Современное напряженное состояние скальных пород

Земная кора находится в напряженно–деформированном состоянии. Данное состояние является нормальным условием существования земной коры.

Как показывает практика, далеко не все геологи на сегодняшний день могут принять такое простое положение. Геологический тип мышления, отсчитывающий миллионы лет как минуты, перебирающий один за другим этапы формирования складчатости, дрейф континентов и столкновение тектонических плит, зачастую не в состоянии принять простую мысль о том, что тектонические напряжения действуют сегодня, сейчас и прямо у нас под ногами. Для геологов все активные процессы в земной коре прошли когда–то, давным–давно, и сейчас мы, рассматривая толщи горных пород, можем лишь ловить их слабые отголоски. Нечто подвижное, с их позиций, безусловно имеется в областях современного вулканизма. Ну а в районах древней складчатости и, уж тем более, в пределах платформ земная кора спит и спит беспробудно.

Мягко говоря, это не совсем так.

Наличие напряженно–деформированного состояния подразумевает, что все породные массивы постоянно находятся в состоянии предельного равновесия. В них присутствуют тектонические напряжения, которые в любой момент могут перейти в деформации. Необходимо понимать, что речь здесь идет не только и даже не столько о глобальной тектонике, и уж тем более не о сейсмичности, которая, само собой, проявляется в наиболее напряженных областях. Мы говорим не о вулканах и землетрясениях, которые являются крайним проявлением напряженного состояния земной коры. Речь идет о тектонических напряжениях, которые присутствуют практически в каждом скальном массиве. В том числе и в скальных массивах Уральского пояса.

На сегодняшний день в научных кругах рассматривают разные концепции возникновения напряженно–деформированного состояния. В гидрогеомеханике скальных массивов принято считать, что земная кора представляет собой жесткую оболочку, которая под действием гравитационных сил опирается сама на себя. То есть в ней, как в арочном своде, возникают горизонтальные напряжения.

Многие авторы признают преобладающую роль горизонтальных напряжений в верхней части земной коры [4-9,11]. Существует ряд фактических данных, подтверждающих эти предположения. Наличие горизонтальных сжимающих напряжений фиксируется в горных выработках на различных месторождениях Урала. Измерением напряженного состояния долгое время занимались специалисты Института горного дела Уральского отделения РАН.

Напряженное состояние пород описывается через ориентировку трех векторов главных нормальных напряжений, расположенных ортогонально. Поскольку вектор силы тяжести всегда выступает в роли одного из трех векторов главных нормальных напряжений и направлен вертикально, это предопределяет строго горизонтальную ориентировку двух других векторов [9]. Необходимо отметить, что некоторые исследователи располагают оси главных нормальных напряжений произвольно, под некоторым углом к поверхности земли. С позиций гидрогеомеханики скальных массивов, такое расположение сил является некорректным.

В приповерхностной части земной коры напряжения от веса горных пород еще весьма незначительны (см. расчетное уравнение) и выступают в роли минимального главного нормального напряжения, которое обозначается греческой буквой сигма с индексом три – σ₃. Соответственно, максимальное главное нормальное напряжение σ₁, и промежуточное главное нормальное напряжение σ₂, располагаются горизонтально.

Необходимо отметить, что для скальных массивов в целом характерно накопление высокого уровня тектонических напряжений. Дело в том, что напряжения, действующие в земной коре, заведомо превосходят прочность любых горных пород. Скальные массивы накапливают напряжения до определенного предела, соответствующего их прочности. Избыточные напряжения в массиве сбрасываются за счет деформаций. Таким образом, напряженное состояние постоянно поддерживается на некотором уровне, который определяется прочностью массива.

В малопрочных породах осадочного чехла платформенных областей также действуют тектонические напряжения. Однако, пластичные осадочные породы не склонны накапливать упругие напряжения и легко подвергаются деформации. Поэтому в платформенных областях уровень напряженного состояния, как правило, ниже. Стоит отметить, что если относительно небольшой скальный массив размещается среди малопрочных пластичных пород, способствующих релаксации напряжений, то в самом массиве уровень напряжений будет низкий. В этом случае в скальных породах практически не будет трещин.

От общих положений перейдем к конкретным результатам по изучению напряженного состояния скальных массивов Северного, Среднего и Южного Урала.

Напряженное состояние породных массивов выражается в формировании различного рода нарушений – тектонических разломов и массовых трещин предразрушения. Разломы и трещины возникают в результате деформаций при силовом воздействии на массив и являются своего рода записью того поля напряжений, под действием которого они образовались. Процесс деформации скального массива, образования массовых трещин и тектонических разломов с той или иной кинематикой смещения полностью зависит от пространственной ориентировки векторов главных нормальных напряжений. Определение ориентировки осей главных нормальных напряжений является первоочередной задачей при изучении напряженного состояния пород.

На основании данных геолого–структурного и геомеханического анализа, полученных по ряду месторождений Урала в результате многолетних исследований, направленных на изучение трещиноватости скальных массивов и пространственной ориентировки активных тектонических нарушений, было установлено, что тектонические силы имеют, преимущественно, субшироную ориентировку.

Результаты работ по разным месторождениям имеют чрезвычайно высокую сходимость. Главное максимальное напряжение σ₁ имеет, как правило, два направления воздействия с азимутами 260 и 285° [4,5,7-9]. Значение азимутов может варьировать в пределах 5–10°, но общая закономерность соблюдается неизменно. Данная особенность воздействия современных тектонических сил впервые установлена Тагильцевым С.Н. в скальных массивах Уральского региона [8,9].

Силовое воздействие с двух направлений, отстоящих друг от друга на угол 20–35°, хорошо соответствующий теоретическому значению угла 45° - φ/2 (где φ – угол внутреннего трения скальной породы) [9], вероятно, связано со стремлением всей системы (земной коры) к снижению энергетических затрат. Деформация массива происходит легче, с меньшими затратами, при условии попеременного воздействии главного максимального напряжения по двум направлениям. В массиве, как правило, всегда присутствует система активных швов. Переключение главного максимального напряжения на угол 20–35° приводит к разнонаправленному движению по этим швам. То есть, возрастает количество степеней свободы при деформации скального массива.

Рассматривая результаты исследований других авторов, можно заметить, что особенности напряженного состояния породных массивов, выявленные на Урале, выполняются и по другим регионам, например, по Западной Сибири [10]. Аналогичная ориентировка и кинематика смещения активных разломов, выделяемых в чехле и фундаменте Западно-Сибирской плиты, позволяет говорить об аналогичной – субширотной ориентировке главного максимального напряжения.

Выводы: Напряженное состояние является нормальным состоянием земной коры. Скальные массивы, как правило, находятся в состоянии предельного равновесия, в результате чего даже незначительное динамическое воздействие на массив может привести к активизации деформаций по тектоническим швам. Геолого–структурный и геомеханический анализ пространственного расположения структур разрушения позволяет определить направление современного силового воздействия на массив. Определение ориентировки осей главных нормальных напряжений является первоочередной задачей при изучении напряженно–деформированного состояния породных массивов и геодинамической обстановки в целом. Главное максимальное напряжение на территории Уральского региона имеет субширотную ориентировку и два направления воздействия с азимутами 260 и 285°.

    Далее необходимо рассмотреть механизм образования и роль открытых проницаемых трещин при формировании гидродинамической структуры скальных массивов.

3. Открытые проницаемые трещины

На главную