Локалізація та природа аномалій природного імпульсного електромагнітного поля Землі

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

УДК 550:83

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук

Локалізація та природа аномалій природного імпульсного електромагнітного поля Землі

04.00.22 - геофізика

Мох'д А. Тх. Маджалі

Київ - 2009

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Харківському національному університеті імені В. Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор геолого-мінералогічних наук, професор Решетов Іван Костянтинович, Харківський національний університет ім. В. Н. Каразіна Міністерства освіти і науки України, професор кафедри гідрогеології

Офіційні опоненти:

доктор геологічних наук, професор Вижва Сергій Андрійович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, декан геологічного факультету

кандидат геологічних наук Дейнеко Степан Іванович, начальник відділу геофізики Київського інституту інженерних вишукувань і досліджень «Енергопроект»

Захист відбудеться "_11" _06_ 2009 р. в_14.00_час. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.32 при Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 03022, м. Київ, вул. Васильківська, 90.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розіслано "_7" .05. 2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат фіз.-мат. наук І.В. Тішаєв

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Проблеми безпеки, аналізу і зниження ризику охоплюють всі види техногенної діяльності. У процесі розробки проектів будівництва, реконструкції і експлуатації будівель, споруд, напірних трубопроводів, дорожніх розв'язок на перетині автомобільних доріг із залізничним полотном і інженерними комунікаціями, дорожнього насипу, акведуків, тунелів, підпірних стін та інших штучних споруд, при дослідженні напружено-деформованого стану системи "ґрунтова основа - конструкція" вкрай необхідно виявляти зони стискання та розтягування. Це особливо актуально в складних інженерно-геологічних умовах, де розвинені карстові, обвальні і селеві процеси, в зонах підвищеної сейсмічності і тектонічної роздрібненості порід, на ділянках схилів, на територіях широкого розвитку ґрунтів із специфічними властивостями (що набухають, просідають і "слабких").

Вивченню напруженого стану, міцнісних і деформованих властивостей порід останнім часом приділяється велика увага в інженерній геології, сейсмології і гірській справі. Більшість цих явищ пов'язано із зміною і перерозподілом напруги в товщах гірських порід. Напружено-деформований стан гірських порід є міцнисним критерієм розвитку небезпечних геологічних процесів. Відповіді на ці та інші питання дають результати геофізичних досліджень.

Застосування геофізичних методів для вивчення зон напружено-деформованого стану гірських порід в складних геологічних умовах і подальше прогнозування ґрунтуються на наукових і методичних розробках по окремих геофізичних методах. Завдання розробки комплексу геофізичних методів прогнозування локальних зон напружено-деформованого стану гірських порід було та залишається злободенною у зв'язку з складними і різноманітними геологічними та гідрогеологічними умовами за значного техногенного навантаження.

Розробка раціональної методики геофізичного вивчення та прогнозування виділення локальних зон напружено-деформованого стану гірських порід має велике теоретичне і практичне значення. Для дослідження напруженого стану порід, ґрунтів і конструкцій споруд досить актуальним та ефективним є метод природного імпульсного електромагнітного поля Землі (ПІЕМПЗ).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана на кафедрі гідрогеології Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна і безпосередньо пов'язана з науковими програмами і планами Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна і Інституту УкрНДІТІЗ, де автор брав безпосередню участь в проведенні польових і камеральних робіт.

Мета і завдання досліджень. У роботі поставлена мета узагальнити теоретичні можливості та практичні результати досліджень напружено-деформованого стану гірських порід і конструкцій методом ПІЕМПЗ, у т.ч. в комплексі з іншими геофізичними методами, для встановлення природи розривних порушень, неоднорідності геологічного середовища та ефективного моніторингу потенційно небезпечних у геологічному відношенні територій. Для досягнення поставленої мети розв'язувались наступні завдання:

узагальнення та аналіз можливостей існуючих геофізичних методів для визначення напружено-деформованого стану гірських порід;

встановлення можливостей дослідження напружено-деформованого стану гірських порід, ґрунтів та інженерних конструкцій на основі застосування геофізичних методів для оцінки природи розривних порушень на основі досвіду застосування методу ПІЕМПЗ на конкретних будівельних майданчиках в Краматорську, Харкові та Криму;

теоретичне обґрунтування можливості оцінки анізотропії геологічного середовища на основі використання методу ПІЕМПЗ навколо джерела сейсмічних коливань;

розробка науково-методичних основ постійно-діючого моніторингу потенційно небезпечних у геологічному відношенні територій на прикладі ділянок трансмагістральних газопроводів.

Об'єкт досліджень - інженерно-геологічні явища та процеси на території лівобережжя України.

Предмет досліджень - деформаційно-міцнісні властивості гірських порід і зареєстровані під час їх вивчення поля геофізичних параметрів.

Методи досліджень. Методичну основу складає системний підхід у вирішенні проблеми визначення напружено-деформованого стану гірських порід. Задіяні сучасні методи досліджень: геологічні, інженерно-геологічні, геофізичні (із застосуванням сучасної апаратури методу ПІЕМПЗ) по ряду об'єктів Криму, Харкова, Краматорська, Донецької області.

Наукова новизна отриманих результатів.

Розроблено науково-методичний підхід щодо проведення постійно-діючого моніторингу потенційно небезпечних у геологічному відношенні територій із застосуванням методу ПІЕМПЗ (на прикладі ділянок трансмагістральних газопроводів).

Дістало подальшого розвитку з теоретичним обґрунтуванням напрямок оцінки анізотропії геологічного середовища із застосуванням геофізичних методів, зокрема з використанням методу ПІЕМПЗ навколо імпульсного джерела сейсмічних коливань.

