КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

На правах рукопису

Безсмертний Андрій Филимонович

УДК 551.435.627:550.830

КОМПЛЕКСНІ ГЕОФІЗИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ ЗСУВІВ

І ПОБУДОВА ПРОГНОЗНИХ МОДЕЛЕЙ ЇХ АКТИВНОСТІ

(на прикладі Південного берегу Криму)

Спеціальність 04.00.22 – Геофізика

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата геологічних наук

Київ – 2004

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Кримській академії природоохоронного

і курортного будівництва

Науковий керівник: доктор геолого-мінералогічних наук, професор,

Саломатін Валерій Миколайович,

Кримська академія природоохоронного і курортного будівництва

(м. Сімферополь), завідувач кафедри інженерної геології основ і фундаментів

Офіційні опоненти: доктор геолого-мінералогічних наук, професор,

Кузьменко Едуард Дмитрович,

Івано-Франківський національний технічний університет нафти

і газу (м. Івано-Франківськ), завідувач кафедри геотехногенної

безпеки та геоінформатики;

доктор геолого-мінералогічних наук,

Орищенко Іван Васильович,

Інститут геологічних наук НАН України (м. Київ),

провідний науковий співробітник

Провідна установа: інститут геофізики НАН України імені С.І. Суботіна,

відділ сейсмічної безпеки (м. Київ)

Захист відбудеться "30" серпня 2004р. о 14:00 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 26.001.32 у Київському національному

університеті імені Тараса Шевченка за адресою:

01022, м. Київ–22, вул. Васильківська, буд. 90.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського

національного університету імені Тараса Шевченка за адресою:

49017, м. Київ-17, вул. Володимирська, буд. 60

Автореферат розісланий "30"липня 2004р

Вчений секретар

спеціалізованої

вченої ради Сухорада А.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Серед екзогенних геологічних процесів, які спостерігаються в межах Південного берегу Криму (ПБК), зсуви відносяться до найпоширеніших і небезпечних. Згідно з “Кадастром кримських зсувів” на цій території зафіксовано 50% усіх зсувів Криму. З'ясовано, що їх активність визначається 13-16–річною ритмічністю. Починаючи з повоєнного періоду максимальні деформації зсувів зафіксовані у 1956, 1969-71, 1979-81 і 1997-98 рр. Вони відбувалися на фоні аномально великих об’ємів атмосферних опадів у 1955, 1968, 1981 і 1996-97 рр., а також інтенсифікації сейсмічної обстановки. Кожний період активізації зсувів зумовлював виникнення складних проблем в області інженерного захисту територій, будівель і споруд.

Ключовою задачею у вивченні зсувів є просторово-часовий прогноз появи деформацій на схилі. Відомо, що характеристики зсувоутворення залежать від величини й інтенсивності діючих природних і техногенних факторів. Тривалість їх дії до досягнення схилом граничного стану залежить від внутрішнього напружено-деформованого стану (НДС) ґрунтового масиву, який і визначає підготовленість схилу до подальших зміщень.

Вирішення складної і об’ємної задачі прогнозування зсувів неможливе без комплексного підходу до вивчення і аналізу зсувних процесів. Найкращі результати при вирішенні цієї задачі можна отримати в системі моніторингу геологічного середовища (ГС) на опорних інженерно-геологічних полігонах (ОІГП) з наступним використанням цих матеріалів на подібних зсувних схилах. При цьому комплекс моніторингу повинен включати необхідні і достатні методи для контролю за зміною НДС ґрунтового масиву з урахуванням впливу господарської діяльності людини, клімату та геотектонічних рухів земної кори. Тривалі режимні спостереження на зсувах до теперішнього часу проводилися без систематичного дослідження НДС. Остаточно не розв'язана і проблема раціонального комплексного геофізичного вивчення зсувів з метою просторово-часового прогнозу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Задачі дисертації вирішувалися в рамках наукової теми “Створення і ведення геодинамічних моделей Гірського Криму” (№ держ. реєстр. 39-93-7318), а також у відповідності з науковими дослідженнями Кримської академії природоохоронного і курортного будівництва по темах “Розробка методики комплексної оцінки величини антропогенного навантаження на території промислово-міської агломерації” (№ держ. реєстр. 0195026137) і “Теоретичні основи механоелектричних перетворень у твердих тілах при вирішенні проблем прогнозу природно-техногенних катастроф” (шифр 2003).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є побудова прогнозної моделі активності типового для ПБК природного зсуву-потоку на основі комплексу геофізичних ознак деформацій ґрунтового масиву для наукового обґрунтування методичних основ геофізичних досліджень зсувонебезпечних схилів.

Поставлена мета передбачала розв’язання наступних задач дослідження:

Визначення залежності ритмічності напруженого стану ґрунтів типового для ПБК природного зсуву від впливу зовнішніх і внутрішніх зсувоутворючих факторів.

Формування фізико-геологічної моделі (ФГМ) зсувних деформацій для обґрунтування і розробки методичних основ геофізичного дослідження зсувів.

Побудова комплексної просторово-часової моделі активності деформацій зсувів щодо режиму геофізичних індикаторів НДС ґрунтового масиву.

Розробка методичних основ тривимірного картування зсувів ПБК і встановлення стадії розвитку деформацій за короткотерміновими спостереженнями.

Об'єкт дослідження – широко розвинені в Криму природні зсуви-потоки.

Предмет дослідження – режим активності природного зсуву, вплив на НДС схилів природних факторів, мінливості при цьому фізико-механічних властивостей ґрунтового масиву, а також геофізичні ознаки НДС ґрунтів.

