СПОСОБ ОЦЕНКИ ШИРИНЫ ЗОНЫ ДИНАМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ АКТИВНОГО РАЗЛОМА ЗЕМНОЙ КОРЫ
METHOD FOR ESTIMATION OF WIDTH OF EARTH CRUST ACTIVE FAULT DYNAMIC ZONE

Изобретение относится к определению зон динамического влияния активного разлома земной коры на основе исследования концентраций радона в пробах почвенного воздуха и может быть использовано при выполнении проектно-изыскательских работ и строительных работ при возведении зданий, сооружений и коммуникаций.
Важной задачей при строительстве является определение зон активных разрывных деформаций земной коры, представляющих опасность в плане деструкции строительных конструкций, коммуникаций, газо-нефтепроводов.
Одним из способов решения этой задачи является обнаружение опасных зон по аномальным выходам на поверхность летучих газов.
Известен способ выявления геодинамических движений в тектонических структурах по отборам проб почвенного воздуха с определением концентраций торона, радона, коронирующих газов и выделением аномальных участков по установленным количественным соотношениям между интенсивностью геодинамических процессов и средними концентрациями газов (А.с. СССР №396659, G01V 5/00, 1973 г. [1]). Недостатком известного способа является невысокая достоверность определения аномальных участков.
Известен способ геофизического обнаружения участков аномального выхода на поверхность летучих газов, включающий отбор проб из приповерхностного слоя в выбранных точках исследуемой территории и определение концентрации, в котором в каждой выбранной точке исследуемой территории определяют напряженность атмосферного электрического поля, а в отобранных пробах определяют концентрацию радона, выделяют участки с результатами измеренных параметров, отличных от фоновых, и выносят суждение о наличии аномального выхода на поверхность летучих газов на выделенных участках по совпадению экстремальных значений напряженности атмосферного электрического поля и концентрации радона, причем о наличии аномального выхода на поверхность летучих газов на выделенных участках судят при выполнении неравенства:
э
где E - экстремальная напряженность атмосферного электрического поля, В/м;
Rn.э
C - экстремальная концентрация радона, Бк/л;
ср.фон
E - средняя фоновая напряженность атмосферного электрического поля, В/м;
Rn.фон
C - средняя фоновая концентрация радона, Бк/л;
σ - среднеквадратичное отклонение отношений фоновых значений напряженности атмосферного электрического поля к фоновым значениям концентрации радона (В л)/(м Бк) или при выполнении неравенства
…или
э
Где E - экстремальная напряженность атмосферного электрического поля, В/м;
Rn.э
C - экстремальная концентрация радона, Бк/л;
л.г.э
C - экстремальная концентрация компоненты летучего газа, мГ/л;
ср.фон
E - средняя фоновая напряженность атмосферного электрического поля, В/м;
Rn.фон
C - средняя фоновая концентрация радона, Бк/л;
л.г.фон.
C - средняя фоновая концентрация компоненты летучего газа, мГ/л;
σ - среднеквадратичное отклонение отношений фоновых значений напряженности атмосферного электрического поля к фоновым значениям концентрации радона и фоновой концентрации компоненты летучего газа, В л/м Бк мГ/л (патент РФ №2225019, G01V 11/00, 2004 г. [2]).
По назначению, по технической сущности, по наличию сходных признаков данное решение выбрано в качестве ближайшего аналога.
Основные недостатки известного способа - отсутствие формализации критериев определения уровня фон-аномалия, оценки степени геодинамической активности участка земной коры, а также достоверного определения границ геодинамически активных зон сложного строения (например, разломных), которые наиболее распространены в природе и создают резко неоднородные аномалии летучих газов, где максимумы концентраций соседствуют с локальными минимумами.
cp
cp
Использование в определении аномальных участков экстремальных значений напряженности атмосферного электрического поля и концентрации радона в приповерхностном слое значительно снижает достоверность результатов из-за случайных отклонений параметров и погрешностей измерений. Введение в расчетные формулы среднеквадратичных отклонений физических величин снижает достоверность показателей. Так, сопоставление результатов целенаправленных работ по выделению приразломных аномалий радона с использованием среднего арифметического (Q) и параметра Q+σ показали, что разломный сместитель в первом случае всегда попадает в границу аномалии, тогда как во втором случае - лишь у третей части изученных эталонных объектов.
Задачей предлагаемого технического решения является достоверное определение зон активных разрывных деформаций земной коры, представляющих опасность для инженерно-технических сооружений и коммуникаций.
Техническими результатами являются оконтуривание приразломной аномалии, оценки показателя радоновой активности разлома, оценки ширины зоны динамического влияния активного разлома земной коры, а также степени его геодинамической активности.
Технические результаты достигаются тем, что в способе оценки ширины зоны динамического влияния активного разлома земной коры, включающем отбор проб воздуха из почвенного слоя в выбранных точках исследуемой территории: производят оконтуривание приразломной аномалии по уровню среднего арифметического значения объемной активности радона; определяют пространственные и количественные соотношения аномалии радона с полем приразломной трещиноватости по формуле:
D
i
Q
i
M_=0.75 M_,
D
i
где M_ - ширина зоны разлома в трещиноватости на i-м профиле;
Q
i
M_ - ширина приразломной аномалии радона на i-м профиле,
Q
производят оценки показателя радоновой активности разлома (K) по формуле:
Q
max
min
K=Q/Q,
max
min
где Q - максимальная величина объемной активности радона в разломной зоне; Q - минимальная величина объемной активности радона за границами разломной зоны,
D
а также определяют ширину зоны динамического влияния разлома (M) на участке исследования по формуле:
где n - количество профилей;
k - эмпирический коэффициент, равный 0.75;
Q
i
M_ - ширина приразломной эманационной аномалии для i-го профиля.
Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, выявил следующее.
Предлагаемое решение и решение по ближайшему аналогу характеризуются сходными признаками:
- определение активных зон движений земной коры по выделениям радона;
- отбор проб воздуха из почвенного слоя в выбранных точках исследуемой территории;
- выделение участков с его аномальными значениями.
Предлагаемое решение также характеризуется признаками, отличными от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу:
- производят оконтуривание приразломной аномалии по уровню среднего арифметического значения объемной активности радона;
- определяют пространственные, а также количественные соотношения аномалии радона с полем приразломной трещиноватости по следующей формуле:
D
i
Q
i
M_=0.75 M_,
D
i
где M_ - ширина зоны разлома в трещиноватости на i-м профиле;
Q
i
M_ - ширина приразломной аномалии радона на i-м профиле;
- производят оценку показателя радоновой активности разлома по следующей формуле:
Q
max
min
K=Q/Q,
max
где Q - максимальная величина объемной активности радона в разломной зоне;
min
Q - минимальная величина объемной активности радона за границами разломной зоны;
D
- определяют ширину зоны динамического влияния разлома (M) на участке исследования по формуле:
исследования по формуле:
D
i
где M_ - ширина зоны разлома в трещиноватости на i-м профиле (определенная по ширине приразломной аномалии радона);
n - количество профилей, пересекающих разлом.
Наличие в предлагаемом решении признаков, отличных от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу, позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности изобретения «новизна».
Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.
Известна и широко применяется в качестве одного из предвестников землетрясений эманационная радоновая съемка. В предлагаемом решении радоновая съемка применена к определению зоны динамического влияния активного разлома земной коры на основе исследования концентраций радона в пробах почвенного воздуха, и результаты могут быть использованы при выполнении проектно-изыскательских и строительных работ при возведении зданий, сооружений и коммуникаций.
