Оценка напряженно-деформированного состояния горных пород по трассам магистральных газопроводов методом регистрации радиошумов Земли в ОНЧ диапазоне

УДК 550.3:537.811

В.Ф. Гордеев, С.Ю. Малышков, В.И. Поливач, С.Г. Шталин

Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, Томск

ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНЫХ ПОРОД ПО ТРАССАМ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ МЕТОДОМ РЕГИСТРАЦИИ РАДИОШУМОВ ЗЕМЛИ В ОНЧ ДИАПАЗОНЕ

В докладе представлены материалы площадных измерений параметров естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) вдоль магистральных газопроводов Северного Кавказа (Моздок-Казимагомед и Дзаурикау-Цхинвал) и в Пермском крае (ЧБС-1,2), общей протяженностью около 120 км. Выделены зоны с аномальными значениями параметров ЕИЭМПЗ, которые, подтверждены геофизическими исследованиями на предмет превышения деформаций земной поверхности.

Выделенные аномальные участки второй и третьей категорий опасности вынесены на картографическую основу, что является исходной информацией для проектирования участков мониторинга опасных геологических процессов (ОПГ) на трассах магистральных газопроводов.

V.F. Gordeev, S.Yu. Malyshkov, V.I. Polivach, S.G. Shtalin

Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems SB RAS, Tomsk, Russia

ASSESSMENT OF ROCKS’ DEFLECTION MODE ALONG GAS-MAIN PIPELINES USING METHOD OF RECORDING OF EARTH VLF NOISE

In the report we present results of the area measurements of parameters of natural pulsed electromagnetic field of the Earth (NPEFE) carried out along gas-main pipelines in Northern Caucasia (Mozdok-Kazimagomet and Dzaurikau-Tskhinval) and in Perm kray (ChBS-1,2). Total length of these gas-main pipelines is 120 km. Areas with anomalous NPEFE values have been determined. Our results were confirmed by geophysical researches aimed at definition of supernormal Earth surface deformations.

The anomalous areas of the second and the third danger classes have been mapped. These maps are initial information for designing sites for monitoring of hazardous geological conditions along gas-main pipelines.

Для решения задач геодинамической безопасности газотранспортных систем первостепенное значение имеет выбор и обоснование оперативного, достоверного и экономичного метода, технических средств, позволяющих изучать физические параметры и состояние горного массива в его естественном залегании, а также последствия техногенного воздействия на геосреду (карст, просадки, оползни и пр.).

В последнее время широкое практическое использование находят методы электромагнитного зондирования с помощью естественных источников -радиоволнового поля Земли - РПЗ (магнитотеллурическое зондирование). Эти поля применяются для краткосрочного прогноза геодинамических явлений. Задача применения метода регистрации РПЗ в геофизической разведке значительно усложняется наличием явно выраженного суточного хода. Причем несмотря на шумовой характер сигнала, в спектральных характеристиках РПЗ присутствуют шести-, восьми- часовые, полусуточные и суточные компоненты полугодовые и годовые периодичности [1]. Это создает дополнительные сложности при использовании метода.

При выполнении изысканий использован способ, когда на стадии регистрации и обработки полученной информации из регистрируемого потока импульсов удаляются импульсы атмосферного происхождения и импульсы, источники которых находятся за пределами интересующей территории. Выделение полезного сигнала от «посторонних» импульсов осуществляется несколькими способами:

- Использованием системы из нескольких разнесенных в пространстве маршрутных и стационарных регистраторов электромагнитных полей;

- Настройкой регистрирующих устройств на оптимальную чувствительность, тщательной регулировкой идентичности различных регистраторов;

- Сортировкой импульсов на импульсы от удаленных источников и импульсы «местного» происхождения.

Регистрируемый поток импульсов определяется пространственновременными вариациями. В случае выполнения геофизических работ из зарегистрированного сигнала должны быть удалены временные вариации полей, все импульсы от удаленных источников и оставлены только пространственные вариации импульсов «местного» происхождения. Удаление временных вариаций полей и сортировку импульсов на импульсы местного и далекого происхождения осуществляли с помощью системы из нескольких синхронно работающих регистраторов РПЗ. Одни регистраторы являются неподвижными (реперными) и измеряют только временные вариации электромагнитных полей. С помощью других - маршрутных регистраторов, проводят измерения параметров импульсов, связанных как с временными, так и с пространственными вариациями РПЗ по профилям, пересекающим исследуемую территорию.

Такая методика позволяет получать хорошо воспроизводимые результаты профильных вариаций РПЗ, пригодные для геофизической разведки структурных и литологических неоднородностей земной коры и анализа напряженно-деформированного состояния (НДС) горных пород. Точность выделения аномалий возрастает с увеличением числа используемых приборов. Эти различия в проявлении местных и удаленных источников поля положены в основу разработанной нами специализированной аппаратуры и методики измерений [2].

Далее приведены результаты полевых обследований некоторых трасс газопроводов Северного Кавказа и Пермского края.

Измерения пространственно - временных вариаций РПЗ с целью картирования активных геодинамических зон и их ранжирования по степени опасности производились по полке газопровода «с. Дзуарикау - г. Цхинвал», в местах крупных тектонических нарушений и оползней, выявленных по анализу инженерно-геологических материалов.