Методи дослідження. Для досягнення поставленої мети автор використовував польові спостереження за режимом природних факторів зсувоутворення, фізичних властивостей схилових ґрунтів і геофізичних параметрів на ОІГП “Фасбурла”. Одержані часові ряди проаналізовані комплексом кореляційно-регресійних методів з перевіркою на похибки. Геофізичний ознаковий прогноз розвитку зсуву виконано на базі моделей авторегресії-регресії. Вироблені геофізичні критерії, що підвищують вірогідність факторного прогнозу активності зсуву і встановлюють фазу процесу деформацій, які сформовані на основі вивчення інтегральних характеристик часових рядів аналізу їх на критичні точки, а також на основі використання статистичних критеріїв.

Фактичний матеріал. В основу дисертаційної роботи покладені результати досліджень (1971-1997рр.) при стаціонарному вивченні зсувів Криму на ОІГП. З 1991 по 1997 рр. автор особисто приймав участь у дослідженнях як керівник і безпосередній виконавець польових робіт.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

На базі тривалих глибинних спостережень за фізичним станом ґрунтів зсуву та деформацій глибинних горизонтів уточнена ФГМ зсувних зміщень, яка дозволяє обгрунтувати використання геофізичних методів при просторово-часовому прогнозі зсувів.

Встановлена залежність напруженості ґрунтового масиву на схилах ПБК від величини і черговості дії природних факторів зсувоутворення.

Вперше геофізичні параметри використані як самостійний інструмент часового прогнозу величини зміщення зсувів, а також оцінки імовірності фази розвитку деформацій у межах зсуву при тривалих і короткотермінових спостереженнях.

Розроблений раціональний комплекс для вивчення зсувів від якісного тривимірного картування загального поля механічних напружень на схилі до визначення стадії процесу деформацій.

Виконані дослідження дозволили автору вивчити закономірності розподілу локальних осередків аномальної напруженості в межах окремого зсуву і приуроченість до них деформаційних зон, встановити взаємозв'язок між режимом природних зсувоутворюючих факторів і динамікою поля механічних напружень, а також мінливістю геофізичних ознак аномальної напруженості, що виникає при деформаціях ґрунтового масиву. За результатами виконанних досліджень автором виносяться на захист наступні положення:

Закономірності формування осередків НДС ґрунтів на зсувних територіях у середній частині південнобережного схилу Криму обумовлені, головним чином упереджуючою дією факторів зволоження зсувних ґрунтів та їх струсу.

В першому наближенні ФГМ зсувних деформацій можна описати наявністю двох основних фаз стану ґрунтів: фази їх консолідації, яка відображається підвищенням рівня окремих геофізичних параметрів і фази їх руйнування в іншій, яка виражається зниженням рівня геофізичних параметрів.

Дія природних факторів відображається на динаміці фізичних властивостей ґрунтового масиву ще на візуально неконтрольованій стадії деформацій схилів, що і визначає наявність попереджуючого відгуку геофізичних індикаторів напружень.

Геофізичні параметри при довготривалих спостереженнях можна використовувати як самостійний інструмент прогнозу активності зсуву, а при короткотерміновому – для тривимірного картування осередків НДС ґрунтового масиву і розпізнавання фази розвитку зсувних деформацій.

Практичне значення одержаних результатів. Виконані дослідження можуть бути використані:

При прогнозі динаміки зсувних переміщень у багаторічному і внутрішньорічному розрізах по режиму геофізичних ознак НДС ґрунтового масиву.

При просторовому прогнозі меж імовірності розвитку зсувних деформацій за характерними особливостями режиму геофізичних полів.

При якісній оцінці стадії розвитку окремого зсуву за даними короткотермінових геофізичних спостережень.

При організації стаціонарних спостережень для моніторингу ГС на окремих схилах ПБК з метою збереження територій, будівель і споруд та проведення своєчасних інженерних заходів для їх захисту.

Результати наукової роботи неодноразово впроваджувались у вигляді проектів, програм і звітів з проведених досліджень.

Особистий внесок автора. В процесі досліджень автором виконані:

Спостереження за режимом природного імпульсного електромагнітного поля Землі (ПІЕМПЗ) і каротажні дослідження тензометричним і радіометричним методами.

Інтерпретація геофізичних спостережень методами ПІЕМПЗ, тензометричного і радіометричного каротажу, електрометрії у модифікації КВЕЗ, сейсмометричного в модифікації МЗХ і гравіметричного.

Аналіз взаємозв'язку режимів фізичних властивостей ґрунтів (густини, вологості) у зонах глибинної повзучості, а також зсувоутворюючих факторів і геофізичних параметрів з зсувною активністю.

Сформульовано механізм деформацій в межах пологих ділянок зсувів.

Побудовані комплексні геофізичні кількісно-імовірнісні моделі зсувних переміщень, що грунтуються на інструментах авторегресії-регресії.

Розроблений раціональний комплекс стаціонарних геофізичних спостережень за динамікою ГС для моніторингу небезпечних геологічних процесів (НГП) в межах певної території.

Результати дисертаційної роботи висвітлені у цілій низці наукових публікацій, переважна більшість яких написана у співавторстві з науковим керівником – доктором геолого-мінералогічних наук, професором В.М.Саломатіним. З ним же, в процесі дослідницької роботи, захищений патент на спосіб визначення глибини і геометричних параметрів осередків НДС ґрунтового масиву та заявлений спосіб вивчення крупних геодинамічних структур і пристрій для його реалізації. Ряд статей опубліковані у співавторстві з директором ЦНТП “Інжзахист” М.М. Рижім і головним фахівцем цього ж закладу В.М. Кулішом, а також доктором геолого-мінералогічних наук М.Г. Демчишиним.

