХ ЗОН ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ ЗЕМНОЙ КОРЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ СИСТЕМ СПУТНИКОВОЙ ГЕОДЕЗИИ

А.А. Панжин

Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург

Работа выполнена при поддержке РФФИ

Аннотация: 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.

В соответствии с основными положениями теории глобальной тектоники плит, литосфера Земли представляет собой относительно жесткую оболочку, "плавающую" на поверхности достаточно вязкой мантии. Эта оболочка разбита региональными тектоническими нарушениями на ряд крупных литосферных блоков, линейные размеры которых достигают нескольких тысяч километров; эти, так называемые мегаблоки находятся в постоянном движении относительно друг друга. Каждый литосферный блок, в свою очередь, разбит на множество более мелких структурных блоков системами региональных и локальных тектонических нарушений, по которым также происходят тектонические подвижки (Рис. 1). Таким образом, реальный массив горных пород представляет собой сложную иерархически блочную среду, каждой структурной единице которой присущи свои деформационные характеристики, каждая структурная единица которой находится в постоянном движении относительно окружающих ее структурных единиц. Уже установлено, что тектонические нарушения даже невысокого ранга обладают достаточной подвижностью, которая носит как трендовый направленный характер, так и представлена динамическими колебаниями различной природы. В настоящее время достаточно хорошо известно о движениях литосферных плит, происходящих по таким крупным живущим разломам как Сан-Андреас в Калифорнии, Северо-Анатолийский в Турции и др. На остальной же территории Земли массив горных пород в большинстве случаев представляется как среда статическая и незыблемая. Однако, как показывают исследования, даже на небольших участках массива имеют место деформационные процессы с различными периодами и амплитудой [1]. Такие процессы, происходящие в земной коре, сопряжены с серьезной опасностью для объектов, оказавшихся в зоне влияния подвижных тектонических структур. Наиболее контрастно это проявляется на протяженных объектах, таких как магистральные нефтепроводы и газопроводы, подземные коллекторы и т.п., которые, в силу своей геометрии, непременно пересекают множество тектонических нарушений разных рангов.

Одними из первых с данной проблемой столкнулись организации, занимающиеся эксплуатацией магистральных протяженных объектов. В настоящее время по территории Российской Федерации проложено более 200 тыс. км. магистральных нефте- и газопроводов, которые неминуемо пересекают множество региональных и локальных тектонических разломов. По имеющейся статистике, около 80% всех аварий магистральных продуктопроводов приурочены к определенным местам - местам пересечения ими тектонически нарушенных зон. Причем отмечается достаточно высокий процент повторяемости аварийных событий на одних и тех же участках - повторяемость двукратных аварий на одном и том же локальном участке достигает 75-80%, а повторяемость трех- и более кратных доходит до 95%. Ярким примером подобного рода аварийности служит 40-километровый участок магистрального 9-и ниточного газопровода в районе г. Краснотурьинск, на котором за период с 1990 по 1995 г.г. произошло 45 аварий, что составило около 90% всех аварий РАО "Газпром" за этот период (Рис. 2). С 1996 г. аварии на данном участке практически прекратились, по-видимому, массив горных пород уже реализовал всю накопленную им энергию и в настоящее время происходит новый цикл ее накопления. Также, по имеющейся статистике, к локальным тектоническим разломам приурочены аварии других протяженных инженерных объектов - коллекторов, систем канализации и водоснабжения и др.

При расследовании причин подобных аварийных ситуаций было установлено, что технологические параметры, такие как качество металла и железобетонных конструкций, сварных швов, изоляции и пр. не являются истинными причинами многократных аварий. Как правило, дефекты строительства магистральных сооружений проявляются первые полгода - год эксплуатации, далее отказы происходят в основном из-за старения конструкции [2]. Было установлено, что истинными причинами многократных порывов и разрушений магистральных сооружений являются некие факторы, приводящие к снижению технологических усталостных свойств стали труб и железобетонных конструкций. По результатам внутритрубных исследований магистральных продуктопроводов было определено, что около 70% всех дефектов относятся к категории "потери металла", которая включает в себя трещины, каверны, коррозию и пр. [3]. Также интересен тот факт, что на трубопроводах, изготовленных из более пластичных материалов, трещины появляются только через 25 лет эксплуатации, тогда как на трубопроводах, изготовленных из высокопрочных материалов, трещины появляются через 3-4 года эксплуатации [2]. Таким образом, анализируя вышесказанное, можно предположить, что причиной большинства аварий на магистральных трубопроводах оказываются подвижки земной поверхности, которые реализуются по границам тектонических блоков разного иерархического уровня.

С целью проверки данного теоретического положения в 1995 г. сотрудниками Института горного дела был исследован участок магистрального газопровода в районе г. Краснотурьинск, но котором неоднократно имели место аварийные ситуации (Рис. 3). На данном участке были проведены геофизические изыскания методами вертикального электрозондирования и электропрофилирования, которые выявили наличие основного тектонического разлома, под острым углом пересекающего трассу газопровода, а также несколько секущих разломов более низкого ранга. Эти исследования косвенно подтвердили предположения о том, что причиной аварийных ситуаций являются подвижки по тектоническим нарушениям [4]. Несмотря на то, что в ходе выполнения опытных исследовательских работ были получены результаты, проливающие свет на природу возникновения неоднократных аварийных ситуаций на локальных участках, приуроченных к тектоническим нарушениям, дальнейшие работы были свернуты по инициативе организаций РАО "Газпром", осуществляющих эксплуатацию магистральных газопроводов. На данный момент времени сложилась такая ситуация, при которой гораздо выгоднее по несколько раз в год ликвидировать последствия аварийных ситуаций за счет средств налогоплательщиков, чем изыскивать средства на проведение научных исследований, в результате которых возможно кардинально решить проблему эксплуатации экологически опасных объектов в тектонически-активных зонах, из собственного бюджета.

