Исследования тектонических и тектогенных полей деформаций в верхних слоях литосферы
Исследования тектонических и
тектогенных полей деформаций в верхних слоях литосферы и их связь экологической
ситуацией в регионе.
В.Н. Павлыш, В.В Шамаев (ДонНТУ)
Развитие
экономики горнопромышленных регионов заключается в комплексном развитии
подземной инфраструктуры, с учетом закономерностей взаимосвязи физических
процессов и явлений, протекающих во всех геосферах планеты. Научно
необоснованное планирование подземной инфраструктуры привело к глобальным
негативным последствиям. Возросли затраты на добычу полезных ископаемых,
строительство, защиту и поддержание подземных и поверхностных объектов
различного назначения. Увеличилась интенсивность проявлений таких аномальных
геодинамических явлений (АГДЯ), как сейсмические явления, горные удары, выбросы
горных пород и газов и др. Выделения метана, радона и других газов через
нарушенную толщу массива вызывают нарушение озонового «щита» планеты,
воздействуют на психофизиологическое состояние людей. Перераспределение полей
деформаций влияет на атмосферное электричество, обуславливает изменение
теплового потока и геомагнитного поля, состояние атмосферы и подземных вод и
др.[1-5]. Результатом такой деятельности явилось нарушение экологического
равновесия, появление геопатогенных зон, ухудшение психофизиологического и социального
климата в регионе. Данная статья является продолжением цикла работ по
исследованию генезиса и эволюции геодеформационных полей в верхних слоях
литосферы, играющих важную роль в физических процессах и явлениях, протекающих
на планете
Целью настоящей
работы является исследование тектонических полей деформаций и напряжений с
использованием компьютерных технологий для последующей разработки научных основ
анализа и принятия инженерных, экономических и экологических решений по
развитию инфраструктуры региона. [5].
Проблема
представляет комплекс взаимосвязанных задач, объективное решение которых,
возможно только на основе изучения природы и механизмов взаимодействия
разновозрастных тектонических и техногенных полей деформаций с учетом ресурсных
циклов, влияния полей деформаций на биологические объекты и человека.
Рассматриваемую проблему можно разделить на следующие основные этапы:
разработка
методики по определению параметров разновозрастных тектонических полей
деформаций и программно-аппаратного комплекса для ее реализации;
изучение
природы и эволюции деформационных полей Земли;
изучение
природы и эволюции техногенных деформационных полей, обусловленных проведением
горных работ;
установление
закономерностей взаимодействия разновозрастных тектонических полей деформаций и
напряжений с полями деформаций, обусловленными техногенной деятельностью
исследование
взаимосвязей в системе «горный массив - биологические объекты» с целью
определения приоритета и иерархии основных влияющих факторов;
разработка научных
основ теории анализа и физической модели «единого» начального этапа развития
различных аномальных геодинамических явлений;
построение
феноменологических и физических моделей, описывающих различные механизмы
протекания аномальных геодинамических явлений.
Ранее, были
изучены закономерности развития деформационных полей (преимущественно
техногенного происхождения) в массиве горных пород при отработке месторождений
полезных ископаемых в сложных геотехнических условиях с использованием
традиционных методов [1]. Была выполнена оценка влияния технологии извлечения
полезных ископаемых на состояние геодеформационного поля и деформирование
горных пород для сложных горно-геологических условий Донбасса [2].
Следующим
этапом исследований стало определение параметров разновозрастных тектонических
полей деформаций и напряжений. С этой целью в ДонНТУ разработана и апробирована
в условиях Донецко - Макеевского района кинематическая методика реконструкции
параметров палео- и неотектонических полей деформаций и напряжений [8, 9]
Задача реализована в виде модели нейронных сетей с ограничениями и критериями,
разработанными на основе положений концепции геоде формационных полей
(ГД-полей) и методики реконструкции разновоз растных тектонических полей
деформаций и напряжений. Применение аппарата нейронных сетей обусловлено тем,
что в модели нейронных сетей задача формализуется через задачу распознавания
образов, базирующуюся на алгоритме обратного распространения (back propagation
algorithm (BPA)). Алгоритм BPA в этом случае наиболее эффективен так как
отношения между входом и выходом нелинейны, а количество обучающих данных
весьма велико.
