КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 23-27-00469
НазваниеВлияние взрывов и землетрясений на режим подземных вод
РуководительГорбунова Элла Михайловна, Доктор геолого-минералогических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт динамики геосфер имени академика М.А. Садовского Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2024 г. |
Конкурс№78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-115 - Гидрогеология
Ключевые словаподземные воды, массив горных пород, крупномасштабные и промышленные взрывы, удаленные землетрясения, природная и природно-техногенная геосистемы, физико-механические свойства пород, фильтрационные параметры, депрессионная воронка, снижение и восстановление уровня, направление и уклон подземного потока, изменение гидрогеологической ситуации, негативные последствия
Код ГРНТИ38.61.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
В рамках проекта планируется исследование взаимосвязи между изменением физических, физико-механических и фильтрационных параметров геологической среды и гидрогеодинамической обстановкой под влиянием техногенных факторов (взрывы) и природных (землетрясения). Вариации уровня подземных вод, превышающие фоновые значения, рассматриваются в качестве индикатора изменения деформационных, прочностных и динамических свойств массива горных пород. Нарушение гидравлических связей между разновозрастными водоносными горизонтами может приводить к изменениям гидрогеологической ситуации, химического состава подземных вод, активизации природно-техногенных процессов, осложнениям технологического цикла эксплуатации месторождений полезных ископаемых и другим. Необходимость количественной и качественной оценки негативных последствий нарушения гидрогеодинамической обстановкой под влиянием взрывов и землетрясений определяет актуальность решения обозначенной проблемы.
Объекты исследований – участки земной коры, расположенные в зонах проведения крупномасштабных взрывов (на территории Семипалатинского испытательного полигона, массовых взрывов (в пределах разрабатываемых железорудных месторождений Курской магнитной аномалии) и динамического влияния землетрясений. Для реализации проекта предлагается использование следующих подходов, включающих:
- сбор и систематизацию опубликованных данных по постсейсмическим гидрогеологическим эффектам, связанным с взрывами и землетрясениями;
- актуализацию имеющегося фондового материала по условиям формирования техногенно-нарушенного режима подземных вод при проведении крупномасштабных взрывов на площадках испытательного полигона;
- анализ экспериментальных данных, полученных по результатам высокоточного мониторинга, проводимого на территории разрабатываемых железорудных месторождений КМА с использованием взрывных технологий, направленный на анализ изменения гидрогеологической ситуации.
Научная новизна исследований, планируемых к проведению членами коллектива, заключается в разработке научно-методического подхода к анализу изменений основных параметров геологической среды, связанных с проведением взрывов и влиянием землетрясений. Проект направлен на развитие новой научной тематики, которая состоит в исследовании основных закономерностей нарушения гидрогеодинамической обстановки, обусловленной изменением состояния областей питания, транзита и разгрузки подземных вод под влиянием взрывов и землетрясений.
Достижимость решения поставленной задачи обеспечена значительным объемом геолого-геофизического и гидрогеологического материала, сформированными базами данных по регистрации реакции подземных вод на взрывы и землетрясения. Предусматривается сравнительный анализ систематизированного опубликованного материала с имеющимися фондовыми и экспериментально полученными данными по условиям формирования техногенно-нарушенного режима подземных вод. Высокая изученность и детальность выполненных работ предопределяет возможность построения 3D модели геологического строения выбранного участка, совмещенной с результатами геолого-геофизических и гидрогеологических исследований. Подобный подход обеспечит эффективную схематизацию фильтрационной структуры массива горных пород и позволит выделить области максимального дренирования (осушения) пород, которые могут быть соотнесены с потенциально неустойчивыми зонами. Комплексный подход к обработке опубликованных материалов по изменению режима подземных вод после взрывов и землетрясений и имеющихся экспериментальных данных, полученных с участием всех членов коллектива, обеспечит успешное выполнение поставленных задач.
Ожидаемые результаты
В рамках выполнения проекта планируется провести ревизию опубликованного, фондового и экспериментального материала по регистрации нарушений гидрогеодинамической обстановки при взрывах и землетрясениях и получить следующие результаты:
- будут определены интервалы вариаций уровней подземных вод, связанные, возможно, с локальным проявлением скин-эффекта в околоскважинном пространстве и формированием зон наведенной трещиноватости в техногенно-нарушенных условиях при проведении массовых взрывов на полигоне «Губкин»;
- будут установлены основные закономерности дестабилизации гидрогеодинамической обстановки, которые могут проявиться на разных масштабных уровнях после взрывов и землетрясений в области статического и динамического деформирования флюидонасыщенных коллекторов;
- будет разработан научно-методический подход к анализу взаимосвязи между изменением физических, физико-механических и фильтрационных параметров геологической среды и гидрогеодинамической обстановкой под влиянием взрывов и землетрясений.
