Скоростная структура техногенно-изменённой верхней части разреза на Семипалатинском полигоне

Беляшов, Андрей Владимирович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Скоростная структура техногенно-изменённой верхней части разреза на Семипалатинском полигоне
ВАК РФ 25.00.10, Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Скоростная структура техногенно-изменённой верхней части разреза на Семипалатинском полигоне"

На правах рукописи

/а

БЕЛЯШОВ АНДРЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СКОРОСТНАЯ СТРУКТУРА ТЕХНОГЕННО-ИЗМЕНЁННОЙ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ РАЗРЕЗА НА

СЕМИПАЛАТИНСКОМ ПОЛИГОНЕ

Ч; О

25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

НОВОСИБИРСК 2013

005547368

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук (ИНГГ СО РАН).

Научный руководитель:

доктор геолого-минералогических наук Суворов Владимир Дмитриевич

Официальные оппоненты:

Сальников Александр Сергеевич, доктор геолого-минералогических наук, заведующий отделом сейсморазведки ФГУП«Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья», г. Новосибирск;

Шаров Николай Владимирович, доктор геолого-минералогических наук, заведующий лабораторией геофизики Института геологии Карельского научного центра РАН.

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения Российской академии наук (ИВМиМГ СО РАН), г. Новосибирск.

Защита состоится 28 февраля 2014 г. в 15 час. на заседании диссертационного совета Д 003.068.03 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук, в конференц-зале.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу:

630090, Новосибирск, пр-т Акад. Коптюга, 3, ИНГГ СО РАН; Факс: (383) 333-25-13, 330-28-07; E-mail: NevedrovaNN@ipgg.sbras.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНГГ СО РАН. Автореферат разослан 25 декабря 2013 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.г-м.н., доцент

H.H. Неведрова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования - верхняя часть разреза Семипалатинского испытательного полигона на предмет выделения техногенных изменений в среде.

Актуальность темы исследований. Подземные ядерные взрывы, проведенные в большом количестве на площадке Балапан Семипалатинского испытательного полигона, оказали деструктивное воздействие на вмещающую геологическую среду с образованием определённых зон дезинтеграции горных пород, в том числе в верхней части разреза (Михайлов и др., 1997; Садовский, 2004; Адушкин и Спивак, 2004). Выявление и картирование в пространстве таких участков наземными геофизическими методами представляет значительный интерес как средство обнаружения наиболее проницаемых зон переноса радионуклидов из очагов взрыва в окружающую геологическую среду (Шайторов, 2006). Локализация таких зон совместно с гидрогеологическими наблюдениями позволит определить пути миграции радионуклидов и прогнозировать области их дальнейшего распространения, также и за пределами испытательного полигона (Хромушин и др., 2000; Такибаев, 2003; Мукушева и др., 2006). При этом важное место могут занимать сейсмические методы, как средство изучения изменений скорости распространения волн, вызванных техногенными влияниями на свойства окружающей среды.

В работе описываются результаты переобработки данных 1997 г. по волнам, регистрирующимся в первых вступлениях методом прямого лучевого моделирования в сравнении с сейсмотомографией. Полученная ранее для территории площадки Балапан сейсмическая информации о строении верхней части разреза базировалась, в основном на томографических построениях без надлежащего анализа качества используемых априорных моделей, хотя зависимость томографического результата от такой модели хорошо известна. В работе этот вопрос рассматривается подробно.

Цель исследований - найти метод обоснованного обнаружения приповерхностной области техногенного влияния подземных ядерных взрывов в скважинах.

Научные задачи:

1. Анализ возможностей обработки данных первых вступлений волн методами сейсмотомографии и прямого лучевого моделирования при выявлении нарушенных взрывом структур верхней части разреза;

2. Определение скоростных параметров техногенно-измененной верхней части разреза.

Этапы решения задач:

1. Определение метода обработки сейсмических данных на основании экспериментального изучения возможностей двух независимых способов получения скоростного разреза — прямого лучевого трассирования и сейсмотомографии;

2. Выделение методом прямого лучевого трассирования области техногенного изменения скорости в верхней части разреза, связанного с взрывным воздействием.

Научная новизна решения.Личный вклад. Впервые на площадке Балапан Семипалатинского испытательного полигона обнаружен протяженный слой относительного понижения скорости вследствие техногенного воздействия подземных ядерных взрывов. Определены его сейсмические параметры, установлена корреляционная связь его мощности в зависимости от величины ядерного заряда.

Автором получен полевой материал и выполнен детальный анализ его свойств, определена методика обработки сейсмических данных с построением скоростных моделей по продольным волнам для верхней части разреза исследуемого участка. Все этапы обработки, включая перевод данных из аналогового вида в цифровой, их коррекцию, составление сводных сейсмограмм, определение на сейсмограммах времен вступлений, построение годографов, лучевое моделирование и сейсмотомографические расчеты, построение скоростных разрезов и карт и их анализ, были выполнены лично соискателем.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученная информация о параметрах техногенных структур в верхней части разреза площадки Балапан может использоваться при выборе участков первоочередного изучения и мониторинга процессов миграции грунтово-трещинных вод с возможным переносом радиоактивных загрязнений. Корреляционная связь между мощностью откольного слоя и величиной заряда может использоваться для прогнозирования его распространения на других участках Семипалатинского полигона, где сейсмические данные отсутствуют.

Методы исследования и фактический материал. В ходе обработки сейсмических данных применительно к геологической среде, подвергшейся воздействию ПЯВ, использовались методы прямого лучевого трассирования и сейсмотомографии по временам пробега волн в первых вступлениях. Надежность выполненных построений методом прямого лучевого моделирования подтверждается численными экспериментами и корреляцией с параметрами зарядов в зависимости от геологических условий.

Теоретическая часть исследования, связанная с расчётом параметров областей поствзрывного разрушения горных пород, основана

на работах российских и зарубежных геофизиков М.А. Садовского, В.В. Адушкина, А.А. Спивака, Г.Г. Кочаряна, В,Н. Михайлова, Г. Хиггинса, П. Клоссмана и др.

В части, связанной с выбором методики обработки сейсмических данных, использован метод проб и ошибок при двухмерном лучевом трассировании на основании работы (2еИ&8ти11, 1992). Сейсмотомографические расчеты выполнялись по программе Ю. Рослова и П. Дитмара.

В работе использованы материалы сейсмических наблюдений, полученных лично автором на площадке Балапан Семипалатинского испытательного полигона в составе Института геофизических исследований, РК.

