Способ выявления современных геодинамических движений в горном массиве Советский патент 1984 года по МПК G01V3/12 

1П Изобретение относится к геофизике и может быть использовано для выявления и -изучения современнык геодинамических движений с помощью электромагнитных полей. Известен способ выявления современных: геодинамических движений в тактонических структурах посредством эманационной съемки, при котором проводят периодические измерения концентрации радиоактивных газов в поверхностном слое горных пород ij . Данный способ обеспечивает выявление зон современных геодинамических процессов в тектонических структурах, однако не позволяет разделять движения, приводящие к сдвигу горных пород в массиве или к сжатшо-растя жениюо Кроме того, применение указанного способа невозможно при отсутстВИИ рыхлых покровных пород, а на результаты измерений влияет баро-гидротермический режим грунтов. Известен также способ прог.нозирова ния оползневых явлений ,по которому с помощью электрометрической установки создают в массиве горных пород электрическое поле низкой частоты и проводят регистрацию изменений параметров вторичного электрического поля. О начавшейся разрьшной деформации горных пород судят по резкому изменению кажущегося сопротивления П в результате периодических наблюдений за состоянием горного массива, нахо-г дящегося в зоне сдвижения Известный способ позволяет определять движения, приводящие к деформации растяжение-сжатие и сдвигу при устойчивьпс баро-гидротермических условиях. Однако он не обеспечивает разделения движений, приводящих к растя жению и сжатию или к сдвигу горньгх пород, и не может быть реализован на сыпучих, скальных и водных средах. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей способа путем разделения движений, приводящи к растяжению-сжатгоо и (или) сдвигу. Указанная цель достигается тем. что согласно способу выявления совре менных геодинамических движений в го ном массиве, основанному на создании искусственного электромагнитного пол и периодической регистрации изменения параметров вторичного электромагнитного поля, регистрируют изменения па раметров вторичного электромагнитног 2 поля в поверхностном слое горного массива путем измерения серии амплитуд магнитной составляющей вторичного поля по кругу, в центре которого разме-г щают излучатель электромагнитного поля по отношению максимальной и минимальной амплитуд судят о наличии движений, приводящих к растяжению-сжатию горных пород в массиве, а по углу поворота максимальной амплитуды судят о наличии движений, приводящих к сдвигу горных пород, при этом поверхностный слой переводят к квазиизотропное состояние до начала измерений в каждой серии. С целью выявления движений в горном массиве, поверхностный слой которого образован сыпучей, скальной или водной средой, изменение параметров вторичного электромагнитного поля регистрируют в контрольной среде, приведенной в контакт с поверхностным слоем горного массива, причем контрольную среду перед измерением приводят в изотропное состояние. В качестве контрольной среды используют асфальт, битум, лед. На фиг. 1-3 представлены полярные диаграммы зависимости магнитной составляющей вторичного поля tty от азимута установки, поясняющие явление регенерации микродеформаций в естественном поверхностном слое и движения, приводящие к растяжению-сжатию горньпс пород в массиве (на фиг. 1 -структура поверхностного слоя в момент первого измеренияj на фиг. 2 - структура поверхностного слоя, переведенного в квазиизотропное состояние; на фиг. 3 - структура поверхностного слоя в момент второго измерения); на фиг. 4 и 5 - полярные диаграммы зависимости вторичного магнитного поля Н2 от азимута установки, поясняющие движения, приводящие к сдвигу горных пород в массиве; на фиг. б - геологическая карта с двумя профилями, пройденными по бетонному покрытию; ла фиг. 7 - геологическая карта двух профилей, из которых один пройден по асфальтовому покрытию, а другой - по льду. В основе способа лежит экспериMeHTajibHO установленная связь современных геодинамических процессов о повсеместно обнаруживаемых анизотропией структурных свойств сред, по своей природе квазиизотропных, но 31 являющихся частью горной среды или хотя бы временно вступающих в контакт с ней. OcHOBHbiiiH фактами в пользу связи названной анизотропии с современными геодинамическими процессами следует считать явления генераи 1И и регенерации микродеформаций в различных средах, а также дестабилизацию ориентации микродеформаций во вр емени. Во всех случаях интенсивность про явления микродеформаций определяется прежде всего характеристиками сред. Последнее хорошо согласуется с зависимостью, . Г1 in ПГ1|/4 V f А I где п - количество разрывов в среде; Ф - коэффициент пропорциональности; p,7i(t - характеристики среды; V - скорость современных движений С - постоянная.. Способ реализуется следующим обра зом . С помощью радиоволновой установки содержащей излучатель, размещенный на диэлектрической платформе, создаю электромагнитное поле. Для регулирования глубины зондирования от нескольких дециметров до нескольких сантиметров диаметр платформы изменяют от 2 до 0,5 м. Максимальная мощность, подводимая к излучателю, не превышает 1 Вт, реальная чувствительность приемника не хуже 0,5 мВ/м„ Посредством указанной установки наблюдают за амплитудой магнитной составляющей вторичного электромагни ного поля на фиксированной рабочей частоте 2 мГц. На пикета профиля излучают первич ное электромагнитное поле и измеряют амплитуды магнитной составляющей вто ричного поля по кругу с центром в точке профиля с угловым шагом от 5 до 30°, определяемым необходимой даталь ностью исследований, при этом ось вр щения проходит в зоне излучателя,отсчет азимутального угла поворота ведут по положению приемника. Регистрируют сери:-г амплитуд магнитной составляющей вторичного поля в поверхностном слое горного массивг. Из полученной серии выделяют направления с максимальной и минимальной амплитудами, фиксируя при этом 134 направление максимальной. Определяют значения указанных амплитуд и величи ну их огношения. Чеоея промежуток воемени, равный пеоиоду измерений, проводят повторные измерения, при этом фиксируют направление максимальной амплитуды, определяют изменение ее направления по сравнению с предьщущим, т.