Геодинамический мониторинг объектов недропользования Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 551. 24 Ю.О. Кузьмин

Ассоциация «Нефтегазэксперт», ИФЗ РАН, Москва

ГЕОДИНАМИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ ОБЪЕКТОВ НЕДРОПОЛЬЗОВАНИЯ

В последние годы произошел коренной пересмотр традиционных представлений на роль геодинамического (сейсмодеформационного) фактора при оценке эколого-промышленной опасности объектов недропользования.

Учитывая дискуссионность в определении геодинамических терминов, ниже приводится формулировка основных определений геодинамики, ее объектов и методов, которые нашли свое отражение в «Российской Газовой Энциклопедии», вышедшей в свет в конце 2004 года [Кузьмин, 1999, 2004].

Геодинамика - научная дисциплина, изучающая движения, происходящие в земной коре, мантии и ядре и причины этих движений.

Очень часто к категории геодинамических явлений относят и сейсмичность. Действительно, сейсмичность это «быстрая» составляющая геодинамического процесса. Движения (деформации), включая современные, относятся к «медленной» части спектра геодинамических явлений.

Однако в последние годы, среди специалистов в области геодинамики, утвердилась тенденция медленные движения именовать геодинамикой (или деформационными процессами), а все связанное с землетрясениями, определять, как сейсмические процессы и относить их к сейсмологии. Кроме того, при исследованиях в рамках геодинамического мониторинга особо ответственных и экологически опасных объектов зачастую употребляется термин «геодеформационные» процессы, которые отличают от собственно деформационных процессов материалов конструкций изучаемых объектов.

При этом крайне важно помнить, что деформация - это изменение формы и размеров тела, изменение взаимного расположения отдельных частей тела относительно друг друга, т. е. результат различных движений отдельных частей тела. Деформации, таким образом, есть результат определенного движения, и непосредственной причиной деформаций является движение, а не силы (или напряжения, как силы, нормированные на площадь их приложения). Напряжения и деформации есть отражение различных форм (силовой и кинематический) единого процесса - движения.

Именно поэтому в геодинамике (особенно современной) движения являются и объектом наблюдения, и объектом интерпретации одновременно.

Таким образом, основной задачей геодинамики является описание движений и установление их генезиса во всех геосферах Земли.

Существуют три типа механизмов, формирующих геодинамические процессы: эволюционный, протекающий с постоянной скоростью и

направленностью; пульсационный, с переменной скоростью и постоянной направленность; знакопеременный, с переменной скоростью и направленностью. Это процессы выделения ядра из мантии, тепловая и химико-плотностная конвекция в мантии, мантийный диапиризм, астеносферные

течения в литосфере, изостазия и т. д. Длительность протекания этих процессов составляет интервал от 109 до

10 лет. Установлена четкая закономерность - уменьшение пространственновременного масштаба процессов ведет к уменьшению глубины, размеров и длительности воздействия источника аномальных геодвижений [Сидоров, Кузьмин, 1989; Кузьмин, 1999].

Современная геодинамика - часть общей геодинамики, изучающая движения земных недр и причины их вызывающие, когда время действия последних соизмеримо с длительностью процесса наблюдений. Объектами изучения в современной геодинамике являются наиболее мобильные и активные структуры литосферы. Это в первую очередь зоны современных активных разломов и связанные с ними области сейсмической и вулканической активизации.

При этом под разломом понимается некий объем земной коры, имеющий аномальное строение и повышенную трещиноватость, возникший в результате линейной деструкции среды и представляющий собой область, вмещающую породы с аномальными физико-механическими, геолого-геофизическими, флюидо-геохимическими и др. характеристиками.

В отличие от геодинамики, изучающей только природные процессы, в современной геодинамике исследуются процессы, как природного, так и техногенного происхождения, связанные с разработкой месторождений полезных ископаемых, наземным и подземным строительством и т. д. Длительность современных геодинамических процессов заключена в интервале от первых часов до первых сотен лет. В этой связи наибольшее влияние, из всей совокупности геодинамических факторов, на объекты нефтегазового комплекса оказывает современная аномальная геодинамика недр.

Под современной аномальной геодинамикой недр понимаются современные (протекающие в настоящее время), высоко интенсивные деформационные и сейсмические процессы, которые происходят под воздействием природных и техногенных факторов, и реализуются, в наиболее экстремальной форме, в зонах разломов.

Оказалось, что даже в платформенно-равнинных (не сейсмоактивных) регионах имеют место опасные разломы, в которых развиваются деформации способные приводить к аварийным ситуациям с тяжелыми экологическими и социально-экономическими последствиями.

Во второй половине 20 века были получены новые данные о современной аномальной геодинамике разломов благодаря исследованиям на геодинамических полигонах различного целевого назначения. Принципиально важно, что основные параметры измерительных систем (густота пунктов, частота опроса и точность наблюдений) на полигонах, расположенных в платформенных, асейсмичных районах, были идентичны системам наблюдений, расположенным в сейсмоактивных областях [Сидоров, Кузьмин, 1989; Кузьмин, 1989, 1999].

В результате сопоставительного анализа большого массива данных были выявлены интенсивные локальные аномалии современных движений земной поверхности, приуроченные к зонам разломов различного типа и порядка.

Эти аномальные движения высокоамплитудны (50 + 70 мм/год),

короткопериодичны (0,1 + 1 года), пространственно локализованы (0,1 + 1км), обладают пульсационной и знакопеременной направленностью. Среднегодовые скорости относительных деформаций у них чрезвычайно высоки (2 + 7-10' 5/год) и поэтому их определяют как суперинтенсивные деформации (СД) земной поверхности в зонах разломов [Кузьмин, 1996].

Многочисленные факты свидетельствуют, что современная геодинамика разломов носит короткопериодический, знакопеременный и/или пульсирующий характер и не сводится к сдвиговым перемещениям блоков.

В этой связи следует ввести понятие «современный активный разлом». Под современным активным разломом понимается разломная зона, в которой происходят современные короткопериодические (месяцы и годы), пульсационные и/или знакопеременные деформации (СД-процессы) со скоростями относительных деформаций более 10-5 в год [Кузьмин, 1999, 2002, 2004].

Известны многочисленные случаи возникновения аварийных ситуаций, обусловленные СД процессами. Например, аварии на нефтяных скважинах и трубопроводных системах, аномальные деформации тоннелей Московского метро и других строительных объектов [Кузьмин, 1999; Сидоров, Кузьмин, Хитров, 2000].

Все это привело к необходимости изменения существующей нормативной базы. Так, например, согласно Своду Правил СП 11-104-97 «Инженерногеодезические изыскания для строительства» необходимо осуществлять геодинамический мониторинг и выявление разрывных тектонических смещений в районах развития опасных природных и техно-природных процессов в период строительства и эксплуатации предприятий, зданий и сооружений (пп. 9.1, 10.1, 10.64, 10.67).

В «Критериях оценки экологической обстановки территорий для выявления зон чрезвычайной экологической ситуации и зон экологического бедствия», Роскомэкология, 1992 обозначен раздел «изменения геологической среды» в котором предписано территории на которых уровень относительных деформаций равный 10-5 может быть достигнут за 15 - 30 лет, считать зонами чрезвычайной экологической ситуации.

В «Положении о геологическом и маркшейдерском обеспечении промышленной безопасности и охраны окружающей среды объектов нефтегазового комплекса», утвержденным постановлением Госгортехнадзора России от 22 мая 2001 года, N18, предписано, геологическим и маркшейдерским службам недропользователей, осуществлять геодинамический мониторинг опасных производственных объектов.

Согласно «Положению о порядке выдачи разрешений на застройку площадей залегания полезных ископаемых» Ростехнадзора (РД 07-309-99), застройка площади залегания месторождения нефти и газа, на котором

отсутствует геодинамический полигон и не ведутся систематические наблюдения за оседанием земной поверхности в результате добычи углеводородного сырья, не допускается (п. 43).

В этих документах, для формулировки критериев опасности, используются представления о скорости движений в зоне современного активного разлома и уровне пороговых (опасных) деформаций, указанных в СНиП 2.01.09-91, СНиП 2.02.01-83. Отсюда следует, что необходимо различать понятия «активный разлом» и «опасный разлом».

«Активный разлом» характеризуется наличием аномальных, по сравнению с фоновыми, движений. Эти аномальные движения могут и не являться опасными, а, следовательно, не быть объектом геодинамического риска. «Современный активный разлом», как отмечено выше, являет собой зону проявления именно опасных смещений. Поэтому современный активный разлом следует классифицировать как опасный разлом [Кузьмин, 2004, 2005; Кузьмин, Жуков, 2004].

