Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Оценка уровня современной геологической и сейсмической активности разрывных нарушений комплексом геолого-геофизических методов

ВАК РФ 25.00.03, Геотектоника и геодинамика

Содержание диссертации, кандидата геолого-минералогических наук, Овсюченко, Николай Иванович

Введение.

Глава 1. Обзор ранее проведенных исследований.

Глава 2. Геологическое строение Северо-Западного Кавказа.

2.1. Основные черты тектонического строения Северо-Западного Кавказа.

2.2. Стратиграфия.

2.3. Основные черты неотектонического районирования СевероЗападного Кавказа.

Глава 3. Методика полевого изучения разрывных нарушений и оценки степени их современной активности

3.1. Методы геолого-геоморфологического изучения разрывных нарушений.

3.2. Геофизические методы изучения разрывных нарушений.

3.3. Методика оценки степени современной геологической активности разрывных нарушений.

Глава 4. Проявления геологической и сейсмической активности в зонах изученных тектонических нарушений Северо-Западного Кавказа по геолого-геофизическим данным.

4.1. Трасса газопровода «Россия-Турция» (Голубой Поток).

4.1.1. Характеристика тектонических нарушений.

4.1.2. Оценка геологической и сейсмической активности по зонам изученных разломов.

4.2. Трасса нефтепровода Крымск - Грушовая (Новороссийск).

4.2.1. Результаты структурно - геоморфологического дешифрирования космо- и аэрофотоснимков.

4.2.2. Характеристика тектонических нерушений.

4.2.3. Оценка амплитуды возможных сейсмогенных смещений по зонам изученных разломов.

4.2.4. Оценка скорости медленных геологических движений.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Оценка уровня современной геологической и сейсмической активности разрывных нарушений комплексом геолого-геофизических методов"

Актуальность работы. Северо-Западный Кавказ является одной из самых густонаселенных сейсмоопасных областей России. При этом этот регион является относительно слабо изученным в сейсмотектоническом отношении. По новой карте ОСР-97 здесь трассируется 8-9 балльная зона с очень большим периодом повторяемости сильнейших землетрясений, более 1000 лет. В последние годы, в связи с проектированием ряда ответственных сооружений (трубопроводов), появилась необходимость в детальной оценке сейсмической опасности региона. В настоящее время Северо-Западный Кавказ является зоной активного строительства и освоения. Строятся дороги, трубопроводы, идет заселение. На фоне такой активной хозяйственной деятельности всестороннее изучение возможных природных катастроф представляется особенно актуальным.

Изучению подверглись многие разрывные структуры Северо-Западного Кавказа, попадающие в зону проектируемых нефте- и газопроводов. При этом разломы исследовались как с точки зрения их сейсмологической активности, так и с точки зрения медленной геологической подвижности. В последнее время были приняты новые требования (СНиП) к геологическим изысканиям. Согласно этим новациям требуется проводить изучение каждого разлома конкретно, с разных сторон, чего раньше обычно не делалось. Все эти новшества делают представляемую работу особенно актуальной с теоретической и методической точек зрения. В этом отношении, данное исследование имеет ясный практический смысл. Работа направлена на создание нового представления о сейсмической и геологической опасности активных геологических структур для всего Северо-Западного Кавказа.

Автор диссертации принимал активное участие в работах по оценке сейсмической опасности и выявлению степени геологической активности структур Северо-Западного Кавказа [Овсюченко и др., 2000, 2001, 2003, 2004]. При этом такие детальные работы на Северо-Западном Кавказе проводились впервые, за всю историю его изучения. Поэтому появилась необходимость специально разработать комплекс методических приемов, позволяющих успешно и объективно решать эти задачи. Основой комплексного подхода является совместный анализ ряда геолого-геоморфологических признаков активности разрывных нарушений, а также результатов геофизических исследовании разломных зон.

