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 |