Защищаемые научные результаты:

1. По экспериментальным данным, в применении к решаемой задаче, показаны ограниченные возможности сейсмической томографии, обусловленные необходимостью использовать априорную модель, достаточно близко описывающую кинематику волн в первых вступлениях. Более эффективным методом является прямое лучевое моделирование, при котором каждой выделенной аномалии времен пробега волн ставится ¿Соответствие локализованное в модели среды изменение скорости.

2. Доказано, что в приповерхностной откольной около скважинной зоне, образованной подземным ядерным взрывом, скорость распространения волн понижена на 1.5 - 2.0 км/с, и при достаточно плотном расположении скважин формируется протяженный техногенный сейсмический слой с горизонтальными размерами 4 - 5 км и мощностью до 40 - 80м, находящейся в прямой корреляционной зависимости от веса заряда.

Апробация работы и публикации. Основные положения и результаты работы представлялись на международных, всероссийских и казахстанских конференциях и семинарах - Международный рабочий семинар по Инспекции на месте (Фарнборо, 1999; Пекин, 2001; Вена, 2010), Конференция молодых учёных НЯЦ РК (Курчатов, 2001, 2005), Международная конференция "Мониторинг ядерных испытаний и их последствий" (Боровое, Курчатов, 2006, 2010, 2012), Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь» (Новосибирск, 2012), Всероссийский семинар «Геодинамика. Геомеханика и геофизика» (Денисова Пещера, 2012; Новосибирск, 2013), Международная научно-техническая конференция ОДВЗЯИ (Вена, 2013).

По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе: 2 статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК; 2 статьи в зарубежных

изданиях, входящих в международную базу научного цитирования; 10 статей в казахстанских изданиях.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Содержит 116 страницы, 61 рисунок и 8 таблиц. Библиография включает 71 наименование.

Благодарности. Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность доктору геолого-минералогических наук Владимиру Дмитриевичу Суворову, чье научное руководство помогло определить направление и задачи выполняемой работы, способствовало успешному освоению методов и программных средств обработки сейсмических данных и, что самое главное, плодотворное общение с которым позволило существенно повысить мой квалификационный уровень.

Автор благодарен специалистам ИНГГ СО РАН д.т.н. Ю.И. Колесникову, д.г.-м.н. А.Д. Дучкову, к.г.-м.н С.Б. Горшкалеву, д.г.-м.н. Н.О. Кожевникову, д.ф.-м.н. В.Ю.Тимофееву за оценку работы и плодотворные обсуждения.

Автор выражает отдельную признательность ученому секретарю диссертационного совета к.г.-м.н. H.H. Неведровой за внимание и поддержку, а также к.г.м.-н. Е.А. Мельник за помощь в выполнении работы и решении технических вопросов и В.И. Самойловой за методические рекомендации во время подготовки текста диссертации.

Автор искренне благодарит специалистов ИВМиМГ СО РАН д.т.н. В.В. Ковалевского и д.т.н. М.С. Хайретдинова, научный опыт и ценные рекомендации которых способствовали формулированию положений работы.

Особой благодарностью автор хочет отметить директора ИГИ КАЭ PK H.H. Беляшову за многолетнее научное и производственное руководство, которое позволило мне сформироваться как специалисту.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Общая характеристика участка и анализ предшествующих сейсмических исследований

В разделе 1.1 приводится общее описание Семипалатинского испытательного полигона и участка исследований - боевой площадки Балапан, на которой в течение 25 лет (1965 - 1989 г.г.) было выполнено 112 скважинных подземных взрывов в интервале глубин от 202 до 628 м, с максимальной величиной заряда 212 кт (при минимальной - 3 кт).

Дается характеристика геолого-тектонических условий площадки (Коновалов и др., 1996), согласно которым участок сложен в основном нижне- и среднекаменноугольными осадочно-метаморфическими

породами (песчаниками, конгломератами, алевролитами, сланцами, туфами, порфиритами) с отдельными проявлениями магматизма в виде средне-позднекаменноугольных гранитных и гранодиоритныхинтрузий. В северо-восточной части площади исследований расположен грабен среднеюрских угленосных отложений, отделенный от каменноугольных пород южным крылом регионального Чинрауского разлома. Палеозойский фундамент повсеместно перекрыт осадочным чехлом из неогеновых глин и четвертичного аллювия толщиной от 10 до 60 м. Естественная тектоника представлена региональным Чинрауским разломом и локальными разрывными нарушениями, имеющими преимущественно северо-западное простирание.

В рамках оценки сейсмической изученности объекта исследований в разделе 1.2 представлены скоростные разрезы, полученные ранее для площадки Балапан, где выявлены признаки понижения скорости до глубины 80 - 100 м вследствие проведения подземных ядерных взрывов (Русинова и др., 2013). Однако, в силу ряда технических и методических недостатков, построенные модели имеют качественные и количественные ограничения. В частности, из-за недостаточной мощности источника возбуждения упругих колебаний глубинность разрезов не превышает 100 м. Разрезы построены томографическим способом без достаточного анализа свойств волнового поля и изучения их связи с приповерхностными скоростными структурами, а также без учета априорной информации о скоростном разрезе. Они могут представлять интерес как результаты экспресс-обработки, поскольку лишь на качественном уровне отражают возможное распределение скоростных неоднородностей среды. Теоретическая оценка размеров зон взрывного разрушения для определения целевого объекта сейсмического изучения в соответствии с разрешающей способностью имеющейся системы наблюдений описывается в разделе 1.3. На основании формул и закономерностей, полученных разными исследователями (Johnsonetal., 1959; Higginsetal., 1967; Michaud, 1968; Germain, 1968; Clossman, 1969; Садовский, 2004; Адушкин и Спивак, 2004), в том числе и для площадки Балапан, описывающих физико-механические изменения среды в области взрывов с учетом геологических условий, оценены вероятные размеры областей взрывного разрушения среды для всех скважин, размещенных на изучаемой площадке. В результате, целевыми объектами были определены приповерхностные зоны откольных проявлений с горизонтальными размерами до 1000 м и мощностью от 60 до 100 м в зависимости от величины заряда. Установлено, что при плотном расположении боевых скважин отдельные откольные зоны могут образовывать непрерывные слои протяженностью до 4 км.

Глава 2. Анализ данных и методы построения модели верхней части разреза

Сейсмические наблюдения выполнены на 8 параллельных профилях длиной 6 км, расположенных вкрест простирания основных тектонических структур. Расстояние между профилями 500 м, шаг между пунктами возбуждения (ПВ) 500 м, шаг между пунктами приёма (ПП) 125 м. В пределах площади исследований размером 6000x3500 м расположено 15 боевых скважин.

Для возбуждения упругих колебаний использовались химические взрывы мощностью до 40 кг на глубине до 5 м. Трехкомпонентная регистрация сигналов выполнялась на магнитную ленту станциями АСС-3/12 "Каре", записи с которых в дальнейшем переводились в цифровой вид с помощью станции воспроизведения ВСС-3/6 (НПО "Казгеофизприбор", СССР).

Свойства годографов первых вступлений свидетельствуют о трехслойной покрывающей модели среды. Слоистость разреза определяется резкими изменениям кажущейся скорости на годографах, которые уверенно прослеживаются вдоль профилей.

Вследствие недостаточной плотности описываемых наблюдений (шаг между пунктами приема составлял 125 м), скорость прямой волны, распространяющейся в зоне малой скорости (ЗМС), надежно не могла быть определена. Поэтому привлекалась дополнительная информация и по более детальным сейсмическим исследованиям на этой же площадке скорость определена в значении 1.4 км/с.

Второй слой, прослеживаемый не повсеместно, характеризуется кажущейся скоростью 3.0 - 3.8 км/с. В начальной части всех профилей кажущаяся скорость менее 3.0 км/с относится к толще рыхлых юрских отложений. Третьему слою свойственно значение кажущейся скорости 4.2 - 4.8 км/с и в подстилающем полупространстве она повышена до 5.0 -5.5 км/с.

Далее описано изучение возможностей применения двух независимых методов построения скоростного разреза на примере профиля 0 (ПрО) - прямого лучевого трассирования и сейсмотомографии.

При прямом лучевом трассировании подбор скоростных моделей выполнен в программе SeisWide (Dr. Deping Chian; Zelt and Smith, 1992). Исходными параметрами модели являются: глубина залегания сейсмических границ, представляемых в виде ломаных линий, и скоростей, задаваемых на кровле и подошве каждого слоя. При этом можно задавать и латеральные изменения скорости в слоях в гладком или скачкообразном (блоковом) представлении. Узлы границ и скоростей устанавливаются независимо и между узлами значения параметров интерполируются линейно, с учетом необходимой точности расчета

времен пробега. Процесс моделирования заключается в последовательном (сверху вниз) подборе методом проб и ошибок таких параметров среды, при которых невязки между теоретическими и наблюденными годографами не превышают 0.004 с.

Согласно результирующей лучевой схеме, наибольшая плотность лучей наблюдается в верхней части разреза (до глубины около 200 - 250 м) и с глубиной уменьшается, указывая на снижение разрешающей способности данных. При этом границы со скачками скорости в значительной степени определяют характер распределения лучевых траекторий. Существенно, что всем аномалиям времен, выделяемым на наблюдённых годографах, ставятся в соответствие скоростные неоднородности в разрезе.

В соответствии с численной оценкой, отклонения в определении параметров скоростного разреза с учётом достигнутых значений временных невязок не превышают: по скорости ±0.2 км/с (не более 6%) и по глубине для подошвы второго слоя ±2 м и для третьего слоя ±5 м (не более 4%).

Для оценки применимости другого независимого решения задачи был использован метод сейслютомографиии по программе Р^ото/Х-Тошо, (Дитмар, 1993; Рослов и Дитмар, 1993; Рослов и Ефимова, 2007) где среда представляется горизонтальной слоистой моделью, скорость в слоях подбирается процедурой оптимизации. В результате итерационного процесса решения прямой и обратной задач минимизируются невязки времен между наблюдёнными и расчетными годографами в рамках двухточечного условия. При этом необходимо задать априорную модель изучаемой среды. Рекомендуется, чтобы она была как можно ближе к реальной, что практически является не простой задачей.

Для построения разреза использовалось три стартовые модели :горизонтально-слоистая Модель 1 с линейным нарастанием скорости с глубиной от 3.2 до 5.2 км/с; Модель 2-е учётом рельефа подошвы ЗМС и постоянным положительным градиентом скорости в нижележащей толще от 4.2 км/с до 5.2 км/с и слоистая Модель 3, построенная прямым лучевым трассированием.

Финальные среднеквадратические невязки между наблюденными и расчетными временами для всех стартовых моделей не превышают 0.002 с. При этом отмечаются существенные различия в результирующих лучевых схемах и скоростных разрезах в зависимости от стартовых моделей. Первые две модели являются типично томографическими, когда среда представляется отчетливо градиентной с высокой степенью нарастания скорости с глубиной. Другая отчетливая особенность томографического разреза проявляется в характере распределения лучевых траекторий. Пологие зоны сгущения лучей ограничивают снизу градиентную верхнюю часть разреза при значительном уменьшении

плотности лучей в нижней его части. При этом в Модели 1 наиболее отчетливое сгущение пологих траекторий лучей располагается на глубине 250 - 300 м, в то время как в Модели 2 этот уровень фиксируется на меньшей глубине около 200 м, что определяется изменением стартовой модели. В связи с этим возможность отнесения сгущения пологих частей лучевых траекторий к границам, разделяющим структурные этажи, оказывается неоднозначной.

Распределение лучевых траекторий при стартовой Модели 3 существенно отличается от рассмотренных выше, при практическом отсутствии в разрезе интервалов с ярко выраженным непрерывным нарастанием скорости с глубиной. Такие изменения связаны с введением в стартовую модель сейсмических границ с закрепленным рельефом при малых невязках времен. Априорные скачки скорости на границах определяют главные особенности лучевых траекторий, сгущение пологих частей которых определяют положение сейсмических границ.

Для скоростного разреза в Модели 1 отмечается наиболее контрастно и непрерывно изменяющаяся скорость. Все аномалии пониженной и повышенной скорости, выделенные вблизи дневной поверхности, отчетливо прослеживаются субвертикально на глубину до 200 - 300 м. Поперечный размер аномалий не превышает 400 - 500 м. Существенно, что контрастность аномалий по латерали увеличивается с глубиной и достигает 0.5 км/с. На глубине 80 - 100 м наблюдаются пониженные (до 3.5 км/с) значения скорости, не характерные для фундамента. И наоборот, отмечается присутствие относительно высокоскоростных участков (до 3.0 км/с) на дневной поверхности. Понятно, что интерпретировать такой разрез весьма затруднительно, так как трудно найти геологические аналоги таких структур. В Модели 2 градиент изменения скорости увеличился в окрестности закрепленной подошвы ЗМС и уменьшился на глубине более 50 м. В целом Модель 2 является более сглаженной, чем Модель 1. Подобие в распределении аномалий скорости между разрезами, полученными при Моделях 1 и 2, можно видеть только для крупных особенностей. При Модели 3 структура изменений скорости в томографическом разрезе по отношению к Моделям 1 и 2 изменилась кардинально в зависимости от дополнительного введения закрепленного положения сейсмических границ со скачками скорости. Высокоградиентные интервалы изменения скорости сохранились только в окрестности подошвы ЗМС при образовании латеральных аномалий до 0.2 - 0.3 км/с в пределах второго и третьего слоев.

Таким образом, применительно к условиям решения нашей задачи, выявлена зависимость томографических построений от стартовых моделей при малых различиях между наблюденными и модельными временами пробега волн. Фактически это указывает на неединственность

решения. Вместе с тем, теоретически корректное решение обратной задачи можно получить при условиях, что наблюденные и в стартовой модели времена пробега волн различаются на достаточно малую величину, которой соответствуют также достаточно малые отличия в скорости (Alekseevetal., 1990; Николаев и др., 1997; Palmer, 2010; Rawilsonetal., 2010; Foulgeretal., 2013). Так, при стартовой Модели 1 невязки достигают до 0.13с, в Модели 2 - до 0.05-0.07 сив Модели 3 они уменьшились до 0.005с. Этим невязкам времен соответствуют изменения скорости до 1.5 км/с в Модели 1, около 1 км/с в Модели 2 и до 0.5 км/с в Модели 3. В последнем случае изменения скорости проявляются в локальных аномалиях при общем характере изменений скорости близком к стартовой модели.

Полученные практические результаты свидетельствуют о достаточно жестких условиях, накладываемых на выбор стартовой модели и определяющих разрешающую способность и детальность построения скоростных разрезов. В методе прямого лучевого трассирования выбор стартовой модели обеспечивается детальным анализом изменений кажущейся скорости в системе увязанных годографов, направленным на определение главных характеристик стартовой модели. Важно разделить свойства слоистости и латеральной неоднородности, надежность обнаружения которых в значительной степени зависят от плотности наблюдений. При прямом лучевом трассировании это проверяется и уточняется в процессе моделирования, при котором всем выделенным изменениям кажущейся скорости находятся соответствующие скоростные неоднородности.

Глава 3. Сейсмические модели верхней части разреза н структура техногенного слоя

В разделе 3.1 представлены двумерные скоростные модели, полученные прямым лучевым трассированием и характеризующие строение верхней части разреза до глубины 200 - 250 м по всем профилям. На рисунке 1 представлен наиболее характерный пример полученных данных (для Пр 0 и Пр2). Показаны проекции устьевых участков боевых скважин, под номером которых приведен вес заряда в кт.

Слой ЗМС с фиксированной скоростью 1.4 км/с проявляется на всех разрезах, его толщина изменяется от 5 до 125 м. В левой части профилей понижение скорости до 3.0 - 3.1 км/с определяется положением рыхлых юрских отложений.

Основным результатом является выделение слоя со скоростью 3.1 -3.7 км/с, залегающего под подошвой ЗМС и коррелирующего с размещением боевых скважин (рисунок 1а). Его протяженность зависит

от количества и плотности размещения боевых скважин и изменяется для разных профилей от 0.5 до 4 км. В случае невысокой плотности размещения боевых скважин такие скорости проявляются в виде локальных неоднородностей и ЗМС подстилается слоем с повышенной до 4.0-4.3 км/с скоростью (рисунок 16). Нижнее полупространство с кровлей, залегающей на глубине 125 - 200 м, характеризуется скоростью, 5.0-5.4 км/с.

Расстояние, м

«-1 i

-200

-300

1066 (212 кт)

1000

1321 1222 (136 кт) (100 кт)

2000 3000 4000 Расстояние,м

1312

5000 6000

Рисунок 1. Пример сейсмических разрезов для трехслойной среды вдоль ПрО (а) и в случае ограниченного проявления второго слоя для Пр2 (б). Красным цветом обозначены скважины с удалением от профиля до 400 м, синим - 400-700м.

В разделе 3.2 представлены трехмерные модели изменений скорости и рельефа сейсмических границ, позволяющие оценить пространственное распределение этих параметров и выявить их корреляцию с расположением боевых скважин и естественными геологическими структурами.

Сопоставление значений сейсмической скорости и ее определений по лабораторному анализу образцов бурового керна до проведения ядерных взрывов, описано в разделе 3.3. На рисунке 2 представлены примеры таких данных, где видно, что в окрестности взрывных скважинвыделенное по сейсмическим данным понижение скорости относительно до взрывных ее значений достигает 1.5 км/с. При этом, глубина подошвы второго слоя (под ЗМС) может изменяться от 40 до 120 м. Глубже, в пределах третьего слоя, скорость по сейсмическим данным

также оказывается пониженной на величину до 0.4-0.7 км/с, вплоть до его подошвы. Ниже, в подстилающем полупространстве, скорости по скважинным и наземным наблюдениям становятся близкими. Однако, в отдельных случаях, на глубине свыше 200 м скорость по керну может быть и меньше сейсмической, вследствие естественной (тектонической) трещиноватости (рисунок 2), не выявленной при наземных наблюдениях. Существенно, что для участка, не подвергшегося взрывному воздействию (район скв. 1316), значения скорости по скважинным и сейсмическим данным сопоставимы.

Такие данные, определенно, позволяют сделать вывод о техногенной причине понижения скорости в разрезе под зоной малой скорости, обусловленной проведением ядерных взрывов. Особенно наглядно это проявляется в случае взрывов в разрезе с плагиогранитами (рисунок 2, скв. 1220). Наиболее контрастно понижение скорости проявляется в слое, залегающем непосредственно под ЗМС, который можно сопоставить с откольной зоной, образующейся вблизи дневной поверхностной на контакте двух сред с различной акустической жесткостью (Михайлов, 1997; Адушкин, Спивак, 2004, Садовский, 2004).

Скв. 1220 Скв. 1321 Скв. 1316

Vp, м/с Vp, м/с Vp, м/с

3000 0 4000 5000 6000 3000 0 1 4000 5000 6000 3000 0 4000 5000 6000

•50 | ■50 i,. — Песчаник -50 g

i 1

•100 I \ I:- i 1 i z -100 ; -100 1

го X -150 г го -150 2 го —

4 с i с i_ cL 1 S £ с • 150

-200 Г - -' Щ -200 1 -200

pi ' tvi

-250 fe ■250 - -250

-300 i ш -300 Г-' -1 -300 —

Рисунок 2. Значения скоростей по измерениям на образцах горных пород (чёрный пунктир) и по сейсмическим данным (красные линии).

