Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Динамика деформаций земной поверхности под воздействием объектов гидротехнического строительства

ВАК РФ 04.00.24, Экологическая геология

Текст научной работыДиссертация по геологии, доктора геолого-минералогических наук, Устинов, Сергей Николаевич, Екатеринбург

ÎÂii

«2ППО CTPJIf'ííb Аг.

'ÇL

(\Jju kÄ)4; ~ cpLUA^ploi

Бденияh

£ 9 Ы # ¿у

С''

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Институт горного дела

На правах рукописи УДК 528.481+551.242] : 504.05

УСТИНОВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

ДИНАМИКА ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ ОБЪЕКТОВ ГИДРОТЕХНИЧЕСКОГО

СТРОИТЕЛЬСТВА

Специальность 04.00.24 - "Экологическая геология"

диссертация на соискание ученой степени доктора геолого-минералогических наук

Екатеринбург, 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 8

ГЛАВА 1. ВЗАИМОСВЯЗЬ СОВРЕМЕННОЙ ГЕОДИНАМИКИ И 18 ГЕОЭКОЛОГИИ, ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ СОВРЕМЕННЫХ ДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ

1.1. Общие понятия, определение предмета исследований 18

1.2. Исследование глобальных и региональных движений земной коры 24

1.3. Исследование деформационных предвестников землетрясений 29 геодезическими методами

1.4. Изучение техногенного воздействия на геологическую среду 34 геодезическими методами

ВЫВОДЫ 39

ГЛАВА 2 МЕТОДИКА ВВЫПОЛНЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ 42

2.1 Общие задачи 42

2.2 Исследование деформаций земной поверхности в зоне воздействия 43 водохранилищ

2.3 Исследование вертикальных движений и деформаций 45

2.4 Исследование горизонтальных движений и деформаций 47 2.5. Достоверность получаемых результатов . 55

ВЫВОДЫ 57

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ ЗЕМНОЙ КОРЫ НА 59 ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПОЛИГОНАХ ГЭС

3.1. Водохранилища как возбудители сейсмической активности и 59 деформаций земной поверхности

3.2. Изучение современных движений земной коры на геодинамических 62 полигонах ГЭС

3.3. Математические модели деформирования земной поверхности 79 в районах водохранилищ

ВЫВОДЫ 82

ГЛАВА 4. ГЕОЛОГИЯ, СЕЙСМИЧНОСТЬ И ГЕОДИНАМИКА РАЙОНА 84 ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Геолого-тектоническая характеристика 84

4.2. Сейсмичность района водохранилища 95

4.3. Исследование современных движений земной коры на 101 геодинамических полигонах в зоне сочленения Памира и Тянь-Шаня

4.3.1 Душанбинский геодинамический полигон 104

4.3.2 Файзабадский геодинамический полигон 109

4.3.3 Рогунский геодинамический полигон 122

4.3.4 Гармский геодинамический полигон 136 ВЫВОДЫ 138

ГЛАВА 5 СИСТЕМА ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ 140

5.1 Краткие сведения о Нурекской ГЭС. История создания и развития 140 Нурекского геодинамического полигона

5.2 Нивелирование I класса 144

5.2.1 Линии высокоточного нивелирования Нурекского полигона 144

5.2.2 Нивелирование и оценка точности результатов, введение 169 поправок за непараллельность уровенных поверхностей

5.3 Исследование горизонтальных движений и деформаций 171 5.3.1 Линейно - угловые сети для изучения горизонтальных 171

движений и деформаций

5.3.2 Выполнение триангуляционных и трилатерационных 174 измерений 1 класса

ВЫВОДЫ 175

ГЛАВА 6 ГЕОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ 177 ДВИЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ НУРЕКСКОГО ВОДОХРАНИЛИЩА

6.1 Фоновые деформации (до заполнения водохранилища) 177

6.1.1 Горизонтальные деформации 177

6.1.2 Вертикальные деформации 188

6.2 Современные движения и деформации в период заполнения и 191 эксплуатации водохранилища

6.2.1 Вязкоупругая модель деформирования 191

6.2.2 Горизонтальные деформации 191

6.2.3 Карты современных вертикальных движений 217

6.2.3.1 Нижний бьеф 217

5.2.3.2 Верхний бьеф 245

6.3 Особенности современных движений и деформаций земной коры 264 в зависимости от различных геолого-тектонических условий

6.4 Современные движения и деформации земной коры и 267 возбужденная сейсмичность

ВЫВОДЫ 269

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 272

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 279

ПРИЛОЖЕНИЯ (в отдельном томе):

1. Приложение 1 .Среднедекадные значения уровня воды в Нурекском водохранилище (м)

2. Приложение 2,Список условных координат реперов нивелирования I класса на Нурекском геодинамическом полигоне

3. Приложение 3.Картограммы распределения поправок за непараллельность уровенных поверхностей с шагом Юм по высоте изменения уровня воды в водохранилище

4. Приложение 4.Таблица условных высот реперов I класса по линии "Грунтовый репер 1703 - фундаментальный репер 93" за период с 1972 по 1978 годы (северная зона)

5. Приложение 5.Таблица поправок за непараллельность уровенных поверхностей (гравитационных) в результаты нивелирования I класса (нижний бьеф)

6. Приложение 6.Таблица поправок за непараллельность уровенных поверхностей (гравитационных) в результаты нивелирования I класса (верхний бьеф)

7. Приложение 7.Таблица условных высот реперов I класса в районе плотины и города Нурека с 1974 по 1990 годы (нижний бьеф)

8. Приложение 8.Таблица условных высот реперов I класса по линии "Грунтовый репер 918 - грунтовый репер 4230" за период с 1974 по 1990 годы (верхний бьеф)

9. Приложение 9.Таблица условных высот реперов I класса по линии "Грунтовый репер 3198 - грунтовый репер 4176" за период с 1974 по 1990

годы (верхний бьеф)

10. Приложение 10.Таблица условных высот реперов I класса по линии "Грунтовый репер 327 - грунтовый репер 4230" за период с 1974 по 1990 годы (верхний бьеф)

11. Приложение 11 .Таблица условных высот реперов I класса по линии "Грунтовый репер 918 - грунтовый репер 269" за период с 1975 по 1990 годы (верхний бьеф)

12. Приложение 12. Компоненты тензоров среднегодовых деформаций, коэффициенты Лоде-Надаи и амплитудные значения дилатации рассчитанные по изменениям условных координат пунктов триангуляционных сетей за период с 1938 по 1968 год

13. Приложение 13.Материалы обработки измерений выполненых на линейно-угловой сети Нурекского геодинамического полигона в 1974 году

14. Приложение 14.Материалы обработки измерений выполненых на линейно-угловой сети Нурекского геодинамического полигона в 1984 году

15. Приложение 15.Таблица скоростей и направлений смещения пунктов линейно- угловой сети Нурекского ГДП относительно пункта N 8 за периоды с 1960 по 1974 годы и с 1974 по 1984 годы

16. Приложение 16.Сопоставление результатов измерений длин линий за периоды 1974 и 1976 годы

17. Приложение 17.Сопоставление результатов измерений длин линий за периоды 1976 и 1984годы

18. Приложение 18. Компоненты тензора деформации и коэффициент Лоде-Надаи, рассчитанные по изменениям условных координат (период с 1960 по 1974 годы)

19. Приложение 19.Компоненты тензоров среднегодовых деформации и коэффициенты Лоде-Надаи, рассчитанные по изменениям длин линий за период с 1974 по 1976 год

20. Приложение 20. Компоненты тензоров среднегодовых деформации и коэффициент Лоде-Надаи, рассчитанные по изменениям длин линий за период с 1976 по 1984 год

21. Приложение 21. Компоненты тензоров среднегодовых деформаций и коэффициенты Лоде-Надаи, рассчитанные по изменениям условных координат за период с 1974 по 1984 год

22. Приложение 22.Расчет значений дилатации по результатам измерений на линейно-угловой сети Нурекского полигона за период с 1960 по 1974 год

23. Приложение 23. Расчет значений дилатации по результатам измерений на линейно-угловой сети Нурекского полигона за период с 1974 по 1976 год

24. Приложение 24. Расчет значений дилатации по результатам измерений на линейно-угловой сети Нурекского полигона за период с 1976 по 1984 год

