Том 276 Вып. 1

Средствами геолого-геофизического моделирования обоснованы особенности глубинного строения и тектоники Примагаданского и Западно-Камчатского шельфов Охотского моря, а также прилегающей территории Камчатского п-ова. Исследования, направленные на изучение закономерностей локализации месторождений углеводородов северного фланга Охотской нефтегазоносной провинции, опираются на результаты региональных и среднемасштабных геологосъемочных и прогнозно-поисковых исследований, данные геофизических съемок (поле аномалий силы тяжести Δg в редукции Буге с плотностью промежуточного слоя 2,67 г/см3, аномальное магнитное поле ΔTа, региональные сейсмические профили и результаты их обобщений), материалы петрофизических исследований скважин. При обработке и интерпретации потенциальных геофизических полей использованы различные алгоритмы решения прямой и обратной задачи, а также распознавания образов с обучением и без обучения. Выполненные исследования показали, что особенности глубинного строения и тектоники региона определяются последовательностью и характером проявления мезозойских и кайнозойских орогенных процессов на границах Евразийской и Охотоморской литосферных палеоплит. Изучение региональных сдвиговых зон, развивающихся вдоль Охотско-Чукотской сутурной зоны и Охотско-Западно-Камчатского блока, показало их определяющее влияние на морфологию осадочных бассейнов. Так, тектоническая активность Охотско-Чукотской сдвиговой зоны, заложенной субпараллельно побережью Евразии, привела к формированию обширной сети оперяющих дислокаций и впадин двух типов: крупных присдвиговых продольных депрессий и сдвиго-раздвиговых впадин типа pull-apart, ориентированных под углом к оси главного сдвига. Картирование горстовых поднятий позволяет обосновать положение первоочередных объектов нефтегазопоисков по структурному критерию.

В сложившейся маркшейдерской практике при оценке вредного влияния подземного строительства на земную поверхность и подрабатываемые объекты традиционно рассматривают геотехническую систему подземное сооружение – породный массив, которая не включает в себя саму наземную инфраструктуру. Такой подход может приводить к искаженным оценкам уровней нагрузок, воздействий и потенциальных деформаций как для зданий, так и для земной поверхности. С целью определения влияния здания и оценки взаимодействия элементов геотехнической системы тоннель – массив – здание в исследовании рассматривается анализ подработки здания исторической сцены Мариинского театра комплексом выработок станции Санкт-Петербургского метрополитена «Театральная». Применяется численное моделирование методом конечных элементов в программном комплексе PLAXIS 3D, геотехническая модель калибруется в соответствии с данными натурных маркшейдерско-геодезических измерений. На моделях показано, что при подработке зданий их неоднородная структура, вес и пространственная жесткость существенно влияют на распределение деформаций в основании сооружения, что подтверждается локализацией трещин в несущих конструкциях, возникших после начала ведения горных работ. При оценке и прогнозе деформаций численными методами не всегда достаточно моделировать систему массив – тоннель, так как это может привести к завышенным прогнозным значениям деформаций земной поверхности, заниженным значениям оседаний и некорректной оценке вредного влияния на подрабатываемый объект. Сделан вывод, что только комплексный подход с использованием моделирования, натурных измерений и данных обследований способен обеспечить правильный анализ взаимодействия породного массива, подземных сооружений и наземных объектов инфраструктуры сложной пространственной геометрии и позволить надежно оценить вредное влияние на подрабатываемый объект с привязкой к конструктивным повреждениям. Это способствует принятию адекватных и своевременных мер охраны для зданий и сооружений.

Представлены результаты экспериментов, направленных на изучение влияния различных наноматериалов на ключевые свойства буровых эмульсий, созданных на основе дизельного топлива. В качестве наноматериалов использовались сферические наночастицы SiO2 размером 5 и 80 нм, одностенные и многостенные углеродные нанотрубки, а также нановолокна Al2O3. Наноматериалы были добавлены в типовые рецептуры буровых растворов с содержанием углеводородной фазы 65 %, при этом массовая концентрация наноматериалов в эмульсиях достигала 2 %. Были изучены реологические, фильтрационные и антифрикционные свойства, коллоидная устойчивость и ингибирующая способность модифицированных буровых эмульсий. Показано, что наноматериалы даже в малых концентрациях сильно влияют на свойства буровых эмульсий, что демонстрирует перспективу их практического применения. При этом использование нанотрубок показывает эффект при более низких концентрациях (0,1 % по массе) по сравнению со сферическими наночастицами.

