Главная О проекте Архив новостей Статьи Об авторах Конференции Форум Ссылки

СОВРЕМЕННАЯ ГЕОДИНАМИКА И ТЕХНОГЕННЫЕ КАТАСТРОФЫ

А.Д. Сашурин

Институт горного дела УрО РАН, г. Екатеринбург

Работа выполнена при поддержке РФФИ

Сегодня в России в год возникает более одной тысячи чрезвычайных ситуаций, на ликвидацию последствий которых затрачивается более 15% валового дохода. При сохранении динамики их роста отечественная экономика в ближайшее время не будет справляться с ликвидацией их последствий. Две трети чрезвычайных ситуаций имеют техногенный характер, то есть возникают в результате антропогенной деятельности. В связи с этим, раскрытие природы техногенных катастроф, создание теории их формирования и разработка мер по снижению тяжести их последствий являются актуальнейшей проблемой современной геомеханики.

В работе рассматривается более узкая проблема - исследование природы техногенных катастроф, возникающих в различных сферах недропользования вследствие проявления современных геодинамических процессов.

Со второй половины XX века в науках о Земле происходит радикальный пересмотр взглядов на роль и место геодинамического фактора как в фундаментальных проблемах, так и в решении прикладных задач, связанных с недропользованием. Причем, под недропользованием подразумевается не только добыча, переработка и транспортировка полезных ископаемых, а вся обширная сфера человеческой деятельности, в которой массив горных пород и его земная поверхность выступают в качестве неотъемлемого важнейшего инженерно-геологического компонента.

Начало этого процесса трансформации представлений о cтепени современной подвижности земной коры, пожалуй, следует отнести к моменту появления в начале XX века гипотезы А. Вегенера о дрейфе континентов, которая уже во второй половине столетия обрела статус теории тектоники литосферных плит [1]. Эта теория по своей сути впервые сдвинула литосферные плиты и материки в горизонтальной плоскости и наделила их современными движениями. Появление спутниковых технологий геодезии позволило экспериментально определить численные значения этих перемещений.

А далее, с постановкой обширных экспериментальных исследований современных движений земной коры на геодинамических полигонах различного назначения, были выявлены интенсивные локальные аномалии вертикальных и горизонтальных движений, приуроченные к зонам разломов различного типа и порядка [2]. Эти аномальные движения высокоамплитудны (до 50 - 70 мм/год), короткопериодичны (0.1 - 1 год), пространственно локализованы (0.1 - 1 км) и обладают пульсационной и знакопеременной направленностью.

И, наконец, внедрение дифференциальных GPS - технологий в периодическом (дискретном) и непрерывном вариантах мониторинга за смещениями и деформациями позволило коллективу, возглавляемому автором данной работы, выявить новый класс геодинамических движений в разломных зонах с периодами 30 - 60 сек, 40 - 60 мин и подтвердить движения с периодами до года и более. Всем этим движениям, наряду с трендовой составляющей, свойственны пульсационный характер и знакопеременная направленность [3].

Рассматривая всю гамму наблюдаемых цикличных знакопеременных и трендовых движений, можно заключить, что основным свойством геологической среды, особенно в разломных зонах, является нахождение ее в непрерывном движении. Движение выступает как форма существования геологической среды.

В связи с этим, роль и место современной геодинамики трудно переоценить в фундаментальной сфере наук о Земле, но еще более ее роль важна при решении практических задач в горнодобывающей отрасли при добыче, переработке и транспортировке полезных ископаемых, в многочисленных сферах освоения подземного пространства, не связанных с горным делом, а также во всех областях строительства, где массив горных пород выступает в качестве основания для сооружений различного назначения.

Геодинамике, как самостоятельной научной дисциплине, различные ученые отводят широкий и разнообразный круг вопросов [4]. Общая, или глобальная, геодинамика изучает глубинные процессы, определяющие движущий механизм преобразований в литосфере. Частная, или региональная, геодинамика изучает развитие поверхностных оболочек.

