CC BY
57
УДК 550.3:537.811
В.Ф. Гордеев, Ю.П. Малышков, С.Г. Шталин, С.Ю. Малышков, В.И. Поливач Институт мониторинга климатических и экологических систем СО РАН, Томск
ОЦЕНКА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ГОРНОГО МАССИВА ПО ПАРАМЕТРАМ ЕИЭМПЗ
V.F. Gordeev, Yu.P. Malyshkov, S.G. Shtalin, S.Yu. Malyshkov, V.I. Polivach
Institute of Monitoring of Climatic and Ecological Systems SB RAS, 10/3, Akademichesky pr.,
Tomsk, Russia
ASSESSMENT OF DEFLECTED MODE OF MOUNTAIN RANGE ON NPEFE PARAMETERS
When developing method for nondestructive examination of composite materials based on electromagnetic emission (EE) parameters, we revealed that under changing mechanical parameters in concrete patterns, pulsed EE flux reduces at contraction zone, while it increases at stretching zone [1]. This fact made a ground for new method of assessment of deflected mode of mountain range on parameters of natural pulsed electromagnetic fields of the Earth (NPEFE). As a test subject we chose a bank vault with pronounced sliding. Moreover, there are nine pipelines on this bank vault. To mitigate technogenic risks, at this part of the gas pipeline eight different geophysical and engineering methods are applied to monitor mountain range dynamics with the purpose of forecasting dangerous situations and preventing emergency. In the report results are presented on monitoring of deflected mode of a landslip using NPEFE records of a stations network located along the bank vault.
К концу девяностых годов прошлого столетия довольно четко определилось и стало интенсивно развиваться новое направление изучения горного массива - экологическая геофизика. Оно охватывает широкую проблематику исследований - от очагов нарушения экологической и инженерной устойчивости в зонах активизации экзогенных геологических процессов (карст, оползни, выбросы угля и газа в геодинамических зонах и др.) до случаев техногенеза (термокарст, деформации поверхности в зонах горных подработок, подтопление массива техническими водами, нефтезагрязнения пр.) [2].
Общая тенденция нового направления - это смещение акцентов в сторону оперативной оценки, контроля и прогноза экологической и инженерной устойчивости грунтов; большей детальности и прецизионности при сборе полевых результатов и их интерпретации в комплексе с базами данных геоинформационных систем (ГИС), разработка принципиально новых геофизических технологий. Естественно, что в этой связи все более широкое применение находят радиоволновые методы, основанные на регистрации естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ). Первые работы по использованию ЕИЭМПЗ в технологии геофизических исследований в нашем коллективе послужила гипотеза профессора Томского политехнического университета А.А. Воробьева о подземной грозе, высказанная им в конце 60-годов прошлого столетия [3].
Импульсы электромагнитного поля, несущие информацию о строении земной коры и используемые в данном способе, возникают в массивах горных пород вследствие естественного, постоянно существующего геодинамического и приливного движения земной коры. Процессы механоэлектрических преобразований энергии, вызванные этим движением, сопровождаются потоком электромагнитных импульсов, интенсивность и амплитудно-частотный состав которого определяется структурным и литологическим строением подстилающих пород, их напряженно -деформированным состоянием [4].
При постановке этих работ предполагалось, что процессы механоэлектрических преобразований энергии (независимо от способов их возбуждения) будут усиливаться, прежде всего, в зонах, где имеются значительные нарушения земной коры в виде геологических разломов, разрывных нарушений, на границах разнородных и разно напряженных пород. Пространственные вариации импульсных электромагнитных полей, в этом случае, должны отражать строение земной коры, что и предполагалось положить в основу разрабатываемых методов, оценки напряженно-деформированного состояния массивов горных пород на бортах открытых карьеров.
В данном разделе представлены результаты применения разработанных в институте мониторинга климатических и экологических систем (ИМКЭС СО РАН, г. Томск) совместно с ООО «ГЕОТЭК» (г. Москва) методов и средств, для оценки напряженно-деформированного состояния оползневого склона правого берега реки Кама в районе магистрального газопровода Ужгородского коридора.
Так как решение поставленной задачи было основано на использовании естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ), то при постановке этих работ необходимо было: усовершенствовать работу имеющейся аппаратуры [5], проверить ее работоспособность в полевых условиях и создать методику оперативной оценки устойчивости оползневого склона.
Применение методов регистрации ЕИЭМПЗ при решении задач инженерной геологии и, в частности, оценки оползневых процессов было предложено сравнительно давно сотрудниками Томского политехнического института и Симферопольского Института минеральных ресурсов [6, 7]. Однако до настоящего времени этот метод не нашел широкого применения в мировой практике. Главная причина - наличие в регистрируемом сигнале импульсов различного, до конца не выясненного происхождения, в том числе и многочисленных импульсов, не несущих информацию об объекте контроля. Это, прежде всего, атмосферики - импульсы приходящие из центров тропических гроз и атмосферные импульсы местной грозовой активности.
Помехой будут являться и импульсы, генерируемые мощными геологическими и структурными неоднородностями земной коры, находящимися за пределами объекта исследований. Это могут быть трансконтинентальные и континентальные разломы, импульсы от которых регистрируются на удалении нескольких десятков километров.
Источниками техногенных помех могут являться высоковольтные линии электропередач, радиопередающие устройства и многое другое.
Как показывают наши исследования, более 80% регистрируемых импульсов являются «внешними», генерируются источниками, достаточно удаленными от точки измерения и не несут информацию о геофизических процессах на обследуемой территории. Устранить трудности с выделением «полезной» информации пытаются различными способами: повышением чувствительности аппаратуры, увеличением числа повторных замеров по одному и тому же профилю, периодическим возвращением на некоторые «опорные» точки и др. Однако такие способы либо слишком трудоемки, либо не достаточно эффективны.
В разработанном нами способе пространственных измерений параметров естественного импульсного электромагнитного поля Земли, реализованном в многоканальном геофизическом регистраторе «МГР-01» , используется специальная очистка сигнала от шумов природного и техногенного происхождения. Сортировка импульсов по территориальному происхождению и удаление шумовой составляющей полей осуществляется несколькими способами, как на стадии регистрации, так и на стадии статистической обработки полученных результатов:
Использованием дифференциального метода регистрации сигналов, системой разнесенных в пространстве реперных и маршрутных станций измерения;
- Способом расположения и ориентацией приемников поля;
- Настройкой станций на оптимальную чувствительность;
- Усилением и фильтрацией сигнала в оптимальном диапазоне частот;
- Удалением шумовых составляющих полей, создаваемых техногенными источниками и природными процессами, на стадии обработки полученной информации.
Для статистической обработки информации разработан и создан дружественный интерфейс, позволяющий оперативно получать результаты маршрутных измерений. Суть исследований пространственных вариаций ЕИЭМПЗ, заключается в том, что ведется сравнение параметров сигнала, полученного с маршрутной станции и станций, работающих в режиме мониторинга, расположенных в местах с известной геологией (репер). Причем реперных станций может быть несколько. Программное обеспечение позволяет в автоматическом режиме выбрать те отрезки времени, когда работала маршрутная станция и показать результаты измерений реперных станций в то же время. Алгоритм сравнительного анализа выбирается оператором, а результаты обработки позволяют представить их в виде двумерной карты с привязкой к географическим координатам.
Следует также отметить, что создание данного программно-аппаратного комплекса позволяет в несколько раз увеличить производительность
проведения полевых измерений, исключить субъективные ошибки в работе оператора, повысить достоверность получаемых результатов.
При создании полигона комплексной оценки устойчивости оползневого склона, необходимо было выбрать места расположения станций, которые в дальнейшем, в режиме мониторинга, будут регистрировать временные вариации импульсного потока для определения времени активизации геодинамических процессов.
На рис. 1 в качестве примера приведены результаты площадных измерений параметров ЕИЭМПЗ на оползневом склоне в районе перехода магистрального газопровода через р. Кама. Слева на рисунке показан вид местности в районе работ, а справа результаты измерений напряженно-деформированного состояния берегового склона, рассчитанные по результатам обработки интенсивности импульсного потока в различных точках склона.
