СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕЖИМОМ СМЕЩЕНИЙ ВО ФРАГМЕНТАХ СЕЙСМОАКТИВНЫХ ТЕКТОНИЧЕСКИХ РАЗЛОМОВ Российский патент 2006 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к области сейсмогеологии, а именно к способам управления режимом инициированных смещений в зонах сейсмоопасных разломов. Оно может быть использовано для решения проблем обеспечения сейсмобезопасности в местах расположения мегаполисов, экологически опасных объектов (атомных станций, гидроузлов, хранилищ опасных отходов, тоннелей и т.п.), а также на площадках предполагаемого строительства и при проектировании особо важных строительных объектов.

Существующие изобретения, направленные на решение проблем обеспечения сейсмобезопасности, направлены, в основном, на совершенствование способов и устройств для общей оценки сейсмической опасности в рамках существующих норм и правил сейсмического районирования - общего, детального и микросейсморайонирования, а также вероятностного слабо разработанного прогнозирования ожидаемых землетрясений и/или на совершенствование способов проектирования и строительства с соответствующим большим удорожанием по стоимости сейсмостойких сооружений.

Среди изобретений, направленных на предупреждение сейсмических явлений, как правило, проявляющихся в виде горных ударов или мелкофокусных относительно слабых местных землетрясений при разработках месторождений и проходке глубоких и сверхглубоких горных выработок, можно выделить следующие.

Известен способ предупреждения горных ударов и выбросов путем установки разуплотненного материала (породы) в области повышенного горного давления [1]. Известный способ не может применяться для уменьшения сейсмической опасности, поскольку предусматривает проходку в перенапряженных породах для формирования пространства горной выработки. При проходке возможно возникновение землетрясения.

Известен способ охраны горных выработок, включающий бурение скважин и разуплотнение пород [2]. После бурения в скважинах размещают заряды взрывчатых веществ, а разуплотнение осуществляют взрывом зарядов. Этот способ применим только в горных выработках и использование взрывов для разрушения предельно напряженных пород сейсмически опасного горного массива может вызвать сильное или катастрофическое землетрясение.

Известен способ уменьшения сейсмической опасности, исходящей из горного массива [3], путем гидроразрыва горных пород. Для ликвидации очага мелкофокусного землетрясения, расположенного на глубинах не более 200-220 м, гидроразрыв осуществляют поинтервально в перенапряженных горных породах в направлении от забоя к устью в одной или группе скважин, пробуренных с поверхности земли.

Наиболее близким к заявляемому способу является известный способ уменьшения сейсмической опасности, исходящей от горного массива [4], включающий гидроразрыв пород горного массива. Для реализации способа бурят скважины, часть которых используют для осуществления гидроразрыва, часть - для проведения вибрационного воздействия. Скважины бурят с учетом направления главного минимального напряжения в массиве. В способе добиваются максимального разрушения массива (за один цикл гидроразрыва), для этого предварительно осуществляют вибрационное воздействие на массив, затем одновременный в нескольких скважинах гидроразрыв, закачку в эти скважины растворов, газа, расклинивающих агентов при одновременном вибровоздействии.

Прототип и другие приведенные известные способы направлены на обеспечение сейсмо- и ударобезопасности в горных выработках и ориентированы на мелкомасштабные воздействия с ограниченными параметрами как по энергетическому уровню, так и по размерам геологических структурных объектов. Физический механизм применяемого в горном деле гидроразрыва ориентирован на измельчение разрушаемых горных пород. Причем радиус воздействия гидроразрыва ограничен обычно несколькими десятками метров и, следовательно, механическое воздействие резко ограничено в пространстве.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа управления режимом смещений во фрагментах сейсмоактивных тектонических разломов путем инициирования смещений по разлому в режиме сдвиговой ползучести за счет насыщения жидкостью фрагмента разлома и динамического воздействия на него, что позволяет снизить избыточный уровень накопленной тектонической энергии недр. Способ управления режимом смещений позволяет применять эти два фактора как отдельно, так и совместно.

Указанный технический результат при осуществлении способа достигается тем, что, как и в известном способе, в предлагаемом способе управления режимом смещений во фрагментах сейсмоактивных тектонических разломов осуществляют внешнее воздействие на выбранный фрагмент, включающее регистрацию исходных параметров фрагмента разлома, тестирующее воздействие на фрагмент разлома для оценки исходного уровня тектонических напряжений в нем, воздействие на выбранный фрагмент для инициирования плавных смещений крыльев разлома в режиме сдвиговой ползучести.

Новым является то, что тестирующее воздействие и воздействие для инициирования смещений крыльев разлома в режиме вязкого сдвигового течения, представляют собой активное комбинированное воздействие на выбранный фрагмент разлома с контролем параметров отклика и корректировкой параметров воздействия в случае необходимости.

Кроме того, на основе зарегистрированных исходных параметров строят геолого-геофизическую модель разлома или его фрагмента, а на основе этой модели и полученных параметров отклика на тестирующее воздействие строят геодинамическую модель разлома или его фрагмента и/или его физико-механическую модель методом подвижных клеточных автоматов, и на основе построенных моделей определяют вид и параметры активного комбинированного воздействия на разлом или его фрагмент.

Кроме того, активное комбинированное воздействие представляет собой взрывное воздействие, и/или вибрационное воздействие и/или закачку жидкости.

Кроме того, закачка жидкости во фрагмент разлома представляет собой, например, закачивание воды, закачивание водных растворов с добавлением ПАВ.

Принципиальным в физическом смысле отличием от известных способов является то, что в предлагаемом способе геолого-структурным объектом и объектом техногенных динамических воздействий является не горный массив, а содержащееся в нем, или в блоке земной коры крупное тектоническое нарушение, точнее говоря, разлом, являющийся потенциальным источником генерации сильных и катастрофических землетрясений. Из-за большой протяженности сейсмогенерирующих разломов, порядка многих сотен - тысяч километров, воздействие применяется для выбранных фрагментов разломов там, где выявляется высокий уровень накопленных тектонических напряжений, фиксируемый по сейсмологическим, геофизическим и сейсмогеологическим данным.

