Переход на стартовую страницу книги Гликмана А.Г. "Спектральная сейсморазведка - истоки и следствия"
О нас Услуги Оборудование Книги по теме Примеры Связь Карта Форум Видео En
 приобрести книгу 

10. О выявлении тектонических нарушений

     Тектонические нарушения являются уникальным геологическим объектом. С одной стороны, если обратиться к научной и учебной литературе, то окажется, что практически все существующие геологические и геофизические методы исследования являются пригодными для выявления, картирования и изучения как тектонических нарушений, так и их влияния на инженерные сооружения. Существует и классификация тектонических нарушений...
     С другой стороны, до сегодняшнего дня, а точнее, до создания метода ССП, не существовало аппаратурного метода, пригодного для выявления, картирования и изучения как тектонических нарушений, так и их влияния на инженерные сооружения.
     На практике, тектонические нарушения однозначно выявляются только в том случае, когда отсутствует осадочный чехол и геологи могут на основании визуального исследования пород кристаллического фундамента изучать параметры тектонических нарушений. При наличии осадочного чехла само тектоническое нарушение увидеть нельзя, но влияние его хорошо видно на разного рода поверхностях обнажения. Это, например, стенки подземных выработок или поверхности, образовавшиеся в результате оползней.
     Геологические и геофизические методы, претендующие на то, чтобы быть использованными при выявлении тектонических нарушений, на самом деле, при практических проверках либо в принципе не годятся для этого, либо годятся, но в каких-то отдельных, частных случаях. Так, метод радоновой съемки, в принципе, является достаточно надежным методом картирования зон тектонических нарушений (ЗТН). Однако, как оказалось, далеко не во всех ЗТН имеет место выход радона. А кроме того, в условиях города, вследствие большого количества подземных коммуникаций, выход радона может оказаться в стороне от ЗТН.
     Впрочем, когда я делаю подобные заявления по поводу возможностей различных методов, претендующих на пригодность для выявления тектонических нарушений, мне часто противопоставляют метод каналовых волн.

10.1. Метод каналовых волн

     Одна из серьезнейших неприятностей, которая может случиться при подземной добыче полезного ископаемого - это внезапная встреча горнодобывающей или проходческой техники с тектоническим нарушением. Такая встреча может завершиться серьезной аварией, гибелью техники и людей. Поэтому весь горняцкий мир с надеждой воспринял в 1963-м году сообщение о создании метода прогноза тектонических нарушений.
     В 1963 г в журнале Geophysics появилась статья западногерманского физика Крея, в которой он дал подробное описание метода сейсмолокации тектонических нарушений непосредственно из выработок угольной шахты. Это было подробное, с указанием планов горных работ и реальных выработок, описание практического осуществления идеи, изначально столь же очевидной, как и вся идея сейсморазведки.
     Идея метода каналовых волн имеет следующий вид.
     Как известно, угольные пласты по своим акустическим характеристикам существенно отличаются от вмещающих пород. Отсюда, вроде бы, само собой разумеется, что пласты угля могут оказаться как бы звуковыми волноводами. А если это действительно так, то, оценивая звукопроводность этих волноводов, можно было бы выявлять находящиеся в них разрывные нарушения.
     Схема эксперимента, описанного Креем, приведена на рис.10-1, на котором показан в плане участок угольного пласта, подлежащего исследованию. В каждом из штреков 1 и 2 в борта угольного пласта установлены (ввинчены в угольный пласт) сейсмоприемники, по 8 штук в каждом штреке. Сигналы с этих сейсмоприемников поступают на 16-канальную сейсмоаппаратуру. По сути, 16-канальный осциллограф.

...показан в плане участок угольного пласта, подлежащего исследованию
Рис. 10-1

     Допустим, что в угольном пласте имеется разрывное нарушение, не имеющее выхода на штреки. Это как раз тот случай, когда встреча добычного комбайна с тектоническим нарушением происходит внезапно и доставляет наибольшие неприятности. В таком случае, при ударе молотком в борт угольного пласта на уровне 6-го ряда сейсмоприемников, приемники 4 и 5 1-го штрека зарегистрируют отражение сигнала от этого нарушения, а в районе приемников 5, 6 и 7 2-го штрека образуется акустическая тень. То есть эти приемники не зарегистрируют прямого сигнала.
     В силу простоты и очевидности описанных процессов, а также вследствие убедительности материалов, приведенных в статье Крэя, все угледобывающие страны, в том числе, и СССР, начали разработку аппаратуры, реализующей эту идею. Не знаю как в других странах, а у нас это дело было поставлено на широкую ногу, поскольку за внедрение этой аппаратуры чиновники Минуглепрома СССР рассчитывали получить Государственную премию.
     В связи с этим последним фактором, в стране было создано 28 геофизических отрядов, каждый из которых эксплуатировал в опытном порядке аппаратуру метода каналовых волн (как ее назвали). При этом со стороны Минуглепрома, а именно, главным геофизиком этого учреждения, было поставлено перед каждым отрядом требование, чтобы эффективность этой аппаратуры на каждой шахте была бы не ниже 80%. Мне непонятно, как эффективность геофизической аппаратуры можно оценивать в процентах, но тем не менее, шахты давали соответствующие документы именно о такой эффективности.
     Недаром методологи считают, что очевидность в физике - это путь в тупик. Правильнее, наверное, было бы сказать - непроверенная очевидность. Но ведь изначальную идею, казалось бы, очень нетрудно проверить.
     Допустим, что мы согласны с изложенной моделью картирования нарушений угольного пласта. Но, наверное, прежде чем выпускать в серию аппаратуру, неплохо было бы все-таки эту идею проверить на каком-нибудь очень простом примере. Ну, скажем, что будет, если удар нанести в противоположную стенку штрека. Или сейсмоприемники установить на противоположных стенках штрека...
     То есть проверить, позволяет ли описанный метод выявлять штрек. Штрек - это ведь тоже разрывное нарушение угольного пласта. Причем такое явное, какого природа предложить не может.
     Как оказалось, подобного рода исследования самостоятельно и без информирования руководства проводились геофизиками всех 28 отрядов. При этом было установлено, что параметры сейсмосигналов не зависят от того, в какую из стенок штрека наносится удар и в какую из стенок штрека установлены сейсмоприемники. Более того, на параметры сейсмосигнала не влияет даже наличие между штреками 1 и 2 дополнительных, как бы промежуточных штреков (так называемых, разрезок). И таким образом, можно сказать с уверенностью, что предложенным Креем методом штреки выявлять нельзя. Но если этот метод не позволяет увидеть штреки, то что уж говорить о природных нарушениях...
     То, что Крэй ввел всех в заблуждение, стало ясно уже к 1982 году. Однако сама по себе идея подобного выявления тектонических нарушений настолько элементарна, очевидна и заманчива, что это научное направление существует до сих пор. Более того, в научной литературе развивается математическое обоснование этого, якобы, высокоэффективного метода.
     О высокой эффективности метода каналовых волн можно прочесть в нескольких монографиях. В первую очередь, у Н.Я. Азарова. Этот господин, будучи директором Донецкого филиала ВНИМИ - организации, занимавшейся изготовлением и внедрением аппаратуры метода каналовых волн, защитил докторскую диссертацию, ключевым моментом которой были документальные "подтверждения" 80-процентной эффективности метода. Эта диссертация и составила основу монографии.
     Для меня эта тематика давно потеряла интерес. Я работал со всеми вариантами аппаратуры этого метода и знаю фактическое положение дел. Знаю, какими средствами добывались свидетельства о высокой эффективности метода каналовых волн, и чего стоят монографии и статьи по этому методу. Но вдруг, во время проведения традиционного летнего семинара 1-5 июля 2002 г "Геомеханика и геофизика" Институтом геофизики СО РАН, моим экспериментальным данным была противопоставлена информация по методу каналовых волн со ссылкой на монографию Азарова.
     Произошло это следующим образом. Я докладывал эффект АРП и некоторые его следствия. Ведущий семинара, академик Гольдин предложил считать излагавшийся мною материал неинтересным, так как если даже такой эффект и существует, то он противоречит общепринятым подходам в сейсморазведке и, в частности, методу каналовых волн.
     Ну, здесь есть о чем подумать. Если по мнению академика существуют мотивы, когда новый физический эффект может оказаться неинтересным, это уже интересно. Согласно азам методологии, в споре между физическим эффектом и какими-то, пусть и общепринятыми, мнениями, победа всегда на стороне эффекта.
     Кроме того, мне кажется, что этот случай должен послужить прецедентом для разработки каких-то этических правил в науке. Я заметил, что у нас как-то очень снисходительно относятся к подлогу в науке. А ведь на самом деле, как можно видеть на показанном примере, подлог типа того, что совершен г-ном Азаровым, может иметь последствия, существенно более глубокие, чем просто использование средств на изготовление заведомо никому не нужной аппаратуры. Ведь этот якобы инструмент для выявления тектонических нарушений предназначен для повышения безопасности труда подземщиков. А поскольку это все, на самом деле, фикция, то вместо повышения безопасности, с помощью метода каналовых волн получается наоборот, снижение безопасности.
     Кстати, отметим, что средствами спектрально-акустических измерений задача выявления тектонических нарушений из подземных выработок решается. Правда, из подземных выработок можно картировать нарушения не угольного пласта, а вмещающих пород. Но для технологов разницы здесь нет. Однако после того как оказалось возможным картировать тектонические нарушения с дневной поверхности, мы этот метод в подземных условиях не используем из-за более высоких трудозатрат при его реализации.

10.2. Выявление тектонических нарушений методом ССП

     На рис.10-2 приведен ССП-разрез, сделанный в Выборгском р-не Ленинградской области. Этот регион представляет для нас интерес тем, что ввиду малой мощности осадочного чехла, методом ССП можно увидеть границу между кристаллическими и осадочными породами. Гранит залегает на глубине около 28м. На участке профиля 10-30м - как бы щель, глубиной до 60м. Щель эта заполнена обломками гранита и материалом осадочных пород. Это тектоническое нарушение. В этой щели и над ней идет постоянное микроперемещение сверху вниз частиц горных пород и грунта, которое направлено на "залечивание" нарушения. Почему идет этот процесс, мы рассмотрим далее, а сейчас для нас является очень важным то, что процесс этот идет на всю толщу осадочных пород, от кристаллических пород до дневной поверхности. В результате этих микропроцессов над тектоническим нарушением происходит провисание и прогиб прочных породных слоев, что проявляется на ССП-разрезе V-образным (воронкообразным) объектом. Или иначе можно сказать:

ССП-разрез, сделанный в Выборгском р-не Ленинградской области
Рис. 10-2

"Проведение большого количества измерений с помощью ССП в различных геологических условиях показало, что наличие на ССП-разрезах V-образных объектов или одной образующей V-образного объекта является надежным и устойчивым признаком того, что под этим объектом в кристаллических породах находится тектоническое разрывное нарушение."
     На рис.10-3 приведен ССП-разрез, полученный при обследовании строительной площадки в Ленинградской области, при выборе места под коттедж. V-образный объект, прорисовавшийся на участке профиля 50-70м, возник в результате прогиба и провисания прочных породных породных слоев в зоне тектонического нарушения (ЗТН). Симметричный вид V-образного объекта свидетельствует о том, что нарушение кристаллического фундамента представляет собой разрыв без сдвига.

ССП-разрез, полученный при обследовании строительной площадки в Ленинградской области
Рис. 10-3

     При изгибе породных слоев в ЗТН происходит взаимное скольжение соседних слоев. При этом материал менее прочных слоев разрушается, и границы по прочным слоям становится более явными, что и отражается увеличением добротностей соответствующих гармонических составляющих сейсмосигналов.
     Изгиб прочных породных слоев (например, песчаника) происходит не за счет его упругости, а за счет образования в них секущих трещин. Когда породный слой провис настолько, что положение его стало субвертикальным, вот эти секущие границы (которые при этом стали субгоризонтальными) и проявляются на ССП-разрезе, в зоне острия V-образного объекта. Добротность сигнала тем выше, чем больше площадь границы, образованной секущей трещиной. То есть чем больше толщина прочного слоя.
     Пример высокой добротности сигнала вблизи острия воронки V-образного объекта приведен на рис.10-4. Этот ССП-разрез получен на профиле, пройденном вдоль западной границы территории очистных сооружений в Ольгино (СПб). Здесь отчетливо видны 3 V-образных объекта - на участке 100-270м профиля, 330-350м и 600-730м. Между этими объектами есть различие. Оно заключается в различии максимального значения добротности сейсмосигнала. В пределах южного V-образного объекта добротность не превышает 20, тогда как в двух остальных - превышает 60. Пока что мы не будем делать каких бы то ни было выводов по этому поводу. Ограничимся лишь констатацией, что инженерные сооружения, находящиеся в непосредственной близости от северного V-образного объекта, пребывают в состоянии постоянного разрушения. Расположенная там насосная станция все время проваливается в грунт, а разрушения главного стакана аэрации даже сопровождаются горными ударами.

ССП-РАЗРЕЗ ПО ПРОФИЛЮ 4
(Ольгино, очистные сооружения)
Пример высокой добротности сигнала вблизи острия воронки V-образного объекта приведен на рис.10-4.  Этот ССП-разрез получен на профиле, пройденном вдоль западной границы территории очистных сооружений в Ольгино (СПб)
Рис. 10-4

     Вблизи двух остальных V-образных объектов никаких сооружений нет.

10.3. О взаимном расположении профиля ССП и оси тектонического нарушения

     На рис.10-5 приведена схема, на которой показано несколько вариантов, которые могут возникнуть при пересечении профилем ССП зоны тектонического нарушения.