Автор виражає глибоку подяку своєму науковому керівнику – доктору геолого-мінералогічних наук, професору В.М.Саломатіну за наукове керівництво і постійну турботу про виконання досліджень. За практичну допомогу при виконанні досліджень і надання первинних матеріалів автор щиро вдячний начальнику ЯКГГ і ІГП І.Ф.Єришу, за постійну підтримку – співробітникам кафедри інженерної геології, основ і фундаментів КАПКБ, а також завідувачу кафедри геофізики Київського національного університету імені Тараса Шевченка С.А. Вижві та колективу цієї кафедри, директору Ялтинського філіалу Кримського регіонального інституту “КримНДІпроект” Б.В.Попову, а за терпіння та розуміння – своїй сім'ї і колегам по роботі.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали і теоретичні положення дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на Міжнародних наукових конференціях у Сімферополі (1994), Ялті (1997, 1999), Яремчі (1999), Дніпропетровську (1999, 2000), Києві (2000, 2001, 2002, 2003), Празі (2003), Мінську (2003).

За темою дисертації опубліковано 10 робіт, у тому числі 1 монографія (у співавторстві) і отримано свідоцтво на 1 винахід. Крім цього, получено рішення про видачу патенту на винахід, опубліковані тези 5 доповідей на нарадах і конференціях. Загальний обсяг друкованих робіт склав 7.1 др. арк. у тому числі 5.31 др. арк. у рекомендованих ВАК України фахових виданнях.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5 глав, висновків та списку літератури, що налічує 185 найменувань. Вона супроводжується також текстовим і графічним додатками. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить 198 стор. Вона містить 17 таблиць, ілюстрована 26 рисунками та 6 фотографіями.

основний зміст роботи

у ВСТУПІ зазначено актуальність теми досліджень, сформульовані мета і задачі дисертації, охарактеризовано практичне значення роботи, ії новизну, особистий внесок автора, зв’язок з державними науковими програмами.

проблеми дослідження зсувів в умовах південного берегу криму

На підставі огляду наукових літературних джерел автором встановлено, що успадкована від тектонічних переміщень східчастість повздовжнього профілю південнобережних зсувів Криму визначає наявність неоднорідного поля механічних напружень на поверхні ґрунтового масиву. В цих умовах природні зсувоутворюючі фактори є каталізаторами для зміни напруженості ґрунтового масиву і зниження стійкості як локальних ділянок, так і території взагалі. Різні види напружень, що формуються при цьому (стиснення або розтягування), призводять до деформацій на схилах, а також впливають на загальну величину зсувних зміщень. Відомо, що для вирішення питань про напружений стан ґрунтового масиву доцільно користуватися геофізичними методами, які є достовірними індикаторами стану ГС. До цього часу вивчення загального поля напружень на зсувах відносять до проблемних питань. Це пов’язано зі складністю розв’язання оберненої задачі геофізики. Достовірне вирішення задач, поставлених перед геофізичними методами при вивченні зсувів, залежить від обґрунтованого вибору основних геологічних характеристик і побудови якісної фізико-геологічної моделі (ФГМ) зсувних зміщень.

Для вирішення цих питань необхідними і достатніми умовами є наявність тривалих спостережень на типових зсувах ПБК і виконання математично-статистичного аналізу результатів спостережень на основі інформаційно-комп’ютерних систем (ІКС).

методичні основи просторово-часового вивчення зсувів геофізичними методами

При побудові ФГМ деформацій на схилах головну увагу необхідно приділяти як режиму зовнішніх явищ, так і мінливості при цьому, внутрішнього стану ґрунтового масиву, особливо в періоди підготовки до деформації, безпосередньо деформування та релаксації ґрунтового масиву. Всякий взаємозв'язок, побудований для оцінки стану зсувної небезпеки, базувався на зв'язку зсувоутворюючих факторів, фізико-механічних властивостей ґрунтів та геофізичних індикаторів деформацій з прямими показниками активності зсуву (величина горизонтального переміщення поверхні схилу). Для встановлення видів зв'язку між параметрами, що порівнюються, автор використовував сукупність статистичних методів, які об'єднує в собі кореляційно-регресійний аналіз, з перевіркою отриманих регресій них функцій згідно закону про нормальний розподіл похибок. Для розкриття фізичного змісту процесів, що відбуваються в зсувному розрізі при формуванні складного НДС ґрунтового масиву і розуміння початкових умов просторово-часового геофізичного прогнозу зсувної активності, в роботі використані матеріали авторських каротажних спостережень за вологістю та щільністю ґрунтів, а також розподілом деформацій по глибині.

Згідно побудованої ФГМ, динаміка зсувних деформацій характеризується постійною зміною НДС укосу при дії на нього зовнішніх факторів, що призводить до зміни фізичних властивостей і структури ґрунтів, які складають його. Зміна цих показників з достатньою надійністю повинна проявлятися в геофізичних параметрах. Справедливість таких висновків показана автором на прикладі багаторічних режимних спостережень за розподілом геофізичних характеристик на поверхні природного типового для ПБК зсуву в розділі 4. З метою аналізу можливостей геофізичного просторово-часового прогнозу зсувної активності в роботі запропоновано використовувати дані наступних геофізичних методів: сейсмометричного, електрометричного, гравіметричного і методу ПІЕМПЗ, який набув поширення останніми роками.