Известно, что через разрывные нарушения, которые являются составной частью геологической среды, при их активном развитии высвобождается потенциальная тектоническая энергия недр. Небольшая часть этой высвобожденной энергии, порядка первых процентов, рассеивается в виде колебаний сейсмического диапазона и фиксируется как землетрясения. Установлено, в частности, что объемы и интенсивность высвобождения накопленной энергии зависят от ряда факторов, таких как напряженное состояние в горных породах, характера их погружения, физико-механических свойств горных масс, их строения и т.д. Показано также, что на процесс диссипации сейсмической энергии в виде волновых колебаний существенным образом влияет скорость смещений крыльев разломов, значения которых варьируют в широком диапазоне: от долей первых мм/год при тектоническом крипе до 5-10 м/с при сильнейших землетрясениях. С величиной скорости движения крыльев разломов во многом связаны их сейсмическая активность и сейсмический потенциал. Скачкообразное смещение крыльев разломов, как правило, приводит к спонтанному выделению больших порций энергии, т.е. к сильным землетрясениям.

Для создания путей кардинального решения проблем обеспечения сейсмобезопасности были изучены причины и механизмы смещений в разломах, а также выявлены основные факторы, влияющие на параметры режима «приразломных» движений.

Исходные авторские представления основываются на следующей концепции: высвобождение накопленной в недрах земли тектонической энергии в виде упругих сейсмических колебаний осуществляется через разломный механизм, а именно через быстрые смещения крыльев разломов со скоростью порядка 5-10 м/с, фиксируемой при сильных землетрясениях. При медленных смещениях энергия упругих колебаний сейсмического диапазона резко снижается и не представляет угрозы в виде сильных землетрясений. Следовательно, управление режимом смещений в сейсмоактивных разломах может позволить контролировать уровень высвобождаемой сейсмической энергии недр.

К настоящему времени накоплено достаточно данных по глубокому бурению, геолого-геофизическому и гидрогеологическому изучению вопросов, касающихся распространения водных растворов в горных породах, горизонтах земной коры и в зонах разломов. Эти данные свидетельствуют, в частности, что разломные зоны относятся к транзитным системам земной коры, по которым происходит миграция воды до глубин порядка 10 км и более [5, 6]. Оценки содержания водных растворов в трещинно-поровом пространстве зон разломов не отличаются точностью из-за трудности их регистрации. Однако есть основание предполагать, что их содержание колеблется от долей процентов объема горных пород в зонах разломов до нескольких десятков. Наш опыт изучения водонасыщенности зон разломов в глубоких карьерах позволяет добавить, что в дистальных направлениях, т.е. вдоль зон разломов, обычно наблюдаются контрастные по степени водонасыщенности участки. В некоторых участках иногда фиксируется полное отсутствие жидкостной (водной) фазы в горных породах, в других обнаруживается напротив высокое ее содержание. Последние обычно встречаются в местах соприкосновения разломов с зонами других водообильных разломов или с подземными водоносными горизонтами в земной коре, в том числе глубоко залегающими в недрах земной коры.

Мониторинг смещений в разломах ведется авторами с 1995 года на геодинамических полигонах "Листвянка" и "Талая", а также в полевых условиях на территории Сибири и Монгольской Республики. В процессе наблюдений, в частности на полигоне п.Листвянка в зоне Ангарского разлома северо-западного простирания (фиг.1), было установлено следующее явление. В ответ на динамические воздействия на разлом путем небольших взрывов (до 0,1-0,2 кг ВВ), ударов копра или различного вида вибраций был зафиксирован 2-фазный характер отклика в режиме смещений [6-11]. Практически мгновенный отклик разлома на прохождение от генерирующего источника упругих волн (первая фаза) фиксировался в виде очень незначительных упругих и упруговязких быстрых остаточных смещений с амплитудами единицы-десятки микрон. После некоторой временной задержки, примерно, на десятки минут запаздывания отмечалась вторая фаза, которая выражалась в виде серии сравнительно медленных колебаний стенок разлома с периодами от нескольких секунд до нескольких минут и амплитудами десятки-сотни микрон. Эффективная скорость распространения возмущения от места воздействия до датчиков в зоне разлома достигала значений от 85 до 145 м/сутки, меняясь в зависимости от физико-механического состояния горного массива, обусловленного изменениями температурного режима, обводненности, характера и последовательности внешних воздействий. По нашим представлениям в физическом смысле эта скорость соответствует скорости распространения фронта подвижки по плоскости разлома, и она связана с явлениями ползучести в раздробленных и перетертых горных породах зоны разлома с проявляющимися свойствами вязкого поведения [9-11].

Проведенные исследования показали, что одним из главных факторов, влияющих на режим смещений краев разлома во второй фазе, является его насыщенность водой или другими жидкостями, что ведет к снижению вязкости материала в зоне разлома. Так, на фиг.2 показано влияние искусственного водонасыщения разлома, которое осуществлялось путем закачивания воды во фрагмент зоны разлома. При этом были инициированы сравнительно плавные и медленные, но достаточно большие по амплитудам смещения крыльев разлома. Механизм подобного эффекта, по-видимому, связан со снижением сдвигового сопротивления в плоскости разлома, из-за чего под действием имеющихся в горном массиве напряжений начиналось сравнительно плавное смещение крыльев разлома без приложения дополнительных внешних усилий.

Итоги проведенного полевого геолого-геофизического изучения реакции разломов на различные виды вибрационного воздействия при разной степени насыщения жидкостями показали, что факторы насыщения жидкостью зон разломов и вибрационного воздействия могут существенным образом влиять на характер смещений по разломам, особенно в комплексном их проявлении [12]. Данный вывод может быть проиллюстрирован результатами, приведенными на фиг.3. Из фиг.3 можно видеть, что воздействие указанных факторов может приводить к переходу относительных смещений краев разлома в квазивязкий режим и тем самым принципиально изменять процесс релаксации внутренних напряжений в геосреде. При этом становится возможным переход от режима одиночных актов высвобождения большого количества упругой энергии к ее многократному выделению относительно небольшими долями.

