Панжин Андрей Алексеевич, старший научный сотрудник,Институт горного дела УрО РАН, Екатеринбург
Встатье проведен обзор методов изучения современной геодинамической активностиверхней части земной коры. Особое внимание уделено мониторингу геодинамическойактивности участков массива, находящихся на пересечении тектонических структурс объектами инженерной инфраструктуры. Рассмотрены методы диагностики имониторинга локальных аномалий вертикальных и горизонтальных движений,приуроченных к разломам различного типа и порядка. Подробно рассмотрены методыгеодезического мониторинга короткопериодных знакопеременных деформаций массивагорных пород с использованием комплексов спутниковой геодезии.
Всоответствии с основными положениями теории глобальной тектоники плит,литосфера Земли представляет собой относительно жесткую оболочку,«плавающую» на поверхности достаточно вязкой мантии. Эта оболочкаразбита региональными тектоническими нарушениями на ряд крупных литосферныхблоков, линейные размеры которых достигают нескольких тысяч километров; эти,так называемые мегаблоки находятся в постоянном движении относительно другдруга. Каждый литосферный блок, в свою очередь, разбит на множество болеемелких структурных блоков системами региональных и локальных тектоническихнарушений, по которым также происходят тектонические подвижки. Таким образом,реальный массив горных пород представляет собой сложную иерархически блочнуюсреду, каждой структурной единице которой присущи свои деформационныехарактеристики, каждая структурная единица которой находится в постоянномдвижении относительно окружающих ее структурных единиц. Уже установлено, чтотектонические нарушения даже невысокого ранга обладают достаточнойподвижностью, которая носит как трендовый направленный характер, так ипредставлена динамическими колебаниями различной природы.
Внастоящее 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 земнойповерхности производится путем постоянного переопределения пространственныхкоординат специальных мониторинговых станций. В настоящее время существует неменее 25 специальных мониторинговых сетей, таких как сеть IGS — InternationalGPS Service, объединяющих в общей сложности более 1000 обсерваторий,расположенных на всех континентах Земли. Согласно данным инструментальныхнаблюдений ( sopac.ucsd.edu), трендовые скорости перемещения литосферныхплит и подвижек по региональным разломам примерно одинаковы, и составляют дляразных мест наблюдений от 10 до 50 мм/год. Кроме трендовой составляющейдостаточно четко прослеживаются несколько короткопериодных составляющих спериодами 300, 100, 20 и менее суток.
Поскольку,согласно традиционной точки зрения современные движения литосферных плитпроисходят в основном по их границам, а также во внутриплитных сейсмоактивныхобластях, на остальной территории Земли массив горных пород в большинствеслучаев представляется как среда статическая и незыблемая. Однако, какпоказывают исследования, даже на небольших участках массива имеют местодеформационные процессы с различными периодами и амплитудой [1]. Такиепроцессы, происходящие в земной коре, сопряжены с серьезной опасностью дляобъектов, оказавшихся в зоне влияния подвижных тектонических структур. Наиболееконтрастно это проявляется на протяженных объектах, таких как магистральныенефтепроводы и газопроводы, подземные коллекторы и т.п., которые, в силу своейгеометрии, непременно пересекают множество тектонических нарушений разныхрангов.
Однимииз первых с данной проблемой столкнулись организации, занимающиесяэксплуатацией магистральных протяженных объектов. В настоящее время потерритории Российской Федерации проложено более 200 тыс. км. магистральныхнефте- и газопроводов, которые неминуемо пересекают множество региональных и локальныхтектонических разломов. По имеющейся статистике, около 80% всех авариймагистральных продуктопроводов приурочены к определенным местам — местампересечения ими тектонически нарушенных зон. Причем отмечается достаточновысокий процент повторяемости аварийных событий на одних и тех же участках — повторяемость двукратных аварий на одном и том же локальном участке достигает75-80%, а повторяемость трех- и более кратных доходит до 95%. Ярким примеромподобного рода аварийности служит 40-километровый участок магистрального 9-иниточного газопровода в районе г. Краснотурьинск, на котором за период с 1990по 1995 г.г. произошло 45 аварий, что составило около 90% всех аварий РАО«Газпром» за этот период. С 1996 г. аварии на данном участке практическипрекратились, по-видимому, массив горных пород уже реализовал всю накопленнуюим энергию и в настоящее время происходит новый цикл ее накопления. Также, поимеющейся статистике, к локальным тектоническим разломам приурочены авариидругих протяженных инженерных объектов — коллекторов, систем канализации иводоснабжения и др.