фізико-геологічна модель зсувів типових для ПБК

На підставі огляду кінематики зсуву встановлено, що динаміка зсувних зміщень на схилах ПБК відбувається за рахунок гравітаційної асиметрії, а сам процес деформації можна віднести до випадкових і періодичних. Гравітаційна асиметрія схилів зумовлює формування напруженості ґрунтового масиву, стан якої визначає інтенсивність і величину зміщень. Безпосередньо в межах ОІГП „Фасбурла” протягом 28 років найбільша величина зміщень ()зафіксована в межах найкрутіших схилів (=18-20о), меншу () на схилах з крутістю =12-15о і найменшу () в межах положистих ділянок (=5-10о). Крім цього, пружній стан грунтів визначає необхідну кількість і величину діючих зовнішніх і внутрішніх факторів зсувоутворення та, що важливо, тривалість їх докритичної дії на схил. В багаторічному розрізі попередження дії природних факторів визначається тривалістю в 1 рік, а посеред року – від 1 до 4 міс.

Факторним прогнозом, виконаним в роботі показано, що якість моделей які базуються на впливі природних явищ на стан схилу дещо знижена, особливо при короткостроковому моделюванні зсувної активності (Р0.6-0.7). Похибки у факторних прогнозах виникають у роки, коли зсув активізується при дії одного з явищ, врахованих у моделі, або в періоди постдеформацій – коли діють усі явища, але зсув залишається стабільним. Однією з основних причин наявності похибки обчислених значень відносно дійсних автор вважає недоврахування в даному варіанті прогнозу НДС схилів їх підготовленості до переміщення ґрунтових мас. З метою вирішення даної проблеми пропонується використати геофізичні методи, які є надійними індикаторами фізичного стану і структури ґрунтового масиву.

Для формування ФГМ зсувних деформацій і обґрунтування можливості використання геофізичних методів при просторово-часовому вивченні зсувів в роботі виконаний аналіз глибинного розподілу деформацій і їх відображення в мінливості фізичних властивостей зсувних ґрунтів. В результаті такого аналізу встановлено, що зсувний розріз, згідно динаміки деформацій на глибинних горизонтах і мінливості одного з фізичних показників стану ґрунтового масиву, яким є густина, можна уявити двошаровим середовищем. Аналіз видів деформацій та режиму густини в цих шарах дозволив класифікувати верхні горизонти зсувного розрізу (до глибини 10–12м) як зони, що деформуються відповідно деформаційним фазам (ущільнення – граничний стан – руйнування), а глибинні горизонти (глибина 21–24м) – як зони глибинної повзучості, які проявляються у вигляді зміщення вздовж ослаблених прошарків. Водночас виконаний аналіз показав, що в цілому по зсувному тілу густина ґрунтів у періоди активізації зсуву змінюється до 0.3–0.4г/см3, тоді як у періоди стабілізації її коливання виражені величинами близько 0.1г/см3 (рис.1.).

Очевидно, що такі варіації густини ґрунтів зумовлюватимуть на поверхні зсувів відчутні зміни у часі параметрів геофізичних полів. На підставі цього дослідження за один з базових елементів ФГМ зсуву прийнятий зв’язок спостережуваних коливань густини ґрунтів з деформаціями, що фіксуються на поверхні.

роль геофізичних методів при прогнозі розвитку деформацій на зсувних схилах Пбк

На основі режимних спостережень зафіксовано, що всяка зміна в стані ґрунтового масиву приводить до відчутних змін величини геофізичних параметрів, що спостерігаються на поверхні зсуву. Розглянуті в роботі геофізичні параметри за своїм режимом об’єднуються у дві групи. В першу групу входять параметри в режимі яких переважає регіональний тренд: коефіцієнт анізотропії (КА) електричного опору ґрунтів і поле прискорення сили тяжіння (СТ). У часовій поведінці параметрів другої групи переважають внутрішньорічні коливання. До них відносяться ефективна швидкість (ЕШ) пружних хвиль та інтенсивність поля ПІЕМПЗ. Відповідно встановлено, що збільшення рівня поля або амплітуди його коливань відбувається на фоні інтенсифікації деформацій. В період стабілізації зсуву середньорічні значення геофізичних параметрів зменшуються (рис. 2.: Сформован на підставі об’єднання рисунків 4.1., 5.9.).

Більш детальний аналіз показав, що відбувається збільшення рівня геофізичних параметрів за 4–5 місяців до початку видимих деформацій для внутрішньо річного розрізу і за 2–3 роки – для багаторічного розрізу. Коефіцієнт кореляційної функції (ККФ) в цих випадках змінює знак з від’ємного на додатний і досягає значень 0.2–0.3, що відповідає початку процесу ущільнення ґрунтів. Сталість рівня максимальних значень поля свідчить про досягнення зсувом граничного стану. Прогностичним критерієм є зниження рівня геофізичних параметрів за 1–2 місяці до початку видимих деформацій (ККФ=0.4–0.5). Аналіз інтенсивності ПІЕМПЗ свідчить про те, що це поле дещо інакше реагує на деформації. На етапі прихованих деформацій (1–2 місяці до зміщень) рівень поля збільшується і зберігається протягом всього періоду зміщень (ККФ=0.3–0.4). При стабілізації зсуву електромагнітні провісники виходять на нормальний рівень.

На підставі відмічених передумов в роботі запропоновані способи вирішення оберненої задачі по розпізнаванню динаміки зсуву через поведінку геофізичних параметрів, зафіксованих на поверхні. В умовах складної інженерно-геологічної будови використовувати математичні моделі, засновані на регресійному зв'язку, важко. Прогноз зміщень, в цьому випадку, доцільно проводити на базі моделей авторегресії-регресії. Як показали результати моделювання використання моделі авторегресії-регресії забезпечує самостійне вивчення зсувних процесів комплексом геофізичних методів. Підбором параметрів моделей одержані рівняння множинної регресії (ККФ=0.5-0.7) між переміщеннями геодезичних реперів, розташованих в протилежних динамічних зонах, і режимом геофізичних параметрів, зафіксованих на пологих ділянках зсуву між цими зонами:

для зони переважання напружень стиснення:

;

для зони переважання напружень розтягнення:

,

де Х – значення зміщення за номер часового інтервалу t; Y, Z, K – значення відповідно ЕШ пружних хвиль, КА електричного опору ґрунтів, прискорення СТ.

При використанні даних методу ПІЕМПЗ встановлені наступні рівняння регресії:

для зони переважання напружень стиснення:

;

для зони переважання напружень розтягнення:

,

де Y, Z, – значення інтенсивності ПІЕМПЗ у зонах розтягнення і стиснення відповідно.

Отримані залежності мають емпіричну природу і дозволяють прогнозувати величину зміщення. З використанням цих рівнянь були розраховані величини прогнозних зміщень. Епігнозні значення показують задовільний збіг подій спрогнозованих і дійсних. Розроблений метод моделювання відповідає короткостроковому прогнозу. Найкращі результати його використання бачаться автором при тривалих стаціонарних спостереженнях геофізичних параметрів з метою моніторингу ГС і паралельного вивчення активності зсуву. Побудована модель дозволяє виконувати прогноз зміщення схилів за режимом геофізичних параметрів, що фіксуються у межах пологих ділянок. Варто зауважити, що на цих ділянках геофізичні спостереження різними методами можуть бути виконуватися більш надійно, повно і якісно, ніж на прогнозованому схилі.

На підставі комплексу статистичних методів був продовжений пошук критеріїв якісної оцінки НДС зсувних ґрунтів за особливостями динаміки геофізичних параметрів. Головною метою застосування цих критеріїв є, з одного боку – оцінка ступеню підвищення або зменшення імовірності формування деформацій на певній території, з іншого – контроль величин зміщень, розрахованих за результатами багатофакторного прогнозу. Реалізація цієї мети дозволяє вирішувати важливу задачу по встановленню фази (стадії) розвитку зсуву. В якості критеріїв, що використовуються для вирішення такої задачі, можуть служити запропоновані в роботі ефективні індекси імовірності. Визначення цих інформативних індексів ґрунтується на аналізі гармонік часових рядів амплітудних рівнів геофізичних полів, що фіксуються на поверхні зсуву. Ефективні індекси імовірності утворюються як добуток проміжних величин, отриманих в результаті використання статистичних характеристик. Процедурою додавання до результату добутку одиниці автор приводить даний параметр до величини більш-меньш одиниці. В якості останніх за результатами аналізу часових рядів вибрані інтегральна характеристика функції розподілу геофізичного параметра: де xi,j – значення геофізичного параметра у j-тому місяці i-того року; xi – значення геофізичного параметра у i-тому року; наявність на ній критичних точок: для усіх , інакше , де ti,j – час, який визначається за алгоритмом , де і, j, k – номери року, місяця і доби відповідно, інші позначення відповідно першої формули; співвідношення середньоквадратичних відхилень нинішнього і попереднього інтервалів ; а також варіації в розподілі рівня геофізичних полів , де Di,j – дисперсія у рівні геофізичного параметру, інші позначення відповідно першої формули. Результати досліджень свідчать, що граничні величини ефективних індексів імовірності складають 1.3–1.4 і більш в період зміщень, а при стабілізації зсуву – близькі до одиниці, а безпосередньо після деформацій – менш одиниці (рис.3.).

В цілому, результати даного розділу показують, що зсувні деформації є фактором, який спричинює аномальне відхилення геофізичних полів, що вимірюються на денній поверхні: гравітаційного, електромагнітного, сейсмічного, електричного. При вирішенні задачі моделювання поля механічних напружень на зсувонебезпечних територіях комплексний підхід дозволяє підвищити достовірність прогнозних параметрів не тільки в рамках його використання як додаткового методу до факторного прогнозу, але і як самостійного способу розв’язання оберненої задачі прогнозу активності зсуву.

Аналіз і узагальнення результатів дослідження

В результаті досліджень виконаних на базі тривалих режимних спостережень, був уточнений механізм деформацій зсувних схилів ПБК з позиції їх фізичного стану і його зв’язку з динамікою геофізичних індикаторів НДС ґрунтового масиву. Побудована ФГМ зсувних деформацій дозволила сформулювати геофізичну ознакову модель динаміки зсуву і визначити ефективні індекси імовірності для оцінки стану ґрунтового масиву та розробити методичні основи застосування геофізичних методів при просторово-часовому вивченні зсувів ПБК. Стрижнем таких методичних основ є поетапне дослідження зсувонебезпечних територій. Методика польових робіт і вибір геофізичних методів кожного наступного етапу досліджень випливають з результатів, одержаних на попередньому.

На початку геофізичних досліджень використовується метод ПІЕМПЗ. Його вибір обумовлений тим, що швидкість надходження електромагнітних імпульсів має прямий зв'язок з полем механічних напружень, яке виникає при деформаціях елементів ґрунтового масиву. При цьому дослідження зсувонебезпечної території методом ПІЕМПЗ по радіальній мережі профілів відносно центральної опорної точки задовольняє певним методичним вимогам. По-перше для урахування варіацій природного електромагнітного фону (з метою виділення моногеничних аномалій) на опорній точці виконуються режимні спостереження інтенсивності ПІЕМПЗ. По-друге – радіальний розподіл профілів забезпечує основну методичну вимогу по картуванню аномальних об'єктів – перетин їх в напрямку, близькому до ортогонального. Розроблена методика заявлена свідоцтвом № 95073181*. Приклад таких досліджень наведений на рис.4. Реалізація розробок, закладених в іншому авторському свідоцтві (а.с. № 97041750), дозволяє вже на етапі экспрес-картування не тільки відстежити межі зсувонебезпечних явищ у просторі, а й встановити глибинні та геометричні параметри аномальних об'єктів.

Попередня інформація про тривимірні особливості закладення осередків НДС ґрунтового масиву використовується в подальшому при розробці як мережі польових спостережень для більш трудомістких і інформативних методів геофізики, так і особливостей методики виконання польових робіт на точках зондування. Застосуванням кількісних методів геофізики (сейсмометрії, електрометрії) уточнюється місцеположення потенційних зон глибинної повзучості і по різкій анізотропії досліджуваних параметрів визначається їх дійсне закладення в тривимірному просторі на межі середовищ, одне з яких зміщується, а інше розташоване в стійких шарах (рис.5.).

За результатами польових геофізичних робіт, отриманих на перших етапах дослідження зсувів, розробляється мережа короткострокових стаціонарних спостережень. На даному етапі по відхиленню величини термінових вимірів від математичного очікування (МО) на якісному рівні оцінюється стан зсуву від нестабільного (D>100%) до стійкого (D<40%) (рис.2.). Для такої оцінки автор вважає достатнім виконання режимних спостережень протягом 1–2 місяців.

Висновки

Наукові дослідження, виконані в дисертаційної роботі у відповідності з основною її метою – формування геофізичної моделі зсувних деформацій для моніторингу ГС на ділянках розвитку НГП, дозволили сформулювати ряд висновків, суттєвих для розуміння і розкриття механізму дії факторів зсувоутворювання, оцінити їх вплив на НДС ґрунтових мас у зонах глибинної повзучості і встановити взаємозв'язок цих явищ з поведінкою геофізичних ознак на поверхні.

Розв’язок задач об'єктивного прогнозу розвитку деформацій в межах окремих зсувних схилів неможливий без вивчення видів зв'язку факторів, що визначають перехід відкладів схилів у нестійкий граничний стан, і геофізичних індикаторів НДС ґрунтового масиву, що враховують його підготовленість до наступних зміщень. Моделювання зв'язку між індикаторами загального поля механічних напружень і деформаціями достатньо базувати на основі режимних спостережень в межах пологих ділянок зсувів-потоків або ділянок розташованих вище досліджуваного зсувного схилу. Математичне забезпечення при формуванні геофізичних моделей активності зсуву повинне включати широкий спектр ймовірнісно-статистичних методів та інструментів для характеристики розподілу випадкової величини всередині вибірки.

Основною ознакою будь-якої деформації на схилі є формування просторово-часових напружених неоднорідностей в стані ґрунтового масиву. З фізичної точки зору це явище виражається в періодичному стискуванні або розтягуванні смужки ґрунту, яке фіксується зміною густини ґрунтів в межах глибинних горизонтів. Динамічний хід густини ґрунтів на схилах (дисперсія) має регіональний і локальний цикли, а амплітуда прямо пропорційна активності зсуву

Всяка зміна стану ґрунтового масиву під дією факторів зсувоутворення приводить до відчутних змін рівня геофізичних індикаторів цього процесу. Згідно динаміки геофізичних параметрів в часі, їх можна розділити на дві групи. Перша група включає такі параметри як КА електричного опору горизонта і прискорення СТ. В рівні цих параметрів переважає регіональний тренд. До другої групи відносяться такі параметри, як ЕШ пружних хвиль та інтенсивність поля ПІЕМПЗ. Їх режим виражений зміною амплітуд сезонних коливань.

Наявність попереджувальної реакції геофізичних параметрів по відношенню до активності зсуву полягає в збільшенні їх рівня за 2–3 роки в багаторічному та за 3–4 місяці у внутрішньорічному розрізах до початку видимих зміщень, в сталості досягнутих значень параметрів на протязі, відповідно, 1–2 років та 1–2 місяців і наступному зниженні значень параметрів безпосередньо перед деформаціями (1-2 місяці). У кожному із розглянутих геофізичних параметрів окрім загальних, фіксуються індивідуальні закономірності їх режиму щодо умов залягання та літологічної будови зсуву.

При вирішенні оберненої задачі моделювання для прогнозу зміщення зсувів найприйнятнішою є модель авторегресії-регресії. Вона дозволила використати геофізичні параметри як самостійний інструмент при прогнозі часу і місця наступного переміщення. Побудована модель відповідає короткотерміновому прогнозу і дозволяє подовжити прогнозований період до 3 років. До обмежуючих умов даного методу моделювання відноситься необхідність тривалих стаціонарних спостережень за розподілом геофізичних полів синхронно спостереженню за динамікою зсуву.

Досвід застосування факторних моделей зсувної активності показав, що ймовірність збігу обчислених і дійсних зміщень не перевищує 0.6–0.7. Така характеристика прогнозу обумовлена різноманітністю дії природних явищ і недостатнім врахуванням підготовленості схилу до наступного зміщення. Для усунення цих недоліків розроблені ефективні індекси імовірності, які визначаються за розподілом геофізичних параметрів і які корегують ймовірність зміщень, оцінену за даними факторного аналізу.