Результаты многолетнего мониторинга смещений в разломах и проведения натурных экспериментов сведены в общую структурированную базу данных, на основе которых построен геодинамический «портрет»-модель разлома или его фрагмента. Это позволяет как качественно, так и количественно определить эффект насыщения разлома водой или другой жидкостью, а также выявить влияние внешних вибрационных и импульсных воздействий на изменение характера отклика сейсмоактивных разломов.

Тем не менее, в условиях, когда объемлющая информация о напряженно-деформированном состоянии геосреды в зоне конкретного сейсмоактивного разлома и «истории» разлома труднодоступна, для определения необходимых параметров воздействия на разлом (характеристик вибрационного или виброимпульсного воздействия, расположения и мощности источников, места и режима заливки, вида и количества жидкости и т.д.) применяется имитационное моделирование поведения разлома при различных задаваемых условиях, т.е. применяется физико-механическая модель. В качестве метода моделирования используется метод подвижных клеточных автоматов (английская аббревиатура МСА) [13, 14]. Данный метод ранее был успешно применен для исследования режимов смещений в сейсмоактивных тектонических разломах при воздействии вибраций (без учета влияния жидкой фазы) [9], а также для изучения отклика и механизмов разрушения таких геологических сред как горные породы, сыпучие грунты и угольные пласты [8, 10, 15, 16]. Необходимо отметить, что использование компьютерного моделирования методом МСА является крайне важным даже для хорошо изученных сейсмоактивных разломов, поскольку позволяет детально проанализировать конкретные механизмы влияния внешних воздействий на режим смещений крыльев разлома.

Для моделирования поведения разлома может быть использована как двухмерная, так и трехмерная модель реализации метода МСА. Использование трехмерной компьютерной модели зоны разлома позволяет достаточно точно определить параметры внешнего воздействия для получения желаемого отклика разлома. Однако для построения такой модели необходимо иметь достаточно полную информацию об изменении внутренней структуры геосреды в зоне разлома с глубиной, иметь трехмерную картину напряженно-деформированного состояния и т.д. Более простым и грубым приближением является двумерная модель, в рамках которой учитываются только основные (и наиболее значимые) размерные и структурные особенности зоны разлома. Несмотря на это, она может быть использована как для качественной проверки действенности и эффекта выбранной методики воздействия на разлом, так и для грубой количественной проверки параметров такого воздействия. Более того, в ряде специальных случаев и сама двумерная модель может быть использована в качестве инструмента для определения способа и параметров воздействий.

При построении модели зоны сейсмоактивного разлома учитываются следующие основные факторы: линейные размеры разлома или его фрагмента, размеры моделируемой зоны, материал заполнителя разлома и его крыльев, поврежденность материала разлома и крыльев, уровень напряжений в зоне разлома, объемное содержание воды и/или другой жидкости и ее пространственное распределение. При этом одной из основных проблем является способ количественного учета содержания жидкости в несвязанном виде в объеме материала и его влияния на физико-механические свойства материала.

Учет содержания жидкости в несвязанном виде в объеме заполнителя разлома, как правило, осуществляется неявно путем модификации функции отклика подвижных клеточных автоматов, моделирующих фрагменты среды, и изменения величины коэффициента Пуассона. При этом используются следующие предположения.

1. Изменение плотности материала пропорционально изменению объемного содержания жидкости.

2. Наличие жидкости в многочисленных трещинах, порах и повреждениях материала повышает его коэффициент Пуассона ввиду почти полной несжимаемости большинства жидкостей.

3. Предел упругости материала уменьшается с увеличением содержания жидкости.

4. При переходе в область необратимых деформаций наличие в материале разлома несвязанной жидкости приводит к уменьшению наклона функции отклика подвижных автоматов, что связано с влиянием жидкости как смазки между поверхностями многочисленных внутренних трещин. Это приводит к уменьшению силы трения скольжения и, как результат, на макро-масштабном уровне - к уменьшению наклона на σ-ε диаграмме.

4. В процессе деформирования материала имеет место выдавливание жидкости в результате «схлопывания» пор, сжатия поверхностей трещин и т.д. В предельном случае (в области больших деформаций) материал спрессован и практически обезвожен. При этом его плотность и характеристики поврежденности близки к соответствующим значениям для деформированного «сухого» материала.

Приведенные выше основные принципы компьютерной модели, описывающей зону разлома, являются достаточно общими, и для их детализации необходимо принимать во внимание особенности строения и напряженного состояния конкретного объекта. В качестве иллюстрации работы компьютерной модели ниже приведен достаточно простой и наглядный пример, содержащий качественный анализ влияния уровня (степени) насыщения жидкостью зоны сейсмоактивного разлома на характер отклика системы в условиях вибрационного воздействия.

На фиг.4 приведен двухмерный образец, имитирующий насыщенный жидкостью участок сейсмоактивного разлома. Можно выделить три основных блока рассматриваемой структуры: это «левое» и «правое» крылья разлома, а также внутриразломная область, механический отклик которой имитировался соответствующими характеристиками монтмориллонитовой глины. Размеры моделируемой области уменьшены в ˜50 раз по отношению к средним размерам реальных разломов. Учет насыщения жидкостью разлома осуществлялся путем задания части автоматов материала разлома механических характеристик, соответствующих насыщенной жидкостью монтмориллонитовой глине. В рассматриваемой задаче доля «насыщенных жидкостью» автоматов в разломе составляла около 50 об.% (фиг.4).

Материал крыльев разлома имеет композитную структуру и состоит из фрагментов, разделенных тонкими прослойками того же состава, что и внутриразломный материал (фиг.4). Это отражает тот факт, что геоматериалы имеют гетерогенную внутреннюю структуру и состоят из относительно слабо связанных «зерен» различных материалов [17].

Подобное представление правомерно на разных масштабных уровнях описания геологических сред. В этом случае геосреда может быть представлена состоящей из фрагментов с относительно высокой прочностью, разделенных прослойками материала с отличными физико-механическими свойствами (данная модель была предложена академиком РАН Гольдиным С.В.).

Используемые функции отклика подвижных клеточных автоматов приведены на фиг.5. Необходимо отметить, что в данном примере используются крайне упрощенные функции отклика, состоящие из трех линейных участков.

