Содержание к диссертации
Введение
I Концепция геодинамического контроля локальных участков земной коры 9
1.1 Основные задачи геодинамической диагностики массивов горных пород
1.2 Комплекс регистрации микросейсмических колебаний 23
II. Расчетная модель релаксационного процесса 31
2.1 Релаксационный контроль механической устойчивости локальных участков земной коры 31
2.2 Механизм релаксационного процесса 39
2.3 Обработка данных инструментальных наблюдений при проведении микросейсмического контроля 50
III. Определение геодинамических характеристик локальных участков земной коры на основе регистрации микросейсмических колебаний 62
3.1 Анализ импульсных колебаний' 62
3.2 Анализ фоновых микросейсмических колебаний 79
3.3 Влияние внешних возмущении на среду 87
IV- Диагностика локальных участков земной коры на основе разработанных подходов 91
4.1 Определение состояния локальных участков земной коры, подверженных риску склоновых явлений 92
4.2 Выбор перспективных участков для строительства подземного захоронения радиоактивных отходов 104
4.3 Выделение активных геологических структур на территории НВАЭС 113
Заключение 130
Список литературы
- Комплекс регистрации микросейсмических колебаний
- Обработка данных инструментальных наблюдений при проведении микросейсмического контроля
- Анализ фоновых микросейсмических колебаний
- Выбор перспективных участков для строительства подземного захоронения радиоактивных отходов
Введение к работе
Состояние геологической среды с точки зрения механической устойчивости связано с ее сложным структурно-тектоническим строением. Верхняя часть земной коры характеризуется развитой системой структурных нарушений, которые ограничивают блоки разных уровней. Естественная блочно-иерархическая структура является основным фундаментальным свойством реальных массивов горных пород. Именно это свойство определяет наличие зон пониженной прочности среды и сложный характер деформационных процессов, происходящих в блочной среде в результате естественных геофизических процессов.
Широко используемые в настоящее время методы изучения приповерхностных природных структур, основанные на дискретных измерениях механических параметров в отдельных пунктах, не позволяют получать целостную картину поведения сложно структурированной геологической среды. Блочная структура и наличие выраженных разно ориентированных движений индивидуальных и консолидированных блоков приводит к мозаичному, пространственно неоднородному распределению основных механических характеристик среды. Для получения детального пространственного описания поведения геологической среды в настоящей работе использован новый подход, основанный на регистрации:и анализе микросейсмических колебаний местного происхождения, позволяющий охватывать исследуемый участок земной коры в целом с одновременной регистрацией информации, поступающей с каждого его структурного элемента.
Предлагаемый подход к определению механических характеристик и режимов деформирования участков геологической среды является новым и основан на регистрации и анализе короткопериодных.микросейсмических колебаний (фоновых и импульсных частой 0.5-30 Гц) местного происхождения, что позволяет получать информацию о состоянии и
свойствах среды не в отдельных точках, а практически в каждой точке исследуемого участка.
На основе детального анализа амплитудных и спектральных характеристик микроколебаний, включающих фоновую составляющую и импульсы релаксационного типа,, определяется блочное строение среды, степень подвижности активных блоков, а также выделяются зоны аномального напряженно-деформированного состояния. Данные результаты позволяют проводить сравнительную характеристику исследуемых локальных участков земной коры..
Важным положительным качеством указанного подхода является использование микроколебаний естественного происхождения, что значительно упрощает процесс получения информации и не требует проведения трудоемких работ с использованием сложных устройств возбуждения искусственных сейсмических волн.