Как выяснилось позже, геодинамическую активность тектонических нарушений как фактор формирования напряжений в заглубленных конструкциях рассматривают и другие исследователи. Здесь следует отметить работы, выполненные исследователями научно-практического центра "Сургутгеоэкология" [5]. Ими было установлено, что заглубленные протяженные конструкции испытывают статические напряжения за счет смещений тектонических блоков в коренных породах и динамические разнонаправленные напряжения, вызванные приливными колебаниями земной коры, причем, по имеющейся статистике, количество аварийных ситуаций на продуктопроводах, локализованных на отдельных участках в пределах геодинамических структур, доходит до 80 и более процентов.

Специалистами "Сургутгеоэкологии" было установлено, что локальные геодинамические структуры проявляют себя как локальные разломы в осадочном чехле. Они проявляются на поверхности в виде линеаментов в ландшафте, в их пределах проявляется повышенная трещиноватость и проницаемость, аномалии магнитного поля и гамма фона, повышенная концентрация радона и продуктов его распада в приземном слое атмосферы. Ширина выделенных геодинамических структур колеблется в пределах 100 - 500 метров, причем концентрированное проявление динамики деформационных процессов происходит в межблоковой части. Эти данные были экспериментально подтверждены в процессе исследования геодинамических процессов на полигонном участке, расположенном в 17 километрах севернее города Сургут, в период с 1998 по 1999 г.г. и проверены в ходе выполнения исследовательских работ на участке Восточно-Таркосалинского месторождения.

На сургутском полигонном участке был исследован участок законсервированного нефтепровода, пересеченного локальным тектоническим разломом субмеридионального простирания. На данном участке, в ходе эксплуатации продуктопровода, наблюдались многократные повторяющиеся аварийные ситуации. Так как на данном участке наблюдалось хорошее сцепление трубы с породным массивом, то система трубопровод - порода рассматривалась как сплошная деформируемая среда. Для оценки изменений напряженного состояния в разломных зонах и исследовании динамики деформационных процессов был проведен комплекс исследований, в которых трубопровод использовался в качестве индикатора процессов, происходящих в породном массиве.

В ходе выполнения исследовательских работ, в пунктах измерений было произведено шурфование трубопровода со снятием защитной изоляции. На зачищенных местах были установлены магнитные метки, феррозондовые датчики и тензодатчики, по которым производилось непрерывное тензометрирование с целью исследования динамики деформаций во времени. Максимальные напряжения, зафиксированные в процессе исследований на трубопроводах, были значительны и составили для данного участка в разные периоды времени от 80 до 120 МПа, что соответствует деформациям до 99 мм на базе измерений около 500 метров. Такие напряжения и деформации хотя и не способны привести к разрушению трубопровода, но они приводят к снижению прочностных свойств стали труб за счет возникновения усталостных эффектов, вызванных многократными воздействиями знакопеременных нагрузок.

Повторяемость результатов в процессе проводимых исследований была высока, методы измерения достаточно точными, однако они предполагают необходимость доступа к телу трубы с обязательным удалением защитной изоляции и зачисткой поверхности, что неприемлемо в условиях непрерывной транспортировки продуктов. В этих условиях становится актуальным поиск высокоточных и малотрудоемких методов измерения деформаций, происходящих в локальных разломных зонах, без использования трубы в качестве датчика деформаций.

Весной 2000 г. специалистами ИГД УрО РАН совместно со специалистами НПЦ "Сургутгеоэкология" была рассмотрена возможность использования спутниковой системы GPS геодезического класса для непрерывного мониторинга короткопериодных смещений и деформаций разломных зон. Под непрерывным мониторингом в данном случае понимается длительное (от нескольких часов до нескольких суток) инструментальное наблюдение за изменением пространственных координат реперов наблюдательной станции и пространственно-геометрическими связями между ними во времени, с интервалом между дискретными определениями от нескольких секунд до нескольких десятков минут. В отличие от существующих на сегодняшний день видов геодинамического мониторинга, когда производятся моментные измерения величин смещений и деформаций с периодичностью от одного до нескольких раз в год [6, 7], непрерывный мониторинг позволяет детально изучить кратковременные процессы, протекающие в верхней части земной коры. Период таких процессов составляет от нескольких тысячных герц до десятых герц, что не позволяет производить их изучение традиционными методами.

Для непрерывного мониторинга смещений и деформаций земной поверхности наиболее целесообразно использование комплексов спутниковой геодезии GPS, так как они имеют ряд преимуществ перед традиционными геодезическими методами. Во-первых, геодезические наблюдения с применением GPS-оборудования можно производить в любое время суток, при любой погоде и при отсутствии прямой оптической видимости между реперами. Во-вторых, мониторинг смещений и деформаций можно производить без непосредственного присутствия оператора, так как в данном случае используются полностью цифровые технологии, и приборы работают в автоматическом режиме. В-третьих, в результате мониторинга в заранее заданный момент времени одновременно определяются все три координаты точки стояния прибора; в случае, когда мониторинг ведется тремя или более GPS-приемниками, образуются жесткие пространственные геометрические связи с другими реперами мониторинговой GPS-сети, на которых в данный момент времени производятся измерения.

