Рисунок 3.1 – Схема наблюдательных станций в районе пересечения нефтепровода с тектоническими нарушениями
Авторы: Сашурин Д.B., Панжин А.А.
Перевод с английского: Валюго С.И.
Источник: Научный проект Геомеханика Online
Статья содержит результаты экспериментальных исследований динамики смещений и деформаций в зонах тектонических разломов. Эксперименты проводились на трех опасных зонах, расположенных в Западной Сибири в районе города Сургута. Смещения поверхности измеряются с применением систем спутниковой геодезии GPS. Измерения были выполнены в режиме мониторинга континуума с чтением кодовых результатов в 5 секунд, 10, 15 и 30 минут. Эксперименты показали присутствие короткопериодную поверхностных колебаний в деформируемых зонах и граничащих территориях. Открытие динамики смещений и деформаций кардинально меняет концепцию о параметрах и законах формирования напряженно-деформированного состояния горного массива в естественных условиях. Величины смещений и деформаций способны вызвать обрушения в объектах, находящихся в зоне влияния. Исследования выполнены при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ).
Человечество в собственной повседневной деятельности привыкло руководствоваться понятием о Земле как "неразделенной земной крепости". Сегодня все знают о движениях литосферных плит, о движениях по таким активным разломам, как Сан-Андреас в Калифорнии, Северо-Анатолийский в Турции и т.д. В других частях Земли – таких как среда добычи, подземные сооружения, фундамент для всех видов строительства и т.д. – представляется как нечто статичное, стабильное.
На самом деле это далеко не так. Тектонические разломы даже низкого ранга в общей иерархии структуры, имеют некоторую подвижность. Она не всегда носит направленный рисунок сдвига, но могут быть введены также динамика колебаний, вызвающая иногда неизвестные эндогенные процессы. Противоречия существующих представлений сопряжены с реальными процессами в земной коре с опасностью для объектов, которые появились в пострадавшем районе подвижных моделей тектоники. Большой контраст этих противоречий был выявлен на протяженных объектах, таких как магистральные нефтепроводы и газопроводы, подземные коллекторы и т.д. Но особую важность представляют экологически опасные объекты с вероятностью чрезвычайных ситуаций, где человек может стать причиной экологических катастроф, например, атомные станции.
С конца девятнадцатого века и до недавнего времени, напряженно-деформированное состояние породного массива в геомеханике, геодинамике и других наук о Земле было представлено как нечто статическое. Представление о своих параметрах, о причинах, о зависимостях между значениями напряжений деформации и основы их измерений варьировались. Но одно осталось неизменным – статическое состояние параметров напряжений и деформаций в исторических интервалах времени. Динамические или медленные вариации на установившихся интервалах происходят или в долговременные геологические периоды, или прогрессирует и отображает геодинамические процессы на коротких промежутках времени.
В 70-80 годах прошлого века в научных исследованиях все чаще встречаются работы по исследованию динамики параметров напряженно-деформированного состояния во взаимосвязанных приливных феноменах от влияния Луны и Солнца. Сегодня во многих работах вопрос о колебаниях параметров напряженно-деформированного состояния поднимается часто, и никто из геомехаников не станет отрицать динамики напряженно-деформированного состояния. Но никто не знает параметров динамических процессов: амплитуды и частоты происходящих изменений. В то же время, на практике эксплуатации магистральных нефтяных и газовых трубопроводов и других протяженных объектов установлено, что аварийные участки на них группируются, чаще всего, в зонах тектонических разломов. Механизм их разрушения в этих зонах позволяет подозревать о наличии изменений динамики в напряженно-деформированном состоянии горного массива и трубопровода. Эти условия побудили провести экспериментальные исследования динамики напряженно-деформированного состояния зон деформаций.
Исследование динамики деформируемых зон проводилось в Западной Сибири в районе города Сургута Тюменской области. Первый экспериментальный объект находится в 17 километрах от города Сургута на пересечении магистрального нефтепровода с местным. На рисунке 3.1 показано тектоническое нарушение, имеющее меридиональное направление удара. На этой площади нефтепровода наблюдаются аварийные прорывы труб.
Рисунок 3.1 – Схема наблюдательных станций в районе пересечения нефтепровода с тектоническими нарушениями
Второй объект находится в городе Сургут на стыке широтных и меридиональных тектонических нарушений. На площади их артикуляции система подземных канализационных коллекторов города, на которой были некоторые чрезвычайные ситуации (рис. 3.2.). Чрезвычайные ситуации канализации отслеживались по образованию провалов над землей.
Рисунок 3.2 – Схема наблюдательной станции на артикуляции тектонических нарушений в Сургуте
Площадь эксперимента называют Обским полем Западно-Сибирской низменности. В ней выделяется неоднородный сложенный фундамент и слабо дислоцированные вскрытия. Формирование структурных форм вскрытий началось в конце триаса и продолжается до сих пор. По срокам вскрытий понимается какими были серии осадков. За указанный период формируется сложенная, преимущественно, песчаная и, в отдельных случаях, кремнистая горная масса. Глубина вскрытий достигает 2700 метров.