Полученные результаты исследований изменений гидрогеологической ситуации будут нацелены на оценку возможных негативных последствий, связанных с интенсификацией антропогенной нагрузки на геологическую среду, включая активизацию природно-техногенных процессов (в т.ч. карстово-суффозионных, обвально-осыпных). Практическая значимость работ заключается в анализе изменений условий формирования естественных ресурсов водоносных горизонтов и комплексов, который востребован при проведении различных видов горно-проходческих работ и для обеспечения сохранности качества естественных запасов подземных вод.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
По результатам выполненного обзора опубликованных данных за длительный период стандартных и прецизионных наблюдений за вариациями уровня подземных вод в скважинах и водопритоками в горные выработки зарегистрированы различные типы гидрогеологических откликов на прохождение сейсмических волн от землетрясений, крупномасштабных и промышленных взрывов. Интенсивность и амплитуда гидрогеологических эффектов зависят от параметров сейсмического воздействия, эпицентрального и приведенного расстояний, литолого-фациального состава водовмещающих пород, наличия гидравлической взаимосвязи между разновозрастными горизонтами и других факторов.
Реакция подземных вод на сейсмическое воздействие рассматривается в качестве индикатора режима деформирования водонасыщенного коллектора. Скачкообразное или постепенное изменение уровня подземных вод различной продолжительности отмечено в области статического (необратимого) деформирования флюидонасыщенных коллекторов. Косейсмические и постсейсмические вариации порового давления, осложненные осцилляцией, прослежены в области динамического и квазиобратимого деформирования массива горных пород.
По данным обобщения и систематизации массива данных, полученного на Семипалатинском полигоне, были рассмотрены только те участки, в пределах которых в одних и тех же пунктах наблюдений зарегистрировано изменение гидрогеодинамической обстановки при повторном сейсмическом воздействии. Водоносные горизонты формируют единую гидрогеологическую систему, которая характеризуется устойчивой гидравлической взаимосвязью, проявляющейся в вариациях водопритоков трещинно-жильных вод в зонах разломов и уровенной поверхности трещинно-пластовых вод, развитых вдоль склонов и на равнине.
Формирование техногенно-нарушенного режима подземных вод зависит как от параметров взрыва, так и от геолого-структурных и гидрогеологических условий участка. Продолжительность развития депрессионных воронок связана с процессами дренирования водоносных горизонтов за счет постепенного заполнения зон наведенной трещиноватости и подновления существующей и варьирует в широких пределах – от нескольких часов, дней, месяцев до года. Постепенное восстановление уровенной поверхности подземных вод происходит за счет привлечения естественных ресурсов.
При анализе локальных изменений гидрогеологических условий в процессе разработки Коробковского и Лебединского железорудных месторождений Курской магнитной аномалии также выделены косейсмические и постсейсмические гидрогеологические эффекты, которые различаются по механизмам формирования. Косейсмические вариации обусловлены пороуругим деформированием водонасыщенного коллектора при сейсмическом воздействии взрыва на систему «пласт-скважина». Постсейсмические эффекты в виде плавного или скачкообразного снижения уровня архей-протерозойского водоносного комплекса после проведения массового взрыва могут быть обусловлены двумя механизмами – скин-эффектом (изменение проницаемости в околоскважинном пространстве) и необратимым статическим деформированием техногенно ослабленных зон рудно-кристаллического массива.
Проведение взрывов в камере или блоке определяет условия формирования зон наведенной трещиноватости. В случае сложной фильтрационной структуры образуются зоны водопроводящих трещин, которые могут быть приурочены не только к околоскважинному пространству, но и к границам раздела выветрелых и относительно монолитных пород, литолого-стратиграфическим контактам и к зонам разломов.
На основе анализа опубликованных, фондовых и экспериментальных данных по вариациям уровня подземных вод, зарегистрированным после взрывов и землетрясений:
- проведена систематизация собранных материалов по условиям формирования техногенно-нарушенного режима подземных вод;
- определены основные параметры косейсмических и постсейсмических эффектов;
- прослежена зависимость реакции систем «пласт-выработка» и «пласт-скважина» от приведенного расстояния;
- установлено подобие постсейсмических гидрогеологических эффектов, отмеченных на макроуровне (при крупномасштабных взрывах), мезоуровне (связанных с прохождением сейсмических волн от землетрясений) и микроуровне (в процессе разработки железорудных месторождений с использованием взрывных технологий).
Публикации
1. Горбунова Э.М., Беседина А.Н., Петухова С.М., Павлов Д.В. Reaction of the Underground Water to Seismic Impact from Industrial Explosions Water, 15, 1358 (Water, , Vol. 15, № 7, 1358) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/w15071358
2. Горбунова Э.М., Петухова С.М., Иванов А.Г. Seismic and Hydrogeological Monitoring of Large-Scale Blast Parameters: A Case-Study of Lebedinsky Open Pit Mine, Kursk Magnetic Anomaly Journal of Mining Science, 59, 4, 548-559 (Journal of Mining Science, 2023, Vol. 59, No. 4, pp. 548-559) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1062739123040038