загрузка...

Заключение

  В результате комплексного обобщения большого массива данных о современных движениях земной поверхности, которые были выявлены на специально организованных геодинамических полигонах различного предназначения, удалось получить принципиально новую информацию о современном геодинамическом состоянии недр.
В процессе сопоставительного анализа был обнаружен новый класс движений в зонах разломов — современные суперинтенсивные деформации (СД) земной поверхности. При этом наиболее парадоксальный и неожиданный результат заключается в том, что наибольшая интенсивность аномальных деформаций наблюдается в зонах разломов платформенных, слабосейсмичных регионов. Эти аномальные деформационные процессы высокоамплитудны (свыше 50 мм в год или порядка КГ4 — КГ5 в год), короткопериодичны (от первых месяцев до первых лет), пространственно локализованы (от первых сотен метров до первых километров) и обладают пуль- сационной и/или знакопеременной направленностью.
Учитывая, что столь высокие скорости деформаций в современных активных разломах соизмеримы с опасными смещениями, которые регламентированы в соответствующих нормативах, то становится очевидно, что необходимо различать понятия «активный разлом» и «опасный разлом». Активный разлом характеризуется наличием аномальных, по сравнению с фоновыми, движений. Современный активный разлом — зона проявлений СД-процессов являет собой область локализации опасных смещений и поэтому его следует определить как опасный разлом.
Полученные эмпирические обобщения указывают на то, что в качестве источников СД-аномалий должны выступать процессы, протекающие внутри самих зон разломов. Данное утверждение представляется справедливым, поскольку существующие модели глубинной геодинамики не способны объяснить наблюдающийся пространственно-временной спектр современных движений земной поверхности и особенно возникновение СД-аномалий в зонах платформенных разломов.

В связи с этим предложен новый механизм происхождения аномальных деформаций в зонах разломов. В рамках этого механизма формирования СД-процессов непосредственно не вызвано временным ходом регионального (внешнего по отношению к объему среды, контролируемому системой наблюдений) поля напряжений, а обусловлено изменениями параметров (модули жесткости, коэффициенты трения и т.д.) изначально нагруженной среды внутри самих разломных зон. Возникающие при этом СД-аномалии рассматриваются как параметрические, т.к. согласно теории механических колебаний вывод любой системы из состояния равновесия (возбуждение системы) возможен двумя путями: либо за счет внешнего, силового воздействия, либо за счет изменения внутренних параметров самой системы.
В целом физическая природа возникновения параметрических деформаций представляется следующим образом. Геологическая среда находится в обстановке внешних и внутренних (эндогенные и экзогенные), квазистатических (глобальные и региональные поля напряжений) и динамических (приливы, неравномерности вращения Земли, процессы подготовки землетрясений, сейсмические волны, техногенные процессы и т.д.) нагрузок. Кроме того, в разломных зонах, особенно осадочных бассейнов, постоянно присутствует и перераспределяется динамически активная и химически агрессивная флюидная система. Взаимодействие и кооперативное влияние всех этих факторов реализуется в первую очередь в условиях повышенной концентрации дефектов среды, т.е. в зонах разломов с неустойчивыми механическими характеристиками, посредством кратковременных флуктуаций жесткостных характеристик горных пород в локальных объемах, что и приводит к возникновению СД-процессов.
Проведенные исследования показали, что СД-аномалии возникают, как правило, под влиянием малых воздействий. Так, например, выявлено возбуждение СД-процессов выпадением незначительного количества атмосферных осадков, возникновение деформаций на уровне 10“5 — КП* в зоне разлома, которые обусловлены подготовкой землетрясения, произошедшего за 100 км от пунктов наблюдений, инициирование аномальных деформаций слабой сейсмичностью, появление СД-аномалий при малом изменении дебитов добываемой нефти и т.д.
222