На первом этапе научно-исследовательской работы намечались создание и апробация методики измерений короткопериодных смещений и деформаций с использованием GPS аппаратуры геодезического класса, а также методики обработки и интерпретации результатов измерений. Данная методика должна обеспечивать долговременное непрерывное измерение смещений и деформаций массива с заданным уровнем дискретности измерений и высокой точностью.

При разработке методики измерения короткопериодных деформаций массива была предпринята попытка использования существующих наработок по проблеме непрерывного мониторинга состояния массивов и инженерных сооружений с использованием систем спутниковой геодезии. К этому времени уже были известны работы по мониторингу деформаций как природных объектов, таких как оползни (система GOCA) [8], так и крупных инженерных сооружений, таких как протяженные мосты и другие линейные сооружения [9]. Эти программно-аппаратные комплексы измеряют смещения и деформации исследуемых объектов и конструкций в системе реального времени (RTK - Real Time Kinematics) и в основном служат для раннего оповещения персонала о критических деформациях, возникающих в них. Конструктивно наблюдательные станции представляют собой сеть стационарно установленных RTK GPS-приемников c постоянными каналами кабельной и радиосвязи, постоянно передающих данные измерений на центральный компьютер, который в автоматическом режиме ведет расчет сдвижений и деформаций. Точность определения величин смещений подобного рода системами составляет 2-10 мм в зависимости от используемого оборудования.

Однако от подобного опыта измерений пришлось отказаться по нескольким причинам. Рассмотренные наблюдательные станции подобной конструкции стационарны на весь период эксплуатации сооружения или существования природного объекта, лишены мобильности, требуют наличия развитой инфраструктуры, систем кабельной и радиосвязи, центрального диспетчерского пункта, что сильно удорожает стоимость проведения мониторинговых работ. В нашем случае для оценки динамики напряженно-деформированного состояния массива нет необходимости получения данных в режиме реального времени, все расчеты и интерпретацию результатов измерений можно производить в постобработке, однако имеется необходимость в мобильности и относительной низкой стоимости выполняемых работ.

В разработанной методике непрерывного мониторинга короткопериодных деформаций массива использовался мобильный комплект одно- и двухчастотной GPS-аппаратуры геодезического класса фирмы Trimble Navigation. Характеристика системы GPS и применяемого оборудования кратко дана в работах [7, 10]. Точность автономного определения пространственных координат при использовании одночастотного GPS-приемника составляет в настоящее время около 2-3 метров, что неприемлемо для геодезической практики вообще, а для определения смещений в геомеханических задачах в особенности. Как было отмечено выше, в решаемой задаче точность измерения смещений двух точек друг относительно друга должна быть в пределах 2-3 мм. Требуемую точность определения координат обеспечивает технология дифференциальной GPS, когда одновременно работает 2 или более приемника, установленных на разных точках, ограничивающих измеряемый отрезок. В этом случае один приемник считается базовым (неподвижным), а остальные - определяемыми (движущимися). Одновременная работа минимум двух приемников позволяет определить величину ионосферной и тропосферной поправки, компенсирующей искажение спутниковых радиосигналов при прохождении их через ионосферу и тропосферу Земли. Главным условием работы в режиме дифференциальной GPS является обеспечение одновременного приема сигналов от одних и тех же спутников обоими приемниками. В проводимых исследованиях принимало участие 4 и более приемников Trimble 4600LS и Trimble 4000SSE, ведущих одновременную работу на исследуемых интервалах. При последующей попарной обработке это обеспечивает измерение смещений и деформаций одновременно по 6 и более отрезкам на местности. В экспериментальных работах использовались два временных режима определения вертикальных и горизонтальных смещений (Рис. 4). Накопление данных от спутников производилось с интервалом в 5 секунд в один непрерывный файл данных, который при выполнении последующей камеральной обработке соответствующим образом "нарезался". В основном режиме происходило накопление спутниковых данных в течение 15 минут (180 измерений на точку). В дополнительном режиме накопление данных производилось в течение 1 минуты (12 измерений на точку). То есть, результаты, выдаваемые на печать через указанные интервалы, представляли собой усредненные значения смещений за этот промежуток времени. Обеспечение высокой точности определения смещений GPS-технологиями достигалось за счет тщательного планирования спутниковых наблюдений. Выполнение этих требований обеспечивает определение взаимного положения двух приемников с точностью не ниже 2-3 мм. Эта точность подтверждалась на специальных базисах, оборудованных стационарными пунктами с известными координатами.