Рис. 1 Вид местности на переходе магистрального газопровода через р. Кама (слева) и результаты оценки НДС этой территории ЕИЭМПЗ-методом (справа)
Напряжения растяжения на объемном правом рисунке представлены в относительных единицах в виде «возвышенностей», а напряжения сжатия в виде «впадин».
В конце 2007 года была запущена в опытную эксплуатацию первая очередь автоматизированной системы контроля геодинамических процессов оползневого склона на трассе магистрального газопровода Уренгой - Помары - Ужгород в районе перехода через реку Кама. Комплекс состоит из 8-ми многоканальных геофизических регистраторов «МГР-01», размещенных в антивандальных бункерах на территории склона и за его пределами. Места размещения бункеров выбраны на основании комплексных геофизических исследований, с явно выраженными аномалиями напряженно-деформированного состояния горных пород на склоне.
Первое аномальное проявление в интенсивности импульсного потока было зарегистрировано 27-29 февраля в районе станции №8 между 8 и 9 нитками газопровода в нижней части оползня, что совпало по времени с началом паводкового периода. Эти проявления продолжались апериодически
длительностью от нескольких часов до суток в период с 1 по 20 апреля 2008 года.
Начиная с 18 мая 2008 года, все станции регистрируют фоновый сигнал, характерный для весенне-летнего периода и мы, с большой долей вероятности, считаем, что какой либо геодинамики ожидать не следует.
Заключение
Выполненные исследования показали принципиальную возможность предложенного способа и аппаратуры не только для оценки величины, знака и направления механических напряжений в грунтах на оползневых склонах, но и возможность мониторинга развития напряженно-деформированного состояния территории, контроля активности оползневых процессов в масштабе реального времени.
Многократной проверкой с применением повторных измерений через некоторый промежуток времени, синхронными измерениями несколькими станциями, сравнением полученных результатов с традиционными методами контроля оползневых процессов показано, что правильное применение методов ЕИЭМПЗ дает высокоточные, хорошо воспроизводимые результаты, отражающие активность геодинамических склоновых процессов с высокой достоверностью.
Модифицирован многоканальный геофизический регистратор «МГР-1», позволяющий проводить площадные измерения вариаций ЕИЭМПЗ, что создает возможность использования его для отработки новых геофизических методов оценки НДС горных массивов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Дефектоскопия и оценка напряженно-деформированного состояния бетона по параметрам электромагнитной эмиссии/ Ю.П. Малышков и др.// Изв. вузов. Строительство.- № 12.- 1997.- С. 114-117.
2. Задериголова, М.М. Радиоволновой метод в инженерной геологии и геоэкологии / М. М. Задериголова. - М.: Издательство Московского университета.- 1998. - 319 с.
3. Воробьев, А.А. О возможности электрических разрядов в недрах Земли/ А.А. Воробьев//Геология и геофизика. -1970.- №12.- С. 3-13.
4. Способ прогноза землетрясений/ Ю.П. Малышков и др.// Патент РФ № 2238575, выдан 20.10.2004.- Бюл. № 29.
5. Автоматизированная станция оперативного прогноза землетрясений (опыт четырехлетней эксплуатации) / С.Г. Шталин и др. // Физические основы прогнозирования разрушения горных пород: Материалы 1-й Междунар. школы-семинара (9-15 сент., 2001, г. Красноярск) / ред. В.А. Мансуров, Красноярск, СибГАУ, 2002.- С. 324-330.
6. Защинский, Л.А. Методические рекомендации по применению метода регистрации естественного импульсного электромагнитного поля Земли при изучении оползневого процесса / Л.А. Защинский, В.Н. Саломатин, Ш.Р. Мастов. - Симферополь.-1983. - 75 с.
7. Мастов, Ш.Р. Выявление степени деформации участков оползня методом регистрации импульсов электромагнитного поля / Ш.Р. Мастов, В.Н. Саломатин, Л.В. Яворович / Инженерная геология. - 1983.- № 2. - С. 98-101.
© В.Ф. Гордеев, Ю.П. Малышков, С.Г. Шталин,
С.Ю. Малышков, В.И. Поливам, 2009