При плотном расположении скважин (рисунок 1а) такие зоны могут образовать непрерывный откольный (техногенный) слой,

картирование которого и выявление связи его мощности с весом заряда описано в разделе 3.4. Согласно теоретическим расчетам горизонтальные размеры откольных зон, представленные в виде кругов, радиусы которых зависят от величины заряда (рисунок За), тесно соприкасаются или пересекаются, образуя практически связное пространство.

О 1000 2000 3000 4000 5000 6000

Рисунок 3. Карта мощности откольного слоя по результатам теоретических расчётов (а) и по сейсмическим данным (б). На (а) максимальная мощность слоя в м приведена в скобках. Красная штриховая линия ограничивает область распространения сейсмического слоя мощностью более 20м.

Рисунок 36 иллюстрирует распространение по площади техногенного (сейсмического) слоя с пониженной скоростью. Отмечается высокая степень совпадения участков распространения сейсмического слоя мощностью 30 - 70 м, где его присутствие определено наиболее надежно, с областью расположения взрывных скважин. Вместе с тем, максимальная теоретическая мощность откольной зоны превышает

сейсмическую в среднем на 20 — 30 м, что может быть связано с некоторой условностью теоретической оценки мощности и/или поствзрывной консолидацией геологической среды.

Важным параметром, определяющим надежность отнесения сейсмического слоя к техногенной области, является оценка его мощности в зависимости от величины заряда, которая следует из теоретических представлений (Адушкин, Спивак, 2004, Садовский, 2004). На рисунке 4 представлены данные о зависимости сейсмической мощности откольной зоны от веса заряда. Подавляющая часть данных образует достаточно плотное облако с высоким коэффициентом корреляции и шесть скважин с резко отклоняющимися значениями мощности откола. Породы, вскрытые этими скважинами на глубине заряда, характеризуются аномальными прочностными механическими параметрами (модуль Юнга, прочность на растяжение и сжатие), что может быть причиной наблюдающихся отклонений. Следовательно, полученный корреляционный тренд можно считать достаточно обоснованным подавляющей частью данных и он может быть использован при оценке сейсмической мощности откольных зон на

других участках испытательного полигона.

100

5 50

§40

I 30

10 0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Вес заряда, кт

Рисунок 4. График зависимости мощности откольной зоны от веса заряда.

Значения, использованные для оценки корреляции показаны ромбиками, с резкими отклонениями - квадратиками. Чёрная линия - аппроксимирующий

тренд.

■

1061-бис

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Попытки решить задачу поиска техногенных проявлений вследствие проведения подземных ядерных взрывов сейсмическим методом на Семипалатинском полигоне предпринимались неоднократно (Жолдыбаев, 2005; Шайторов и др., 2006; Шайторов и др., 2013). Как правило, использовался метод сейсмической томографии в различных программных реализациях (Смирнов и др., 2000; Русинова и др., 2013; Ве1уазЬоуе1а1., 2013). При этом недостаточное внимание уделялось важному для томографии вопросу обоснованного выбора стартовой модели, поскольку считалось необходимым и достаточным выполнение одного из условий: минимального различия между наблюденными и теоретическими временами пробега волн. Нужно заметить, что, как показано в данной работе, это условие выполняется при любой стартовой модели. Однако, оно является необходимым, но недостаточным. Требуется, кроме того, чтобы стартовая модель обеспечивала не только малые различия между теоретическими и наблюденными временами пробега волн, но и чтобы этим различиям соответствовали и малые аномалии скорости. Обычно выполнение второго условия не проверяется и в работе приведены примеры, иллюстрирующие влияние неоптимальной в этом смысле стартовой модели на результат.

В данной работе выбору стартовой модели уделено большое внимание и показано, что в условиях двумерно неоднородной слоистой среды сделать это практически очень трудно. При этом наиболее трудный для томографии вопрос заключается в априорном учете рельефа сейсмических границ и величины скачка скорости. Понятно, что достаточно хорошо знать эти параметры априори невозможно.

Вследствие таких трудностей при построении разреза использован метод прямого лучевого трассирования. Фактически это решение задачи методом проб и ошибок, когда параметры разреза подбираются в соответствии с характером распределения кажущейся скорости, определяемой по системе годографов. Это удается сделать при детальном анализе свойств годографов и выделении аномалий времен пробега волн, которые должны удовлетворять определенным характеристикам, увязанным по системе прямых и встречных годографов. Опыт показывает, что при недостаточно качественной корреляции волн (и построения годографов) невозможно подобрать параметры разреза с удовлетворительно малыми невязками между теоретическими и наблюденными временами пробега волн (в томографии такой задачи не существует, разрез можно получить всегда вне зависимости от ошибок в корреляции волн или при построении годографов). При этом решается очень важная с прикладной точки зрения задача локализации скоростных

неоднородностей, соответствующих наблюденным аномалиям в волновом поле. Практически реализовать построение разреза таким методом не просто, задача достаточно трудоемкая, требующая большого внимания и затрат времени. Представляется, что особенности получения результата методом лучевого трассирования продемонстрированы в работе достаточно полно, конечно, только на примере решения конкретной задачи.

В работе подробно рассмотрены результаты применения метода прямого лучевого трассирования при решении задачи обнаружения сейсмическим методом техногенных изменений скорости вследствие проведения подземных ядерных взрывов. Детальный анализ определений скорости по данным наземных сейсмических наблюдений и измерений скорости на образцах горных пород, извлеченных из боевых скважин до взрыва, показал их существенное различие. Скорости до взрывов в подавляющем большинстве случаев значительно (до 2.1 км/с) больше, чем полученные сейсмическим методом после выполнения испытаний. Это позволило сделать вывод, что причиной этого факта являются техногенные изменения свойств горных пород вблизи поверхности палеозойского фундамента. Более того, показана возможность локализовать области уменьшения скорости с зонами откольных проявлений ядерного взрыва, которые в местах плотного расположения боевых скважин могут формировать протяженный слой пониженной скорости мощностью до 50- 100 м.

К сожалению, использованные системы наблюдений обеспечили глубинность надежного построения скоростных разрезов только до глубины 200 - 250 м, что недостаточно для того, чтобы получить сведения о строении среды в области камуфлета. Можно надеяться, что полученные результаты высокой эффективности применения сейсмических исследований составят основу для дальнейшего проведения более детального изучения строения техногенно измененной ядерными испытаниями среды. Такие данные необходимы при оценке экологической опасности заражения местности продуктами ядерных взрывов.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В журналах, рекомендованных ВАК

1. Беляшов А. В. Использование сейсморазведки для изучения влияния подземных ядерных взрывов на окружающую геологическую среду / A.B. Беляшов, М.К. Мукушева // Геофизика. - 2011. - № 6. - С. 36-41.

2. Беляшов А. В. Сейсмическое изучение верхней части разреза на участке Семипалатинского ядерного испытательного полигона / А.В. Беляшов, В.Д. Суворов, Е.А. Мельник // Технологии сейсморазведки. - 2013. - N3. С. 64-75.

В зарубежных изданиях

3. NadezhdaN. Belyashova. On the Use of Calibration Explosions at the Former Semipalatinsk Test Site for Compiling a Travel-time Model of the Crust and Upper Mantle / Nadezhda N. Belyashova, Vladimir I. Shacilov, Natalia N. Mikhailova, Igor I. Komarov, Zlata I. Sinyova, Andrey V. Belyashov and Marina N. Malakhova // Pure and Applied Geophysics. - 2001. -Vol. 158.-pages 193-209.

4. Belyashov, A. Application of Geophysical Techniques in Identifying UNE Signatures at Semipalatinsk Test Site (for OSI purposes) / A. Belyashov, V. Shaitorov, M. Yefremov // Pure and Applied Geophysics. 2013. DOI 10.1007/s00024-012-0639-5. URL: http://link.springer.eom/article/10.1007/s00024-012-0639-5#page-l (дата обращения: 29.10.2013).

В казахстанских изданиях

5. Беляшова Н.Н. Изучение влияния ядерных взрывов на окружающие горные породы и морфологию поверхности с целью разработки методов Инспекции на местах / Н. Н. Беляшова, JI. А. Русинова, А. В. Беляшов, А. А. Смирнов // Вестник НЯЦ РК. - 2000. - № 2.-С. 105-111.

6. Беляшова Н.Н. Использование калибровочных взрывов на Семипалатинском испытательном полигоне для уточнения скоростного разреза земной коры и верхней мантии / Н. Н. Белящова, В. И. Шацилов, Н. Н. Михайлова, И. И. Комаров, 3. И. Синева, А. В. Беляшов, М. Н. Малахова // Вестник Национального ядерного центра РК. - 2000. - № 2. -С. 45-53.

7. Беляшов А. В.Изучение влияния подземных ядерных взрывов на окружающие горные породы СИП методом сейсмического пространственного зондирования / А. В. Беляшов, К. М. Абишев // Труды конференции-конкурса молодых ученых, Курчатов: НЯЦ РК. -2001.-С. 77-82.

8. Беляшов А. В. Моделирование мест проведения подземных ядерных взрывов по данным комплекса сейсмических методов / А. В. Беляшов // Вестник Национального ядерного центра РК. - 2005. - № 4. -С. 76-83.

9. Беляшов А, В. Исследование последствий подземных ядерных взрывов на Семипалатинском испытательном полигоне сейсмическим методом обменных волн землетрясений / А. В. Беляшов // Вестник Национальной инженерной академии РК. - 2010. - №1 (35). - С. 120-126.

10. Беляшов А. В. Изучение мест проведения подземных ядерных взрывов на СИП сейсмическим методом пространственного зондирования / А. В. Беляшов // Вестник Национальной Академии Наук РК. - 2010.-№1,-С. 21-27.

11. Беляшов А. В. Изучение современного состояния недр в местах проведения подземных ядерных взрывов на Семипалатинском испытательном полигоне с помощью сейсмических технологий / А. В. Беляшов, О. X. Шелехова // Вестник Национального ядерного центра РК. -2011.-№3.-С. 164-170.

12. Суворов В.Д. Скоростные параметры среды в местах проведения подземных ядерных взрывов на Семипалатинском испытательном полигоне / В. Д. Суворов, А. В. Беляшов // Вестник Национального ядерного центра РК. - 2012. - № 2. - С. 101-107.

13. Русинова Л.А. Изучение скоростных характеристик среды в районе скважины 1220 Семипалатинского испытательного полигона / Л. А. Русинова, А. В. Беляшов, Т. Г. Ларина // Вестник Национального ядерного центра РК. -2013. -№ 1. - С. 116-125.

10. Беляшов, А. В. Изучение скоростных характеристик блока земной коры участка Балапан с использованием промышленных взрывов на угольном карьере Каражыра / А. В. Беляшов, В. Н. Шайторов, Л. А. Русинова, Т. Г. Ларина, О. X. Шелехова // Вестник НЯЦ РК. - 2013. - №2. -С. 104-109.

_Технический редактор Т.С. Курганова_

Подписано в печать 18.12.2013 Формат 60x84/16. Бумага офсет №1. Гарнитура Тайме

_Печ.л. 0,9. Тираж 100. Зак. № 105_

ИНГГ СО РАН, ОИТ 630090, Новосибирск, просп. Акад. Коптюга, 3

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Беляшов, Андрей Владимирович, Новосибирск

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук

На правах рукописи

04201456424 .у , у

.ßltij) ^шь

Беляшов Андрей Владимирович

СКОРОСТНАЯ СТРУКТУРА ТЕХНОГЕННО-ИЗМЕНЁННОЙ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ РАЗРЕЗА НА СЕМИПАЛАТИНСКОМ ПОЛИГОНЕ

25.00.10 - геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель: доктор г.-м. наук Суворов Владимир Дмитриевич

Новосибирск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение........................................................................................3

1 Общая характеристика проблемы и предшествующих сейсмических исследований...................................................................................9

1.1 Характеристика изучаемого участка................................................ 9

1.2 Изученность скоростных свойств верхней части разреза в местах проведения подземных ядерных испытаний........................................... 13

1.3 Теоретическая оценка размеров зон взрывного разрушения...................22

Выводы по Разделу 1........................................................................35

2 Анализ данных и методы построения модели верхней части разреза......... 36

2.1 Система сейсмических наблюдений.................................................36

2.2 Данные полевых сейсмических наблюдений...................................... 38

2.3 Характеристика сейсмических данных............................................. 40

2.4 Определение скорости в ЗМС......................................................... 49

2.5 Построение скоростного разреза методом прямого лучевого трассирования................................................................................. 50

2.6 Построение сейсмотомографической модели..................................... 57

2.7 Сопоставление результатов лучевого трассирования и

сейсмотомографии............................................................................68

Выводы по Разделу 2.........................................................................71

3 Сейсмические модели верхней части разреза и структура

техногенного слоя............................................................................73

3.1 Двумерные скоростные разрезы......................................................73

3.2 Трёхмерные скоростные модели верхней части разреза.........................80

3.3 Техногенные изменения скорости....................................................85

3.4 Картирование откольного слоя и связь его мощности с величиной

заряда........................................................................................... 97

Выводы по Разделу 3........................................................................ 101

Заключение.................................................................................... Ю2

Список сокращений и условных обозначений......................................... 105

Список литературы...........................................................................106

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследований. Подземные ядерные взрывы (ПЯВ), проведенные в большом количестве на площадке Балапан Семипалатинского испытательного полигона (СИП), оказали деструктивное воздействие на вмещающую геологическую среду с образованием определённых областей дезинтеграции горных пород, в том числе в верхней части разреза [Адушкин, Спивак, 2004; Михайлов и др., 1997].

Геоэкологическая обстановка в местах проведения скважинных ПЯВ формируется за счёт комплекса факторов, определяющих возможные механизмы переноса радионуклидов из очаговых взрывных областей в окружающую геологическую среду. К основным таким факторам можно отнести степень техногенной нарушенности среды, гидрогеологические и сейсмотектонические условия участка.

По результатам гидрогеологических исследований площадки Балапан [Коновалов и др., 2002; Проведение исследований и работ по снижению..., 2007; Горбунова и Иванов, 2008; Субботин и др., 2011] установлен активный напорный режим трещинно-поровых вод на глубине экзогенного изменения кровли фундамента в области естественных трещин, что, с учётом поствзрывной механической дезинтеграции вмещающих горных пород и возможного объединения естественной и техногенной глубинной трещиноватости, может способствовать выносу радиоактивных элементов из очаговых областей и их транспортировки в окружающую среду. Ситуация осложнена сейсмотектоническими условиями - площадка Балапан отличается блоковой структурой, сформировавшейся в результате активного длительного тектонического развития с элементами складчатости разных порядков и широким развитием разрывных нарушений от глубинных региональных разломов до интенсивной локальной трещиноватости [Коновалов и др., 1996]. По результатам инструментальных сейсмологических [Комплексные научные исследования..., 2011] и сейсмоакустических [Создание методических основ..., 2011] наблюдений

обнаружены проявления естественной активности по разломным структурам и наведённой сейсмичности в приочаговых областях ПЯВ, связанной с релаксационными процессами в напряжённо-деформированных породах [Мурзадилов и др., 2005; Астафуров и др., 2008]. Нестабильная сейсмотектоническая обстановка на глубине проведения ПЯВ усиливает эффекты распространения радионуклидов во вмещающей среде [Гринштейн, 2004; Горбунова, 2004; Мурзадилов и др., 2000]. Режимные наблюдения за рельефом дневной поверхности в эпицентральных областях ПЯВ [Паспортизация боевых скважин..., 2012] позволили выявить изменения её морфологии (вспучивание грунта и образование провальных воронок), происходящие в настоящее время. Этот факт может свидетельствовать о связи глубинных процессов с приповерхностными объектами.

Кроме того, радиологические обследования [Артемьев и др., 2001; Птицкая, 2002; Дубасов и др., 2003; Птицкая и др., 2005; Стрильчук и др., 2005; Отчёт о научно-технической деятельности ИРБЭ..., 2005; Организация системы мониторинга подземных вод..., 2006; Поляков и Кругликов, 2008] выявили в пределах площадки следы радиационного загрязнения в местах проведения подземных ядерных взрывов не только на уровне грунтово-трещинных вод, но и на дневной поверхности в южной части площадки (в реке Чаган).

Территория площадки Балапан активно используется в хозяйственной деятельности региона - в северной её части разрабатываются два крупных месторождения полезных ископаемых (угольное и молибденовое). В центральной и южной частях развито скотоводство и грунтово-трещинные и поверхностные воды используются в качестве питьевой воды.

В связи с вышесказанным актуальным является выделение техногенных проницаемых структур верхней части разреза, по которым из очагов подземных ядерных взрывов вместе с грунтово-трещинными водами в окружающую среду (вплоть до дневной поверхности) могут распространяться радионуклидные остатки [Хромушин и др., 2000; Такибаев, 2003; Мукушева и др., 2006]. Сейсмические технологии являются эффективными дистанционными методами

для решения поставленной задачи. В 1997 г. в рамках проекта МНТЦ К-056-96 «Моделирование миграции загрязняющих веществ в подземных водах в районе Семипалатинского полигона», на территории площадки Балапан проведены сейсмические исследования, по результатам которых получена информация о распределении скоростных параметров до глубины 800-900 м в среде, подвергшейся воздействию ПЯВ [Моделирование миграции..., 1999]. При этом, обработка полевого сейсмического материала выполнена с рядом методических неточностей, что определило недостаточное качество полученных скоростных разрезов и карт. Результаты других сейсмических наблюдений на площадке Балапан вследствие технических условий проведения полевых работ (в частности, недостаточной энергии источника возбуждения упругих колебаний) ограничены глубинностью изучения 80-100 м.

В работе описываются результаты переобработки полевых данных 1997 г. по волнам, регистрирующимся в первых вступлениях методом прямого лучевого моделирования в сравнении с сейсмотомографией. Выделен так называемый откольный слой, образующийся вблизи дневной поверхности как следствие проведения подземного взрыва [Адушкин, Спивак, 2004; Садовский, 2004; Михайлов и др., 1997]. Необходимо отметить, что в работе рассмотрены последствия от ПЯВ, удалённые от времени проведения испытаний на десятки лет. В течение этого времени в областях взрывов происходили процессы заполнения поствзрывных трещин обломочным материалом и консолидацией горных пород под воздействием литостатического давления при активном режиме трещинных вод.

Научные задачи:

2. Определение скоростных параметров техногенно измененной верхней части разреза.

Этапы решения задач:

1. Определение метода обработки сейсмических данных на основании экспериментального изучения возможностей двух независимых способов получения скоростного разреза - прямого лучевого трассирования и сейсмотомографии;

Научная новизна работы. Впервые на площадке Балапан Семипалатинского испытательного полигона обнаружен протяженный слой относительного понижения скорости вследствие техногенного воздействия подземных ядерных взрывов. Определены его сейсмические параметры, установлена корреляционная связь его мощности в зависимости от величины ядерного заряда.

