Геодинамические аспекты в принятии решений по по развитию горнопромышленного региона
Современные тенденции развития экономики горнопромышленных регионов планеты заключаются в комплексном развитии инфраструктуры, с учетом закономерностей взаимосвязи физических процессов и явлений, протекающих во всех геосферах планеты. Это особенно актуально для таких развитых горнопромышленных регионов, каким является Донбасс.
Эффективность управления регионом (и страной в целом) определятся научной обоснованностью принятия экономических, технологических, экологических, а нередко и политических решений.
Научно необоснованная техногенная деятельность привела к глобальным негативным последствиям. Значительно возросли затраты на добычу полезных ископаемых, строительство, поддержание и защиту подземных и поверхностных объектов. Увеличилась интенсивность негативных проявлений аномальных геодинамических явлений (сейсмические явления, горные удары, внезапные выбросы горных пород и газов и др.). Выделения метана, радона и других газов негативно воздействуют на психофизиологическое состояние людей, а также разрушают озоновый "щит" планеты. Перераспределение деформационных полей в земной коре влияет на атмосферное электричество, обуславливает изменение теплового потока и геомагнитного поля, состояние атмосферы и гидросферы и др. В результате - нарушение экологического равновесия, изменение климата, активизация сейсмических процессов, повышение заболеваемости, ухудшение психофизиологического и социального климата в регионе и т.п.
Цель работы - исследование и реконструкция техногенных и тектонических полей деформаций с использованием компьютерных технологий для последующей разработки научных основ системы принятия экономических, экологических и политических решений по развитию региона. Рассматриваемая проблема - это комплекс взаимосвязанных задач, решение которых, возможно только на основе фундаментального изучения природы и механизмов взаимодействия разновозрастных полей деформаций.
Ранее авторами была выполнена первичная оценка влияния технологии извлечения полезных ископаемых на состояние деформационного поля и экосистемы Центрального Донбасса [1]. По этим данным были определены параметры разновозрастных тектонических полей деформаций с использованием специальной методики реконструкции параметров палео- и неотектонических полей деформаций, в основу которой положены методы кинематического анализа зеркал скольжения. Сущность методики и результаты ее апробации применительно к условиям Донецко-Макеевского района, описаны в работах [2,3] . Первичная информация, характеризуется высокой субъективностью оценки, зависящей от опыта и психофизиологического состояния человека, проводящего анализ. Для повышения объективности и достоверности получаемых результатов на этапе сбора исходных данных нами разработан программно-аппаратный комплекс для формирования "цифрового образа" исследуемого объекта. Задача анализа "цифрового образа" реализована в виде модели нейронных сетей. Применение аппарата нейронных сетей обусловлено тем, что задача формализуется через задачу распознавания образов, базирующуюся на хорошо зарекомендовавшем алгоритме обратного распространения (back propagation algorithm).
Реализация предложенной методики позволила определить схемы траекторий главных осей эллипсоида суммарных деформаций региона . Составлены карты полей тектонических деформаций. Выявлено большое количество областей сдвиговых деформаций, т.е. разрывов, у которых основная подвижка происходила в горизонтальной плоскости. Установлено, что основная масса аномальных геодинамических явлений (в частности, выбросов) концентрируется в сдвиговых зонах. Практика свидетельствует, что именно в этих зонах параметры тектонических полей деформаций и напряжений в совокупности с техногенными полями обуславливают необычно высокие (по сравнению с традиционными методами расчета геостатического давления (lithostatic pressure)) величины давлений, которые в сочетании с видом деформационной структуры могут формировать "единый" начальный этап многообразных аномальных геодинамических явлений.Анализ полученных результатов позволяет утверждать, что основной вклад в развитие большинства аномальных геодинамических явлений вносят техногенные и тектонические поля деформаций. Многие климатические, экологические, социальные и патолого-медицинские изменения объясняются тем, что значительная протяженность деформационных структур по падению и простиранию превращает их в идеальные каналы для циркулирующих в массиве флюидов и газов, процессов тепло- и массопереноса.
Логическим продолжением исследований стал переход к динамическим деформационным структурам, возникающим под воздействием геодеформационных полей (ГД-полей). Исследования генезиса ГД-полей и физических причин их индуцирующих, а также результаты изучения развития ГД-полей в виде деформационных волн и процессов тепло- и массопереноса показывают, что то в литосфере постоянно образуются и исчезают короткоживущие структуры деформаций, имеющие дискретно-волновую природу. В подавляющем большинстве случаев имеет место неупорядоченное строение ГД-поля. В периоды, предшествующие аномальным геодинамическим явлениям (АГДЯ), отдельные изометрические структуры деформаций в короткие промежутки времени увеличиваются в размерах, образуя упорядоченные протяженные зоны (размеры которых составляют 102 - 106 м в зависимости от вида и механизма АГДЯ) ГД-поле приобретает ориентирован-ный характер. Наивысшая упорядоченность ГД-поля соответствует периоду, непосредственно предшествующему АГДЯ, после которого оно вновь при-нимает хаотический характер, с присущими ему циклами изменения несба-лансированной деформации [2].