Дістало подальшого розвитку теоретичні та прикладні передумови застосування методу ПІЕМПЗ при дослідженнях природно-техногенних систем з метою локалізації та пояснення природи розривних порушень техногенного і природного походження.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що результати досліджень і практичні рекомендації автора використовуються при оцінці стану і стійкості ґрунтів, при плануванні і забудові житлових комплексів в м. Краматорську, Харкові, при виборі місць розміщення запроектованих споруд і для обґрунтування складу та об'ємів інженерно-геологічних досліджень (АР Крим). Методичні розробки та рекомендації можуть бути використані при вивченні напруженого стану гірських порід, ґрунтів та інженерно-технічних конструкцій геофізичними методами.

Особистий внесок автора. Основні результати, викладені, в дисертаційній роботі отримані автором самостійно [1, 2, 3, 8, 10, 11]. У роботах [4, 5, 6, 7, 9] виконаних разом з О. А. Крамаренком, І. К. Решетовим, Д. Ф. Чомком, авторові належить безпосередня участь в обробці та аналізі результатів досліджень і формуванні висновків.

Апробація результатів досліджень. Матеріали за темою дисертації були представлені на V міжнародній науково-практичній конференції "Динаміка наукових досліджень - 2006", Дніпропетровськ, 2006 р.; на Всеукраїнській науковій конференції "Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища", м. Київ, 2006 р.; на VI міжнародній науково-практичній конференції, Прага, 2007 р.; на I міжнародній науково-практичній конференції "Передові наукові розробки - 2006", Дніпропетровськ, 2006 р.

Публікації. За темою дисертації автором опубліковано 11 наукових робіт, з них 4 - в періодичних виданнях, рекомендованих ВАК України, 3 - в Йорданському геологічному журналі та Арабському журналі науки і інженерії та Сучасним науковим віснику 4 - тези доповідей на наукових конференціях.

Об'єм і структура роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, 4 розділів, висновків, списку використаних джерел (132 найменувань). Загальний об'єм 139 сторінок разом з 28 рисунками.

Автор висловлює подяку колективу кафедри гідрогеології Харківського національного університету імені В. Н. Каразіна за всебічну допомогу під час проведення теоретичних, експериментальних досліджень, обговоренні основних результатів робіт; професору, доктору геолого-мінералогічних наук В. М. Саломатіну завідувач кафедри інженерної геології та підстави фундаментів, національна академія природоохоронного і курортного будівництва; доктору геологічних наук, професору кафедри геофізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка О. М. Карпенко. Особливої подяки заслуговує науковий керівник професор І. К. Решетов за постійну допомогу та цінні поради і консультації на всіх етапах виконання дисертаційної роботи.

Основний зміст

У Вступі обґрунтовано актуальність представленої роботи, викладено цілі та завдання досліджень, визначені наукова новизна і практичне значення отриманих результатів; дана загальна характеристика дисертації.

На початку Розділу 1 проведено детальний аналіз наявних джерел геолого-геофізичних фондових матеріалів та спеціальної літератури з метою оцінки сучасних досягнень і стану проблеми дослідження приповерхневих геологічних процесів геофізичними методами.

У процесі розвитку інженерної геології виникали все нові й нові питання, пов'язані з вивченням ґрунтів, їх поведінкою протягом тривалого часу і можливістю вивчати процеси, що відбуваються в них при різних видах навантажень. Було розроблено технічні засоби, методики безпосередніх (прямих) вимірювань напруги за допомогою месдоз, тензорів. Напружено-деформований стан (НДС) порід є прогнозним критерієм розвитку небезпечних геологічних процесів, у т.ч. приповерхневих. Відповіді на ці та інші питання дають геофізичні методи досліджень, серед яких в останні десятиліття визнання та широке застосування отримав метод природного імпульсного електромагнітного поля Землі (ПІЕМПЗ).

При комплексуванні методу ПІЕМПЗ з іншими геофізичними методами розширюється круг розв'язуваних завдань і підвищується достовірність та об'єктивність кінцевих результатів. Комплекс "метод ПІЕМПЗ - польова реологія" дозволяє прогнозувати ступінь напружено-деформованого стану для масиву гірських порід. Метод ПІЕМПЗ був включений до СНіП, довідкове застосування 1.02.07-87. В даний час цей метод включений в Державні будівельні норми (ДБН-2003).

Основними областями застосування методу є: оцінка стійкості території за напружено-деформованим станом порід, вивчення та прогнозування небезпечних геологічних процесів і явищ (землетрусів, обвалів, гірських ударів, просідань). Метод застосовується під час геодинамічного картування для виділення та дослідження зон тектонічних порушень, характеристики геодинамічно активних структур. Він використовується також і для вивчення різних питань інженерної геології та гідрогеології. У розробку теоретичних і методичних основ застосування методу ПІЕМПЗ і вивчення природи зв'язків геофізичних параметрів з геологічними процесами великий внесок внесли М. Н. Бердичевський, А. Ф. Безсмертний, А. А. Вороб'йов, В. В. Іванов, В. В. Колмаков, Е. Д. Кузьменко, Ш. Р. Мастов, А. А. Огільві, В. Н. Саломатін, Н. Г. Хатіашвілі, В. Д. Чебан, Г. Я. Черняк та ін.

У Розділі 2 розглянуто теоретичні та методичні основи застосування методу ПІЕМПЗ при розв'язанні інженерно-геологічних задач, що є значною мірою, узагальненням наукових і прикладних робіт ряду дослідників і фахівців.

Джерелом ПІЕМПЗ, є масив гірських порід, в яких під дією механічної напруги різноманітного походження відбуваються незворотні деформації мінералів. Методичні особливості вивчення природного імпульсного електромагнітного поля детально розроблені В. Н. Саломатіним.

У даний час геофізики України і Росії широко використовують метод ПІЕМПЗ для інженерно-геологічних досліджень: виявлення зон підвищеної гідродинаміки на закарстованих територіях, оцінки стійкості конструкцій підземних насосних станцій, виявлення зон деформацій лінійних конструкцій (тунелів, дренажних штолень, трубопроводів і нафтопроводів), оцінки напружено-деформованого стану конструкцій будівель і споруд, діагностики стійкості стародавніх пам'ятників історії та архітектури.