Учет содержания жидкости в несвязанном виде в объеме материала разлома проводился путем модификации функции отклика подвижных автоматов «сухой» монтмориллонитовой глины в соответствии с постулатами, описанными выше. Кроме того, было введено дополнительное упрощение: полагалось, что значения прочности и предельной деформации материала разлома не зависят от степени исходного насыщения жидкостью и равны соответствующим величинам «сухого» материала.

Для изучения влияния степени насыщенности жидкостью материала разлома на поведение всей системы были выбраны две «контрольные» функции отклика, соответствующие «сухому» и «предельно насыщенному» жидкостью материалу (кривые 2 и 3 на фиг.5). Соответствующие значения коэффициента Пуассона составляли μ⁰=0.17 и μ^m=0.49.

Изменение степени исходного насыщения жидкостью учитывалось путем линейного изменения параметров функции отклика между значениями, отвечающими «сухому» и «предельно насыщенному» жидкостью материалам. В качестве параметра насыщенности жидкостью использовался коэффициент , где верхние индексы 0 и m обозначают параметры, соответствующие функциям отклика «сухого» и «предельно насыщенного» жидкостью материалов, а индекс w - материалу со степенью насыщения жидкостью К (фиг.6). Очевидно, что параметр К изменяется в пределах от 0 до 1.

Таким образом, функция отклика материала (в данном случае монтмориллонитовой глины), характеризуемого коэффициентом К, имеет следующие параметры:

Коэффициент К, использующийся для определения механических характеристик водонасыщенного материала, хотя и связан с объемным (или массовым) содержанием жидкости, но не равен ему. Так, значение К=1 отвечает некоторой предельной концентрации жидкости в объеме материала, которая в зависимости от его пористой и дефектной структуры, а также от смачиваемости, может составлять как десятки процентов, так и доли процента. Степень и механизмы влияния количества жидкости на поведение материала в упругой области и в области необратимых деформаций различны. Так, для существенного изменения упругих характеристик материала (Е, μ) необходимо значительное содержание жидкости в его объеме. В этом случае она играет роль почти несжимаемого (μ≈0.5) заполнителя пустот, сильное сопротивление которого изменению объема повышает как силу сопротивления фрагмента среды нагружению, так и его боковое уширение. Очевидно, что концентрация жидкости порядка нескольких процентов и ниже не сможет существенно изменить упругий отклик системы. В то же время такого ее содержания в трещинах и повреждениях материала вполне достаточно для снижения барьера необратимой деформации и даже для изменения характера поведения среды. Таким образом, связь модельного коэффициента К, характеризующего механическое поведение материала под нагрузкой, с величиной объемной концентрации жидкости в несплошностях, в общем случае может быть нелинейной и носить достаточно сложный характер.

Представленная в данном примере модель зоны разлома хотя и является упрощенной, тем не менее, эффективно используется авторами для изучения особенностей отклика и разрушения подобных сложных сред.

В данном примере исходное напряженное состояние в моделируемой области достигалось путем предварительного сжатия зоны разлома, как показано на схеме (фиг.7-а). Относительное смещение краев разлома задавалось путем приложения к внешней границе правого крыла разлома постоянной скорости V₀, вектор которой направлен параллельно линии разлома (фиг.7-б). При этом внешний край левого крыла был зафиксирован. Таким образом, правое крыло разлома в проведенном численном эксперименте являлось активным, а левое - пассивным.

Вибрационное воздействие имитировалось периодическим изменением величины скорости нагружения:

V=V₀+V_Asin(2πtν),

где V_A - амплитуда изменения скорости, t - время, ν - частота вибрации.

Значение коэффициента К функции отклика автоматов насыщенной жидкостью монтмориллонитовой глины в интервале от 0 до 1. При этом направление вектора скорости V оставалось неизменным и параллельным линии фрагмента разлома.

В работе [9] было показано, что в процессе относительного смещения крыльев в материале разлома генерируются и накапливаются многочисленные повреждения. которые на определенной стадии формируют макрокластер, что приводит к резкому уменьшению сцепления крыльев разлома. При этом имеет место снижение сопротивления их относительному движению. Насыщение жидкостью разлома может приводить к смене режима и характера отклика моделируемой системы. Так, на фиг.8 приведены зависимости силы сопротивления от величины относительного смещения d_sh краев разлома для случая движения правого крыла с постоянной скоростью V₀=0.5 м/с. Можно видеть, что с увеличением степени насыщения жидкостью материала разлома профиль кривой претерпевает значительные изменения. Так, в случае «сухой» монтмориллонитовой глины сила сопротивления сдвигу быстро достигает максимума и затем плавно уменьшается по мере движения активного крыла разлома. Наличие же жидкости в разломе приводит к значительному (до 2,7 раз) сдвигу пика в сторону больших смещений (фиг.8). При этом за начальным участком резкого роста силы сопротивления (d_sh<9×10^-5 м) следует достаточно продолжительный (при больших К) участок ее медленного нарастания. Необходимо также отметить уменьшение (до 30%) пикового значения силы сопротивления.

Как отмечалось в [9], при вибрационных воздействиях важным параметром моделируемого образца является собственная частота, связанная с распространением продольных упругих волн: где V_|| продольная скорость звука в материале, Н - характерный размер образца. Высокочастотное вибрационное воздействие (ν>ν_||) меняет режим отклика, провоцируя «сброс» силы сопротивления относительному смещению краев по достижении максимального значения.

Насыщение жидкостью разлома принципиально меняет характер его отклика в условиях высокочастотного циклического воздействия. На фиг.9 показан случай движения крыла разлома со скоростью V₀=0.5 м/с при наложении высокочастотных колебаний с параметрами ν≈1.4ν^|| и V_A=1 м/с. Можно видеть, что в зависимости от степени насыщения жидкостью разлома (величины К) кривая с ярко выраженным пиком (К=0) в пределе переходит в кривую с достаточно продолжительным плато (K=1). При этом максимальное значение силы сопротивления снижается практически вдвое. Таким образом, насыщение жидкостью приводит к качественному изменению режима смещений в зоне разлома: от режима, характерного для задач трения пары тел сухими поверхностями, до квазивязкого.

