Главная стр 1
скачать
Спектрограмма синтезирована с учетом приведенного выше описания трехслойной среды, и имеет две оси абсцисс: слева направо - ось частот f, а справа налево - ось мощностей h, соотносящихся между собой в соответствии с величиной скорости Vсдв. Ось ординат проградуирована в значениях Q (см. параграф VI.8). Каждая из структур характеризуется своим значением Q. Наибольшее значение имеет Q, соответствующая структуре h12, что является следствием наличия смазки между слоями h2 и h3. Кроме того, видно, что экстремум, соответствующий структуре h1, несколько больше, чем h123. Так может быть потому, например, что по нижней границе прижим, определяемый собственным весом, больше, чем по границе верхней.
     На практике, в природе, таких резких, отчетливых, плоскопараллельных границ не бывает. Наличие в земной толще разного рода включений, выклинивания, нарушения разрывного типа - все это приводит к тому, что для повышения информативности спектрально - акустических измерений необходимо выполнять не одно измерение, а вести как бы профиль, повторяя измерения через определенный шаг. При этом совокупность спектрограмм образует рисунок, содержащий информацию об исследуемом массиве.
     Такое исследование называется спектрально - сейсморазведочным профилированием (ССП). Рисунок же, который получается при этом, называется ССП-разрезом.
     Для примера, рассмотрим результат профилирования, осуществленного под Выборгом, в городе Советск. Полученный при этом ССП-разрез изображен на рис.VII.3.


Рис. VII.3

     Измерения производились в Выборгском р-не Ленинградской обл., где мощность осадочного чехла не превышает 50м, а в ряде случаев, кристаллический фундамент (гранит) выходит на поверхность. Максимальная глубинность обследования была ограничена 100метрами. Профилирование осуществлялось с шагом (расстоянием между точками измерения) 1м.


     На рис. VII.3,а ССП-разрез дан в неискаженном виде, когда вертикальный и горизонтальный масштабы одинаковы. Как правило, для того, чтобы рассмотреть детали разреза, приходится разрез искажать, как это сделано на рис VII.3,б, где отношение масштабов 1:3.      На участке профиля 0 - 7м глубина залегания гранита составляет примерно 25м, а на участке 19 - 28 м - примерно 30 - 35м. Участок профиля 8 - 18м очень интересен, так как представляет собой классическое тектоническое разрывное нарушение.
     Левое, поднятое крыло нарушения на участке 9 - 12м ограничено субвертикальной поверхностью сместителя, а участок 13 - 18м, отделяющий сместитель от правого крыла, не содержит четко выраженных поверхностей, поскольку представляет собой зону дробления.
     Здесь очень важно отметить, что выявление отдельных геологических объектов на ССП-разрезах осуществляется путем наблюдения рисунка, образованного совокупностью множества отдельных спектральных изображений сейсмосигналов, и наличие или отсутствия границы на отдельно взятом единичном изображении практически не несет информации.
     Отметим, что в таком явном и наглядном виде тектонические нарушения, не выходящие на поверхность, нельзя увидеть никаким другим геофизическим методом. Как показало применение метода ССП, зоны тектонических нарушений имеют большое количество самых неожиданных свойств.

Основной информацией при спектрально-сейсморазведочных работах является спектр сейсмосигнала [1].


     Спектральная сейсморазведка использует тот факт, что по акустическим свойствам земная толща представляет собой не совокупность отражающих границ, а совокупность колебательных систем. Именно этот подход и является кардинальным отличием спектральной сейсморазведки от традиционной.
     В соответствии с известным методологическим принципом, исследовательский метод, основанный на новом, ранее неизвестном физическом эффекте, обязательно является источником принципиально новой информации. Так, с помощью метода ССП оказалось возможным картирование зон тектонических нарушений и изучение их свойств.
     Индикатором наличия зоны тектонического нарушения является воронкообразный (V-образный) объект на ССП-разрезе. В зависимости от характера тектонического нарушения, это может быть не воронка, а только одна ее образующая.
     В результате использования ССП оказалось, что тектонические нарушения оказывают огромное влияние на многие стороны нашего бытия, причем это влияние не зависит от мощности осадочного чехла. Так, породный столб, находящийся непосредственно над тектоническим нарушением, характеризуется крайне высокой нарушенностью. Нарушенность эта такого уровня, что если при бурении попадаем в эту зону, керн взять практически невозможно. Более того, с ростом глубины материал не уплотняется, как это обычно бывает, и даже более того, буровой инструмент может просто проваливаться.
     Будучи в нарушенном, повышенно трещиноватом состоянии, этот породный столб имеет, естественно, повышенную податливость. То есть, инженерные сооружения, опирающиеся в этих зонах на грунт, будут проваливаться. Ну, а длинномерные объекты (железнодорожные насыпи, трубопроводы), пересекающие зоны тектонических нарушений, будут в этих зонах прогибаться и провисать.
     На рис.1а показан ССП-разрез, полученный при профилировании вдоль железнодорожной насыпи, по линии, по которой предполагалась прокладка трубопровода ("продуктопровода"). На этом разрезе на протяженности 400м прорисовалось три V-образных объекта. То есть пересечение трех зон тектонических нарушений. На самом деле, по факту, участок насыпи, показанный на рис.1, имеет три участка, где постоянно приходится подсыпать гравий - 140-170м, 210-280м и 400-430м. Такие участки, где зоны тектонических нарушений следуют одна за другой, встречаются крайне редко. Так же редко встречаются участки насыпи, где на протяжении 400м есть целых три участка, требующих регулярного ремонта. Собственно, именно поэтому и было получено поручение сделать там профилирование методом ССП.