Несколько вариантов, которые могут возникнуть при пересечении профилем ССП зоны тектонического нарушения
Рис. 10-5

     Вариант 1 - профиль пересекает зону тектонического нарушения под прямым углом. При этом на ССП-разрезе прорисовывается V-образный объект, ширина которого равна ширине зоны тектонического нарушения. При угле пересечения, незначительно отличающимся от прямого (вариант 2), V-образный объект имеет ширину, большую, чем ширина зоны тектонического нарушения.
     В том случае, если профиль прошел над нарушением и вдоль его, параллельно (вариант 3) или под острым углом (вариант 3а) относительно направления залегания ЗТН, на ССП-разрезе прорисуется система более или менее параллельных линий. Горизонтальных - для варианта 3, и субгоризонтальных - для варианта 3а. На рис.10-6 приведен соответствующий варианту 3 случай, который встретился при профилировании на поле шахты Инская (Кузбасс).

На рис.10-6 приведен соответствующий варианту 3 случай, который встретился при профилировании на поле шахты Инская (Кузбасс)
Рис. 10-6

     Если профиль проходит так, как это показано в варианте 4, на ССП-разрезе прорисовывается куполообразный объект. ССП-разрез, приведенный на рис.10-7, был получен при профилировании вдоль газопровода Уренгой - Новопсков, на участке вблизи 1832км.

ССП-разрез, приведенный на рис.10-7, был получен при профилировании вдоль газопровода Уренгой - Новопсков, на участке вблизи 1832км
Рис. 10-7

10.4. О геологическом смысле V-образных объектов

     V-образные объекты (либо одна их образующая) как признак того, что ССП-профиль пересекает ЗТН, был обнаружен нами довольно давно, практически сразу, как только мы начали работать с дневной поверхности. Это было в 1993 году. Однако физический смысл этого признака очень долго оставался непонятным.
     Казалось бы, с какой стати, на фоне довольно вялых субгоризонтальных границ вдруг происходит резкое возрастание добротности при прорисовке наклонных и субвертикальных объектов? Например, на ССП-разрезе, полученном при исследовании очистных сооружений в Ольгино (рис.10-4). Таких случаев мы встречали очень много, и поскольку этот признак пересечения ЗТН оказался очень устойчивым, то мы на первых порах и относились к нему как к факту, на чисто феноменологическом уровне.
     Однако наблюдения за прорисовкой слоистых структур на обнажениях в ЗТН подводит к пониманию физики этого феномена.
     Дело в том, что если осадочные терригенные породы находятся вне ЗТН, то за счет взаимной диффузии материалов соседних слоев, а также высокого на них давления они не содержат границ, выявляемых с помощью ССП. Как только возникает тектоническое нарушение - следом за разного рода подвижками плит кристаллического фундамента идут подвижки осадочных в породах. В осадочных породах - это изгибные деформации, характер которых показан на рис.10-8. За счет того, что прочность породных слоев в осадочном чехле различна, при этих деформациях одни породы сохраняются лучше, другие - хуже. Как видно на фото, слои песчаника изгибаются за счет образования трещин, секущих их поперек слоев. Глиносодержащие слои (аргиллиты, разного рода сланцы) разрушаются значительно сильнее. В результате изгибных деформаций происходит взаимное скольжение пород с различными прочностными характеристиками. А следовательно, формируются границы, которые могут выявляться методом ССП.
     То есть, получается, что те породные слои, которые не выявились бы вне ЗТН, выявляются в зонах тектонических нарушений, за счет их изгибных деформаций.
     Как было уже показано в разделе 10-2, изгиб слоев идет за счет образования в них секущих трещин, и при субвертикальном расположении слоев границы, выявляемые на ССП-разрезах, соответствуют именно этим секущим трещинам. Чем больше мощность изгибающихся прочных слоев, тем выше добротность соответствующих гармонических составляющих сейсмосигналов.

Изгибные деформации в осадочных породах
Изгибные деформации в осадочных породах
Рис. 10-8

10.S. Выводы по разделу 10

     На основании наблюдений, сделанных при многократных исследованиях ЗТН, можно отметить следующее:

  1. Если на ССП-разрезе прорисовывается V-образный объект, то это означает, что профиль прошел над тектоническим нарушением под прямым или не очень острым углом к направлению залегания ЗТН.
  2. Независимо от мощности осадочного чехла, образующие V-образных объектов прорисовываются на глубинах от 30-50 до 200-300м.
  3. Основной информацией, характеризующей V-образные объекты как признаки зоны тектонических нарушений, является величина добротности гармонических составляющих сигнала, которые образуют V-образный объект.
  4. При пересечении профилем ЗТН под острым углом или параллельно, следует уточнить информацию, повторив исследование в этом месте профилем, пересекающим зону тектонического нарушения примерно под прямым углом.


Обсудить статью 



При использовании материалов сайта ссылка на www.newgeophys.spb.ru обязательна Публикации о нас

Начало | О нас | Услуги | Оборудование | Книга 1 Книга 2 Книга 3 |  Примеры | Связь | Карта сайта | Форум | Ссылки | О проекте | En

Поддержка и продвижение сайта "Геофизпрогноз"


Rambler's Top100 Rambler's Top100

Реклама на сайте: