Введение к работе
Актуальность:
Верхняя часть литосферы находится под непрерывно усиливающимся техногенным воздействием. По своим масштабам оно соизмеримо с влиянием природных геологических процессов. Особенно велико и разнообразно антропогенное воздействие на геологическую среду в условиях интенсивно развивающихся городов и промышленных комплексов. Ярким примером подобного вмешательства служит полная потеря устойчивости геологической среды на участке метрополитена в районе Выборгской стороны г.Санкт-Петербурга в 1995г.,когда дал о себе знать плывун, замороженный четверть века назад при проходке тоннеля. Предвидение и предупреждение нежелательных явлений, связанных с техногенным прессингом на геологическую среду, требует совершенствования системы наблюдений за состоянием ее устойчивости и особого подхода к истолкованию получаемой информации. В связи с практическими потребностями охраны окружающей среды, рационального природопользования, а также все возрастающей тревогой по поводу негативных последствий вмешательства в природу интерес к объективным количественным оценкам устойчивости геологической среды постоянно возрастает.
Полная и достаточно объективная информация о геологической среде и ее изменениях под влиянием антропогенной нагрузки может быть получена на основе использования средств экологической геофизики. Исследования В.А.Богословского, В.И.Бондарева, Г. С.Вах-ромеева, И.Н.Горяинова, В.И.Джурика, Ю.Д.Зыкова, Ф. М. Ляховицко-го, В. Н. Никитина, А. А. Огильви, А. И. Савича, В. К. Хмелевского и др. обеспечили разработку общих принципов экогеофизических исследований геологической среды. -
При изучении геологической среды и оценке её устойчивости на территории Сибири приходится сталкиваться как с дополнительными, так и специфическими трудностями - влиянием многолетней мерзлоты, кор выветривания, карста, техногенных процессов, чрезвычайно изменчивым состоянием температурного и, связанных с ним других физических полей и т. п. Актуальность темы диссертации определяется необходимостью преодоления перечисленных трудностей
применительно к геоэлектрическим, сейсмогеологическим, ландшафтным и климатическим условиям этого обширного региона, равно как и во многом аналогичных территорий Полярного Урала, Аляски, Канады.
Цель работы:
Обосновать и сформулировать важнейшие задачи и определить возможности экологической геофизики в системе мониторинга устойчивости геологической среды. На основе теоретических расчетов, лабораторных и натурных.экспериментов разработать высокоэффективные экогеофизические технологии оценки устойчивости геологической среды, ориентированные на измерение и регистрацию петро-физических параметров, в максимальной степени отражающих динамику ее состояния в сложных инженерно-геофизических, климатических и ландшафных условиях Сибири.
Задачи исследований:
-
Провести анализ петрофизических параметров, опосредованно характеризующих физические, механические и водно-физические свойства геологической среды и разработать технологии экогеофи-зического мониторинга ее устойчивости.
-
Выяснить возможности импульсной индуктивной электроразведки при оценке устойчивости геологической среды.
-
С целью совершенствования методики нестационарных электромагнитных зондирований при изучении верхней части геологического разреза (ВЧР) и прогнозе ее динамики исследовать систему "незаземленная петля - геологическая среда".
-
Средствами натурного моделирования изучить возможности использования быстротекущей вызванной поляризации (ВП) в мерзлых породах для оценки параметров и устойчивости геологической среды в условиях криолитозоны.
-
Определить область применения систем многократных сейсмических наблюдений (КМПВ-ОТП) при изучении геологической среды, исследовать погрешности определения пластовых скоростей по непродольным вертикальным годографам и разработать методику их интерпретации без предварительного приведения к продольным.
-
Спланировать и провести теоретические и натурные исследования ВЧР районов Восточной Сибири, обобщить результаты в виде динамических физико-геологических моделей (ФГМ) типовых природ-но-технических геосистем.
Научная новизна:
-
Впервые обоснован комплекс индикационных экогеофизичес-ких параметров слежения за состоянием геологической среды и разработаны физико-геологические модели ВЧР Восточной Сибири с учетом динамики проявления техногенных, карстово-суффозионных, криологических процессов и импульсных сейсмических воздействий.
-
Применительно к типичным геоэлектрическим моделям ВЧР разработана модель системы "незаземленная петля-геологическая среда" и выполнен анализ протекающих в ней электромагнитных явлений. Показано, что эти явления представляют источник ценной информации о геодинамических процессах ВЧР. На основе этой модели предложен новый способ геоэлектроразведки (авторское свидетельство N 1695248), который может успешно использоваться в системах экогеофизического мониторинга.
-
В условиях урбанизированных территорий выполнены систематические измерения, проведен теоретический анализ и предложена модель для описания пространственно-временной структуры электромагнитного поля помех.
-
На основе теоретических оценок и специально спланиро-ваннных натурных экспериментов показано, что изучение диэлектрической релаксации в мерзлых породах открывает новые возможности для изучения их криологических параметров.
-
Показано, что высокоточные измерения скорости сейсмических волн по данным микросейсмокаротажа (МСК) и метода общей глубинной площадки (ОГП) позволяют осуществлять мониторинг физико-механических параметров геологической среды, подвергающейся импульсным сейсмическим воздействиям.
Практическая ценность:
Адаптированная к условиям изучения малых глубин система многократных сейсмических наблюдений в комплексе с микросейсмо-каротажем позволила значительно повысить точность сейсмических построений при изучении структуры и прогнозировании устойчивости геологической среды.
Предложен новый способ геоэлектроразведки, заключающийся в предварительном изучении распределения переменного магнитного поля помех в пределах исследуемой площади с последующей оптимизацией размеров приемного контура (авторское св-во N 1429784),
что позволяет проводить электромагнитные зондирования в пределах урбанизированных территорий.
На основе модели однородной геологической среды исследованы погрешности известных способов интерпретации микросейсмока-ротазка, разработан новый алгоритм и программное обеспечение для автоматизированной интерпретации непродольных, вертикальных годографов.
Разработаны оптимальные системы экогеофизического мониторинга ВЧР в условиях развития карста, повышенной сейсмичности, развития многолетней мерзлоты.
Предложена экспертная система для оперативной оценки сейсмической опасности зон разрывных тектонических нарушений.
Разработанные автором экогеофизические технологии позволили получить новую информацию о состоянии и динамике различных природно-технических геосистем Сибири.
Научные исследования, результаты которых изложены в диссертации выполнялись как под руководством так и при непосредственном участии автора в рамках НИР и производственных работ, проводимых на кафедре прикладной геофизизики и геоинформатики ИрГТУ (с 1981г.) и в ВостСибТИСИЗе (с 1985г). Представленные в диссертации методические разработки внедрены в ВостСибТИСИЗе, ПГО "Ир-кутскгеология", ИрГТУ, Институте экологической геофизики АЕН РФ и используются этими организациями при изучении ВЧР в различных районах Восточной Сибири. Материалы диссертационных исследований включены в курс лекций "Геофизические методы разведки", читаемый автором в ИрГТУ, а также в разработанный им лабораторный практикум спецкурса "Экологическая геофизика".
Основные защищаемые положения:
-
Системы экогеофизического мониторинга- эффективный инструмент для оценки и прогноза устойчивости геологической среды, определяемой ее структурой, свойствами и спецификой экзогенных геологических процессов (ЭГП), опосредованно проявляющихся через петрофизические индикаторы.
-
Исследование волновых электромагнитных процессов в системе "незаземленная петля-геологическая среда", оригинальный способ повышения отношения сигнал/помеха, учет диэлектрической релаксации в мерзлых неконсолидированных породах привели к созданию новой модификации малоглубинной импульсной индуктивной
электроразведки, позволяющей осуществлять эффективный экогеофи-зический мониторинг устойчивости геологической среды.
-
Новая технология оценки сейсмоакустических параметров геологической среды, интегрирующая малоглубинный вариант метода ОГП, а также разработанные автором методика полевых наблюдений и алгоритмы интерпретации микросейсмокаротажа, позволяют получать оперативную информацию о физико-механических параметрах ВЧР, объективно отражающих состояние ее устойчивости.
-
Разработанные автором экогеофизические технологии образуют основу для создания систем мониторинга и экспертных оценок устойчивости геологической среды. Эффективность подобных систем иллюстрируется многочисленными примерами среди которых:
исследование динамики карстово-суффозионных процессов и геокриологического состояния песков;
система мониторинга несущей способности грунтов при импульсных сейсмических воздействиях и экспертная оценка устойчивости геологической среды с нарушенной сплошностью.
Апробация:
Основные положения диссертации докладывались на X, XI, XII конференциях молодых научных сотрудников по геологии и геофизике Восточной Сибири (Иркутск,1982,1984,1986), на Всесоюзном научно-техническом семинаре-совещании "Геофизические методы в гидрогеологии, инженерной геологии и гидротехнике" (Ереван,1985), территориальной научно-технической конференции "Применение геофизических методов при поисках и разведке россыпных месторождений, нерудного сырья и подземных вод" (Свердловск, 1987),. конференции молодых научных сотрудников "Геология и геофизика активизированных областей Восточной Сибири" (Иркутск,1988), Всесоюзной конференции совместно с XIII научной сессией Дальневосточной секции МССС " Сейсмология и сейсмостойкое строительство на Дальнем Востоке" (Владивосток,1989), Всесоюзном научно-техническом семинаре "Использование новых геофизических методов для решения инженерно-геологических и гидрогеологических задач" (Москва, 1989), IX и X Международных конференциях Керуленской межвузовской геологической экспедиции (Улаанбаатар,1994; Иркутск, 1995), межреспубликанском научном семинаре "Сейсмический риск и сейсмическое микрорайонирование (Иркутск, ИЗК СО РАН, 1994), на семинаре Института метеорологии и геофизики Кельнского
университета (1994), всероссийской научно-технической конференции "Экология и геофизика" (Дубна, 1995), межрегиональной научно-практической конференции "Проблемы экспериментальной зоны чрезвычайной экологической ситуации, пути и способы их решения" (Братск,1996), научно-практической конференции "Проблемы развития геологической среды и образования в Иркутской области" (ИЗК СО АН, г.Иркутск, 1996),Международной конференции "Новые идеи в науках о Земле" (Москва, 1997), а также на ежегодных научно-технических конференциях факультета геологии, геоэкологии и геоинформатики Иркутского государственного технического университета.
Публикации:
По теме диссертации опубликовано 33 печатных работы.
Автор искренне благодарен всем, кто на различных этапах исследований оказал ему помощь и поддержку: профессорам Р.М.Ло-бацкой, Н.О.Кожевникову, А.Г.Дмитриеву, А.Ю.Давыденко, Ю.А.Чернову, доцентам Г.Е.Серовой, А.В.Мироманову, инженеру-программисту А.Г.Данилову.
Особую признательность автор выражает научному руководителю докторантуры, академику РАЕН, доктору геол. -мин. наук, профессору Г.С.Вахромееву за постоянную поддержку и помощь в научных исследованиях и формировании его как ученого и начальнику КГО ОАО "ВостСибТИСИЗ" В.И. Таборову, под чьим руководством'приобретен неоценимый опыт практической работы.
Структура и объем работы:
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Обьем работы: А'/4 страниц машинописного текста, 2 таблицы, 55 рисунков. Список литературы включает 284 наименования.