Для тривимірного картування НДС ґрунтового масиву при дослідженні зсувонебезпечних територій достатньо використовувати комплекс геофізичних методів, який включає: ПІЕМПЗ, електрометрію та сейсмометрію. До основних методичних особливостей виконання польових робіт необхідно віднести їх етапність. На першому етапі досліджень, використовується метод ПІЕМПЗ, за даними якого згідно авторських розробок, виконаних в дисертації, отримують попередню інформацію щодо просторового закладення і геометрії осередків НДС гірських порід, які розглядаються як ділянки потенційної деформації ґрунтового масиву.

Спираючись на кількісні методи геофізики (електророзвідка, сейсморозвідка), на другому етапі досліджень, уточнюється інформація про глибинне закладення аномальних об'єктів напруженості в зсувному розрізі і простягання тріщинуватих зон.

Третій етап досліджень виконують з метою якісної оцінки фази зсуву. Для цієї оцінки використовують відхилення термінових вимірів від МО (D- дисперсія) за даними короткотермінових польових спостережень (до 1–2 місяців) в межах виділеного на попередніх етапах досліджень локального осередку деформацій. Величина цього показника дозволяє класифікувати досліджувані схили як такі, що знаходяться в стійкому стані (D < 30–40% від величини параметра), граничному стані до зміщення (50%<D<100%) і у фазі активізації (D100%).

Публікації за темою дисертації:

Бессмертный А.Ф. Ритмичность гравитационных процессов и формирование непостоянных во времени геофизических аномалий. // Оползни Крыма в 2 ч. Министерство архитектуры и строительной политики АРК. Крымский институт природоохранного и курортного строительства. –Симферополь: Апостроф, 1999. –Ч. 2, Гл.7:–С.139-165.

Бессмертный А.Ф., Саломатин В.Н. Решение инженерно-геологических задач на основе результатов наблюдения естественного импульсного електромагнитного поля Земли // Геофизический журнал. –1999. №1. –С.119-126. (автором виконані польові експериментальні дослідження, а також їх інтерпретація по розробленим алгоритмам).

Бессмертный А.Ф., Кулиш В.Н., Рыжий М.Н. Комплексные геофизические наблюдения для организации мониторинга инженерно-геологических процессов в районе гидротехнических сооружений // Вісник Українського будинку економічних і науково-технічних знань. –1999. №3. –С.40-45. (авторові належить головна ідея досліджень).

Бессмертный А.Ф., Кулиш В.Н., Рыжий М.Н., Кулиш Э.В. Изучение инженерно-геологических процессов и фильтрационных явлений с использованием метода ЕИЭМПЗ на территориях в районе примыкания к гидротехническим сооружениям Днепровского каскада ГЭС // Вісник Українського будинку економічних і науково-технічних знань. –1999. №3. –С.46-53. (автором виконано експериментальні спостереження, інтерпретація польових даних, а також йому належить головна ідея роботи).

Бессмертный А.Ф., Рыжий М.Н. Перспективы использования ГИС-технологий для мониторинга геологической среды в районе Ливадийского дворцово-паркового комплекса // Труды Нац. горной академии Украины. –1999. №7. Т.1. С.104-106. (авторові належить головна ідея досліджень та створено принципову схему процесу моніторингу геологічного середовища).

Бессмертный А.Ф. Опыт и перспективы использования ГИС-технологий для визуализации геофизических наблюдений при инженерно-геологических изысканиях // Докл. II Междунар. научн.-практ. конф. “Проблемы и перспективы использования геоинформационных технологий в горной промышленности”. 15-17 мая 2000 г. Днепропетровск: РИК НГА Украины, 2000. С.185-189.

Безсмертний А.Ф. Геофізична інтерпретація схилових деформацій в межах розвитку зсувів на Південному березі Криму // Вісник Київського національного університету ім. Т.Г.Шевченко. Серія “Геологія” Випуск №19 Київ: Видавничо-поліграфічний центр “Київський університет”, 2001. С.37-41.

Бессмертный А.Ф., Демчишин М.Г., Саломатин В.Н. Оценка испарения на оползневых склонах Южного берега Крима // Геологічний журнал. 2002. №1. –С.67-71. (автором виконано кореляційно-регресійні дослідження зв’язку між параметрами).

Bessmertny A., Rijhiy M. Monitoring processes of dangerous geologic in region seaside of Ukraine // Proceeding of the XIIth European conference on soil mechanics and geotechnical engineering “Geotechnical problems with man-mad and man influenced grounds”. –Prague, Czech republic, 2003. –P.465-470. (авторові належить головна ідея статті).

Спосіб визначення глибини залягання і геометричних параметрів осередків напружено-деформованого стану гірських порід: А. с. 97041750 Україна, КІПКБ G01 V3/08, G01 V3/12 / Саломатін В.М., Безсмертний А.Ф. –№28474А; Заявлене 15.04.97; Опубл.16.10.2000, Бюл. №5–II (автором виконано математичні дослідження по розкриттю інтегральних функцій і приведення їх до остаточних формул оберненої задачі геофізики).

Кулиш Э.В., Бессмертный А.Ф. Оползневой мониторинг склонов ЮБК, прогноз и управление геологической средой // Мат–лы Межд. научн.–практ. конф. “Геологические и медико-екологические проблемы промышленно-городских агломераций”. Симферополь: КИПКС, 1994. С. 164 (автором виконано експериментальні польові спостереження за розподілом ПІЕМПЗ і інтерпретація геофізичних даних).

Бессмертный А.Ф., Кулиш В.Н., Кулиш Э.В. Использование метода ЕИЭМПЗ при изучении вертикальных стволов шахт на примере лифтоподъемника гостиницы “Ялта” // Мат–лы Межд. научн.–практ. конф. “Проблемы защиты прибрежных территорий от оползней и абразии, а также направления инженерных исследований для строительства”. Ялта: ЦНТУ “Инжзащита”. 1997. –С.39. (автором виконано експериментальні польові спостереження за розподілом ПІЕМПЗ і інтерпретація геофізичних даних).

Бессмертный А.Ф. Режим реологических особенностей оползневых грунтов в зонах глубинной ползучести, установленный по глубинным тензометрическим наблюдениям на опорной оползневой территории // Мат–лы Межд. научн.–практ. конф. “Проблемы защиты прибрежных территорий от оползней и абразии, а также направления инженерных исследований для строительства”. Ялта: ЦНТУ “Инжзащита”. 1997. С.55-57.

Бессмертный А.Ф., Саломатин В.Н. Мониторинг оползневой среды в многолетнем и внутригодовом разрезе на примере опорных инженерно-геологических полигонов (по материалам ЯКГГ и ИГП) // Мат–лы научн.–практ. конф. Симферополь: КИПКБ. 1998. –С.120. (автором побудовано багатофакторну модель активності зсуву та виконано порівняння величин обчислених і дійсних зміщень).

Бессмертный А.Ф., Саломатин В.Н. Комплексирование геофизических методов при распознавании напряженного состояния динамической склоновой системы (по материалам ЯКГГ и ИГП) // Мат–лы научн.–практ. конф. Симферополь: КИПКБ. 1998. –С.120. (автором виконано обробку часових рядів геофізичних параметрів, побудовано фізико-геологічну модель зсувного середовища для спостережень за ним геофізичними методами).

Бессмертный А.Ф. Рациональный комплекс наблюдений для исследования режима оползневых процессов на Южном берегу Крыма // Мат-ли Міжн. наук.-практ. конф. “Инженерний захист територій і об’єктів у зв’язку з розвитком небезпечних геологічних процесів” 25-28 травня 1999р., м. Ялта. –К., 1999. –С.113-116.

Бессмертный А.Ф. Комплексные геофизические исследования оползней и построение прогнозных моделей их активности (на примере Южного берега Крыма). Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата геологических наук по специальности 04.00.22-Геофизика. –Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, –Киев, 2004.

Диссертация посвящена вопросам комплексного изучения оползней. Комплексный подход при прогнозировании активности естественных оползней необходим. Это обусловлено тем, что характеристики оползнеобразования, с одной стороны зависят от величины и интенсивности воздействующих естественных и техногенных факторов, а с другой – определяются внутренним напряженно-деформированным состоянием грунтового массива. При этом, наилучшие результаты прогноза можно получить в системе мониторинга геологической среды, опираясь на необходимые и достаточные методы для пространственно-временного контроля за НДС грунтового массива в зависимости от геоморфологических особенностей расположения участка исследований.

Все научные положения диссертационной работы основываются на долговременных натурных наблюдениях в пределах типичного для ЮБК естественного оползня. Анализ полученных данных позволил выработать физико-геологическую модель склоновых деформаций, что определило место геофизических методов при прогнозе оползней. Показано, что геофизические параметры могут быть использованы в качестве самостоятельного инструмента прогноза. Полученные результаты анализа временных рядов позволили разработать рациональный комплекс геофизических методов для исследования оползнеопасной территории, определены этапы выполнения режимных работ, выделены краткосрочные прогностические критерии для принятия решения о возможном развитии деформаций.

Выполненные исследования выявили характерные особенности режима и механизма, а также факторов и признаков развития типичного для ЮБК естественного оползня, что позволило прийти к следующим выводам. Закономерности НДС оползневых грунтов в средней части южнобережного склона Крыма, главным образом, обусловлены упреждающим действием факторов увлажнения грунтового массива и его сотрясения. Воздействие последних отражается на динамике физического состояния оползневых грунтов уже на скрытой стадии деформаций, что определяет упреждающий отклик в режиме геофизических параметров, зафиксированных с поверхности оползня. Геофизические параметры можно использовать для самостоятельного прогноза активности оползня на основе моделей авторегрессии-регрессии, оценки стадии его развития на основе вероятностных индексов, а также при распознавании фазы оползневых деформаций по дисперсии геофизических параметров за кратковременный период наблюдений.

Ключевые слова: оползень, напряженно-деформированное состояние, деформация, оползнеобразующие факторы, геофизические признаки, математическое моделирование, корреляция, регрессия, авторегрессия.

Безсмертний А.Ф. Комплексні геофізичні дослідження зсувів і побудова прогнозних моделей їх активності (на прикладі Південного берегу Криму). Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата геологічних наук за спеціальністю 04.00.22- геофізика. –Київський національний університет імені Тараса Шевченка, –Київ, 2004.

Дисертацію присвячено питанням комплексного геофізичного вивчення зсувів. Розроблені методичні основи аналізу геофізичних ознак напружено-деформаційного стану грунтів. У праці відображено новий напрямок у моделюванні зсувних процесів. Найвища достовірність геофізичного прогнозу може бути отримана на основі моделей авторегресіїрегресії та статистичних характеристик динаміки геофізичних параметрів.

Ключові слова: зсув, напружено-деформований стан, деформація, зсувоутворюючі фактори, геофізичні ознаки, математичне моделювання, кореляція, регресія, авторегресія.

Bessmertny A.F. Complex factoring and signing investigating of the landslides and construction models for presage them activity (on example of South Crimea bank ). –Manuscript.

Thesis for the degree of Ph.D. by specialty 04.00.22 – geophysics. –Kiev Taras Shevchenko National University, –Kiev, 2004.

The dissertation is devoted complex geophysical study of the landslide. Method of the analysis is developing for geophysical indications on strenuous-deformation's condition of the ground