авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |

Методика и результаты гравиметрических исследований для обнаружения эпицентральной зоны подземного ядерного взрыва

-- [ Страница 1 ] --
На правах рукописи

Гвоздарев Юрий Константинович

МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ

ГРАВИМЕТРИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЭПИЦЕНТРАЛЬНОЙ ЗОНЫ
ПОДЗЕМНОГО ЯДЕРНОГО ВЗРЫВА

Специальность 25.00.10 -
«Геофизика, геофизические методы поисков полезных ископаемых»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата геолого-минералогических наук

Екатеринбург – 2008

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии "РОССИЙСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ ЯДЕРНЫЙ ЦЕНТР - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" Государственной корпорации по атомной энергии "Росатом" и в ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет».

Научный руководитель - доктор геолого-минералогических наук,

профессор, заслуженный геолог РФ

Филатов Владимир Викторович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Костицын Владимир Ильич, кандидат геолого-минералогических наук Сомов Владислав Федорович

Ведущая организация - ОАО «Челябинскгеосъемка»

Защита диссертации состоится «26» декабря 2008 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.280.01 при ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет» по адресу:

620144, г. Екатеринбург, ул. Куйбышева, 30, 3-й учебный корпус, ауд. 3326.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУ ВПО «Уральский государственный горный университет»

Автореферат разослан «_____»_________________2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета А.Б. Макаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В настоящее время мировым сообществом ведется работа по подготовке к вступлению в силу Договора о всеобъемлющем запрещении ядерных испытаний (ДВЗЯИ). Для того чтобы определить, действительно ли в нарушение ДВЗЯИ был произведен подземный ядерный взрыв (ПЯВ), организацией ДВЗЯИ должна проводиться международная инспекция на месте (ИНМ). В ходе ИНМ, в рамках технологий, оговоренных в Протоколе к ДВЗЯИ, могут применяться визуальные наблюдения, многоспектральная съемка, радионуклидные методы, методы газового анализа и геофизические методы.

Одной из технологий ИНМ, согласно Протоколу к ДВЗЯИ, является "Картирование гравитационного поля методом наземной гравиметрической съемки для обнаружения и локализации эпицентральной зоны подземного ядерного взрыва" (ТГМ). Гравиметрия была включена в список технологий ИНМ благодаря исследованиям, проведенным в СССР.

ТГМ практически не отличается от обычной методики гравиметрических наблюдений, используемой для решения геологических задач, но ее применение оказалось недостаточно эффективным для локализации места проведения ПЯВ при малой мощности заряда, заложенного на большой глубине. Ситуация с усовершенствованием ТГМ осложнилась тем, что для проверки теоретических гипотез возникновения аномалий силы тяжести в результате воздействия ПЯВ в разных геологических средах оказалось явно недостаточно экспериментальных материалов, а с момента объявления СССР в 1990 году моратория на проведение ядерных испытаний получение результатов экспериментальных наблюдений поля силы тяжести на недавно проведенных ПЯВ стало невозможным.

Направление и методы исследований. Объект исследования – плотностные неоднородности горной породы, образующиеся в результате воздействия ПЯВ. Предметом исследования являются методики, входящие в состав ТГМ.

Цель работы – усовершенствование ТГМ для обнаружения места проведения ПЯВ при заложении заряда малой мощности на большой глубине.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

  1. модернизирована стандартная методика полевых гравиметрических наблюдений и обработки полученных данных (ГМ);
  2. разработана методика для измерений вертикального градиента силы тяжести (ГГМ);
  3. разработано программное обеспечение, позволяющее оперативно в полевых условиях, производить полную обработку гравиметрических наблюдений по всем методикам, входящим в состав ТГМ;
  4. создана петроплотностная модель очага ПЯВ.

Были проведены следующие исследования:

  • разработка методики гравиметрических наблюдений на двух уровнях, используемых для вычисления вертикальных градиентов силы тяжести;
  • разработка новых алгоритмов обработки гравиметрических наблюдений, основанных на математической статистике;
  • разработка новой методики обработки обычных гравиметрических наблюдений (КГГМ);
  • разработка программного обеспечения, дающего возможность выполнять полную обработку результатов наблюдений в полевых условиях;
  • отработка методик гравиметрических наблюдений и обработка полученных данных в полевых условиях.