Из собранной геологической информации следует, что в неогене интенсивные тектонические движения и состоялась, что все крупные орографические элементы Западно-Сибирской низменности растут из новейших тектонических движений. Различные неотектонические движения, ставшие причиной роста локальных структурных форм, имеют амплитуды движений до 250-300 метров. Градиент их часто достигает 20 метров/километр. Амплитуда возрастает, достигает 1200 метров и быстро исчезает в поверхности до 70 метров. Границы тектонических зон хорошо прослеживаются в приповерхностном слое с помощью электрометрических методов на спаде удельного электрического сопротивления. В городских условиях положение границ тектонических зон было обновлена в ходе эксперимента.
Динамика смещений в зонах разломов была исследована с применением техники спутниковой геодезии. Измерялись взаимные вертикальные и горизонтальные смещения двух марок специальных наблюдательных станций, оборудованных на исследуемых областях (см. рис. 3.1 и рис. 3.2). Для этих целей был использован набор инструментов фирмы Trimble (США) серии 4600LS, в том числе четырех GPS приемников. На первом объекте в районе нефтепровода было оборудовано 15 точек наблюдений, на второй – 13. Измерения были выполнены по технике дифференциальной GPS в режиме бесперебойного с периодичностью чтения кода 5 секунд, 10, 15 и 30 минут. Одновременно в работе было 4 приемника, расположенных на 4 реперах. В общей сложности были выполнены измерения по 29 векторам на первом объекте и 35 векторам на втором. Продолжительность непрерывных наблюдений на каждом векторе была различной – от 1,5 часов 30 часов. Реализация всех требований вносилась в планирование и осуществление измерений, а также в пост-обработку экспериментальных данных, обеспечивает точность определения взаимного положения двух приемников в пределах 1-3 мм.
Экспериментальные данные по измерениям деформаций на обоих объектах приведены в таблицах 1 и 2. Деформации векторов наблюдательных станций в таблицах приведены в абсолютных и относительных величинах. Для горизонтальных деформаций это изменение длины вектора (миллиметров) и относительное удлинение (в относительных единицах 10-3). Для вертикальных деформаций – это изменение высот ограничивающих реперы (мм) и изменение наклона (10-3).
Таблица 1 – Экспериментальные данные измерений деформаций в области нефтепровода:
Таблица 2 – Экспериментальные данные измерений деформаций в области канализационного коллектора:
Из таблиц следует, что амплитуды горизонтальных и вертикальных деформаций на обоих объектах имеют довольно близкие значения. Максимальная абсолютная величина горизонтальных деформаций составляет 35-57 мм. Для вертикальных деформаций максимальные величины составляют, соответственно, 86-108 мм.
Кривые АЧХ колебаний смещений и деформаций имеют довольно широкий характер, но наиболее точно выделяются циклы с выдержкой периодов от 30 около 60 минут. Есть также другие, менее выраженные колебания.
Из рисунков следует, что увеличение периодов влечет за собой сглаживание динамики колебаний. С волновой картины исчезают короткого колеблющиеся деформации. Циклы, влияющие на длительность колебаний показаны цифрами 3d и 4d, где они представлены 15 и 30 минутными интервалами. Максимальные значения деформаций воздействуют на время и длительность циклов измерения. В таблице 2 даны результаты измерений на нескольких векторах, произведенных для разного времени и с разной величиной времени цикла измерения. В некоторых случаях результаты отличались в несколько раз, а в других случаях они были почти одинаковыми. В целом не выявлено еще существование определенных колебаний деформаций с направлением векторов относительно тектонических нарушений. Возможно, они будут проявлять себя в ходе последующих исследований.
Получены экспериментальные данные о наличии динамических форм движения в зонах тектонических нарушений. Их переменная деформация и движение влечет за собой серьезные фундаментальные последствия. В фундаментальной области они, в первую очередь, связаны с непрочностью материалов к природным напряженно-деформированным состояниям массива горных пород. В полученных результатах горизонтальные деформации сжатия-расширения составляют 1,27х10-3, модуль упругости горной массы – от 3000 МПа до 5000 МПа, величины динамических напряжений составляют от 3,9 до 6,4 МПа.
Наличие динамических сил в зонах тектонических разломов, по-видимому, имеет эндогенный генезис, вызывает прогресс существовующего напряженно-деформированного состояния не только деформированных зон, но и всей горной массы. Это выходит за рамки данного отчета и будет служить в качестве темы других исследований.
Трудно переоценить роль динамических деформаций в проблемной сфере. Все искусственные объекты, попавшие на тектонические сдвиги с динамическими деформациями, несомненно подвергаются их влиянию. Согласно полученным частотам, конструкция будет подвергаться не менее 500000 циклам нагрузки в год. Прежде всего, подземные объекты, такие как газовые сети и нефтепроводы, водоводы, теплотрассы, канализации, коллекторы и т.д., подвергаются к воздействию динамических деформаций. Особое внимание к динамике тектоники зоны должно уделяться строительным и эксплуатационным экологически опасным объектам. Таким образом, необходимо иметь ввиду, что динамика может прослеживаться и со стороны тектонических разломов низкого ранга. Поэтому экспертиза промышленной зоны атомных станций, подземных и приземных хранилищ ядерных отходов, других опасных объектов, в соответствии с коэффициентом наличия динамики должны стать нормой.
Таким образом, c помощью инструментальных измерений в зонах тектонических разломов, получены следующие результаты: