СПОСОБ ОЦЕНКИ ШИРИНЫ ЗОНЫ ДИНАМИЧЕСКОГО ВЛИЯНИЯ АКТИВНОГО РАЗЛОМА ЗЕМНОЙ КОРЫ Российский патент 2014 года по МПК G01V9/00 

Изобретение относится к определению зон динамического влияния активного разлома земной коры на основе исследования концентраций радона в пробах почвенного воздуха и может быть использовано при выполнении проектно-изыскательских работ и строительных работ при возведении зданий, сооружений и коммуникаций.

Важной задачей при строительстве является определение зон активных разрывных деформаций земной коры, представляющих опасность в плане деструкции строительных конструкций, коммуникаций, газо-нефтепроводов.

Одним из способов решения этой задачи является обнаружение опасных зон по аномальным выходам на поверхность летучих газов.

Известен способ выявления геодинамических движений в тектонических структурах по отборам проб почвенного воздуха с определением концентраций торона, радона, коронирующих газов и выделением аномальных участков по установленным количественным соотношениям между интенсивностью геодинамических процессов и средними концентрациями газов (А.с. СССР №396659, G01V 5/00, 1973 г. [1]). Недостатком известного способа является невысокая достоверность определения аномальных участков.

Известен способ геофизического обнаружения участков аномального выхода на поверхность летучих газов, включающий отбор проб из приповерхностного слоя в выбранных точках исследуемой территории и определение концентрации, в котором в каждой выбранной точке исследуемой территории определяют напряженность атмосферного электрического поля, а в отобранных пробах определяют концентрацию радона, выделяют участки с результатами измеренных параметров, отличных от фоновых, и выносят суждение о наличии аномального выхода на поверхность летучих газов на выделенных участках по совпадению экстремальных значений напряженности атмосферного электрического поля и концентрации радона, причем о наличии аномального выхода на поверхность летучих газов на выделенных участках судят при выполнении неравенства:

где E_э - экстремальная напряженность атмосферного электрического поля, В/м;

C_Rn.э - экстремальная концентрация радона, Бк/л;

E_ср.фон - средняя фоновая напряженность атмосферного электрического поля, В/м;

C_Rn.фон - средняя фоновая концентрация радона, Бк/л;

σ - среднеквадратичное отклонение отношений фоновых значений напряженности атмосферного электрического поля к фоновым значениям концентрации радона (В л)/(м Бк) или при выполнении неравенства

…или

Где E_э - экстремальная напряженность атмосферного электрического поля, В/м;

C_Rn.э - экстремальная концентрация радона, Бк/л;

C_л.г.э - экстремальная концентрация компоненты летучего газа, мГ/л;

E_ср.фон - средняя фоновая напряженность атмосферного электрического поля, В/м;

C_Rn.фон - средняя фоновая концентрация радона, Бк/л;

C_{л.г.фон.} - средняя фоновая концентрация компоненты летучего газа, мГ/л;

σ - среднеквадратичное отклонение отношений фоновых значений напряженности атмосферного электрического поля к фоновым значениям концентрации радона и фоновой концентрации компоненты летучего газа, В л/м Бк мГ/л (патент РФ №2225019, G01V 11/00, 2004 г. [2]).

По назначению, по технической сущности, по наличию сходных признаков данное решение выбрано в качестве ближайшего аналога.

Основные недостатки известного способа - отсутствие формализации критериев определения уровня фон-аномалия, оценки степени геодинамической активности участка земной коры, а также достоверного определения границ геодинамически активных зон сложного строения (например, разломных), которые наиболее распространены в природе и создают резко неоднородные аномалии летучих газов, где максимумы концентраций соседствуют с локальными минимумами.

Использование в определении аномальных участков экстремальных значений напряженности атмосферного электрического поля и концентрации радона в приповерхностном слое значительно снижает достоверность результатов из-за случайных отклонений параметров и погрешностей измерений. Введение в расчетные формулы среднеквадратичных отклонений физических величин снижает достоверность показателей. Так, сопоставление результатов целенаправленных работ по выделению приразломных аномалий радона с использованием среднего арифметического (Q_cp) и параметра Q_cp+σ показали, что разломный сместитель в первом случае всегда попадает в границу аномалии, тогда как во втором случае - лишь у третей части изученных эталонных объектов.

Задачей предлагаемого технического решения является достоверное определение зон активных разрывных деформаций земной коры, представляющих опасность для инженерно-технических сооружений и коммуникаций.

