Способ контроля напряженно-деформированного состояния горных пород

Изобретение относится к области геофизики и может найти применение при прогнозировании природных катастроф, в частности землетрясений, активизации разломов, горных ударов. Сущность: размещают на поверхности земли равноудаленные низкофоновые камеры, состоящие из слоев металлов и/или жидкости, поглощающих внешнее природное радиоактивное излучение. Непрерывно измеряют остаточный гамма-фон внутри упомянутых камер. В полученных вариациях гамма-фона выделяют суточные аномалии методом Фурье-анализа. При наличии суточных аномалий гамма-фона анализируют среднесуточные аномалии гамма-фона. При повышении гамма-фона более чем на 3σ, а также по перемещению полей повышенного гамма-фона судят о месте изменения напряженно-деформированного состояния горных пород в ближайшие 1-9 суток. Технический результат: расширение функциональных возможностей. 2 ил.

 

Изобретение относится к области природных геофизических процессов, в частности к прогнозированию природных катастроф (землетрясений, активизации разломов, горных ударов и т.п.).

В мировой литературе применение низкофоновой аналитической техники для обеспечения сейсмической безопасности не описано.

Для наблюдения напряженно-деформированного состояния горных пород используется способ регистрации почвенного радона. (В.И.Уткин. Газовое дыхание земли. газета "Наука" Известия, 28.09.2006). Однако данный способ не обладает достаточной точностью прогнозирования времени готовящегося землетрясения, так как изменения концентрации радона в почве зависит от различных природных факторов, а не только от сейсмичности.

Известен также способ контроля напряженно-деформированных состояний горных пород, который является наиболее ближайшим аналогом изобретения и который осуществляется путем наблюдения гамма-фона в подземных выработках и описанный в статье Цветкова Т.В., Невинский И.О., Невинский В.И. Геофизический аспект изучения природного гамма-фона. Физика Земли, 2003, №12, с.41-56. В этой работе описан низкофоновый гамма- спектрометр, позволяющий осуществлять непрерывный мониторинг остаточного гамма-фона в низкофоновом экране в подземной выработке, при этом методом Фурье-анализа выделяются выбросы над средней суточной кривой. Однако данный метод прогнозирует только время изменения напряженно-деформированного состояния горных пород (например, землетрясений).

Предложенный нами способ обеспечивает в отличие от известных технических решений прогнозирование не только время (за 9±1 сутки), но и место (с точностью до 50 км) напряженно-деформированных состояний горных пород (например, землетрясений).

Данный технический результат достигается за счет того, что проводят измерение радиоактивного излучения в недрах горных пород, причем проводят непрерывное измерение остаточного гамма-фона внутри низкофоновых камер, состоящих из слоев металлов и/или жидкости, поглощающих внешнее природное радиоактивное излучение и размещенных на поверхности земли, в полученных вариациях гамма-фона выделяют суточные аномалии методом Фурье-анализа и при их наличие анализируют среднесуточные значения гамма-фона с сети низкофоновых датчиков и по их относительному изменению скорости счета детекторов определяют место и время изменения напряженно-деформированного состояния горных пород.

Способ осуществляется следующим образом. Осуществляется монтаж низкофоновых камер, состоящих из слоев металлов и/или жидкости, поглощающих внешнее природное радиоактивное излучение (тип защиты от внешнего излучения, ее геометрические размеры выбирают из условия достижения минимальной скорости счета для выбранного детектора гамма-излучения). В качестве детектора, который размещен внутри низкофоновой камеры (см. рис.1а, б), (далее по тексту устройство) могут быть использованы кристаллические и органические сцинтилляторы, полупроводниковые детекторы и детекторы на сжатых газах. На чертеже схематично показано используемое устройство

На фиг.1,а, б показан низкофоновый гамма-спектрометр:

а) на основе металлических экранов: 1 - детектор гамма-квантов, 2 - медь(вольфрам), 3 - чугун (сталь), 4 - свинец, 5 - источник питания, 6 - амплитудно-цифровой преобразователь, 7 - устройство хранения информации, 8 - крепеж детектора;

б) на основе экранов из жидкостей: 1 - сцинтиллятор, 2 - фотоумножитель, 3 - слои жидкости.

Съем информации с детектора осуществляется многоканальным амплитудно-цифровым преобразователем. Устройства далее транспортируют в регион исследования, где размещаются в сети на расстоянии, например, 50 км друг от друга. Далее датчики калибруются стандартными гамма-источниками и включаются в режим непрерывного мониторинга, например, с часовой записью результатов измерения гамма-активности в интервале энергий гамма-квантов, соответствующих излучению дочерних продуктов радона. Каждые несколько дней накопленная информация поступает в центр обработки, где в полученных вариациях гамма-фона выделяют суточные аномалии (см. фиг.2,а) методом Фурье-анализа. При их наличии анализируют среднесуточные значения гамма-фона с сети низкофоновых датчиков и по их относительному изменению скорости счета детекторов определяют место и время (по суточным аномалиям, выделенным методом Фурье-анализа) изменения напряженно-деформированного состояния горных пород.

За время исследования была получена вероятность прогноза времени по землетрясениям на Северном Кавказе не менее 85% (для 120 землетрясений). Для всех ощутимых землетрясений, происшедших в Краснодарском крае за период эксплуатации сети (5 лет), было спрогнозировано место всех готовящихся землетрясений (всего 12 землетрясений) в зоне радиусом 30-50 км за 3-5 суток. Превышения за 3σ сопровождаются подготовкой землетрясений, удаленных не более чем до 500 км (с магнитудой 2 и выше) и до 3000 км очень сильных. После прекращения возмущений происходит землетрясение. Анализ среднесуточных данных одновременно с равноудаленных (например, на 50 км друг от друга) низкофоновых гамма-детекторов позволяет также определить место будущего землетрясения (движения оползня, активизации разлома, крипа) по перемещениям полей повышенного гамма-фона, связанного с излучениями дочерних продуктов распада радона. Перемещения полей начинается за несколько суток до землетрясения, после спада повышенного значения происходит землетрясение. На фиг.2,а в качестве примера показаны типичные нарушения суточного хода гамма-фона 24.05.2006 перед землетрясением 3.06.2006 с М=4,5, координаты 43,91N 39,08Е. Дополнительными к гамма-спектрометру приборами являются детекторы температуры, давления, почвенного радона, нейтронов. На фиг.2,б в качестве примера показаны перемещения полей почвенного радона с сети датчиков в Краснодарском крае (юго-западная часть размером 100 км (ось OY) × 200 км (ось ОХ)) перед землетрясением 13.07.2004 с М=3, координаты 44.76N 38,14Е. Место землетрясения показано кружком.

Способ контроля напряженно-деформированного состояния горных пород, включающий измерение радиоактивного излучения в недрах горных пород, отличающийся тем, что проводят непрерывное измерение остаточного гамма-фона внутри низкофоновых камер, состоящих из слоев металлов и/или жидкости, поглощающих внешнее природное радиоактивное излучение и размещенных на поверхности земли, в полученных вариациях гамма-фона со всех равноудаленных низкофоновых камер выделяют суточные аномалии методом Фурье-анализа, при их наличии анализируют среднесуточные значения гамма-фона с датчиков низкофоновых камер и по повышению гамма-фона за 3σ, а также по перемещению полей повышенного гамма-фона определяют время и место изменения напряженно-деформированного состояния горных пород.