Влияние взрывов и землетрясений на режим подземных вод

Влияние взрывов и землетрясений на режим подземных вод

Конкурс РНФ 2022 года:

«Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Проект № 23-27-00469

«Натурные исследования, экспериментальное и математическое моделирование газодинамических процессов в системе донные отложения-водная толща на арктическом шельфе России»

Сроки выполнения проекта

2023-2024

Отрасль знаний

Науки о Земле

Руководитель проекта

д.г.-м.н. Горбунова Элла Михайловна

Название организации

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт динамики геосфер имени академика М.А. Садовского Российской академии наук

Объем финансирования

3 млн. рублей

Аннотация

В рамках проекта планируется исследование взаимосвязи между изменением физических, физико-механических и фильтрационных параметров геологической среды и гидрогеодинамической обстановкой под влиянием техногенных факторов (взрывы) и природных (землетрясения). Вариации уровня подземных вод, превышающие фоновые значения, рассматриваются в качестве индикатора изменения деформационных, прочностных и динамических свойств массива горных пород. Нарушение гидравлических связей между разновозрастными водоносными горизонтами может приводить к изменениям гидрогеологической ситуации, химического состава подземных вод, активизации природно-техногенных процессов, осложнениям технологического цикла эксплуатации месторождений полезных ископаемых и другим. Необходимость количественной и качественной оценки негативных последствий нарушения гидрогеодинамической обстановкой под влиянием взрывов и землетрясений определяет актуальность решения обозначенной проблемы. Объекты исследований – участки земной коры, расположенные в зонах проведения крупномасштабных взрывов (на территории Семипалатинского испытательного полигона, массовых взрывов (в пределах разрабатываемых железорудных месторождений Курской магнитной аномалии) и динамического влияния землетрясений. Для реализации проекта предлагается использование следующих подходов, включающих:

сбор и систематизацию опубликованных данных по постсейсмическим гидрогеологическим эффектам, связанным с взрывами и землетрясениями;

актуализацию имеющегося фондового материала по условиям формирования техногенно-нарушенного режима подземных вод при проведении крупномасштабных взрывов на площадках испытательного полигона;

анализ экспериментальных данных, полученных по результатам высокоточного мониторинга, проводимого на территории разрабатываемых железорудных месторождений КМА с использованием взрывных технологий, направленный на анализ изменения гидрогеологической ситуации.

Научная новизна исследований, планируемых к проведению членами коллектива, заключается в разработке научно-методического подхода к анализу изменений основных параметров геологической среды, связанных с проведением взрывов и влиянием землетрясений. Проект направлен на развитие новой научной тематики, которая состоит в исследовании основных закономерностей нарушения гидрогеодинамической обстановки, обусловленной изменением состояния областей питания, транзита и разгрузки подземных вод под влиянием взрывов и землетрясений. Достижимость решения поставленной задачи обеспечена значительным объемом геолого-геофизического и гидрогеологического материала, сформированными базами данных по регистрации реакции подземных вод на взрывы и землетрясения. Предусматривается сравнительный анализ систематизированного опубликованного материала с имеющимися фондовыми и экспериментально полученными данными по условиям формирования техногенно-нарушенного режима подземных вод. Высокая изученность и детальность выполненных работ предопределяет возможность построения 3D модели геологического строения выбранного участка, совмещенной с результатами геолого-геофизических и гидрогеологических исследований. Подобный подход обеспечит эффективную схематизацию фильтрационной структуры массива горных пород и позволит выделить области максимального дренирования (осушения) пород, которые могут быть соотнесены с потенциально неустойчивыми зонами. Комплексный подход к обработке опубликованных материалов по изменению режима подземных вод после взрывов и землетрясений и имеющихся экспериментальных данных, полученных с участием всех членов коллектива, обеспечит успешное выполнение поставленных задач.

при поддержке

Конкретная задача заключается в анализе изменения режима подземных вод под влиянием проведенных взрывов и произошедших землетрясений на основе имеющихся фондовых данных, полученных на территории Семипалатинского испытательного полигона (СИП), обобщения опубликованных материалов с привлечением новых экспериментальных данных, зарегистрированных на полигоне ИДГ РАН «Губкин». Цель исследований состоит в определении основных типов постсейсмических нарушений гидрогеологической ситуации на разных эпицентральных расстояниях и направлениях от сейсмического очага (взрыва, землетрясения) и установлении взаимосвязи с изменениями физических, физико-механических и фильтрационных параметров геологической среды. Объекты исследований – участки земной коры, расположенные в зонах проведения крупномасштабных взрывов (на территории СИП), массовых взрывов (разрабатываемых железорудных месторождений Курской магнитной аномалии (КМА) – полигон ИДГ РАН «Губкин») и динамического влияния землетрясений. Для решения поставленной задачи необходимо провести ревизию опубликованного, фондового и экспериментального материала по регистрации нарушений гидрогеодинамической обстановки при взрывах и землетрясениях, выполнить оценку изменений физических, физико-механических и фильтрационных параметров геологической среды и составить 3D модель выбранного участка с учетом изменений гидрогеологических условий. Комплексность планируемых исследований позволит детализировать особенности формирования естественных ресурсов водоносных горизонтов и комплексов при техногенном воздействии, которые могут быть соотнесены с изменениями гидрогеодинамической обстановки в эпицентральной зоне землетрясений..

при поддержке

Для реализации проекта предлагается использование следующих подходов, включающих: - сбор и систематизацию опубликованных данных по постсейсмическим гидрогеологическим эффектам, связанным с взрывами и землетрясениями; - актуализацию имеющегося фондового материала по условиям формирования техногенно-нарушенного режима подземных вод при проведении крупномасштабных взрывов на площадках испытательного полигона; - анализ экспериментальных данных, полученных по результатам высокоточного мониторинга, проводимого на территории разрабатываемых железорудных месторождений КМА, направленный на анализ изменения гидрогеологической ситуации. Наряду со стандартными методами, используемыми для обработки большого массива геолого-геофизического и гидрогеологического материала, собранного из опубликованных источников, имеющихся архивных и экспериментальных данных, - составлением сводных схем-диаграмм, разрезов, таблиц и других, планируется использование современных геоинформационных технологий (ГИС-технологий), в частности, программ моделирования и 3D-визуализации для построения объемной модели геологического строения выбранного участка, совмещенного с результатами нарушения гидрогеодинамической обстановки. Подобный подход позволит выделить области максимального дренирования (осушения) пород на макро- и мезоуровне, которые могут быть соотнесены с потенциально неустойчивыми зонами. Анализ постсейсмических гидрогеологических эффектов возможен и на микроуровне на основе обработки результатов прецизионного мониторинга, проводимого в зоне влияния железорудных месторождений КМА, разрабатываемых с использованием взрывных технологий. Применительно к интервалам прослеженного снижения уровня подземных вод будет применена фильтрация исходных данных от влияния атмосферного давления для определения максимальных значений амплитуд и продолжительности формирования техногенно нарушенного режима подземных вод. Интервалы, в пределах которых зафиксированы наиболее выраженные и продолжительные амплитуды снижения уровня подземных вод, будут рассматриваться в качестве реперных, соответствующих изменению фильтрационных свойств надрудной толщи под влиянием массовых взрывов. Для подтверждения вышесказанного будет выполнена оценка возможных изменений водопроводимости и проницаемости водонасыщенного коллектора, вскрытого в наблюдательной скважине, на основе анализа фазового сдвига между приливными компонентами, выделенными в смещении грунта и уровне подземных вод, и использовании результатов геофизических исследований в скважинах. Дополнительно планируется проведение геофизических исследований в наблюдательных скважинах (включая резистивиметрию и телеметрию), расположенных в зоне разрабатываемых железорудных месторождений, для определения возможных изменений основных интервалов водопритоков и их интенсивности. Комплексный подход к совместной обработке собранных опубликованных материалов по изменению режима подземных вод после землетрясений и взрывов и имеющихся экспериментальных данных, полученных с участием всех членов коллектива, обеспечит успешное выполнение поставленных задач.

при поддержке

2023 г.

По результатам выполненного обзора опубликованных данных за длительный период стандартных и прецизионных наблюдений за вариациями уровня подземных вод в скважинах и водопритоками в горные выработки зарегистрированы различные типы гидрогеологических откликов на прохождение сейсмических волн от землетрясений, крупномасштабных и промышленных взрывов. Интенсивность и амплитуда гидрогеологических эффектов зависят от параметров сейсмического воздействия, эпицентрального и приведенного расстояний, литолого-фациального состава водовмещающих пород, наличия гидравлической взаимосвязи между разновозрастными горизонтами и других факторов.