Техническими результатами являются оконтуривание приразломной аномалии, оценки показателя радоновой активности разлома, оценки ширины зоны динамического влияния активного разлома земной коры, а также степени его геодинамической активности.

Технические результаты достигаются тем, что в способе оценки ширины зоны динамического влияния активного разлома земной коры, включающем отбор проб воздуха из почвенного слоя в выбранных точках исследуемой территории: производят оконтуривание приразломной аномалии по уровню среднего арифметического значения объемной активности радона; определяют пространственные и количественные соотношения аномалии радона с полем приразломной трещиноватости по формуле:

M_D__i=0.75 M_Q__i,

где M_D__i - ширина зоны разлома в трещиноватости на i-м профиле;

M_Q__i - ширина приразломной аномалии радона на i-м профиле,

производят оценки показателя радоновой активности разлома (K_Q) по формуле:

K_Q=Q_max/Q_min,

где Q_max - максимальная величина объемной активности радона в разломной зоне; Q_min - минимальная величина объемной активности радона за границами разломной зоны,

а также определяют ширину зоны динамического влияния разлома (M_D) на участке исследования по формуле:

где n - количество профилей;

k - эмпирический коэффициент, равный 0.75;

M_Q__i - ширина приразломной эманационной аномалии для i-го профиля.

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с решением, выбранным в качестве ближайшего аналога, выявил следующее.

Предлагаемое решение и решение по ближайшему аналогу характеризуются сходными признаками:

- определение активных зон движений земной коры по выделениям радона;

- отбор проб воздуха из почвенного слоя в выбранных точках исследуемой территории;

- выделение участков с его аномальными значениями.

Предлагаемое решение также характеризуется признаками, отличными от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу:

- производят оконтуривание приразломной аномалии по уровню среднего арифметического значения объемной активности радона;

- определяют пространственные, а также количественные соотношения аномалии радона с полем приразломной трещиноватости по следующей формуле:

M_D__i=0.75 M_Q__i,

где M_D__i - ширина зоны разлома в трещиноватости на i-м профиле;

M_Q__i - ширина приразломной аномалии радона на i-м профиле;

- производят оценку показателя радоновой активности разлома по следующей формуле:

K_Q=Q_max/Q_min,

где Q_max - максимальная величина объемной активности радона в разломной зоне;

Q_min - минимальная величина объемной активности радона за границами разломной зоны;

- определяют ширину зоны динамического влияния разлома (M_D) на участке исследования по формуле:

исследования по формуле:

где M_D__i - ширина зоны разлома в трещиноватости на i-м профиле (определенная по ширине приразломной аномалии радона);

n - количество профилей, пересекающих разлом.

Наличие в предлагаемом решении признаков, отличных от признаков, характеризующих решение по ближайшему аналогу, позволяет сделать вывод о его соответствии условию патентоспособности изобретения «новизна».

Техническая сущность предлагаемого решения заключается в следующем.

Известна и широко применяется в качестве одного из предвестников землетрясений эманационная радоновая съемка. В предлагаемом решении радоновая съемка применена к определению зоны динамического влияния активного разлома земной коры на основе исследования концентраций радона в пробах почвенного воздуха, и результаты могут быть использованы при выполнении проектно-изыскательских и строительных работ при возведении зданий, сооружений и коммуникаций.

Основой разработки являются современные представления тектонофизики о разломе как широкой зоне проявления генетически связанных разрывных нарушений, обрамленной по периферии участками повышенной трещиноватости. Аномалии радона (точнее объемной активности почвенного радона - Q, Бк/м³), ассоциирующиеся с разломными зонами, отличаются крайней неравномерностью, что в большинстве природных обстановок не позволяет использовать ординарные варианты эманационной радоновой съемки для картирования геодинамически активных участков земной коры. Предлагаемая технология, разработанная на базе многолетних исследований в Монголо-Сибирском регионе, включает критерий выделения уровня фона, способ оконтуривания приразломной аномалии, ее пространственные и количественные соотношения с полем приразломной трещиноватости, а также оценку показателя радоновой активности разлома, который определяется его геодинамической активностью.

Критерием выделения приразломных эманационных аномалий является уровень среднего арифметического значения объемной активности радона (Q_m) без прибавления к нему величины среднего квадратичного отклонения (σ), как это обычно делается при проведении подобных исследований. Результаты поисковых исследований в Монголо-Сибирском регионе показали, что при использовании величины Q_m+σ в подавляющем большинстве случаев главный разломный сместитель не попадает в границы эманационной аномалии. Причиной подобного результата является низкая проницаемость для газов глинки трения, образующейся у сместителя при движении контактирующих блоков, к одному из которых вследствие интенсивной раздробленности, как правило, и приурочены наиболее высокие значения параметра Q. Таким образом, результаты обработки измерений с использованием величины Q_m в качестве уровня аномалии наиболее адекватно отражают строение и размеры зоны динамического влияния активного разлома земной коры в поле эманации радона.

Наличие непрерывной аномалии, т.е. участка земной коры, в каждой точке которого величина активности почвенного радона превышает среднее арифметическое из сделанных при эманационной съемке измерений, - простой случай, крайне редко встречающийся в природе. Обычно поле радона, ассоциирующееся с разломной зоной, характеризуется существенной неравномерностью и представляет чередование аномальных и фоновых участков. Согласно предлагаемому способу последние включаются в границы приразломной аномалии, если они по размеру меньше хотя бы одного из соседних участков, где значение объемной активности радона превышает величину Q_m для профиля эманационной съемки. Ширина зоны динамического влияния активного разлома (M_D) определяется по размеру приразломной эманационной аномалии (M_Q) в соответствии с эмпирическим соотношением, полученным для разломов Прибайкальского региона и Центральной Монголии: M_D=0.75 M_Q.

Прогнозная оценка степени геодинамической активности разлома осуществляется с применением относительного показателя, т.к. на абсолютное значение Q, кроме собственно «разломных» факторов (активность, структура), влияет региональная специфика (тип источника излучения, физические свойства окружающих пород, метеодинамика и др.). В патентуемом способе для оценки и сопоставления разломов по активности используется показатель радоновой активности (K_Q), который определялся как отношение Q_max к минимальной величине Q_min соответствующей активности радона в породах непосредственно за границами приразломной аномалии (K_Q=Q_max/Q_min). Согласно имеющейся у авторского коллектива статистики определения величин K_Q для разломов Монголо-Сибирского региона показатель радоновой активности отражает, главным образом, их геодинамическую активность. Он варьируется от 1.4 до 48.2, имеет неравномерное распределение с наличием преобладающих по встречаемости значений (мод).

Существование таких мод позволяет разделить разломы по контрастности проявления сопутствующей аномалии радона на 5 групп со сверхвысокой (K_Q>10), высокой (10≥K_Q>5), повышенной (5≥K_Q>3), средней (3≥K_Q>2) и низкой (K_Q≤2) активностями.

Первую и вторую группы составляют разломы, характеризующиеся высокими скоростями перемещения крыльев, сейсмичностью или наличием палеосейсмодислокаций, что позволяет считать их опасными в геодинамическом отношении. Строительство зданий и сооружений в пределах зон динамического влияния таких разломов должно сопровождаться повышением жесткости конструкции и/или укреплением фундамента, а для группы 1 - принятием индивидуальных решений, конструкторских или запретительных ввиду невозможности использования данной территории (или отдельных ее участков) для строительства в силу реальной опасности разрушения.

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с другими известными решениями в данной области выявил следующее.

Известен способ прогноза землетрясений, заключающийся в проведении режимных наблюдений изменения концентрации радона в массиве горных пород, в котором производят бурение специальных наблюдательных скважин, глубина которых менее глубины уровня грунтовых вод, и в каждой из этих скважин непрерывно регистрируют динамику выделения радона из массива горных пород и суммарное количество сейсмической энергии, поступившей в каждую наблюдательную скважину, и по серии наблюдений во времени выделяют зоны с последовательным уменьшением или увеличением выделения радона с учетом поступившей сейсмической энергии, указанные зоны наносят на карту исследуемого района и по площади зоны динамического уменьшения радона судят о положении эпицентра и магнитуде ожидаемого землетрясения, а по динамике уменьшения и/или увеличения выделения радона в наблюдательных скважинах судят о времени ожидаемого сейсмического события (патент РФ №2106663, G01V 11/00, 1998 г. [3]).

Для оценки радоноопасности территорий при инженерно-экологических изысканиях известны следующие технические решения.

