Реферат: О применении метода ССП для прогнозирования геодинамических явлений

Рис. 2

На рис. 2б показан сейсмосигнал (на временной оси), полученный на 170-м метре профиля. Как видно из этого рисунка, в момент ударного воздействия (t₀ ) возбуждаются две колебательные системы. Наиболее из них высокочастотная, соответствующая глубине границы, примерно равной 100 м (см. рис.2а) , имеет небольшую добротность и перестает проявляться уже к моменту t₁ . Колебательный процесс, соответствующий глубине 180 м (в соответствии с формулой (1), f14 Гц), спадает по амплитуде очень медленно. При наличии вблизи с этой точкой измерения механизма, работающего на частоте 14 Гц, неизбежны резонансные явления.

И действительно, вблизи этого места наблюдается следующее резонансное явление.

В находящемся в этой зоне главном стакане аэрации время от времени возникают взрывоподобные эффекты, известные как горные удары. Горные удары – это техногенные микроземлетрясения, с которыми чаще всего приходится встречаться в различных горных выработках. Горные удары происходят во время работы механизмов. Они могут завершиться разрушением выработок и гибелью шахтеров. При остановке механизмов прекращаются и горные удары⁴ .

Как нам теперь стало ясно, физика возникновения горных ударов следующая. При работе механизма, создающего колебания, близкие по частоте к значению собственной частоты соответствующей геологической структуры, находящейся в зоне работы этого механизма, амплитуда упругих колебаний в породах увеличивается вплоть до значения, когда происходит резкое, удароподобное проседание этой структуры, что и воспринимается как горный удар.

Горные удары, которые я наблюдал в выработках шахты "Распадская", происходили в виде несильных, беззвучных толчков со стороны почвы. Амплитуда их время от времени увеличивалась настолько, что они заставляли подпрыгивать различные механизмы, находящиеся в шахте. Так, однажды был подброшен угольный комбайн, который при этом обратно упал мимо рельсовых направляющих, и придавил находящегося рядом с ним шахтера.

По свидетельству шахтеров шахты "Первомайская" (около Луганска, Украина), там горные удары сопровождаются мощным громом. При этом может происходить падение крепи и обрушение пород кровли. Там также горные удары прекращаются при остановке добычных механизмов.

Описанное здесь резонансное явление приводит к увеличению амплитуды колебаний не только в породном массиве, но и в сооружениях, стоящих на нем. И в частности, в железнодорожном полотне. Что, как оказалось, может вызвать крушение поезда.

На рис. 3а приведен 200-метровый отрезок ССП-разреза, полученного при профилировании в мае 1999 года вдоль железнодорожного полотна вблизи 1545 км участка Москва - Красное, вблизи г. Гагарина.

Разрез довольно сложный, характерный для ранее заболоченной, но осушенной местности. Заболоченная местность формируется, как известно, в зонах множественных пересекающихся мелких тектонических нарушений. На 80-м метре профиля видна граница на глубине около 250 м, сигнал по которой имеет добротность, равную 100, что многократно превышает добротности сигналов по всем остальным границам. На рис. 3б показан сейсмосигнал в этой точке измерений подобно тому, как это сделано на рис. 2.

Как и на рис.2б, сигнал содержит две гармонические составляющие. Составляющая, соответствующая границе, находящейся на глубине около 60 м (около 42 Гц) имеет добротность около 10, и затухает гораздо быстрее, чем составляющая, соответствующая границе, находящейся на глубине около 250 м (10 Гц).

При определенном сочетании скорости прохождения поезда и расстояний между осями вагонов периодичность воздействия колес на насыпь может оказаться такой, что момент прохождения каждого колеса через зону с высоким значением добротности сейсмосигнала будет соответствовать одной и той же фазе его низкочастотной составляющей. При этом от вагона к вагону будет нарастать амплитуда колебаний, что, при некоторых конструктивных особенностях полотна, может завершиться сходом с рельс последних вагонов.

Именно так и произошло в описываемой точке измерений. За 2 месяца до этих измерений в зоне 80-го метра профиля (ССП-разрез которого приведен на рис.3а) сошли с рельс последние 4 вагона товарного поезда. Надо сказать, что при проведении измерений на этом участке нам не было известно о том, что мы проходим через место крушения поезда. Увидев при контроле на мониторе компьютера аномально высокую добротность сигнала, я всего лишь высказал предположение о том, что данная зона является потенциально опасной для железнодорожных составов в связи с возможностью формирования геодинамического явления. И только после этого я узнал, что действительно, гипотеза эта оказалась правильной.

Таким образом, мы выяснили, что земная толща, будучи по акустическим свойствам совокупностью колебательных систем, становится опасной по горным ударам (то есть по техногенным микроземлетрясениям) в зонах высоких значений добротности этих колебательных систем. Но тогда и сходы поездов, которые происходят в соответствии с рассмотренной физикой, тоже следует относить к геодинамическим явлениям?..

Наличие современных средств микросейса в совокупности с возможностями метода ССП позволяют без проблем искусственным образом создавать горные удары с тем, чтобы более полно и, главное, экспериментально изучить их физику.

Рис. 3

Изучение удароопасных районов с помощью метода ССП позволило понять физику горных ударов и предложить гипотезу физики природных землетрясений [7].

К сожалению, мне довелось непосредственно наблюдать только слабые (меньше 4 по шкале Рихтера) землетрясения, в Нуреке. По ощущениям, это мало отличается от наблюдавшихся мною горных ударов. Пожалуй, только тем, что толчки были более плавными, чем горные удары. По существующим свидетельствам очевидцев, при сильных землетрясениях толчки чередуются с разрывами сплошности земной поверхности.

Мне представляется, что сильное землетрясение представляет собой как бы сумму двух явлений, одно из которых – горные удары, а второе – разрыв сплошности. То есть, процесс подготовки сильного землетрясения состоит в следующем. Слабые толчки (которые мы рассматриваем как аналог горных ударов) постепенно разрушают породы и ослабляют механические связи между отдельными породными блоками настолько, что очередной толчок может нарушить сплошность среды.

Происходить этот процесс может только в зонах тектонических нарушений. Во-первых, потому что именно в этих зонах добротность сейсмосигнала может достигать значений, при которых возникают горные удары. А во-вторых, породы в зонах тектонических нарушений с самого начала, еще до возникновения горных ударов находятся в состоянии, ослабленном повышенной микронарушенностью. И поэтому вероятность макроразрушений наиболее велика именно в этих зонах.

Единственно чего не хватает для того, чтобы придать завершенность гипотезе формирования условий, необходимых для развития землетрясений, это знания природы того механизма, который должен выступать в роли внешнего периодического усилия, вызывающего горные удары. Не вызывает сомнения, что дополнить наши представления о физике подготовки землетрясений могут только натурные исследования.

Таким образом, методика изучения физики подготовки природных землетрясений представляется как совокупность нескольких типов измерений. Во-первых, в сейсмоактивных районах следует осуществлять измерения методом ССП с тем, чтобы выявить наиболее мощные тектонические нарушения, а в этих выявленных зонах – участки с аномально высокими значениями добротности сейсмосигнала в инфразвуковом частотном диапазоне. Вторым этапом следует методом ССП осуществлять мониторинг выделенных зон, чтобы попытаться увидеть изменения, которые происходят с породной толщей в ходе подготовки землетрясения.

На основании изучения существующей научной литературы и после участия в Четвертых Геофизических Чтениях имени В.В.Федынского (март 2002 г., Москва, ГЕОН), я считаю, что к решению задачи прогнозирования землетрясений мы подошли гораздо ближе, чем другие научные коллективы. Отличие этой задачи от тех, которые мы уже решили, состоит в том, что если все они были решены за счет наших собственных средств, то эту задачу решить без соответствующих и достаточных инвестиций мы не сможем. И если существуют организации или отдельные люди, заинтересованные в решении задачи прогнозирования землетрясений, то мы готовы представить информацию, на основании которой может быть разработан план осуществления описанных выше научных исследований.

Список литературы

Гликман А.Г. Методологические аспекты применения сейсморазведки. Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений. N 10, 1999, с. 19-25.

Андреев В.П., Гликман А.Г. Геоакустический метод выявления поверхностей ослабленного механического контакта. // "Уголь".- 1985.- N 9.- с.52-54.

Симанский И.А., Стародубцев А.А. Методы определения строения кровли угольного пласта для оценки ее устойчивости./ Физические процессы горного производства. - Л.:ЛГИ.- 1989.- с.94-99.

Симанский И.А., Стародубцев А.А. Влияние геомеханических факторов на состояние кровли горных выработок./Механика горных пород. Записки ЛГИ, том 123.- Л.: ЛГИ.- 1990- с.66-71.

Гликман А.Г., Стародубцев А.А. О роли геофизических методов при решении инженерно-геологических задач. //Жизнь и безопасность. 1998, N 2-3, , с. 518-524.