Реакция подземных вод на сейсмическое воздействие рассматривается в качестве индикатора режима деформирования водонасыщенного коллектора. Скачкообразное или постепенное изменение уровня подземных вод различной продолжительности отмечено в области статического (необратимого) деформирования флюидонасыщенных коллекторов. Косейсмические и постсейсмические вариации порового давления, осложненные осцилляцией, прослежены в области динамического и квазиобратимого деформирования массива горных пород.

По данным обобщения и систематизации массива данных, полученного на Семипалатинском полигоне, были рассмотрены только те участки, в пределах которых в одних и тех же пунктах наблюдений зарегистрировано изменение гидрогеодинамической обстановки при повторном сейсмическом воздействии. Водоносные горизонты формируют единую гидрогеологическую систему, которая характеризуется устойчивой гидравлической взаимосвязью, проявляющейся в вариациях водопритоков трещинно-жильных вод в зонах разломов и уровенной поверхности трещинно-пластовых вод, развитых вдоль склонов и на равнине. Формирование техногенно-нарушенного режима подземных вод зависит как от параметров взрыва, так и от геолого-структурных и гидрогеологических условий участка. Продолжительность развития депрессионных воронок связана с процессами дренирования водоносных горизонтов за счет постепенного заполнения зон наведенной трещиноватости и подновления существующей и варьирует в широких пределах – от нескольких часов, дней, месяцев до года. Постепенное восстановление уровенной поверхности подземных вод происходит за счет привлечения естественных ресурсов.

При анализе локальных изменений гидрогеологических условий в процессе разработки Коробковского и Лебединского железорудных месторождений Курской магнитной аномалии также выделены косейсмические и постсейсмические гидрогеологические эффекты, которые различаются по механизмам формирования. Косейсмические вариации обусловлены пороуругим деформированием водонасыщенного коллектора при сейсмическом воздействии взрыва на систему «пласт-скважина». Постсейсмические эффекты в виде плавного или скачкообразного снижения уровня архей-протерозойского водоносного комплекса после проведения массового взрыва могут быть обусловлены двумя механизмами – скин-эффектом (изменение проницаемости в околоскважинном пространстве) и необратимым статическим деформированием техногенно ослабленных зон рудно-кристаллического массива.

Проведение взрывов в камере или блоке определяет условия формирования зон наведенной трещиноватости. В случае сложной фильтрационной структуры образуются зоны водопроводящих трещин, которые могут быть приурочены не только к околоскважинному пространству, но и к границам раздела выветрелых и относительно монолитных пород, литолого-стратиграфическим контактам и к зонам разломов.

На основе анализа опубликованных, фондовых и экспериментальных данных по вариациям уровня подземных вод, зарегистрированным после взрывов и землетрясений:

проведена систематизация собранных материалов по условиям формирования техногенно-нарушенного режима подземных вод;

определены основные параметры косейсмических и постсейсмических эффектов;

прослежена зависимость реакции систем «пласт-выработка» и «пласт-скважина» от приведенного расстояния;

установлено подобие постсейсмических гидрогеологических эффектов, отмеченных на макроуровне (при крупномасштабных взрывах), мезоуровне (связанных с прохождением сейсмических волн от землетрясений) и микроуровне (в процессе разработки железорудных месторождений с использованием взрывных технологий).

Публикации :

Горбунова Э.М., Беседина А.Н., Петухова С.М., Павлов Д.В. Reaction of the Underground Water to Seismic Impact from Industrial Explosions Water, 15, 1358 (Water, , Vol. 15, № 7, 1358) (2023) https://doi.org/10.3390/w15071358

Горбунова Э.М., Петухова С.М., Иванов А.Г. Seismic and Hydrogeological Monitoring of Large-Scale Blast Parameters: A Case-Study of Lebedinsky Open Pit Mine, Kursk Magnetic Anomaly Journal of Mining Science, 59, 4, 548-559 (Journal of Mining Science, 2023, Vol. 59, No. 4, pp. 548-559) (2023) https://doi.org/10.1134/S1062739123040038

при поддержке

По любым вопросам можно связаться с

Горбуновой Эллой Михайловной
gorbunova.em@idg.ras.ru

Наш адрес: 119334, Россия, Москва, Ленинский проспект, 38, корпус 1

при поддержке