ССП-разрез при профилировании вдоль железнодорожной насыпи

    Показав заказчику связь между проблемой частых ремонтных работ и наличием зон тектонических нарушений, применительно к будущему трубопроводу был дан прогноз того, что и трубы в этих зонах будут также требовать периодического ремонта.
     Летом 2000-го года было сделано профилирование вдоль 12-километрового участка под Уфой трассы газопровода Уренгой-Новопсков, когда службам эксплуатации стало очевидно, что аварии там повторяются в одних и тех же местах. Исследования методом ССП показали, что действительно, все происшедшие на этом участке аварии, пришлись на зоны тектонических нарушений. На рис.2 приведен ССП-разрез, пройденный рядом с местом аварии на трубопроводе, вблизи с пикетом "1832км". Две почти параллелльные образующие V-образных объектов являются индикацией зоны тектонического нарушения.

Рис.1


Рис.2

     На рис.3 приведен ССП-разрез, пройденный вблизи с пикетом "1853км", также рядом с местом аварии на трубопроводе. Здесь авария произошла в расположении самого V-образного объекта.




Рис.3

     Этот признак аварийной (или предаварийной) ситуации подтвердился также и на других трубопроводах - канализационных, водопроводных и т.д.


     Несмотря на неукоснительное выполнение этого признака, очень мешало непонимание, почему в этих зонах трубопроводы не просто провисают в связи с пониженной несущей способностью грунта, а непременно рвутся. Ведь стальные трубы вполне могли бы провисать, прогибаться, и при этом не терять герметичность. Ответ пришел из Екатеринбурга. Как обнаружил профессор Сашурин А.Д. [2], в зонах тектонических нарушений имеют место пульсации горных пород. Эти пульсации имеют планетарное происхождение и амплитуда их достигает 10см. Наличие пульсации грунта приводит к тому, что длинномерный объект, который пересекает зону тектонического нарушения, опирается одновременно как на неподвижный, так и на пульсирующий грунт. В результате, он находится под постоянным знакопеременным насилием, что обязательно приведет к развитию сначала микро, а затем и макротрещин.
     Этот процесс наглядно проявляется в рельсовых путях. Там трещины образуются вокруг отверстий, через которые проходят костыли, прикрепляющие рельсы к шпалам. И происходит это в одних и тех же местах - в зонах тектонических нарушений.
     Трубопроводы покрывают тысячи километров, и избежать пересечения ими зон тектонических нарушений невозможно. Но знание механизма влияния этих зон на состояние трубопроводов безусловно поможет найти средство нейтрализовать его. И особенно, при переходе под реками. Ведь русла рек - это обязательно зоны тектонических нарушений, и именно это определяет такую высокую аварийность дюкеров.
     И еще один объект, аварийность которого определяется влиянием зон тектонических нарушений. Речь о насосных станциях. Однако механизм аварийности здесь совершенно иной, чем в случае трубопроводов.
     Разрушение насосных станций - не редкость. Причем происходит оно в результате внезапного ухода в грунт отдельных участков этих сооружений. Обычно в качестве причин такого события называют некачественную забивку свай. На самом деле, причина не в этом.
     Особенностью насосных станций является наличие в них постоянно вибрирующих механизмов. Это делает возможным формирование техногенных землетрясений, которые называют еще горными ударами. Физика горных ударов очень проста. Всем известна история о том, как разрушился мост в результате прохода по нему солдат. Солдаты шли в ногу, и частота ударов их сапог по мосту совпала с одной из собственных частот моста. То есть возник резонанс. При резонансе происходит увеличение амплитуды колебаний, и при достаточно высокой добротности колебательной системы амплитуда может достичь значения, при котором наступает разрушение колебательной системы. В случае с мостом - это разрушение моста.
     Колебательные системы, залегающие в земной толще, также могут иметь повышенную добротность. Это имеет место в зонах тектонических нарушений. И если в этой зоне окажется насосная станция, частота вибрации механизмов которой близка к собственной частоте оказавшейся там природной высокодобротной колебательной системы, то возможно возникновение резонансных явлений и, следовательно, формирование горного удара. Горный удар проявляется резким, удароподобным уходом в грунт всей насосной станции или только части ее. При этом происходит резкий отрыв трубопроводов, и, как правило, все происходит взрывоподобно.


