Влияние взрывов и землетрясений на режим подземных вод

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 проекта 23-27-00469

НазваниеВлияние взрывов и землетрясений на режим подземных вод

Руководитель Горбунова 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

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 слова подземные 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)
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)
10.1134/S1062739123040038

3. Горбунова Э.М., Петухова С.М., Иванов А.Г., Шарафиев З.З., Павлов Д.В., Караваев А.В., Федоров А.Ю. Variations in Temperature and Pressure in the "Reservoir-Well" System Triggered by Blasting Recovery of Iron Ore at the Kursk Magnetic Anomaly Water (Switzerland), 16, 2682, p. 1-17 (год публикации - 2024)
10.3390/w16182682

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024 г. выполнен анализ изменений физических, физико-механических и фильтрационных параметров геологической среды на тестовых участках до и после высокоинтенсивного сейсмического воздействия. К основным объектам исследований отнесены участки, расположенные в зонах проведения подземных взрывов и динамического влияния землетрясений. По результатам актуализации фондовых геолого-геофизических данных на одном из объектов Семипалатинского полигона отмечено неравномерное смещение структурной границы, приуроченной к границе раздела между выветрелыми и относительно монолитными породами палеозойского фундамента. Основные изменения скоростей и глубины залегания структурной границы, определенные по профилям и в скважинах, приурочены к разломам и техногенно-нарушенным зонам. По результатам гидрогеологического опробования скважин и расходометрии максимальные изменения водопроводимости пород прослежены в верхней части разреза и вблизи границы выклинивания относительного водоупора. По опубликованным данным в скважинах, пробуренных после проведения подземных взрывов на полигоне Аляска, установлено изменение фильтрационных свойств пород, в водонепроницаемом слое выделены слабоводопроницаемые интервалы. Данные регистрации гидрогеологических откликов на прохождение сейсмических волн от землетрясений использованы при анализе зависимости проницаемости, рассчитанной по фазовому сдвигу на основе приливного анализа, от эпицентрального расстояния, скорости колебаний грунта и литологического состава водовмещающих пород. По результатам наблюдений за режимом подземных вод на полигоне «Губкин», расположенном в промышленном регионе, в пределах шахтного поля Коробковского железорудного месторождения КМА, установлена взаимосвязь между изменением водопроводимости разновозрастных горизонтов и гидростатическим напором в 2022-2024 гг. Уменьшение водопроводимости нижнего водоносного комплекса, развитого в метаморфизованных сланцах, от 3.8 до 0.8 (м^2)/сут может быть связано с интенсификацией разработки камер нижнего горизонта шахтного поля в конце 2023 г. - начале 2024 г. Основные закономерности изменений гидрогеодинамической обстановки рассмотрены на разных масштабных уровнях. На макроуровне в эпицентральной зоне подземных взрывов и землетрясений прослежено подобие гидрогеологических эффектов в условиях статического (необратимого) деформирования флюидонасыщенных коллекторов. Отмечено изменение основных параметров подземного потока – скорости, уклонов, гидравлической взаимосвязи между водоносными горизонтами. На мезоуровне, соответствующем изменению гидрогеодинамической обстановки в промежуточной переходной зоне, выделяются интервалы, в пределах которых градиенты изменений уровней подземных вод превышают фоновые вариации. В частности, на полигоне «Губкин» установлены интервалы с техногенно-нарушенным режимом подземных вод. На микроуровне к индикаторам динамического деформирования водонасыщенных пород при прохождении сейсмических волн от взрывов и землетрясений относятся косейсмические и постсейсмические вариации уровня, температуры водоносных горизонтов и порового давления в системах «пласт-скважина» и «пласт-выработка». При проведении промышленных взрывов в карьере впервые зарегистрированы косейсмические изменения температуры водоносного горизонта, развитого в песчаных отложениях, синхронные с вариациями порового давления в системе «пласт-скважина». Кратковременные изменения температуры воды в системе «пласт-скважина» могут быть объяснены скин-эффектом – локальными вариациями проницаемости в околоскважинном пространстве. Научно-методический подход к анализу изменений гидрогеологической ситуации при взрывах и землетрясениях соотносится с поэтапным решением поставленных задач. Первый этап заключается в детальном анализе геолого-структурных и гидрогеологических условий объекта исследований на основе анализа фондовых, опубликованных и экспериментальных данных. На втором этапе проводится комплексный мониторинг в пределах выбранного участка. Основная цель натурных измерений - анализ вариаций фильтрационных свойств водонасыщенного коллектора по данным приливного анализа под влиянием квазистационарных и эпизодических факторов. Вариации температуры водоносного горизонта могут рассматриваться в качестве дополнительного индикатора пороупругой реакции коллектора на прохождение сейсмических волн. На третьем этапе выполняется обработка сформированного массива данных с использованием современных программных пакетов - геоинформационных систем (QGIS 3.34, Surfer 19.1, Voxler 4). При построении 2D- и 3D-моделей тестового участка учитываются геологическое строение и изменения гидрогеологической ситуации. Основное внимание уделяется выделению потенциально опасных зон, в пределах которых возможна активизация природно-техногенных процессов. Предложенный научно-методический подход к анализу гидрогеологической ситуации может быть использован при прогнозной оценке последствий разработки месторождений твердых полезных ископаемых.

Публикации