Известен способ определения плотности потока радона с поверхности земли, основанный на диффузионно-конвективной модели, отличающийся тем, что одновременно измеряют объемную активность радона в двух точках, расположенных на расстоянии от 0,2 до 1 м друг от друга, причем измерение в одной точке производят на глубине h₁ от 0,2 до 0,5 м, а в другой - на глубине h₂=2h₁, затем плотность потока радона (ППР) определяют из выражения:

,

где A₁ - объемная активность радона на глубине h₁, Бк/м³;

A₂ - объемная активность радона на глубине h₂, Бк/м³;

h₁ - глубина, на которой производят первое измерение, м;

D - истинный коэффициент диффузии радона, м²/с (патент РФ №2212688, G01T 1/167, 2003 г. [4]).

Известен способ измерения установившейся равновесной объемной активности радона (A) в почвенном воздухе, в котором одновременно измеряют объемную активность радона в двух точках, расположенных на расстоянии от 0,2 до 1 м друг от друга, причем измерение в одной точке производят на глубине h₁ от 0,2 до 0,5 м, а в другой - на глубине h₂=2h₁, затем определяют установившуюся равновесную объемную активность радона (A) по формуле

где A₁ - объемная активность радона на глубине h₁, Бк/м³;

A₂ - объемная активность радона на глубине h₂, Бк/м³ (патент РФ №2212689, G01T 1/167, 2003 г. [5]).

Известен способ выявления геодинамических движений в грунте и защиты от них надземных металлоконструкций, например трубопровода, характеризующийся тем, что выбуривают по трассе трубопровода ряд скважин на определенную глубину с определенным шагом, отбирают пробу почвенного воздуха, по которой определяют наличие торона, радона и коррозирующих газов и выделяют аномальные участки, при этом в зоне аномальных участков по ходу трубопровода с опорами выполняют ряд замкнутых круговых прорезей глубиной до недеформируемых коренных пород, после чего прорези заполняют вязким нетвердеющим материалом, а под опорами трубопровода выбуривают несколько скважин, в которые устанавливают кожухи, внутри которых размещают сваи, а свободное пространство между ними заполняют также вязким нетвердеющим материалом (патент РФ №2165498, E02D 31/06, G01V 5/00, 2003 г. [6]).

В результате поиска и сравнительного анализа не выявлено технических решений, характеризующихся идентичной или аналогичной с предлагаемым решением совокупностью признаков, использование которого позволяет определить локальные области приразломной аномалии со сложным внутренним строением, установить пространственные и количественные соотношения аномалии радона с полем приразломной трещиноватости, оценить показатели радоновой активности разлома, определить ширину зоны динамического влияния активного разлома земной коры, оценить степень его геодинамической активности.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».

Предлагаемый способ оценки ширины зоны динамического влияния активного разлома земной коры осуществляется следующим образом.

ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ

На первом этапе реализации предлагаемого способа вкрест простирания изучаемого разлома производится профильная эманационная съемка. Расстояние между профилями и точками отбора проб почвенного воздуха на профилях определяются детальностью съемки. По результатам анализа проб с использованием радиометра радона строится график изменения параметра Q вдоль нескольких (i) профилей и для каждого из них определяется уровень аномальных значений Q_m__i (среднее арифметическое).

На втором этапе исследования в пределах каждого профиля проводятся границы единой аномалии, в которую включаются участки с Q>Q_m__i, а также небольшие домены с Q<Q_m__i, если их размеры меньше хотя бы одного из располагающихся рядом аномальных участков. Затем, используя соотношение M_D__i=0.75 M_Q__i, для каждого профиля по размеру приразломной эманационной аномалии (M_Q__i) определяется ширина зоны изучаемого разлома (M_D__i). Среднее арифметическое полученных значений представляет искомую ширину зоны динамического влияния разлома (M_D) на участке исследования.

На третьем этапе аналогичные расчеты проводятся для показателя радоновой активности. Для каждого из i профилей используется соотношение: K_Q__i=Q_max__i/Q_min__i, где Q_max__i - максимальная величина объемной активности радона в разломной зоне в пределах i-го профиля; Q_min__i - минимальная величина объемной активности радона непосредственно за границами разломной зоны на i-м профиле. При этом Q_min__i определяется как среднее из двух оценок данного параметра, полученных на профиле в каждом из крыльев разлома. Показатель радоновой активности для изучаемого отрезка разлома в целом (K_Q) определяется как среднее арифметическое величин K_Q__i, полученных по всем профилям. По значению данной величины изученное нарушение земной коры относят к разломам сверхвысокой (K_Q>10), высокой (10≥K_Q>5), повышенной (5≥K_Q>3), средней (3≥K_Q>2) или низкой (K_Q≤2) активности.