Предлагаемый в настоящей работе подход к описанию режимов релаксационных процессов существенно отличается от известного способа, основанного на регистрации слабых землетрясений. Во-первых, при описании режимов релаксационных процессов среды наряду с сильными динамическими проявлениями, привлекаются характеристики импульсных колебаний с амплитудой, близкой к фоновой, что, во-первых, значительно расширяет, возможности статистического анализа, а во-вторых, существенно снижает требования к характеристикам аппаратурного комплекса (допустимо использовать регистрирующие средства с невысоким динамическим диапазоном). Во-вторых, в качестве определяющих величин рассматриваются не абсолютные параметры сейсмической эмиссии, значительно изменяющиеся во времени под действием разных природных и. локальных техногенных факторов, а относительные характеристики массивов горных пород, в которых формируются микроколебания, а также их. аномальные отклонения от статистически характерных значений. В-третьих,
при оценке механической устойчивости среды привлекаются характеристики фоновых микроколебаний (участки микросейсмической записи с минимальной амплитудой, статистически представительной в заданном временном окне). Последнее позволяет осуществлять диагностику участков земной коры при отсутствии аномально высоких тектонических напряжений,
В настоящей работе автором получен и проанализирован большой объем данных инструментальных наблюдений за микросейсмическим фоном в различных регионах. На основе анализа и интерпретации этих данных разработан методический подход по использованию микросейсмических колебаний для характеристики блочных массивов горных пород.
Цель работы - разработка научно-методических основ диагностики геодинамического состояния локальных участков массивов горных пород на основе изучения релаксационных процессов с помощью регистрации фоновых микросейсмических колебаний.
Для достижения данной цели были сформулированы основные задачи исследований:
Разработка аппаратурных комплексов для оперативной регистрации микросейсмических колебаний релаксационного типа;
Инструментальные наблюдения за микросейсмическими колебаниями на локальных участках земной коры, характеризующихся разными свойствами;
Разработка расчетной модели релаксационного процесса в блочной среде с привлечением представлений о стесненном повороте активных блоков;
Разработка подходов к обработке и анализу микросейсмического фона с целью определения геодинамических характеристик локальных участков земной коры и установления возможности описания длиннопериодных процессов эволюционного характера на основе анализа характеристик короткопериодных процессов-
5) Проведение сравнительной диагностики механического состояния локальных участков земной.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Ь Разработан новый подход к оценке геодинамического состояния
локальных участков земной коры, основанный на регистрации и анализе
микросейсмических колебаний.
2. Разработан мобильный комплекс, для оперативной регистрации
микросейсмических колебаний»
3. Разработана расчетная модель релаксационного процесса в блочной
среде на основе представлений о дифференциальных движениях
структурных блоков в стесненных условиях.
4. Впервые выполнено геодинамическое ранжирование локальных
участков земной коры на основе анализа микросейсмических колебаний.
Результаты настоящей работы позволяют проводить геодинамическую диагностику локальных участков земной коры. Разработанный методический подход можно использовать при выборе участков для строительства особо ответственных объектов, обеспечении долговременной безопасной эксплуатации объектов повышенного риска (АЭС, захоронения РАО, химические производства и др.), прогнозирование динамики склоновых процессов.
В работе использованы экспериментальные данные, полученные при регистрации микросейсмического фона в горных массивах Кольского п~ова, территориях ПО «Маяк» и Ново-Воронежской АЭС, горных районах Северной Италии (Южные Альпы).
На защиту выносятся следующие положения:
Характеристики местных микросейсмических колебаний содержат информацию о строении и режимах релаксации геофизической среды..
Локальные участки земной коры отличаются по размерам активных структурных элементов и их подвижности.
Разработанный методический подход к диагностике геодинамического состояния геологической среды на основе регистрации и анализа микроколебаний применим для геодинамического ранжирования участков земной коры.
Основные положения работы докладывались на семинарах ИДГ РАН и Института теоретической сейсмологии. Материалы диссертации опубликованы в 7 статьях и в. материалах конференций: "Проблемы геодинамики, сейсмичности и минерагении подвижных поясов и платформенных областей литосферы", Екатеринбург, 1999г.; Сергеевские чтения, годичная сессия Научного совета РАН по проблемам геоэкологии, инженерной геологии и гидрогеологии, 2001г.; Тектоника и геофизика литосферы, XXXV Тектоническое совещание, 2002г.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю А.А. Спиваку за постоянное внимание и неоценимую помощь при выполнении работы, а также академику В.В. Адушкину, д.ф.-м.н_ В.М. Овчинникову за помощь, ценные замечания и рекомендации.
Диссертация изложена на 142 странице, состоит из введения, заключения, 4 глав текста. Включает 37 рисунков и 10 таблиц, список литературы из 96 наименований-
Комплекс регистрации микросейсмических колебаний
При релаксационной диагностике локальных участков геологической среды, для получения микросейсмической информации, используются малоапертурные сейсмические сети, состоящие из центрального пункта трехкомпонентной регистрации и 2-4-х периферийных пунктов (расположенные на расстояниях 250-500 м. от центрального), в которых регистрируется вертикальная компонента. При обработке микросейсмических данных, получаемых сетью, не используется принцип группирования, что отличает применяемые сейсмические сети от сейсмических групп. Выбор апертуры микросейсмической группы выбирается по результатам предварительных сейсмических наблюдений так, чтобы коэффициент корреляции сейсмических записей между каналами, принадлежащими центральному и периферийным пунктам, не превышал 0,25.
Имеющийся опыт использования свидетельствует о значительных возможностях таких сейсмических сетей [Kvaerna, Ringdal, 1992]. Регистрация с помощью малоапертурных сейсмических сетей позволяет не только выделять более слабые полезные сигналы методом их сложения по некоррелированным каналам, но также значительно улучшает точность определения координат источников.
Измерительная часть состоит из сейсмометров СМ-ЗКВ или СМ-ЗКВ-Э, закрепляемых на период проведения регистрации на постаментах, предварительно подготовленных на каждом из участков. Основные характеристики используемых сейсмометров производства ОКБ ОИФЗ РАН приведены ниже в таблЛЛ и 1,2 Сейсмометры СМ-ЗКВ и СМЗ-КВ-Э являются приборами маятникового типа с магнитоэлектрическим преобразованием и электромагнитным затуханием. Сейсмометр СМЗ-КВ-Э конструктивно выполнен аналогично сейсмометру СМЗ-КВ. Отличительной особенностью СМЗ-КВ-Э является наличие в корпусе прибора усилителя электрического сигнала.
Датчики измеряют горизонтальную или вертикальную составляющую колебаний при незначительной перестройке прибора (изменение положения маятника)» Датчики снабжены термокомпенсатором, который обеспечивает постоянство положения равновесия маятника при изменении температуры, В приборах предусмотрена регулировка периода собственных колебаний и положения равновесия маятника
С выхода сейсмометров электрический сигнал подается непосредственно на регистратор, если используется датчик СМЗ-КВ-Э, либо на блок формирования характеристик БФХ-ДСМ, который служит для усиления электрического сигнала и формирования частотной характеристики регистрирующего канала (характеристики БФХ представлены в табл. 1.3)
Далее электрический сигнал подается на аппаратуру, предназначенную для сбора и хранения микросейсмической информации- В качестве такой аппаратуры первоначально использовался семиканальный измерительный магнитофон фирмы ТЕАС, а в последующем портативный компьютер (notebook) с интерфейсной платой АЦП, При использовании аналоговых записывающих магнитофонов HR-30E и HR-30G фирмы ТЕАС (табл,1.4), запись в дальнейшем оцифровывается при камеральных работах с помощью считывающего магнитофона MR-30 той же фирмы и платы АЦП. Для этого, сигнал с магнитофона MR-30 (фирмы ТЕАС) подается на плату АЦП, соединенную с PC.
Диапазон амплитуд регистрируемых микроколебаний, как естественного, так и техногенного происхождения, соответствует стандартному динамическому диапазону, установленному в магнитофоне, в связи с чем предусмотренные возможности расширения динамического диапазона можно не использовать» Основная запись осуществлялась в наших работах с десятикратным усилением (свободные каналы использовались для дублирования записей с коэффициентами усиления 0,1 и 1). Контроль величины выходного сигнала после БФХ, необходимый для выбора оптимального усиления магнитофона HR-30, осуществляется с помощью осциллографа, либо монитора М-41 фирмы ТЕАС..
Обработка данных инструментальных наблюдений при проведении микросейсмического контроля
Обработка сейсмических данных характеризуется наличием некоторых особенностей, затрудняющих получение информации, как о свойствах самих сигналов, так и о характеристиках сейсмических событий. К этим особенностям относятся, прежде всего, большие объемы информации, зашумленность полезного сигнала и значительные вариации среднего значения сигнала во времени, обуславливающие эргодичность и стационарность регистрируемого процесса лишь. на конечных временных интервалах, длительность которых варьируется и требует постоянных оценок Щубиня, 1993].
Основными задачами, решаемыми набором программных средств являются, во-первых, перевод временных рядов величин, получаемых в результате инструментальных наблюдений, в формат, удобный для проведения обработки, и, во-вторых, обработка этих временных рядов с целью выявления временных и пространственных вариации и значимых-отклонений основных характеристик от их естественных циклических изменений.
Программное обеспечение для обработки данных инструментальных наблюдений должно удовлетворять ряду требований, главным из которых является возможность работы в диалоговом режиме, обеспечивающим простоту доступа к информации и управление параметрами измерительных и вычислительных операций. Цифровые методы обработки экспериментальных данных после вывода их. на стандартный носитель включают демультипликацию сейсмических трасс, выделение полезных сигналов, полосовую фильтрацию, расчет спектров мощности, спектрально-временный анализ и определение пространственно-временных характеристик источников сигналов.
На. начальных этапах работы, когда в качестве регистратора применялся аналоговый магнитофон, исходные записи требовали аналого-цифрового преобразования, Демультипликация исходных записей заключается, в формировании набора отдельных файлов, содержащих сейсмические данные, полученные на каждом конкретном канале регистрации. В каждый из файлов включается также информация, содержащаяся в исходной записи: дата и время начала измерений, частота дискретизации, номер канала, количество отсчетов, коэффициенты перевода. математических величин в физические и т.п.
Кроме того, уже на этапе демультипликации требуется специфическая обработка исходных данных для предварительного выделения слабых сигналов, незначительно превышающих- уровень фона. Этот процесс осуществляется по наличию коррелированности слабого превышения уровня фона на различных каналах трехкомпонентной станции или синхронности (с точностью, например ±1с) такого превышения на нескольких близкорасположенных станциях. В этом случае принимается. предварительное решение о наличии полезного сигналами данный.участок записи подвергается в дальнейшем более детальной обработке по методу спектрально-временного анализа.
Выделение полезного сигнала. Сейсмическая запись представляет собой последовательность колебаний, которые являются суммой фоновых колебаний и импульсных сигналов различной длительности, осложненную аппаратурными выбросами при оцифровке. На первом этапе требуется устранить эти выбросы, для чего используется простой алгоритм: выбросами считаются такие точки, значение амплитуды которых превосходит значение амплитуды, осредненной по 3-5 соседним точкам, в заданное количество раз..
Организация сейсмического контроля требует проведения анализа фоновых характеристик и параметров импульсных событий раздельно. Таким образом, следующей задачей является выделение полезного сигнала на фоне помех. Это подразумевает: во-первых, принятие решения о наличии или отсутствии такового на рассматриваемом участке записи и, во-вторых, при его наличии - использование специально подобранного фильтра для увеличения отношения сигнал/шум и. выделения коррелированных фаз на различных каналах регистрации..
Выделение полезного сигнала может осуществляться двумя способами: в различных частотных окнах (СВАН) и в различных временных окнах (STL/LTA). Рассмотрим последовательно оба способа.
Методика спектрально-временного анализа [Ландер и др., 1973], заключаемая в оценке текущей интенсивности сигнала в заданных частотных интервалах (СВАН), запись расфильтровывается. набором полосовых фильтров и на выходе каждой полученной реализации определяется скользящая оценка среднеквадратичного значения. На плоскости время-частота зарегистрированному импульсу соответствует некоторая область повышенных значений, и если это действительно полезный сигнал, то подобные области должны в целом совпадать на разных каналах записи.
Анализ фоновых микросейсмических колебаний
Среда представляет собой сложную блочную систему, в которой присутствует несколько иерархических уровней: Lj, L2t L3,..Ln. Блочная система под действием внешних. и внутреннах возмущений находится в постоянном движении, происходят деформации, подвижки блоков, перераспределение напряжений. При регистрации микросейсмического фона фиксируются все изменения в среде- Каждый из иерархических уровней вносит свой вклад в колебательный процесс системы. При хаотичном колебании системы блоков, составляющие ее элементы взаимно перемещаются в стесненных условиях и колеблются с характерными частотами fit f2f Д.- fn. При расчете спектральных характеристик фоновых микроколебаний (рис.3.2.1), наблюдается набор спектральных пиков» Количество квазигармонических пиков п соответствует иерархии активных структур.
Для определения характерных частот /\ рассчитываются спектры фоновых микроколебаний. Для каждого участка характерны свои наборы частот (частотные пики). Во избежание случайных пиков, применяется расчет спектра с усреднением на различных участках сейсмической записи, Среди частотных пиков отвечающих за колебание активных блоков существуют и частоты техногенного происхождения» которые важно исключить из рассматриваемых. Квазигармонические составляющие фоновых колебаний техногенного происхождения характеризуются тем5 что их частоты близки к/= 50/Jtj = 1, 2, 3,... э а так же высокой временной устойчивостью, т.е. в течение регистрации техногенная частота изменялась не более чем иа 0,02 Гц.
Стоит заметить» что некоторые частоты наблюдаются почти на всех участках регистрации! Учитывая некоторые работы [Плескач, 1977, 1986; Яковлев, Алешин, 1994], такие частоты тоже можно отнести к техногенным, возбуждение которых может возникать от вибрации электромашин, двигателей и-т.п. Распространение таких колебаний возможно на большие расстояния от источника. В табл.3.2 приведены примеры параметров техногенных квазигармонических сейсмических сигналов вблизи источника: частота _ амплитуда (Z-компонента смещения) и временные вариации 5АІА {Капустящ 2001].
Полагая, что результирующие колебания складываются из набора квазигармонических колебаний, Б окрестностях хараісгерной частоты можно выделить случайную и детерминированную составляющую. Это можно
осуществить с помощью расчета характера траектории движения частиц среды (рис.3-2.2, 3.23) нехаотичной поляризацией. Чтобы от нее избавится, применяется режекторная фильтрация, и. в дальнейшем анализируются те колебания, которые описывают релаксационный процесс среды.
В правомерности такого подхода можно убедиться рассмотрев результаты статистического анализа (рис.3,2.4). На гистограмме отношения малой и большой осей эллипсоида поляризации выделяются два пика: вблизи 0,9 - характеризует детерминированную составляющую колебаний, и вблизи 0,5 - случайную.
Используя выражения (28)-(30) для каждого участка измерений определяются размеры активных структурных блоков и их деформация (минимальные и максимальные значения). На рис.4.2.2 представлен график деформации блоков разного масштаба для пяти участков регистрации на территории ПО «Маяк», Видно что, участки отличаются и по характеру деформации и по размерам активных структурных блоков.
На участках измерений выделяются структурные блоки, для которых характерны собственные частоты колебаний. Возникает вопрос — как колеблются эти блоки в пространстве- С помощью расчета траектории движения частиц для каждой характерной частоты колебания определяется азимут преимущественной поляризации колебаний структурных блоков. На рис.3,2,5 изображены азимуты колебаний блоков и величина их деформаций на пяти участках территории ПО «Маяк». Как видно, на каждом участке преобладают свои характерные азимуты колебаний. Например, для участка 2 для максимальных деформаций это направление 3-В, для участков 3 и 5 это С-3 - Ю-В, для 4 участка - С-Ю. В отличие от всех других на участке 1 колебания не имеют направленного характера, блоки колеблются в различных направлениях, в связи с чем, можно говорить о том, что на данном участке блоки находятся в нестесненном состоянии и направление разгрузки не ограничено какими либо факторами.