Д. Л. Теркот и Дж. Шуберт в предисловии к русскому изданию "Геодинамики" определяют ее как науку, изучающую движения и деформации, происходящие в земной коре, мантии и ядре, и их причины [5].

Согласно принятой в геологических дисциплинах терминологии, в докладе речь идет о современных движениях земной коры, проявляющихся на ее поверхности в настоящее время и в последние 25 - 35 лет.

Экспериментальное изучение геодинамических движений массива горных пород и земной поверхности, играющих основную роль в формировании напряженно-деформированного состояния, до недавнего времени представляло собой сложнейшую научную проблему, так как было сопряжено с необходимостью проведения высокоточных измерений смещений на базах в десятки километров в миллиметровом диапазоне точности. Практическая возможность постановки серьезных экспериментов в этой области открылась с внедрением в практику проведения научных исследований GPS-технологий - технологий спутниковой геодезии.

В ИГД УрО РАН технологии спутниковой геодезии вошли в практику научных исследований благодаря созданию в 1996 году при финансовой поддержке РФФИ центра коллективного пользования "Уральского центра геомеханических исследований природы техногенных катастроф в районах добычи полезных ископаемых". В настоящее время центр оснащен десятью спутниковыми приемниками, в том числе четырьмя одночастотными и шестью двухчастотными, совместимыми друг с другом. Это позволяет производить методологически сложные эксперименты с одновременной работой нескольких приемников и построением динамических временных срезов развития напряженно-деформированного состояния на исследуемом участке.

Как отмечено выше, исследованиями выявлены два вида геодинамических движений: цикличные и трендовые. На возникновение, развитие и проявление техногенных катастроф оказывают влияние оба вида геодинамических движений. Результаты экспериментальных исследований современной геодинамики, полученные в последние годы, приведены в таблице.

Результаты экспериментальных исследований параметров геодинамических движений

Места проявления геодинамических движений в большей мере тяготеют к активным тектоническим структурам и непосредственно прилегающим к ним объемам пород и участкам земной поверхности. Экспериментально в этих зонах установлены большие амплитуды смещений. С удалением от тектонических структур в глубь структурных блоков наблюдается снижение уровня смещений. Однако каких либо количественных закономерностей распределения смещений пока не установлено.

Механизм воздействия трендовых и колебательных геодинамических смещений на объекты недропользования разный. Влияние трендовых движений известно. Объекты, попадающие на активные тектонические структуры с трендовыми движениями, нарушаются по достижению в их конструкции предельных деформаций или напряжений. Однако тектонические структуры с выраженным трендовым характером движений встречаются довольно редко. Трендовые движения могут быть инициированы техногенной деятельностью. Так, например, на шахте Магнетитовой, разрабатывающей Высокогорское железорудное месторождение, в 2000 году произошла подвижка повзбросо-сдвигу Среднему на 25 - 30 см, зафиксированная в подземных горных выработках.

Цикличные движения более распространенные и воздействие их более многогранно и проявляется как в непосредственном влиянии цикличных деформаций на сам объект, так и через изменение свойств массива горных пород в разломных зонах под влиянием переменных циклических нагружений. Механизм непосредственного воздействия цикличных деформаций на инженерные сооружения достаточно прост и не нуждается в особых пояснениях. Если амплитуда знакопеременных деформаций превысит допустимые деформации конструктивных элементов сооружения , то в нем проявятся нарушения с соответствующими аварийными последствиями.

Если уровень деформаций ниже допустимых значений, то аварийные последствия от воздействия зависят от проявления усталостных эффектов. По выявленным в настоящее время частотам короткопериодных геодинамических колебаний наибольшую опасность в этом плане представляют колебания с периодами около одной минуты и около одного часа, создающие, соответственно 500000 и 9000 циклов нагружения в год. Время разрушения от цикличных нагружений зависит от уровня амплитуды переменных деформаций относительно допустимых значений деформаций. Для металлоконструкций трубопроводов различного назначения цикличное нагружение интенсифицирует процесс коррозии в десятки и сотни раз.