Рис. 4

     На рис.4а приведен ССП-разрез, полученный при профилировании вблизи объекта, находящегося под воздействием горных ударов. Этот объект - насосная станция очистных сооружений в пос. Ольгино, СПб. Как видно, насосная станция находится в зоне тектонического нарушения. Здесь следует обратить внимание на то, что вблизи 170-го метра профиля сейсмосигнал содержит очень высокодобротную спектральную составляющую, что показано на рис. 4б. Частота этой составляющей - 13 Гц. Вблизи этой же частоты оказалась и частота вибрации механизмов насосной станции. В результате, периодически возникают резонансные явления, амплитуда колебаний возрастает настолько, что грунт разрушается, и насосная станция толчком проваливается в него.


     Кстати, если вернуться к рис.1b и с, то видим, что подобное явление возможно вблизи 150-го и 420-го метров этого профиля. Оно и происходит иногда, потому что воздействие на насыпь со стороны двигающегося поезда также носит периодический, динамический характер, и при определенной скорости состава также возникнут резонансные воздействия. При этом происходят очень специфические крушения поездов, когда насыпь мгновенно разрушается, когда над зоной разрушения уже проходит какая-то часть поезда. То есть с рельс сходит только вторая часть поезда.
     Рассмотренные здесь аварии на трубопроводах и аварии насосных станций происходят в зонах тектонических нарушений, но обусловлены они совершенно различными процессами. Что касается трубопроводов, то устранить пересечение ими зон тектонических нарушений невозможно, и здесь проблему нужно решать путем создания технологии укладки труб, которая могла бы противостоять воздействию со стороны этих зон. Насосные же станции должны строиться вне зон тектонических нарушений, и тогда аварии, вызванные геологическими факторами, удастся исключить. Однако если станция уже построена, то проведение измерений непосредственно на ее территории помогло бы поймать момент зарождения горного удара, поскольку увеличение амплитуды, предшествующее горному удару, происходит достаточно плавно.

VII.6. О горных ударах и землетрясении


     Разновидностей проявлений горных ударов довольно много. Иногда их можно ощущать как удары по пяткам. При увеличении их силы возможно подбрасывание отдельных объектов. Во время наблюдений в штреке шахты "Распадская" горные удары воспринимались как периодические легкие удары, но вдруг амплитуда резко увеличилась, очередным ударом был подброшен угольный добычной комбайн, который при падении придавил шахтера. На шахте "Первомайская" Луганской области горные удары были в виде сильного грохота, но без каких-то механических проявлений. Так же выглядят горные удары в главном стакане аэрации в Ольгино. На Североуральском бокситовом руднике (СУБР) горные удары разрушают выработки и обходятся многими жизнями.
      Но как бы ни проявлялись эти техногенные микроземлетрясения, они всегда происходят в зонах тектонических нарушений. В таких зонах грунт имеет пониженную несущую способность, вследствие чего инженерные сооружения в этих местах имеют бóльшую скорость осадки, что и вызывает их разрушение. Условием перехода от ускоренной осадки к горному удару является наличие динамических составляющих в воздействии на грунт со стороны сооружения, а также большое значение добротности низкочастотной гармонической составляющей в зоне тектонического нарушения. Перечислим некоторые установленные факты:
     а). Горные удары происходят только во время работы добычной, проходческой или другой вибрирующей техники, либо при проведении промышленных взрывов.
     б). Осадка тоннелей Петербургского метрополитена в районе пл. Мужества в предаварийный период из плавной перешла в толчкообразную, то есть, в виде горных ударов, и завершилась разгерметизацией тоннелей. Произошло это непосредственно в зоне тектонического нарушения, на протяжении не более чем 40м.
     в). В настоящее время с горными ударами можно познакомиться в Ольгино, под Петербургом, на Северных очистных сооружениях. Основные механизмы этой станции оказались установленными непосредственно в зоне тектонического нарушения.
     В поисках физики перехода от плавного погружения инженерных сооружений в слабый грунт к толчкам было замечено то, что в зонах тектонических нарушений встречаются участки, на которых возможны резонансные явления.
     На рис. VII.8а приведен ССП-разрез, полученный в результате исследования территории Ольгинских очистных сооружений в зоне горных ударов. Большое значение Q, то есть большая добротность колебательных процессов, из которых состоят сигналы, свидетельствуют о возможности резонансных явлений. Так, вид сейсмосигнала, скажем, в точке 660м профиля (рис. VII.8б) вполне соответствует ситуации, подобной тому классическому примеру, когда следствием строевого шага воинского подразделения было разрушение моста.