Камеральная обработка полевых измерений проводится с использованием пакетов фирменного программного обеспечения GPSurvey и TGOffice, поставляемых с GPS приемниками фирмы Trimble Navigation, а также дополнительного пакета авторских программ, значительно расширяющих возможности самого комплекса. На первом предварительном этапе камеральных работ производилось преобразование файлов данных с непрерывными измерениями в файлы данных с дискретными измерениями. То есть непрерывный массив данных принудительно разделялся на точки измерений и каждой точке присваивался собственный уникальный идентификатор (см. рис. 4). Как отмечалось выше, выделялись дискретные точечные измерения с периодами 15 минут и 1 минута. Данное преобразование осуществлялось на основании существующего нормативного документа [11]. По результатам обработки полученных данных в модуле WAVE пакета GPSurvey вычисляются вектора между точками и их компоненты (длина вектора, превышение, компоненты Север-Юг и Запад-Восток). Также на этом этапе, по результатам внутреннего контроля, производится отбраковка некачественных измерений. По изменениям величин компонент векторов определяются величины смещений и деформаций соответствующих интервалов в горизонтальной и вертикальной плоскостях, их амплитуды и строятся графики изменения этих величин. В дальнейшем по эти данным производится анализ напряженно-деформированного состояния экспериментального участка. Более подробно методика измерений короткопериодных смещений и деформаций с использование GPS аппаратуры геодезического класса, а также методики обработки и интерпретации результатов измерений приведены в работе [12].

Разработанная методика была впервые опробована летом 2000 г. на сургутском полигонном участке, где ранее специалистами "Сургутгеоэкологии" производились определения короткопериодных деформаций массива контактными способами (Рис. 5). Основной целью экспериментальных работ было опробование разработанной методики в полевых условиях, определение величин короткопериодных деформаций разломных зон на эталонном участке и сопоставление их с измеренными ранее величинами деформаций. Как отмечалось выше, экспериментальный объект находится в 17 километрах от города Сургута на пересечении магистрального нефтепровода с локальным тектоническим нарушением, имеющем субмеридиональное простирание. Динамика смещений и деформаций исследовалась методами спутниковой геодезии по специально разработанной методике. Непосредственно измерялись взаимные вертикальные и горизонтальные смещения точек специальной наблюдательной станции, оборудованной на исследуемом участке. Наблюдательная станция представляла собой систему точек, закрепленных на местности с помощью забивных металлических реперов, применение которых обеспечивает возможность повторения эксперимента. Всего на объекте было оборудовано 15 точек наблюдения. Дополнительно контрольные серии наблюдений производились в нетронутом массиве горных пород за пределами зоны влияния тектонического нарушения. Таким образом, наблюдаемая система точек, закрепленных на местности реперами, охватывала зону разлома, которая по предположениям и данным предшествующих экспериментов, должна обладать наибольшей активностью.

Всего на объекте в течение 7 суток было проведено 6 рабочих серий непрерывных измерений величин короткопериодных деформаций разломной зоны и 2 контрольные серии наблюдений в нетронутом массиве. Продолжительность непрерывных серий измерений составляла на разных реперах наблюдательной станции от 16 до 30 часов. Таким образом, по каждой из серий наблюдений было получено до 1020 единичных результатов. При камеральной обработке результатов измерений оценивалась точность определения длин линий и превышений между реперами как по показателям качества получения векторов в геоцентрической системе координат, так и путем расчета невязок замыкания замкнутых контуров. При этом было установлено, что ошибки замыкания не превышают величин 1 мм в горизонтальной плоскости и 2 мм в вертикальной плоскости. Накопление данных, как было описано выше, производилось в основном и дополнительном режимах с разной дискретностью точечных измерений. При этом было отмечено, что увеличение периода съема показаний влечет за собой сглаживание динамики колебаний, при этом из волновой картины исчезают короткопериодные колебания.

В результате исследований было подтверждено наличие короткопериодных деформаций массива в пределах выявленной разломной зоны. Максимальная абсолютная величина горизонтальных деформаций составляет 35-57 мм, а относительные достигают (1.0 - 1.2)^.10^-3. Для вертикальных деформаций максимальные величины составляют, соответственно 86 - 108 мм и (1.5 - 2.5)^.10^-3. Типичный график изменения длин линий и превышений между реперами наблюдательной станции представлен на рис. 6. На графиках достаточно четко прослеживается волновая картина изменения длин линий и превышений во времени, при этом некоторая мелкая "пилообразность" графика может быть обусловлена влиянием погрешностей измерений.

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.

В результате выполненной экспериментальной работы, во-первых, была получена достаточно хорошая корреляция результатов измерений с данными предшествующих исследования, а во-вторых, была доказана эффективность применения комплексов спутниковой геодезии в качестве средства бесконтактного исследования и контроля воздействия динамически напряженных зон на трубопроводы путем непрерывных наблюдений за смещениями и деформациями земной поверхности.

Полученные экспериментальные данные о наличии динамических форм движения в зонах тектонических нарушений и вызванных ими знакопеременных деформаций и сдвижений влекут за собой серьезные фундаментальные и прикладные последствия. В фундаментальной области они связаны с усугублением представлений о естественном напряженно-деформированном состоянии массива горных пород. К установленным сегодня гравитационным и тектоническим компонентам добавляется динамическая составляющая. В прикладной области они связаны с воздействием динамических деформаций на искусственные объекты, попадающие на активные тектонические нарушения, которые окажутся под их воздействием, испытывая влияние усталостных эффектов от цикличного нагружения.

Разработанная методика непрерывного мониторинга короткопериодных деформаций земной поверхности в тектонически-активных зонах в дальнейшем была успешно применена для выяснения причин и механизма аварийных разрушений канализационных коллекторов города Сургута, расположенных в местах пересечения ими локальных тектонических разломов с выходом воронок обрушения на земную поверхность. В этой связи необходимо отметить пионерную позицию представителей администрации г. Сургут, которые, сломив сложившиеся годами стереотипы, пришли к необходимости установления истинных причин аварийности коллекторов и дальнейших действий по ее снижению путем кардинального изменения конструкции коллектора, вместо очередного латания дыр в нем. Исследуемый участок, на котором неоднократно отмечались аварийные порывы подземного канализационного коллекторы большого диаметра, расположен в центральной части города Сургута, в районе пересечения улиц Декабристов и Майской (Рис. 7). Места аварийных порывов коллекторов отмечены на схеме кружками и прямоугольником.

