Методы мониторинга короткопериодных деформаций массива горных пород

Файл : bestref-9538.rtf (размер : 96,472 байт)

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.