КОНЦЕПЦИЯ ВЛИЯНИЯ ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ГЕОЛОГИЧЕСКОЙ СРЕДЫ НА ТЕХНОГЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКУЮ БЕЗОПАСНОСТЬ ЭКСПЛУАТАЦИИ СООРУЖЕНИЙ

По современным представлениям вся земная кора повсеместно разбита на блоки различных размеров. Они находятся в постоянном движении. Нет ни одной точки на земной поверхности, которая оставалась бы в состоянии покоя и не испытывала какого-либо движения. Одни участки земной коры медленно опускаются, другие – поднимаются, третьи – нагромождаются друг на друга или расходятся. Такие процессы происходят очень и очень медленно – со скоростью в несколько миллиметров (реже сантиметров) в год.

Различная тектоническая активность движущихся блоков горных массивов определяет зонально-блочное строение земной коры и всей литосферы. Тектонические движения блоков имеют ритмический (циклический) характер,определяемый эндогенной (внутренней ритмикой) процессов внутри Земли, а также ритмичностью внешних (космических) процессов, важнейшими из которых являются лунно-солнечные приливные вариации.

Границы между блоками земной коры различной тектонической активности представляют собой геодинамические зоны (ГДЗ). Они имеют определенные размеры по ширине (в плане) и различную протяженность на глубину, зависящие от причин, вызывающих движения блоков. Геодинамические зоны могут иметь либо аномально-напряженное состояние (при дальнейшем развитии которого может произойти разрыв и перемещение блоков горного массива), либо представляют собой структуры, по которым происходили или происходят тектонические подвижки блоков горного массива.

В пределах ГДЗ породы испытывают повышенные напряжения и деформации, интенсивную дезинтеграцию (разуплотнение), локальное изменение литологического состава. Разуплотненные, трещиноватые породы в пределах ГДЗ обеспечивают повышенную фильтрацию как природных (естественных), так и техногенно - загрязненных вод. Одновременно ГДЗ являются наилучшими путями энергомассопереноса. По этим зонам (особенно глубинных разломов) из недр Земли поднимаются к поверхности различные виды энергии, а также паро-водные и газообразные потоки различных химических элементов и соединений, в том числе и агрессивных по отношению к инженерным конструкциям.

Зонально-блочное строение глубинных геологических образований находит свое отражение и на земной поверхности. Чаще всего это проявляется в виде линейно-вытянутых форм рельефа, их границ, элементов гидрографической сети, в виде различных зон почвенного и растительного контрастов, обусловленных геологическими причинами.

Поверхностное проявление в рельефе крупных глубинных (планетарных и глобальных) тектонических структур получило название линеаментов. Аналогичные поверхностные проявления более мелких структурных элементов горных массивов называют микролинеаментами или также – линеаментами.

Таким образом, геодинамические зоны, как глубинные геологические структуры, соответствуют линеаментам поверхности. Вследствие эрозионных процессов, сглаживающих рельеф, далеко не всегда геодинамические зоны отчетливо отображаются в рельефе поверхности, или отчетливость такого отображения оставляет желать лучшего. Поэтому обнаружение, трассирование и изучение геодинамических зон необходимо выполнять геофизическими методами. Для этого существуют объективные и надежные физико-геологические предпосылки. Они базируются на том, что любое изменение вещества горных пород и их состояния обеспечивает заметные отклонения от фоновых значений физических свойств пород и физических полей над геологическими объектами. На этом основании все геофизические методы (грави-, магнито-, электроразведка, сейсмометрические, радиоактивные и ядерные, тепловые) позволяют обнаруживать различные блоки горных пород, трассировать геодинамические зоны, оценивать их показатели, то есть эффективно изучать геодинамическое состояние геологической среды. Весьма высокие возможности при геодинамических исследованиях имеются у атмогеохимических (эманационные, газовые) методов, так как ГДЗ характеризуются повышенными газовыделениями, особенно в периоды тектонической активности [1-8].

Геодинамическая активность массива пород характеризуется амплитудой и частотой движений. Чем выше частота и амплитуда движений, тем выше геодинамическая активность массива пород и земной поверхности. Таким образом, величина напряжений и деформаций массива горных пород, их знакопеременные изменения и знакопеременные движения (колебания) земной поверхности отражают её геодинамическую активность, и частично, сбрасываемую в окружающее пространство энергию Земли.

Принята условная градация ГДЗ по геодинамической активности: 1-я категория - высокоактивные ГДЗ, 2-я категория - среднеактивные ГДЗ, 3-я категория - низкоактивные ГДЗ. Она разработана Ю.С. Рябоштаном [9] и применяется при СГДК шахтных полей Донбасса с 1970г. Эта градация основана на условном разделении ГДЗ по активности, которая определяется характером аномалий физических полей над зоной.

Геометрально геодинамические зоны соответствуют 5-7 уровням энергостоковых зон по классификации В.В. Кюнтцеля или 18-33 порядку по В.В. Богатскому [10,11].

Устойчивость и безопасную эксплуатацию крупных инженерных сооружений определяют ГДЗ 5-го и 6-го уровней, поскольку их размеры (ширина зон метры и десятки метров) соизмеримы с размерами сооружений. Геодинамические движения в этих зонах носят квазипериодический характер с амплитудой и частотой движений, при которой накапливаемые напряжения горных пород и материала фундаментов сооружений, со временем, приводят к их разрушению.

Геодинамические зоны – участки земной коры повышенного техногенного и экологического риска

Накопленный опыт оценки состояния зданий сооружений показал, что устойчивость любого крупного сооружения в решающей мере зависит от состояния горного массива в его основании. При этом предполагается, что чисто технические факторы (прочность конструкции, тщательное исполнение проектных решений и т.п.) являются максимально эффективными и не оказывают отрицательного воздействия на устойчивость сооружения. Техногенная безопасность любого сооружения – исключение возможности его разрушения.

Экологическая безопасность – исключение возможности загрязнения атмосферы, водоносных горизонтов, верховодки и поверхностных водотоков выше концентраций, обусловленных санитарными требованиями.

Для изучения влияния геодинамики целесообразно использовать понятия геодинамической опасности и геодинамического риска.

Под геодинамической опасностью понимается сама фактическая подверженность территории геодинамическому воздействию. Понятие геодинамический риск непременно связывается с воздействием ГДЗ на материальное состояние объектов и экономическое положение субъектов.

Для разработки методов оценки геодинамического риска и геодинамической опасности, когда имеет место современная геодинамика земной поверхности, необходимо детально рассмотреть как формируется негативное воздействие аномальной геодинамики разломов на инженерные объекты [12].

Современная тектоническая активность массивов горных пород, проявляемая аномальными движениями земной поверхности по геодинамическим зонам, разрушающим образом действует на любые техногенные объекты и сооружения.

Наиболее интенсивно это происходит, когда протяжённый объект расположен на разных блоках массива горных пород, при этом геодинамическая зона пересекает инженерное сооружение или любой другой объект, или это сооружение расположено целиком, в пределах геодинамической зоны. Кроме потери механической прочности и разрушения объектов, зачастую, возникают побочные явления и процессы, создающие экологический ущерб, во много раз превышающий ущерб от самого разрушения. Например, загрязняя окружающую среду токсичными техногенными отходами.

В результате постоянно протекающих геодинамических процессов в ГДЗ, происходит разуплотнение грунтов с образованием нескольких разнонаправленных систем трещин отрыва на скрытой стадии развития [13]. При определенных условиях, происходит разрушение сооружения. Подтверждением сказанного являются примеры:

- Объект «Полусфера» (испытательный стенд в форме полусферы диаметром 230 м). В 1985г в городе Истра Московской области после сдачи объекта в эксплуатацию обрушился купол. При изучении причин разрушения (геофизические и высокоточные геодезические режимные наблюдения) была установлена геодинамическая причина катастрофы.

- В г. Донецке на Французском надвиге деформировано здание третьего корпуса Донецкого государственного технического университета и разрушен жилой дом №9 по ул. Розы Люксембург в 1981 г.

- Здание Академии наук в г. Москве, построенное в 1982 году на пересечении геодинамически активного разлома и трещинной структуры к концу строительства начало деформироваться.

- Новый административный корпус в Николаевской области начал деформироваться на геодинамических зонах через два года его эксплуатации.

- При геодинамическом картировании территории г. Ленинакана и Спитака после землетрясения установлено, что разрушенная часть зданий соответствовала положению геодинамических зон и узлов их пересечения. Причем, разрушения в пределах геодинамических (или энергостоковых) структур выглядели как после искусственного разрушения направленным взрывом.

Разрушение сооружений энергией геодинамических зон при землетрясении (Армения, г. Ленинакан, Спитак, 1988г)

Исследованиями, выполненными в последние годы ведущими специалистами Украины и России, установлено, что причиной катастрофы на Чернобыльской электростанции (ЧАЭС) является тектоническая активность кристаллического фундамента в районе её расположения. Обнаруженные данные и их тщательный анализ свидетельствуют о том, что за несколько секунд до взрыва на IV блоке ЧАЭС в районе станции произошло локальное землетрясение, которое могло существенно повлиять на ход технологических процессов и в условиях нестабильного режима реактора привести к взрыву [14, 15]. Проведенные в 1991 году (через 14 лет после пуска станции в эксплуатацию и спустя 5 лет после катастрофы) детальные сейсмические исследования позволили установить, что промплощадка ЧАЭС находится в зоне пересечения двух систем региональных разломов мантийного заложения – Южно-Припятского и Тетеревского. Узел пересечения упомянутых разломов расположен на расстоянии 10-15 км восточнее промплощадки ЧАЭС. По мнению учёных, он может считаться наиболее вероятным очагом локального землетрясения, зафиксированного за 10-15 секунд до взрыва на IV блоке ЧАЭС тремя ближайшими (в радиусе 100-180 км) сейсмическими станциями. В то же время другие более удалённые сейсмостанции Украины и Беларуси не зафиксировали упомянутое сейсмическое событие, так как его магнитуда сравнительно низкая и составила 1,3 – 1,4 [14]. То есть, в планетарном масштабе землетрясение имеет весьма незначительный и локальный характер, хотя и обеспечило глобальные экологические последствия.

Другого плана катастрофа произошла на Урале летом в 1989 году, когда два встречных пассажирских поезда вспыхнули от взрыва огромного количества газа, накопленного в низине местности вследствие утечки из неисправного вблизи расположенного магистрального продуктопровода. Погибло более тысячи человек.Геодинамическое изучение территории трагедии с пассажирскими поездами на Урале было выполнено в 1990 году геофизической группой Российского Университета дружбы народов методами газовой съёмки. Было установлено наличие двух пересекающихся активных геодинамических зон растяжения, одна их которых пересекает место образования трещины на продуктопроводе. Наиболее вероятной причиной образования этой трещины является деформация трубы в пределах геодинамической зоны, а также активное воздействие выделяющихся газов [16].

Известны многочисленные случаи подтопления и загрязнения окружающей территории от хвостохранилищ и шламонакопителей, осуществленные по ГДЗ [17]. Установлено, что значительное количество крупных аварий на магистральных нефте- и газопроводах происходит в местах пересечения ими ГДЗ, а аварии с негативными экологическими последствиями на нефтегазовых скважинах происходят, если эти скважины расположены в пределах активных геодинамических зон. При затоплении выработок закрывающихся шахт по ГДЗ вытесняется к поверхности природный газ поднимающимися шахтными водами, подтапливаются и заболачиваются прилегающие территории, «оживают» и активизируются тектонические подвижки блоков горных массивов.

Одним из ярких примеров критического загрязнения экологической среды по геодинамическим зонам является экологическая ситуация, сложившаяся в с. Корнин Ровенской области. За период 1994 - 98 гг., с начала стока дизельного топлива к реке Устя, в ловушке было собрано около 650 тонн. Нефтепродукты загрязнили значительную часть колодцев. Существовало несколько версий источников загрязнения грунтовых вод нефтепродуктами: авария на складах ГСМ тракторной бригады, «затерянная» немецкая емкость с нефтепродуктами, которая пришла в аварийное состояние и т.д. Проведя геолого-геофизические исследования и построив карту –инженерно-геодинамической зональности было установлено, что нефтепродукты распространяются строго по геодинамическим зонам в пределах крупного регионального тектонического разлома. Трассирование по площади структурных ловушек нефтепродуктов (ГДЗ) позволило обнаружить источник загрязнения, расположенный в 20 км от вытока дизтоплива в р.Устя, - склады ГСМ.

Распространение нефтепродуктов по геодинамическим структурам на протяжении 20 км

Из изложенного вытекает однозначный вывод – при строительстве новых инженерных объектов необходимо выбирать площадки под строительство вне ГДЗ, или реализовывать упреждающие защитные мероприятия от возможных негативных последствий влияния ГДЗ. Для этого необходимо иметь геодинамическую карту территории рассмотрения с указанием всех ГДЗ и их детальных характеристик (направление, ширина в плане, глубина проявления, тектоническая активность и т.п.).