На первых этапах работы производилось исследование состояния участка геофизическими методами. Первоначально, по результатам наземной радоновой съемки, были выявлены примерные границы зон, в которых наблюдалось аномально высокое содержания радона и его дочерних продуктов в приземных слоях атмосферы, и в которых, по результатам предшествующих исследований, могли и меть место проявления короткопериодных деформаций массива. На рис. 7 эти зоны обозначены затененными областями. Всего на участке было выявлено две тектонические зоны - субширотного и субмеридионального простирания. Точность установления этих границ была относительно невысокой и составляла примерно 50 метров, поэтому на следующем этапе работ границы этих зон были уточнены методами электроразведки. В данном случае использовались методы вертикального электрозондирования и электропрофилирования. При проведении электроразведочных работ было установлено, что выявленные по повышенной концентрации радона зоны сильно обводнены и внутри этих зон массив сильно разуплотнен. Границы тектонических зон и массива достаточно четко выделялись по резкому изменению удельного электросопротивления пород. Уточненные границы тектонических зон были нанесены на план участка работ. На рис. 7 уточненные границы показаны линиями с короткими засечками. При этом был отмечен тот факт, что все места аварий канализационного коллектора приурочены либо к осевой линии тектонических зон, либо к границам разломной зоны с нетронутым массивом горных пород.

На следующем этапе работ был произведен тщательный визуальный осмотр дорожного асфальтового покрытия, стен и фундаментов строений, попадающих в зону влияния тектонического нарушения. Во многих местах были обнаружены свежие трещины в асфальтовом покрытии, раскрытием до 3-5 см, и в стенах и фундаментах строений с раскрытием до 1-2 см. Данные трещины не были каким-либо образом связаны с конструктивными особенностями инженерных сооружений, таких как стыки плит сборных конструкций и пр., и часто носят многократный характер проявления, то есть свежие трещины возникают в местах ликвидации старых трещин.

Для определения параметров напряженно-деформированного состояния массива горных пород на аварийном участке канализационного коллектора была заложена наблюдательная станция, состоящая из 13 постоянных грунтовых реперов забивного типа (Рис. 8). Схема расположения реперов выбиралась таким образом, чтобы, во-первых, обеспечить достаточный охват тектонических зон, а во-вторых, чтобы измерения смещений и деформаций было возможно производить во всех частях и направлениях разломных зон исследуемого участка. При этом базы измерений составляли от 50 метров до 1.5 километров.

В соответствии с разработанной методикой на данном участке при выполнении работы было проведено 4 серии инструментальных наблюдений. Продолжительность непрерывных измерений смещений и деформаций составляла от 14 часов (4 репера - одна серия наблюдений) до 32 часов (12 реперов - 3 серии наблюдений). Инструментальные измерения в данном случае производились только в основном режиме сбора информации. При продолжительности периодичности съема данных 15 минут на каждом векторе было получено по 125 единичных данных об изменении длины вектора и превышений. По результатам измерений для каждой серии наблюдений составлялась карточка объекта, в которой, кроме схемы реперов, участвующих в данной серии наблюдений, для каждого вектора приводились максимальные величины значений длин линий и превышений, а также величины изменения горизонтальных деформаций и превышений (Рис. 9).

В результате измерений на исследуемом участке были выявлены две зоны концентрации динамических деформаций массива горных пород, которые приурочены к центральной и краевой частям выявленной разломной зоны. На рисунке 8 эти зоны выделены затененными окружностями. В этих зонах концентраций динамические деформации превышали средние значения по участку в 2-3 раза. На остальной площади участка работ отмечалось довольно равномерное распределение поля динамических деформаций с практически полным их затуханием в сплошном нетронутом массиве. Также было замечено, что внутри разломной зоны субширотного простирания фон динамических деформаций был значительно выше, чем в разломной зоне субмеридионального простирания. По результатам выполненных измерений была предпринята попытка каким-либо образом объяснить наличие на исследуемом участке двух зон повышенной концентрации динамических деформаций массива.

Наличие зоны концентрации деформаций в северной краевой части субширотного разлома достаточно уверенно объяснялось влиянием относительно недавнего обрушения дневной поверхности с образованием воронки, впоследствии засыпанной грунтом. Также, по данным геофизических исследований, эта часть разломной зоны характеризуется повышенной обводненностью и высоким градиентом электрического сопротивления массива, что, по мнению интерпретаторов, указывает на повышенную разуплотненность массива.

Наличие же зоны концентрации динамических деформаций в осевой части субширотного разлома некоторое время оставалось без должного объяснения. Кроме того, по результатам геофизических изысканий было установлено, что на данном участке происходит повышение электросопротивления массива, что, по мнению интерпретаторов, подтверждает меньшую разуплотненность и влажность грунтов в этой части разломной зоны. Однако через 3 месяца после проведения полевых геодезических измерений динамических деформаций массива на обозначенном месте - месте концентрации деформаций в осевой части разлома произошло новое обрушение массива с выходом воронки на земную поверхность. Данный факт не только объяснил наличие зоны концентрации деформаций в данной части массива, но и наглядно демонстрирует возможность заблаговременного прогнозирования обрушения земной поверхности по результатам геодезических измерений динамических деформаций массива горных пород.