Изменение свойств массива горных пород в разломных зонах под влиянием переменных цикличных нагружений довольно распространенное явление. Однако внешне его признаки не контрастны и выявление непосредственного их влияния на объекты весьма проблематично. Впервые это явление отмечено, пожалуй, в работах НТФ "Геофизпрогноз" на основе изучения разломных зон методами сейсмопрофилирования [6]. Специалистами этого института было установлено, что в разломных зонах образуются области с существенными отклонениями прочностных и деформационных свойств в массиве горных пород. Структурные блоки и изготовленные из них образцы пород при испытаниях имеют те же или близкие показатели, что и аналогичные литологические виды пород, примыкающие к разломной зоне. А в массиве горных пород разломной зоны свойства существенно отличаются.

Было высказано предположение, что в разломной зоне массив горных пород находится в тиксотропном состоянии. На основе этой гипотезы были решены многочисленные практические задачи, высказаны представления по механизму и природе многих техногенных аварий и катастроф, в том числе и по известной катастрофе метрополитена г.Санкт-Петербурга.

Однако при всей плодотворности высказанной идеи вопрос о причине возникновения тиксотропного состояния в разломной зоне оставался не раскрытым.

Известно, что в природе явление тиксотропии возникает в некоторых видах грунтов и пород в период землетрясений. За счет знакопеременных цикличных нагружений некоторые виды грунтов, имеющие в статическом состоянии достаточную несущую способность, разжижаются, резко снижая свои прочностные характеристики. Это нередко ведет к перекосу и опрокидыванию жилых домов и инженерных сооружений. Но это явление происходит лишь в короткий период действия землетрясения. Впоследствии грунты вновь обретают свои обычные свойства.

Тиксотропия в разломных зонах, сложенных во многих случаях скальными породами с более нарушенной структурой, проявляется в размытой форме на протяжении длительных промежутков времени, а возможно и постоянно в историческом плане. Это явление более точно видимо можно охарактеризовать термином квазитиксотропия.

После выявления современной короткопериодной геодинамики мы предположили, что причиной квазитиксотропного состояния пород разломной зоны являются знакопеременные цикличные смещения. Вызванные ими знакопеременные цикличные нагружения приводят к изменению прочностных и деформационных свойств, то есть к квазитиксотропии. В зависимости от конструктивных особенностей сооружений, взаимодействующих с разломными участками массива горных пород, складываются различные механизмы и сценарии развития аварий и катастроф. В нашей практике исследований заслуживают внимание следующие случаи развития техногенных катастроф, наиболее контрастно демонстрирующие рассматриваемую взаимосвязь между современной геодинамикой и техногенными катастрофами.

Одним из первых примеров могут служить аварийные ситуации на подземном канализационном коллекторе г. Сургута. Экспериментально установлено, что в разломных зонах и на примыкающих к ним территориях действуют современные геодинамические цикличные смещения с широким спектром частот и амплитуд. Наиболее контрастными среди них являются смещения с продолжительностью циклов около одной минуты и около одного часа. Имеются и другие менее выраженные циклы. Уровень напряжений и деформаций, вызванный этими смещениями, превышает допустимые значения для монолитной железобетонной внутренней обделки коллектора, закрепленного железобетонными тюбингами.

Механизм разрушения коллектора происходил в следующей форме:

- песчано-глинистые породы разломных зон под влиянием знакопеременных смещений и деформаций находятся в квазитиксотропном состоянии, имея по отношению к окружающим породам аномально пониженные несущие свойства;

- сборная железобетонная тюбинговая крепь канализационного коллектора с внутренней монолитной железобетонной обделкой, обладая достаточным весом и находясь под нагрузкой от налегающей толщи, не встречает в квазитиксотропном массиве достаточной опоры, проседает и прогибается, получая нештатное нагружение, не предусмотренное ее конструкцией;

- нештатную нагрузку крепи вызывают непосредственно и сами короткопериодные геодинамические движения;

- под действием этих двух факторов монолитная железобетонная обделка коллектора разрушается с образованием кольцевых трещин разрыва, превращая монолитный коллектор в обособленные секции длиной 5 - 7 м;

- на последнем этапе к процессу разрушения подключаются грунтовые воды, уровень которых находится выше заложения канализационного коллектора; устремляясь в образовавшиеся трещины внутрь коллектора, который теперь уже выполняет функции дренажного устройства, они выносят с собой песчано-глинистые породы, находящиеся в квазитиксотропном состоянии, образуют суффозиозные карстовые полости, реализующиеся выходом провалов на земную поверхность и окончательным разрушением коллектора.