Так, основными природными факторами и явлениями, определяющими устойчивость инженерных сооружений и влияющими на режим грунтовых вод, распространение техногенных вод, процессы подтопления территорий и динамику земной поверхности, являются:

- многоуровневое зонально-блоковое строение земной коры, определяемое линейными и площадными различно-активными геодинамическими структурами;

- ритмическая (циклическая) активность геодинамических структур, определяемая как эндогенной ритмикой Земли, так и экзогенной (внешней космической) ритмикой, в частности, лунно-солнечными приливными вариациями. При этом активность массива горных пород в ГДЗ значительно выше активности геодинамических блоков. Упомянутая ритмичность определяет неравномерность во времени интенсивности фильтрации грунтовых (естественных и техногенных) вод и деформации инженерных сооружений [18];

- перераспределение тектонических напряжений на границах неоднородностей, например, пород массива горных пород основания ГТС и насыпных грунтов дамб (плотин);

- приуроченность к ГДЗ фильтрационных потоков грунтовых вод;

Обобщение результатов геолого-геофизических исследований при решении рассматриваемых проблем позволяют прийти к следующим выводам:

- устойчивость любого сооружения, построенного на земной поверхности, кроме чисто технических факторов (прочность конструкции каркаса и отдельных его элементов, качество применяемых материалов, добросовестность исполнителей проекта и т.п.) в решающей мере зависит от состояния горного массива, на котором расположено данное сооружение;

- главенствующая роль в возникновении и развитии подтоплений территорий принадлежит, кроме техногенных факторов, геодинамическим процессам; характер протекания которых определяется строением и геологическим развитием горного массива;

- повышение уровня грунтовых вод на промышленных и гражданских территориях, является следствием строительства крупных сооружений на путях фильтрации грунтовых вод (подземных водотоков);

- геодинамические подвижки и газы, истекающие из недр по геодинамическим зонам, а также естественные электромагнитные поля, способствуют ускоренному износу металлических труб подземных водных коммуникаций, утечкам вод, медленно поднимая уровень грунтовых вод. Это приводит к подтоплению территорий, способствует образованию и развитию оползней на естественных и искусственных (дамбы, плотины) склонах, балках, оврагах рек и ручьев;

- оценка и прогноз экологической безопасности подтапливаемых территорий должны основываться на данных о площадном и объемном структурно-геодинамическом строении и состоянии горного массива. Такие данные можно без бурения скважин получить с помощью геолого-геофизических исследований.

Физические поля – объективные параметры геодинамических зон и их активности

Очевидно, что для оценки геодинамического состояния геологической среды необходимо объёмное её изучение. Традиционные нормативные методы инженерных изысканий, практикуемые в настоящее время, совершенно недостаточны для достижения указанной цели. Применяемый отбор образцов грунтов и пород из редкой сети скважин с последующим лабораторным изучением физико-механических параметров проб дают точечную, весьма ограниченную информацию. Она не может охарактеризовать геодинамику горного массива в целом и, следовательно, не обеспечивает достоверного прогноза возможных негативных последствий её влияния на техногенные объекты.

Ввиду затрудненности ведения геологических методов на многих инженерных объектах и точечного выходного вида информации, наиболее продуктивными и экономически доступными остаются геофизические методы.

Использование геофизических методов при решении геологических задач базируется на дифференциации по физическим свойствам горных пород и по физическим полям различных геологических объектов (тектонические разрывные нарушения, зоны дробления и уплотнения, водоносные горизонты, зоны горного массива повышенного увлажнения, аномального напряженного состояния и т.п.). Упомянутая дифференциация обеспечивает возникновение над объектами аномальных значений физических полей относительно их фоновых значений, соответствующих геологически однородной среде. Геологические неоднородности (объекты) вызывают различные по размерам аномалии конкретных геофизических полей, что усиливает достоверность изучения при использовании полей различной физической природы. Вследствие этого достоверность решений повышается при использовании не одного, а нескольких геофизических методов, то есть их комплекса.

Наблюдения полевыми геофизическими методами выполняются по определенным направлениям - геофизическим профилям. Расстояния между профилями наблюдений, а также между точками наблюдений выбираются таковыми, чтобы обеспечить уверенное обнаружение и достоверное изучение исследуемых объектов.

Глубинность различных геофизических методов варьирует в зависимости от вида изучаемых физических полей, а для электроразведочных методов и от размеров измерительной установки. Поэтому использование комплекса геофизических методов позволяет получать информацию по площади, регулируя размеры сети геофизических наблюдений; а по глубине – регулирую технологию измерений и размеры измерительных установок. Это обеспечивает получение по данным геофизических методов объемной информации с заданной детальностью.