Накопичення напруги в породах до критичних значень і релаксація їх, розвиток мікро- і макротріщин, явища електроадгезії, триболізації, руйнування подвійних електричних шарів, фазові переходи, тертя та інші явища призводять до електричних розрядів і утворення різних за інтенсивністю імпульсних електромагнітних полів. Залежно від масштабів деформацій і геологічних умов їх розвитку частотний діапазон електромагнітного випромінювання може бути доволі широким.

Геологічне середовище завдяки розвитку в ньому механоелектричних процесів та явищ є могутнім джерелом електромагнітних збуджень. Знаходячись у полі механічних дій, порода періодично дістає накопичення механічної напруги та її релаксацію. Порушення стійкої рівноваги в електростатичній системі зарядів гірських порід створює імпульсне електромагнітне поле. Із збільшенням механічного навантаження зростає рух атомів, молекул і напруженість поля. Питання електричної теорії кристалічних решіток пов'язано з міцністю твердих тіл.

Для швидкого розв'язування інженерно-геологічних задач за допомогою методу ПІЕМПЗ в основному застосовують профілювання. Виконуватись воно може як двома станціями, так і одній. У першому випадку нерухома станція розміщується в нормальному полі для вимірювання варіацій поля в часі, а інша переміщається вздовж профілю. У другому, найбільш часто вживаному випадку, вибирається нуль-пункт, на якому періодично і завжди під час аномальних сплесків поля проводяться контрольні виміри. При профілюванні найчастіше використовують багатовідліковий спосіб вимірювань. Профілювання дозволяє протягом короткого часу охопити велику площу, виявити різні за напруженістю ділянки, прослідкувати контакти порід, зони розломів, воно незамінне при обстеженні тунелів, штолень, шахт і інших підземних вироблень. Метод широко застосовується в Криму для виявлення способом профілювання підземних фільтраційних потоків і глибини їх розповсюдження. Автор дисертаційної роботи приймав безпосередню участь в таких роботах та дослідженнях.

Вертикальне зондування дає можливість оцінити розподіл напруги за глибиною. Здійснюється воно за допомогою зонда, що у варіанті свердловини являє собою герметичну антену-датчик, з'єднану кабелем з приймачем. Свердловина повинна бути обсаджена трубами, які є проникними для електромагнітних сигналів. Це азбестові, пластмасові, поліхлорвінілові труби. Як приймач використовують переносний індикатор з вхідним гніздом для підключення виносної антени-зонда. Зондування можна проводити і у вертикальних гірських виробленнях - стовбурах шахт, колодязів. Для цього вимірювання проводяться з вантажних або пасажирських клітей.

Комплексування ПІЕМПЗ з іншими геофізичними методами.

Спостереження ПІЕМПЗ є методом, орієнтованим на вивчення безпосередніх впливів геодинамічних процесів на стан геологічного середовища і, в першу чергу, дії механічної напруги на геоелектричні процеси в ньому. Тому найбільше значення має комплексування його з геофізичними методами тієї ж цільової спрямованості, але орієнтованими на виявлення інших змін геологічного середовища. Будучи простим у технічному виконанні, метод спостережень ПІЕМПЗ вимагає від методик, призначених для використання в комплексі з ним, схожої мобільності та продуктивності, порівняно невеликої вартості.

Окрім комплексу з геофізичних методів, позитивні результати дають поєднання спостережень ПІЕМПЗ з різними польовими методами дослідження кінематики обвалу або зрушення масиву порід в підземних гірських виробленнях, з польовими випробуваннями порід при визначенні деформованих і міцнісних характеристик, а також - з дослідженнями їх реології. Самостійного петрофізичного напряму отримало дослідження електромагнітних процесів в породах та окремих мінералах в лабораторних умовах під дією на них різних полів.

Відповідно до схеми вивчення реологічних властивостей ґрунтів і гірських порід виділяють три зони, починаючи із стадії, що відповідає затухаючій повзучості - зону високої напруги (I), зону помірно високої напруги (II), що відповідає сталій повзучості і напружено-небезпечну зону (III), що відповідає прогресуючій повзучості. Зрушуюче навантаження призводить до процесу переорієнтації ґрунтових частинок, порушення структурних, зокрема електричних зв'язків, що й викликає електромагнітне випромінювання (ЕМВ). Розриви суцільності ґрунтового целіка з утворенням макротріщин викликає релаксацію напруги на стінках тріщин і різкий спад інтенсивності ЕМВ в об'ємі, співрозмірному з розмірами тріщин. Таким чином, існує експериментальне підтвердження можливості виявлення розривних порушень за зміною зареєстрованої в просторі інтенсивності ПІЕМПЗ.

При інтерпретації виявлених аномалій ПІЕМПЗ дані лабораторних досліджень електрохімічної активності використовують для тлумачень про можливість підвищення фону швидкостей рахунку при мікрохімічних діях на електрично поляризовані вогнища.

У другому розділі також розглянуто методичні прийоми проведення польових досліджень та обробки даних спостережень методом ПІЕМПЗ. Запропоновано варіанти застосування комплексу геофізичних досліджень спільно з ПІЕМПЗ при розв'язанні ряду геологічних задач; наведено доцільність використання цього досить простого, недорогого і ефективного геофізичного методу.

У Розділі 3 на підставі вдосконалених науково-методичних підходів щодо проведення та обробки даних ПІЕМПЗ наведено практичні прийоми реалізації методу на будівельних майданчиках, обвальних схилах і при пошуках підземних водотоків (за безпосередньої участі автора).

У більшості розглянутих нижче прикладів сфокусовано увагу на особливості практичного використання методу ПІЕМПЗ - виявлення ділянок суттєвої або різкої зміни інтенсивності ЕМВ. Наявність розривних порушень, тріщинних зон призводить до ослаблення напружено-деформованого стану гірських порід, ґрунтів, несучих конструкцій або інших інженерних споруд. Зміну напруженого стану порід викликає миттєвий стрибок в ЕМВ. Тобто, як було доведено експериментально (див. Розділ 2), утворення макротріщин викликає релаксацію напруги на стінках тріщин і різкий спад інтенсивності ЕМВ.