Прирасследовании причин подобных аварийных ситуаций было установлено, чтотехнологические параметры, такие как качество металла и железобетонныхконструкций, сварных швов, изоляции и пр. не являются истинными причинамимногократных аварий. Как правило, дефекты строительства магистральныхсооружений проявляются первые полгода — год эксплуатации, далее отказыпроисходят в основном из-за старения конструкции [2]. Было установлено, что истиннымипричинами многократных порывов и разрушений магистральных сооружений являютсянекие факторы, приводящие к снижению технологических усталостных свойств сталитруб и железобетонных конструкций. По результатам внутритрубных исследованиймагистральных продуктопроводов было определено, что около 70% всех дефектовотносятся к категории «потери металла», которая включает в себятрещины, каверны, коррозию и пр. [3]. Также интересен тот факт, что натрубопроводах, изготовленных из более пластичных материалов, трещины появляютсятолько через 25 лет эксплуатации, тогда как на трубопроводах, изготовленных извысокопрочных материалов, трещины появляются через 3-4 года эксплуатации [2].Таким образом, анализируя вышесказанное, можно предположить, что причинойбольшинства аварий на магистральных трубопроводах оказываются подвижки земнойповерхности, которые реализуются по границам тектонических блоков разногоиерархического уровня.
Каквыяснилось позже, геодинамическую активность тектонических нарушений как факторформирования напряжений в заглубленных конструкциях рассматривают и другиеисследователи. Впервые интенсивные локальные аномалии вертикальных игоризонтальных движений, приуроченных к зонам разломов различного типа ипорядка, в том числе и в считающихся асейсмичными равнинно-платформенныхобластях, отмечены в работах Ю.О. Кузьмина [4]. Эти аномальные движениявысокоамплитудны (50-70 мм/год), короткопериодичны (0.1-1 год), пространственнолокализованы (0.1-1 км) и обладают пульсационной и знакопеременной направленностью.Также следует отметить работы, выполненные исследователями научно-практическогоцентра «Сургутгеоэкология» [5]. Ими было установлено, чтозаглубленные протяженные конструкции испытывают статические напряжения за счетсмещений тектонических блоков в коренных породах и динамическиеразнонаправленные напряжения, вызванные приливными колебаниями земной коры,причем, по имеющейся статистике, количество аварийных ситуаций напродуктопроводах, локализованных на отдельных участках в пределахгеодинамических структур, доходит до 80 и более процентов. Связь междусовременной геодинамикой и аварийностью нефте- и газопроводов прослеживают идругие специалисты [6, 7].
Специалистами«Сургутгеоэкологии» было установлено, что локальные геодинамическиеструктуры проявляют себя как локальные разломы в осадочном чехле. Онипроявляются на поверхности в виде линеаментов в ландшафте, в их пределахпроявляется повышенная трещиноватость и проницаемость, аномалии магнитного поляи гамма фона, повышенная концентрация радона и продуктов его распада вприземном слое атмосферы. Ширина выделенных геодинамических структур колеблетсяв пределах 100 — 500 метров, причем концентрированное проявление динамикидеформационных процессов происходит в межблоковой части. Эти данные были экспериментальноподтверждены в процессе исследования геодинамических процессов на полигонномучастке, расположенном в 17 километрах севернее города Сургут, в период с 1998по 1999 г.г. и проверены в ходе выполнения исследовательских работ на участкеВосточно-Таркосалинского месторождения.
Насургутском полигонном участке был исследован участок законсервированногонефтепровода, пересеченного локальным тектоническим разломом субмеридиональногопростирания. На данном участке, в ходе эксплуатации продуктопровода, наблюдалисьмногократные повторяющиеся аварийные ситуации. Так как на данном участкенаблюдалось хорошее сцепление трубы с породным массивом, то система трубопровод- порода рассматривалась как сплошная деформируемая среда. Для оценки измененийнапряженного состояния в разломных зонах и исследовании динамики деформационныхпроцессов был проведен комплекс исследований, в которых трубопроводиспользовался в качестве индикатора процессов, происходящих в породном массиве.
Входе выполнения исследовательских работ, в пунктах измерений было произведеношурфование трубопровода со снятием защитной изоляции. На зачищенных местах былиустановлены магнитные метки, феррозондовые датчики и тензодатчики, по которымпроизводилось непрерывное тензометрирование с целью исследования динамикидеформаций во времени. Максимальные напряжения, зафиксированные в процессеисследований на трубопроводах, были значительны и составили для данного участкав разные периоды времени от 80 до 120 МПа, что соответствует деформациям до 99мм на базе измерений около 500 метров. Такие напряжения и деформации хотя и неспособны привести к разрушению трубопровода, но они приводят к снижениюпрочностных свойств стали труб за счет возникновения усталостных эффектов,вызванных многократными воздействиями знакопеременных нагрузок.
Повторяемостьрезультатов в процессе проводимых исследований была высока, методы измерениядостаточно точными, однако они предполагают необходимость доступа к телу трубыс обязательным удалением защитной изоляции и зачисткой поверхности, чтонеприемлемо в условиях непрерывной транспортировки продуктов. В этих условияхстановится актуальным поиск высокоточных и малотрудоемких методов измерениядеформаций, происходящих в локальных разломных зонах, без использования трубы вкачестве датчика деформаций.
Весной2000 г. специалистами ИГД УрО РАН совместно со специалистами НПЦ«Сургутгеоэкология» была рассмотрена возможность использованияспутниковой системы GPS геодезического класса для непрерывного мониторингакороткопериодных смещений и деформаций разломных зон. Под непрерывныммониторингом в данном случае понимается длительное (от нескольких часов донескольких суток) инструментальное наблюдение за изменением пространственныхкоординат реперов наблюдательной станции и пространственно-геометрическимисвязями между ними во времени, с интервалом между дискретными определениями отнескольких секунд до нескольких десятков минут. В отличие от существующих насегодняшний день видов геодинамического мониторинга, когда производятсямоментные измерения величин смещений и деформаций с периодичностью от одного донескольких раз в год [8, 9], непрерывный мониторинг позволяет детально изучитькратковременные процессы, протекающие в верхней части земной коры. Период такихпроцессов составляет от нескольких тысячных герц до десятых герц, что непозволяет производить их изучение традиционными методами, хотя имеетсядостаточно обширный опыт изучения таких короткопериодных деформаций при помощинаклонометров и других приборов [10-11].
Длянепрерывного мониторинга смещений и деформаций земной поверхности целесообразноиспользование комплексов спутниковой геодезии GPS, так как они имеют рядпреимуществ перед традиционными геодезическими методами. Во-первых,геодезические наблюдения с применением GPS-оборудования можно производить влюбое время суток, при любой погоде и при отсутствии прямой оптическойвидимости между реперами. Во-вторых, мониторинг смещений и деформаций можнопроизводить без непосредственного присутствия оператора, так как в данномслучае используются полностью цифровые технологии, и приборы работают вавтоматическом режиме. В-третьих, в результате мониторинга в заранее заданныймомент времени одновременно определяются все три координаты точки стоянияприбора; в случае, когда мониторинг ведется тремя или более GPS-приемниками,образуются жесткие пространственные геометрические связи с другими реперамимониторинговой GPS-сети, на которых производятся измерения.
Напервом этапе научно-исследовательской работы намечались создание и апробацияметодики измерений короткопериодных смещений и деформаций с использованием GPSаппаратуры геодезического класса, а также методики обработки и интерпретациирезультатов измерений. Данная методика должна обеспечивать долговременноенепрерывное измерение смещений и деформаций массива с заданным уровнемдискретности измерений и высокой точностью. При разработке методики измерениякороткопериодных деформаций массива была предпринята попытка использованиясуществующих наработок по проблеме непрерывного мониторинга состояния массивови инженерных сооружений с использованием систем спутниковой геодезии. К этомувремени уже были известны работы по мониторингу деформаций как природныхобъектов, таких как оползни (система GOCA) [12], так и крупных инженерныхсооружений, таких как протяженные мосты и другие линейные сооружения [13, 14],при мониторинге которых также были выявлены короткопериодные движения земнойповерхности с периодом в сутки и короче, особенно четко проявляющиеся вблизиразломных зон. Эти программно-аппаратные комплексы измеряют смещения идеформации исследуемых объектов и конструкций в системе реального времени (RTK- Real Time Kinematics) и в основном служат для раннего оповещения персонала окритических деформациях, возникающих в них. Конструктивно наблюдательныестанции представляют собой сеть стационарно установленных RTK GPS-приемников cпостоянными каналами кабельной и радиосвязи, постоянно передающих данныеизмерений на центральный компьютер, который в автоматическом режиме ведетрасчет сдвижений и деформаций. Точность определения величин смещений подобногорода системами составляет 2-10 мм в зависимости от используемого оборудования.
Однакоот подобного опыта измерений пришлось отказаться по нескольким причинам.Рассмотренные наблюдательные станции подобной конструкции стационарны на весьпериод эксплуатации сооружения или существования природного объекта, лишенымобильности, требуют наличия развитой инфраструктуры, систем кабельной ирадиосвязи, центрального диспетчерского пункта, что сильно удорожает стоимостьпроведения мониторинговых работ. В нашем случае для оценки динамикинапряженно-деформированного состояния массива нет необходимости полученияданных в режиме реального времени, все расчеты и интерпретацию результатовизмерений можно производить в постобработке, однако имеется необходимость вмобильности и относительной низкой стоимости выполняемых работ.
Вразработанной методике непрерывного мониторинга короткопериодных деформациймассива использовался мобильный комплект GPS-аппаратуры геодезического классафирмы Trimble Navigation. Характеристика системы GPS и применяемогооборудования кратко дана в работах [9, 15]. Точность автономного определенияпространственных координат при использовании одночастотного GPS-приемникасоставляет в настоящее время около 2-3 метров, что неприемлемо длягеодезической практики вообще, а для определения смещений в геомеханическихзадачах в особенности. Как было отмечено выше, в решаемой задаче точностьизмерения смещений двух точек друг относительно друга должна быть в пределах2-3 мм. Требуемую точность определения координат обеспечивает технологиядифференциальной GPS, когда одновременно работает 2 или более приемника,установленных на разных точках, ограничивающих измеряемый отрезок. В этомслучае один приемник считается базовым (неподвижным), а остальные — определяемыми (движущимися). Одновременная работа минимум двух приемниковпозволяет определить величину ионосферной и тропосферной поправки,компенсирующей искажение спутниковых радиосигналов при прохождении их черезионосферу и тропосферу Земли. Главным условием работы в режиме дифференциальнойGPS является обеспечение одновременного приема сигналов от одних и тех жеспутников обоими приемниками. В проводимых исследованиях принимало участие 4 иболее приемников Trimble, ведущих одновременную работу на исследуемыхинтервалах. При последующей попарной обработке это обеспечивает измерениесмещений и деформаций одновременно по 6 и более отрезкам на местности.Накопление данных от спутников производилось в один непрерывный файл данных,который при выполнении последующей камеральной обработке соответствующимобразом «нарезался». То есть, результаты, выдаваемые на печать черездискретные интервалы, представляли собой усредненные значения смещений за этотпромежуток времени. Обеспечение высокой точности определения смещенийGPS-технологиями достигалось за счет тщательного планирования спутниковыхнаблюдений. Выполнение этих требований обеспечивает определение взаимногоположения двух приемников с точностью не ниже 2-3 мм. Эта точностьподтверждалась на специальных базисах, оборудованных стационарными пунктами сизвестными координатами.
