Деформографічний моніторинг сейсмотектонічних процесів у зоні Берегівського горбогір’я

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

УДК 550.34.038.4

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук

Деформографічний моніторинг сейсмотектонічних процесів у зоні Берегівського горбогір'я

04.00.22 ? Геофізика

Кравець Сергій Вадимович

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Карпатському відділенні Інституту геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України.

Науковий керівник - доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Малицький Дмитро Васильович, Карпатське відділення Інституту геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України, завідувач відділу, м. Львів.

Офіційні опоненти:

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

кандидат фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Шляховий Володимир Павлович, Полтавська гравіметрична обсерваторія ІГФ НАН України, м. Полтава.

Захист відбудеться “8” грудня 2011 р. о 12⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.32 у Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 01022, м. Київ, вул. Васильківська, 90.

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

Автореферат розісланий “ 7” листопада 2011 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.001.32 І.В. Тішаєв.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Закарпатська область - один з активних у сейсмічному відношенні регіонів України. Про це свідчить велика кількість інструментально зареєстрованих землетрусів і їхня інтенсивність.

Інтенсивність деяких місцевих землетрусів досягала 7 балів (15.10.1834 р.; 21.12.1870 р.; 26.12.1872 р.; 5.01.1908 р.; 10.08.1926 р. 5 балів у 2006 р.) за шкалою МSK-64 -- С. В. Медвєдєв (Москва), В. Шпонхойер (W. Sponheuer, Відень), В. Карнік (V. Karnik, Прага).

Такої сили землетруси можуть завдати значних матеріальних втрат. При цьому ситуація суттєво ускладнюється процесами, які супроводжують землетруси такої сили -- зсувами ґрунту, руйнуванням екологічно небезпечних об'єктів (магістральних продуктопроводів, гідротехнічних споруд, залізничних колій, доріг, будівель).

Відомо, що усі ці процеси мають причинно-наслідковий механізм виникнення, і тому їх розвиток необхідно одночасно досліджувати в широкому діапазоні частот. Окремі сейсмічні події можуть виникати на межі динамічного діапазону устаткування.

На основі локальної мережі комплексних режимних геофізичних станцій (РГС) на території Закарпатської сейсмоактивної зони для проведення досліджень повільних деформацій та аналізу просторово-часового розподілу локальної Закарпатської сейсмічності застосовувався механічно-оптичний аналоговий метод реєстрації геодинамічних і деформаційних процесів. Для вирішення завдань з вивчення сейсмічності та пошуку провісникових ефектів була необхідна апаратура, яка здатна забезпечувати неперервний деформографічний моніторинг для оперативного контролю і оцінки варіацій параметрів на значно вищому рівні надійності та точності.

Реалізація цифрових методів і нових автоматизованих систем деформаційного моніторингу дозволить:

- вивчати геодинамічні процеси у реальному часі;

- оперативно отримувати інформацію;

- застосовувати комп'ютеризовані методики розрахунків для інтерпретації отриманих результатів у комплексі з іншими геофізичними методами;

- досліджувати розвиток небезпечних явищ у часі та сейсмотектонічні процеси до, під час і після прояву сейсмічних подій.

Розробка та впровадження постійнодіючої системи контролю з обов'язковим врахуванням наявних техногенних навантажень у досліджуваному районі дозволить приймати необхідні рішення з мінімізації негативного впливу розвитку цих явищ на довкілля.

Зв`язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація підготовлена автором під час роботи в Карпатському відділенні Інституту геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України (КВ ІГФ). Здобувач брав участь у науково-дослідній роботі по бюджетних темах:

1. „ Дослідження зв'язку характеристик геофізичних полів з неоднорідностями і деформаціями земної кори та сейсмотектонікою Закарпаття ” (I квартал 2001 р. - IV квартал 2005 р.) № держреєстрації 0101U000376 (керівники теми - к.г.-м.н. Т. З. Вербицький, к.ф-м.н. Д. В. Малицький).

2. „ Дослідження механізмів нагромадження, перерозподілу та релаксації напружень у сейсмогенному середовищі і їх зв'язку з геодинамічними процесами Карпатського регіону України ” (I квартал 2006 р. - IV квартал 2010 р.) № держреєстрації 0106U000973 (керівники теми - к.ф-м.н. Д. В. Малицький).

3. „ Розробка методики оцінки колекторських властивостей гірських порід на основі теоретико-експериментального аналізу даних геофізичних спостережень у пористих середовищах ” (III квартал 2005 р. - IV квартал 2005 р.) № держреєстрації 0105U006413 (керівник теми - к.ф-м.н. Д. В. Малицький).

4. „ Математичне моделювання та експериментальні дослідження пружних полів у земній корі Українських Карпат ” (I квартал 2011 р. - IV квартал 2015 р.) № держреєстрації 0111U000028 (керівник теми - д.ф-м.н. Д. В. Малицький).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є розробка, створення та застосування нових технологічних рішень і методик для підвищення ефективності моніторингових деформографічних спостережень.

Для досягнення поставленої мети вирішувались такі задачі:

1) залучення інформації з літературних джерел для аналізу геолого-геоморфологічних особливостей та геодинамічної обстановки в досліджуваному районі;

2) аналіз теоретичного, методичного та апаратурного забезпечення з метою модифікації існуючої методики деформометричних спостережень для забезпечення достовірності результатів;

3) розробка та виготовлення дослідного взірця нового реєстратора переміщень для заміни механіко-оптичної вимірювальної системи кварцового деформографа;

4) лабораторна та польова апробація реєстрації деформацій і переміщень у складі автономної системи збору даних;

5) розробка нової методики безперервних спостережень деформацій і геодинамічних процесів у масиві гірських порід;

6) розробка та виготовлення автономної цифрової системи збору даних для проведення безперервного деформографічного і температурного моніторингу;

7) встановлення зв'язку виявлених варіацій деформацій з сейсмічними подіями та техногенними навантаженнями.

Об'єктом дослідження є повільні сейсмодинамічні процеси сучасного деформування і геологічного розвитку території, що відбуваються у верхніх шарах земної кори під впливом внутрішніх і зовнішніх факторів.

Предметом дослідження є процеси у геологічному середовищі, що проявляються у зміні фізичних параметрів, нахилів, зсувів і деформацій викликаних тектонічними силами і сезонними навантаженнями.

Методи дослідження. Дисертація виконана на основі експериментальних даних польових деформографічних, сейсмологічних, метеотемпературних спостережень із використанням сучасних методів і новітніх розробок у галузі електроніки і комп'ютерної техніки. Для обробки даних використовувалися аналітичні та математичні методи. Отримані дані були співставлені з результатами попередніх досліджень, які викладені у статтях і науково-дослідних звітах Карпатського відділення Інституту геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України.

Наукова новизна одержаних результатів. На основі систематизації та аналізу результатів попередніх досліджень та моніторингових геодинамічних спостережень, проведених на базі апаратурного комплексу власної розробки автора:

1. Виявлено основні закономірності регулярних і нерегулярних варіацій деформацій на фоні припливних коливань та виявлено їхній зв'язок із сезонними та сейсмотектонічними процесами.

2. Вперше встановлено особливості аномальних змін режиму під час місцевих сейсмічних подій, що виражаються в порушенні регулярності добового ходу, зміні інтенсивності та тривалості регулярних максимумів і бухт на фоні ходу кривої деформації.

3. Вперше встановлено аномальні варіації, які можуть інтерпретуватися як короткострокові можливі провісники землетрусів. Виявлено ефект появи характерних „ П - подібних столиків” на записах у сейсмоактивний час.

4. Розроблено новий тип лазерного реєстратора переміщень та багатоканальну систему для вимірювання температури, створено програмні й апаратні засоби.

Обгрунтованість і достовірність отриманих результатів забезпечується використанням чітко встановлених закономірностей, перевіркою правильності застосування математичних, аналітичних та програмних методів, а також ретельним тестуванням створених апаратурних засобів та програмного забезпечення.

Практичне значення одержаних результатів. Практична реалізація результатів дисертаційної роботи полягає у застосуванні розробленого автором лазерного реєстратора із електромеханічним зворотним зв'язком та цифровою системою багатоточкового вимірювача температури з широким частотним та динамічним діапазоном для проведення деформографічного моніторингу. Розроблено нову методику проведення спостережень та обробки даних, яка дозволяє детальніше дослідити розвиток повільних геодинамічних процесів у контрольованому масиві гірської породи та пришвидчити доступ до результатів спостережень. На основі аналізу результатів тривалих моніторингових спостережень на РГС “Берегове” у Закарпатській сейсмогенеруючій зоні виділено деформаційні закономірності та характер прояву тектонічної активності, зафіксовано можливі провісники землетрусів, встановлено просторово-часові особливості та амплітудні закономірності їхнього прояву. Вивчення деформацій на різних стадіях підготовки землетрусів може внести вагомий вклад при рішенні завдання прогнозу в довгостроковому, середньостроковому й короткостроковому плані. Результати дисертаційної роботи можна застосувати для оцінки розвитку повільних геологічних процесів на сейсмоактивних територіях у складі комплексних моніторингових досліджень і у районах розташування АЕС, що надасть змогу оперативно контролювати рівень безпеки під час експлуатації. Комплекс апаратури та методика спостережень може застосовуватись і у народному господарстві для моніторингу напружень в опорах мостів, несучих конструкціях фундаментів будівель, для виявлення незворотних процесів: появи тріщин, нагромадження “втоми металів”, передбачення розвитку карстових явищ, також для дистанційного визначення маси речовини у великих об'ємах (металургійні, нафтопереробні і цементні заводи, елеватори, корабельні порти).

Окремі результати роботи можуть бути використані у навчальному процесі на кафедрі геофізики геологічного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка у розділах курсу “Геофізичний моніторинг стійкості потенційно небезпечних об'єктів”, у вирішенні актуального для України завдання розробки наукових основ розвитку методів вивчення повільних процесів.

Особистий внесок здобувача. Весь матеріал даної дисертації, починаючи від ідей проведення експериментів і закінчуючи підготовкою публікацій та виступів на наукових конференціях, виконано з ініціативи й безпосередньо автором дисертації.

Здобувачем самостійно виявлено ряд невирішених раніше проблем та відповідно поставлено завдання для їх розв'язання.

У районі Берегівського горбогір'я на комплексній РГС “Берегове” Карпатського прогностичного полігону забезпечено проведення комплексних деформографічних спостережень. Застосовано новітню цифрову апаратуру здатну забезпечити оперативний контроль і оцінку параметрів на рівні фонових коливань.

Усі розрахунки схем, виготовлення, монтаж і тестування дослідного взірця лазерного реєстратора та цифрової системи вимірювача температури, обробка одержаних під час дисертаційної роботи результатів автором виконано самостійно. Проведення спостережень, обробка та аналіз даних, оптимізація розроблених методик для різних задач (зокрема, спектральний аналіз записів деформацій для різних часових вікон) виконувались разом з науковим керівником роботи.

Основні результати представлено у роботі у вигляді сформульованих положень, що захищаються; наукова новизна й висновки отримані й обґрунтовані особисто автором.

Реалізація та впровадження результатів роботи. Діючий лазерний деформометричний комплекс апаратури встановлено на геофізичній станції „Берегове” у районі м. Берегове в межах південно-західного борту Панонської западини для планового проведення наукових досліджень у рамках держбюджетних та науково-дослідних тем відділу методів сейсмотектонічних досліджень КВ ІГФ НАН України. Виділено на території Закарпаття нові ефекти перед землетрусами, встановлено просторово-часові й амплітудні закономірності їхнього прояву. Результати досліджень відображено у наукових звітах Карпатського відділення Інституту геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України.

Апробація результатів дисертації. Основні положення, ідеї та результати досліджень доповідались та обговорювались на:

- 15, 16, 19 і 20-й наукових сесіях “Наукового товариства ім. Шевченка (Львів, 2004), (Львів, 2005) (Львів, 2008), (Львів, 2009).

- Міжнародній науковій конференції / Современная тектонофізіка: методи і результати /1-а молодіжна тектонофізична школа-семінар, Інститут фізики Землі РАН, м. Москва, 21-24 вересня 2009 р.

У повному обсязі робота доповідалась на розширених наукових семінарах Карпатського відділення Інституту геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України; наукових семінарах відділу методів сейсмотектонічних досліджень Карпатського відділення Інституту геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України та відділу СКР Інституту геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України.

Публікації. Основні результати за темою дисертації викладено в 5 наукових працях. Отримано 1 патент на винахід. 3 статті опубліковано у наукових журналах і збірниках наукових праць, які входять до Переліку фахових видань ВАК України в галузі геологічних наук, опубліковано одні тези доповіді у матеріалах міжнародної конференції.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів основної частини, висновків, списку використаних джерел із 120 найменувань. Загальний обсяг дисертації становить 144 сторінки. Основний текст займає 131 сторінку. Роботу проілюстровано 41 рисунком та 2 таблицями. Роботу виконано у Карпатському відділенні Інституту геофізики ім. С. І. Субботіна НАН України, де дисертантом отримано основні результати теоретичних досліджень та проведено практичну реалізацію результатів роботи.

Автор висловлює щиру подяку науковому керівникові доктору фізико-математичних наук, завідувачу відділу методів сейсмотектонічних досліджень КВ ІГФ ім. С. І. Субботіна НАН України, Малицькому Д. В. за постійну підтримку і допомогу в процесі роботи над дисертацією. Автор висловлює особисту подяку, колегам, чиї поради та підтримка відіграли важливу роль під час проведення польових робіт, вдячний усім учителям та наставникам.

Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність досліджень, сформульовано основні завдання, наведено загальну характеристику роботи, визначено її новизну та практичну цінність.

У першому розділі зроблено огляд геолого-морфологічних умов, що відображають сучасні погляди на геологічну будову регіону й складають основу для вивчення процесів, що відбуваються в різних геологічних шарах.

Розглянуто літосферу як індикатор процесів та засіб для виявлення закономірностей, пов'язаних із виникненням морфологічних структур рельєфу в межах Закарпатського прогину, наведено огляд геологічної будови у хронологічному порядку, подано тектонічне районування. Зазначено, що Карпатський регіон є частиною активного, у сейсмічному відношенні, Середземноморського поясу альпійської складчатості. Рухи позитивного знаку по лінії Закарпатського розлому сприяли підняттю північної частини Внутрішніх Карпат (Полонинський хребет, Рахівський кристалічний масив, Чорногора); рухи негативного знаку спричинили опускання південної частини, на місці якої і формувався Закарпатський прогин. Морфологічна будова Закарпатської області Українських Карпат сформована під впливом водно-ерозійних, денудаційних, гравітаційних, льодовикових, карстових та інших процесів, інтенсивність прояву яких залежить від спрямування неотектонічних рухів і літологічної будови.

Вивченню геологічної будови Карпатського регіону присвячено роботи Гофштейна І. Д., Глушко В. В., Смирнова С. Е., Хаїна В. Е., Сомова В. І., Фильштинского Л. Е., Колодія В. В., Круглова С. С., Кульчицького Я. В., Лозиняка П. П., Петрашкевича М. С. та інших вчених.

Наведено відомості про історичну сейсмічність регіону на основі якої побудовано карти сейсмічного районування (Пронишин Р. С., Пустовітенко Б. Г., Костюк О. П). Згідно з картою загального сейсмічного районування, на території регіону виділено зони із сейсмічністю від 5 до 7 балів за шкалою МSK- 64. Наведено відомості про створений у 60-х роках Карпатський прогностичний геодинамічний полігон для вивчення сучасної геодинаміки Карпат з мережею належних йому геофізичних станцій, на яких проводяться геодинамічні, геомагнітні та геоелектричні спостереження.

У результаті аналізу наявних матеріалів у Карпатському регіоні України виділено три сейсмічноактивних райони: Передкарпаття, Буковина та Закарпаття. Найактивнішим є Закарпаття із прилеглими до нього територіями східної Словаччини та північної частини Румунії. На сейсмічність Закарпаття впливають землетруси своїх активних та близьких до кордону зон сусідніх держав. Результати проведених досліджень показали, що застосування широкого кола геофізичних методів і системного моніторингу для вивчення сучасних рухів земної поверхні дозволять глибше дослідити прояви сучасної тектонічної активності у регіоні (Вербицький Т. З.). За час інструментальних спостережень 1961-2009 рр. у Закарпатті зафіксовано > 600 землетрусів з енергетичним класом К = 6 ч 12.

Сучасна активність Закарпатської сейсмогенеруючої зони підтверджується її геотермічним і сейсмічним режимами. Тут зафіксовано найбільші у Карпатському регіоні величини теплового потоку та концентрації епіцентрів місцевих землетрусів.

На підставі аналізу даних про особливості сейсмічного режиму на території Закарпаття дослідниками (Пронишин Р. С., Вербицький Т. З. та ін.) виділено дві сейсмічно небезпечні зони - Мукачівську і Тячівську, границею між якими є Оашський розлом. У Мукачівській сейсмогенеруючій зоні можливі місцеві землетруси з інтенсивністю до 8 балів. Зазначено, що протягом останніх 30 років у Закарпатті спостерігається загальне пониження сейсмічної активності, тобто спостерігається “затишшя”. А це означає, що сейсмічна небезпека, у близькому майбутньому може зростати.

Появу слабких землетрусів у вересні-листопаді 2006 р. можна сприймати як можливий початок сейсмічної активізації. Останній землетрус з інтенсивністю 5 балів зареєстровано 2006 р. (епіцентр у районі м. Берегове).

Широке коло природних явищ, які супроводжують сейсмічні події в осадових породах, пов'язані з їхньою малою міцністю й високою пластичністю, які залежать як від внутрішніх, так і зовнішніх факторів. Завдяки цим властивостям навіть слабкі напруження в геологічному середовищі викликають появу сигналів у широкому спектрі частот. Проте питання про їх зв'язок з характеристиками процесу деформування дотепер залишається відкритим. Наведені у першому розділі результати вивчення особливостей геолого-геоморфологічної будови дозволяють отримати уявлення про просторове положення джерел прояву регіональних геодинамічних процесів.

У другому розділі наведено основні відомості про постійно діючі станції, які розташовані в спеціально побудованих приміщеннях, обладнаних комплексами вимірювально-реєструючої геофізичної апаратури для реєстрації й вивчення хвильових коливань на різних масштабних відрізках.

Для вивчення детальної структури і варіацій геофізичних полів у масивах гірських порід, а також для виявлення та дослідження тонких геодинамічних і геомагнітних ефектів використовуються сейсмологічні, геофізичні, геодезичні та геотектонічні методи.

Вивчення вертикальних рухів земної поверхні здійснено на основі високоточного нівелювання, світловіддалемірних вимірювань, тонкої структури геомагнітного поля, параметрів вікового ходу і методами GPS вимірювань. Основу полігону складає мережа РГС “Берегове”, “Тросник”, “Нижнє Селище”, “Мукачеве”, “Брід”. На всіх РГС встановлено апаратуру (DAS-04) для реєстрації мікросейсм і місцевих землетрусів. На РГС “Берегове”, “Тросник”, “Нижнє Селище” і “Брід” встановлено протонні магнітометри для реєстрації варіацій модуля геомагнітного поля. На РГС “Тросник”, крім мікросейсмічних і геомагнітних досліджень, проводиться реєстрація часових варіацій температури та акустичної емісії масиву гірських порід у свердловині на глибині 500 м.

Для випробування та впровадження у сейсмотектонічні дослідження нових методичних і апаратурних розробок та уточнення на цій основі сейсмічної небезпеки на території Закарпаття в середині 80-х років минулого століття започатковано створення Карпатського комплексного прогностичного полігону Карпатського відділення Інституту геофізики (КВ ІГФ). Основну увагу у дисертації звернено на геофізичну станцію РГС “Берегове”, у підземній штольні якої проводяться геофізичні спостереження.

На РГС “Берегове”, що за 5 км від м. Берегове, крім мікросейсмічних і геомагнітних досліджень, у 1989 р. започатковано реєстрацію лінійних деформацій земної кори двома взаємно-перпендикулярними горизонтальними кварцовими екстензометрами-деформографами, які розроблені в Інституті Фізики Землі РАН, а також нахилів земної поверхні двокомпонентним горизонтальним нахиломіром конструкції Островського А. Є., удосконаленим у Полтавській гравіметричній обсерваторії ІГФ НАН України. Зазначено, що деформографічний метод вимірювання здатний доповнити сучасні засоби вивчення земної кори та забезпечити одержання більш деталізованої інформації про розвиток процесів тектонічного походження у наднизькому сейсмічному діапазоні.

Деформографічні дослідження у Закарпатті започатковано близько 30 років тому в районах міст Берегове ( Латиніна Л. О.), Мужієво та Королево, що зумовлено важливістю даних районів, як ключових у тектонічній структурі літосфери регіону і наявністю тут придатних для таких досліджень підземних виробок. Описано методику організації спостережень за допомогою деформографа з фотооптичним вимірювально-реєструючим пристроєм із записом на фотопапір. У процесі пошуку шляхів удосконалення механічної реєструючої системи, розглянуто основні принципи дії деяких видів пристроїв для реєстрації переміщень. Вони представлені реєстраторами, побудованими на різних фізичних принципах та з різноманітними конструкційними особливостями. Наведено їхні основні переваги та розглянуто недоліки: недостатня, в ряді випадків, чутливість і ширина робочого діапазону частот, значна похибка, що залежить від варіацій температури, тиску та вологості. Усе це ускладнило експлуатацію такого устаткування. Більшість недоліків механічно залежного методу реєстрації усунуто у пристрої нового покоління -- лазерному деформографі. Перевагою застосування лазерних методів реєстрації переміщень перед механічними аналогами є, у першу чергу, виключення механічного чутливого елемента. Вплив варіацій метеорологічних параметрів на покази приладу зведено, в основному, до їхнього впливу на проміжок оптичного шляху лазерного променя. Зазначено, що для проведення досліджень необхідно мати інструментальні засоби, які дозволяють здійснювати реєстрацію температури. У зв'язку з цим було створено прилади, що використовуються для її вимірювання. Крім того, використання диференційних властивостей середовища та передових конструктивних рішень дозволило покращити точність вимірювань мікродеформацій земної кори при деякому зниженні вимог до стабільності метеорологічних параметрів (тиск, температура, вологість).

Висока чутливість лазерно-інтерференційних реєстраторів з елементами цифрових методів вимірювань та із системою електромеханічного зворотного зв'язку при створенні лазерних деформографів різних модифікацій довела, що дані установки мають, практично, необмежений динамічний діапазон і високу стабільність у часі.

З урахуванням викладеного зроблено висновок про доцільність впровадження у Закарпатській сейсмоактивній зоні лазерної реєстрації переміщень та деформацій шляхом поєднання аналогових і цифрових методів перетворення сигналу. Такий метод реєстрації, поряд з низькою вартістю, має досить високу чутливість, може працювати у широкому частотному діапазоні (без обмеження по частоті знизу) з практично необмеженим динамічним діапазоном.

У третьому розділі детально розглянуто принцип дії й функціональну схему розробленого автором лазерного реєстратора.

Зроблено висновки про точність вимірювання переміщень у лабораторних і польових умовах. Описано особливості електронних компонентів перетворювача, розглянуто особливості налаштування вузлів та приладу в цілому.

При виготовленні діючого зразка деформометра застосовано наступні способи та методи:

- метод відбору матеріалу для з'єднань, відповідальних за точність вузлів конструкції та відбиваючого дзеркала;

- спосіб надійного з'єднання вузлів метал - метал, метал - неметал;

- спосіб термічної обробки основних механічних вузлів конструкції, який мінімізує внутрішні механічні напруження деталей і вузлів;

- спосіб зменшення резонансних і паразитних коливань конструкції до мінімального значення, яке не проявляється на похибці вимірювання;

- спосіб підбору активних компонентів схеми з підрахунком бюджету похибок до мінімального рівня (0.005 %) з подальшим перетворенням у цифровий сигнал.

Зреалізовані у розробці методи дозволили зафіксувати зсув між точками деформографа з граничною точністю 5x10-⁸ м (відносно довжини кварцової вімірювальної штанги довжиною 26,5 м) у інтервалі переміщень 0 - 1000 мкм у вікні частотного діапазону 0 - 80 Гц.

На рис. 1 схематично проілюстровано вузли оптичної системи лазерного реєстратора та результати вимірювання лінійності в області переміщення (1 - 980) мкм у заданій смузі частот (0.1 - 200) Гц.

Граничну чутливість у субмікрометровому діапазоні визначено за допомогою п'єзокоректора КП -1а та п'єзопакету ПП-4а.

Калібрування конструкції деформографа проведено за допомогою стандартного магнітострикційного пристрою МС -1.

У розділі зроблено висновок про перспективність застосування розробленої автором системи для проведення деформографічних спостережень. Також показано організацію запису та зберігання отриманих даних у деформометричному комплексі. Інформація з усіх приладів та давачів комплексу по кабельних лініях після аналогово-цифрового перетворення подається в лабораторне приміщення. Результати спостережень відображаються на дисплеї персонального комп'ютера та фіксуються на дисковому носії, звідки регулярно заносяться в єдину базу даних на носіях типу USB.

Рис. 1 Оптична система лазерного реєстратора переміщень (а, б) та лінійність вихідної напруги при переміщеннях у визначеному діапазоні (в).

Перші результати деформографічних спостережень із застосуванням нового способу реєстрації лінійних деформацій у межах Берегівських горстів Передпанонської сейсмоактивної зони показали залежність ходу кривої деформації від сезонної зміни температури та значний її вплив на результати спостережень. Проілюстровано на графіках результати синхронних спостережень температури, сейсмічності і деформаціі. На рис. 2 зображено графіки ходу кривої деформації. Результати спостережень пояснено сезонним зниженням або підвищенням температури та поступовим впливом її тренду на весь гірський масив, складений туфами ліпаритів.

Проведення багатоточкового температурного моніторингу на протязі достатньо тривалого періоду спостережень виявило цю особливість і запроваджений комплекс інженерних заходів допоміг компенсувати та мінімізувати вплив температури на результати проведення деформографічних спостережень.

Здійснені у 2007-2008 рр. роботи, спрямовані на компенсацію температурних перешкод, дозволили зменшити вплив температурної складової з загального амплітудного значення ходу кривої деформації у рази. Більш точну оцінку впливу температурних перешкод на різних частотах показали спектри когерентності рядів деформацій і метеорологічних параметрів. За допомогою устаткування та розробленої методики проведення метеотемпературних спостережень виявлено шляхи та усунено проникнення у вимірювальну камеру штольні ґрунтових вод. Таким чином, мінімізовано вплив перерозподілу температури в масиві породи на результати спостережень. Проведено заміри та виконано роботи, які спрямовані на покращення механічної надійності штангової вимірювальної системи для передачі переміщень. Крім того, задіяно двоступінчасту систему цифрової стабілізації засобів живлення. Виключено вплив на результати спостережень ненадійних з'єднань та впроваджено цифровий температурний моніторинг у розташованій поряд свердловині. Задіяно функцію служби точного часу для забезпечення синхронних вимірів варіацій деформацій, сейсмічних і температурних параметрів на РГС “Берегове”.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2 Залежність ходу кривої деформації (а, б, в) від сезонної зміни температури (РГС “Берегове”).

У розділі наведено результати у вигляді графіків до та після усунення впливу температури. Ці заходи проведено на підставі аналізу експериментальних досліджень за період 2005-2008 рр. На підставі отриманих результатів внесено необхідні зміни в кінцеву конструкцію приладу.

У четвертому розділі показано результати проведених моніторингових спостережень у зоні тектонічних напружень. Зроблено заключення про ефективність запропонованих методик і підходів на підставі отриманих результатів деформографічних спостережень.

Описано комплекс горизонтального лазерного деформографа з орієнтацією північний захід - південний схід (положення перпендикулярне простяганню Закарпатського прогину), з лазерним реєстратором, який доповнює багатоточкова система температурного моніторингу. Дані деформографа та всіх давачів комплексу у вигляді графіків відображаються на дисплеї комп'ютера.

Cтворено експериментальний пакет прикладних програм “DEFOR M1” для обробки отриманих даних, написаний для операційних систем Windows, у якому передбачено безліч зручних функцій та можливостей, починаючи від зшивання файлів і фільтрації до моделювання спектрів і спектрограм.

Виділено на записах кривих деформаційних процесів основні параметри впливу потенціалу сили припливу на Земну поверхню, викликану впливом Місяця, що вважається основним показником забезпечення нижньої границі чутливості при деформаційних дослідженнях (рис.3). За результатами проведеного спектрального аналізу рядів деформографічних спостережень визначено, що для руху полюсу деформації виділено три види припливів другого порядку: півдобові, добові, тижневі.

Рис. 3 Запис ходу кривої деформації на фоні півдобових припливних хвиль (РГС “Берегове”).

На рис. 4 зображено імпульсні збурювання вперше зареєстровані за 10 місяців до обвального явища, яке відбулось 24.10.2010 р. у вимірювальній камері штольні РГС “Берегове”.

Рис. 4 Фрагмент запису деформографа за період з 8.05.2010 до 2.07.2010 рр. (РГС “Берегове”).

Результати аналізу річного циклу спостережень за 2010 р. дозволили прослідкувати розвиток процесу руйнування і обвалу гірської порди у часі. Прояви сейсмічних подій на записах результатів деформографічного моніторингу чітко ідентифікуються при порівнянні з записами сейсмічного моніторингу (станція DAS-04). У розділі наведено результати спостережень та проілюстровано хід деформації на фоні сезонних коливаннь та наведено ділянки синхронного запису, проведеного лазерним деформографом у різних сезонних вікнах 2007-2010 рр. спостережень (рис. 5-7).

Рис. 5 Добові, півдобові й місячні припливні деформації за період спостережень 19.08.2008 - 13.10.2008 рр. (РГС “Берегове”).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6 Записи сейсмічних подій на фоні добового відрізку ходу кривої деформації (РГС “Берегове”).

Для вивчення взаємодії полів використано синхронні записи деформографа, сейсмографа та вимірювачів температури. Обробка даних, що надходять з приладів, дозволила встановити корельовані та некорельовані записи варіацій деформацій, сейсмічності та зміни температури у районі спостережень. Опираючись на аналіз перерозподілу температурного поля, досліджено факт динамічної залежності у вигляді переміщень додатного та від'ємного знаку та інших виявлених закономірностей, які зв'язані з кількістю опадів у регіоні (рис. 7).

Матеріали деформографічних спостережень та отримані результати досліджень використано також з метою пошуку можливих провісників землетрусів. Для цього здійснено порівняльний аналіз рядів записів, що реєструються цифровою сейсмічною апаратурою (станція DAS- 04), яка працює у штольні РГС “Берегове”, із записами деформографічних спостережень у різних часових вікнах на протязі декількох років. Як результат, виявлено певну кількість особливостей перед сейсмічними подіями, наприклад що зафіксовані 13.01.2007 та 14.02.2008 рр. (рис. 8,9).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7 Записи переміщень додатного (а) та від'ємного (б) знаку на фоні ходу кривої деформації (РГС “Берегове”).

Рис. 8(а, б) Сейсмічна подія зафіксована 13.01.2007 р. сейсмографом на РГС “Берегове” зі вступом о 4:35:37 за Гринвічем (а) та хвильовий ефект на записі лазерного деформографа (б).

Показано зареєстровані особливі ефекти перед землетрусами. Особливістю ходу деформації відображену на графіках рис. 8,9 (б) перед зареєстрованими сейсмічними подіями є поява восьмигодинного “столика” перед сейсмічною подією, яку не зареєстровано реєстраторами сейсмічної станції DAS-04, рис. 8,9 (а).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 9 (а, б) Фрагменти добового запису сейсмічної події 14.02.2008 р., зафіксованої на РГС “Берегове” сейсмостанцією DAS-04 (а) та деформографічним лазерним вимірювальним комплексом (б).

Показано деякі особливості на синхронних записах деформографічних даних та сейсмічних подій. Зроблено припущення, що поява на записах характерних „П - подібних столиків” на фоні ходу кривої деформації може трактуватись, як провісниковий ефект перед місцевими сейсмічними подіями.

Розглянуто взаємодію атмосфери та літосфери та визначено інтенсивність і значення створюваного впливу на результати спостережень. Зроблено припущення, що наявна обстановка викликана особливістю термопереходу у зоні розташування лазерного деформографа та пов'язана з розмірами задіяного масиву, градієнтом температури, швидкістю і напрямком деформування. Зазначено, що на підставі тривалого багатоточкового температурного моніторингу та на основі аналізу результатів отримано інформацію про динаміку та напрямки поширення температурного поля у районі спостережень (рис. 10).

Рис. 10 Мінімізація впливу метеотемператури на вимірювання після ізоляції вимірювальної камери штольні РГС “Берегове”:

Наведено графіки залежностей температури у штольні, зовнішньої метеотемператури та температури у ґрунті над досліджуваним гірським масивом до та після проведення заходів з усунення і мінімізації її впливу на запис ходу деформації. Здійснено контроль температури під штольнею у свердловині на глибині 35 м. Записи показів вимірювачів температури збережено кожні 30 секунд у цифровому форматі. Визначений експериментально формат реєстрації температури дає змогу досить надійно дослідити фазові коливання та динаміку температурного поля у досліджуваному масиві гірських порід. Для моніторингу абсолютних і відносних значень температури встановлено високоточні цифрові давачі з похибкою 3х10^-2 єС.

На підставі аналізу даних проведеного деформографічного моніторингу наведено основні переваги розробленої і застосованої методики та надано рекомендації для подальшого розвитку геодинамічних досліджень.

Розроблені в дисертації методи та підходи, практичне застосування яких представлено у даній роботі, можуть застосовуватись для вивчення сейсмічності регіонів України.

Висновки

Основні результати дисертаційної роботи полягають в наступному:

1. Розроблено та виготовлено автоматизований комплекс для деформографічного та метеотемпературного моніторингу.

2. Отримано нові експериментальні дані з реєстрації деформацій і сейсмічних подій, встановлено закономірності просторової структури деформування і особливості їхнього зв'язку з різними техногенними, метеорологічними та тектонічними джерелами.

3. Зареєстровано ефекти аномальних збурень перед сейсмічними подіями, досліджено закономірності їхніх проявів.

4. Створено базу даних, проаналізовано сукупність експериментальних результатів в асейсмічний період та безпосередньо перед сейсмічними подіями:

- виявлено та досліджено півдобові, добові та сезонні періодичні коливання;

- визначено, що деформаційні провісники первинні стосовно змін інших параметрів середовища.

5. Розроблено методичні, алгоритмічні та програмні прийоми для пошуку амплітудних провісникових ефектів при комплектуванні геофізичних методів.

6. Рекомендовано інструментальне вивчення деформаційних характеристик середовища на більших тектонічно активних та техногенно навантажених площах Карпатського регіону.

7. Вирішено ряд методичних проблем постановки стаціонарних польових деформографічних і температурних спостережень. Виявлено можливі причини появи поверхневих землетрусів і зсувних явищ у районі м. Берегове, пов'язаних з особливими тектонічними умовами.

8. Надано обґрунтувані рекомендації та розроблено план проведення подальших робіт з залученням GPS технологій на пунктах контролю сейсмічної небезпеки. Запропоновано продовжити роботи з дослідження локальних розломних структур у районі Передпанонської сейсмоактивної зони з огляду на те, що розривні структури довгоживучі, а наслідки їхнього розвитку можуть бути катастрофічними.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Деклараційний патент 67366А. Україна 7G01N11/00. Установка для визначення коефіцієнта демпфування і динамічної жорсткості при згинальних коливаннях зразка // Когут І. С., Кравець С. В. Заявлено 08.09.2003. Опубліковано 15.06.2004. Бюл. № 6.

2. Кравець С. В. Лазерний реєстратор для деформографічних досліджень / С. Кравець, Д. Малицький // ”Науковий Вісник” Івано-Франк. НТУНГ. -- 2005. -- 1(10). -- С. 37-41.

3. Кравець С. В. Деформографічні дослідження в Закарпатті за допомогою лазерного реєстратора / С. Кравець, Д. Малицький // Вісник КНУ ім. Тараса Шевченка, 2007. -- С. 92-97. -- (Серія “Геологія” ; вип. 41, 42).

4. Кравець С. В. Аналіз деформографічних спостережень у Закарпатті / С. Кравець, Д. Малицький // Вісник КНУ ім. Тараса Шевченка, 2010. -- С. 48-52. -- (Серія “Геологія” ; вип. 48).

5. Кравец С. В. Анализ некоторых результатов деформографических наблюдений в Закарпатье / С. Кравец, Д. Малицкий // Современная тектонофизика: методы и результаты : материалы 1-ой молодёжной тектонофизической школы-семинара. -- М. : Институт физики Земли РАН, 21-24 сент. 2009 г. -- С. 102-108.

Анотація

Кравець С. В. Деформографічний моніторинг сейсмотектонічних процесів у зоні Берегівського горбогір'я. -- На правах рукопису.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика. - Київський національний університет ім. Тараса Шевченка, Київ, 2011.

Дисертація присвячена вперше проведеним геодинамічним дослідженням на території Закарпаття з використанням новітніх лазерно-цифрових засобів деформографічних і метеотемпературних спостережень, виконаних на базі власних розробок автора, що дозволило спостерігати та вивчати повільні геодинамічні процеси та переміщення до, під час і після землетрусів, організувати базу деформографічних і метеотемпературних даних, проводити обробку та комплексний аналіз геофізичної інформації.

