Земная кора представляет собой блоки различных размеров, которые находятся в постоянном движении. Тектонические движения блоков имеют циклический характер, определяемый эндогенной ритмикой процессов Земли и влиянием Космоса. Границами блоков в коренных породах являются разрывные нарушения различного порядка - глубинные разломы, разрывные тектонические нарушения, трещинные зоны, отдельные трещины.
Разрывные нарушения в земной коре являются одним из главных источников нарушений и загрязнений окружающей среды.
В покровных рыхлых отложениях разрывные дислокации проявляются в виде геодинамических зон (ГДЗ). В таких зонах изменяются параметры геофизических полей, наблюдается разуплотнение и оседание несущих грунтов, инфильтрация поверхностных загрязнителей в водоносные горизонты питьевого назначения, формирование ландшафтных аномалий с высокими концентрациями химических элементов и веществ. В геодинамических зонах над активными разрывными нарушениями наблюдаются деформации земной поверхности, приводящие к нарушениям целостности зданий, промышленных сооружений, дорог, трубопроводов и т.д. Поэтому их обнаружение является очень важной экологической задачей. В связи с этим были проведены исследования на Докучаевском полигоне промышленных отходов, при исследовании Васильевского взброса и других объектов для обнаружения экологически опасных деформационных структур в геофизических и атмогеохимических полях. Рассмотрим эти проявления на примере Докучаевского полигона.
Классическими геофизическими методами выявить геодинамические зоны в рыхлых покровных отложениях и оценить их активность невозможно.
Для выявления в покровных отложениях геодинамические зон и оценки их современной активности в 70-е годы прошлого столетия были разработаны методы структурно-геодинамического картирования (СГДК).
В настоящее время структурно-геодинамические исследования проводятся несколькими методами – азимутальным метод изучения анизотропии электропроводности почвенных отложений (СГДК-А), эманационным методом исследования радиоактивных газов в почвах (СГДК-Э), а также газовыми методами по метану, углекислому газу, парам ртути и другим газовым компонентам почв (СГДК-Г).
Эти методы прошли широкую апробацию в разных странах - Беларуси, России, Узбекистане, Киргизии, Китае.
Методы СГДК-А и СГДК-Г были опробованы для целей выявления и прослеживания геодинамических зон на Докучаевском полигоне промышленных отходов, при исследовании Васильевского взброса и других объектов.
Способ СГДК-А основан на явлении азимутальной неоднородности электропроводности поверхностного слоя покровных отложений в связи с геодинамическими процессами. Это ранее неизвестное природное явление фиксируется повсеместно при электромагнитном обследовании небольших объемов горных сред в условиях их естественного залегания. В данном методе покровные отложения используются в качестве источника информации о напряженном состоянии коренного массива.
Прибор ЭФА, разработанный с участием кафедры полезных ископаемых и экологической геологии ДонНТУ, позволяет оперативно выявлять геодинамические зоны по изменению анизотропии электропроводности в покровных отложениях до глубины 2,5м. На полигоне были выделены геодинамические зоны, выявленные методом СГДК-А, которые отражают активные в настоящее время разрывные нарушения и зоны повышенной трещиноватости в массиве коренных пород, а также зоны формирующихся деформаций техногенной природы (трещины отрыва вблизи кромки отвала, карьера). В дальнейших исследованиях планируется также использовать данный метод для изучения Васильевского взброса и его проявлений в электромагнитном поле в зависимости от структуры разлома и мощности покровных отложений.
В газовом методе СГДК-Г покровные отложения используются в качестве источника информации о газовом составе почв. На исследуемой территории была измерена концентрация углекислого газа, которая определялась с помощью специального прибора – шахтного интерферометра ШИ-10. Метод СГДК-Г использовался не только для заверки аномалий СГДК-А, но и для оценки проницаемости грунтов в выявленных геодинамических зонах. Этот метод также планируется использовать для исследования Васильевского взброса, оценки его проницаемости в зависимости от строения зоны разлома и мощности покрывающих пород.
Комплексирование методов СГДК позволяет не только выявлять разрывные нарушения различного масштаба, но и оценивать геодинамическую активность и проницаемость этих нарушений [4,5].