Камеральнаяобработка полевых измерений проводится с использованием пакетов фирменногопрограммного обеспечения GPSurvey и TGOffice, поставляемых с GPS приемникамифирмы Trimble Navigation, программного комплекса Gamit, использующего приобработке измерений глобальных GPS-сетей, а также дополнительного пакетаавторских программ, значительно расширяющих возможности самого комплекса. Напервом предварительном этапе камеральных работ производилось преобразованиефайлов данных с непрерывными измерениями в файлы данных с дискретнымиизмерениями. То есть непрерывный массив данных принудительно разделялся наточки измерений и каждой точке присваивался собственный уникальныйидентификатор. Данное преобразование осуществлялось на основании существующегонормативного документа [16]. По результатам обработки полученных данныхвычисляются вектора между точками и их компоненты (длина вектора, превышение, компонентыСевер-Юг и Запад-Восток). Также на этом этапе, по результатам внутреннегоконтроля, производится отбраковка некачественных измерений. По изменениямвеличин компонент векторов определяются величины смещений и деформацийсоответствующих интервалов в горизонтальной и вертикальной плоскостях, ихамплитуды и строятся графики изменения этих величин. В дальнейшем по эти даннымпроизводится анализ напряженно-деформированного состояния экспериментальногоучастка. Более подробно методика измерений короткопериодных смещений идеформаций с использование GPS аппаратуры геодезического класса, а такжеметодики обработки и интерпретации результатов измерений приведены в работе[17].
Разработаннаяметодика была впервые опробована летом 2000 г. на сургутском полигонномучастке, где ранее специалистами «Сургутгеоэкологии» производилисьопределения короткопериодных деформаций массива контактными способами. Основнойцелью экспериментальных работ было опробование разработанной методики в полевыхусловиях, определение величин короткопериодных деформаций разломных зон наэталонном участке и сопоставление их с измеренными ранее величинами деформаций.
Какотмечалось выше, экспериментальный объект находится в 17 километрах от городаСургута на пересечении магистрального нефтепровода с локальным тектоническимнарушением, имеющем субмеридиональное простирание. Динамика смещений идеформаций исследовалась методами спутниковой геодезии по специальноразработанной методике. Непосредственно измерялись взаимные вертикальные игоризонтальные смещения точек специальной наблюдательной станции, оборудованнойна исследуемом участке. Наблюдательная станция представляла собой системуточек, закрепленных на местности с помощью забивных металлических реперов,применение которых обеспечивает возможность повторения эксперимента. Всего наобъекте было оборудовано 15 точек наблюдения. Дополнительно контрольные сериинаблюдений производились в нетронутом массиве горных пород за пределами зонывлияния тектонического нарушения. Таким образом, наблюдаемая система точек,закрепленных на местности реперами, охватывала зону разлома, которая попредположениям и данным предшествующих экспериментов, должна обладатьнаибольшей активностью. Всего на объекте в течение 7 суток было проведено 6рабочих серий непрерывных измерений величин короткопериодных деформацийразломной зоны и 2 контрольные серии наблюдений в нетронутом массиве.Продолжительность непрерывных серий измерений составляла на разных реперахнаблюдательной станции от 16 до 30 часов. При камеральной обработке результатовизмерений оценивалась точность определения длин линий и превышений междуреперами как по показателям качества получения векторов в геоцентрическойсистеме координат, так и путем расчета невязок замыкания замкнутых контуров.При этом было установлено, что ошибки замыкания не превышают величин 1 мм вгоризонтальной плоскости и 2 мм в вертикальной плоскости.
Врезультате выполненной экспериментальной работы, во-первых, была полученадостаточно хорошая корреляция результатов измерений с данными предшествующихисследования, а во-вторых, была доказана эффективность применения комплексовспутниковой геодезии в качестве средства бесконтактного исследования и контролявоздействия динамически напряженных зон на трубопроводы путем непрерывных наблюденийза смещениями и деформациями земной поверхности.
Полученныеэкспериментальные данные о наличии динамических форм движения в зонахтектонических нарушений и вызванных ими знакопеременных деформаций и сдвиженийвлекут за собой серьезные фундаментальные и прикладные последствия. Вфундаментальной области они связаны с усугублением представлений о естественномнапряженно-деформированном состоянии массива горных пород. К установленнымсегодня гравитационным и тектоническим компонентам добавляется динамическаясоставляющая. В прикладной области они связаны с воздействием динамическихдеформаций на искусственные объекты, попадающие на активные тектоническиенарушения, которые окажутся под их воздействием, испытывая влияние усталостныхэффектов от цикличного нагружения.