Геофізичні дослідження напруженого стану зсувного схилу у с. Октябрський (Краматорськ, Донецька обл.). Дослідження методом ПІЕМПЗ виконувались як на площі, так і в незакріпленому стовбурі свердловини. За величиною інтенсивності було виділено 5 зон. Зональна диференціація була виконана на основі статистичного аналізу значень інтенсивності ПІЕМПЗ і динамічної напруженості ПІЕМПЗ. Виявлена від'ємна аномалія (нижче за 180 імп/с) на фоні 4-ї зони, яка приурочена до ділянки підвищеної тріщинуватості в корінних породах і розвантаження по ній водоносного горизонту.

У завдання досліджень напруженого стану прибровочної частини схилу території учбового корпусу Харківського політехнічного університету входила оцінка напруженого стану ґрунтового масиву та конструктивних елементів будівлі. Окрім методу ПІЕМПЗ, застосовувався також метод еманації (за радоном і тороном). Роботи носили площадковий характер. У результаті, за аномально високим значенням інтенсивності ПІЕМПЗ виділено потенційно небезпечна за своєю стійкістю зона з процесами зрушення, що активно протікають в її межах. Ця ж зона характеризується аномально високими концентраціями радону і торону, що пов'язане, очевидно, з розвитком глибоких тріщин. Елементи конструкцій учбового корпусу знаходяться в перенапруженому стані.

Результати дослідження напруженого стану цоколя і ґрунтового масиву під будівлею собору в м. Харкові методом ПІЕМПЗ показало, що: деформації конструкції не пов'язані з ґрунтовими умовами; деформації стін північного і південного фасадів виникли при реконструкції будівлі (були зняті перекриття в підсклепінній частині).

Необхідність оцінки технічного стану водопропускного колектора в тілі греблі через Саржін Яр у м. Харкові була викликана проходкою над ним двох ниток метро в тілі греблі, а також тривалою експлуатацією тунелю. Методом ПІЕМПЗ при дослідженні конструкцій тунелю було виявлено напружені інтервали, пов'язані із зонами стиснення та ділянки з релаксованим характером напруги, на яких відбувається деформація плит перекриттів; за даними геофізичних досліджень водоскидний колектор вичерпав свій ресурс стійкості.

Відповідно до завдань, поставлених при дослідженні напружено-деформованого стану ґрунтового масиву в Алуштінському районі санаторію Карасан передбачалось виконання геофізичних досліджень методом ПІЕМПЗ. Вивчення схилу дозволило уточнити особливості розповсюдження зон підвищеного НДС ґрунтів на поверхні відповідно до глибини і природи вогнищ, що їх формують; оцінити можливість формування потоків фільтрацій, приурочених до дресвяно-щебенистих прошарків ґрунтового масиву.

В рамках виконання досліджень на ділянці індивідуальної забудови в с. Перевальному Сімферопольського району та при пошукових роботах на воду в с. Узлісся Сімферопольського району АР Крим виявлено ділянки і глибини протікання підземних водотоків і водоносних горизонтів. Рекомендовано найбільш сприятливі місця для облаштування водозабірних споруд.

Результати проведених досліджень на будівельних майданчиках і в місцях розташування різних конструкцій і будівель, виконані за безпосередньої участі автора, дозволили уточнити круг інженерно-геологічних завдань, що розв'язуються за допомогою методу ПІЕМПЗ, удосконалити методику обробки польових даних із залученням ряду інших геофізичних методів.

Розділ 4 присвячено новим напрямам застосування методу ПІЕМПЗ, запропонованих або вдосконалених автором.

Виявлення зон розривних порушень і пояснення природи їх походження на основі проведення досліджень та інтерпретації даних ПІЕМПЗ.

Переходу породи з одного стану в інший сприяють зовнішні впливові чинники. Їх вплив на структурно-чутливі елементи геологічного середовища відбивається на змінах ПІЕМПЗ. Звідси, режимні спостереження в заздалегідь виділених напружених зонах дають можливість передбачати розвиток геодинамічного процесу в часі. В той же час, наявність тектонічних тріщин в земній корі характеризується відсутністю позитивних аномалій (результат відсутності напружено-деформаційного стану) і помітних змін ЕМВ в часі. Наявність розривних порушень в несучих конструкціях та інших будівельних об'єктах також виявляється в локальному спаді інтенсивності зареєстрованого випромінювання. В цьому випадку слід проводити дослідження методом ПІЕМПЗ безпосередньо на поверхні інженерних споруд. Дослідження на поверхні ґрунту методом ПІЕМПЗ дозволяє локалізувати зони аномального напруженого стану, які є причиною виникнення розривів в конструкціях. Більшість прикладів практичного використання описаних вище підходів до інтерпретації результатів досліджень (див. Розділ 3) є підтвердженням ефективності використання методу ПІЕМПЗ для виявлення порушення суцільності та розривів в інженерних конструкціях і гірських породах.

Змістовна прогнозна інтерпретація отриманих результатів досліджень методом ПІЕМПЗ.

Аналізу піддаються результати просторових побудов даних ПІЕМПЗ і інших методів як по поверхні інженерних споруд, так і на прилеглій території, з врахуванням її геолого-геоморфологічних особливостей. Найбільш типові, що піддаються класифікації, наступні ситуації.

Наявність тріщин в інженерних об'єктах (виявлені, або такі, що підтверджуються в полі ПІЕМПЗ різким локальним зменшенням ЕМВ на стінках конструкцій). У полі ЕМВ на прилеглій території під ділянками тріщин спостерігаються контрастні позитивні аномалії. Прогнозний результат інтерпретації - розвиток тріщин продовжується внаслідок напруженого локального стану в підстилаючих породах і ґрунтах.

Тріщини виявляються на стінках будівельних конструкцій. Під ними спостерігаються витягнуті, достатньо контрастні негативні аномалії ЕМВ, що інтерпретуються як розривні порушення цілісності підстилаючих порід і ґрунтів. Деформації в спорудах викликані різною швидкістю переміщення окремих ділянок (блоків) нижче залягаючих гірських порід або ґрунту. Слід організувати моніторингові дослідження з метою вивчення стану підстилаючих геологічних об'єктів і можливих шляхів переміщення блокових мас. гірський анізотропія електромагнітний сейсмічний

Наявність тріщин в інженерних об'єктах не простежується нижче в геологічному просторі у вигляді характерних аномалій ПІЕМПЗ. Вірогідний варіант - порушення мають чисто техногенний характер, викликаний недоліками самої будівельної конструкції. Рекомендується організувати моніторингові дослідження із залученням методу ПІЕМПЗ безпосередньо на або уздовж поверхонь стінок інженерних споруд.

Наявність ділянок різкої зміни аномалій ЕМВ під спорудами в стороні від виявлених зон тріщин в інженерних конструкціях свідчить про наявність напружено-деформованих ділянок гірських порід. Вони призводять до створення додаткової неоднорідної за простяганням напруги в самих спорудах, що може з'явитися причиною розкриття та утворення нових тріщин внаслідок переміщення (повзучості) частини конструкції.

Виявлені тріщини або локальні ділянки тріщин під інженерними конструкціями без виявлених деформацій останніх можуть бути підставою для постановки моніторингових досліджень із залученням методу ПІЕМПЗ для контролю за напружено-деформованим станом природних підстилаючих масивів гірських порід і ґрунтів.

Розглянуті систематизовані приклади змістовної інтерпретації результатів вивчення напружено-деформаційного стану об'єктів в зоні розвитку тріщин методом ПІЕМПЗ можуть бути істотно розширені, а висновки більш обґрунтованими і однозначними при проведенні комплексної інтерпретації даних методу з іншими геолого-геофізичними дослідженнями.

Вивчення анізотропного стану гірських порід навколо імпульсного джерела сейсмічних коливань. Окрім статичних навантажень, на породи можна впливати і динамічно. Великий науковий і практичний інтерес представляє ударний і вібросейсмічний режим навантаження. Перший полягає в тому, що на ґрунт з певної висоти (2-3 м) різко опускається вантаж вагою 200-300 кг. У точках, віддалених від пункту сейсмічного збудження на відстанях 0,5, 1,0, 2,0 і т.д. м, реєструються імпульси електромагнітного поля. Доцільно в цих точках реєструвати і сейсмічний імпульс. Таким чином, визначається різниця в часі між появою електромагнітного випромінювання і приходом сейсмічної хвилі. Рівномірне розташування антен навколо пункту дії дозволяє експериментально з'ясувати анізотропію властивостей (пружних або петрофізичних) в досліджуваній ділянці, а режимні спостереження - зміну цих властивостей в часі.

Уявимо гірську породу поблизу від джерела сейсмічних коливань суцільним твердим тілом, що містить неоднорідні включення, різного масштабу. Відстані між неоднорідностями кожного розміру набагато більше за їх власний розмір. У неоднорідності разом з періодичною знакозмінною пружною напругою виникає концентрація напруги у = у_пр + у_нпр, де - пружна напруга, - надлишкова непружна напруга на окремих неоднорідностях. При припиненні деформації зникає надлишкова напруга на неоднорідностях в результаті релаксації напруги.

При перевищенні напруги межі міцності мікроутворень відбувається руйнуванні тіл з утворенням тріщин на неоднорідностях. Теоретично доведено (В. В. Авдушкін, 2001 р.), що напруга на неоднорідностях залежить від швидкості деформації, а швидкість релаксації напруги на неоднорідностях прямо пропорційна величині напруги і зворотно пропорційна розміру неоднорідності. Чим більше розмір неоднорідності, тим вище надлишкова напруга при певній швидкості деформації, що виникає під дією акустичної хвилі.

Описаний вище процес утворення критичної напруги під впливом механічної дії пружної хвилі сам відбирає зі всього різноманіття неоднорідностей механічно значущі неоднорідності.

Представимо анізотропне геологічне середовище навколо джерела сейсмічних коливань, твердим тілом, що характеризується наявністю витягнутих в певному напрямі микронеоднорідностей. У радіальних напрямах від джерела лінійні розміри таких неоднорідностей істотно відрізнятимуться. Далі, у різних напрямах одне і те ж за пружними параметрами тіло залежно від швидкості деформації і свого лінійного розміру може мати різні незворотні зміни форми за однакової невеликої напруги в порівнянні з межею міцності. Руйнування може починатися як при навантаженні, так і при розвантаженні залежно від розвитку процесу в часі. Причиною такої поведінки твердого тіла є те, що в ньому виникає при деформації динамічна структура, яка, спираючись на активні неоднорідності, здатна запасати механічну енергію та істотно продовжувати деформаційні процеси в тілі при будь-якій додатковій дії зовнішніх сил після їх застосування. Таким чином, відбувається формування наявності різнонапружених станів геологічних неоднорідностей у різних радіальних напрямах залежно від їх лінійних розмірів. При перевищенні межі міцності таких утворень відбувається розвиток мікротріщин, причому цей процес також залежить від локальних радіальних розмірів микронеоднорідностей в гірському масиві (породі) навколо джерела сейсмічних коливань.

Підбором частоти джерела можна налаштувати систему - джерело - приймач сигналів ПІЕМПЗ так, щоб ефект від існуючих неоднорідностей був би максимально контрастним в різних напрямах. Вивчення зв'язку величини коефіцієнта анізотропії за імпульсним електромагнітним полем залежно від вибраної частоти сейсмічних коливань дозволить уточнити характеристики текстур гірських порід в їх природному заляганні. Відсутність помітних відмінностей частоти проходження імпульсів ЕМВ у різних радіальних напрямах від джерела акустичної хвилі при значній зміні частоти останньої, швидше за все, свідчить про квазі-однорідність геологічного середовища, що вивчається.

Постійнодіючий моніторинг інженерно-технічних споруд на потенційно-нестійких територіях.

Теоретичні і прикладні аспекти приведеної нижче схеми моніторингових досліджень розроблені автором завдяки плідним консультаціям і допомозі професора В. Н. Саломатіна.

Враховуючи специфічні особливості трансмагістральних газопроводів і інших подібних споруд (величезна протяжність, перетин різних геодинамічно активних зон, орогідрографічні умови і т.д.), пропонуються наступні рекомендації:

Роботи необхідно проводити поетапно.

Перший етап - траса газопроводу розбивається на окремі регіональні відрізки, по яких вивчаються фондові матеріали про інженерно-геологічні дослідження, опубліковані матеріали з геології, тектоніки, геоморфології. На даному етапі слід переглянути і дешифрувати аерофотознімки, бажано різночасні, уздовж трас. Особливо корисну інформацію дають знімки однієї і тієї ж території.

Другий етап - рекогносціювальне обстеження ділянок з складними інженерно-геологічними умовами, виявлення небезпечних геологічних процесів і масштабів їх проявів, опис стану труби. Це важливий момент, оскільки природні умови, наявність техносферних завад можуть перешкоджати застосуванню будь-якого геофізичного методу. Особливу увагу слід приділяти таким процесам і явищам, як обвали, просідання, селі, ерозія, суфозія, карст.

Третій етап - комплексні повторні дослідження на небезпечній для газопроводу ділянці. Спочатку проводиться морфометрична зйомка, картуються на топоснові м-бу 1 : 500 - 1 : 1000 тріщини, порожнечі й інші морфоелементи, розбиваються профілі, точки спостережень для геофізичних методів відповідно до їх методичних вимог. Повторні дослідження характеризують активність процесів, а за спостережуваними змінами оконтурюють межі їх можливого подальшого розвитку.

Зі всього розглянутого комплексу геофізичних методів найбільш близький до розв'язання прогнозної задачі метод ПІЕМПЗ.

Дослідження геофізичними методами на місцевості також слід проводити поетапно.

На першому етапі використовується метод ПІЕМПЗ, в результаті якого отримують первинну інформацію про просторове положення напружено-деформованого стану гірських порід. На другому етапі досліджень уточнюється інформація про глибинне залягання аномальних об'єктів, про порушеннях у зсувному об'єкті. На третьому етапі виконується оцінка фази зсуву.

Апаратурно-методичний комплекс (АМК), що рекомендується, на базі методу ПІЕМПЗ схематично представлено на рис. 1.

Комп'ютер управляє роботою всієї системи. Він дозволяє налаштувати індивідуально параметри кожного з вимірювальних зондів з погляду оптимізації результатів вимірювань. Сукупність налаштованих зондів може бути збережена як профіль системи. Також задаються різні автоматичні режими спостереження. Записуються результати вимірювань в базу даних. Пристрій узгодження (A1) служить для зв'язку шлейфів з комп'ютером, а також містить джерело живлення зондів.

Результуючим документом є карта небезпеки, на якій показуються сучасні активні процеси та явища і місця потенційно можливих їх проявів.

На цьому етапі в заданих точках буряться наглядові свердловини, в яких встановлюються антени-датчики для реєстрації на різних глибинах, наприклад, імпульсного електромагнітного випромінювання, глибинні репери або поверхневі марки-маяки для фіксації зсувів, рівнеміри для води і т.д. Всі зареєстровані параметри за допомогою сучасних технічних засобів можуть оброблятися і передаватися на центральний пункт прийому для завершальної обробки даних.

Даний комплекс може застосовуватись і на інших об'єктах - гідротехнічних спорудах (дамбах, гідровузлах, обвалах, схилах водосховищ), підземних виробленнях різного призначення, на будівлях і спорудах, що знаходяться в складних інженерно-геологічних умовах на потенційно нестійких територіях.

Висновки

Основні результати роботи наступні:

Розробка комплексу геофізичних методів прогнозування локальних зон напружено-деформованих порушень в складних інженерно-геологічних умовах є актуальною задачею.

У дисертаційній роботі виконані теоретичні та експериментальні дослідження з метою розробки раціонального застосування методу ПІЕМПЗ при розв'язанні геологічних задач, у тому числі в комплексі інших геофізичних (і геологічних) методів, з локалізації зон напружено-деформованого стану гірських порід.

Дістало подальший розвиток теоретичні і прикладні передумови застосування методу ПІЕМПЗ при дослідженнях природно-техногенних систем з метою локалізації та пояснення природи розривних порушень техногенного і природного походження на основі досвіду застосування методу ПІЕМПЗ на конкретних будівельних майданчиках в Краматорську, Харкові і Криму.

Також дістало подальшого розвитку з теоретичним обґрунтуванням напрямок оцінки анізотропії геологічного середовища із застосуванням геофізичних методів, зокрема з використанням методу ПІЕМПЗ навколо імпульсного джерела сейсмічних коливань.

Визначено принципи і поетапність постійно діючого моніторингу із застосуванням методу ПІЕМПЗ на потенційно небезпечних у геологічному відношенні територіях (на прикладі ділянок трансмагістральних газопроводів). Для тривимірного картування напружено-деформованого стану ґрунтового масиву при дослідженні небезпечних інженерно-геологічних територій необхідно використовувати комплекс геофізичних методів, який включає ПІЕМПЗ, електрометрію і сейсмометрію. Основними методичними особливостями виконання польових робіт є їх етапність. На першому етапі траса газопроводу розбивається на окремі регіональні відрізки, по яких вивчаються фондові матеріали, опубліковані матеріали з геології, тектоніки, геоморфології в результаті якого отримують первинну інформацію про можливе просторове існування напружено-деформованого стану гірських порід. На другому етапі досліджень виконується рекогносціювальне обстеження ділянок з складними інженерно-геологічними умовами. На третьому етапі виконуються комплексні повторні дослідження на небезпечній для газопроводу ділянці, які дозволятимуть виявити локальні ділянки активності з можливим подальшим розвитком небезпечних геологічних процесів. Дослідження геофізичними методами на місцевості також слід проводити поетапно. На першому етапі використовується метод ПІЕМПЗ, в результаті якого отримують первинну інформацію про просторове положення напружено-деформованого стану гірських порід. На другому етапі досліджень уточнюється інформація про глибинне залягання аномальних об'єктів, про порушеннях у зсувному об'єкті. На третьому етапі виконується оцінка фази зсуву.

