Задачи и возможности геодеформационного мониторинга особо ответственных и экологически опасных объектов

УДК 551.3

Р.М. Кармалеева, Ю.О. Кузьмин ИФЗ РАН, Москва

ЗАДАЧИ И ВОЗМОЖНОСТИ ГЕОДЕФОРМАЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ОСОБО ОТВЕТСТВЕННЫХ И ЭКОЛОГИЧЕСКИ ОПАСНЫХ ОБЪЕКТОВ

R.M. Karmaleeva, Yu.O. Kuzmin

Institute of Physics of the Earth named for O.Yu. Schmidt RAS

AIMS AND POSSIBILITIES OF THE GEODEFORMATION MONITORING AT THE MOST CRUCIAL OBJECTS

An intensive human influence upon the geological environment results in irreversible modifications both in surface or subsurface layers and in the Earth's interior. As a consequence, anomalous deformations can be develop which represent a threat to a normal working of the crucial and ecologically dangerous objects. To guarantee an accident-free functioning of such objects one must fulfil geodeformation monitoring both at design and construction stage and especially at exploitation stage.

The precise and continuous measurements permits to reveal an anomalous process just at its origin and to predict its further development. The most danger is at regions of tectonic violations, i.e. at fault and dislocation zones. But for all that the intensivity of deformation processes near faults is higher in aseismic regions than in seismo-active ones.

This paper discusses some examples of the anomalous deformation development at the Kopet-Dag margin flexure and in tectonic dislocation zones at Dushanbe and Protvino geophysical polygons.

Интенсивное воздействие человека на окружающую среду обуславливает необходимость геодинамического мониторинга природнотехногенных процессов, как в региональном, так и в локальном масштабах. Длительное функционирование природно-технических систем, включая особо ответственные и экологически опасные объекты, приводит к необратимым изменениям не только в приповерхностном слое земной коры, но и в ее недрах.

Результатом подобного природно-техногенного воздействия является развитие аномальных деформаций земной поверхности, которые могут превышать допустимые для объекта нормы. К зонам повышенного геодинамического риска, в первую очередь, относятся участки тектонических нарушений (разломов).

Во многих случаях именно аномальные деформации в пределах разломных зон являются причиной вывода особо ответственных и экологически опасных объектов из состояния устойчивого функционирования, что нередко завершается аварийной ситуацией. Основными факторами, которые приводят к возникновению природнотехногенных катастроф, являются неоднородное напряженно-деформированное состояние слагающих пород, а также естественная и индуцированная сейсмичность. Действие этих факторов представляет особую

опасность в районах строительства и эксплуатации крупных промышленных объектов с подземной инфраструктурой, в том числе предприятий нефтегазового комплекса.

Для обеспечения надежной работы таких объектов на первый план выдвигается прецизионный геодеформационный мониторинг, представляющий систему непрерывных и/или повторных наблюдений за современным геодинамическим состоянием недр. Его задача - слежение за изменением этого состояния в реальном масштабе времени. Цель геодеформационного мониторинга - обнаружение источников и причин изменения геодинамических параметров среды и прогнозирование возможных негативных последствий их проявления.

Изучение современной геодинамики недр проводится геодезическими и геофизическими (обсерваторскими) методами. Обладая различной чувствительностью, пространственной и временной детальностью, эти методы дополняют друг друга. Методы геодезии позволяют получать региональные значения скоростей современных движений, а также пространственное распределение аномальных деформаций. При этом обеспечивается точность от 10-7 (наземная геодезия) до 10-6 (спутниковая геодезия). Геофизические измерения выполняются в непрерывном временном режиме, имея чувствительность 10-9-10-10, позволяют регистрировать движения в диапазоне от секунд до десятков лет.

При этом надежно определяется медленная компонента деформации с амплитудой 0.01 мм/год. Геофизические измерения проводят на локальных участках в зонах тектонических нарушений и на площадках, которые оцениваются как потенциально опасные для объекта.

Широкомасштабные исследования, проведенные в 70-е годы на территориях ряда осадочных бассейнов, а также в некоторых складчатых областях, привели к следующим результатам [1]. 1. Интенсивные

вертикальные и горизонтальные движения приурочены к зонам разломов разного типа и порядка. 2. Основные пространственно-временные характеристики аномальных движений в сейсмоактивных и асейсмичных разломных зонах идентичны. При этом интенсивность деформационного процесса в разломах асейсмичных регионов выше, чем в сейсмоактивных. Скорости относительных деформаций в пределах разломных зон асейсмичных территорий составляют (2-7)^10-5 в год. Они определяются как суперинтенсивные (СД) деформации в зонах разломов [2].

По результатам многолетних непрерывных наблюдений за горизонтальными деформациями на территории платформенного участка - Протвинского геодинамического полигона в зонах нарушения сплошности пород на межблоковых границах скорости деформаций составляют несколько единиц -10-5 /год [3].

По-видимому, можно предположить, что накопленная в зонах разломов потенциальная энергия, реализуется в либо сейсмогенной форме, либо в форме суперинтенсивной деформации. В качестве примера можно привести результаты многолетних высокоточных нивелировок 1-го класса на

территории Предкопетдагского передового прогиба и южного склона Туранской плиты. Оказалось, что по мере удаления от гор к платформе скорость деформации увеличивается от 3 • 10-6 до 3 • 10-5. В то же время сейсмичность практически исчезает на платформе[4].

Одним из наиболее важных факторов, изучение которых обеспечивают геодеформационные наблюдательные системы, является неоднородность и нестабильность напряженно-деформированного состояния разломных зон. Высокие скорости относительных деформаций, характерные для СД процессов приводят к тому, что в зонах разломов достигается аномально высокий уровень деформаций, соизмеримый с порогом разрушения, за время сопоставимое с периодом эксплуатации объекта.

Так, например, было обнаружено, что большинство аварий на объектах нефтегазового комплекса происходят в местах проявления СД разломных зон. По этой причине данные разломные зоны определяются, как «опасные» [5].

В нормативном документе СП 11-104-97 «Инженерно-геодезические изыскания для строительства», регламентирован уровень геодинамического риска в районах современных разрывных тектонических смещений (п. 10-64, 10-65, 10-67). При этом указано, что мониторинг следует проводить даже на территориях построенных объектов, если он ранее не выполнялся, а в процессе эксплуатации возникли предположения о влиянии тектонических факторов на устойчивость и надежность сооружений.

Ниже приведены некоторые примеры, иллюстрирующие возможности геодеформационного метода при выявлении зон нарушения сплошности пород или разломных зон.

Рис. 1. Ход деформации на станции "Кондара" за период 1965-1978 гг. в направлении В15°Ю (прибор № 1) параллельно разлому и Ю15°З (приборы № 2,3,4) в направлении, пересекающим разлом

На рис. 1 приведен пример регистрации горизонтальных деформаций с помощью кварцевых деформометров на участке разлома в сейсмоактивной зоне на территории Душанбинского полигона на станции "Кондара". Один из штреков штольни, где располагаются приборы, пересекает активную часть Кондаринского разлома - трещину шириной около 15 см. На рисунке представлен ход линейных деформаций за период 1965-1978 гг. в двух направлениях. Ось прибора В15°Ю расположена параллельно линии разлома. Два экстензометра, установленные в азимуте Ю15°З, пересекают разлом. В период 1976-77 гг. действовал прибор, опорный постамент которого располагался на самом краю разлома (прибор № 4). За рассматриваемый период в направлении секущем разлом зарегистрирована деформация сжатия величиной 36-10-6, в направлении параллельно разлому на порядок меньше 3-10-6 [6]. Таким образом, за счет концентрации напряжений внутри активного разлома деформация на его краях усилена на порядок. Активизация деформационного процесса на этом разломе проявляется также в величине амплитуды сезонной волны. В направлении секущем разлом Ю15°З она равнаЮ-6, в то время как в параллельном разлому направлении ее

-7

величина на порядок меньше 10 [7]. Эти результаты характеризуют

возможности геодеформационного метода при выявлении зон активных разломов по скоростям деформации и амплитуде сезонного хода. Примеры относились к сейсмоактивным районам.

Аналогичные результаты получены на асейсмичном платформенном участке на Протвинском полигоне на южном крыле Московской синеклизы. Этот полигон расположен на территории особо ответственного объекта -ускорителя элементарных частиц ИФВЭ. Территория разделена на блоки разных порядков, границами между которыми служат разломные зоны. Кроме того, территория относится к карстовому району.

На рис.2показан ход деформации в направлении С-Ю по данным, полученным на двух станциях: внутри корового блока и геодинамической (разломной) зоны VIIP-го порядка. За один и тот же период. Нижняя кривая представляет изменение деформации в разломной зоне. На графике для этой кривой по вертикальной оси отложено значение деформации в единицах 10-4. Средняя скорость деформации на этом участке 7-10-5 в год и соответствует сжатию породы. Однако, внутри этого интервала она распределяется неравномерно, а именно: (2.5, 15.0, 9.0, 2.5)-10-5 [8]. Амплитуда сезонного хода деформации составляет 10-5 в год.

Верхняя кривая представляет ход деформации внутри корового блока. Для этой кривой масштаб по вертикальной оси на два порядка меньше (10-6). По данным многолетних наблюдений годовые скорости на этом участке

_п _п

составляют 10 в год, амплитуда сезонной волны деформации 2-10 .

Приведенные примеры демонстрируют возможность методов геодеформационного мониторинга по обнаружению зон нарушения сплошности пород и степени их тектонической активности на основании величин скоростей деформаций и амплитуд сезонного хода.

Степень тектонической активности участка можно оценить также по величинам амплитуд земноприливных волн. Эти волны могут быть зарегистрированы только аппаратурным методом в непрерывном режиме времени. Волновые амплитуды зависят от упругих констант слагающих пород и рассчитываются для любой точки Земли.

-1

-2

-3-

-4

\ \ V. \

\ ч N

\ \ V

1988-89 1989-90 1990-91 1991-92

Рис. 2. Ход деформации в двух пунктах Протвинского полигона с октября 1988 г. по август 1992 г. Штриховая кривая - ход деформации в пределах разломной зоны УШ-го порядка. Сплошная кривая - ход деформации внутри

корового блока

Отклонения наблюденных величин от рассчитанных характеризуют особенности строения исследуемой зоны. В активных районах на оползневых участках, на бортах разломов в отдельных случаях они превышают теоретические значения на 200%. В то же время на спокойных, разгруженных от напряжений участках их величины занижены.

Вариации земноприливных амплитуд во времени служат индикатором изменений упругих свойств слагающих пород. В эпицентральных зонах сильных землетрясений в отдельных случаях наблюдаются аномальные амплитудные вариации, в периоды приуроченные к сейсмическим событиям. Значительные изменения амплитуд отмечены на территории Протвинского полигона при активизации поверхностного карста. Карстовая активность вызвана техногенными причинами, в основном, строительными работами и связанным с ними изменением гидрогеологической обстановки. На базовой

станции полигона наблюдения за деформациями непрерывно с 1965 г. За этот период дважды отмечено значительно превышающее точность измерений изменение волновых амплитуд М2. Первый минимум относится к периоду 1986-88 гг., когда в окружении станции образовались несколько воронок. Повторное уменьшение началось в 1997 г. и продолжается до настоящего времени. В первом случае уменьшение составило 28%, во втором 34% [9] .

Таким образом, геодеформационный мониторинг способен дать сведения о степени аномальной геодинамической активности и, что особенно важно, об изменении этой активности во времени. Поэтому данные измерения необходимо проводить на стадии эксплуатации особо ответственных и экологически опасных объектов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Сидоров, В.А. Современные движения земной коры осадочных бассейнов / В.А. Сидоров, Ю.О. Кузьмин. - М.: Наука, 1989. - 183 с.

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

3. Кармалеева, Р.М. Некоторые результаты измерения деформаций земной поверхности в асейсмичном районе / Р.М. Кармалеева. // Физика Земли. - 1997. - № 3. -С. 32-38.

4. Кузьмин, Ю.О. Современные суперинтенсивные деформации земной поверхности в зонах платформенных разломов / Ю.О. Кузьмин. // Геологическое_изучение и использование недр. - "Геоинформмарк". - М., 1996. - Вып. 4. - С. 43-53.

5. Кузьмин, Ю.О. Опасные разлома и прогнозирование чрезвычайных ситуаций / Ю.О. Кузьмин // Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций. Материалы IV научно-практ. конф. (Москва, 19-20 окт. 2004 г.). - М.: МТПЕ - инвест, 2005. - С.153-164.

6. Распределение линейных приливных деформаций в зоне тектонического разлома / Р.М. Кармалеева и др. // Медленные деформации Земли и ее вращение. - М.: Радио и связь. 1985. - С. 98-105.

7. О деформациях земной коры на станции Кондара Таджикской ССР / Л.А. Латынина и др. // Изв. АН СССР. Физика Земли. - 1968. - № 3. - С. 75-84.

8. Кармалеева, Р.М. О задачах и возможностях геофизического мониторинга на территории ответственных объектов / Р.М. Кармалеева. // В кн. Геофизика XXI столетия. Сб. Трудов пятых и шестых геофизических чтений им. В.В. Федынского. - М., 2005. - С. 66-71.

9. Кармалеева, Р.М. , Боярский Э.А. Мониторинг активизации карста на территории ответственного объекта / Р.М. Кармалеева, Э.А. Боярский // Труды III международного Конгресса «ГеоСибирь 2007».Т. 1. Ч. 2. Новосибирск, 2007. - С. 261266.

© Р.М. Кармалеева, Ю.О. Кузьмин, 2008