Експериментальні дослідження динаміки зсувів у розломних зонах

Панжін Андрій Олексійович, науковий співробітник Інституту гірничої справи Уральського відділення РАН, Єкатеринбург

В даній публікації узагальнюється досвід дослідження короткоперіодних деформацій розломних зон верхній частині земної кори з використанням комплексів супутникового геодезії. В результаті досліджень були вивчені короткочасні деформаційні процеси, що виникають у верхній частині земної кори, в розломних зонах і на прилеглих територіях, період яких становить від однієї хвилини до кількох годин. Були визначені величини знакозмінних зміщень і деформацій, зміни компонент поля напружень на різних ділянках масиву. Величини зміщень і деформацій здатні викликати руйнування в об'єктах, потрапляють в зону їхнього впливу. Відкриття короткоперіодних зміщень і деформацій вносить нове подання про параметри й закономірності формування напружено-деформованого стану масиву гірських порід в природних умовах. Безперервні моніторингові дослідження зсувів і деформацій земної поверхні проводилися як в осадовому чохлі, так і в масиві скельних гірських порід.

Людина у своїй повсякденній діяльності звик керуватися уявленнями про Землі як про Lбезответной земної тверді |. Сьогодні всім відомо про рух літосферних плит, про рух за такими живуть розломів як Сан-Андреас в Каліфорнії, Північно-Анатолійський в Туреччині та ін А в інших своїх частинах Земля - Як середовище гірничого виробництва, підземних споруд, підстава для всіх видів будівництва тощо - Представляється як щось статичне, непорушне.

В реальної дійсності це далеко не так. Тектонічні порушення навіть невисокого рангу в загальній ієрархії блокового будови масиву гірських порід мають певну рухливістю. Вона не завжди носить трендовий спрямований характер, але може бути представлена і динамічними коливаннями, викликаними поки невідомими ендогенними процесами. Подібні протиріччя існуючих уявлень з реальними процесами в земній корі пов'язані із серйозною небезпекою для об'єктів, що опинилися в зоні впливу рухливих тектонічних структур [1]. Найбільш контрастно це протиріччя проявилося на протяжних об'єктах, таких як магістральні нафтопроводи і газопроводи, підземні колектори і т.п. Але особливо це важливо для екологічно небезпечних об'єктів, аварії на яких можуть стати причиною екологічних катастроф. До них можна віднести атомні електростанції, підземні та наземні сховища ядерних відходів.

З кінця дев'ятнадцятого століття і до недавнього часу напружено-деформований стан масиву гірських порід у геомеханіки, геодинаміці та інших науках про Землі уявлялося як щось статичне. Змінювалися уявлення про його параметрах, про їх породжують, про залежності між значеннями напруг і деформацій і базами їх вимірів. Але одне залишалося незмінним -- статичний стан параметрів напруг і деформацій в історичні відрізки часу. Динамічні або повільні зміни за усталеним поняттям відбувалися або за тривалі геологічні періоди, або на ділянки розвитку і прояву геодинамічних процесів на короткі проміжки часу.

В 70-80 роки минулого століття в наукових дослідженнях все частіше почали зустрічатися роботи з дослідження динаміки параметрів напружено-деформованого стану у взаємозв'язку з приливними явищами від впливу Місяця і Сонця [2]. Сьогодні в багатьох роботах ставиться питання про флуктуацій параметрів напружено-деформованого стану і теоретично ніхто з геомеханіки НЕ стане заперечувати динаміки напружено-деформованого стану. Але в практичній сфері динаміка напруг і деформацій не знаходить свого відображення. Це відбувається з простої причини - ніхто не знає параметрів динамічних процесів: амплітуди і частоти змін, що відбуваються.

В той же час, практикою експлуатації магістральних нафтових і газових трубопроводів та інших протяжних об'єктів встановлено, що аварійні розриви на них групуються, частіше за все, в зонах тектонічних структур. Механізм їх руйнування в цих зонах дозволяє припустити про наявність динамічних змін у напружено-деформований стан масиву гірських порід і прокладений по нього трубопроводі. Ці обставини спонукали провести експериментальні дослідження динаміки напружено-деформованого стану розломних зон.

Дослідження динаміки розломних зон проводилося в Західному Сибіру в районі міста Сургута Тюменської області. Перший експериментальний об'єкт знаходиться в 17 кілометрах від міста Сургута на перетині магістрального нафтопроводу з локальним тектонічним порушенням, що мають меридіональне простягання. На цій ділянці нафтопроводу мали місце аварійні розриви труб. Другий об'єкт розташований в самому місті Сургуті на зчленуванні широтного і меридіонального тектонічних порушень. На ділянці їх зчленування проходить система підземних каналізаційних колекторів міста, на яких сталося кілька аварій. Аварії на каналізаційних колекторах супроводжувалися утворенням провалів на земній поверхні. Прикладна мета досліджень в обох випадках полягала в з'ясуванні причин аварійних розривів нафтопроводу і каналізаційних колекторів.

За геологічним даними район експерименту відноситься до Обської кайлогенной області Західно-Сибірської низовини. У ній виділяється різнорідний складчастий фундамент і слабо дислокований покрив. Формування структурних форм покриву почалося в кінці тріасу і продовжується до теперішнього часу. Під покровом розуміється потужна товща відкладень, що утворилася за вказаний період, складена, переважно, піщано-глинистими і, в окремих випадках, крем'янистими породами. Потужність покривних відкладень досягає 2700 метрів.

З геологічної інформації випливає, що в неогені і четвертинному періоді мали місце досить інтенсивні тектонічні рухи і що всі великі орографічні елементи Західно-Сибірської низовини є результатом новітніх тектонічних рухів. Диференційовані неотектонічні руху, обумовлюють зростання локальних структурних форм, мають амплітуди рухів до 250-300 метрів. Градієнт їх часто досягає 20 метрів/кілометр. Експериментальний ділянка розташована безпосередньо на Сургутської зводі, що представляє собою слабо витягнуте підняття північно-північно-східного простягання довжиною 300 кілометрів, шириною 150 кілометрів. Амплітуда підняття по покрівлі фундаменту досягає 1200 метрів і швидко згасає до поверхні до 70 метрів.

Межі тектонічних зон добре простежуються в приповерхневих шарах методами електрометрії по різкого зниження питомої електричного опору. У міських умовах становище меж тектонічних зон уточнювалося в процесі експерименту.

Динаміка зсувів в розломних зонах досліджувалася із застосуванням технологій супутникового геодезії. При проведенні робіт було враховано як попередній досвід робіт [3], так і були виконані роботи по створенню та апробації специфічної методики польових і камеральних робіт [4]. Безпосередньо вимірювалися взаємні вертикальні і горизонтальні зміщення двох точок спеціальних наглядових станцій, обладнаних на досліджуваних ділянках. Для цих цілей використовувався комплект приладів фірми Trimble (USA) серії 4600LS, що включав чотири GPS-приймача. Спостережні станції представляли собою систему точок, закріплених на місцевості за допомогою забивних металевих реперів. Застосування реперів забезпечує можливість повторення експериментів. На першому об'єкті в районі нафтопроводу було обладнано 15 точок спостереження, а на другому 13. Виміри проводилися по технології диференціальної GPS в безперервному режимі з періодичністю знімання показань 5 секунд, 10, 15 і 30 хвилин. Одночасно в роботі було задіяно 4 приймача, встановлених на 4 репер. Це забезпечувало моніторинг за змінами довжин і перевищень у 6 векторів. Всього було виконано вимірів за 29 векторів на першому об'єкті і 35 векторах на другому. Тривалість безперервних спостережень на кожному векторі була різною і становила від 1.5 години до 30 годин. Виконання всіх вимог, що пред'являються до планування та проведення вимірювань, а також до подальшої обробки експериментальних даних, забезпечує точність визначення взаємного положення двох суміжних приймачів у межах 1-3 мм. У процесі проведення вимірювань проводився спеціальний контроль, що підтверджує зазначену точність.

За результатами вимірювань було встановлено, що амплітуди горизонтальних і вертикальних деформацій на обох об'єктах мають досить близькі значення. Максимальна абсолютна величина горизонтальних деформацій складає 35-57 мм, а відносні досягають (1.03-1.17)