е. угол поворота, а также значения максимальной и минимальной амплитуд и величину их отношения. По величине угла поворота судят о наличии движений, приводящих к-сдвигу горных пород в мае- , сиве, а по изменению величины отношения максимальной и минимальной амплитуд судят о наличии движений, приводящих к растяжению-сжатию горных пород. Для наблюдения за характером и развитием современных гeoдинa шчecкиx движений измерения проводят периодически, через промежутки времени, обусловленные необходимой детальностью исследований. Об относительной интенсивности современных геодинамических двт-шений судят по изменению величин отношения макст 1альной и шнимaльнoй амплитуд , и угла поворота максимальной в единицу временио При наличии покровньпс пород из влажных глин и суглинков регистрируют изменение параметров вторичного электрсзмагнигного поля в поверхностном слое указанных пород, 3 случае, если поверхностный слой горного массива образован сыпучей, скальной или водкой средами, для регистрации используют контрольную среду (например, асфальт, битум, лед), которую приводят в контакт с поверхностным слоем горного массива наложением, при этом время контакта задается и зависит от свойств С:реды. Для выявления и изучения закономерностей изменения современных двил ений посредстБом получения текущей геодинамической информации перед каждьк.1 измерением поверхностный слой или контрольную среду переводят в квазиизотропное состояние рыхлением или нагреванием. На фиг. 1-3 в полярной системе координат представлены результаты измерений и время их проведения при постановке опыта по наблюдению за явлением регенерации микродеформаций в среде. Опыт проводился на поле шахты Нагольчанская (Донецкий бассейн), 17.05.77 в 11 ч была зарегистрирована структурная неоднородность, ориентировки этой неоднородности в каждом квадранте указаны стрелками. Затем на пикете был вскрыт niypft радиусом 2,5 м и глубиной 0,8 м. После рыхления грунт в той же последовательности был уложен в шурф и тщатель но утрамбован. Вслед за рекультивацией были поставлены режимные наблюдения. Первые измерения, выполненные 19.05.77 в 17 ч свидетельствуют о структурной однородности среды в зоне пикета (фиг. I). Бл iжaйшиe из результатов наблюдений, однозначно указывающие на явление регенерации ранее замеченной неоднородности в зоне пик:- та, приходятся на 20,05,77 в 10 ч 30 мин, т,е, примерно 17 ч спустя после перевода среды в квазиизотропное состояние (фиг. 3). Подобные опыты свидетельствуют о повсеместном наличии в горной среде силовых полей, вызывающих структурные изменения в покровных отложениях. На фиг, 6 представлены результаты съемки, выполненно } в районе Дома, пионерской учебы (Артек). Кроме )1лана дома и положения профилей указаны гра ницы оползневых зон по данным reojiurn ческой службы (штрих-пунктиром) и гра ницы оползневых зон (сплошными линиями) . Оба профиля пройдены по бетонному покрытию. Результаты анализа СВИ-. детельствуют, что структурная неоднородность бетонного покрытия на момент съемки соответствовала местным геодинамическим процессам. Высокая достоверность результатов повсеместно имеет место и при съемках п:о асфальтовь г покрытиям в осенне-зимние периоды (когда асфальт не течет)« На фиг. 7 дан план участка Капьмиусского водохранилища (Донецк), зоны тектонических нарушений по разведочным данным и горным работам, а также положение двух профилей, при этом один из профилей является контрольным и пройден вдоль берега водохранилища по асфальтовому покрытию. Второй профиль пройден по льду водохранилища . Толщина льда составляла 200-300 MMj мощность подледного слоя воды 1,5-3 м. На всех реперах второго профиля (при шаге 5 м) фиксировалась неоднородность льда, отчетливо проявились после обработки .результатов съемки зоны тектонических нарушений, При повторных съемках по мере повышения температуры льда, имевшей место в результате длительной оттепели, интенсивность ориентировок замеченной неоднородности быстро падала, вплоть до нуля. Этот опыт и аналогичные ему свидетельствуют, что фиксируемая неоднородность льда носит структурный характер и находится в прямой зависимости с современными движениями в горной среде, Анализ значительного объема режимных наблюдений свидетельствует о наибольшей временной стабильности ориентировок микродеформаций в средах на знутриблоковых пикетах, удаленных от тектонических нарушений и зон их влияния. Пример 1. Опыт проводился на поле шахты Нагольчанская (Донецкий бассейн) во влажных суглинках. Использовалась электромагнитная установка с диаметром платформы 1,6 м., обеспечивающая зондирование среды на глубину 0,4 м, 19,05,77 на заданном пикете был вскрыт шурф радиусом 2,5 м, После рыхления грунт в той же последовательности бьш уложен в шурф и тщательно уплотнен, Такш-i образом поверхностный слой бьш переведен в квазиизотропноа состояние. Квазиизотропное состояние поверхностного с.1оя влажных суглинков определялось по величине отношения максимальной и минимальной амплитуд, в идеальном случае равной i« С учетом погрешности измерения и свойств среды эта величина дояжна быть не более 1,10. В приведенном примере она составляла I . Обо 30,05,77 в 10 ч 30 мин были проведены повторные измерения. Величина отношения максимальной и минимальной амплитуд,, равная в этом случае 1,81, свидетельствовала о нагшчии движения пр.иводлщего к деформации растяжениесжатие горных пород в масси}зе, Величина отношения максимальной и минимальной амплитуд в единицу враменк ( ч) равная 0.1 свидетельствовала о незначительнсж интенсивности пзкжения (фиг.1). Пример 2, Оггыт проводг лся в том же районе - по.ле шахты Кагольчаиская (Донецкий бассейн).

Для выявления движений, приводящих к деформации сдвига горных пород в массиве, наблюдения проводилась на коротких профилях (3-5 пикетов), пересекающих структуру в нескольких местах, при этом о наличии указанных двтжения судили по углу поворота максимальной амплитуды не менее, чем на угол 5 .

Как описано, поверхностный слой каждого пикета переводился в квазиизотропное состояние. Затем были проведены контрольные и рабочие измерения,

01.06.76 в I ч 15 м в одной из то.чек профиля заданного пикета были зафиксированы 3 максимальные амплитуды для четырех квадрантов круга (фиг.4)о После этого поверхностный слой суглинков был переведен в кваэиизотропное состояниео 02,06.76 в 10 ч в этой же точке были проведены повторные измерения.

В результате зарегистрировано 4 максимал) амплитуды ,

При обработке результатов измерений определен сдвиг вектора масимальной амплитуды на угол 30° в первом квадранте, во втором и третьем квадрантах также произошел сдвиг направл

НИИ максимальных амплитуд на угол 30

10

17.05.77

Сдвиг векторов максимальных амплитуд свидетельствовал о наличии движений, приводящих к деформации сдвига горных пород в массиве.

Об интенсивности движений, приводящих к деформации сдвига судят по среднему углу поворота максимальных амплитуд в единицу времени (1 ч), которая в данном случае была равна 1,85 и свидетельствовала о незначительном проявлении сдвиговых деформаций.

Предлагаемьй способ по сравнению с известными позволяет выявить и разделить современные геодинамические движения в горном массиве, поверхностный слой которого образован скальной, сьтучей или водной средой; выявить и разделить современные геодинамические движения, приводящие как к деформации растяжение-сжатие, так и к деформацки сдвига горных пород в массиве; установить местоположение активньк зон для исключения строительства в этих зонах; вести прогноз горно-динамических явлений в карьерах и шахтах (выбросы, обрывы и т.По), а также прогнозировать сейсмические явления. Кроме того, предлагаемый способ повышает эффективность при выявлении глубинных тектонических структур для поиска и разведки полезных ископаемых.

11

I. СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ГЕОдаНАМИЧЕСКИХ ДВИЖЕНИЙ в ГОРНОМ МАССИВЕ, основанный на создании искусственного электромагнитного поля и периодической регистрации изменения параметров вторичного электромагнитного поля, отличающийс я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем разделени движений, приводящих к растяжению-сжатию и (или) сдвигу, регистрируют изменения параметров вторичного электромагнитного поля в поверхностном слое горного массива путем измерения серии амплитуд магнитной составляющей вторичного поля по кругу, в центре которого размещают излучатели электромагнитного поля, по отношению максимальной и минимальной ампли-г туд судят о наличии движений, приводящих к растяжеии 0-сжатию горных пород в массиве, а по углу поворота максимальной амплитуды судят о наличии дiзижeний, приводящих к сдвигу горных пород, при этом поверхностный слой переводят в квазиизотропное состояние до начала измерений в каждой серии. 2.Способ по п 1,отлича ющ и и с я тем, что, с целью выявления двг-жений в горном массиве, поверхнос7ншЧ слой которого образован сыпучей, скальной ши водной средой, изменение параметров вторичного электромагнитного поля регистрируют в контрольной среде, приведенной в контакт с поверхностным слоем горного массива, причем контрольную среду пеto ред измерением приводят в изотропное Oft состояние. ( 3.Способ по п. 2, .отличающий с я тем, что в качестве конт09 рольной среды используют асфальт, битум J лед.

19,05.77

HI

/4

PU8. 5 / /. / /7.

BoffoxpmtUMotie

МГ5ООО

Фие. 7