Таким образом, новизна данной работы заключается в том, что сопоставление методов СГДК-А и СГДК-Г впервые используется для обнаружения разрывных нарушений и зон повышенной трещиноватости в зависимости от мощности и структуры разрывной зоны в коренном массиве.
Целью выполняемых работ на исследуемых участках (на примере Докучаевского полигона промышленных отходов) является обнаружение разрывных нарушений и зон повышенной трещиноватости коренного массива, вдоль которых в покровных отложениях могут наблюдаться неблагоприятные явления – деформации сооружений (эстакада, отстойник жидких отходов), повышенная фильтрация поверхностных загрязненных вод в подземные водоносные горизонты.
Для достижения поставленной цели решаются основные задачи исследования:
- выявление геодинамических зон (ГДЗ);
- картирование ГДЗ методом азимутальной съемки;
- картирование ГДЗ методом газовой съемки;
- построение карт ГДЗ;
- выявление опасных участков, связанных с ГДЗ;
- разработка рекомендаций по строительству промышленных объектов на территории исследуемого полигона;
- выявление особенностей проявления разрывных нарушений в геофизических и атмогеохимических полях покровных отложений.
Азимутальная съемка СГДК-А выполнялась с помощью прибора ЭФА – электронного фиксатора анизотропии. Установка относится к классу приборов индикаторного типа.
Прибор состоит из генератора и приемника, укрепленных на концах жесткого диэлектрического бруса. В районе генератора конец бруса шарнирно соединяется с опорной платформой. Опорная платформа обеспечивает жесткую стабилизацию установки на полевом пикете и возможность вращения бруса в горизонтальной плоскости. Общий вид прибора приведен на фото 1.
Фото 1. Установка ЭФА, используемая для выполнения съемки СГДК-А
Съемка СГДК-А проводилась по профилям с шагом 5-10м. Профили размечались на местности с учетом рельефа и через 100м закреплялись деревянными кольями. По этим же кольям осуществлялась топографическая привязка профилей с помощью прибора GPS.
На каждой точке (пикете) профиля установка ЭФА ориентировалась приемником с помощью компаса на север. Затем в этом положении измерялась электропроводность, и брус перемещался в горизонтальной плоскости по часовой стрелке для снятия замеров в других направлениях. Измерения проводились с угловым шагом в 30 градусов. Каждому фиксированному положению приемника присваивался порядковый номер (код) от 0 до 12. Исходная позиция имела номер 0. Последний замер брался в позиции 12. Последний замер дублировал измерения в исходной позиции и являлся контрольным. В случае отличия первого и последнего замера более чем на 4 единицы, измерения на точке наблюдения повторялись. Такой прием обеспечивал высокое качество наблюдений.
Снятые замеры отражают электропроводность грунтов в различных направлениях. Их анализ позволяет установить направление с максимальной электропроводностью в пределах каждого из 4 квадрантов (секторов) круга на каждом полевом пикете съемки.
Для выявлений аномальной анизотропии электропроводности грунтов, которая собственно и фиксирует геодинамические зоны, используются три критерия (показателя):
-К1-степень устойчивости ориентировок максимальной электропроводности по профилю;
- К2 - степень отличия ориентировок максимальной электропроводности на пикете от глобального фона;
- К3 - степень отличия ориентировок максимальной электропроводности на пикете от фона участка съемки.
Если на всех пикетах фиксируются одни и те же направления максимальной электропроводности в каждом из 4 секторов, то аномалии по К1 отсутствуют. Максимальная интенсивность аномалии по К1 определяется в том случае, если во всех секторах на данном пикете изменяются направления максимальной электропроводности. Шкала аномальности для этого показателя следующая:
- изменения только в одном секторе – 3 условные единицы;
- изменения одновременно в двух секторах – 9 условных единиц;
- изменения одновременно в трех секторах – 27 условных единиц;
- изменения одновременно в четырех секторах – 81 условная единица.
Так как существует природная неоднородность физических свойств грунтов и случайные ошибки измерения, то для уменьшения их влияния по профилю перед оценкой аномальности была проведена процедура фильтрации полевых данных окном в пять точек. Такая процедура проводилась по каждому из секторов и оформлялась в виде специальных таблиц обработки данных.