Отметим, что в реальных системах относительное смещение крыльев разлома происходит под действием силы со стороны массивных геоблоков. Тогда в случае «сухого» материала разлома при превышении тангенциальной компонентой нагружающей силы величины, соответствующей максимальной силе сопротивления (точка А на фиг.9), активный край разлома начнет двигаться ускоренно (ненулевая разность сил приводит к появлению ускорения). Отметим, что поскольку величина резкого «сброса» силы сопротивления является значительной (около 30%). то это может приводить к изменению режима смещения краев разлома.

Как отмечалось выше, насыщение жидкостью материала разлома приводит к появлению на диаграмме нагружения продолжительного плато (кривая 3 на фиг.9), в пределах которого среднее значение силы сопротивления (с учетом осцилляции) уменьшается крайне слабо (не более 10%). При достижении нагружающей силой величины, равной силе сопротивления в начале плато (точка С на фиг.9), начнется медленное движение активного крыла разлома. При этом слабые колебания силы сопротивления на плато могут приводить к небольшим «разгонам» и «торможениям» активного крыла.

Следует также отметить, что значительное (до двух раз) снижение максимальной силы сопротивления относительному смещению краев разлома при насыщении жидкостью инициирует смещения при меньших значениях внутренних напряжений. Таким образом, закачивание жидкости в «сухой» разлом может спровоцировать достаточно большие смещения. При этом величина и режим смещений определяются уровнем внутренних напряжений, степенью насыщения жидкостью и, безусловно, спецификой внутреннего строения самого разлома.

Предлагаемый способ иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1-9.

На фиг.1 показан фрагмент зоны Ангарского разлома северо-западного простирания, расположенного на полигоне "Листвянка" в районе истока р. Ангары.

На фиг.2 показано влияние искусственного водонасыщения фрагмента зоны Ангарского разлома на характер смещений.

На фиг.3 показано влияние различных факторов на режим отклика крыльев разлома.

На фиг.4 приведена структура моделируемого фрагмента разлома.

На фиг.5 приведены функции откликов автоматов фрагментов монтмориллонитовой глины.

На фиг.6 - схематическое представление функций отклика материала.

На фиг.7 - схема нагружений материала.

На фиг.8 - зависимость силы сопротивления движению правого блока от величины относительного смещения крыльев разлома без вибрационного воздействия.

На фиг.9 - зависимость силы сопротивления движению правого блока от величины относительного смещения крыльев разлома при высокочастотном вибрационном воздействии.

На фиг.10 - эксперимент по инициации смещений в зоне Ангарского разлома (полигон «Листвянка», 6-7 августа 2003 года).

На фиг.11 - влияние проливных дождей на смещения по зоне разлома (полигон «Листвянка», июль-август 2003 года).

На фиг.12 приведен характер смещений в период мощного штормового циклона.

На фиг.13 приведен характер смещений в период шторма, но без дождя.

На фиг.14 приведена запись смещений по трещинам в бортах карьера "Удачный" при мощных массовых взрывах, когда фиксировались две фазы отклика на динамическое воздействие.

На фиг.15 приведена план-схема эксперимента в Могодском фрагменте зоны сейсмодислокации.

На фиг.16 приведена план-схема эксперимента в Тормхонском фрагменте зоны сейсмодислокации Гоби-Алтайского землетрясения.

На фиг.17 приведен фрагмент записи вертикальных смещений в Тормхонском фрагменте зоны сейсмодислокации Гоби-Алтайского землетрясения до взрывной инициации и после нее.

На фиг.18 показаны два графика уменьшения амплитуд смещений в разломах с удалением от взрывной камеры после ядерных взрывов на полигоне в Неваде, а также в Могодской сейсмодислокации (на врезке).

Способ осуществляется в следующей последовательности:

1. Построение геолого-геофизической модели разлома или его фрагмента.

а) геологическое изучение зоны разлома или его фрагмента (положение на местности, линейные размеры, строение, возраст, признаки современной активности);

б) геофизическое изучение зоны разлома или его фрагмента (наклон плоскости, степень водонасыщенности, ширина и длина (если он закрыт осадками), особенности строения, сейсмическая и акустическая активность);

в) инструментальные измерения современных смещений (движений) в разломе или его фрагменте с применением программно-аппаратного комплекса «Сдвиг» (измеряются направление движения крыльев разлома, а также скорость смещений).

2. Изучение параметров геодинамического состояния разлома или его фрагмента активными методами:

а) дозированное взрывное воздействие (ступенчатое) на зону разлома с изучением параметров отклика (изменения режима смещений (амплитуды, скорости и направленности), изменения сейсмической и акустической активности);

б) вибрационное воздействие (стандартным вибрационным оборудованием) с изучением параметров отклика (изменения режима смещений (амплитуды, скорости и направленности), изменения сейсмической и акустической активности);

в) закачка водных растворов в зону разлома или его фрагменты с изучением параметров отклика (изменения режима смещений (амплитуды, скорости и направленности), изменения сейсмической и акустической активности);

г) изучение отклика на комплексное воздействие а), б), в).

3. Построение геодинамического портрета (в виде базы данных) разлома или его фрагмента на основании пунктов 1 и 2.

4. Построение физико-механической (компьютерной) модели разлома или его фрагмента. Для подбора вида и параметров воздействий проводятся серии компьютерных экспериментов на модельном разломе или модельном фрагменте разлома методом подвижных клеточных автоматов.

5. Выбор оптимального вида и параметров техногенного воздействия на разлом с целью перевода режима смещений зоны разлома в нужный режим вязкого сдвигового течения проводится на основе построенных геодинамической и физико-механической моделей. Выбор техногенного воздействия предполагает выбор необходимого оборудования, например тип ВВ, мощность ВВ, тип вибратора или вибраторов и их расположение, выбор места и глубины скважин, состав водных растворов для закачки и т.д.

6. Осуществление воздействия на разлом или его фрагмент и контроль параметров отклика. При необходимости - внесение коррективов.