Таким образом, в результате выполнения вышеописанных экспериментальных работ было подтверждено, что динамические короткопериодные деформации тектонических нарушений, безусловно, оказывают негативное воздействие на протяженные искусственные объекты. Также был выявлен механизм разрушения протяженных подземных конструкций и предложены мероприятия по снижению их аварийности. Также следует отметить и то, что, несмотря на достаточно большой объем проведенных экспериментальных работ, пока не было установлено наличие трендового характера деформирования массива горных пород и существования определенных взаимосвязей величин деформаций и гармоник колебательного процесса с различными участками тектонических зон. Также еще не были определены величины изменения компонент поля напряжений короткопериодных и трендовых составляющих деформационного процесса.

Эти и некоторые другие задачи были решены в последующей экспериментальной работе по геодинамическому районированию центральной части г. Сургут. Эти исследования были выполнены весной 2001 г. и имели целью разработку рекомендаций по предупреждению аварийных ситуаций на канализационных коммуникациях и восстановлению аварийных участков. Методически работа строилась с учетом предшествующего опыты и сложившихся представлений о механизме взаимодействия конструкции коллектора с динамически напряженными породами разломных зон. Вместе с тем, в данной работе были существенно расширены методические приемы, как в геофизических, так и в геодезических исследованиях.

Как было уже отмечено, экспериментальный участок расположен в центральной части г. Сургут, и его размеры составляют примерно 1300 на 1500 м. Общая схема участка экспериментальных работ с нанесенными реперами наблюдательной станции приведена на рис. 10. В этом районе находится достаточно развитая сеть подземных коллекторов, трубопроводов горячего и холодного водоснабжения и др. На исследуемом участке предшествующими работами научно-практического центра "Сургутгеоэкология" выявлены четыре разломные зоны, две из них имеют субширотное простирание, а две - субмеридиональное. В пределах экспериментального участка эти зоны имеют два пересечения. В центральной части исследуемого участка выделяется довольно протяженный динамически спокойный участок породного массива, условно разделяющий его на две зоны - северо-западную и юго-восточную, центры которых приурочены к местам пересечения соответствующих разломных зон. Подобное разделение участка на две зоны обосновано также и тем, что напряженно-деформированное состояние каждого исследуемого участка во многом будет определяться влиянием расположенных на нем разломных зон. Кроме того, на экспериментальном участке находится фрагмент сети городской полигонометрии, состоящий из 5 реперов, ранее заложенных на участке при застройке микрорайона.

Как и при выполнении предыдущей работы, границы разломных зон были уточнены специальными геофизическими исследованиями, выполненными до начала геодезических работ методами электрометрии. Также был проведен визуальный осмотр дорожного полотна, стен и фундаментов строений, попадающих в зону влияния выявленных разломных зон. Выявленные старые и достаточно свежие трещины, характер их распределения косвенно подтверждали наличие на исследуемом участке поля динамических деформаций.

В соответствии с разработанной методикой определения параметров напряженно-деформированного состояния породного массива на исследуемом участке была заложена специальная наблюдательная станция, состоящая из 32 реперов, по которой было проведено 10 серий инструментальных измерений с применением GPS-технологий, которые были сгруппированы в три этапа работ.

На первом этапе были проведены повторные измерения на 5 пунктах городской сети полигонометрии (Рис. 11). На этом этапе было выполнено две серии измерений и переопределены пространственные геометрические связи между пунктами полигонометрии. Измерения на каждом пункте производились в течение 2-3 часов, чтобы исключить влияние на результаты измерений короткопериодных деформаций массива горных пород. В результате выполнения этого этапа работ были определены деформации участка, произошедшие за достаточно длительный период времени. Величины максимальных горизонтальных деформаций составили (0.03 - 0.06)^.10^-3, причем интересно отметить, что зона их концентрации (на рис. 11 она обведена эллипсом) находится в динамически спокойном участке массива, а не приурочена к какой-либо разломной зоне. По результатам исследований первого этапа было определено трендовое изменение напряженного состояния участка работ. При вычислении по величинам деформаций интервалов тензоров напряжений было сделано допущение об упругом характере деформирования породного массива, что позволило произвести расчеты приращения величины тензора напряжений по методике [13], которая позволяет произвести вычисления при различных углах между тензометрическими датчиками. Полученные в результате расчетов изменения тензоров напряжений составили Δσ₁ = (0.15 - 0.25) МПа и Δσ₂ = (0.05 - 0.15) МПа. Основным результатом данного этапа работ стало подтверждение существования трендового характера деформирования массива на фоне действия поля короткопериодных деформаций. При этом следует обратить особое внимание на тот факт, что спокойные в динамическом отношении участки массива могут играть опасную роль накопителя напряжений и деформаций, что вызывает определенные беспокойства по поводу дальнейшей реализации накопленной в них энергии.