Карьерные сточные воды предприятий горнодобывающей промышленности при открытой добыче железной руды являются источником загрязнения поверхностных водоемов и подземных вод химическими соединениями, используемыми при ведении разработки, в том числе продуктами распада и неполного расходования нитрата аммония при взрывных работах на рудниках – нитратным, нитритным и аммонийным азотом. Такие особенности сточных вод горнодобывающих предприятий, как многотоннажность, дефицит органического вещества и скудность микробиома, необходимо учитывать при выборе способов обезвреживания. Для очистки сточных вод, загрязненных соединениями азота, используют биологические и физико-химические методы. Ряд методов экономически нецелесообразен в связи со значительными объемами образующихся стоков. Важной задачей является поиск экономически обоснованного и высокоэффективного способа очистки карьерных вод от соединений азота. В статье представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований возможности применения проницаемого геохимического барьера на основе редокс-системы, состоящей из железного скрапа и углеродсодержащего материала (отсева производства активного угля марки БАУ) для очистки карьерных вод от нитрат-ионов. Термодинамический анализ позволил определить химизм процесса восстановления нитрат-ионов редокс-системой Fe0-C в нейтральной и слабощелочной среде, характерной для карьерных вод. Изучение кинетических закономерностей восстановления нитрат-ионов позволило установить, что скорость процесса описывается уравнением первого порядка. Установлено, что константа скорости восстановления нитрат-ионов возрастает с повышением температуры реакционной смеси: при 278 K – 0,0365 мин–1, 283 K – 0,0416 мин–1, 288 K – 0,0809 мин–1, 293 K – 0,0901 мин–1. Полученные данные позволят обосновать выбор конструкции реактивного барьера или реактора для проведения процесса очистки. Экспериментальные исследования по очистке реальных и модельных карьерных вод на лабораторной установке, имитирующей геохимический барьер, доказали высокую эффективность редукции нитрат-ионов (более 97 %). Очищенная вода отвечает требованиям к сбросу воды в водоемы рыбохозяйственного назначения.

В течение многих лет в буровой промышленности предпринимались попытки повысить производительность бурения и снизить затраты. Производительность бурения можно оценить, сравнив приложенную энергию, т.е. удельную механическую энергию, с прочностью горной породы. Удельная механическая энергия определяется как энергия, необходимая для разрушения единицы объема горной породы. С годами эта концепция совершенствовалась, и исследователи предлагали различные модели. Удельная механическая энергия напрямую влияет на производительность бурения, поскольку избыточная энергия может привести к вибрации бурильной колонны и износу долота. В исследовании создана база данных путем сбора информации о бурении и материалах каротажа свиты Асмари на одном из нефтяных месторождений Ирана. Рассмотрены различные формы удельной энергии для разработки соответствующей модели на основе условий эксплуатации и буримого пласта. Кроме того, рассчитана ограниченная прочность породы на сжатие в изучаемой скважине. Исследования показали, что разработанная модель удельной энергии выдает реалистичные значения энергии, поскольку включает все соответствующие параметры, с результативным значением, близким к прочности горной породы. На основе сравнения удельной механической энергии с ограниченной прочностью на сжатие были определены оптимальные буровые параметры: диапазон нагрузки на долото от 22,24 до 44,48 кН, диапазон расхода бурового раствора от 0,027 до 0,029 м³/с, диапазон крутящего момента от 2522 до 3091 Н·м и диапазон скорости вращения от 160 до 180 об/мин. Также в исследуемой скважине была обнаружена зона неэффективного бурения, где приложенная энергия, избыточная по сравнению с прочностью породы, привела к повреждению бурового долота и значительному снижению скорости проходки. Результаты подчеркнули важность оценки производительности бурения в процессе работы, когда экономически и технически осуществимое решение можно принять путем сравнения поверхностной энергии на входе с прочностью породы.

В статье приведены основные положения и допущения, положенные в основу модели фильтрационной консолидации водонасыщенных глинистых грунтов, предложенной К.Терцаги в 1925 г. для расчетов осадок сооружений. К одному из главных допущений, требующих пересмотра, относится положение о поровой воде глинистых грунтов, свойства которой тождественны свободной воде. На современном этапе поровую воду следует рассматривать с позиций ее структурированности под воздействием активных центров твердых частиц, ионов и др. Представлены результаты экспериментальных исследований влияния активных центров твердой поверхности, прежде всего глинистых частиц, на изменение структуры воды с использованием установок ядерного магнитного резонанса различных поколений. Приведены закономерности изменения структурированности поровой воды в водонасыщенных глинистых грунтах различного гранулометрического и минерального составов в диапазоне изменения их условного физического состояния по влажности. Структурированность поровой воды в грунтах способствует ее инертности к восприятию внешнего давления и, соответственно, к необходимости пересмотра позиций фильтрационной консолидации в пользу реологической модели прогноза развития осадок сооружений как основного критерия их устойчивости.

Проведено экспериментальное исследование природных материалов, таких как песчаник и андезит, часто встречающихся в горно-, нефте-, газодобывающей промышленности и при строительстве дорог. Образцы цилиндрической формы испытывались под действием квазистатического и динамического нагружений в условиях сохранения фрагментов. Для установления стадийности и механизмов разрушения, определения распространения трещин в материале образцы исследовались методом рентгеновской томографии до и после испытаний. Квазистатическое одноосное сжатие осуществлялось с регистрацией полей деформации методом корреляции цифровых изображений и сигналов акустической эмиссии in situ. Выявлены отличительные особенности разрушения андезита и песчаника. Разрушение андезита, состоящего из твердой и мягкой фаз, происходит по мягкой фазе по квазихрупкому сценарию, а размер фрагментов соответствует твердой фазе. При формировании магистральных вертикальных трещин по всему объему песчаника достаточно однородного материала, состоящего из прочных, слабо связанных между собой песчинок, резкого падения несущей способности не наблюдалось благодаря тому, что песчинки продолжали удерживаться вместе за счет сил трения в условиях сжатия. После снятия нагрузки образец рассыпался на фрагменты. Разрушение образцов при квазистатическом нагружении происходило в две стадии – накопление повреждений (появление множества магистральных трещин, сонаправленных с линиями максимального напряжения) и образование дочерних трещин с последующим полным разрушением. В случае динамического сжатия при достаточном значении энергии нагружающего импульса происходило полное фрагментирование образца, причем разрушение сопровождалось отрывом образовавшихся фрагментов. Результаты работы предполагается использовать при создании численных моделей разрушения с учетом кинетики зарождения и роста дефектов в горных породах, в том числе для оптимизации процессов бурения.

Представлено детальное изучение истории развития комплекса Марун-Кеу на Полярном Урале. С помощью оригинальных и литературных данных определены диапазоны значений температур и давлений магматической и метаморфической стадий эволюции пород, геотермический градиент и мощность континентальной коры. В термобарометрических расчетах для магматической стадии используют методы машинного обучения (алгоритм «случайного леса»), основанные на экспериментальных данных, и требуют минимальных петрохимических сведений о составе пород. Оценки PT параметров метаморфической стадии проводились программным комплексом THERIAK-DOMINO. Породы, вмещающие эклогиты, могут быть результатом частичного плавления континентальной коры под воздействием разогретых основных-ультраосновных расплавов. Установлено, что давление на пике эклогитового метаморфизма, вероятно, не превышало 21 кбар, а значения температуры – 730-750 °C. Регрессивный метаморфизм в эклогитах Марун-Кеу был ограничен температурой не выше 640 °С и давлением не ниже 5 кбар. Геотермический градиент при становлении протолитов эклогитов составлял 13 °С/км, что хорошо согласуется с современными данными для континентальной коры. Угол погружения субдуцировавшей плиты был оценен в 6-8°, а расчетная скорость субдукции составляла 2,2-2,9 см/год, что не противоречит гипотезе континентальной субдукции.

Приведены результаты геологических, геохимических и изотопно-геохронологических исследований ранне-среднедевонских вулканогенно-осадочных толщ в северо-западной части Рудного Алтая, вмещающих колчеданно-полиметаллические месторождения. Исследование обусловлено необходимостью решения проблем типизации и корреляции вулканических комплексов в свете изучения их структурно-формационных, литолого-фациальных и палеоструктурных особенностей, что является традиционно необходимым элементом геологических работ при изучении формирования рудно-магматических систем. Цель работы – реконструкция вулканической последовательности на ранне-среднедевонском временном интервале, а также качественная оценка вклада вулканогенных формаций рифтогенной и надсубдукционной природы, с которыми генетически связаны колчеданно-полиметаллические месторождения. Изотопное U-Pb-датирование цирконов из туфов стратотипического разреза соответствует возрасту ~390 млн лет. Формирование вулканогенных толщ происходило в тектонической обстановке, связанной с открытием морского бассейна, что соответствует начальному этапу рифтогенеза в Рудном Алтае. Геохимические характеристики показали, что породы в нижней части разреза наиболее близки к породам энсиалических островных дуг, обязанных своим петрогенезисом флюидонасыщенным условиям частичного плавления коровых субстратов под контролем режима дегидратации субдуцирующей плиты. В верхней части разреза вулканические породы по своим геохимическим характеристикам напоминают породы бимодальных ассоциаций из рифтогенных обстановок в тыловых частях энсиалических островных дуг. Это подтверждается анализом генетического типа сообщества формаций (магматической, осадочной и рудоносной) и согласуется с геохимическим типом вулканических пород, близким типу рифтогенных обстановок. Концептуальный геодинамический сценарий соответствует формированию рудных месторождений Рудного Алтая в переходной зоне между островной дугой и задуговым бассейном, подобно рифтогенным обстановкам Восточной окраины Азии.

Изменения условий хозяйствования предприятий газовой отрасли и нормативной базы создания и эксплуатации объектов энергетики требуют развития энергетической инфраструктуры производственных объектов. Многообразие и большое количество существующих объектов энергетики, а также применение риск-ориентированного подхода к управлению газовой отраслью приводят к необходимости создания систем поддержки принятия решений по стратегическому развитию энергетической инфраструктуры производственных объектов в масштабе отрасли. Цель исследования – разработка комплекса математических моделей определения индекса технического состояния энергокомплексов производственных объектов, используемого для подготовки структурированной информации в рамках создания системы поддержки принятия решений по стратегическому развитию системы, позволит принять решение о минимально необходимом объеме и сроках реконструкции энергетической инфраструктуры производственного объекта в современных условиях при ограничениях на финансирование реконструкции. Решение подобной многокритериальной задачи потребовало: обоснования множества допустимых альтернатив решения, оценки рисков при принятии конкретных решений, разработки системы и математических зависимостей оценки критериальных показателей, составляющих индекса технического состояния с учетом предпочтений и решающих правил, а также правил определения весомости составляющих оценки в величине интегрального показателя. На основе разработанных математических моделей сформулирован алгоритм определения индекса технического состояния одиночного энергокомплекса производственного объекта, являющийся составной частью обобщенного алгоритма применения математического обеспечения системы поддержки принятия решений по стратегическому развитию энергетической инфраструктуры предприятий газовой отрасли.

Исследуется новая модель комплексной экономической системы, которая состоит из двух рынков – сырья и продукции, связанных между собой посредством продажи и переработки сырья в продукцию. Данная модель при достижении рынками равновесного состояния позволяет оценивать товарные потоки и экономическую эффективность каждого производителя сырья или продукции с учетом рыночной конъюнктуры. При такой структуре взаимосвязанных товарных рынков производители продукции на рынке сырья являются покупателями сырья, а на рынке продукции – продавцами. Эта особенность рыночной системы приводит к тому, что функция спроса на сырье задается неявно, и стандартные методы поиска равновесия представляются неэффективными в приложении к данной задаче. С целью поиска равновесного состояния для представленной структуры из взаимосвязанных товарных рынков был разработан алгоритм поиска равновесия по Нэшу, который учитывает стремление каждого рыночного игрока максимизировать свою прибыль с учетом рыночных условий и поведения конкурентов. Благодаря применению методов теории игр и экономического моделирования настоящее исследование дает представление о конкурентной динамике и стратегических взаимодействиях как между игроками в рамках одного товарного рынка с точки зрения конкуренции, так и между самими рынками с точки зрения формирования взаимосвязанного ценообразования. Результаты имеют прикладное значение для разработки рыночных и инвестиционных стратегий предприятий из реальных секторов экономики, программ модернизации производств и оптимизации программ выделения государственных субсидий.

Мониторинг состояния устойчивости техногенных объектов представляет собой критически важный аспект обеспечения безопасности и предупреждения чрезвычайных ситуаций, вызванных горными и геологическими процессами. Комплексное использование различных методов мониторинга позволяет получить всестороннюю информацию о динамике деформационных процессов. Разработана комплексная система геотехнического мониторинга техногенных объектов на основе геопространственных данных, которая была апробирована в условиях угольного разреза «Эдельвейс +» (Республика Казахстан). В основу системы легла поэтапная интеграция методов дистанционного зондирования Земли, спутниковой радарной интерферометрии, аэрофотосъемки с использованием беспилотных воздушных судов (БВС), а также современных инструментальных методов – электронной тахеометрии и ГНСС-измерений. Первый этап – анализ архивных спутниковых снимков для выявления зон значительных смещений поверхности. Второй этап – аэрофотосъемка с применением БВС для создания детализированных 3D-моделей участков поверхности с деформациями. Третий этап включает создание системы геомеханического мониторинга на основе инструментальных методов наблюдений на участках с критическими изменениями. Заключительный этап – создание и обновление базы геопространственных данных, обеспечивающей непрерывный мониторинг состояния объекта. В результате апробации системы геотехнического мониторинга по снимкам со спутников Sentinel-1 и TerraSAR-X/TanDEM-X на северном борту разреза «Эдельвейс +» выявлено оседание поверхности до 25 мм. Аэрофотосъемка разреза позволила построить цифровые 3D-модели местности, сравнение которых подтвердило деформационные процессы на горизонте +556 м. Инструментальные наблюдения с применением современных геодезических методов уточнили вид и динамику деформаций горного массива. Интеграция геопространственных данных в системе геотехнического мониторинга обеспечивает оперативное выявление деформаций, их анализ и прогноз, что позволяет минимизировать риски разрушения и повысить безопасность эксплуатации техногенных объектов.