nn* Jr™ 0бр“°": обнаруженные СД-процессы в зонах разломов редставляют собой новый класс тектонических движений — современные, параметрически индуцированные движения земной поверхности в зонах разломов.
Построенные в рамках данного подхода аналитические и численные модели, связывающие характеристики СД, наблюдаемые на земной поверхности, с параметрами источников на глубине позволили оценить распределение аномальных напряжений и деформа- ции по глубине и определять местоположение источников ано- ньТзон^^^Н П°ВЫШеНН0Й тРеЩиноватости) внутри разлом-
На основе разработанной технологии решения обратных задач современной геодинамики разломов были определены диапазоны глу ин, размеры, форма и степень разупрочнения областей формирования СД-аномалий.              ^
Совместный анализ этих результатов с геодинамической и геолого-геофизической обстановкой исследуемых регионов показал, что источники СД-процессов залегают в диапазоне глубин от первых десятков метров до первых километров, имеют (в сечении) форму длинных, субвертикально ориентированных прямоугольников, приуроченных к зонам залегания флюидонасыщенных трещиноватых известняков.
Оказалось, что для формирования аномальных деформаций земной поверхности на уровне КГ1 — ] 0'5 необходимо относи- тельное изменение объемного модуля упругости в диапазоне от 3 до 10              30 %, при заданных на границе напряжениях тектони
ческого и гравитационного генезиса от 10 до 100 МПа.
Обнаружение СД-процессов в зонах разломов, разработка методов комплексной интерпретации наблюдений и диагностики современного напряженно-деформируемого состояния разломных зон позволили успешно поставить и решить целый ряд важных практических задач. Наиболее значимыми из них явились: На примере ряда месторождений показано, что пространственная приуроченность аварийных ситуаций на скважинах и трубопроводных системах к зонам разломов находит свое естественное толкование в рамках представлений о наличии СД-процессов в этих зонах.
Разработана методика оценки СД-риска особо ответственных и экологически вредных объектов (АЭС и месторождения УВ), которая базируется на авторском определении риска, а именно: риск есть математическое ожидание ущерба. Показана необходимость обязательного учета СД-риска в мегаполисах и в целом при строительстве гражданских и промышленных объектов. Обнаруженное явление СД-процессов в зонах платформенных разломов коренным образом меняет представление об уровне экологического риска, так как именно платформенные регионы являются преимущественной средой обитания человека. В этом случае возникает новый вид экологического риска — эколого-геодинамический риск.
Приведенные результаты убедительно показывают, что необходим учет фактора СД в ведомственных нормативах, регламентирующих безопасное функционирование особо ответственных и экологически опасных объектов (АЭС, ГЭС, магистральные нефтегазопроводы, крупные месторождения УВ и их инфраструктура, объекты захоронения радиоактивных и токсичных отходов и т.д.).
Для совершенствования мер по социальной защите населения от СД-опасности необходима разработка новых подходов и норм по страхованию СД-рисков.
При этом необходимо иметь в виду следующее. Постоянное техногенное нагружение земных недр, в совокупности с действующими природными процессами, создает в зонах разломов области существенной неустойчивости естественного режима деформирования геосреды.
Хорошо известно, что в неустойчивых системах принципиально меняются представления о характере причинно-следственных связей. Если в устойчивых системах меры причин и следствий всегда одного порядка, то в неустойчивых, существенно нелинейных системах, малые причины приводят к весьма большим последствиям. В этих системах причиной явлений следует считать саму неустойчивость.
В этой связи разработана комплексная система диагностики участков земной поверхности с неустойчивыми деформационными характеристиками (СД-районирование), которая основана на последовательной реализации трех взаимоувязанных процедур:
детального, метрологически обеспеченного мониторинга СД-процессов; комплексной, многовариантной интерпретации результатов наблюдений и селекции различных сценариев возможного негативного развития событий (оценка СД- опасности); определения уровня СД-риска, прогнозирования экологических и социально-экономических последствий и выра- оотка стратегий превентивных мероприятий.
Базирующаяся на этих подходах комплексная методика оценки геодинамического риска объектов различного целевого назначения разработана и успешно адаптирована для массового потребителя в научно-консалтинговой компании «Гефестос» [патент РФ № 2206908 «Способ идентификации зон потенциальной аварийности сооружений», 2002]).
Анализ современных геодинамических процессов показал что региональные напряжения имеют квазистатический характер а возникающие в зонах разломов аномалии имеют параметрический характер. Рассмотрев условия подобия при моделировании такого напряженно-деформированного состояния и учитывая явления самоподобия строения горных пород, сделан вывод, что для изучения изменений физических свойств самого материала горных пород возможно и необходимо использование горных пород в качестве адекватного модельного материала.
Впервые показано, что временной ход общей продольной деформации образцов в процессе длительных испытаний при постоянной нагрузке осложняется отдельными аномалиями изменений скорости деформации. Величина общей (интегральной) деформации образцов почти на порядок меньше величины локальных деформаций.
Количество фактов аномальных изменений деформации ослабленного образца существенно больше, чем цельного образца и они имеют большую амплитуду и продолжительность. При мал^х нагрузках на образцы аномальные изменения деформации отмечались гораздо реже по сравнению с экспериментами при нагрузках близких к разрушающим.
Аномальные изменения интегральных и локальных деформационных параметров образца свидетельствуют в пользу дискретно-

го характера деформирования отдельных областей образца с ярким проявлением на определенных этапах дилатансионного характера подготовки разрушения.

В процессе длительных испытаний цельного образца отмечены периоды активности акустической эмиссии (АЭ) длительностью до нескольких часов и интенсивностью до нескольких десятков импульсов в секунду. Очевидно, они вызваны разрушением локальной зоны образца с наличием главного толчка, а затем снижением активности во времени (аналог афтершоковой активности после основного землетрясения). Периоды активности АЭ во время проведения эксперимента на ослабленном образце были короче — несколько минут — и имели форму группы импульсов, интенсивность АЭ достигала первых сотен импульсов за час.
Отмечены значительные изменения локальных деформационных параметров, предваряющие активизацию АЭ. Источники АЭ, вероятно, находились вблизи участков с максимальными изменениями етах и етт. Развитие микротрещиноватости, сопровождаемое излучением акустической энергии, происходило в направлении соседних участков. Значительные изменения локальных деформаций после реализации активизации АЭ могут служить признаком разгрузки локальных напряжений в этой области.
Сопоставление активности АЭ и изменений общей продольной деформации образца приводит к выводу об их обратной взаимосвязи: интенсивные изменения деформации не сопровождаются интенсивным выделением АЭ и, наоборот, интенсивное выделение энергии АЭ не сопровождается изменениями деформационных параметров в условиях длительно действующих квазистатических нагрузок. Данный результат полностью соответствует выявленной в Копетдагском и Камчатском регионах взаимосвязи между деформационными и сейсмическими процессами, которую можно представить как две стороны проявления современной геодинамики региона. Накопленная тектоническая энергия выделяется либо в виде активизации деформационных процессов, либо в виде сейсмического процесса.
Длительные испытания образцов в условиях постоянного всестороннего сжатия, моделирующие условия залегания пород на глубинах в несколько километров, выявили ряд характерных особенностей их деформирования. Так, выявлена низкая скорость де-

вышележащих пород (всестороннего давления). Их результаты показали, что зависимость изменения коэффициента пористости при росте эффективного напряжения можно аппроксимировать (R = 0,99) линейным уравнением вида

г де( — относительное изменение текущего коэффициента пористости (в % от К„0)щ, КПо — коэффициент пористости при атмосферных условиях; А — коэффициент, зависящий от деформационно-прочностных свойств образца; озф — эффективное напряжение, МПа.
Процесс стабилизации состояния образца продолжается довольно долго после окончания роста эффективного давления. Деформация образца при этом хорошо описывается (R = 0,88) логарифмической зависимостью:

где е, — деформация образца в момент времени /; t время с момента завершения изменения давления, ч; А коэффициент, зависящий от вязкости материала образца; В — значение текущей деформации образца на момент времени /—1ч.
Временной ход деформирования образца после сброса перового давления с высокой степенью достоверности (i?2 = 0,99) можно также аппроксимировать приведенной выше логарифмической функцией. Причем коэффициенты А в обоих случаях мало отличались между собой (0,0875 и 0,0921), что дает возможность использования результатов экспериментов при росте всестороннего сжатия образцов для расчета возможных деформации пластов- коллекторов при снижении пластового давления в них при разработке месторождений газа и эксплуатации Г1ХГ.
Результаты экспериментов по ступенчатому снижению перового давления с 50—60 МПа до нуля показали, что каждая ступень сопровождалась деформированием образца. На первых ступенях логарифмическая зависимость деформации от времени имела четко выраженный характер, достоверность аппроксимации Rr близка к единице. Однако при дальнейшем снижении порового давления

деформирование образца уменьшается и, достигнув определенного уровня деформации, он в дальнейшем не деформируется.
Прекращение деформирования образца при снижении порово- го давления служит признаком ужесточения материала образца и говорит о возможности перехода в дальнейшем к активизации сейсмоакустической эмиссии. В природных условиях при разработке месторождений вначале также происходят подвижки по разломам и просадки земной поверхности (деформационные процессы), а затем, по мере отбора газа или нефти (снижения пластового давления), происходит активизация техногенной сейсмичности.
Согласно используемой авторами модели подготовки тектонического землетрясения, на первой стадии этого процесса в некотором объеме среды (будущем очаге землетрясения) происходит постепенное накопление числа и увеличение размеров трещин. На второй стадии происходит взаимодействие трещин и увеличение интегральной трещиноватости — дилатансия. Земная поверхность в очаговой области испытывает поднятие, что приводит к накоплению потенциальной энергии. Третья стадия характеризуется локализацией процесса разрушения с падающей диаграммой напряжение — деформация, что приводит к увеличению интегральной жесткости всего приподнятого в поле силы тяжести слоя и, следовательно, к увеличению потенциальной энергии. После формирования сдвигового магистрального разрыва происходит землетрясение, приподнятый участок опускается, совершая при этом положительную работу и уменьшая запас потенциальной энергии системы.
Для количественного описания процессов формирования деформационных предвестников очаг готовящегося землетрясения рассмотрен как деформационное включение в виде горизонтального цилиндра с уменьшающимися во времени эффективными упругими модулями (модель мягкого включения). Так как натурные измерения проводятся на земной поверхности, то были рассчитаны вертикальные и горизонтальные смещения земной поверхности в окрестности очага-включения, обусловленные его развитием в ходе подготовки землетрясения с М = 6.
Для поиска предвестников землетрясений широко используются методы наблюдений за изменениями электрического сопротивления горных пород. Предложенная аналитическая модель изменения сопротивления при подготовке землетрясения показала, что в ближней к очагу зоне будет снижение сопротивления, а в дальней зоне — увеличение его. Размер области снижения кажущегося электрического сопротивления сопоставим с глубиной залегания неоднородности. При фиксированной глубине залегания включения величина аномальных изменений сопротивления зависит как от размера включения, так и от величины снижения сопротивления в нем, что позволяет рассчитать параметры включения, основываясь на априорно известных сведениях и используя формулы электроразведки (обратная задача).
Рассмотренные модели изменения размеров и сопротивления формирующейся неоднородности позволили оценить максимально возможные изменения кажущегося электрического сопротивления значениями порядка 25—50 % во время подготовки землетрясений магнитуды 5—6 при использовании одного из методов электроразведки — метода срединных градиентов.
Сопоставление вариаций электрического сопротивления горных пород, полученных в полевых и лабораторных условиях, показало реальную возможность переноса результатов лабораторных испытаний образцов в натурные условия, а следовательно, на возможность моделирования процессов подготовки землетрясений в лабораторных условиях.
Анализ аномальных изменений электротеллурических потенциалов (ЭТП), полученных авторами в Туркменистане, показал, что практически все сейсмические события с энергией более чем Е = 109 Дж, зона подготовки которых охватывала наблюдательные станции «Ашхабад» и «Коу-Ата», предварялись или сопровождались аномальными изменениями электротеллурических потенциалов. Основной вклад в их формирование вносят потенциалы, обусловленные фильтрацией жидкости (электрокинетический эффект), и потенциалы, сопровождающие процессы образования трещин при деформировании горных пород. Последние вносят основной вклад и в формирование аномалий естественного электрического поля при деформировании и подготовке разрушения образцов горных пород в лабораторных условиях.
Анализ и сопоставление вариаций комплекса геофизических полей позволил дать вариант интерпретации их результатов с учетом конкретной геолого-тектонической обстановки в период подготовки одного из землетрясений на Ашхабадском геодинамиче- ском полигоне.

Показано, что дня изучения изменений напряженно-деформированного состояния горных пород могут применяться методы повторных геофизических исследований скважин (ГИС-контроль) Их использование определяется высокой точностью и детальностью определения физических свойств пород, в которых происходят изменения напряженного состояния.
Анализ повторных геофизических наблюдений в скважинах показал, что образование трещин в эксплуатационных и обсадных колоннах и формирование скоплений газа за колоннами скважин происходят в течение определенного периода времени при активизации современных геодинамических процессов. Эти процессы находят отражение при повторных измерениях методом нейтронного гамма каротажа (НТК), магнитоимпульсной дефектоскопии (МИД) скважин, а также распределения давления и температуры по стволу скважин.              у
Выявлены изменения фильтрационно-емкостных свойств продуктивного пласта (песчаника) подземного хранилища газа (ПХГ) проявляющиеся в изменении значений НГК амплитудой порядка 1° /о которые обусловлены влиянием изменений пластового давления (0,63 МПа) при закачке и отборе газа.
Таким образом, обоснована возможность широкого использования результатов производственного мониторинга (ГИС- контроль) в качестве составной части геодинамического мониторинга объектов нефтегазового комплекса, который необходим для ооеспечения экологической и промышленной безопасности объектов нефтегазового комплекса. 
<< |
Источник: Кузьмин Ю.О., Жуков В.С.. Современная геодинамика и вариации физических свойств горных пород. — 2-е изд., стер.. 2012

Еще по теме Заключение:

  1. 19.3. Аудиторское заключение. Порядок составления аудиторского заключения
  2. 5.3. Заведомо ложное аудиторское заключение
  3. Статья 60. Заключение эксперта
  4. 5.28. Модификации заключения независимого аудитора
  5. Заключение
  6. Заключение
  7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
  8. Порядок заключения трудового договора
  9. § 3. Заключение договора
  10. 15.2. Заключение и расторжение брака
  11. Разработка, заключение, регистрация коллективного договора
  12. Глава 28. ЗАКЛЮЧЕНИЕ ДОГОВОРА
  13. § 2. Заключение срочного трудового договора
  14. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
  15. § 4. Минимальные стандартные Правила обращения с заключенными