Для прогнозирования зон опасных разломов и снижения вероятности наступления аварийных (чрезвычайных) ситуаций необходимо тщательно следовать приведенной выше нормативной документации и проводить Геодинамический мониторинг в местах расположения особо ответственных и экологически опасных объектов [Кузьмин, 1999; Кузьмин, Никонов, 2002; Лаверов и др., 2005].

Геодинамический мониторинг - система постоянных и/или непрерывных наблюдений, анализа и прогноза современного геодинамического состояния геологической среды, проводимая в рамках заданного регламента в пределах рассматриваемой природно-технической системы.

Геодинамический полигон - основная форма организации геодинамического мониторинга линейно ограниченных объектов, представляющая собой совокупность повторных, иерархически построенных систем профильных или обсерваторских наблюдений за современным геодинамичеким состоянием природно-технических объектов.

При этом под природно'технической системой (ПТС) понимается совокупность объектов, созданных природой и человеком и вовлеченных в единый, взаимосвязанный процесс освоения недр (недропользования).

Основные требования к созданию системы геодинамического мониторинга должны состоять в следующем:

1. Комплексирование методов, что отвечает различным формам и свойствам процесса подготовки и реализации аномальных геодинамических событий природного и/или техногенного происхождения, путем сосредоточения их в совмещенные площадные или дискретные сети (системы наблюдений).

2. Размещение измерительных комплексов с повышенной пространственно-временной детальностью наблюдений в районах с максимальной тензочувствительностью среды (в зонах активных разломов и других динамических неоднородностей среды), в районах сосредоточения техногенной нагрузки различного типа и одновременно удовлетворяющих

оптимальным условиям регистрации и метрологического контроля измерений.

3. Сочетание различных форм организации измерительных систем и, в частности, методов, обладающих различной пространственно-временной детальностью измерений (например, сочетание профильных и обсерваторских геодинамических наблюдений).

Система многофункционального, иерархически построенного геодинамического мониторинга позволяет:

- Проводить районирование территорий по степени сейсмодеформационного риска в целях более безопасного размещения объектов нефтегазового комплекса;

- Осуществлять на регулярной основе долгосрочный и среднесрочный прогноз техногенных и техногенно-индуцированных землетрясений и аномальных природно-техногенных геодинамических явлений (СД процессов в зонах асейсмичных разломов);

- Выдавать рекомендации по осуществлению превентивных мер с целью уменьшения ущерба от возможных природно-техногенных катастроф и связанных с ними неблагоприятных экологических и социально-экономических последствий.

Проведение комплексного мониторинга СД-процессов, который необходим, в первую очередь, для прогноза (предсказуемости) временной структуры аномального геодинамического процесса.

Однако в настоящее время стало очевидным, что существуют принципиальные ограничения на предсказуемость динамических систем [Кравцов,

Любой прогноз во времени начинается с анализа наблюдаемого процесса у(Х), под которым подразумевается процесс, регистрируемый инструментальными методами. Наблюдаемый процесс у(1) не является тождественным реальному процессу х(Х), поскольку наблюдения всегда подвержены искажениями различной природы.

При рассмотрении проблемы предсказуемости приходится иметь дело с двумя процессами: наблюдаемым у(Х) и модельным 2(Х), тогда как реальный процесс всегда маскируется помехами различного уровня и происхождения.

На рис. 1 схематически представлены все три процесса.

1997].

х(9, у®, гЦ)

Рис. 1. Процессы, рассматриваемые при предсказании:

х(1) - реальный процесс (сплошная линия); у(0 - наблюдаемый (регистрируемый) процесс (точки); 2(1) - модельный, предсказываемый процесс (пунктир)

Общепринятой характеристикой эффективности прогноза (качества прогноза) служит средняя квадратическая ошибка г = у - 2:

Здесь величины в скобках отражают соответственно вклад инструментальных шумов, вклад физических шумов в системе и влияние неточности модели АМ = Мх - М2. Последнее слагаемое иногда трактовать как вклад «шумов незнания». Если у]- - значение процесса у(^ спустя время т после момента начала у-го наблюдения, а 2у соответствующий прогноз на этом временном интервале, то средняя квадратическая ошибка (1) дается выражением:

Обычно считается, что чем больше проведено наблюдений, тем надежнее оценка погрешности (2).

