Методы мониторинга короткопериодных деформаций массива горных пород

Методы мониторинга короткопериодных деформаций массива горных пород

Панжин Андрей Алексеевич, старший научный сотрудник, Институт горного дела УрО РАН, Екатеринбург

В статье проведен обзор методов изучения современной геодинамической активности верхней части земной коры. Особое внимание уделено мониторингу геодинамической активности участков массива, находящихся на пересечении тектонических структур с объектами инженерной инфраструктуры. Рассмотрены методы диагностики и мониторинга локальных аномалий вертикальных и горизонтальных движений, приуроченных к разломам различного типа и порядка. Подробно рассмотрены методы геодезического мониторинга короткопериодных знакопеременных деформаций массива горных пород с использованием комплексов спутниковой геодезии.

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. 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. Изучение современных движений земной поверхности производится путем постоянного переопределения пространственных координат специальных мониторинговых станций. В настоящее время существует не менее 25 специальных мониторинговых сетей, таких как сеть IGS - International GPS Service, объединяющих в общей сложности более 1000 обсерваторий, расположенных на всех континентах Земли. Согласно данным инструментальных наблюдений ( http://sopac.ucsd.edu), трендовые скорости перемещения литосферных плит и подвижек по региональным разломам примерно одинаковы, и составляют для разных мест наблюдений от 10 до 50 мм/год. Кроме трендовой составляющей достаточно четко прослеживаются несколько короткопериодных составляющих с периодами 300, 100, 20 и менее суток.

Поскольку, согласно традиционной точки зрения современные движения литосферных плит происходят в основном по их границам, а также во внутриплитных сейсмоактивных областях, на остальной 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. 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.

Как выяснилось позже, геодинамическую активность тектонических нарушений как фактор формирования напряжений в заглубленных конструкциях рассматривают и другие исследователи. Впервые интенсивные локальные аномалии вертикальных и горизонтальных движений, приуроченных к зонам разломов различного типа и порядка, в том числе и в считающихся асейсмичными равнинно-платформенных областях, отмечены в работах Ю.О. Кузьмина [4]. Эти аномальные движения высокоамплитудны (50-70 мм/год), короткопериодичны (0.1-1 год), пространственно локализованы (0.1-1 км) и обладают пульсационной и знакопеременной  направленностью. Также 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. Связь между современной геодинамикой и аварийностью нефте- и газопроводов прослеживают и другие специалисты [6, 7]. 

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 [8, 9], 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, хотя имеется достаточно обширный опыт изучения таких короткопериодных деформаций при помощи наклонометров и других приборов [10-11].

Для непрерывного мониторинга смещений и деформаций земной поверхности 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 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) [12], так и крупных инженерных сооружений, таких как протяженные мосты и другие линейные сооружения [13, 14], при мониторинге которых также были выявлены короткопериодные движения земной поверхности с периодом в сутки и короче, особенно четко проявляющиеся вблизи разломных зон. 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 GPS-аппаратуры геодезического класса фирмы Trimble Navigation. Характеристика системы GPS и применяемого оборудования кратко дана в работах [9, 15]. 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, ведущих одновременную работу на исследуемых интервалах. При последующей попарной обработке это обеспечивает измерение смещений и деформаций одновременно по 6 и более отрезкам на местности. Накопление данных от спутников производилось в один непрерывный файл данных, который при выполнении последующей камеральной обработке соответствующим образом "нарезался". То есть, результаты, выдаваемые на печать через дискретные 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, программного комплекса Gamit, использующего при обработке измерений глобальных GPS-сетей, 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. Данное преобразование осуществлялось на основании существующего нормативного документа [16]. По результатам обработки полученных данных 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 [17]. 

Разработанная методика была впервые опробована летом 2000 г. на сургутском полигонном участке, где ранее специалистами "Сургутгеоэкологии" производились определения короткопериодных деформаций массива контактными способами. 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. 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. 

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. 

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

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

4. Кузьмин Ю.О. Современные суперинтенсивные деформации земной поверхности в зонах платформенных разломов. //Геологическое изучение и использование недр: Информационный сборник. ¦4. М., 1996. -С.43-53

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. Яковлев Д.В. и др. Система обеспечения геодинамической и экологической безопасности при проектировании и эксплуатации объектов ТЭК //Геодинамическая и экологическая безопасность при освоении месторождений газа, его транспортировке и хранении: Материалы III Международного рабочего совещания. -С.-Петербург, ВНИМИ, 2001. -С.139-147.

7. Якимов А.А. и др. Экологические аспекты выявления геодинамических зон риска на территории республики Коми. //Геодинамическая и экологическая безопасность при освоении месторождений газа, его транспортировке и хранении: Материалы III Международного рабочего совещания. -С.-Петербург, ВНИМИ, 2001. -С.66-70.

8. 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.

9. 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.

10. Fengxiang Jin, Mayoud Michel. Situation Analysis and Stability Evaluation of Large Electron Positron Collider in CERN. Proceedings of the 10th FIG Symposium on Deformation Measurement and Analysis, 19-22. March 2001, Orange, California, USA. -P.346-353.

11. Robert S. Radovanovic, William F. Teskey. Dynamic Monitoring of Deforming Structures: GPS Versus Robotic Tacheometry Systems. Proceedings of the 10th FIG Symposium on Deformation Measurement and Analysis, 19-22. March 2001, Orange, California, USA. -P.61-70.

12. 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 9th FIG Symposium on Deformation Measurement and Analysis, 20. Sept. 1999, Olsztyn, Poland. -P.98-117.

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

14. Matteo Luccio. Monitoring Large-Structure Deformation. GPS World. August, 1, 2002.

15. 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.

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

17. 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.