Список литературы
1.Сашурин А.Д., Ручкин В.И., Панжин А.А., Дубовик В.В. Мониторингнапряженно-деформированного состояния верхней части земной коры на шахтеСарановская-Рудная //Проблемы геотехнологии и недроведения (Мельниковскиечтения): Доклады Международной конференции 6-10 июля 1998 г. -Екатеринбург, УрОРАН, 1998. -C.192-198.
2.О. Стеклов Аварийное предупреждение //Металлы Евразии. -2000. -N5.
3.В. Канайкин Диагноз изнутри //Металлы Евразии. -2000. -N5.
4.Кузьмин Ю.О. Современные суперинтенсивные деформации земной поверхности в зонахплатформенных разломов. //Геологическое изучение и использование недр:Информационный сборник. ¦4. М., 1996. -С.43-53
5.Кострюкова Н.К., Кострюков О.М. Динамика приливных деформационных процессов влокальных разломах земной коры — в связи с безаварийной эксплуатациейпродуктопроводов //Геомеханика в горном деле — 2000: Доклады международнойконференции. -Екатеринбург, ИГД УрО РАН, 2000. -С.295-305.
6.Яковлев Д.В. и др. Система обеспечения геодинамической и экологическойбезопасности при проектировании и эксплуатации объектов ТЭК //Геодинамическая иэкологическая безопасность при освоении месторождений газа, его транспортировкеи хранении: Материалы III Международного рабочего совещания. -С.-Петербург, ВНИМИ,2001. -С.139-147.
7.Якимов А.А. и др. Экологические аспекты выявления геодинамических зон риска натерритории республики Коми. //Геодинамическая и экологическая безопасность приосвоении месторождений газа, его транспортировке и хранении: Материалы IIIМеждународного рабочего совещания. -С.-Петербург, ВНИМИ, 2001. -С.66-70.
8.Панжин А.А. GPS-технологии в геодезическом мониторинге НДС техногенногоучастка. //Геомеханика в горном деле /ИГД УрО РАН. Сборник научных трудов.-Екатеринбург, 1999. -С.68-85.
9.Панжин А.А. Наблюдение за сдвижением земной поверхности на горных предприятияхс использованием GPS. //Известия Уральской государственной горно-геологическойакадемии. Вып.11. Серия: Горное Дело. -Екатеринбург. 2000 -С.196-203.
10.Fengxiang Jin, Mayoud Michel. Situation Analysis and Stability Evaluation ofLarge Electron Positron Collider in CERN. Proceedings of the 10th FIG Symposiumon Deformation Measurement and Analysis, 19-22. March 2001, Orange, California,USA. -P.346-353.
11.Robert S. Radovanovic, William F. Teskey. Dynamic Monitoring of DeformingStructures: GPS Versus Robotic Tacheometry Systems. Proceedings of the 10th FIGSymposium on Deformation Measurement and Analysis, 19-22. March 2001, Orange,California, USA. -P.61-70.
12.Kalber S., Jager R. Realization of a GPS-based Online Control and Alarm System(GOCA) and Preview on Appropriate System Analysis Models for an OnlineMonitoring. Proceedings of the 9th FIG Symposium on Deformation Measurement andAnalysis, 20. Sept. 1999, Olsztyn, Poland. -P.98-117.
13.Brown C.J., Karuna R., Ashkenazi V., Roberts G.W. Monitoring of StructuresUsing the Global Position System. Proc. Instn. Civ. Engrs. Struct. & Bldgs,1999. -P.97-105.
14.Matteo Luccio. Monitoring Large-Structure Deformation. GPS World. August, 1,2002.
15.Панжин А.А., Голубко Б.П. Применение спутниковых систем в горном деле.//Известия Уральской государственной горно-геологической академии. Вып.11. Серия: Горное Дело. -Екатеринбург. 2000 -С.183-195.
16. Werner Gurtner RINEX: The Receiver Independent Exchange FormatVersion 2.10: Astronomical Institute of Berne. February 7, 2000.
17.Панжин А.А. Непрерывный мониторинг смещений и деформаций земной поверхности сприменением комплексов спутниковой геодезии GPS //Геомеханика в горном деле — 2000:Материалы Международной конференции. — Екатеринбург: ИГД УрО РАН. -2000.-С.320-324.
Дляподготовки данной работы были использованы материалы с сайта geomech.da.ru