Таким образом, в основе приведенного примера техногенной катастрофы лежит комплексное проявление короткопериодной геодинамики, реализуемое как через непосредственное воздействие смещений и деформаций на сооружение, так и опосредованно через изменение свойств разломной зоны.

Длительное время (более 25 лет) в аварийном состоянии периодически пребывает северо-западный борт Главного карьера Коршуновского ГОКа на участке, пересекаемом широтным разломом мощностью около 500 м. В борту карьера, начиная с 1975 года, периодически происходят крупные оползни при углах наклона борта 22 градуса. По всем расчетным оценкам скальные осадочные породы, слагающие этот борт, должны обеспечивать его устойчивость при углах 28 - 30 градусов с нормативным запасом устойчивости 1.3.

На карьере производились периодические наблюдения за смещениями маркшейдерских пунктов, расположенных по контуру карьера с годичной периодичностью, выявившие цикличные их смещения с растяжением и сжатием интервалов между ними. Оползневая масса деформируется буквально в виде оплывины, полностью разжижаясь и теряя свою первоначальную структуру, превращаясь в селеподобную массу.

Мы рассматриваем эту трансформацию массива как переход в тиксотропное состояние. Глубже в борту карьера находится гидротехнический тоннель, по которому из карьерного поля отведена река Коршуниха. При обследовании тоннеля было установлено, что монолитная железобетонная крепь на участке разломной зоны трещинами разрыва разбита на отдельные секции длиной 7 -10 м. В образовавшиеся трещины внутрь тоннеля поступают подземные воды, иногда фонтанируя под давлением. Причем, образовавшиеся кольцевые трещины практически ни разу не совпали со строительными стыками крепи. В целом, характер разрушения крепи гидротехнического тоннеля Коршуновского карьера сходен с разрушением канализационного коллектора в г. Сургуте с той лишь разницей, что в скальных породах Коршуновского гидротехнического тоннеля пока не проявился суффозионный процесс.

Таким образом, в развитии аварий на северо-западном борту Коршуновского карьера в качестве первопричины выступают современные геодинамические процессы в разломной зоне, переводящие породы в борту карьера в квазитиксотропное состояние.

Одной из форм провоцирования техногенных катастроф является активизация процессов карстообразования. С такими явлениями мы столкнулись при исследовании причин активизации карстовых процессов в жилом микрорайоне Красная горка г. Каменск-Уральского и на газопроводе Бухара-Урал на участке Красногорского ЛПУ на Южном Урале в районе г. Еманжелинска. На обоих участках проводились непрерывные наблюдения за короткопериодными геодинамическими смещениями. Максимальные значения горизонтальных и вертикальных смещений и деформаций приведены в таблице.

Причиной активизации процессов образования карстовых провалов явилось воздействие переменных нагрузок на породы разломных зон и переход их в квазитиксотропное состояние, активизирующее суффозионные процессы. Серия карстовых воронок, образовавшаяся в разломной зоне, пересекающей газопровод, вызвала обнажение третьей нитки газопровода, создавая угрозу ее сохранности.

С интересной ситуацией мы столкнулись на Качканарском ГОКе. Проблема возникла с неравномерным оседанием здания третьей ступени пульпонасосной станции хвостохранилища. Здание расположено на откосе дамбы хвостохранилища. Мощность хвостов под зданием составляет 70 м. Северная часть здания оседает со скоростью 45 - 50 мм в год, а в южной части годовое оседание достигает 95 - 100 мм. Неравномерность оседаний создает угрозу его разрушения.