На втором и третьем этапах полевых работ было проведено по 4 серии инструментальных наблюдений на 1-м и 2-м участках экспериментальных работ (Рис. 12). Измерения производились по 32 реперам наблюдательной станции при продолжительности серии наблюдений от 6 до 12 часов. Интервалы единичных измерений составили 15 мин и 1 мин. Таким образом, в процессе работы измерения горизонтальных и вертикальных смещений на участках производились по 57 векторам, на которых в общей сложности выполнено по 3453 единичных измерений горизонтальных и вертикальных смещений. Рассматривая полученные результаты, следует отметить то, что в целом максимальные амплитуды горизонтальных и вертикальных смещений в исследуемых разломных зонах одного порядка с аналогичными параметрами, полученными ранее на разломных зонах в районе ул. Майской. Максимальные горизонтальные деформации имели разброс значений на разных участках (0.01 - 0.5)^.10^-3, наклоны также изменялись на различных участках в значительных пределах (0.02 - 1.00)^.10^-3. По результатам измерений были выявлены две основные зоны концентрации деформаций, которые приурочены к местам пересечения локальных разломов. На рис. 12 эти зоны концентраций выделены эллипсами.

Полученные на втором и третьем этапах работ результаты измерений были подвергнуты частотному FFT анализу с применением фильтра Хамминга, который позволяет, в отличие от классического разложения Фурье, анализировать массивы данных любой размерности, в том числе и с разрывами сплошности. Было установлено, что в формировании поля динамических деформаций этих участков принимают участие различные наборы частот и амплитуд деформаций. Так, в зоне северо-западного пересечения разломов участвуют в основном колебания с периодами 60 и 85 мин, а в зоне юго-восточного пересечения - колебания с частотами 20 и 30 минут. Также было установлено, что в различных частях одного тектонического нарушения принимает участие различный набор гармоник колебаний. Так, в осевых частях разлома, зафиксировано 4-5 выраженных гармоник колебаний, в краевых - 2-3 с постепенным затуханием в массиве, а в местах пересечения разломных зон - 7-8 гармоник с достаточно высокими амплитудами. Полученные данные свидетельствуют о наличии на исследуемом участке дискретного характера распределения поля короткопериодных деформаций, но детальное изучение этого процесса - задача дальнейших исследований.

Как отмечалось выше, все предыдущие работы по определению величин короткопериодных деформаций массива горных пород производились в осадочном чехле Обской кайлогенной области, в районе города Сургут. Средняя мощность осадочного чехла в данном районе составляет 2000-2500 метров, сложен же он в основном песком и песчаниками. Таким образом, можно предположить, что разломные зоны на земной поверхности являются либо следами тектонических нарушений в скальном фундаменте, либо являются самостоятельными приповерхностными образованиями в осадочном чехле и не связаны со скальным фундаментом. В этом свете были бы весьма интересны результаты подобного рода работ, выполненные в скальном массиве горных пород.

Летом-осенью 2001 г. Институтом горного дела были выполнены работы по исследования динамических деформаций в скальном массиве, как в зоне влияния горных разработок, так и в зоне влияния разломных тектонических нарушений. На всех исследуемых объектах ранее производились инструментальные наблюдения за развитием процесса сдвижения земной поверхности, поэтому при определении места заложения специальных наблюдательных станций выбирались участки, на которых было ранее зафиксировано наличие значительной долговременной флюктуации деформационного поля.

Летом 2001 г. были выполнены работы по определению величин короткопериодных деформаций в зоне влияния горных разработок шахты Сарановская-Рудная (Рис. 13). Экспериментальные работы производились в мульде сдвижения, в непосредственной близости от зоны обрушения 1. Протяженность зоны обрушения составляет 600-700 метров, что позволяет приближенно рассматривать ее как локальный разлом. Кроме того, на этом участке присутствует так называемый "язык" обрушения 2, на 150-200 метров вдающийся в породы висячего бока месторождения. По реперам наблюдательной станции 3, заложенной в висячем и лежачем боках месторождения, с 1979 г. производятся ежегодные наблюдения за сдвижением земной поверхности, вызванные горными разработками. Амплитуды вертикальных и горизонтальных деформаций значительны, отмечается флюктуация поля деформаций. Определения величин короткопериодных деформаций производились по 3 специальным наблюдательным станциям 4, расположенным в лежачем и висячем боку месторождения и на перешейке, разделяющем зону обрушения на две части, в течение 6-12 часов на каждую серию наблюдений. В результате выполненных измерений было установлено, что данным участкам не присущ короткопериодный характер деформирования. Зафиксированные величины смещений составили 1-3 мм, что сопоставимо с погрешностью измерений.

Исследования короткопериодных динамических деформаций были также проведены на шахте "Магнетитовая" Высокогорского ГОКа осенью 2001 г. Экспериментальные работы производились в районе сбросо-сдвига "Главный" субмеридионального направления, который фиксируется как по данным геологических съемок, так и по данным инструментальных измерений деформаций земной поверхности. Всего на данном участке было произведено 2 серии наблюдений продолжительностью 9 и 12 часов, но, как и в предыдущем случае, короткопериодные деформации массива горных пород зафиксированы не были. С таким же результатом были выполнены работы по исследованию короткопериодных деформаций в прибортовом массиве карьера Киембаевского ГОКа.

Результаты этих работ дают основание предполагать, что данная природа деформирования не присуща скальному массиву горных пород, в котором деформационные процессы происходят с периодами колебаний, на порядок большими, чем в осадочном чехле, хотя амплитуды деформаций имеют сопоставимые значения.