Аномальность по показателю К2 оценивалась по степени отличия направлений максимальной электропроводности на данном пикете от глобального фона. Глобальный фон характеризуется максимальной электропроводностью по направлениям север – восток – юг – запад. Исходя из этого, для сектора I фоновыми будут направления 0 и 3 (в принятых кодах), для сектора II – 3 и 6, для сектора III – 6 и 9, Для сектора IV – 9 и 12(0).
Шкала аномальности для показателя К2 составляет 4, 16, 64 и 256 условных единиц в соответствии со шкалой отличия от фона в секторах.
Аномальность по показателю К3 оценивалась по степени отличия направлений максимальной электропроводности на данном пикете от фона участка. Характер местного фона электропроводности грунтов определялся на основе статистических расчетов, выполненных по сумме всех точек наблюдений.
Шкала аномальности для показателя К3 аналогична приведенной выше шкале для показателя К2.
Для выделения комплексных аномалий СГДК-А по каждому из профилей были построены совмещенные графики показателей К1 и К3. Из этих показателей К1 наиболее стабилен во времени и его аномалии отражают шовные зоны разрывных дислокаций в коренном массиве. К3 – в большой степени отражает зону динамического влияния разрывных дислокаций и изменение ее активности во времени.
Для повышения надежности выделения аномалий СГДК-А в ходе исследований использовалась газовая съемка по СО2.
Газовая съемка (СГДК–Г) выполнялась по тем же пикетам, что и азимутальная СГДК-А. При этом измерялись концентрации углекислого газа в почвенном воздухе на глубине 0,6м с помощью шахтного интерферометра ШИ-10.
Измерение углекислого газа основывается на принципе смещения интерференционной картинки под влиянием СО2. Прибор имеет электрическую схему с питанием от одного элемента типа «343», оптическую систему, сквозь окуляр которой можно наблюдать интерференционную картинку и систему для поглощения влаги из грунтового воздуха и углекислого газа.
Для отбора проб в насыпных грунтах бурились шпуры. В связи с тем, что грунты представлены щебнистым материалом, проходка шпуров осуществлялась с использованием бензинового электрогенератора и электродрели со специальным буром.
В шпур вставлялся конусный пробоотборник, а затем с помощью вакуумного насоса в газовый анализатор откачивалась проба почвенного воздуха.
Метод СГДК-Г использовался не только для заверки аномалий СГДК-А, но и для оценки проницаемости грунтов в выявленных геодинамических зонах.
Съемка методом СГДК-А была выполнена по шести профилям, которые пересекают участок в разных направлениях. При этом профили 5 и 6 заданы для детализации и прослеживания аномалий, выделенных на профиле 1. Суммарная протяженность профилей СГДК-А составила около 5км, общее количество точек наблюдения составляет - 615, из которых количество контрольных наблюдений составляет 55.
Съемка СГДК – Г была проведена по профилю 2. Протяженность профиля газовой съемки – 1км, количество точек наблюдения – 101.
На первом этапе для установления фоновых направлений максимальной электропроводности грунтов выполнена статистическая обработка полевых данных по всем профилям. Результаты этой обработки представлены в виде розы-диаграммы. (Анимация 1).
фон участка по секторам:
I-3; II-3; III-7; IV-11
Анимация 1. Роза-диаграмма расчета местного фона анизотропии электропроводности грунтов
(13 кадров, 10 повторений, 107 КБ)
(Для повторного просмотра анимации страницу необходимо обновить)
I – IV – сектора, в которых определяется направления максимальной электропроводности грунтов (из 4 направлений); 0 – 12 коды направлений максимальной электропроводности грунтов в горизонтальной плоскости: 0 – азимут 0° (направление на север), 1 - азимут 30°, 2 - азимут 60° , 3 - азимут 90° (восток), 4 - азимут 120°, 5 - азимут 150°, 6 - азимут 180° (юг), 7 - азимут 210°, 8 - азимут 240° , 9 - азимут 270° (запад), 10 - азимут 300°, 11 - азимут 330°, 12 - азимут 0° (контрольный).
Фоновые направления отражают геологические особенности участка работ. В целом направления максимальной электропроводности грунтов с точностью до ±15° перпендикулярны простиранию основных геологических и тектонических структур. Это свойство анизотропии электропроводности грунтов используется для определения простирания геодинамических зон с помощью показателя К4.