Проделанная работа актуальна также и в связи с проблемой оценки сейсмического потенциала и сейсмического районирования. Кавказ в целом находится в состоянии активизации, начавшейся с 80-х годов XX века. Каждый год происходят 2-3 заметных сейсмических события на Западном, Северо-Западном Кавказе и в Предкавказье. Примененная методика позволила выявить и оценить параметры ряда конкретных геологических структур, способных реализовывать сейсмический потенциал этой части российской территории в виде сильных землетрясений

Цель и задачи работы. Основная цель работы: подтверждение разного уровня сейсмического потенциала и геологической опасности активных разломов. Главные задачи: создание методики оценки современной активности разрывных нарушений. Комплекс работ включает: проведение камеральных, дистанционных и полевых геолого-геоморфологических исследований, проведение геофизических работ, проведение полевых вскрышных работ, отбор проб, комплексный анализ геологических, геоморфологических и геофизических данных, радиоуглеродное определение возраста современных и древних, захороненных, почв.

Методы исследования. Применен комплекс геолого-геоморфологических (дешифрирование космо-аэрофотоснимков, морфогра-фия, морфометрия, маршрутные исследования, бурение скважин и проходка горных выработок) и геофизических методов (электроразведка - ЭП, СЭП,

ВЭЗ, ЗС-ЗИ-МПП; сейсморазведка - КМГ1В, MOB ОГТ, МСП; газово-эманационная съемка; каротаж в скважинах), топографо-геодезических и лабораторных (радиоуглеродный анализ) работ. Разработана и применена новая методика оценки современной тектонической активности, основанная на экспертном подходе и комплексном анализе представительного набора из шести геолого-геоморфологических параметров.

Фактический материал. Диссертационная работа основывается на проведенных автором в период с 2000 по 2004 год работах по изучению активных разломов на целом ряде объектов трубопроводного транспорта СевероЗападного Кавказа: газопровод Голубой Поток через горный участок протяженностью 73 км, компрессорная станция Береговая, микротоннели под газопровод протяженностью от 1.5 до 2.5 км, тоннель Грушовая-Шесхарис под нефтепровод протяженностью 3.3 км, нефтепровод Крымск-Грушовая (Новороссийск) протяженностью свыше 18 км и другие.

Научная новизна. Несмотря на хорошую изученность Северо-Западного Кавказа, до сих пор остаются открытыми методические вопросы оценки современной активности тектонических нарушений. Впервые создана оригинальная методика для экспертной оценки современной активности всего спектра разломов на данных участках Северо-Западного Кавказа (по линии станица Смоленская - Джубга и Крымск - Новороссийск). Она учитывает как геоморфологические признаки, так и приповерхностное строение, которое выясняется в канавах, траншеях, шурфах и буровых скважинах. Впервые оценены все разломы, встречающиеся на трассе каждого трубопровода, от первого до последнего километра трассы, по единой методике, непрерывно, без пропусков. Впервые выяснено, что для северного склона СевероЗападного Кавказа характерна более умеренная активность разломов, чем на Южном склоне. Она постепенно нарастает в направлении с севера на юг (доказано наличие современных, голоценовых, подвижек). Впервые произведены палеосейсмологические исследования, проведены огромные объемы горных и буровых работ, отобраны пробы на радиоуглеродный анализ (С14), определен возраст деформируемых палеопочв. На этом основании впервые даны точные датировки палеоземлетрясещш, отразившихся в обнаруженных сейсмогенных структурах на местности.

Северо-западная часть Большого Кавказа традиционно считалась слабо сейсмичной по сравнению с центральной и восточной его частями. В процессе работ доказано, что некоторые исторические землетрясения, известные из сейсмологических каталогов, были связаны с активностью структур данного региона. Впервые даны абсолютные оценки амплитуды и скорости криповых смещений по деформациям почвы.

Защищаемые положения.

1. Комплекс примененных геолого-геофизических методов, состоящий из геолого-геоморфологических (дешифрирование, морфометрия, "трен-чинг"), сейсморазведочных, электроразведочных и газово-эманационных исследований, позволяет на детальном масштабном уровне определить границы зон современных активных разломов и проследить особенности их строения на глубину до первых сотен метров, выявить черты приповерхностной структуры разломных зон, оценить скорость медленных геологических смещений и амплитуды сейсмических подвижек.

2. В зонах высокоактивных с геологической точки зрения разломов обнаружены современные разрывные нарушения с амплитудами вертикальных смещений от 0,5 до 1,5 м. При этом подвижки (как взбросовые, так и сбросовые) носили импульсный, сейсмогенный характер. В геофизических полях разломы выражаются заметными аномалиями: пониженными сейсмическими скоростями, изменением формы поверхности отражающих границ, повышенным значением электрической проводимости, пониженным уровнем электрического сопротивления, газовыми аномалиями. Разрывы смещают не только поверхности коренного цоколя, но и четвертичные отложения, и даже в отдельных случаях - палеопочвы.

3. Удалось определить возраст сейсмогенных подвижек, имевших место в доисторическом прошлом по ряду разрывных зон. Эти импульсные подвижки иногда удается идентифицировать с известными сильными землетрясениями Крымско-Нижнекубанского региона. Магнитуда реконструированных сейсмических событий была не менее 6, интенсивность - от 7 до 9 баллов. Период повторяемости сильных землетрясений в пределах сейсмогенных зон южного склона Северо-Западного Кавказа по этим данным составляет порядка 1500-2000 лет. Скорость медленных геологических (крипо-вых) смещений по наиболее активным разломам на основании анализа изменений мощности современной почвы составляет от 1,5 до 2,0 мм/год.

4. Сейсмотектоническая активность на территории Северо-Западного Кавказа в целом постепенно возрастает в южном направлении. В этом направлении увеличивается число высокоактивных разрывных нарушений и нарастает количество показателей, характеризующих высокую геодинамическую и сейсмическую активность, таких как амплитуда импульсных и крипо-вых смещений по зонам разрывных нарушений.

Практическая значимость и внедрение результатов работы. Проведенные исследования были связаны с изысканиями под строительство трасс трубопроводов в пределах активной в сейсмотектоническом отношении зоны Северо-Западного Большого Кавказа. Возникла необходимость все без исключения разломы, встречающиеся на трассе, унифицировано проанализировать с точки зрения их геологической и сейсмической активности. Этот анализ показал, что участки пересечения трассы активными разломами действительно нуждаются в защите от сейсмических воздействий, от медленных геологических движений. Другие, слабо активные, в такой защите не нуждаются. Таким образом, эти исследования имели не только фундаментальную научную значимость, но и явный практический смысл. По результатам проведенных нами исследований были разработаны конкретные рекомендации, учтенные при проектировании и строительстве трасс трубопроводов.

Апробация. Основные материалы и выводы, изложенные в диссертации, в виде докладов обсуждались на ряде конференций и совещаний: международный симпозиум «Влияние сейсмической опасности на трубопроводные системы в Закавказском и Каспийском регионах» (МЧС России, 2000 г.), XXXIY Тектоническое совещание «Тектоника неогея: общие и региональные аспекты» (Москва, 2001 г.), Ш международное рабочее совещание под эгидой ООН «Геодинамическая и экологическая безопасность при освоении месторождений газа, его транспортировке и хранении"» (С.-Петербург, 2001 г.), научно-техническая конференция «Строительство и эксплуатация транспортных сооружений в районах развития опасных геологических процессов» (Москва, 2003 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, из них 7 с соавторами.

Структура и объем диссертации. Текст диссертации состоит из «Введения», четырех глав, «Заключения», списков иллюстраций и литературы, общим объемом 172 страницы. Иллюстрации в тексте содержат 28 рисунков и 3 таблицы. Список литературы включает 109 названий на русском и 5 на иностранных языках.

Автор благодарит за совместное сотрудничество и помощь в проведении работ сотрудников ПНКЦ «ИнжГео» О .В. Кашарабу, J1.M. Лигвиненко, Ю.Ю. Дмитриева, СЛ. Черкесова, АЛ. Щеглова, К.А. Костенко; сотрудников ИФЗ РАН Г И. Рейснера, А.С. Алешина, C.J1. Юнгу, C.B. Шварева, Ю.В. Нечаева, АЛ. Овсюченко,.

Автор выражает особую признательность научному руководителю доктору г.-м. наук Е.А. Рогожину за помощь и консультации во время подготовки данной работы.

Заключение Диссертация по теме "Геотектоника и геодинамика", Овсюченко, Николай Иванович

Заключение

В пределах Северо-Западного Кавказа выделяются три крупные продольные структурные зоны или ступени. Северное крыло Северо-Западного Кавказа представлено Абино-Гунайской зоной, сложенной верхнеюрско-меловыми толщами флишоидного типа, смятыми в гребневидные или коробчатые антиклинали, которые разделены пологими плоскими синклиналями, распадающимися на отдельные овальные мульды. Роль осевого поднятия в ядре мегантиклинория на Северо-Западном Кавказе принадлежит Гойтхско-му антиклинорию, сложенному смятыми в складки нижне- и среднеюрскими толщами. К югу от Гойтхского антиклинория располагается Новороссийский флишевый прогиб, который в современной структуре образует складчатую ступень, опущенную относительно ядра антиклинория.

Система продольных зон Северо-Западного Кавказа имеет отчетливо выраженное ступенчатое строение - границы ступеней сопряженные с локальными сближенными разрывами, осложняющими отдельные складки, являются поверхностным выражением крупных расколов фундамента, которые и делят весь блок на ряд структурных ступеней. Поперечные флексуры и разрывы также деляг блок Северо-Западного Кавказа на ряд поперечных ступеней, последовательно опускающихся в западном направлении.

Эта система продольных и поперечных разломов, отражающих деформации фундамента и сформированная на неотектонической стадии развития Большого Кавказа, образует тот структурный каркас, в котором реализуется накапливающийся сейсмотектонический потенциал, обусловленный современным напряженным состоянием земной коры.

Тектонические структуры Северо-Западного Кавказа изучены по двум пересечениям: по линии станица Смоленская - Джубга (трасса газопровода

Голубой Поток) и Крымск - Новороссийск (нефтепровод Крымск - Грушо-вая).

По трассе газопровода Голубой Поток было проведено полевое изучение тридцати семи разрывных нарушений, выделенных по геоморфологическим признакам С.А.Несмеяновым, а на участке трассы нефтепровода Крымск - Грушовая (Новороссийск) изучено четырнадцать разрывных нарушений.

Первоначальное выделение разломов производилось с применением дистанционных геоморфологических методов (дешифрирование космо- и аэрофотоснимков различного масштаба, морфографический (с элементами морфометрии) анализ топографической основы различного масштаба (1:200000-1:25000), и на основе сбора и обобщения материалов по тектоническому строению площади работ. По результатам предполевых камеральных работ составлялась тектоническая схема площади работ масштаба 1:25 000. Маршрутными наблюдениями изучались как естественные, так и искусственные обнажения коренных пород для выявления признаков тектонической активности, установления геоморфологических признаков неотектоники. Комплексом геофизических методов определялись границы и строение зоны разлома (в том числе на глубину в первые сотни метров), давалась предварительная оценка геодинамической активности. Горнопроходческими работами (шурфы, канавы и траншеи) детально изучались как прямые признаки неотектонических движений, так и косвенные (изменение мощностей, фаци-ального состава и др.). С помощью бурения изучались проявления тектоники не только в современных отложениях, но и в более древних, не подверженных выветриванию.

Комплексирование методов изучения разломов (бурение, горные работы, геофизические исследования) осуществлялось в зависимости от конкретных условий. Детальному изучению подвергнуты разрывные нарушения, наиболее уверенно выделяемые на основании данных дистанционных методов, анализа сейсмостатистики и распределения скоростей вертикальных движений земной коры. Комплекс геофизических исследований включал электроразведку (ЭП, СЭП, ВЭЗ, ЗС-З^-МПП), сейсморазведку (КМПВ, MOB ОГТ) и газово-эманационную съемку (ГЭС).

Для оценки современной геологической активности разломов использовались прямые геолого-геоморфологические признаки, разбитые на шесть групп, с весовыми коэффициентами в 1-2 балла (единицы), определявшимися экспертным путем.

Установлено, что на современном этапе активные в геологическом отношении разломы демонстрируют также и весьма высокий уровень сейсмической активности. Это справедливо как для разрывных нарушений продольных ("кавказского простирания"), так и для поперечных ("антикавказских"). При этом медленные геологические движения за последние 100-300 лет измеряются средними скоростями 1.5-2.0 мм/год. А сейсмогенные одноактные подвижки достигают 0.5-1.5 м. В целом и геологическая и сейсмическая активность изученных разрывов в приосевой части и на южном склоне изученного сектора Северо-Западного Кавказа несравненно выше, чем на северном склоне.

Результаты исследований применены при строительстве газопровода Голубой Поток, где в зонах активных разломов разработаны и осуществлены мероприятия по защите трубопровода от тектонических подвижек, включающие расширение траншеи с пологими бортами, засыпку трубы инертным материалом (песком) и увеличение толщины стенок трубы.