Для того чтобы характеризовать потенциальную предсказуемость, удобнее использовать безразмерную характеристику:

которая представляет собой коэффициент корреляции между прогнозом и наблюдением спустя время т после начала наблюдения. Эта величина равна единице при т= 0.

Общий ход зависимости В(т) показан на рис. 2.

I2 - + + адм )

(1)

(2)

Дг) --^

(3)

0(Т)

1.0

0.5

0

^Ргесі

X

Рис. 2. Характер зависимости степени предсказуемости Б от времени ? = ? - О прошедшего после начала наблюдения

Значения В(т), близкие к единице, отвечают удовлетворительному прогнозу, тогда как малые значения соответствуют несогласованному ходу наблюдения и прогноза. Поэтому величину В(т) называют обычно степенью предсказуемости, а время, за которое В(т) падает до уровня 1/2 - временем предсказуемого поведения 2^. Степень предсказуемости В однозначно связана с абсолютной погрешностью прогноза:

D(r)

Y2 + Z2

(4)

2А/У2• 22' '

Времени предсказуемого поведения т^а отвечает абсолютная погрешность прогноза, которая соизмерима с дисперсией наблюдаемого процесса.

В целом степень предсказуемости В(т) можно рассматривать как степень сходства между наблюдением и прогнозом. Если высокую степень сходства (В&1) рассматривать как свидетельство определенного, детерминированного поведения, а малые значения В(т) приписывать непредсказуемому, случайному поведению, то В(т) можно трактовать как степень детерминированности наблюдаемого процесса у(1) по отношению к модельному процессу 2(1).

Если рассматривать нелинейную динамическую систему, которая по свойствам соответствует характеру протекания СД-процессов, и, если Х+ -наибольший, положительный показатель Ляпунова (показатель устойчивости системы), то средняя квадратическая ошибка прогноза нарастает по экспоненциальному закону:

?2 = « + о/ + ) exp(2A+ • r) (5)

Приравнивая среднюю квадратическую ошибку дисперсии наблюдаемого процесса, можно получить оценку времени предсказуемого поведения:

1 Y2

rpred ~ 2 2 ^ ГТ2 + Л-2 +,Т-2 (6)

2Л+ °у +°1, +°Ш

Крайне важным при прогнозе временных рядов является понятие горизонта предсказуемости rhor, введенное Дж. Лайтхиллом для обозначения времени, в течение которого микроскопически малое различие в начальных условиях нарастает до макроскопических величин.

Можно показать (Кравцов, 1997, Кузьмин, 1999), что горизонт предсказуемости можно трактовать несколько иначе - как предельное время предсказуемого поведения, которое нельзя превзойти ни усовершенствованием измерительных приборов, ни усовершенствованием предсказательной модели. Иными словами, горизонт предсказуемости отвечает пределу пренебрежимо малых измерительных шумов и шумов незнания:

rhor = lim rpred (7)

v^-0; AM ^0

или:

т

кот

21

ІП

У2

о

(8)

Полученное равенство подчеркивает принципиальную непредсказуемость динамических систем с развитой неустойчивостью. Вклад локальной неустойчивости коренным образом усложняет прогнозирование процессов, особенно, если нарастание возмущений происходит по экспоненциальному закону, как это характерно для сильно нелинейных систем.

В этом случае единственной возможностью улучшить качество прогноза является детальный и комплексный мониторинг.

Если вновь обратиться к рис. 4.1, то становится очевидным, что прекращение наблюдений (перерыв в точечной линии) сразу приводит к существенному расхождению между модельными оценками и реальным процессом. Только осуществляя мониторинг процесса в реальном масштабе времени позволяет постоянно расширять горизонт предсказуемости, а значит существенно повысить эффективность прогноза развития процесса во времени.

Современные аномальные геодинамические процессы в зонах современных активных (опасных) разломов являются существенно нелинейными. Эта нелинейность и неустойчивость во многом продиктована тем обстоятельством, что трещиноватая флюидонасыщенная среда разломной зоны является сложной системой, которая всегда готова к флуктуационному переходу из одного метастабильного состояния в другое.

Многокомпонентность объектов геодинамического мониторинга диктует комплексный подход к организации и составу методов измерительных систем.