У роботі розглянуто вплив на проведення деформографічних вимірювань різних атмосферних факторів, зокрема, температури. Проведено порівняльний аналіз отриманих результатів із теоретично розрахованими значеннями припливної сили. Показано деякі особливості записів деформографичних даних при сейсмічних подіях. Виявлені закономірності на підставі аналізу отриманих даних дозволять прогнозувати періоди аномального збільшення сейсмічної активності з метою передбачення катастрофічних явищ.

Встановлено зв'язок між геологічною будовою, сезонними коливаннями температури, впливом припливного потенціалу та сейсмічними умовами у регіоні. У представленій роботі за допомогою даних деформаційного, сейсмічного та температурного моніторингу показано перспективні шляхи для виявлення механізмів накопичення та перерозподілу пружних деформацій і виявлено можливі провісникові ефекти перед місцевими землетрусами. Дослідження проведено у районі північно-західного крила Передпанонської западини на режимній геофізичній станції РГС “Берегове”.

Ключові слова: геодинаміка, сейсмологія, деформації, лазерний реєстратор, припливні сили, температурне поле, моніторинг небезпечних процесів.

Аннотация

Кравец С. В. Деформографический мониторинг сейсмотектониче-ских процессов в зоне Береговских горстов. -- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геологических наук по специальности 04.00.22 - геофизика. - Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, Киев, 2011.

Диссертация посвящена впервые проведенным на территории Закарпатья геодинамическим исследованиям с использованием новейших лазерно-цифровых средств деформографических и метеотемпературных наблюдений, выполненных на базе собственных разработок автора. Проведены наблюдения и изучение геодинамических процессов и перемещений в контролируемом массиве горной породы, до во время и после землетрясений. Создана база деформографических и метеотемпературных данных, выполнен комплексный анализ с привлечением результатов сейсмических наблюдений. Выполнена обработка полученной геофизической информации.

В работе рассмотрено влияние на проведение деформографических измерений различных атмосферных факторов, в частности температуры. Проведен сравнительный анализ полученных результатов с теоретически рассчитанными значениями приливной силы. Показаны некоторые особенности на записях деформографических наблюдений до во время и после сейсмических явлений (землетрясениях).

Обработка данных, которые поступают из измерительных приборов, позволила установить, что на значительных временных интервалах выявлены процессы зависимости деформации земной коры от вариаций метеоусловий.

Естественно предположить, что такой результат вызван инертностью термоперехода в районе проведения измерений и зависит от размеров массива, градиента давления, скорости и направления изменений температуры. Подобная реакция участка наблюдается, возможно, при наличии эффекта, получаемого при перемещении водных масс, ускоряющих теплообмен и вызывающих деформацию. Материалы наблюдений и результаты исследований использовались также для поиска возможных предвестников землетрясений. Выявленные закономерности на основании анализа полученных данных могут позволить прогнозировать периоды аномального увеличения сейсмической активности с целью предсказания катастрофических явлений.

Установлена связь между геологическим строением, сезонными колебаниями, влиянием землеприливного потенциала и сейсмическими условиями в изучаемом регионе. Полученные результаты согласуются с геологическими представлениями и с данными предыдущих измерений в изучаемом районе. В представленной работе показаны (с помощью данных деформационного, сейсмического и температурного мониторинга) перспективные пути для выявления механизмов накопления и перераспределения упругих деформаций. Выявленные эффекты, интерпритируются как возможные предвестники местных землетрясений. Исследования проведены в районе северо-западного крыла Предпанонской впадины на режимной геофизической станции РГС “Берегове”.

Ключевые слова: геодинамика, сейсмология, деформации, лазерный регистратор, землеприливные силы, температурное поле, мониторинг опасных процессов. сейсмічний деформографічний моніторинг

Summary

Kravets S. V. The features of the tension-metering monitoring at the Beregove horst region - Manuscript.

The thesis for a Ph.D. degree in geological sciences in specialty 04.00.22 - geophysics. -- Taras Shevchenko National University of Kiev, Kiev, 2011.

The thesis applies for the original geodynamical investigations of the Transcarpathians territory. New laser-digital techniques of tension and weather-temperature observations on the base of author's implementations were used. Such techniques allow to observe and study sub-low geological processes and movements before, during and after earthquakes, create a of tension and weather-temperature data base, make complex analyses and processing of geophysical information. An influence of different atmospheric factors (especially temperature) upon the tension metering is examined in the Thesis. A comparative analyses of results with theoretical calculations of tidal power were done. Peculiarities of a tension data registration during seismic events (earthquakes) were shown.

The materials of tension-metering and the results of observations were used for investigations of probable earthquakes precursors also. The dependencies detected by the analises allow to predict the anomalous seismic activity periods for avoiding of catastrophic events.

A correlation between the geological structure, season variations of temperature, influence of tidal potential and seismic conditions in the region was stated. On the base of tension-metering, seismic and temperature data monitoring new perspective ways for detecting of accumulation and redistribution of elastic deformations are shown. Probable precursors of local earthquakes are described.

Investigations were done in the region of NW slope of Pre-Pannonian depression on the permanent geophysical station RGS “ Beregove ”.

Key words: geodynamics, seismology, deformations, laser registration, tidal forces, temperature field, monitoring of dangerous processes.

Размещено на Allbest.ru