Для проведения измерений в режиме мониторинга относительных микросмещений между любыми движущимися поверхностями используется высокоточный измерительный комплекс «Сдвиг» [18], разработанный авторами и позволяющий с высокой точностью (1-3 мкм) фиксировать отклик разлома на внешнее воздействие. Наряду с комплексом, дополнительно применяется стандартная геофизическая аппаратура, в частности цифровая инженерно-сейсмометрическая станция «Байкал-1» с сейсмоприемниками СК-1П.

Ниже приведены примеры проведенного полевого геолого-геофизического изучения реакции разломов на различные виды динамического воздействия при разной степени насыщения жидкостью зоны разлома.

На фиг.10 приведен пример записи двух датчиков, зафиксировавших отклик фрагмента Ангарского разлома северо-западного простирания (фиг.1) на ударные воздействия от копра, вес 100 кг, высота падения 1 м, энергия одного удара 100 Дж, частота 0.5-1.0 Гц, удаление от датчиков 4 и 10 м. Практически мгновенный отклик разлома на прохождение от генерирующего источника упругих волн (первая фаза) фиксировался в виде очень незначительных упругих и упруговязких быстрых остаточных смещений с амплитудами 2-5 мкм. После некоторой временной задержки порядка 1-2 часов запаздывания проявилась вторая фаза, которая выражалась в виде серии сравнительно медленных колебаний стенок разлома с периодами в несколько секунд и амплитудами 10-30 мкм. Эффективная скорость распространения возмущения от места ударов падающим грузом до датчиков в зоне разлома составляла порядка 80-90 м/сутки. Эта скорость соответствует скорости распространения фронта подвижки по плоскости разлома, и она связана с явлениями ползучести в раздробленных и перетертых горных породах зоны разлома, с проявляющимися свойствами вязкого поведения. На фиг.2 показано влияние искусственного водонасыщения разлома, которое осуществлялось путем закачивания воды в три разные участка фрагмента зоны разлома. При этом были инициированы сравнительно плавные и медленные, но достаточно большие по амплитудам смещения крыльев разлома. Количество закачиваемой воды и количество скважин определено на основании построенных моделей фрагмента зоны Ангарского разлома.

Еще один пример связан с естественным обводнением зоны разлома при продолжительных дождях, после которых в измерительной скважине на полигоне "Листвянка" уровень воды поднимался на 30-50 см и более, что свидетельствует об увеличении обводненности зоны разлома. На фиг.11 можно видеть заметное возрастание скорости смещений и увеличение амплитуд при ливневых дождях на полигоне.

Обратимся к следующему примеру влияния вибраций на режим смещений в разломах. На полигоне в п.Листвянка располагается 30-ти метровая по высоте башня солнечного оптического телескопа Института солнечно-земной физики СО РАН. Фундамент этой башни встроен в одно из крыльев разлома. Установлено, что при шторме под воздействием порывов сильного ветра со скоростью до 20-30 м/c происходит сильное раскачивание металлической башни телескопа. Ее упругие вынужденные колебания инициировали вибрационное воздействие с периодом 3-4 секунды (ν≈0.25 Гц), которые передавались через фундамент башни и соответственно сказывались на режиме смещений краев разлома. Таким образом, вышка телескопа при штормовой погоде естественным образом выполняет функции низкочастотного вибратора и при этом оказывает механическое сдвиговое воздействие на одно из крыльев зоны Ангарского разлома. На фиг.12 приведены записи, полученные по двум датчикам, зафиксировавшим характер смещений в период мощного штормового циклона. Необходимо также отметить, что шторм сопровождался обильным дождем, и зона разлома оказалась сильно водонасыщенной в ее приповерхностной части. Об этом свидетельствует значительное (полуметровое) повышение уровня воды в скважине пятнадцатиметровой глубины, расположенной вблизи разлома.

Изучая полученную запись (фиг.12) инициированных штормом смещений в разломе, можно сделать следующие выводы. В данном природном явлении было реализовано совместное действие двух факторов: водонасыщения и вибрации. Такое комбинированное воздействие привело к проявлению аномального по амплитуде и скорости смещения по разлому в ускоренном, в сравнении с крипом, режиме ползучести, но без выраженных быстрых, упругих импульсных смещений. В зоне разрывного нарушения северо-западного простирания было инициировано сжатие (датчик "F₁" и левостороннее сбрососдвиговое смещение, судя по записи датчика Д). Это смещение было направлено в противоположную сторону в сравнении с естественными правосторонними взбрососдвиговыми смещениями. В нижней части фиг.12 показан увеличенный фрагмент записи пакета квазиупругих импульсов с периодами 2-4 секунды, отражающий момент проявления ускоренного вибрационного колебания стенок разрыва, к которым прикреплены датчики. Эта запись отдаленно напоминает запись колебаний при землетрясении. Однако при внимательном рассмотрении видно, что скорость при колебательных движениях измеряется первыми десятками мкм/с, т.е. очень низкая. Стоит отметить, что мощные возмущения от раскачивания вышки под действием ветра достигло датчиков с запаздыванием на 4 часа. Таким образом, расчетная скорость распространения возмущения в разломе от фундамента вышки при начале шторма до датчиков составила 145 м/сутки, что сопоставимо с оценкой скорости смещений, инициированных ударами копра, приведенной выше, но зафиксированной на большем удалении датчиков от источника колебаний (башни телескопа).

Можно привести еще один подобный пример, когда было зафиксировано заметное по силе ветровое воздействие на башню телескопа, но более слабое и менее продолжительное (скорость ветра порядка 10-15 м/с). Это воздействие произошло в октябре 2003 года, но без дождя, т.е. при низкой степени водонасыщения, но зато при резком понижении температуры до -15°С. Зафиксированный эффект отклика на низкочастотные колебания башни был сходным по характеру, но менее выраженным, если судить по записи (фиг.13). Наблюдавшиеся по разлому северо-западного простирания правосторонние взбрососдвиговые смещения после ветрового воздействия на башню и на разлом практически прекратились (датчик Д), тогда как по разрывному нарушению северо-восточного простирания (датчик F₂) произошла инициированная замедленная подвижка сбросового типа, нарушившая характерный суточный ход более чем на сутки.

