Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

К ВОПРОСУ ВЫБОРА ИСХОДНЫХ ДАТ ПОВТОРНЫХ МАРКШЕЙДЕРСКО-ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ НА ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПОЛИГОНАХ НЕФТЕГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ

Волков В.И. 1 Волкова Т.Н. 2 Вершинина Ю.В. 1
1 ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»
2 Научно-производственное объединение «Энергогазизыскания»
Показано, что в настоящее время при постановке маркшейдерско-геодезических наблюдений за современными вертикальными движениями земной коры (СВДЗК) на территориях разрабатываемых нефтегазовых месторождений отсутствует научно-обоснованный подход к выбору начала координат (исходного геодезического знака), что исключает возможность получения достоверных, релевантных и репрезентативных сведений относительно количественных параметров техногенных сдвижений и деформаций земной коры и ее поверхности. Авторами разработана новая методика установления исходных дат для повторных наблюдений за природными и техногенными деформациями приповерхностных слоев земной коры, получившими развитие в результате эксплуатации месторождений углеводородного сырья. Предложен способ оценки устойчивости исходной геодезической основы, предусматривающий вычисление скоростей СДЗК и скоростей техногенных деформаций приповерхностных слоев земной коры с достаточной степенью надежности и достоверности.
современные вертикальные движения земной коры (СВДЗК)
повторные маркшейдерско-геодезические наблюдения
«исходная» высотная геодезическая основа
тектонические движения
техногенные деформации земной поверхности
нефтегазовые месторождения
1. Буланже Ю.Д. К вопросу об исследованиях современных движений земной коры // Современные движения земной коры: морфоструктура, разломы, сейсмичность. – М.: Наука, 1987. – С. 6–9.
2. Волков В.И. Проблемы изучения СДЗК // Инженерно-геодезические работы в строительстве. – М.: АН СССР, 1991. – С. 3–9.
3. Волков В.И., Волкова Т.Н., Вершинина Ю.В. Программно-целевой подход к постановке наблюдений за современными движениями земной поверхности на нефтегазовых месторождениях // Маркшейдерский вестник. – 2013. – № 1. – С. 45–48.
4. Волков В.И., Вершинина Ю.В. К вопросу об исследованиях кинематики приповерхностных слоев земной коры // Инженерно-экологические системы: материалы междунар. научн.-практич. конф. (СПб, 10-12 октября 2012 г.). – СПб., 2012. – С. 194–198.
5. Инструкция по нивелированию I, II, III и IV классов. – М.: Картгеоцентр-Геодезиздат, 2004. – 244 с.
6. Инструкция по производству маркшейдерских работ (РД 07-603-03). – М.: ГУП «НТЦ «Промышленная безопасность», 2003. – 120 с.
7. Кафтан В.И., Серебрякова Л.И. Современные движения земной коры: Геодезия и аэросъемка, т.28 // Итоги науки и техники. ВИНИТИ АН СССР. – М., 1990. – 151 с.
8. Научно-технический сборник по геодезии. Серебрякова Л.И. Геодинамические исследования. – М.: ФГУП «ЦНИИГАиК», 2011. – 150 с.
9. Современные движения земной коры. Теория, методы, прогноз. Результаты исследований по международным геофизическим проектам. – М.: Наука, 1980. – 200 с.
10. Цытович Н.А., Тер-Мартиросян З.Г. Основы прикладной геомеханики в строительстве: учеб. пособие. – М.: Высш. школа, 1981. – 317 с.