Таким, образом, для обеспечения устойчивости и экологической безопасности инженерных объектов необходимо выполнять геодинамическое картирование геофизическими методами при выборе площадок под строительство, а для действующих объектов – геодинамический мониторинг (оценка ситуации, прогноз развития, разработка защитных мероприятий и их реализация).

Концепция влияния геодинамических процессов геологической среды на техногенно-экологическую безопасность эксплуатации сооружений неоднократно подтверждена специалистами нашего предприятия на различных объектах гражданского и промышленного назначения:

- трубопроводного транспорта

- автомобильного и железнодорожного транспорта

- промышленных предприятий

- гидротехнических сооружений

- жилых комплексов и их инфраструктуры

- при проведении геодинамического мониторинга оползневых процессов

- при нарушении устойчивости зданий и сооружений

- при поиске и разведке месторождений трещинных и термальных вод, полезных ископаемых и др.

Литература

1. Геодинамическое районирование недр: методические указания-П.1990-129с.
2. Рябоштан Ю.С. Методические рекомендации по структурно-геодинамическому картированию // МУП СССР, ПО «Укруглегеология», Донецк, 1988, 204 с.
3. Рябоштан Ю.С. О содержании и задач структурно-геодинамического картирования при поисковых и разведочных работах на месторождениях гидротермального типа. Осадочные породы и руды. Киев. Наука думка. 1980г.
4. Рябоштан Ю.С. Заключение о режимных наблюдениях объектов "ВНИЦ" п.я. Р-6511 за период с сентября 1988г. по март 1991г., ПО "Укруглегеология", тематическая экспедиция, Донецк, 1991г.
5. Панов Б.С., Тахтамиров Е.П. Новое в геолого-геофизических исследованиях. Известия высших учебных заведений, геология и разведка, 1993г., №3 с. 57-67.
6. Панов Б.С., Тахтамиров Е.П. Анизотропия электропроводности покровных отложений и ее свойства. Тез. Международной геофизической конференции "Анизотропия. Фракталы. Проблемы практического использования", Киев, 1994г.
7. Тахтамиров Е.П. Способ структурного геодинамического картирования, азимутальный (способ СГДК-А). Инструкция на применение. Донецк, УкрНТЄК, 2000,-15с.
8. Патент № 1821786 на изобретение: Азимутальный способ геоструктурного картирования. Авторы: Е.П. Тахтамиров, В.В. Степанов, В.С. Емец, Б.С. Панов. Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам. 26.09.1994г.
9. Гавриш В.К., Рябоштан Ю.С., Добрянский Л.А. и др. Атмохимическое прогнозирование неотектонически активных зон в Донбассе, Днепрово-Донецкой впадине и других регионах // Киев, 1990.- 43 с. - (Препринт / АН УССР, Ин-т геологических наук; 90-24).
10. Кюнтцель В.В. Энергостоковые зоны и их экологическое воздействие на биосферу // Геоэкология, 1996 №3 с. 93-100.
11. Богатский В.В. Механизм формирования структур рудных полей. М.: Недра, 1986. 88с.
12. Кузьмин Ю.О. Современное геодинамимическое состояние недр // (ZIP, файл MS Word – 210 килобайт).
13. Б.И. Воевода – Дон ГТУ, Е.Г. Соболев, А.Н. Русанов, О.В. Савченко – ОАО “УкрНТЕК” ГЕОДИНАМИКА И ЕЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЯВЛЕНИЯ.
14. Страхов В.И., Старостенко В.И., Харитонов О.М. и др. Сейсмические явления в районе Чернобыльской АЭС. //Геофиз. журн., 1997, №3, с. 3-15.
15. Правдивцев В.К. Версия Чернобыля. //Эхо планеты, 1998, №32, с. 25-33.
16. Диваков В.И. Микрогеодинамика. Рекламный проспект. – М., Российский университет дружбы народов. 1998,-24с.
17. Петенко Г.А., Бондарева Н.В. Исследование влияния геологических факторов на устойчивость дамб (плотин) шламонакопителей Донбасса// Инженерно-технические изыскания и проектирование фундаментов в Донбассе, XYIII областная научно-техническая конференция, 15 декабря 1989 г. (тезисы докладов), - Донецк, 1989. - С. 40-42.
18. Селюков. Е.И., Стигнеева Л.Т. «Краткие очерки практической микрогеодинамики» - СПб: Питер, 2010. 176с. Ил.