Отмечено присутствие минералов группы кричтонита (МГК) в оолитах оруденелых вулканокластитов Рудногорского железорудного месторождения (Восточная Сибирь). Для оолитов характерны концентрически-зональное строение обломочной составляющей, выраженное в последовательной смене зон: гематит-смектитовое ядро → смектит-хлоритовая → хлорит-гранатовая → апатит-хлоритовая зоны, и обволакивающая обломок тонкослоистая магнетитовая кайма. Редкие кристаллические агрегаты минералов группы кричтонита в оолитах выявлены в периферийной апатит-хлоритовой зоне обломков перед магнетитовой каймой. По химическому составу и КР-спектрам МГК диагностированы как кричтонит и давидит-Ce. В составе кричтонита определены, мас.%: TiO2 63,73-70,69, FeO 18,03-23,58, SrO 2,24-4,03, CaO 2,22-4,10, MgO 0,33-1,02, Al2O3 до 2,01, MnO до 0,54 и Ce2O3 до 1,88. Давидит-Ce обычно сосредоточен по краям кричтонита и содержит, мас.%: TiO2 60,54-62,28, FeO 22,67-25,77, Ce2O3 3,18-5,20, La2O3 2,47-2,74 и SrO 0,58-0,64. В МГК отмечается присутствие UO2 до 4,69 мас.%. Установлены сложные процессы разрушения МГК и замещения анатазом с выделением собственных минеральных фаз РЗЭ (анзаит-Ce) и U (уранинит) и последующего превращения анатаза в рутил. Последовательность минералообразования в обломках свидетельствует, что образование и рост кристаллов МГК являются результатом литификации накопленного титана и элементов-примесей в процессах смектитизации базальтовых обломков. Дальнейшие процессы преобразования минерального вещества связаны с разложением кричтонита на простые оксиды c отложением собственных минералов РЗЭ и U. Титанит является продуктом завершающих скарновых этапов рудообразования.

Подземные воды являются одним из ключевых природных ресурсов, поэтому сохранение их высокого качества – основная проблема при добыче полезных ископаемых. Цель статьи – исследование динамики уровенного и гидрохимического режима подземных вод в зоне влияния добычи апатит-нефелиновых руд в юго-восточной части Хибинского щелочного горного массива. За десятилетнюю историю деятельности ГОК «Олений Ручей» АО «Северо-Западная Фосфорная Компания» произошли существенные изменения химического состава исследуемых подземных вод водоносных комплексов верхнечетвертичного осташковского водно-ледникового горизонта f,lgQIIIos и палеозойских интрузий yPz. Содержание главных ионов увеличилось от 2 до 20 раз, нитратов до 50 раз (превышая предельно допустимую концентрацию – 45 мг/л), и NO^–₃ вошел в разряд главных ионов подземных вод. Источником повышения минерализации и поступления основных ионов в подземные воды являются выветривание и выщелачивание главных рудных минералов – апатита и его разновидностей, нефелина, сульфидных минералов, а также использование взрывчатых веществ, содержащих азотные соединения. В результате гидрохимической эволюции подземных вод изменилось соотношение главных ионов – природная вода гидрокарбонатно-натриевого состава с нейтральными значениями pH в настоящее время стала гидрокарбонатно-кальциевой, на втором месте среди анионов стоят NO^–₃, среди катионов – Na+. В гидродинамическом режиме подземных вод месторождения Олений Ручей четко выражены весенние и осенние максимумы уровней подземных вод. Во время снижения уровня к скважинам подтягиваются загрязненные более минерализованные рудничные воды, а во время повышения уровня в водоносные горизонты инфильтруются низкоминерализованные воды атмосферных осадков. Установлено снижение среднегодовых уровней подземных вод, что связано с увеличением глубины карьера и водозабором подземных вод для водоснабжения рудника.