25. Приложение 25. Расчет значений дилатации по результатам измерений на линейно-угловой сети Нурекского полигона за период с 1974 по 1984 год

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Масштабы техногенного воздействия человека на природу постоянно возрастают, в том числе и на геологическую среду. В свою очередь, геологическая среда оказывает воздействие на объекты человеческой деятельности, часто негативное. Геологические факторы становятся причинами крупных техногенных катастроф. Перед человечеством стоит задача - определить ту возможную степень вмешательства в природные процессы которая позволила бы, не прерывая технического прогресса, избежать такой возможности возникновения катастроф или, по крайней мере, смягчить опасность. Исследование взаимного влияния геологической среды й объектов человеческой деятельности - важная научная проблема. Требуется найти диагностические признаки, позволяющие с наибольшей точностью и полнотой выявить закономерности развития современных геологических процессов при внесении в них техногенной составляющей. В качестве таких признаков можно рассматривать микродеформации земной поверхности определяемые с помощью точных приборов.

Гигантские водохранилища, создаваемые в наше время - одни из самых мощных источников техногенного воздействия. Для горных водохранилищ существуют два основных негативных фактора - крип и возбужденная сейсмичность. Оба этих фактора связаны с современными движениями и деформациями земной коры. Поэтому упомянутым выше исследованиям придается важное место в правительственном постановлении от 11 февраля 1970 года "О прогнозе землетрясений ...". В соответствии с этим постановлением были организованы геодинамические полигоны вблизи нескольких крупных ГЭС, как находящихся в эксплуатации, так и строящихся. В то же время, полигоны ГЭС являлись частью общей программы геодинамических исследований, выполнявшейся в СССР. Это обстоятельство позволяет^ путем

совместного анализа результатов, полученных в зонах интенсивного техногенного воздействия и вне их, определить те закономерности, о которых говорилось выше.

Один из таких полигонов был создан в районе крупнейшей в Средней Азии Нурекской ГЭС, где почти два десятилетия планомерно выполнялись намеченные исследования. Параллельно выполнялись измерения еще на четырех полигонах, расположенных в той же тектонической зоне. Вместе с тем, указанные исследования ограничивались, в основном, производством натурных измерений и их самой предварительной обработкой. Требовалось проанализировать полученные данные, сопоставить с результатами исследований на других ГЭС, выполнить общий геодинамический анализ и сделать научное заключение, касающееся как частного случая - Нурекской ГЭС, так и выделить явления, которые могли бы иметь более общее значение в рамках рассматриваемой проблемы.

Идея работы заключается в том, что природно-техногенные процессы выраженные через деформирование земной поверхности обусловлены комплексным воздействием естественно-тектонических процессов, техногенного объекта и геолого-тектонического строения территории.

Цель работы . Исследование пространственно-временных закономерностей развития процесса деформирования приповерхностных частей земной коры в зоне влияния мощного техногенного источника в зависимости от комплекса геолого-тектонических и инженерно-геологических факторов и характера техногенного воздействия с целью научного обоснования мероприятий направленных на прогноз, предотвращение или смягчение последствий возможных техногенных катастроф.

Продекларированная цель определяет задачи работы:

- разработать оптимальную методику интерпретации длительных временных рядов геодезических измерений для сопоставления с геологическими и сейсмологическими материалами;

- исследовать региональный характер деформационных процессов, выявить их взаимосвязь с геологическим строением и региональным сейсмическим режимом;

- построить карты детально характеризующие динамику развития вертикальных и горизонтальных деформаций в зоне, примыкающей к Нурекской ГЭС;

- на основе анализа геодезических, геологических данных определить пространственную зону воздействия техногенной нагрузки и изменение этой зоны во времени;

- выявить особенности процесса деформирования в связи с геолого-тектоническими и инженерно-геологическими особенностями строения исследуемой территории;

- исследовать динамику деформационных процессов в зоне техногенных нагрузок, выявить их взаимосвязь с региональными деформационными процессами, особенностями техногенного воздействия;

- определить возможную зависимость между геодинамическим и сейсмическим режимами в пределах исследуемой территории;

- сформулировать основные понятия и методологические принципы нового научного направления в области наук об охране окружающей среды.

Научная новизна. Впервые было выполнено сопоставление региональных и локальных, возбуждаемых техногенным объектом, деформаций земной поверхности и пространственно-временные особенности развития деформационных процессов. На основе детального анализа многолетних данных о вертикальных и горизонтальных деформациях земной поверхности, впервые выявлены закономерности формирования деформационного поля в зависимости от развития региональных деформационных процессов, закономерности возникновения и пространственно-временного развития аномальных деформаций в зоне воздействия техногенной нагрузки, распределения эпицентров возбужденных землетрясений в зависимости от донагрузочной геодинамической ситуации и интенсивности деформационных процессов в период эксплуатации техногенного объекта (водохранилища).

Достоверность полученных результатов обеспечивается статистическим рядом независимых измерений, которые выполнены различными методами. Полученные данные не противоречат друг другу. В ходе измерений и при их обработке осуществлялся строгий метрологический контроль, что соответствующим образом документировалось. Результаты, полученные на нескольких полигонах, позволяют выявить общие закономерности, сопоставимые с данными исследований в смежных областях научных знаний ( тектоника, сейсмология).

Практическое значение. В результате выработана схема выполнения геодинамических исследований для изучения деформационных процессов вблизи источников техногенных деформаций, предусматривающая^ в качестве обязательного этапа, исследование регионального геодинамического фона. Ряд выявленных закономерностей может быть использован для прогноза развития деформационных процессов, а так же для прогноза возбужденной сейсмичности. Результаты исследований необходимо использовать при проектировании и строительстве новых геодинамических полигонов вблизи мощных индустриальных объектов.

Главной особенностью методики проведенных исследований было изучение проблемы с двух сторон: с точки зрения изменения геологической среды в результате техногенного воздействия; с точки зрения взаимосвязи региональных и локальных деформационных процессов. Данная методика позволяет изучать временной спектр явлений с детальностью от нескольких месяцев до многих десятилетий и пространственный спектр от сотен километров (региональный аспект) до сотен метров (исследование особенностей деформационных процессов в зонах тектонических нарушений). Основой методики исследований были повторные высокоточные геодезические измерения. Для определения вертикальных движений земной коры -повторные нивелировки 1 класса, для определения горизонтальных деформаций - повторные триангуляционные (измерение углов) и трилатерационные ( измерение длин

линий) измерения 1 класса. Для расширения временного периода исследований и определения фоновых деформаций (без техногенного воздействия) к обработке были привлечены архивные данные о результатах геодезических измерений, выполненные задолго до заполнения водохранилища. Этот методический прием позволил, помимо удлинения временного ряда в прошлое, значительно расширить площадь исследований. Последующая обработка состояла в составлении серии карт вертикальных движений земной коры (во временной раскладке) и схем компонент тензоров горизонтальных деформаций. Использование метода тензорного анализа при обработке результатов измерений позволяет существенно расширить информативность материала. Важным элементом математической обработки был расчет влияния изменения уровенных поверхностей вызванных гравитационным воздействием водохранилищ, что позволило избежать ошибок при построении карт вертикальных движений. Анализ заключался в сопоставлении этих карт и деформационных схем с геолого-тектонической ситуацией, режимом заполнения водохранилища, колебаниями уровня воды в водохранилище, сейсмическим режимом.

Основные защищаемые положения: 1. Комплексный анализ измерений на разновозрастных геодезических сетях позволил установить региональное уменьшение величины и изменение ориентировки деформаций укорочения вдоль южной границы Тянь-Шаня (1х10"3, запад-восток в районе Гарма до 0,5х10~б, северо-северо-запад=юго-юго-восток в районе Душанбе) и на юго-запад вглубь Таджикской депрессии (1х10"6, север-юг в районе Нурека). Изменение регионального сейсмического режима повсеместно и одновременно изменяют знак и амплитуду деформаций. Изменение деформаций, вызванное естественно-тектоническими причинами, может существенно превышать техногенные по амплитуде (даже вблизи мощного источника возбужденных деформаций) и проявляться на значительно больших площадях.

2. Формирование и развитие поля возбужденных деформаций в зонах техногенного воздействия определяется сочетанием геологических и техногенных факторов. При этом, техногенные факт