3
Основой разработки являются современные представления тектонофизики о разломе как широкой зоне проявления генетически связанных разрывных нарушений, обрамленной по периферии участками повышенной трещиноватости. Аномалии радона (точнее объемной активности почвенного радона - Q, Бк/м), ассоциирующиеся с разломными зонами, отличаются крайней неравномерностью, что в большинстве природных обстановок не позволяет использовать ординарные варианты эманационной радоновой съемки для картирования геодинамически активных участков земной коры. Предлагаемая технология, разработанная на базе многолетних исследований в Монголо-Сибирском регионе, включает критерий выделения уровня фона, способ оконтуривания приразломной аномалии, ее пространственные и количественные соотношения с полем приразломной трещиноватости, а также оценку показателя радоновой активности разлома, который определяется его геодинамической активностью.
m
m
m
Критерием выделения приразломных эманационных аномалий является уровень среднего арифметического значения объемной активности радона (Q) без прибавления к нему величины среднего квадратичного отклонения (σ), как это обычно делается при проведении подобных исследований. Результаты поисковых исследований в Монголо-Сибирском регионе показали, что при использовании величины Q+σ в подавляющем большинстве случаев главный разломный сместитель не попадает в границы эманационной аномалии. Причиной подобного результата является низкая проницаемость для газов глинки трения, образующейся у сместителя при движении контактирующих блоков, к одному из которых вследствие интенсивной раздробленности, как правило, и приурочены наиболее высокие значения параметра Q. Таким образом, результаты обработки измерений с использованием величины Q в качестве уровня аномалии наиболее адекватно отражают строение и размеры зоны динамического влияния активного разлома земной коры в поле эманации радона.
m
D
Q
D
Q
Наличие непрерывной аномалии, т.е. участка земной коры, в каждой точке которого величина активности почвенного радона превышает среднее арифметическое из сделанных при эманационной съемке измерений, - простой случай, крайне редко встречающийся в природе. Обычно поле радона, ассоциирующееся с разломной зоной, характеризуется существенной неравномерностью и представляет чередование аномальных и фоновых участков. Согласно предлагаемому способу последние включаются в границы приразломной аномалии, если они по размеру меньше хотя бы одного из соседних участков, где значение объемной активности радона превышает величину Q для профиля эманационной съемки. Ширина зоны динамического влияния активного разлома (M) определяется по размеру приразломной эманационной аномалии (M) в соответствии с эмпирическим соотношением, полученным для разломов Прибайкальского региона и Центральной Монголии: M=0.75 M.
Q
max
min
Q
max
min
Q
Прогнозная оценка степени геодинамической активности разлома осуществляется с применением относительного показателя, т.к. на абсолютное значение Q, кроме собственно «разломных» факторов (активность, структура), влияет региональная специфика (тип источника излучения, физические свойства окружающих пород, метеодинамика и др.). В патентуемом способе для оценки и сопоставления разломов по активности используется показатель радоновой активности (K), который определялся как отношение Q к минимальной величине Q соответствующей активности радона в породах непосредственно за границами приразломной аномалии (K=Q/Q). Согласно имеющейся у авторского коллектива статистики определения величин K для разломов Монголо-Сибирского региона показатель радоновой активности отражает, главным образом, их геодинамическую активность. Он варьируется от 1.4 до 48.2, имеет неравномерное распределение с наличием преобладающих по встречаемости значений (мод).
Q
Q
Q
Q
Q
Существование таких мод позволяет разделить разломы по контрастности проявления сопутствующей аномалии радона на 5 групп со сверхвысокой (K>10), высокой (10≥K>5), повышенной (5≥K>3), средней (3≥K>2) и низкой (K≤2) активностями.
Первую и вторую группы составляют разломы, характеризующиеся высокими скоростями перемещения крыльев, сейсмичностью или наличием палеосейсмодислокаций, что позволяет считать их опасными в геодинамическом отношении. Строительство зданий и сооружений в пределах зон динамического влияния таких разломов должно сопровождаться повышением жесткости конструкции и/или укреплением фундамента, а для группы 1 - принятием индивидуальных решений, конструкторских или запретительных ввиду невозможности использования данной территории (или отдельных ее участков) для строительства в силу реальной опасности разрушения.
Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с другими известными решениями в данной области выявил следующее.