Теоретическая и практическая значимость работы. Полученная информация о параметрах техногенных проницаемых структур в верхней части разреза площадки Балапан важна для изучения и прогнозирования процессов миграции грунтово-трещинных вод с возможным переносом радиоактивных загрязнений. Корреляционная связь между величиной заряда и мощностью откольного слоя может использоваться для прогнозирования его распространения на других участках Семипалатинского полигона.

Теоретическая часть исследования, связанная с расчётом параметров областей поствзрывного разрушения горных пород, основана на работах российских и зарубежных геофизиков М.А. Садовского, В.В. Адушкина, A.A. Спивака, Г.Г. Кочаряна, В.Н. Михайлова, Г. Хиггинса, П. Клоссмана и др.

В части, связанной с выбором методики обработки сейсмических данных, использован метод проб и ошибок при двухмерном лучевом трассировании [Zelt and Smith, 1992]. Сейсмотомографические расчеты выполнялись по программе Ю. Рослова и П. Дитмара.

Защищаемые научные результаты:

1. По экспериментальным данным, в применении к решаемой задаче, показаны ограниченные возможности сейсмической томографии, обусловленные необходимостью использовать априорную модель, достаточно близко описывающую кинематику волн в первых вступлениях. Более эффективным методом является прямое лучевое моделирование, при котором каждой выделенной аномалии времен пробега волн ставится в соответствие локализованное в модели среды изменение скорости.

2. Доказано, что в приповерхностной откольной около скважинной зоне, образованной подземным ядерным взрывом, скорость распространения волн понижена на 1.5 - 2.0 км/с и при достаточно плотном расположении скважин формируется протяженный техногенный сейсмический слой с горизонтальными размерами 4 - 5 км и мощностью до 40 - 80м, находящейся в прямой корреляционной зависимости от веса заряда.

испытаний и их последствий" (Боровое, Курчатов, 2006, 2010, 2012), Международный научный конгресс «ГЕО-Сибирь» (Новосибирск, 2012), Всероссийский семинар «Геодинамика. Геомеханика и геофизика» (Денисова Пещера, 2012; Новосибирск, 2013), Международная научно-техническая конференция ОДВЗЯИ (Вена, 2013).

По теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе: 2 статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК; 2 статьи в зарубежных изданиях, входящих в международную базу научного цитирования; 10 статей в казахстанских изданиях.

1 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОБЛЕМЫ И ПРЕДШЕСТВУЮЩИХ

СЕЙСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Характеристика изучаемого участка

Семипалатинский испытательный полигон расположен в Республике Казахстан на территории трех областей (Восточно-Казахстанской, Павлодарской и Карагандинской) и представляет собой сложную конфигурацию с характерными размерами 180 км по длине и 140 км по ширине [Семипалатинский испытательный полигон; Полигоны Семипалатинск...]. Площадь полигона -

18450 км . Представительные географические координаты 50° с.ш., 78° в.д. (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1- Расположение Семипалатинского испытательного полигона на

территории Республики Казахстан.

В границах Семипалатинского испытательного полигона (СИП) размещено 6 боевых площадок, различающихся как по геологическим и рельефным условиям, так и по техническим параметрам подземных ядерных взрывов (ПЯВ).

Сейсмические исследования выполнялись в центральной части площадки Балапан, расположенной в восточной части СИП и занимающей площадь порядка 350 км2 (рисунок 1.2). В топографическом плане территория площадки представлена равнинным типом рельефа со средним перепадом высот не более 10

С точки зрения технических параметров ПЯВ эта площадка отличается тем, что в её пределах проводились испытания в вертикальных скважинах - в течение 25 лет (1965 - 1989 г.г.) было выполнено 112 подземных взрывов [Михайлов и др., 1997] в интервале глубин от 202 до 628 м.

Ситуацию с исходной информацией о мощности (веса заряда) изучаемых подземных ядерных взрывов необходимо рассмотреть отдельно. При подготовке работы автор использовал 2 литературных источника, дающих представление о мощности взрывов на площадке Балапан. Первый источник - книга «Ядерные испытания СССР» [Михайлов и др., 1997]. В ней мощность для скважинных взрывов, за редким исключением, приводится в недетализированном виде с указанием широкого диапазона, в который она попадает: от 0.001 до 20 кт, от 20

до 150 кт, от 150 до 1500 кт и от 1500 до 10000 кт. Согласно этому источнику максимальная мощность подземного ядерного испытания на СИП составляет 165 кт (скв. 1061). Учитывая, что вес заряда напрямую определяет размер областей разрушения вмещающих горных пород, в работе использовалась детальная информация о его значениях, полученная из второго источника - базы данных под управлением АСОД-Прогноз [Виноградов и др., 1987], составленной в рамках выполнения проекта К-056-96 МНТЦ [Моделирование миграции..., 1999]. Точное значение мощности взрыва для указанной базы данных, предположительно, определялось по одному из методов, описанных в [Кедров, 2005]. Согласно второму источнику, вес заряда для взрывов на площадке Балапан изменялся от 3 до 212 кт.

Геологическое описание участка исследований [Коновалов и др., 1996]

Геологическое строение площадки Балапан определяется его положением в юго-западном борту обширного Жарма-Саурского геотектоногена, сформированного в герцинскую эпоху и представленного преимущественно нижне- и среднекаменноугольными отложениями. В северо-восточной части площади исследований прослеживается глубинный Чинрауский разлом, разграничивающий нижнекаменноугольные и среднекаменноугольные отложения. В грабене между северной и южной ветвями этого разлома расположена мезозойская мульда, выполненная юрскими угленосными отложениями (рисунок 1.3).

Каменноугольная система. Нижний отдел. Верхнетурнейский -нижневизейский ярусы. Коконьская свита (C\X.i-v\kk) расположена к югу от Чинрауского разлома. Породы плохо обнажены и практически повсеместно перекрыты глинами неогена. Отложения свиты представлены конгломератами, песчаниками, алевролитами, углистыми алевролитами, туфами среднего и основного состава, туфопесчаниками, кремнистыми сланцами. Мощность до 2300 м. Отмечается интенсивная складчатость с северо-западным простиранием осей складок, падение пластов на крыльях 50-70°.

'Л X

-Л

¡КЛ/

й'

•тучу V \\

чу Ч>

и-и

ООП

V V - «■' — — ^ \ л\ \ \

л\ *

1»4\

■\ ■-I \ ч