Одним из фундаментальных вопросов изучения современных движений земной коры (СДЗК) в региональном масштабе на техногенных геодинамических полигонах нефтегазовых месторождений является выбор начала координат (исходного геодезического знака), относительно которого определяются кинематические характеристики эндогенных процессов и техногенных деформаций приповерхностных слоев земной коры. Классически [5, 6] исходный геодезический знак располагают за пределами горного отвода месторождения на расстоянии 2–3 км от его границ. Известно [1, 2], что основным требованием, предъявляемым к исходным геодезическим знакам, является сохранение ими стабильного положения в пространстве и во времени на протяжении выполнения повторных маркшейдерско-геодезических наблюдений. Однако многочисленные исследования [7, 9] в области изучения современных вертикальных движений земной коры (СВДЗК) показывают, что земная поверхность практически повсеместно подвергается сложнодифференцированным в пространстве и во времени смещениям и деформациям, которые являются итогом совместного протекания в ее приповерхностных слоях эндогенных и экзогенных геомеханических процессов [2, 4, 10], что неизбежно приводит к дестабилизации геодезических знаков. Кроме этого, следует обратить внимание на то, что отбор углеводородов на разрабатываемых месторождениях приводит к перетоку подземных вод из приповерхностных слоев земной коры, удаленных более чем на 2–3 км от границ горного отвода, которые вследствие изменения уровня подземных вод претерпевают деформации [10]. Следовательно, традиционный подход [5, 6] к выбору начала координат на техногенных геодинамических полигонах исключает возможность строгого решения задачи определения кинематических характеристик техногенных деформаций приповерхностных слоев земной коры и границ их проявления на земной поверхности.

Программно-целевой подход к изучению СДЗК и ее приповерхностных слоев на территориях нефтегазовых месторождений [3] предусматривает на контрольных кустах реперов наблюдательных систем геодинамических полигонов использование в качестве исходных геодезических знаков глубинные реперы (разведочные скважины, оборудованные под реперы), основания которых заложены в горные породы, расположенные ниже коллекторов, из которых производится отбор углеводородов. Таким образом, на месторождении имеется сеть исходных геодезических знаков, на устойчивость которых не влияют экзогенные природные и антропогенные факторы, однако их устойчивость нарушается под воздействием тектонических факторов. Поэтому нами предлагается на первом этапе обработки результатов повторных геодезических наблюдений оценить устойчивость глубинных (исходных) реперов по отношению к эндогенным факторам и определить скорости СВДЗК в пределах геодинамического полигона, которые в дальнейшем будут использоваться для вычисления кинематических характеристик техногенных деформаций приповерхностных слоев земной коры и ее поверхности с учетом тектонической составляющей дестабилизации опорного геодезического знака, выбранного в качестве исходного.

Для этого при обработке результатов повторных геодезических наблюдений, в частности, повторного нивелирования, принимая поочередно за исходный все опорные i-е реперы геодинамического полигона вычисляют отметки j-х остальных, после сопоставления которых в двух циклах повторных измерений получают n рядов расхождений отметок Δij (i = 1,…n; j = 1…n). Полученные расхождения сводят в квадратную матрицу:

Eqn1.wmf

Сумму столбцов Sj матрицы Bn делят на n и получают средние смещения j-х реперов относительно всех остальных нивелирных знаков за период времени τ между циклами повторных наблюдений, обусловленных тектоническими факторами. Средняя «точечная» скорость вертикальных движений земной коры на участке между j и j + 1 знаками может быть получена из выражения

Eqn2.wmf (1)

Скорости СВДЗК для районов закладки опорных геодезических знаков также можно определить по картам СВДЗК [9], которые составлены для европейской территории России.

Для определения скоростей СВДЗК на заданный район по картам СВДЗК выполняется интерполирование скоростей, представленных на картах СВДЗК изолиниями, и оценка погрешности площадного интерполирования по точечным значениям скоростей.

При интерполировании скоростей СВДЗК по площади P задаются структурой СВДЗК и точностью получения скоростей СВДЗК, сведения о которой представлены на картах СВДЗК. Интерполяционные веса определяются на основании сведений о статистической структуре СВДЗК и точности получения скоростей СВДЗК таким образом, чтобы средняя квадратическая погрешность нивелирования была минимальной по сравнению с ее значениями при любом другом выборе весов.

Принимая гипотезу с нулевым значением скорости СВДЗК в n = 1…i точках (xi, yi), считаем вычисленные по результатам повторного нивелирования скорости СВДЗК Vi отклонениями от истинных значений. Тогда справедливо следующее уравнение:

Eqn3.wmf (2)

или в линейном виде

Eqn4.wmf (3)

где ai – веса, определяемые из условия, чтобы средний квадрат погрешности замены величины (2) величиной (3) с учетом ошибок нивелирования δi был минимальным:

Eqn5.wmf (4)

В формуле (4) черта сверху указывает на осреднение, осуществляемое, строго говоря, в вероятном смысле, но на некоторой ограниченной выборке.

Используя структурную функцию и принимая во внимание свойства случайных ошибок:

а) ошибки δv в различных точках не коррелированы ни с истинными значениями величин скоростей

δv (x1, y1) v (x2, y2) = 0; (5)

б) ни между собой

Eqn6.wmf, (6)

где Eqn7.wmf – средняя квадратическая погрешность определения скорости СВДЗК; d12 – расстояние между точками 1 и 2.

Определяем случайную ошибку измерения скоростей СВДЗК методами повторных геодезических наблюдений. Такое обобщение допустимо, поскольку мы имеем уравненные значения скоростей СВДЗК, представленных на картах СВДЗК.

Представим значения скоростей в точках (x1, y1) для конкретного региона в виде последовательного ряда измерений. Принимая наряду с однородностью и изотропией СВДЗК для платформенного района, что не противоречит природе нетектонических движений земной коры, условие зависимости mv от координат, можем определить значения mv в каждой из точек (x1, y1). Структурная функция скоростей v по двум последовательно расположенным точкам в ряде измерений представляют собой средний квадрат разности

Eqn8.wmf (7)

Структурная функция Sv завышена на сумму средних квадратов ошибок в точках. Это верно для всех расстояний d, кроме d = 0, при котором функция Sv = 0.

Eqn9.wmf

Принимая во внимание данное свойство структурной функции, экстраполируя функцию Sv`к di + 1, получаем Eqn10.wmf.

Определение ковариационной функции и свойства (5) и (6) позволяют записать

Eqn11.wmf (8)

Приняв обозначения:

Ковариационная функция

tv(xi, yi, xj, yj) = tij

Eqn12.wmf

и дисперсия среднего значения скоростей СВДЗК по площади P через

Eqn13.wmf

перепишем уравнение (8)

Eqn14.wmf (9)

где ki – значение взаимной ковариационной функции, описывающей статистическую связь точечных значений с осредненной по площади величиной.

Веса ai определяются из условий минимума М. Для этого приравниваются производные от М по весам ai к нулю. Получается система n линейных уравнений

Eqn15.wmf (i = 1…n), (10)

где Eqn16.wmf (11)

Согласно изложенному выше,

Eqn17.wmf (12)

Eqn18.wmf (13)

Принимая однородность и изотропность для ковариационной функции и разбивая район на прямоугольники (квадраты) в формулах (2), (12) и (13) без труда вычисляется интеграл при определении величин Vср, Е и ki с использованием линейных алгебраических уравнений (3), (9) и (10). При этом следует иметь в виду, что отношение k/t = R представляет собой коэффициент корреляции, характеризующий связь между значениями Vср скоростей СВДЗК. По коэффициентам корреляции R можно судить о региональном поднятии (опускании) групп реперов. Следовательно, данная методика обработки результатов повторного нивелирования также может успешно применяться для анализа устойчивости реперов исходной основы в условиях воздействия на них как эндогенных, так и экзогенных геоме ханических процессов.


Библиографическая ссылка

Волков В.И., Волкова Т.Н., Вершинина Ю.В. К ВОПРОСУ ВЫБОРА ИСХОДНЫХ ДАТ ПОВТОРНЫХ МАРКШЕЙДЕРСКО-ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ НАБЛЮДЕНИЙ НА ГЕОДИНАМИЧЕСКИХ ПОЛИГОНАХ НЕФТЕГАЗОВЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 10-15. – С. 3285-3288;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=33052 (дата обращения: 18.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074