Анализируя вышесказанное, можно предложить предварительную модель короткопериодных колебательных процессов, происходящих в осадочном чехле (Рис. 14). По мнению автора, процесс деформирования первоначально зарождается в скальном фундаменте 1. В результате естественных подвижек тектонических блоков формируется разрывное нарушение 2, которое постепенно распространяется до земной поверхности в результате разуплотнения пород осадочного чехла 3. По этой зоне разуплотнения, как по проводящему каналу происходит циркуляция из глубинных частей радона и продуктов его распада, фиксируемая в приповерхностных слоях атмосферы. В поверхностной части осадочного чехла породы, попадающие в зону разуплотнения 4, насыщаются водой за счет как атмосферных осадков, так и грунтовых вод, что подтверждается результатами геофизических исследований. Фиксируемые на земной поверхности короткопериодные колебания в этих разуплотненных зонах могут быть обусловлены различными причинами или совместным их воздействием. Во-первых, поскольку породы внутри приповерхностной части разлома сильно обводнены и разуплотены, не исключается возмущающее воздействие на них приливных колебаний, а поскольку породы внутри разломной зоны обводнены, может проявиться некоторая инертность в затухании колебаний, отражение волн от более плотных поверхностей и др. Во-вторых, след тектонического разлома в осадочном чехле может служить своеобразным волноводом, по которому могут передаваться волны деформаций от внешних источников, находящихся далеко за пределами деформируемого участка. В-третьих, нельзя исключать техногенные факторы, такие как наведенные геодинамические процессы, обусловленные влиянием добычи нефти и газа в этом районе. Однако установить истинную причину и механизм исследуемого процесса можно будет только после накопление достаточного объема статистического материала.

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

1. В зонах тектонических нарушений осадочного чехла имеют место короткопериодные деформации, величины которых достигают в горизонтальной плоскости 1.3^.10^-3, а в вертикальной до 2.7^.10^-3.

2. Динамический характер деформирования с периодом колебаний от нескольких минут до нескольких десятков минут не присущ скальному массиву горных пород.

3. Выявленные короткопериодные деформации тектонических нарушений влекут за собой пересмотр представлений о формировании естественного напряженно-деформированного состояния массива горных пород.

4. Короткопериодные деформации тектонических нарушений, безусловно, оказывают негативное воздействие на искусственные объекты. Серьезного внимания требует эксплуатация протяженных сооружений и экологически опасные объекты, попадающие в зону влияния таких деформаций.

Подрисуночные надписи:

Рис. 1. Фрагмент структурно-тектонической карты участка земной поверхности в районе г. Краснотурьинск

Рис. 2. Схема аварийного участка магистрального 9-и ниточного газопровода в районе г. Краснотурьинск

Рис. 3. Тектоническая схема участка трассы газопровода

Рис. 4. Преобразование Rinex-файла данных с непрерывными измерениями

Рис. 5. Схема экспериментальных работ на сургутском полигонном участке

Рис. 6. График изменения длин линий и превышений между реперами

Рис. 7. Схема аварийного участка в городе Сургут

Рис. 8. Схема наблюдательной станции на аварийном участке

Рис. 9. Карточка объекта для серии наблюдений

Рис. 10. Схема экспериментального участка в центральной части г. Сургут

Рис. 11. Схема первого этапа работ в центральной части г. Сургут

Рис. 12. Схема второго и третьего этапа работ в центральной части г. Сургут

Рис. 13. Схема экспериментальных работ на шахте Сарановская-Рудная

Рис. 14. Предварительная модель процесса в осадочном чехле

Использованные источники:

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. О. Стеклов Аварийное предупреждение //Металлы Евразии. -2000. -N5.

3. В. Канайкин Диагноз изнутри //Металлы Евразии. -2000. -N5.

4. Сашурин А.Д., Кашкаров А.А., Копырин В.В. Геофизические исследования земной коры при оценке аварийности Краснотурьинского участка многониточного газопровода //Горная геофизика. Международная конференция 22-25 июня 1998 г. -С-Петербург. Россия. -СПб: ВНИМИ 1998. -С.329-333.

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

6. 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.

7. Панжин А.А. Наблюдение за сдвижением земной поверхности на горных предприятиях с использованием GPS. //Известия Уральской государственной горно-геологической академии. Вып.11. Серия: Горное Дело. -Екатеринбург. 2000 -С.196-203.

8. Kalber S., Jager R. Realization of a GPS-based Online Control and Alarm System (GOCA) and Preview on Appropriate System Analysis Models for an Online Monitoring. Proceedings of the 9^th FIG Symposium on Deformation Measurement and Analysis, 20. Sept. 1999. Olsztyn. Poland. -P.98-117.

9. Brown C.J., Karuna R., Ashkenazi V., Roberts G.W. Monitoring of Structures Using the Global Position System. Proc. Instn. Civ. Engrs. Struct. and Bldgs. 1999. -P.97-105.

10. Панжин А.А., Голубко Б.П. Применение спутниковых систем в горном деле. //Известия Уральской государственной горно-геологической академии. Вып.11. Серия: Горное Дело. -Екатеринбург. 2000 -С.183-195.

11. Werner Gurtner RINEX: The Receiver Independent Exchange Format Version 2.10: Astronomical Institute of Berne. February 7. 2000.

12. 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.

13. Зубков А.В., Липин Я.И., Панжин А.А. и др. Пульсация тектонических напряжений в земной коре Урала //Геомеханика в горном деле - 2000: Материалы Международной конференции. -Екатеринбург: ИГД УрО РАН. -2000. -С.31-36.

© 2002 Андрей А. Панжин