Список опублікованих праць за темою дисертації

Мох'д А. Тх. Маджали. Оценка напряженного состояния оползневого склона методом ЕИЭМПЗ на территории п. Октябрьский в г. Краматорске // Вестник национального горного университета. - 2008. - № 1. - С. 56-59.

Мох'д А. Тх. Маджали. Оценка напряженного состояния подпорной стены в основании оползневого склона геофизическими методами на территории ХПУ в г. Харькове // Вестник национального горного университета. - 2008. - № 2. - С. 56-58.

Мох'д А. Тх. Маджали. О Возможности Применения Метода Импульсного Электромагнитного Поля Земли В Области Инженерно- Геологических Изысканий // Вестник национального горного университета. - 2008. - № 11. - С. 65-68.

Чомко Д. Ф. Эффективность метода естественного импульсного электромагнитного поля Земли в области инженерно-геологических изысканий / Д. Ф. Чомко, О. А. Крамаренко, Мох'д А. Тх. Маджали // Вісник Київського національного університету імені Тараса Шевченка. - 2008. - № 5. - С. 43-45.

Мох'д А. Тх. Маджали. Эффективность метода естественного импульсного электромагнитного поля Земли в области инженерно-геологических изысканий / Мох'д А. Тх. Маджали, И. К. Решетов, О. А. Крамаренко // Современный научный вестник. Серия "Техника. Математика". - 2007. - № 9 (17). - С. 18-22.

Kramarenko O. A. Study of landslip processes method of observation of earth's natural pulsing electromagnetic field (ENPEMF) / O. A. Kramarenko, I. K. Rechetov, Moh'd. A. Th. Majali // Arabian journal for science and engineering. Section A: Sciences. - 2006. - P. 241-243.

Kramarenko O. A. On the possibility of using the method of earth's natural pulsing electronagnetic field (ENPEMF) in the domain of engineering pioneering / O. A. Kramarenko, I. K. Rechetov, Moh'd. A. Th. Majali. // Jordanian geologists journal. - 2006. - N 2. - P. 24-25.

Мох'д А. Тх. Маджали. Оценка напряженно-деформированного состояния пород в подземных выработках // Матеріали V міжнар. наук.-практ. Конф. "Динаміка наукових досліджень - 2006" (17-28 лип. 2006 р.). -Дніпропетровськ : Наука і освіта, 2006. - Т. 6. - С. 71-73.

Чомко Д. Ф. Эффективность метода естественного импульсного электромагнитного поля Земли в области инженерно-геологических изысканий / Д. Ф. Чомко, О. А. Крамаренко, Мох'д А. Тх. Маджали // Матеріали Всеукр. наук. конф. "Моніторинг небезпечних геологічних процесів та екологічного стану середовища" (21-24 верес. 2006 р.). - К., 2006. - С. 149.

Мох'д А. Тх. Маджали. Изучение разрывных нарушений и контактов горных пород с помощью метода естественного импульсного электромагнитного поля Земли (ЕИЭМПЗ) // Матеріали І Міжнар. наук.-практ. конф. "Передові наукові розробки - 2006" (1-15 верес. 2006 р.). -Дніпропетровськ : Наука і освіта, 2006. - Т. 9. - С. 31-34.

Мох'д А. Тх. Маджали. Оценка напряженного состояния подпорной стены в основании оползневого склона методом ЕИЭМПЗ на территории ХПУ в г. Харькове // Materialy VI Mezinarodni vedecko-prakticra konference "Nastoleni moderni vedy - 2007" (1-15 zari 2007 roku). - Praha : Pudlishihg House "Education and Science"s.r.o., 2007. - P. 44-46.

Анотація

Мох'д А. Тх. Маджалі. Локалізація та природа аномалій природного імпульсного електромагнітного поля Землі. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2009.

У дисертації наведено результати теоретичних та експериментальних досліджень, метою яких є розробка раціонального застосування методу ПІЕМПЗ при розв'язанні геологічних задач, у тому числі в складі комплексу геофізичних методів, з локалізації зон напружено-деформованого стану гірських порід.

Отримало подальший розвиток теоретичні і прикладні передумови застосування методу ПІЕМПЗ під час досліджень природно-техногенних систем з метою локалізації та пояснення природи розривних порушень техногенного і природного походження на основі досвіду застосування методу ПІЕМПЗ на конкретних будівельних майданчиках в Краматорську, Харкові та Криму.

Запропоновано новий підхід щодо вивчення анізотропного стану гірських порід навколо імпульсного джерела сейсмічних коливань. Визначено принципи і поетапність постійно-діючого моніторингу із застосуванням методу ПІЕМПЗ на потенційно небезпечних у геологічному відношенні територіях (на прикладі ділянок трансмагістральних газопроводів). Для тривимірного картування напружено-деформованого стану ґрунтового масиву при дослідженні небезпечних інженерно-геологічних територій необхідно використовувати комплекс геофізичних методів, що включає ПІЕМПЗ, електрометрію і сейсмометрію. Вдосконалено науково-методичні основи оцінки напружено-деформованого стану природно-техногенних систем на основі досвіду застосування методу ПІЕМПЗ на конкретних будівельних майданчиках у Краматорську, Харкові і Криму.

Ключові слова: природне імпульсне електромагнітне поле, гірські породи, напружено-деформований стан, геофізичні методи, моніторинг, раціональний комплекс.

Аннотация

Мох'д А. Тх. Маджали. Локализация и природа аномалий естественного импульсного электромагнитного поля Земли. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геологических наук по специальности 04.00.22 - геофизика. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2009.