Профиль №3 захватывал участок 51-57 км газопровода (рис. 1.). На большей части профиля аномальные значения РПЗ. Первая положительная аномалия на 51,8 км приурочена к руслу ручья. Затем до 52,5 км геодинамически спокойный участок. Далее идет участок с чрезвычайно высокими значениями электромагнитных полей 52,5-53,5 км рис. 1, который сменяется резко отрицательной аномалией. Такая мозаичная структура поля говорит об активности оползня на этом участке газопровода. В месте резкой смены знака поля очень высокая вероятность схода оползня. На участке 56,5-58 км также существует вероятность развития оползневых процессов. Этот участок соответствует Нузальскому надвигу по данным, найденным в геологических фондах.

£

Рис. 1. Изменение интенсивности РПЗ вдоль профиля № 3

В итоге исследований трассы газопровода «Дзуарикаю-Цхинвал» с применением методов РПЗ получены следующие результаты:

- Почти на всех участках, на которых проводились измерения, уровни РПЗ отличались от фоновых значений, зарегистрированных реперными станциями в месте удаленном от геотектонических нарушений и не затронутом оползневыми процессами. Это свидетельствует о сложном НДС грунтов в местах, выбранных для профилирования. Выявленные нами экстремумы РПЗ в большинстве случаев хорошо согласуются с геологическими разломами

различной кинематики, дешифрированными ранее, и данными настоящего морфоструктурного обследования.

- Наиболее опасным и требующим срочных мероприятий по организации мониторинга НДС грунтов по данным интерпретации результатов проведенных исследований является участок на 53,5 км. На этом участке зона растяжения резко сменяется зоной сжатия, что свидетельствует об активности оползня.

Проведена работа по организации пункта мониторинга геодинамических процессов грунтов в районе 607 км магистрального газопровода «Моздок-Казимагомед». Трасса газопровода проходит по склону юго-восточного направления. На отметке 607,3 км произошел отрыв горной массы, за счет активизации оползня, при этом образовался провал. По видимому, подземные воды активизировали оползневой процесс в непосредственной близости от магистрального газопровода. Газовая труба стала сдерживающим элементом грунтовых масс, что недопустимо с точки зрения безопасности эксплуатации газопровода.

Для выбора места установки пункта постоянного мониторинга напряженно-деформированного состояния грунтов, были проведены маршрутные вдоль газопровода от 607 км до 607,52 км включая провал оползня.

Маршрут был пройден дважды, результаты статистической обработки позволил получить диаграмму распределения напряженно-деформированного состояния (НДС) грунтов по площади (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма распределения НДС грунта по трассе газопровода

На диаграмме точками обозначены пикеты измерений. Цветовая гамма определяет величину и знак НДС грунта. Из рис. 2 видно, что в районе 607 км

зона сжатия и это подтверждается рельефом местности (лог). От 607,08 км 100 м -аномальная зона растяжения. В районе провала оползня напряжения релаксировались ниже газопровода, однако выше трубы (пикеты 23-24) проявляется зона сжатие, что свидетельствует о сдерживании грунта трубой.

На наш взгляд самым опасным местом на данном участке трассы газопровода является зона длиной в 100 м от 607,08 км. Решено устанавливать пункт мониторинга НДС грунта в районе пикета 18.

В областях рудно-добывающей промышленности большие массивы на поверхности Земли оказываются над подработанными территориями, которые в любой момент могут не выдержать техногенных нагрузок и оказаться в эпицентре провалов. Одной из таких территорий является северный Урал, в районе городов Березники и Соликамск, где на протяжении многий лет добывается калийная соль и большие территории, включая города и промышленные предприятия, в настоящее время находятся над подработанными участками Земли.

В 2009 года, были проведены площадные измерения по трассе магистрального газопровода ЧБС пространственных вариаций ЕИЭМПЗ, с целью выделения мест с аномальными параметрами НДС грунтов и обоснованием структуры комплекса по мониторингу территорий, который бы обеспечил безаварийную работу газовых коммуникаций.

Проведя анализ всех измерений, нам удалось выделить зоны геодинамических аномалий и привязать их на местности, результаты представлены на рис. 3, черным цветом отмечены особо опасные области, серым

- промежуточные.

Рис. 3. Результаты структурного геодинамического картирования районов подрабатываемых территорий газопроводов ЧБС-1, 2

Как показано в наших работах характеристики ЕИЭМПЗ оказываются чрезвычайно чувствительными не только к границам структурных и

литологических неоднородностей земной коры, но что не менее важно (в плане практического применения) к напряженно-деформированному состоянию массивов горных пород. Предложены способы выделения как глобальных пространственно-временных вариаций ЕИЭМПЗ, так и региональных и мелкомасштабных вариаций. Выявляя вариации различного масштаба можно прогнозировать время энергию и координаты эпицентров готовящихся землетрясений, активизацию опасных оползневых процессов и провалов грунта на территориях бывших шахтных выработок.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Малышков, Ю.П. Периодические вариации геофизических полей и сейсмичности, их возможная связь с движением ядра земли./ Ю.П. Малышков,

С.Ю. Малышков // Геология и геофизика. - 2009. - №2. - С. 152-172.

2. Геофизическая разведка по параметрам естественного импульсного электромагнитного поля Земли /С.Ю. Малышков и др // ГЕ0-Сибирь-2009: Сб. материалов V междунар. науч. конгр. Т. 2: Недропользование. Горное дело. Новые направления и технологии поиска, разведки и разработки полезных ископаемых, 20-24 апреля 2009 г. - Новосибирск: СГГА, 2009. - С. 54-59.

© В.Ф. Гордеев, С.Ю. Малышков, В.И. Поливач, С.Г. Шталин, 2011