Полученная прогнозная оценка степени активности разлома в совокупности с установленными шириной зоны его динамического влияния и характером распределения участков с аномальной проницаемостью (нарушенностью) земной коры являются основой для принятия решения о необходимости усиления конструкций сооружения, запланированного для строительства на изучаемом участке. Специализированные проектные и строительные организации на основе полученных данных по предлагаемому техническому решению делают выводы о возможности (невозможности) строительства на данных участках, оценивают вероятные риски, что позволяет не только сократить или предотвратить возможные непроизводительные материальные и финансовые затраты, но и оценить возможные эксплуатационные затраты, сроки эффективной службы строительных конструкций и сооружений.

На Фиг.1,а и б фотографически и графически представлен пример реализации предлагаемого способа для одного из активных разломов земной коры с набором значений всех параметров, перечисленных выше в тексте.

Профиль 1 (ПР-1): Q_m_₁=3903 Бк/м³; M_Q_₁=110 м; M_D_₁=83 м; Q_max_₁=20200 Бк/м³; Q_min_₁=1168 Бк/м³; K_Q_₁=17.3.

Профиль 2 (ПР-2): Q_m_₁=1109 Бк/м³; M_Q_₁=92 м; M_D_₁=69 м; Q_max_₁=1970 к/м³; Q_min_₁=712 к/м³; K_Q_₁=2.8.

Профиль 3 (ПР-3): Q_m_₁=1875 Бк/м³; M_Q_₁=25 м; M_D_₁=19 м; Q_max_₁=2440 Бк/м³; Q_min_₁=1680 к/м³; K_Q_₁=1.4.

Разломная зона в целом: M_D=57 м; K_Q=7.2

Прогнозная оценка геодинамической активности разлома на участке изучения: высокая в среднем до сверхвысокой у отдельных отрезков (ПР-1).

Использование предлагаемого технического решения при выполнении проектно-изыскательских и строительных работ при возведении зданий, сооружений и коммуникаций позволит значительно снизить риски и непроизводительные затраты за счет заблаговременного определения зон активных разрывных деформаций земной коры, представляющих опасность в плане деструкции строительных конструкций, коммуникаций, газонефтепроводов.

Литература

1. А.с. СССР №396659, G01V 5/00, 1973 г.

2. Патент РФ №2225019, G01V 11/00, 2004 г.

3. Патент РФ №2106663, G01V 11/00, 1998 г.

4. Патент РФ №2212688, G01T 1/167, 2003 г.

5. Патент РФ №2212689, G01T 1/167, 2003 г.

6. Патент РФ №2165498, E02D 31/06, G01V 5/00, 2003 г.

Изобретение относится к области геологии и может быть использовано для выявления и оценки динамического влияния активного разлома земной коры. Сущность: отбирают пробы воздуха из почвенного слоя в выбранных точках исследуемой территории. Анализируют отобранные пробы, определяя объемную активность радона. По уровню среднего арифметического значения объемной активности радона оконтуривают приразломную аномалию. Рассчитывают пространственные и количественные соотношения аномалии радона с полем приразломной трещиноватости. Затем производят оценку показателя радоновой активности разлома, а также оценку ширины зоны динамического влияния разлома на участке исследования. Технический результат: повышение достоверности определения зон активных разрывных деформаций земной коры. 1 ил.

Способ оценки ширины зоны динамического влияния активного разлома земной коры и степени его геодинамической активности, включающий отбор проб воздуха из почвенного слоя в выбранных точках исследуемой территории, отличающийся тем, что производят оконтуривание приразломной аномалии по уровню среднего арифметического значения объемной активности радона, определяют пространственные и количественные соотношения аномалии радона с полем приразломной трещиноватости по следующей формуле: M_{D_i}=0.75 M_{Q_i},
где M_{D_i} - ширина зоны разлома в трещиноватости на i-ом профиле,
M_{Q_i} - ширина приразломной аномалии радона на i-ом профиле,
производят оценку показателя радоновой активности разлома (K_Q) по формуле: K_Q=Q_max/Q_min,
где Q_max - максимальная величина объемной активности радона в разломной зоне,
Q_min - минимальная величина объемной активности радона за границами разломной зоны,
а также оценку ширины зоны динамического влияния разлома (M_D) на участке исследования по формуле: ,
где n - количество профилей,
k - эмпирический коэффициент, равный 0.75,
M_{Q_i} - ширина приразломной эманационной аномалии для i-го профиля.