Следующий пример: карьер "Удачный" в Якутии, в пределах которого изучался характер влияния виброимпульсных воздействий на режим смещений в трещинах и разломах горного массива. Карьер, где разрабатывается алмазоносная кимберлитовая трубка, имеет глубину около 500 м и представляет уникальный геологический объект для изучения влияния взрывов на рост трещин в условиях различной степени водонасыщенности горного массива. В разрезе кимберлитовой трубки помимо поверхностного водонасыщенного слоя выделяются еще три водоносных горизонта, причем в настоящее время вскрыта кровля среднего, наиболее мощного из них. В бортах карьера можно увидеть некоторые фрагменты зон разломов, насыщенных как пресными, так и сильно минерализованными водами (рассолами) с общим дебитом порядка 60 т/ч. Хорошо различимы водоносные и водонепроницаемые слои в разрезе карьера. Изучение мощных взрывных воздействий (вес зарядов, взрываемых серийно в короткозамедленном режиме, достигал 50-200 т ВВ) на смещения в трещинах бортов карьера так же, как и на полигоне, показало наличие двухфазного отклика, как и в описанных выше случаях. На приведенном фиг.14 можно видеть моменты проявления фаз отклика и амплитуды инициированных смещений, составляющие 0.5-1.5 мм при удалениях датчиков от взрывных камер на 850 м. Одним из важных результатов наблюдений в карьере следует считать установленную связь увеличения скоростей и амплитуд смещений по трещинам в периоды весеннего таяния и наибольшего водонасыщения горного массива. В эти же периоды возрастал и эффект отклика на взрывное воздействие. В зимний же период при минимуме водонасыщения в приповерхностном горизонте горного массива отмечалось резкое снижение смещений по трещинам, в том числе и при мощных взрывах.

Наиболее значимые результаты, имеющие отношение к управлению режимом смещений в разломах, были получены при проведении натурных испытаний во фрагментах зон сейсмодислокаций (крупных сейсмогенных разрывов), возникших от Могодского (1967 г., 10 баллов) и Гоби-Алтайского (1957 г., 11 баллов) очень сильных землетрясений. Проводился натурный эксперимент на одном из фрагментов сейсмодислокаций Могодского землетрясения 5.01.1967 г. с М=7.6 в Центральной Монголии. На фиг.15 приведена схема расположения датчиков и источника инициации в зоне сейсмодислокаций. На схеме стрелками указывается направление естественного хода смещений, а также зарегистрированное датчиком левостороннее сдвиговое смещение после момента направленного взрывного воздействия. Отметим, что направленность взрывного воздействия была противоположной естественному направлению смещений. Взрывом с весовым зарядом 150 г ВВ удалось приостановить естественное смещение и на несколько минут изменить его на противоположное. Направленность взрывного воздействия осуществлялось укупоркой заряда в специальный толстостенный металлический стакан, который помещался в углубление в самой зоне сейсмодислокаций.

Еще одно испытание было проведено также в зоне сейсмодислокаций Гоби-Алтайского землетрясения, точнее в Тормхонском ее фрагменте. Об условиях проведенного испытания можно судить по фиг.16. В этом испытании был применен заряд ВВ с весом 250 г., также помещенный в металлический стакан и в углубление в скальном массиве. Направленность взрывного воздействия была ориентирована по ходу естественного направления смещений, выявленных путем их предварительных измерений прибором "Сдвиг" в течение 1.5 суток. На фиг.17 показан фрагмент полученной записи смещений до взрывной инициации и после нее. Анализ записей датчиков показал проявление 2-х фаз отклика разрыва на воздействие. Упругий отклик в 1-й фазе имел амплитуду 0.6 мм. Затем после задержки начались медленные движения берегов разрыва, амплитуда которого равна 1.1 мм, а длительность составила более суток. На фоне медленных движений крыльев зафиксированы редкие пакеты с размахом порядка 1 мм более быстрых колебательных импульсных смещений. Развертка записи этих импульсов показала, что они имеют периоды 3-5 с, т.е. эти импульсы напоминают записи упомянутых выше "медленных землетрясений". Осуществленное управляющее воздействие по ходу естественного направления смещения в разрыве привело в этом испытании к более убыстренным в сравнении с крипом движениям крыльев в течение 2-й фазы и инициации пакетов относительно медленных импульсных колебательных смещений. Оба испытания позволяют судить о возможности управления режимом естественных смещений в разрывных нарушениях относительно небольших размеров. Однако эти результаты позволяют говорить также о реальности техногенного управления режимом приразломных деформаций на сейсмоопасных разломах большего масштаба.

Исходя из известных представлений об инвариантности процессов деструкции горных массивов на разных масштабных уровнях, следует сделать вывод о том, что указанными внешними, но более энергоемкими воздействиями на крупные фрагменты разломов протяженностью порядка 1-10 км и более можно осуществлять управление режимами смещений и, следовательно, режимами выделения накопленной тектонической энергии. Одним из аргументов в пользу такого подобия можно считать графики на фиг.18, где обнаруживается сходство уравнений корреляции между эффектами инициации смещений в разрывах при ядерных взрывах в штате Невада и проведенных нами натурных испытаниях в Монголии.

Известно, что накопление тектонической энергии в горных массивах происходит достаточно медленно, о чем свидетельствуют широко распространенные сведения о повторяемости сильных землетрясений. Проведенные простые расчеты, основанные на известных скоростях тектонического крипа в разломах и повторяемости землетрясений, показывают следующее. Вызванное техногенной инициацией искусственное плавное смещение по разлому с амплитудами 10-100 см может снизить напряженное состояние и отодвинуть сейсмогенную реализацию критических деформаций на периоды порядка 200-2000 лет, т.е. до того момента, когда смогут вновь накопиться критические деформации в сейсмоопасном фрагменте разлома.

Использованные источники

1. SU 1432220 A1, 1988.

2. SU 1446310 A1,1988.

3. RU 2138638 C1, 1999.

4. RU 1804556 A3, 1993.

5. Мальковский В.И., Пэк А.А. Влияние высокопроницаемого разлома на структуру тепловой конвекции растворов в зонах спрединга океанского дна //Докл.Ран, 1997, т.354, №6, с.787-789.