При изучении причины неравномерного оседания электрометрическими исследованиями было установлено, что в подстилающих материнских породах, на которые отсыпан откос дамбы хвостохранилища, находится достаточно крупное тектоническое нарушение. Горизонтальные геоэлектрические сечения по материнским породам и по хвостам дамбы, построенные по экспериментальным данным электрометрических исследований, обнаружили поразительное подобие. Однородные хвосты дамбы отражали особенности структурного строения материнских пород.

Механизм создания такого подобия связан также с короткопериодной современной геодинамикой. Колебания материнских пород в зоне тектонического нарушения создают соответствующие квазитиксотропные состояния в изначально однородных хвостах. Приведение хвостов дамбы в квазитиксотропное состояние над разломной зоной объясняет большую интенсивность оседания здания в этой зоне.

Подитоживая приведенные выше примеры проявления техногенных аварий и катастроф, можно синтезировать следующую схематическую взаимосвязь между современной геодинамикой и техногенными катастрофами (рис. 1).

- широкий класс техногенных катастроф обусловлен непосредственным и опосредованным воздействием современных геодинамических движений на объекты недропользования;

- в спектре геодинамических движений выделяются трендовые и периодические цикличные движения, каждые из которых создают свой специфичный механизм развития техногенной катастрофы;

- механизм развития техногенной катастрофы при трендовых геодинамических движениях состоит в непосредственном нагружении сооружений объекта недропользования засчет медленно развивающихся смещений и деформаций в массиве горных пород и на земной поверхности;

- механизм развития техногенных катастроф при цикличных геодинамических движениях происходит двумя путями: непосредственным воздействием цикличных деформаций и смещений на объект; комбинированным воздействием, обусловленным как непосредственным воздействием цикличных смещений и деформаций на объект, так и изменением свойств пород, взаимодействующих с объектом;

- в случае проявления трендовых геодинамических движений, причины разрушения объекта обычно связаны с превышением допустимых деформаций и напряжений;

- в случае цикличных геодинамических движений, причины разрушения объектов более многообразны: при непосредственном воздействии цикличных движений объект может быть нарушен либо от превышения допустимых деформаций и напряжений, либо от проявления усталостных эффектов в его конструктивных элементах; при комбинированном воздействии процесс разрушения может происходить либо за счет превышения допустимых нагрузок, вызванных изменением свойств массивов горных пород, либо за счет превышения допустимых нагрузок от совместного действия цикличных нагрузок и нагрузок от тиксотропии, либо от усталостных эффектов, вызванных совместным действием цикличных нагрузок и тиксотропии.

Выявленная взаимосвязь между современными геодинамическими движениями и механизмом развития техногенных катастроф в области недропользования создает теоретическую основу в определении стратегии проведения фундаментальных исследований по проблеме изучения природы техногенных катастроф. Одновременно использование ее повышает эффективность решения прикладных задач, связанных с пргнозированием и разработкой мер по предотвращению техногенных катастроф и снижению тяжести их последствий в конкретных ситуациях недропользования.

Подрисуночные надписи:

Рис. 1. Взаимосвязь между современной геодинамикой и техногенными катастрофами

Использованные источники:

1. Вегенер А. Происхождение материков и океанов /Современные проблемы естествознания. М.-Л.: Геоиздат, 1925. 145 с.

2. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании. -М.: Агентство экологических новостей, 1999. 220 с.

3. Sashourin A.D., Panzhin A.A., Kostrukova N.K., Kostrukov O.M. Field investigation of dynamic displacement in zone of tectonic breaking. /Rock mechanics - a challenge for society: Proceedings of the ISRM regional symposium EUROK 2001. Espoo, Finland 3-7 June 2001/ Balkema 2001. p. 157-162.

4. Николаев Н.И. Новейшая тектоника и геодинамика литосферы. - М.: Недра, 1988. -491 с.

5. Теркот Д.Л., Шуберт Дж. Геодинамика: Геологические приложения физики сплошных сред. Ч. 1: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. -376 с.

6. Гликман А.Я. Физика и практика спектральной сейсморазведки. Internet. http://www.newgeophys.spb.ru/ru/book/index.shtml.

© 2002 Анатолий Д. Сашурин