Методология обнаружения и прогнозирования горизонтальной деформации земной поверхности смежных блоков горных пород по данным GPS мониторинга

Изложены основные положения методологии обнаружения и прогнозирования горизонтальной деформации земной поверхности смежных блоков горных пород по данным GPS мониторинга. Раскрыто содержание методологии, включающее модельное математическое описание перемещений блоков и образующейся деформации в зоне межблочного контакта, методы идентификации параметров модели и аспекты ее практического применения. Модель создана с учетом зафиксированных разнонаправленных трендовых перемещений реперных пунктов наблюдательной геодезической сети (маркеров), исходя из представлений о блоках по пространственным ограничениям их горизонтальных размеров и упругих свойств в иерархической мозаичной структуре слагающих горных пород. Допуская, что в пределах месторождения полезного ископаемого размер блока земной поверхности не превышает 5 км, перемещения и деформации рассмотрены в плоскости. Распределения линейной и угловой деформации на блоках и в зоне межблочного контакта рассчитаны как производные от функций перемещения их точек. Образующаяся площадная деформация представлена суммой линейных и угловых деформаций. Идентификация параметров модели проводится методами наименьших квадратов и приближений параболической вершины, реализуемых в указанной последовательности итерационных расчетов по приведенным формулам оптимизации. При наличии вращения блоков достаточно по векторам маркеров идентифицировать координаты условных центров в предположении, что поступательное сдвижение блоков отсутствует. Итерационные расчеты регулируются среднеквадратической невязкой модельных и маркерных перемещений, которая сводится к допустимому малому ограничению, определяемому погрешностью позиционирования GPS. Возможности обнаружения моделью зон горизонтальной деформации разного значения и знака показаны на практическом примере зафиксированных перемещений маркеров и расчета соответствующих модельных параметров.

Антонов В. А. Методология обнаружения и прогнозирования горизонтальной деформации земной поверхности смежных блоков горных пород по данным GPS мониторинга // Горный информационно-аналитический бюллетень. — 2021. — № 5—2. — С. 16—29. DOI: 10.25018/0236_1493_2021_52_0_16.

Работа выполнена в рамках государственного задания Институту горного дела Уральского отделения Российской академии наук в г. Екатеринбурге (тема № AAAA-A19—119020790024—7).

Антонов Владимир Александрович — докт. тех. наук, Antonov@igduran.ru, Институт горного дела Уральского отделения Российской академии наук, Екатеринбург, Россия.

1. Балек Е. А. Учет мозаичности напряженно-деформированного состояния массивов скальных горных пород при решении практических задач недропользования. // Проблемы недропользования. 2018. — № 3. — С. 140—150.

2. Savage J. C., Gan W., Svarc J. L. Strain accumulation and rotation in the Eastern California Shear Zone // J. Geophys. Res. — 2001. — Vol. 106. — N. B10. — P. 21995—22007.

3. Cheskidov V. V., Lipina A. V., Melnichenko I. A. Integrated monitoring of engineering structures in mining. // Eurasian Mining. — 2018. — No. 2. — P. 18—21.

4. Zheng G., Wang H., Wright T. J., Lou Y., Zhang R., Zhang W., Shi Ch., Huang J., Wei N. Crustal Deformation in the India-Eurasia Collision Zone from 25 Years of GPS Measurements. // Journal of Geophysical Research: Solid Earth. — 2017. — 122 (11). — P. 9290—9312.

5. Мазуров Б. Т. Математическое моделирование при исследовании геодинамики. // Новосибирск: Сибпринт. — 2019. — С. 59, 282, 291.

6. Дорогова И. Е. Изучение деформаций земной коры по результатам геодезических данных с использованием метода конечных элементов. / СГГА. — 2013. — Т. 1. — № 1. — С. 190—193.

7. Серов М. А., Жижерин В. С. Моделирование напряженно-деформированного состояния земной коры Верхнего Приамурья. / Успехи современного естествознания. — 2017. — № 10. — 107—112.

8. Середович В. А., Панкрушин, В. К., Мазуров Б. Т. Идентификация напряженно-деформированного состояния и поворотных движений геодинамических систем по наземным и спутниковым наблюдениям // Сб. материалов VIII междунар. научнопракт. конф. Geoinfocad, Франция, Ницца — Новосибирск: СГГА. — 2004. — С.11—14.

9. Takuma Y., Tsuyoshi I., Yuji Y., Ryoichiro A., Takane H., Muneo H. Fast crustal deformation computing method for multiple computations accelerated by a graphics processing unit cluster. // Geophysical Journal International. — 2017. — Vol. 210. — P. 787—800.

10. McCaffrey R. Crustal block rotations and plate coupling // Plate Boundary Zones. — 2002. — Vol. 30. — P. 100—122.

11. Meade B. J., Hager B. H. Block models of crustal motion in southern California constrained by GPS measurements // Ibid. 2005. — Vol. 110, N B03403.

12. Мухамедиев Ш. А., Зубович А. В., Кузиков С. И. Выделение блоков земной коры по данным GPS-измерений // Доклады Академии наук. 2006. — Т. 408. — № 4. — С. 539—542.

13. He X., Montillet J., Fernandes R., Bos M., Yu K., Hua X., Jiang W. Review of current GPS methodologies for producing accurate time series and their error sources // Journal of Geodynamics. — 2017. — Vol. 106. — P. 12—29.

14. Антонов В. А. Модели горизонтального перемещения и деформации блоков земной поверхности. // Проблемы недропользования — 2020. — № 1. — С. 104—112.

15. Антонов В. А. Функционально-факторная модель горизонтального перемещения локальных блоков земной поверхности // Известия ТулГУ (Науки о Земле). — 2019. — № 4. — С. 187 — 195.

16. Власов А. В. Основы теории напряженного и деформированного состояния. / А. В. Власов // М: МГТУ. — 2006. — С. 58.

17. Сашурин А. Д. Сдвижение горных пород на рудниках черной металлургии. / А. Д. Сашурин // Екатеринбург: ИГД УрО РАН — 1999. — С. 94.

18. Антонов В. А. Извлечение математико-статистических закономерностей в экспериментальных исследованиях горно-технологических процессов. // Проблемы недропользования. — 2018. — № 4. — С. 61—70.