6. Любимова Е.А., Милановский С.Ю., Смирнова Е.В. Новые результаты изучения теплового потока на Балтийском щите // История развития теплового поля в различных зонах эндогенного режима стран Восточной Европы. М.: Наука, 1985, С.93-104.

7. Ружич В.В., Трусков В.А., Черных Е.Н., Смекалин О.П. Современные движения в зонах разломов Прибайкалья и механизмы их инициирования // Геология и геофизика. - 1999. - Т.40. - №3. - С.360-372.

8. Псахье С.Г., Ружич В.В., Смекалин О.П., Шилько Е.В. Режимы отклика геологических сред при динамических воздействиях // Физическая мезомеханика. - 2001. - Т.4. - №1. - С.67-71.

9. Ружич В.В., Псахье С.Г., Борняков С.А., Смекалин О.П., Шилько Е.В., Черных Е.Н., Чечельницкий В.В., Астафуров С.В. Изучение влияния виброимпульсных воздействий на режим смещений в зонах сейсмоактивных разломов // Физ. Мезомех. - 2003. - Т.6. - №1. - с.41-53.

10. Ruzhich V.V., Smekalin O.P., Shiiko E.V., Psakhie S.G. About nature of "slow waves" and initiation of displacements at fault regions // Proc. of the International conference on new challenges in mesomechanics 2002. - V.1. - P.311-318.

11. Ружич В.В., Смекалин О.П. О механизмах инициации смещений в зонах разломов // Физические основы прогнозирования разрушения горных пород. Труды 1-й Международной школы-семинара. - Красноярск: 2002, - С.126-134.

12. Мельников А.И., Алексеев С.В., Ружич В.В., Егоров К.Н., Алексеева Л.П., Черных Е.Н., Чечельницкий В.В., Смекалин О.П., Шмаров Г.П., Павлов В.А. Оценка параметров техногенной активизации опасных геологических процессов в крупных горных выработках открытого типа (на примере карьера трубки «Удачная») // Отечественная геология. - 2002, №4. - С.20-24.

13. Псахье С.Г., Дмитриев А.И., Шилько Е.В., Смолин А.Ю., Коростелев С.Ю. Метод подвижных клеточных автоматов как новое направление дискретной вычислительной механики. I. Теоретическое описание // Физ. мезомех. - 2000. - Т.3. - №2. - С.5-15.

14. Psakhie S.G., Horie Y., Ostermeyer G.P., Korostelev S.Yu., Smolin A.Yu., Shiiko E.V., Dmitriev A.I., Blatnik S., Spegel М., Zavsek S. Movable cellular automata method for simulating materials with mesostructure // Theoretical and applied fracture mechanics. - 2001. - V37. - Nos 1-3. - P.311-334.

15. Psakhie S.G., Zavshek S., Jezershek J., etc. Computer-aided examination and forecast of strength properties of heterogeneous coal-beds. // Computational material science. 2000. - V.19. - №1-4. - P.69-76.

16. Гольдин С.В., Псахье С.Г., Дмитриев А.И., Юшин В.И. Переупаковка структуры и возникновение подъемной силы при динамическом нагружении сыпучих грунтов // Физ. мезомех. - 2001. - Т.4. - №3. - С.97-105.

17. Структуры и текстуры изверженных и метаморфических горных пород. Атлас в 2 томах. // М.: изд-во «Недра». 1966.

18. Высокоточный измерительный комплекс «Сдвиг» // Научный и промышленный потенциал Сибири. Инвестиционные проекты, новые технологии и разработки. - Новосибирск: ЗАО "Новосибирский биографический центр", 2004. - С.90-91.

Изобретение относится к области сейсмогеологии, а именно к способам управления режимом инициированных смещений в зонах сейсмоопасных разломов. Оно может быть использовано для решения проблем обеспечения сейсмобезопасности в местах расположения мегаполисов, экологически опасных объектов (атомных станций, гидроузлов, хранилищ опасных отходов, тоннелей и т.п.), а также на площадках предполагаемого строительства и при проектировании особо важных строительных объектов. Согласно заявленному способу управление режимом смещений во фрагментах сейсмоактивных тектонических разломов осуществляют внешнее воздействие на выбранный фрагмент. Регистрируют исходные параметры фрагмента разлома. Затем осуществляют тестирующее воздействие на фрагмент разлома для оценки исходного уровня тектонических напряжений в нем. После чего для инициирования плавных смещений крыльев разлома в режиме сдвиговой ползучести осуществляют последующее воздействие на выбранный фрагмент разлома. Выбор вида и параметров последующего воздействия осуществляют с учетом исходного уровня тектонических напряжений во фрагменте. Технический результат: снижение избыточного уровня накопленной тектонической энергии недр. 3 з.п. ф-лы, 18 ил.

1. Способ управления режимом смещений во фрагментах сейсмоактивных тектонических разломов путем внешнего воздействия на выбранный фрагмент, включающий регистрацию исходных параметров фрагмента разлома, тестирующее воздействие на фрагмент разлома для оценки исходного уровня тектонических напряжений в нем, воздействие на выбранный фрагмент для инициирования плавных смещений крыльев разлома в режиме сдвиговой ползучести, отличающийся тем, что тестирующее воздействие и воздействие для инициирования смещений крыльев разлома в режиме вязкого сдвигового течения представляют собой активное комбинированное воздействие на выбранный фрагмент разлома с контролем параметров отклика и корректировкой параметров воздействия в случае необходимости.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на основе зарегистрированных исходных параметров строят геолого-географическую модель разлома или его фрагмента, а на основе этой модели и полученных параметров отклика на тестирующее воздействие строят геодинамическую модель разлома или его фрагмента и/или его физико-механическую модель методом подвижных клеточных автоматов, и на основе построенных моделей определяют вид и параметры активного комбинированного воздействия на разлом или его фрагмент.3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что активное комбинированное воздействие представляет собой взрывное воздействие, или вибрационное воздействие, и/или закачку жидкости.4. Способ по п.3, отличающийся тем, что закачка жидкости во фрагмент разлома представляет собой, например, закачивание воды, закачивание водных растворов с добавлением ПАВ.