Анализ фоновой розы-диаграммы позволяет сделать вывод о существенном влиянии на структуру участка тектонических разрывных нарушений и межпластовых срывов субширотного и северо-западного простирания (направление 7), разрывных дислокаций северо-восточного простирания (направление 11) и геологических структур субмеридионального простирания (направление 3).
На профиле 1 выделяется 14 комплексных аномалий. Часть из них были объединены в единые геодинамические зоны:
- субмеридионального простирания;
- северо-западного простирания;
- северо-восточного простирания.
Также на участке исследования была выделена широкая аномалия, отличающаяся максимальной интенсивностью для показателя К3=256. Эта аномалия прослежена в северо-западном направлении и фиксируется на профиле 2 не только аномалиями СГДК-А, но и наиболее контрастной аномалией углекислого газа на профиле 2. Аномалия представляет геодинамическую зону северо-западного простирания.
На профиле 2 выделено 11 комплексных аномалий, часть из которых объединены в единые геодинамические зоны:
- субширотного простирания;
- северо-восточного простирания;
- запад-северо-западного простирания.
Другие аномалии имеют ландшафтный характер и приурочены к резким изменениям в рельефе (уклона дороги). Южнее этой аномалии установлена еще одна. Ее природа техногенная, связанная с крутой кромкой обрыва насыпи.
На профиле была проведена газовая съемка. Статистический анализ наблюдений позволил выявить фоновое значение концентраций углекислого газа и несколько аномалий. Фон по углекислому газу составил – 0,25 объемных процентов. Уровни аномалий выделены с учетом превышения 2 и 3 кратного значения стандартного отклонения и соответственно равны 0,7 и 0,9 объемных процентов. Максимальная интенсивность аномалий СО2 (1,5 об. %) отмечена в зоне влияния северо-западной геодинамической зоны. В целом газовые аномалии подтвердили основные зоны, выявленные по данным СГДК-А.
На профиле выделены 3 комплексные аномалии. Эти аномалии фиксируют ранее выявленные на профилях 1 и 2 геодинамические зоны субширотной ориентировки, северо-западного и северо-восточного простирания. Наибольшая интенсивность аномалий отмечается для двух геодинамических зон - северо-западного и северо-восточного простирания.
На профиле 4 выделены 2 комплексные аномалии. Первая из этих аномалий фиксируют ранее выявленную на профиле 1 геодинамическую зону северо-западного простирания. Вторая фиксирует субширотную геодинамическую зону и интенсивность ее меньше.
Профили 5, 6 заданы для подтверждения и прослеживания ранее выявленных геодинамических зон. Профиль 5 подтвердил северо-восточное простирание одной из главных зон участка и уточнил положение геодинамической зоны северо-западного простирания. В последнем случае установлена высокая активность геодинамической зоны по показателю К3 - 256 баллов. В целом этот участок характеризует узел пересечения двух названных зон.
Профиль 6 подтвердил наличие геодинамической зоны северо-восточного простирания, выявленной ранее на профиле 1 в западной части участка.
Для оценки качества съемки с интервалом в несколько дней проведены повторные наблюдения на участке профиля 1. Участок повторной съемки выбран вблизи одной из главных геодинамических зон северо-западного простирания. Было установлего, что названная зона не меняет своего положения. Несколько меняется ее ширина, что связано с изменением геодинамической активности зон во времени.
Комплексная интерпретация аномалий проводилась путем увязки аномалий по площади в виде геодинамических зон. После выявления комплексных аномалий на профиле, они были вынесены на топографический план и увязывались в геодинамические зоны разного простирания. Для определения простирания на одном профиле использовался показатель К4. Эти простирания уточнялись по комплексу данных:
- по геологическим данным о направлениях разрывных нарушений в районе работ;
-по результатам статической обработки замеров трещиноватости коренных пород в ближайшем карьере;
-по результатам анализа простирания линеаментов на космоснимке участка.
Все результаты представлены на рисунке 1.
Рисунок 1. Результирующая карта сопоставления аномалий СГДК-А с аномалиями газовой съемки по профилю 2
1 – профили СГДК-А с пунктами топографической привязки; 2 – комплексные аномалии, выделенные по двум показателям анизотропии электропроводности грунтов (К1, К3); 3 – геодинамические зоны тектонической природы, отражающие активные разрывные нарушения коренных пород; 4 – геодинамические зоны, техногенной природы, отражающие формирующиеся структуры отрыва у кромки отвала; 5 –аномалии СО2.