Исследования изменения геомагнитного поля показали, что в периоды упорядочения структур ГД-поля регистрируются всплески ультранизкой (0,003 - 1,0 Гц) электромагнитной эмиссии не связанной с геомагнитными пульсациями магнитосферного происхождения, и ЭМИ КВЧ диапазона (30 - 300 ГГц). Геомагнитные аномалии регистрируются в диапазоне 0,01 - 0,06 нТл. Перед мощными АГДЯ,явления резкого повышения интенсивности НЧ ЭМИ (0,1-16 КГц) и вариации квазистатического электрического поля (0,1 - 8,0 Гц) регистрируются в некоторой области, лежащей вблизи эпицентра (очага АГДЯ) и в магнитосопряженной точке.Взаимодействие ГД-поля с организмом человека (в частности, горнорабочего) обусловлено тем, что ему присущи три типа ритмов: циркадиан-ный, ультрадианный, инфрадианный. Ритмы - генетически запрограммированные продукты эволюции, позволяющие организму адаптироваться к ок-ружающей среде. Социальные сигналы не менее важны, чем другие пейсмейкеры (связанные с лунно-солнечным циклом). В замкнутом пространстве (горной выработке), наблюдается спонтанная десинхронизация, несовпа-дение циркадианного ритма температуры тела и цикла сон - бодрствование. Горнорабочие постоянно находятся под влиянием ГД-поля и при посменном режиме работы испытывают фазовый сдвиг (отставание, опережение) циркадианных ритмов. В целях снижения последствий этого негативного фактора и повышения эффективности и безопасности работы, целесообразно при профотборе отбирать людей со значительными колебаниями температуры тела.
Циркуляция энергетического потока в замкнутом пространстве изменение его спектральной плотности приводит к нарушению ультрадианных ритмов, и в первую очередь к нарушению цикличности мозговой активности (в норме - порядка 90-100 мин), что может приводить к развитию пси-хических заболеваний. Также, необходимо отметить и тот факт, что у подавляющего большинства (74,3%) горняков проработавших на подземных работах более 15 лет, отмечаются нарушения сердечной деятельности центральной нервной системы.Геодеформационные поля обуславливают формирование энергоактивных и геопатогенных зон как на поверхности, так и в массивах горных пород. Возникновение энергоактивных и геопатогенных зон на поверхности обусловлено, тем, что развитие и формирование деформационных структур под воздействием ГД-полей изменяет характер теплового потока, миграции флюидов и изотопов из недр, изменяет способность участка поверхности к аккумулированию солнечной энергии, влаги из воздуха, баланс подземных вод и минеральных веществ в почве и т.д. Образование аномальных энергоактивных зон в верхних слоях земной коры, кроме указанных факторов, связано еще и с физико-химическими процессами в массиве, протекающими под воздействием потоков космического излучения. Основной вклад в общее число и энергию космических излучений вносят галактические, а не солнечные космические лучи. Эти явления находятся в противофазе, но меняются синхронно (т.к. при минимуме солнечной активности уменьшается возмущенность межпланетного магнитного поля, т.е. уменьшается количество неоднородностей поля, служащих центрами рассеивания для галактических частиц). Большинство исследователей, как правило, рассматривает физико-химические явления связанные с попаданием частиц высоких энергий (быстрых нейтронов с энергией 0,1-3,0 Мэв) в воду и водные растворы.
Еще один весьма важный аспект - связь геоструктур с национальными, этническими и политическими структурами. Так, исследованиями выполненными в рамках международной программы "Global Geotravers" по реконструкции развития неотектонических полей в районе так называемой "северо-западной дуги", находящейся на глубине 80 километров в районе Санкт-Петербурга, центральной Эстонии и финского города Турку, установлено, что указанная геоструктура углубляется со скоростью в 30-60 метров в год. При определенном развитии событий, активная зона, внутри которой находится Санкт-Петербург, часть Карелии, Эстония и южные районы Финляндии, начнет постепенное вращательное движение. Авторы далеки от предположений о том, что в один день Финляндия вдруг станет частью России, а Петербург окажется в Эстонии, но на протяжении 70-100 лет такое развитие событий вполне возможно. Правительство Эстонии крайне обеспокоено возможными последствиями: сдвиг территории страны всего на 150 километров к северу может иметь непредсказуемые последствия для национального животноводства.
Выводы: Фундаментальное изучение особенностей взаимодействия техногенных и тектонических полей деформаций и их взаимосвязи с процессами, протекающими во всех геосферах планеты, поможет понять природу и мно-гообразие многих аномальных природных и техногенных явлений, разработать новые методы их прогноза, контроля энергоактивных зон, состояния горного массива, защиты человека, природных и инженерных объектов от негативного влияния АГДЯ.1. Шамаев В.В. Исследование деформационных полей в массиве горных пород при отработке месторождений полезных ископаемых в сложных геотехнических условиях Центрального района Донбас-са. // Препринт ИПКОН АН СССР. Москва- 1988 - 43с.
2. Шамаев В.В., Корчемагин В.А., Едемская Е.Н. Реконструкция тектонических полей деформаций. // Физика и техника высоких давлений. Киев, Наукова думка. -1998 - Т. 8 - № 4.- С. 131-136.
3. Корчемагин В.А., Шамаев В.В., Павлов И.О., Сокуренко М.В. Тектонические поля деформаций и напряжений в развитии подземной инфраструктуры Донецко-Макеевского района. // Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины. - Днепропет-ровск. - 1998 - Т.3.- С.158-162.
4. Angelier Ja. - Tectonophys., 1979, vol. 56, p. T.17-T.26.
5. McKenzie Dan P. - Bull. Seismol. Soc. Amer., 1969, vol. 59, № 2, p. 591-601.