Выявление зон геодинамического риска при освоении промышленных территорий Западной Сибири

В настоящее время одним из перспективных научных направлений региональных геологических исследований при освоении промышленных территорий является инженерная линеаментология [1, 2], изучающая роль линеаментов в структуре и напряженном состоянии блоков верхней части земной коры, а также их значение в периоды формирования и активизации, современных инженерно-геологических процессов.

Установлено, что линеаменты и их системы в рельефе дневной поверхности, отражая многовековую работу эндогенных и экзогенных процессов, создают сложный интегральный рисунок единого геодинамиче-ского каркаса литосферы Земли. Это, скорее всего, многосферный геоструктурный каркас: ядро-мантия -литосфера (поверхность Мохо- фундамент-чехол-дневная поверхность) -гидро- и атмосфера, выраженный в материальной форме. Одновременно он своей энергетической составляющей четко контролирует и структурную организацию земной коры геологического прошлого, и особенности ее геодинамики в настоящем, и эволюцию структурных элементов в будущем, управляя развитием как эндогенными процессами (сейсмичность, вулканизм), так и экзогенными явлениями (эрозия, оползни, подтопление) [2, 3].

Эволюция во времени такого структурного каркаса постоянно оказывает влияние на уровни геодинами-ческой активности, и в разрезе земной коры, и в плане, сопровождая свои действия в геологической среде следами тектонических нарушений и различными эрозионными формами от прошлых эпох до настоящего времени. Однако при практическом использовании линеаментного метода для выявления на картографическом материале форм и следов разных уровней гео-динамической активности на рельефе по геоморфологическим данным задача весьма трудная. И даже накопленный исследовательский опыт результатов линеаментного анализа не всегда позволяет перейти от научных разработок к простому производственному режиму, где требуются количественные данные для проектирования промышленных объектов и желательно вне зон геодинамического риска.

Обобщенная трактовка понятия зон геодинамиче-ского риска в методических рекомендациях ВНИМИ 2001 г. [4] приводится как понятие о «… геодинамиче-ских потенциально опасных зонах…», к которым относятся активные разломы, установленные на основании анализа имеющихся геолого-геофизических данных, зафиксированные инструментальными методами. Такие потенциально опасные зоны или «...зоны риска, в которых протекают процессы, обусловленные аномальным, напряженно-деформированным состоянием недр, и в пределах которых повышается вероятность возникновения экологических рисков...», авторы рекомендаций предлагают предварительно определять, используя результаты анализа картографических материалов и геолого-геофизических данных, включая инженерно-геологические изыскания.

В принципе, такая точка зрения понятна и логична, но в излагаемой трактовке есть некоторые допущения. Например, полное утверждение о наличие активных разломов и о напряженно-деформированном состояния недр, без конкретных параметрических подтверждений. Однако, чаще всего, основной объем геологических структур, находятся в природном напряженном равновесии, и только их краевые части испытывают динамические напряжения и деформации от действия эндогенных или экзогенных сил, включая техногенез, как ветвь антропогенеза [5]. К тому же "чистых" территорий с геологическими структурами природного напряженного равновесия становится все меньше и меньше. Причиной тому постоянный рост техногенного вмешательства в природные комплексы на региональном и даже глобальном уровне.

Такой факт требует нового подхода и новой классификации в оценке геодинамического состояния недр. Когда грунты верхней части геологических структур, не только в краевых частях, но и внутри блоков под усиленным воздействием техногенеза теряют устойчивое равновесие и характеризуются параметрами динамического напряжения и деформаций, то такое состояние недр надо считать природно-техногенным. А далее, при подавляющем изменении структурных связей и остатками величин несущих свойств пород, становится техногенно-природным [6]. Поэтому нами для обсуждения предлагается следующая трактовка, учитывающая в динамике природных и совмещенных процессов и напряженное состояние недр, и деформацию, и степень влияния антропогенеза.

Зоны геодинамического риска - это участки земной поверхности, характеризующиеся показателями активно протекающих физико-геологических процессов, обусловленных аномальным, динамически напряженным состоянием недр, в пределах которых повышена вероятность возникновения природно - техногенных и экологических рисков от сочетания неблагоприятных природных факторов и антропогенеза.

В практике промышленного освоения территорий такие участки должны характеризоваться специальными видами карт, под названием - карты геодинамиче-ского районирования с отражением разломно - блочного строения территории и зонами геодинамического риска. В процессе постоянного ротационного, эндогенного, и экзогенного взаимодействия формируется современный облик земной поверхности, в котором в большей степени отражается эндогенная составляющая, слагающая, как правило, участки повышенного геодинамического риска. Но выделить эндогенную составляющую на основании материалов, полученных простыми, относительно не дорогими, геолого - геофизическими методами не всегда удается. Для этих целей необходимы сочетания, как сложных трудоёмких геологических методов, так и простых. Выход был найден при взаимной увязке информации дистанционных аэрокосмических методов с традиционными геолого-геофизическими (данными) материалами. Существующий комплекс аэрокосмических методов позво- ляет получать сведения о различных свойствах ландшафтов, несущих информацию о современной и о палеогеодинамике исследуемых регионов. Наложение геолого-геофизических данных и аэрокосмической информации на картографический материал позволяет достаточно быстро и надежно отвечать на многие вопросы геодинамического характера [7]. Такое сочетание методов для задач нефтегазовой и инженерной геологии предлагаем назвать – метод инженерного комплексирования.

Он хорошо себя зарекомендовал при картировании равнинных и возвышенных территорий различного тектонического плана. На примерах Самотлорского нефтяного месторождения и южной части Губкинского газового месторождения рассмотрим порядок работ по построению структурно-тектонической модели массива пород платформенного чехла с элементами геодинамики для вышеназванных задач.

Построение такой модели изучаемой равнинной территории Западной Сибири выполняется в три этапа.

Первый – промежуточный этап – включает специальные аэрокосмические исследования по методикам, изложенным в работах [8, 9], которые требуют следующее:

• –    изучения планов и аэрокосмических снимков для предварительного дешифрирования территории данного района;

• –    анализа топографических и геоморфологических карт масштабов 1:100 000; 1: 50 000; 1:25 000;

• –    подбора и анализа структурных карт по отражающим горизонтам, начиная с поверхности фундамента;

• –    подбора и анализа сейсмических (временных) разрезов по профилям для дешифрирования дизъюнктивных нарушений и последующих интегральных задач.

Результирующим материалом исследований промежуточного этапа является схема линеаментов в масштабе работ (чаще всего применяется масштаб 1:25 000) с элементами морфологии и гидросети. На схеме выделяются системы линеаментов, которые на местности соответствуют прямолинейным участкам геоморфологических единиц различных порядков. Эти участки обусловлены действием тектоники на рельеф.

Второй этап, основной, графо-аналитический. Он включает операции анализа и комплексирования, выявленных систем линеаментов. При анализе полученные линеаментные системы генерализуются с целью определения их направленности и иерархии. Далее системные построения комплексируются с геофизическими материалами с задачей определения точности и соответствия геологических и тектонических проявлений с глубин на дневную поверхность. В случае совпадения участия этих проявлений с тектоникой глубинных горизонтов им придается ранг разломов. Нахождение следов разломов на дневной поверхности и фиксация их в виде генерализованных систем линеаментов на картографическом материале всегда отвечают контурным границам блоков, горные породы которых, как правило, находятся в динамически напряженном состоянии. Поэтому они названы нами динамически напряженными зонами (ДНЗ), а их пересечения – узлами ДНЗ. Последние представляют собой субвертикальные зоны деструкций горных пород.

Практикой установлено, что в пределах границ ДНЗ величины разнонаправленных вертикальных подвижек достигают + (-) 100 мм в год, а горизонтальные движения до 20–25 мм/км в год (Самотлорский полигон, Губкинский, Тарасовский, Ново-Уренгойский и др.). Такие величины подвижек способны негативно влиять не только на технологический ритм эксплуатации многих объектов и систем, но и приводить их к различным разрушениям.

Поэтому, исходя их объемов добытой нефти (более 3 млрд. м3), закаченного рабочего агента (до 10 млрд. м3) и количества (до 10 шт. на км2) пробуренных скважин глубиной 2–3 км, структурное состояние недр Самотлорского месторождения в настоящее время надо отнести к техногенно-природному.

Третий этап – заключительный. Он включает работы по созданию: 1) карт геодинамического районирования изучаемой территории; 2) карт или планов зон геодинамического риска. Проработка проектировщиками таких карт позволит располагать объекты промышленного и социального назначения на безопасных территориях относительно воздействий геодинамиче-ского фактора.

Примером несерьёзного отношения к учету сил взаимодействия техногенного и геодинамического факторов при проектировании и строительстве производственных объектов могут служить последствия негативного характера (трещины в фундаментах, в стеновых панелях, искривления и разрывы конструкций), постоянно проявляющиеся в пределах зон геодинамического риска на территории Нижневартовского района.

В связи с этим, карты геодинамического районирования или планы зон геодинамического риска просто необходимы на стадиях проектирования, строительства и начальной эксплуатации объектов топливно-энергетического и социально-бытового комплексов на ныне осваиваемых территориях.