Информационную базу для исследования составили результаты полевых наблюдений автора.

На защиту выносятся следующие положения:

  1. Петроплотностное моделирование очага ПЯВ позволило сделать вывод о возможности использования гравиметрической съемки для картирования эпицентральной зоны ПЯВ.
  2. Наиболее информативной количественной характеристикой поля силы тяжести является вертикальный градиент силы тяжести, по величине которого можно оценить среднюю относительную плотность приповерхностного слоя горной породы.
  3. При вычислении аномальных значений наблюденного поля силы тяжести и относительной плотности промежуточного слоя горной породы необходим учет аномальных вертикальных градиентов силы тяжести.

Научная новизна выполненной работы заключается в следующем:

  1. Значения выделяемых аномальных полей силы тяжести и относительной плотности исследуемого горного массива по методике КГГМ, являются разностью результатов обработки наблюденного поля силы тяжести и поля силы притяжения модели, вычисляемых по одному и тому же алгоритму и с одинаковыми входными параметрами.
  2. Имеется возможность, используя методику КГГМ, выявлять общие закономерности и характерные особенности распределения плотностных неоднородностей горного массива.
  3. Предложены критерии выбора значений входных параметров для вычисления аномальных значений на основе анализа коэффициентов парной корреляции результатов расчетов аномальных значений и их комбинаций с исходными данными, позволяющие целенаправленно выявлять характерные особенности распределения плотностных неоднородностей горного массива.

Практическая значимость. Использование разработанных методик позволит создать действенный механизм контроля над возможными нарушениями ДВЗЯИ. Кроме того, методика КГГМ может быть использована для поиска полезных ископаемых, в инженерной геофизике – везде, где требуется детальное картирование аномалий поля сил тяжести и плотности приповерхностного слоя горного массива.

Достоверность и обоснованность. Научные положения, выводы и рекомендации, сформулированные в диссертации, подтверждены экспериментальными данными, полученными на реальных объектах.

Личный вклад автора. Основные результаты диссертационной работы получены непосредственно автором.

Апробация работы и публикации. Материалы, положенные в основу работы докладывались на международных семинарах им. Д.Г. Успенского на 26-й и 29-й сессиях (Екатеринбург, 1999, 2002), на Третьей международной конференции «Мониторинг ядерных испытаний и их последствий» (Республика Казахстан, п. Боровое, 09-13 августа 2004 года). По теме диссертационной работы опубликовано шесть печатных работ, в том числе одна статья в журнале, рекомендованном ВАК РФ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и трех приложений; содержит 177 страниц текста, 207 иллюстраций, 15 таблиц, список литературы из 27 наименований.

Благодарности. Автор благодарен своему научному руководителю
д.г.-м.н., проф. В.В. Филатову, старшему коллеге по разработке технологий ИНМ В.Г. Антошеву и к.т.н. начальнику отдела Ю.А. Сахарову, без творческого участия которых успешное завершение данной работы было бы невозможным. Также автор хотел бы выразить признательность физикам-теоретикам В.В. Легонькову и А.В. Дубине, принимавшим участие в экспериментальных работах и помогавшим автору в математических изысканиях. Автор благодарен Н.Н. Беляшовой – директору ИГИ НЯЦ РК и всем сотрудникам института, оказавшим помощь в проведении полевых экспериментальных работ, за гостеприимство и активное, творческое участие в отработке методик ТГМ.

  1. Физическая модель воздействия ПЯВ на горные породы

Характерной особенностью ПЯВ является его высокая, по сравнению с химическим взрывом, концентрация энергии и очень короткое время ее выделения – от 10 до 100 нс. При передаче энергии ПЯВ горной породе выделяют две последовательные стадии развития ПЯВ – радиационно-газодинамическую и упругопластическую.