Выбор перспективных участков для строительства подземного захоронения радиоактивных отходов
Помимо проблем» связанных с выбором района строительства захоронения и выбора горных пород с конкретными характеристиками, обеспечивающими слабую изменчивость их изолирующих свойств со временем (в том числе в условиях воздействия радиоактивности) существует не менее важная проблема геодинамической устойчивости выбранного массива горных пород [Лаверов и др., 1994; Осипов 1995]. Неучет геодинамических факторов при выборе мест строительства и в период эксплуатации подземных захоронений РАО может привести к крайне нежелательным, а в ряде случаев - катастрофическим последствиям.
Особое значение имеет проблема геодинамического обеспечения долговременного безопасного захоронения РАО для ПО «Маяк», где ситуация уже осложнена в радиоактивном плане наличием хранилищ РАО открытого типа, и где необходимо очень внимательно подходить к вопросам захоронения радиоактивных отходов, чтобы не ухудшать экологическую ситуацию и не увеличивать радиационную нагрузку на территорию в течении всего периода захоронения РАО \Дрожко и др., 1995].
Имеющиеся данные [Трифонову I960; Леонов, 1995]свидетельствуют о том, что Уральский регион характеризуется отличными от окружающих его районов параметрами напряженного состояния геологической среды. Это необходимо учитывать при проведении количественных оценок дифференциальных деформаций и прогноза режима деформирования территории ПО «Маяк» на перспективу.
Основной задачей обеспечения долговременной безопасной эксплуатации подземных захоронений РАО является контроль и прогнозирование механической устойчивости геологической среды. С учетом особенностей строительства и эксплуатации подземных захоронений РАО в качестве основных процессов, определяющих долговременную механическую устойчивость локальных участков массивов горных пород и подлежащих дальнейшему рассмотрению в плане обеспечения безопасного захоронения РАО, выделены следующие:
1. Энергообмен в системе структурных блоков, слагающих горный массив в месте предполагаемого строительства или эксплуатации подземного захоронения РАО с учетом иерархии природных образований;
2. Накопление и высвобождение напряжений в земной коре в результате развития. тектонических процессов, короткопериодных и длиннопериодных. деформаций приповерхностных. блочных структур, в результате энергообмена в нутри Земли;
3. Короткопериодные (0,5 суток) деформации, вызванные приливными явлениями (в системе Земля-Луна-Солнце);
4. Релаксация блочной геофизической среды на техногенные возмущения В связи с этим на территории ПО «Маяк» проводилось измерение микросейсмического фона для сравнения исследуемых участков и определение их динамических характеристик (механической устойчивости). Цель работы - выбор перспективных участков для строительства подземного захоронения радиоактивных отходов.
Схема расположения контролируемых участков приведена на рисА2Л.
Измерения микроколебаний проводились с помощью малоапертурной сейсмической микрогруппы, состоящей из центрального пункта трехкомпонентной регистрации и 2-х периферийных пунктов (на расстоянии 200-350 м от центрального), в которых регистрировалась вертикальная составляющая микроколебаний
Измерения проводились с помощью сейсмометров СМ-ЗКВ на специальных постаментах, предварительно подготовленных на каждом из участков измерений. Учитывая опыт предыдущих работ [Спивак и др.9 1993; Спивак и др., 1996], регистрация микроколебаний осуществлялась сеансами по 30 минут каждые 2 часа в течение 1-2 суток.
В качестве материала используемого для обработки выбирались участки микросейсмической записи, содержащие ИК и фоновые колебания, характеризующиеся минимальными значениями среднеквадратичной амплитуды.