В диссертации представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований с целью разработки рационального применения метода ЕИЭМПЗ при решении геологических задач, в том числе в составе комплекса геофизических методов, по локализации зон напряженно-деформированного состояния горных пород.

Получили дальнейшее развитие теоретические и прикладные предпосылки применения метода ЕИЭМПЗ при исследованиях природно-техногенных систем с целью локализации и объяснения природы разрывных нарушений техногенного и естественного происхождения на основе опыта применения метода ЕИЭМПЗ на конкретных строительных площадках в Краматорске, Харькове и Крыму. Наличие разрывных нарушений в несущих конструкциях и других строительных объектах проявляется в локальном спаде интенсивности зарегистрированного излучения. В этом случае следует проводить исследования методом ЕИЭМПЗ непосредственно на поверхности инженерных сооружений. Исследование на поверхности грунта методом ЕИЭМПЗ позволяет локализовать зоны аномального напряженного состояния, которые являются причиной возникновения разрывов в конструкциях. Анализу подвергаются результаты пространственных построений данных ЕИЭМПЗ и других методов, как по поверхности инженерных сооружений, так и на прилегающей территории.

Предложен новый подход к изучению анизотропного состояния горных пород вокруг импульсного источника сейсмических колебаний. В точках, отстоящих от пункта сейсмического возбуждения на различных расстояниях, регистрируются импульсы электромагнитного поля. Целесообразно в этих точках регистрировать и сейсмический импульс. Определяется разница во времени между появлением электромагнитного излучения и приходом сейсмической волны. Равномерное расположение антенн метода ЕИЭМПЗ вокруг пункта воздействия позволяет выяснить анизотропию свойств в исследуемом участке, а режимные наблюдения - изменение этих свойств во времени. Кроме того, подбором частоты источника можно настроить систему - источник сейсмических колебаний - приемник сигналов ЕИЭМПЗ таким образом, чтобы эффект от существующих неоднородностей был бы максимально контрастным в различных направлениях. Изучение связи величины коэффициента анизотропии по импульсному электромагнитному полю в зависимости от выбранной частоты сейсмических колебаний позволит уточнить текстурные характеристики горных пород в их естественном залегании.

Определены принципы и поэтапность действующего мониторинга с применением метода ЕИЭМПЗ на потенциально опасных в геологическом отношении территориях (на примере участков трансмагистральных газопроводов). Для трехмерного картирования напряженно-деформированного состояния грунтового массива при исследовании опасных инженерно-геологических территорий необходимо использовать комплекс геофизических методов, включающий ЕИЭМПЗ, электрометрию и сейсмометрию. Основными методическими особенностями выполнения полевых работ является их этапность. На первом этапе трасса газопровода разбивается на отдельные региональные отрезки, по которым изучаются фондовые материалы, опубликованные материалы по геологии, тектонике, геоморфологии, в результате чего получают первичную информацию о возможном пространственном существовании напряженно-деформированного состояния горных пород. На втором этапе исследований выполняются рекогносцировочные обследования участков со сложными инженерно-геологическими условиями. На третьем этапе - комплексные повторные исследования на опасном для газопровода участке, позволяющие обнаружить локальные участки активности с возможным последующим развитием опасных геологических процессов. Исследования геофизическими методами на местности также следует проводить поэтапно. На первом этапе используется метод ЕИЭМПЗ, в результате которого получают первичную информацию о пространственном положении напряженно-деформированного состояния горных пород. На втором этапе исследований уточняется информация о глубинном заложении аномальных объектов, нарушенности в оползневом объекте. На третьем этапе выполняется оценка фазы оползня.

Усовершенствованы научно-методические основы оценки напряженно-деформированного состояния природно-техногенных систем на основе опыта применения метода ЕИЭМПЗ на конкретных строительных площадках в Краматорске, Харькове и Крыму.

Ключевые слова: естественное импульсное электромагнитное поле, горные породы, напряженно-деформированное состояние, геофизические методы, мониторинг, рациональный комплекс.

Summary

Moh'd A. Th. Majali. Localization and nature of the natural impulsive electromagnetic field's anomalies of the Earth. - Manuscript.

Dissertation on the competition of graduate degree of candidate of geological sciences in speciality 04.00.22 - geophysics. - Taras Shevchenko National University of Kyiv, Kyiv, 2009.

The new application of the method of Natural Impulse Electromagnetic Field of the Earth (NIEMFE) NIEMFE got further development at researches of the nature and man-caused systems with the purpose of localization and explanation of the nature of break derangements of the man-caused and natural origin on the basis of experience of application of NIEMFE on concrete construction grounds in Kramatorsk, Kharkiv and Crimea.

Valid conclusion approach is offered scientifically to the study of the anisotropic state of rocks round the impulsive source of seismic vibrations. Principles and phases of the operating monitoring are certain with the use of method of NIEMFE on potentially dangerous in a geological relation territories (on the example of areas of trans-main gas pipelines). For three-dimensional mapping of the tensely-deformation state of ground array at research of dangerous engineer-geological territories it is necessary to draw on the complex of geophysical methods, including NIEMFE, electrometry and seismometry. The basic methodical features of implementation of the field works is their stage. On the first stage the route of gas pipeline is broken up on separate regional segments, on which fund materials, published materials, are studied on geology, tectonics, geomorphology, as a result of which get primary information about possible spatial existence of the tensely deformed state of rocks. On the second stage of researches executed reconnaissance inspections of areas with difficult engineer-geological terms. On the third stage the complex repeated researches on a dangerous for a trans-main gas pipelines, allowing to find out the local areas of activity with possible subsequent development of dangerous geological processes, are executed. Scientifically-methodical bases of estimation of the tensely-deformation state of the natural-man-caused systems are improved on the basis of experience of application of method of NIEMFE on concrete construction sites in Kramatorsk Kharkov and Crimea.

Key words: natural impulsive electromagnetic field, rocks, tensely-deformed state, geophysical methods, monitoring, rational complex.

Размещено на Allbest.ru