Гликман А.Г.
НТФ «Геофизпрогноз»
март 2008, Санкт-Петербург
Одним из показателей развития цивилизации является рост строительной индустрии. Все проекты на Земле обеспечиваются возведением соответствующих инженерных сооружений. Однако рост этот ощутимо сдерживается увеличением количества техногенных катастроф. Внезапно и, казалось бы, беспричинно разрушаются дома и производственные помещения, насосные станции и трубопроводы, железнодорожное полотно и шоссейные дороги... Гипотез по поводу причин этих событий предостаточно, и есть мнение, что немалая роль здесь принадлежит атмосферному воздействию. В связи с этим, есть идеи по увеличению использования подземного пространства, где такого воздействия нет.
Однако и при освоении подземного пространства не удается уйти от этой проблемы.
Подземная добыча полезных ископаемых, подземные хранилища, разного рода подземные производственные объекты - все это предполагает наличие систем, обеспечивающих безопасность людей и механизмов, находящихся под землей. Дело в том, что на пути использования подземного пространства во всем Мире стоит весьма существенное препятствие. Как бы тщательно ни было закреплено подземное пространство, объект, находящийся там, рано или поздно будет раздавлен. Это касается объектов стационарных. Что же до шахт и рудников, то там идет речь об уязвимости как капитальных, стационарных выработок, в том числе, стволов, так и подвижных - добычных и проходческих выработок и забоев.
Основные осложнения, которые встречаются в подземном пространстве - это обрушение пород кровли, повышение давления на крепь, пучение почвы и наоборот, увеличение ее податливости, когда крепь уходит в почву выработки. В угольных шахтах это, кроме того, события, возникающие в результате увеличения концентрации метана. Внезапные выбросы, горные удары... Количеству проблем соответствует и количество научных направлений и исследовательских коллективов, изучающих их.
Однако, как оказалось, все перечисленные виды осложнений и многие другие имеют один и тот же источник. Источник этот - влияние зон тектонических нарушений (ЗТН).
Аппаратурное изучение ЗТН началось совершенно случайно. В 1993 году был выполнен километровый профиль с дневной поверхности с помощью аппаратуры спектрально-сейсморазведочного профилирования (ССП) [1]. Эта аппаратура была создана для прогнозирования обрушения пород кровли и весьма успешно использовалась к тому моменту в угольных шахтах в течение 15 лет [2].
Принцип спектральной сейсморазведки основан на том, что, как удалось доказать, по акустическим свойствам земная толща представляет собой совокупность колебательных систем. Каждая колебательная система в данном случае - это отдельная геологическая структура. В соответствии с этим, представляет интерес не временнόе изучение сейсмосигнала, а спектральное. И ССП-разрез представляет собой совокупность спектральных изображений сейсмосигналов, полученных при профилировании с постоянным шагом.
На этом, самом первом ССП-разрезе оказались четко прорисованными четыре воронкообразных (V-образных) объекта.
Один из таких объектов приведен на рис.1.
ССП-разрез по профилю
Рис.1.
На оси абсцисс приведены положения измерительной установки (ударный инструмент и сейсмоприемник) на линии профиля. Шаг измерений - 10м. Каждая вертикальная линия - спектральное изображение сейсмосигнала. Каждый раздув на вертикальных линиях соответствует собственной частоте каждой конкретной возбуждаемой ударом колебательной системы. Соотношение между двумя осями абсцисс имеет следующий вид:
h = 2500 / f0. (1)
Величина раздува пропорциональна добротности соответствующей колебательной системы. По физическому смыслу, чем выше добротность, тем выше амплитуда колебаний грунта при наличии динамической составляющей (вибрации) воздействия инженерного сооружения на грунт.
Прорисовка V-образного объекта на ССП-разрезе происходит за счет того, что в пределах этого объекта в земной толще присутствуют высокодобротные колебательные системы.
Подобных объектов никто никогда не видел, и чем они обусловлены, было непонятно. Высказанное геологами предположение, что так могли бы прорисовываться зоны тектонических нарушений, было проверено с помощью радоновой съемки. Это предположение подтвердилось. Действительно, каждый V-образный объект характеризовался значительным повышением концентрацией радона в грунте.
Одновременно с этим было замечено, что сооружения, находившиеся в непосредственной близости к V-образным объектам, были в особенно разрушенном, по сравнению с соседними, состоянии. На основании этого возникла идея использовать ССП-метод для прогнозирования разрушения домов и других инженерных сооружений.
В ходе осуществления этой идеи было замечено, что в ЗТН часто наблюдается уход в грунт отдельных частей обследуемых сооружений. Уход крылечек и поребриков, рельсовых путей, а также просто грунта. Было замечено, что выемка, образовавшаяся в рельефе, не может быть ликвидирована путем ремонта. Засыпанная и утрамбованная, она через некоторое время возникает вновь. Так возник вывод, что грунт в ЗТН обладает пониженной несущей способностью.
В результате общения с геологами удалось выяснить, что бывают такие случаи, когда две скважины, пробуренные недалеко друг от друга, могут очень отличаться по величине потерь керна. Так, случается, что породы настолько разрушены, что керн практически отсутствует. И это при том, что при бурении соседней скважины выход керна нормальный. К сожалению, в литературе об этом прочесть нельзя, так как низкий уровень выхода керна принято рассматривать как свидетельство недостаточной квалификации буровиков, со всеми отсюда вытекающими последствиями. Так что эти факты скрываются.
Как рассказывают геологи, если в начале бурения керна нет, то его не будет и при глубоком бурении. И при этом часто бывает, когда буровой инструмент даже на значительных глубинах встречается с пустотой.
В результате ССП-профилирования вблизи скважин удалось выяснить, что такие явления возникают в ЗТН. Значит, в ЗТН пониженная несущая способность грунта обусловлена разрушенностью пород, причем, видимо, всего осадочного чехла, вплоть до разрывного нарушения кристаллических пород.
Судя по тому, что влияние ЗТН на инженерные сооружения (ИС) оказалось одинаково при различных мощностях осадочного чехла (от 5м в Выборге до 5км в Оренбурге), одно из основных утверждений строительной науки оказалось несостоятельным. Как известно, строители считают, что при достаточной мощности осадочного чехла влияние тектоники на ИС отсутствует.
Как удалось обнаружить, находящиеся в нарушенном состоянии породы в ЗТН являются каналом, по которому с каких-то больших глубин поднимается вода. Это свойство ЗТН позволило с помощью ССП получать информацию о том, где можно брать воду. Причем, не обычную, с точки зрения гидрогеологии, мигрирующую по водоносным горизонтам, а глубинную, напорную, с постоянным дебитом и, как правило, прекрасного качества.
Наблюдения за свойствами грунта в ЗТН показали, что грунт в этих зонах не может считаться полноценной твердой средой. Так, известно явление, что на пахоте каждую весну из земли выступают, как бы всплывают камни. Их собирают, но на следующую весну все повторяется. Не все замечают, что происходит это в одних и тех местах. Другое проявление этого же явления - когда на кладбищах выходят на поверхность гробы.
Но ведь это означает, что грунт обладает свойствами жидкости - в нем работает закон Архимеда. Да, действительно, в ЗТН именно так и оказалось. Можно сказать, что грунт в ЗТН находится в состоянии твердой жидкости. Эта находка имела далеко идущие последствия.
При наблюдении за разрушениями ИС в ЗТН было непонятно одно очень интересное явление. То, что в этих зонах разрушаются дома, объяснялось тем, что часть грунта под фундаментом имеет пониженную несущую способность, из-за чего возможно развитие разного рода перекосов и дальнейших разрушений.
Но вот то, что в ЗТН не только прогибаются рельсы и стальные трубопроводы, но и обязательно разрушаются - было необъяснимо. В самом деле, длинномерные стальные объекты могут провисать сколько угодно, но разрушаться при этом они, по идее, не должны. Вместе с тем, исследования показали, что все разрывы трубопроводов происходят именно в ЗТН1, и что на рельсовых путях в этих зонах наблюдаются разрушения в точках крепления рельсов к шпалам.
Ответ пришел из Екатеринбурга. В 1998 году ученый из Екатеринбурга. А.Д. Сашурин обнаружил на поверхности Земли планетарную пульсацию [3].
Планетарная пульсация была обнаружена с помощью аппаратуры космической геодезии. Оказалось, что в зонах тектонических нарушений местонахождение антенны этой аппаратуры изменяется относительно земных координат в пределах, достигающих величины 10см. При этом непосредственно за пределами ЗТН местонахождение антенны изменяется не более чем в пределах 1÷2мм, что соответствует погрешности этой аппаратуры.
На основании этих измерений можно было бы сделать вывод о том, что в ЗТН имеет место пульсация, амплитуда которой достигает 10см. Однако первоначально результаты этих измерений были восприняты как невероятные. В самом деле, если грунт - среда твердая, то в силу неразрывности среды не может существовать резкий переход от наличия пульсации к ее отсутствию. Но поскольку грунт в ЗТН не является твердой средой [4], то в жидкой среде такой резкий переход вполне возможен.
Частоту выявленной планетарной пульсации определить с помощью геодезической аппаратуры нельзя. Нельзя также определить траекторию движения основания антенны. Но даже всего лишь установленный факт наличия планетарной пульсации в ЗТН имеет весьма большое количество следствий, касающихся происхождения многих других свойств ЗТН.
Наличие этой пульсации подтверждается и при проведении ССП, однако для этого метода она является помехой. В ЗТН возникают колебания колоссальной, выходящей за пределы динамического диапазона аппаратуры ССП амплитуды, и с периодом, составляющем минуты. Как оказалось, колебания эти изменяются как по амплитуде, так и по частоте. Изменение частоты планетарной пульсации свидетельствует о том, что она обусловлена не наличием каких-то колебательных систем (которые изменять свою частоту не могут), а внешним воздействием неких механизмов, по-видимому, космического происхождения.
Прежде чем рассматривать саму пульсацию, вернемся к вопросу, возникшему при наблюдении разрушений длинномерных стальных объектов. В самом деле, если представить себе, что некий объект оказался закреплен одновременно и в неподвижном, и в пульсирующем грунте, то нетрудно представить себе, какие знакопеременные нагрузки в нем возникают.
Фундаменты домов, оказавшиеся частично в ЗТН, в зоне пульсации, испытывают такие же знакопеременные нагрузки, и, если они выполнены в виде железобетонной плиты (технология монолитного строительства), неспособной к изгибным деформациям, то излом неизбежен. Что, кстати, и происходит повсеместно.
Первоначально наличие пульсации грунта в ЗТН было воспринято как одно из свойств этих зон. Однако, сопоставив все уже известные свойства ЗТН, стало понятно, что планетарная пульсация - это главный фактор, определяющий возникновение всех остальных свойств ЗТН. Сейчас, на основании изучения свойств ЗТН, представляется, что первичный источник пульсации находится на колоссальных глубинах, в самых недрах нашей планеты.
Наличие источника пульсации где-то близко к центру Земли представляется как свидетельство того, что среда там не является твердой2. Ведь пульсация в твердой среде неизбежно разрушила бы эту среду. Эти разрушения в результате пульсации возникают за пределами нетвердого ядра, в твердой среде, граничащей с ядром. По-видимому, в некоей ослабленной зоне. Проникновение пульсации в область разрушенных пород приводит к еще большему разрушению их, и эта область разрушающихся пульсацией пород перемещается, углубляясь по радиусу планеты в направлении к поверхности. Процесс этот, по-видимому, весьма длительный, но в конце концов, образуется столб разрушенных пород до самой поверхности.
Столб разрушенных пород является каналом, по которому распространяется планетарная пульсация. Именно поэтому она и проявляется на поверхности Земли в ЗТН.
Планетарная пульсация разрушает и горные породы, и все сооружения, оказавшиеся в зоне ее действия. Рыхлые породы разрушаются до состояния полной дезинтеграции. Почва подземной выработки, оказавшаяся в таком состоянии, либо теряет несущую способность, и в нее погружается крепь, либо под воздействием бокового давления вспучивается и заполняет выработку.
В прочных породах осадочного чехла возникают секущие трещины. При работе в шахтах нам неоднократно приходилось наблюдать явление, которое заключалось в том, что в кровле залегал прочнейший песчаник, но разбитый на плиточки. Тщательный анализ этих пород показывал, что между плиточками нет никакого другого материала. То есть, если бы этот песчаник был пронизан сверхтонкими углистыми или какими-то другими прослоями, такое разрушение было бы логичным...
Прочные породы кристаллического фундамента разрушаются на бесформенные глыбы, которые и обрушаются сразу после проходки.
При прохождении этого канала разрушенных пород через угольный пласт, происходит разрушение угля. Разрушение угля приводит к выделению растворенного в угле метана. Выходить этому метану некуда, и при вскрытии выработкой происходит его выброс. Иногда вместе с углем.
Теперь, когда существует возможность с помощью метода ССП обнаружить ЗТН еще до того, как в нее вошла выработка, все эти явления прогнозируются [5]. Профилирование методом ССП на дневной поверхности позволяет с точностью до величины шага профилирования картировать границы зоны осложненной горнотехнической ситуации в подземных выработках, находящихся на любой глубине. Это явление в настоящее время успешно используется для прогнозирования условий проходки подземных выработок на шахтах Казахстана, на глубинах 700м. Стандартный шаг профилирования - 1м.
По мере приближения к поверхности Земли, область разрушенных пород пересекает глубинный резервуар напорной воды, и при дальнейшем движении к поверхности область разрушенных пород несет в себе воду. При вскрытии области разрушенных пород в ЗТН бурением или подземной выработкой, оттуда начинает поступать глубинная напорная вода. Это явление имеет место в большинстве регионов Земли.
Пока что нам неизвестны места, где бы области разрушенных пород в ЗТН не имели контакта с источниками глубинной напорной воды. Но в отдельных, очень редких случаях при вскрытии ЗТН, эти зоны не отдают воду, а ее поглощают. При этом, как при добыче воды, так и при ее поглощении дебит не изменяется в течение десятков лет. В участках поглощения воды зонами тектонических нарушений никаких признаков заполнения какого-то конечного объема не замечается. Кстати, этот эффект поглощения воды ЗТН объясняет физику такого неприятного явления как водовороты.
О том, что ЗТН связана с огромными глубинами, свидетельствует также и то, что в Петербурге зарегистрировано два случая выхода в этих зонах термальных вод.
Выход из грунта в атмосферу глубинных газов свидетельствует о связи с колоссальными глубинами. Это, в первую очередь, радон, торон, и масса других газообразных субстанций явно глубинного происхождения.
Зоны тектонических нарушений, созданные планетарной пульсацией, являются особыми со всех позиций. Они регистрируются с помощью ССП за счет, фактически, повышенной амплитуды колебаний (см. объяснения к рис. 1). И при этом, амплитуда эта может многократно возрастать вплоть до возникновения горного удара при наличии вибрирующих установок в ИС [6]. То есть, в этих зонах колебания, обусловленные собственной колебательностью земной толщи, складываются с колебаниями, обусловленными планетарной пульсацией. Это очень важный фактор, учет которого может существенно уменьшить количество техногенных катастроф на Земле.
Но, кроме того, ЗТН являются центрами воздействия со стороны природных землетрясений. Как показали исследования методом ССП, в Гюмри (Армения), пострадавшем от землетрясения в 1988 году, разрушились только те дома, под которыми находятся ЗТН. Более того, в больших домах разрушились только те части, под которыми непосредственно находятся ЗТН.
Вот этот последний факт с еще одной стороны подтверждает высказанную в работе [7] гипотезу о резонансной природе землетрясения. И если техногенные землетрясения обусловлены совпадением частоты вибрации механизма с собственной частотой высокодобротной (поскольку находится в ЗТН) колебательной системы, находящейся под этим механизмом, то природные - совпадением частоты планетарной пульсации с собственной частотой высокодобротной колебательной системы, находящейся в данной ЗТН.
Здесь очень важен тот момент, что, как удалось выяснить, частота планетарной пульсации постоянно изменяется. Если бы она была неизменной, то землетрясения постоянно происходили бы в одних и тех же местах. А так, при изменяющейся частоте пульсации возникновение землетрясения - случайность, определяемая возможностью совпадения частоты пульсации с собственной частотой высокодобротной колебательной системы, залегающей в данной ЗТН.
Роль планетарной пульсации во многих областях нашего бытия оказалась настолько серьезной, что, как мне кажется, открытие, сделанное А.Д. Сашуриным в 1998 году, является одним из наиболее важных, сделанных в науке о Земле в ХХ веке. Очень бы хотелось, чтобы настоящая статья послужила импульсом для начала серьезного изучения этого феномена.
ЛИТЕРАТУРА
-
Гликман А.Г. О физических принципах спектральной сейсморазведки.// «Геология, геофизика и разработка нефтяных месторождений».- 1998.- № 12.- с.19-24.
-
Гликман А.Г., Симанский И.А., Стародубцев А.А. Применение сейсморазведочных методов для оценки горнотехнической ситуации.// "Проблемы горнопромышленной геологии.(Материалы первых Ершовских чтений по горнопромышленной геологии)".-М.-1990.-с.31-32.
-
-
-
-
-
-
-
Источник: ГЕОФИЗПРОГНОЗ.
Рейтинг публикации:
|