Рис. VII.8

     Частота высокодобротной гармонической составляющей равна 16Гц (160м). Наличие высокодобротной колебательной системы со столь низкой собственной частотой безусловно может создать предпосылки для разного рода резонансных явлений при работе насосов и другой вибрационной техники.


     Резонанс - это совпадение частоты внешнего воздействия с собственной частотой объекта. Резонансное явление заключается в увеличении амплитуды колебаний при неизменной амплитуде колебаний внешнего воздействия. При этом, поскольку горные породы являются ломкими, разрушающимися при самых минимальных нагружениях, то резонансное увеличение амплитуды колебаний приводит к макроразрушению, которое проявляется в виде резкого, удароподобного проваливания или просто удара со стороны грунта.
     Таким образом, прогноз горных ударов состоит в том, чтобы выявить тектонические нарушения, а также участки в пределах зон этих нарушений, где существуют высокодобротные колебательные системы. Зная эти участки, можно предусмотреть такие меры, которые исключат условие формирования горных ударов. Ну, например, уменьшить или даже исключить динамическое воздействие в таких зонах, или изменить частоту внешнего воздействия, чтобы избежать резонансных явлений.
     Одной из разновидностей динамического воздействия на грунт является воздействие со стороны проходящего по рельсам поезда. Установив сейсмоприемник вблизи железнодорожных путей обнаружим, что при прохождении поезда возникает периодический процесс, частота которого определяется скоростью поезда, а также расстояниями между колесными осями. Понятно, что если эта частота совпадет с собственной частотой высокодобротной колебательной системы, оказавшейся в земной толще в данном месте, то возникнет резонансное явление. Оно проявится таким образом, что по мере прохождения поезда через эту зону амплитуда колебаний будет возрастать от вагона к вагону, и если превысит некую критическую величину, то возможно разрушение пути и, соответственно, крушение поезда. Причем, крушение очень характерное, когда первая часть поезда проходит, и только вторая его часть сходит с рельс.
     Такие аварии действительно происходят. Было обследовано два таких случая - под г. Гагариным Московской области, и в Литве, под Клайпедой. В обоих случаях участок разрушения пути находился в зоне тектонического нарушения при очень больших значениях добротности низкочастотных составляющих сейсмосигнала.
     Разгадав механизм горных ударов, имеем два следствия. Во-первых, исследуя методом ССП зоны возможного воздействия вибрационной техники, можно выявить удароопасные зоны. А во-вторых, имеем основание предложить гипотезу природных землетрясений.
     На конференции "Четвертые геофизические чтения имени В.В. Федынского", проходившей в Москве 28 февраля - 02 марта 2002г в докладе "Оценка напряженного состояния земной коры в районе острова Сахалин и близлежащих территорий" Попов Е.А. и Солодилов Л.Н. сообщили о том, что ими зарегистрировано с помощью гравиметорв внешнее периодическое воздействие с периодом порядка минут.
     Кроме того, в докладах посвященных изучению землетрясений, сделанных на традиционном летнем семинаре 1-5 июля 2002г "Геомеханика и геофизика", организованном Институтом геофизики СО РАН, указывалось на наличие затухающих высокодобротных периодических колебаний с периодом порядка минут.

VIII.3.2. Выявление и картирование тектонических нарушений при работе на дневной поверхности
скачать


Смотрите также:
Что является следствием наличия смазки между слоями h
113.33kb.
Тема 4: Работа со слоями Окно работы с слоями: можно вывести на экран командами Окно→ Слои
29.43kb.
Тема №5 Система смазки двигателя
47.04kb.
Роман И. С. Тургенева "Отцы и дети"
19.05kb.
Россия в 1907-1914 гг. «Третьеиюньская монархия»
63.95kb.
Толерантность – путь к успешной социализации личности
51.99kb.
Системы смазки и охлаждения Ваз 2111
71.67kb.
Реквием по гаи. Заметки о прогрессе, коррупции и этике
172.81kb.
Тематика курсовых работ (Особенная часть)
83.84kb.
Тематика домашних работ (Особенная часть)
21.05kb.
Закону «О безопасности дорожного движения»
76.44kb.
Программа аудита импортных операций
63.64kb.