Все геодинамические зоны в результате интерпретации были разделены на два класса:
- тектонической природы, отражающие активные разрывные дислокации коренных пород (трещинных зон, разрывных нарушений). По ним возможны утечки загрязненных поверхностных вод в подземные водоносные горизонты, а также деформации грунтов и промышленных сооружений;
- техногенной природы, отражающие аномалии напряженного состояния верхней части покровных отложений и насыпных грунтов. С ними могут быть связаны формирующиеся трещины отрыва оползневого типа вблизи крутых стенок откосов отвалов, стенок карьеров и т.д.
В целом простирания подавляющей части геодинамических зон подтверждаются направлениями главных разломов района и системами трещин, выделенных в ближайшем карьере.
Выявление геодинамических зон является важной экологической задачей. В связи с этим нами были проведены исследования таких зон на Докучаевском полигоне промышленных отходов. Основными методом исследований являлись методы СГДК-А и СГДК-Г. Для реализации метода СГДК-А использовалась установка ЭФА, разработанная на кафедре «ПИ и ЭГ».
При исследованиях на полигоне были обнаружены разрывных нарушений и зоны повышенной трещиноватости коренного массива; было выделено два типа геодинамических зон:
- тектонической природы, отражающие активные разрывные дислокации коренных пород (трещинных зон, разрывных нарушений). Было установлено, что ГДЗ тектонической природы имеют cеверо-западное, северо-восточное и субширотное простирание. Анализ геологической карты района подтверждает наличие разрывных нарушений таких направлений на площади. Кроме того, сравнение розы–диаграммы простираний трещин, построенной по данным геологического изучения ближайшего карьера, также подтверждает наличие разрывных дислокаций названных направлений. По ним возможны утечки загрязненных поверхностных вод из проектируемого накопителя жидких отходов в подземные водоносные горизонты. На участках промышленных сооружений (эстакады и др.) вероятны деформации грунтов и фундамента промышленных сооружений;
- техногенной природы, отражающие аномалии напряженного состояния верхней части покровных отложений и насыпных грунтов. С ними могут быть связаны формирующиеся трещины отрыва оползневого типа вблизи крутых стенок откосов отвалов, стенок карьеров и т.д.
Так как наиболее опасные участки полигона приурочены к узлам ГДЗ, то рекомендуется имеющийся на территории отстойник жидких промышленных отходов располагать не на этих узлах, а непосредственно между ними. Либо укреплять основание под отстойником (несколько слоев пленки, глины). Рекомендуется также переносить дороги, подъездные пути проектировать вне геодинамических зон тектонической природы.
Исследования будут завершены в ноябре 2008 года. За окончательными результатами обращаться к автору или к научному руководителю.
1. Воевода Б.И., Соболев Е.Г., Савченко О.В. Геодинамика и ее роль в устойчивом развитии регионов//Наукові праці ДонНТУ, серія гірничо-геологічна, 2002.
2. Панов Б.С., Тахтамиров Е.П. Новое в геолого-геофизических исследованиях//Известия высших учебных заведений, геология и разведка, 1993г. – №3. – c. 57-67.
3. Атлас. Геологія і корисні копалини України. – Київ: ИГН НАН України, 2001. – 168с.
4. Алехин В.И. , Корчемагин В.А., Койнаш П.В. Особенности геохимии Почвенных отложений на участке пересечения Северно-Волновахского и Викторовского разломов // Наук. Праці ДонНТУ. Серія гірничо-геологічна. – 2003.? Вип. 55. ? c.120 ?125.
5. Алехин В.И., Сахарова Н.А., Ковалева О.А. Зоны экологичекого риска тектонической природы и современные методы их обнаружения // Проблемы природопользования, устойчивого развития и техногенной безопасности регионов. Материалы четвертой Международной научно-практической конференции; г. Днепропетровск, Украина, 02-05 октября 2007г. / Редкол.: А.Г. Шапарь (гл. ред.) и др. - Днепропетровск, 2007.- c.260-261.