В этой связи результаты геодинамического мониторинга целесообразно представить в рамках четырех информационно взаимосвязанных подсистем: деформационной, геофизической, сейсмологической и флюидо-геохимической (рис.

3).

1

Рис. 3. Функциональная схема геодинамического мониторинга объектов недропользования

При этом деформационная подсистема включает в себя информацию о современном напряженно-деформационном состоянии, геофизическая подсистема содержит информацию о вариациях гравитационного, электромагнитного и других физических полей, сейсмологическая подсистема включает информацию о сейсмичности и сейсмическом просвечивании разрабатываемого месторождения, флюидо-геохимическая отражает информацию о химическом составе и динамическом состоянии флюидных систем.

Актуальность подобного представления мониторинговой информации заключается в том, что оно отражает принципиальные свойства получаемой информации.

Действительно, если рассматривать данную функциональную схему построчно, то видно, что верхняя строка представлена потенциальными полями, а нижняя - соленоидальными.

С другой стороны, левый столбец представлен данными, характеризующими процессы механической природы, а правый -немеханической (физико-химической) природы. Это обстоятельство позволяет наметить характерные, специфические черты мониторингового подхода и отметить присущие только конкретно взятым информационным подсистемам особенности.

Подобный подход позволяет существенно расширить горизонт предсказуемости аномальных (опасных) геодинамических процессов и повысить эффективность мониторинговых систем обеспечения промышленной и экологической безопасности на геодинамической основе.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Кравцов Ю.А. Фундаментальные и практические пределы предсказуемости // В кн. Пределы предсказуемости. - М.: ЦентрКом, 1997. - С. 170 - 201.

2. Кармалеева Р.М., Кузьмин Ю.О. Геодеформационный мониторинг особо ответственных и экологически опасных объектов // В кн. Исследования в области геофизики. К 75-летию Объединенного института физики Земли. - М.: ОИФЗ РАН, 2004. - С. 303 - 312.

3. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика разломных зон осадочных бассейнов и процессы подготовки землетрясений // Прогноз землетрясений. - М-Д: Дониш, 1989. - № 11. -С. 52-60.

4. Кузьмин Ю.О., Современные суперинтенсивные деформации земной поверхности в зонах платформенных разломов // Г еологическое изучение и использование недр. Науч.-техн. сб. « Геологическое изучение и использование недр». - Вып. № 4. - М.: Геоинформмарк, 1996. -С. 43 - 53.

5. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика и оценка геодинамического риска при недропользовании // М.: АЭН, 1999. - 220 с.

6. Кузьмин Ю.О. Современная аномальная геодинамика асейсмичных разломных зон // «Вестник Отделения Наук о Земле РАН», N 1 (20), 2002, 27 с. (URL: http: //www. Scgis.ru/russian/cp 1251/h_dgggms/1-2002/scrub-13.pdf).

7. Кузьмин Ю.О. Современная геодинамика разломных зон // Физика Земли. - 2004. -№ 10. - С. 95 - 112.

8. Кузьмин Ю.О. Геодинамика // Российская Газовая Энциклопедия. - М.: Большая Российская Энциклопедия, 2004. - С. 119 - 120.

9. Кузьмин Ю.О. Опасные разлома и прогнозирование чрезвычайных ситуаций // В кн. Проблемы прогнозирования чрезвычайных ситуаций. Материалы IV научнопрактической конференции МЧС (Москва, 19-20 октября 2004 г.). - М.: «МТПЕ - инвест», 2005. - С. 153 - 164.

10. Кузьмин Ю.О., Никонов А.И. Геодинамический мониторинг объектов нефтегазового комплекса // В кн. Фундаментальный базис новых технологий нефтяной и газовой промышленности, вып. 2. - М.: ГЕОС, 2002. - С. 427 - 433.

11. Кузьмин Ю.О., Жуков В.С. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород // М.: МГГУ, 2004. - 280 с.

12. Сидоров В.А., Кузьмин Ю.О. Современные движения земной коры осадочных бассейнов. - М: Наука, 1989. - 189 с.

13. Сидоров В.А., Кузьмин Ю.О., Хитров А.М. Концепция геодинамической безопасности освоения углеводородного потенциала недр России // М.: ИГИРГИ, 2000. - 56 с.

© Ю.О. Кузьмин, 2006