На радиационно-газодинамической стадии в начальные моменты развития ПЯВ процесс передачи энергии от заряда внешней среде определяет в основном рентгеновское излучение, которое составляет примерно 90 % от общей энергии взрыва. Энергия излучения со временем трансформируется во внутреннюю и кинетическую энергию окружающей среды. При ПЯВ испаренная горная порода играет роль продуктов взрыва химического взрывчатого вещества. Фазовые переходы и характерная для твердой среды связь между напряженным и деформированным состояниями приводят к тому, что ударный фронт распадается, и ударная волна вырождается в волну сжатия с непрерывным распределением параметров – наступает упругопластическая стадия взрыва.

При камуфлетном взрыве разрушение породы не достигает дневной поверхности, механическое действие камуфлетного взрыва проявляется в виде образования полости взрыва. Для большинства видов горной породы (за исключением соли и глины) происходит обрушение кровли полости и заполнение ее обломками породы.

 Рис. 1. Схема зон разрушений после воздействия ПЯВ на горные породы На рис. 1 показана-1

Рис. 1. Схема зон разрушений после воздействия ПЯВ на горные породы

На рис. 1 показана схема зон разрушений в результате воздействия ПЯВ на горные породы. В зависимости от нагрузки горная порода подвергается различным формам разрушения. В скальной горной породе образуются зоны дробления, интенсивной трещиноватости и подновления естественных трещин, она разуплотняется. При взрыве в пластичной пористой породе выделяют зону разрушения и зону остаточных деформаций. Пластичная порода может уплотняться за счет уменьшения пористости и выдавливания поровой воды. В полускальной горной породе может наблюдаться нарушение скелета, что также может приводить к уплотнению породы.

При ПЯВ за счет отраженной волны в приповерхностной зоне горного массива возникают растягивающие напряжения, происходит множественный отрыв слоев от основного массива параллельно дневной поверхности и их движение.

Из анализа физических процессов, происходящих в горных породах при воздействии ПЯВ, можно сделать вывод, что происходит изменение всех физических свойств этих пород, которое проявляются в физических полях: магнитном, гравитационном и сейсмическом. Результаты анализа физических полей могут быть использованы для картирования эпицентральной зоны ПЯВ, в работах Каплана Ю.В. и Сагарадзе Д.А. показано, как эта задача решается при анализе сейсмического и магнитного полей.

При воздействии ПЯВ наиболее существенно изменяется плотность среды, эти изменения являются долговременными, они устойчиво проявляются в аномалиях поля силы тяжести, что является одной из важнейших физических предпосылок для картирования и локализации эпицентральной зоны ПЯВ.

  1. Петроплотностная и математическая модели зон разрушения однородного массива

Параметры механического воздействия ПЯВ на горную породу за исключением самой ближней зоны (до 0,3 м/кт1/3) слабо зависят от специфики ядерного взрыва, что позволяет широко использовать результаты исследований взрыва химического заряда. Развитие процессов при мощных взрывах происходит с соблюдением условия подобия – все пространственные (радиус полости, радиусы зон разрушения горной породы и т.п.) и временные (время образования полости и т.п.) характеристики взрыва меняются пропорционально энерговыделению Q1/3. Особую роль при подземном взрыве приобретает рассмотрение процесса формирования полости. Размер зон разрушения относительно радиуса полости приведен в таблице 1.

Таблица 1. Размер зон разрушения камуфлетным ядерным взрывом

Порода Зоны разрушения Радиус зоны
Скальная порода Зона дробления (1,5–2,5)Rпв
Зона интенсивной трещиноватости (3–5)Rпв
Зона подновления естественных трещин (5–7)Rпв
Мягкий грунт Зона смятия (дробление твердых зерен, потеря сцепления, трещинообразование) ~ 3Rпв
Зона остаточных деформаций ~ 5Rпв

Примечание. Rпв – радиус полости взрыва.

В разработанной математической модели зоны разрушения и деформации горной породы представлены в виде концентрических сферических слоев вокруг гипоцентра ПЯВ, при этом плотности пород в пределах одной зоны изменяются линейно. Зона откола приповерхностных слоев в эпицентре ПЯВ представлена в виде линзы с плотностью, меняющейся пропорционально расчетному изменению высоты дневной поверхности.

После расчета размеров зон разрушения, количества слоев и блоков в каждом слое, масс блоков и их координат вычисляются силы притяжения на поверхности модели однородного массива, подвергшегося воздействию ПЯВ, по известным в гравиразведке формулам. Ввиду того, что расчет зон разрушения носит только иллюстративный характер и к самой методике КГГМ отношения не имеет, формулы расчета зон разрушения горного массива в автореферате не приводятся.

Из результатов решения прямой задачи для модели очага ПЯВ при широком диапазоне изменения параметров следует, что значения аномалий силы тяжести не превышают первых десятых долей мГал. Этот результат подтверждается материалами непосредственных гравиметрических измерений. В 1999 и 2000 годах для отработки технологий ИНМ были проведены экспериментальные исследования на двух ПЯВ. Мощность обоих взрывов была равна 2,3 кт, с момента проведения обоих ПЯВ до начала исследований прошло более двадцати лет. Для технологии ТГМ была поставлена задача – средствами гравиметрии подтвердить известное расположение эпицентра ПЯВ. Измерения производились гравиметром "Autograv" CG-3M. Ввиду того, что мощность ПЯВ относительно мала, а глубины заложения зарядов велики, получение контрастных аномалий поля сил тяжести не ожидалось.

На основании сопоставления результатов вычисления поля силы тяжести моделей очага ПЯВ и измерений следует, что разработанная нами петроплотностная модель ПЯВ отражает основные свойства реального очага ПЯВ.

  1. Технология картирования гравитационного поля для обнаружения

и локализации эпицентральной зоны подземного ядерного взрыва

Технология ТГМ, применяющаяся на завершающих этапах проведения полевых наблюдений ИНМ, оказалась недостаточно эффективной при локализации места проведения ПЯВ малой мощности с заложением заряда на большой глубине. Для целей ИНМ предложено использование автоматизированного прецизионного гравиметра "Autograv" CG-3M, позволившее модернизировать стандартную методику и разработать новые методики гравиметрических наблюдений и обработки результатов обычных гравиметрических наблюдений, которые автор предлагает ввести в состав ТГМ.

В разделах данной работы, описывающих модернизированную и вновь разработанные методики, приведены результаты обработки гравиметрических наблюдений на участке, расположенном над подземным сооружением. Для иллюстрации возможностей методик при обнаружении аномалий, вызванных воздействием ПЯВ, приведены результаты обработки измерений силы тяжести на объекте № 2. Результаты обработки гравиметрических измерений в полном объеме на всех объектах приводятся в приложении № 3.

    1. Методика обработки результатов гравиметрических измерений "гравиметрия"

Методика обработки результатов гравиметрических измерений "гравиметрия" (ГМ) в основном соответствует стандартной методике проведения гравиметрических наблюдений для решения геологических задач. В тексте диссертации приводятся только отличия методики ГМ от стандартной методики, обусловленные применением прецизионного гравиметра.

    1. Методика полевых наблюдений и обработки результатов измерений "градиентная гравиметрия"

Преимущество вертикальных градиентов состоит в том, что они менее чувствительны к влияниям горизонтальной неоднородности верхнего слоя литосферы, а также к влияниям рельефа и слагающих его масс. К тому же селективность их существенно большая, чем у горизонтальных, что особенно важно для изучения разрезов, слагаемых системами аномалиеобразующих тел.

В комплект принадлежностей гравиметра "Autograv" CG-3M входит подставка для установки гравиметра, далее по тексту – "штатная подставка". Для проведения градиентной гравиметрической съемки на высоте около 1,2 м используется сконструированная автором подставка, устанавливаемая на штатную подставку гравиметра, далее по тексту – "промежуточная подставка".

При проведении градиентной гравиметрической съемки гравиметр сначала устанавливается на штатную подставку и нивелируется, после чего производится серия гравиметрических измерений. Затем на штатную подставку устанавливается промежуточная подставка, которая фиксируется раздвижными опорами, и на нее устанавливается гравиметр, нивелируется при помощи нивелировочных винтов промежуточной подставки, после чего проводятся гравиметрические измерения на уровне, обеспечиваемом промежуточной подставкой.

Вертикальный градиент на гравиметрическом пункте в мГал/м

Wzz i = (gизм н. - gизм в.) / (hподст. / 1000), ( 1 )


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.