Реализация
предложенной методики с использованием аппарата нейронных сетей позволила
определить схемы траекторий главных осей эллипсоида суммарных деформаций
региона, проанализированы стереограммы разрывов, зеркал скольжения, систем
трещин (joint sets), а также составлены карты полей тектонических деформаций и
напряжений. При наблюдениях в горных выработках среди мелкоамплитудных разрывов
выявлено большое количество областей сдвиговых деформаций т.е. разрывов, у
которых основная подвижка происходила в горизонтальной плоскости. Установлено,
что основная масса АГДЯ (в частности, выбросов) на шахтных полях с интенсивным
проявлением сдвиговой тектоники концентрируется в сдвиговых зонах.
Фундаментальное изучение ГД- полей будет способствовать исследованию природы
аномальных природных и техногенных явлений, разработке новых методов контроля и
прогноза состояния горного массива, защиты природных и инженерных объектов от
аномальных геодинамических явлений.
Таким
образом, использование теории ГД-полей позволяет поновому взглянуть на
деформационные процессы, протекающие в верхних слоях земной коры, объяснить
процесс локализации деформаций, развивающийся одинаково у всех горных пород
независимо от их состава и строения, показать, что он энергетически выгоден, а
высшей стадией развития деформаций является возникновение ротационных вихре-
вых или спиральных эффектов. Теория ГД-полей подтверждает, что для всех
динамических систем с диссипацией энергии (каковыми являются и литосфера, и
атмосфера, и гидросфера), устойчивым состоянием равновесия являются структуры с
фазовыми траекториями в виде семейства логарифмических спиралей или кривых
параболического типа. Это подтверждается возникновением «вихрей» в массиве
горных пород. Таким образом, с точки зрения распространения деформационных волн
в диссипативной среде существование кольцевых и вихревых структур в земной коре
и массиве горных пород, как части земной коры, вполне закономерно. Предложенные
решения проблемы как комплекса взаимосвязанных задач позволят: разработать
научные основы управления региональными экосистемами; создать новые методы
контроля и прогноза состояния полей деформаций; существенно снизить или даже
предотвратить негативные последствия аномальных геодинамических явлений;
улучшить экологическую ситуацию; предотвратить или значительно снизить
последствия техногенных катастроф; сохранить почвенные ресурсы и плодородные
земли, повысить их урожайность; снизить уровень заболеваемости и смертности
среди населения; улучшить психофизиологическую, и социальную обстановку в
регионах
Список литературы
Корчемагин
В.А., Шамаев В.В., Павлов И.О., Сокуренко М.В. Тектонические поля деформаций и
напряжений в развитии подземной инфраструктуры Донецко-Макеевского района. //
Сборник научных трудов Национальной горной академии Украины. - Днепропетровск.
- 1998 - Т.3.- С.158-162.
Шамаев В.В.
Исследование деформационных полей в массиве горных пород при отработке месторождений
полезных ископаемых в сложных геотехнических условиях Центрального района
Донбасса. // Препринт ИПКОН АН СССР. - Москва.- 1988 - 43с.
Шамаев В.В.
Влияние технологии извлечения полезных ископаемых на состояние
геодеформационного поля и деформирование горных пород. // Физика и техника
высоких давлений. Киев, Наукова думка. -1989 - № 32.- С. 57-66.
Шамаев В.В.
Закономерности эволюции расслоений в массиве горных пород обусловленные
геодеформационными полями. // Физика и техника высоких давлений. Киев, Наукова
думка. -1990 - № 33.- С. 58-70.
Шамаев В.В.,
Рязанцев Н.А. О природе формирования деформационных структур в массиве горных
пород и их связи с аномальными геодинамическими явлениями. // Физика и техника
высоких давлений. Киев, Наукова думка. - 1990 - № 34.- С. 46-55.
Шамаев В.В.
Развитие концепции деформационных структур в проблеме контроля и прогноза
состояния массива горных пород. // Физика и техника высо- ких давлений. Киев,
Наукова думка. -1992 - Т. 2 - № 1.- С. 58-69.
Шамаев В.В.
Тенденции развития методов прогноза аномальных геодинамических явлений с
использованием систем компьютерной томографии. // В кн.: Проблемы
нейрокибернетики. - Ростов-на-Дону - 1995 - С.282-283.
Шамаев В.В.,
Корчемагин В.А., Едемская Е.Н. Реконструкция тектонических полей деформаций. //
Физика и техника высоких давлений. Киев, Наукова думка. -1998 - Т. 8 - № 4.- С.
131-136.
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта <http://www.bibliofond.ru>