Известен способ прогноза землетрясений, заключающийся в проведении режимных наблюдений изменения концентрации радона в массиве горных пород, в котором производят бурение специальных наблюдательных скважин, глубина которых менее глубины уровня грунтовых вод, и в каждой из этих скважин непрерывно регистрируют динамику выделения радона из массива горных пород и суммарное количество сейсмической энергии, поступившей в каждую наблюдательную скважину, и по серии наблюдений во времени выделяют зоны с последовательным уменьшением или увеличением выделения радона с учетом поступившей сейсмической энергии, указанные зоны наносят на карту исследуемого района и по площади зоны динамического уменьшения радона судят о положении эпицентра и магнитуде ожидаемого землетрясения, а по динамике уменьшения и/или увеличения выделения радона в наблюдательных скважинах судят о времени ожидаемого сейсмического события (патент РФ №2106663, G01V 11/00, 1998 г. [3]).
Для оценки радоноопасности территорий при инженерно-экологических изысканиях известны следующие технические решения.
1
2
1
Известен способ определения плотности потока радона с поверхности земли, основанный на диффузионно-конвективной модели, отличающийся тем, что одновременно измеряют объемную активность радона в двух точках, расположенных на расстоянии от 0,2 до 1 м друг от друга, причем измерение в одной точке производят на глубине h от 0,2 до 0,5 м, а в другой - на глубине h=2h, затем плотность потока радона (ППР) определяют из выражения:
,
1
1
3
где A - объемная активность радона на глубине h, Бк/м;
2
2
3
A - объемная активность радона на глубине h, Бк/м;
1
h - глубина, на которой производят первое измерение, м;
2
D - истинный коэффициент диффузии радона, м/с (патент РФ №2212688, G01T 1/167, 2003 г. [4]).
1
2
1
Известен способ измерения установившейся равновесной объемной активности радона (A) в почвенном воздухе, в котором одновременно измеряют объемную активность радона в двух точках, расположенных на расстоянии от 0,2 до 1 м друг от друга, причем измерение в одной точке производят на глубине h от 0,2 до 0,5 м, а в другой - на глубине h=2h, затем определяют установившуюся равновесную объемную активность радона (A) по формуле
1
1
3
где A - объемная активность радона на глубине h, Бк/м;
2
2
3
A - объемная активность радона на глубине h, Бк/м (патент РФ №2212689, G01T 1/167, 2003 г. [5]).
Известен способ выявления геодинамических движений в грунте и защиты от них надземных металлоконструкций, например трубопровода, характеризующийся тем, что выбуривают по трассе трубопровода ряд скважин на определенную глубину с определенным шагом, отбирают пробу почвенного воздуха, по которой определяют наличие торона, радона и коррозирующих газов и выделяют аномальные участки, при этом в зоне аномальных участков по ходу трубопровода с опорами выполняют ряд замкнутых круговых прорезей глубиной до недеформируемых коренных пород, после чего прорези заполняют вязким нетвердеющим материалом, а под опорами трубопровода выбуривают несколько скважин, в которые устанавливают кожухи, внутри которых размещают сваи, а свободное пространство между ними заполняют также вязким нетвердеющим материалом (патент РФ №2165498, E02D 31/06, G01V 5/00, 2003 г. [6]).
В результате поиска и сравнительного анализа не выявлено технических решений, характеризующихся идентичной или аналогичной с предлагаемым решением совокупностью признаков, использование которого позволяет определить локальные области приразломной аномалии со сложным внутренним строением, установить пространственные и количественные соотношения аномалии радона с полем приразломной трещиноватости, оценить показатели радоновой активности разлома, определить ширину зоны динамического влияния активного разлома земной коры, оценить степень его геодинамической активности.
Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
Предлагаемый способ оценки ширины зоны динамического влияния активного разлома земной коры осуществляется следующим образом.
ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ
m
i
На первом этапе реализации предлагаемого способа вкрест простирания изучаемого разлома производится профильная эманационная съемка. Расстояние между профилями и точками отбора проб почвенного воздуха на профилях определяются детальностью съемки. По результатам анализа проб с использованием радиометра радона строится график изменения параметра Q вдоль нескольких (i) профилей и для каждого из них определяется уровень аномальных значений Q_ (среднее арифметическое).
m
i
m
i
D
i
Q
i
Q
i
D
i
D
На втором этапе исследования в пределах каждого профиля проводятся границы единой аномалии, в которую включаются участки с Q>Q_, а также небольшие домены с Q<Q_, если их размеры меньше хотя бы одного из располагающихся рядом аномальных участков. Затем, используя соотношение M_=0.75 M_, для каждого профиля по размеру приразломной эманационной аномалии (M_) определяется ширина зоны изучаемого разлома (M_). Среднее арифметическое полученных значений представляет искомую ширину зоны динамического влияния разлома (M) на участке исследования.
Q
i
max
i
min
i
max
i
min
i
min
i
Q
Q
i
Q
Q
Q
Q
Q
На третьем этапе аналогичные расчеты проводятся для показателя радоновой активности. Для каждого из i профилей используется соотношение: K_=Q_/Q_, где Q_ - максимальная величина объемной активности радона в разломной зоне в пределах i-го профиля; Q_ - минимальная величина объемной активности радона непосредственно за границами разломной зоны на i-м профиле. При этом Q_ определяется как среднее из двух оценок данного параметра, полученных на профиле в каждом из крыльев разлома. Показатель радоновой активности для изучаемого отрезка разлома в целом (K) определяется как среднее арифметическое величин K_, полученных по всем профилям. По значению данной величины изученное нарушение земной коры относят к разломам сверхвысокой (K>10), высокой (10≥K>5), повышенной (5≥K>3), средней (3≥K>2) или низкой (K≤2) активности.
Полученная прогнозная оценка степени активности разлома в совокупности с установленными шириной зоны его динамического влияния и характером распределения участков с аномальной проницаемостью (нарушенностью) земной коры являются основой для принятия решения о необходимости усиления конструкций сооружения, запланированного для строительства на изучаемом участке. Специализированные проектные и строительные организации на основе полученных данных по предлагаемому техническому решению делают выводы о возможности (невозможности) строительства на данных участках, оценивают вероятные риски, что позволяет не только сократить или предотвратить возможные непроизводительные материальные и финансовые затраты, но и оценить возможные эксплуатационные затраты, сроки эффективной службы строительных конструкций и сооружений.
На Фиг.1,а и б фотографически и графически представлен пример реализации предлагаемого способа для одного из активных разломов земной коры с набором значений всех параметров, перечисленных выше в тексте.
m
1
Q
1
D
1
max
1
min
1
Q
1
3
3
3
Профиль 1 (ПР-1): Q_=3903 Бк/м; M_=110 м; M_=83 м; Q_=20200 Бк/м; Q_=1168 Бк/м; K_=17.3.
m
1
Q
1
D
1
max
1
min
1
Q
1
3
3
3
Профиль 2 (ПР-2): Q_=1109 Бк/м; M_=92 м; M_=69 м; Q_=1970 к/м; Q_=712 к/м; K_=2.8.
m
1
Q
1
D
1
max
1
min
1
Q
1
3
3
3
Профиль 3 (ПР-3): Q_=1875 Бк/м; M_=25 м; M_=19 м; Q_=2440 Бк/м; Q_=1680 к/м; K_=1.4.
D
Q
Разломная зона в целом: M=57 м; K=7.2
Прогнозная оценка геодинамической активности разлома на участке изучения: высокая в среднем до сверхвысокой у отдельных отрезков (ПР-1).
Использование предлагаемого технического решения при выполнении проектно-изыскательских и строительных работ при возведении зданий, сооружений и коммуникаций позволит значительно снизить риски и непроизводительные затраты за счет заблаговременного определения зон активных разрывных деформаций земной коры, представляющих опасность в плане деструкции строительных конструкций, коммуникаций, газонефтепроводов.
Литература
1. А.с. СССР №396659, G01V 5/00, 1973 г.
2. Патент РФ №2225019, G01V 11/00, 2004 г.
3. Патент РФ №2106663, G01V 11/00, 1998 г.
4. Патент РФ №2212688, G01T 1/167, 2003 г.
5. Патент РФ №2212689, G01T 1/167, 2003 г.
6. Патент РФ №2165498, E02D 31/06, G01V 5/00, 2003 г.