Вторник, 26.09.2017
Неофициальный сайт Научно-производственной группы "Тектоника"
Меню сайта
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Гидрогеологическая роль тектонических разломов и геомеханические закономерности их пространственного расположения

 

Гидрогеологическая роль тектонических разломов

и геомеханические закономерности их пространственного расположения

Тагильцев С.Н., Лукьянов А.Е.

 



Данный текст был представлен в виде доклада на Международной научно-технической конференции «Современное состояние, тенденции и перспективы развития гидрогеологии и инженерной геологии», г. Санкт-Петербург, 27-28 ноября 2012 г.




В современной геотектонике под разломами, в основном, понимают крупные разрывные структуры, которые определяют региональные закономерности развития участков земной коры и длительные исторические этапы ее становления. В поисковой геологии тектонические разломы рассматриваются в качестве рудоконтролирующих структур, формирование которых происходило в отдаленные геологические эпохи. Возраст таких разломов, нередко, исчисляется сотнями миллионов лет и на современном этапе они рассматриваются как статические неподвижные геологические объекты.

Исследования последних лет показывают, что тектонические разломы имеют широкую иерархию, начиная от региональных нарушений протяженностью десятки и сотни километров и заканчивая локальными структурами протяженностью первые сотни или десятки метров. Возраст тектонических разломов может быть различным. Существует мнение, что возраст разлома должен определяться не временем его заложения, а степенью современной активизации и подвижности.

Анализ и оценка современных тенденций развития гидрогеологических и инженерно-геологических исследований показывает, что локальные тектонические структуры приобретают все более высокую значимость и обращают на себя пристальное внимание специалистов. При рассмотрении тектонической структуры горных массивов все большее внимание уделяется изучению современной динамики тектонических зон.

С позиций гидрогеологии, тектонические нарушения могут выступать в качестве линейных высокопроницаемых обводненных зон или, наоборот, в качестве локальных водоупорных барьеров. Тектонические разломы способствуют высокой изменчивости фильтрационных свойств скальных пород. Наличие тектонических нарушений во многом определяет гидрогеологическую структуру скальных массивов.

В практическом отношении, при разработке месторождений полезных ископаемых наличие проницаемых зон тектонических нарушений приводит к формированию повышенных водопритоков в горные выработки. Повышенные притоки подземных вод практически всегда поступают на некотором ограниченном участке и связаны с конкретной локальной тектонической зоной. При этом сам проницаемый тектонический разлом может с трудом выделяться в массиве и иметь минимум внешних признаков.

В отличие от крупных региональных тектонических структур локальным разломам не всегда присущи такие выраженные черты, как мощный тектонический шов, значительная амплитуда смещения, следы внедрения интрузий, метасоматические изменения, наличие зеркал скольжения или глинки трения. Локальные разломы могут проявляться лишь в некотором увеличении трещиноватости, что не всегда фиксируется в горно-геологической документации.

Локальные тектонические разломы нередко выделяются уже в процессе разработки месторождений по факту поступления дополнительных притоков подземных вод. При этом в породном массиве рядом с проницаемым разломом может присутствовать ряд схожих локальных трещиноватых зон, либо проходить крупные региональные тектонические структуры, которые, тем не менее, никак не проявляют себя в гидрогеологическом отношении. Соответственно, обнаружить и выявить проницаемый разлом на стадии разведки месторождения, опираясь на традиционные геологические признаки, не представляется возможным. Заранее выявить локальный проницаемый тектонический разлом можно только путем проведения специальных гидрогеологических исследований.

Водоупорные разломы также могут оказывать значительное влияние на гидрогеологические условия участка. С одной стороны, водоупорные свойства тектонических структур способствуют снижению притока подземных вод в горные выработки и строительные котлованы. С другой стороны, наличие водоупорного разлома в бортах карьеров или в пределах шахтных полей способствует сохранению повышенных напоров вблизи горных выработок, что создает опасность прорыва подземных вод при вскрытии водоупорной зоны, либо оказывает влияние на их устойчивость.

Отсюда следует важный вывод о том, что гидрогеологические условия конкретного участка не всегда определяются общерегиональными характеристиками, такими как климат, количество атмосферных осадков, условия питания водоносных горизонтов, средневзвешенный модуль подземного стока и др. Эти показатели позволяют дать лишь общую оценку. Гидрогеологические условия ведения горных работ на конкретном участке рудного поля практически полностью зависят от гидрогеологического строения скального массива, наличия или отсутствия высокопроницаемых или водоупорных тектонических зон.

Для изучения локальных тектонических нарушений необходимо применять принципиально иной подход, в основе которого должно лежать понимание механизма и закономерностей их формирования. Такой поход должен опираться не только на методы гидрогеологии, но и широко применять методы геомеханики, тектонофизики и структурной геологии. В настоящее время, наиболее полно данный подход реализован в рамках относительно нового научного направления «гидрогеомеханика скальных массивов» [1].

Практика ведения гидрогеомеханических исследований показывает, что изучение тектонических нарушений не должно заключаться в их простом выделении, описании и учете. Для успешного решения практических задач необходимо правильное понимание природы тектонических разломов, как самостоятельного геологического явления. Ключевыми вопросами при изучении тектонических нарушений являются: современное напряжено-деформированное состояние земной коры, существование скальных массивов в состоянии предельного равновесия, направление действия современных тектонических сил, ориентировка осей главных нормальных напряжений и, наконец, собственная роль тектонических разломов как регуляторов геомеханических процессов. Рассмотрение этих вопросов нельзя проводить в отрыве от базовых понятий геомеханики [2].

В соответствие с представлениями геомеханики, напряженное состояние земной коры является нормальным условием ее существования. Наличие значительных тектонических напряжений в верхней части земной коры установлено многими независимыми исследователями. Как правило, в приповерхностной части основная роль принадлежит горизонтальным тектоническим напряжениям, во много раз превышающим вертикальные геостатические напряжения от веса горных пород [1, 3-7].

Природа напряженного состояния земной коры, на сегодняшний день, не имеет однозначного объяснения. Ряд специалистов связывает наличие избыточных напряжений с процессами конвективного массопереноса в верхнем слое мантии, вследствие чего происходит горизонтальное движение (фактически – плавание) тектонических плит и их столкновение друг с другом. Часть исследователей связывает наличие избыточных напряжений с влиянием лунных и солнечных циклов [8]. В этом случае природа напряженного состояния имеет сходство с приливно–отливными циклами мирового океана.

Отдельного внимание заслуживает мнение о существовании земной коры как прочной оболочки, воспринимающей напряжения от собственного веса, в результате чего в ней формируются горизонтальные тектонические напряжения по аналогии с реакцией бокового отпора, возникающей в арочном своде.

В принципе, ни одна из подобных гипотез не может полностью исключить другие. Не вдаваясь в анализ указанных представлений, отметим одно ключевое обстоятельство: во всех трех случаях главным первоисточником тектонических напряжений является гравитация.

Напряженное состояние земной коры предопределяет существование породных массивов в условиях постоянного сжатия. Данное условие вполне логично, поскольку сама природа гравитационных сил является сжимающей. Под действием глобальных тектонических напряжений породные массивы испытывают деформации. Тектонические разломы и трещины являются результатом таких деформаций.

Деформация скальных массивов представляет собой нормальный процесс высвобождения материала из-под напряжений. Избыточные напряжения сбрасываются в результате деформаций путем образования трещин, заложения разломов или смещения по ним. Однако, глобальная природа избыточных напряжений, наведенных силами гравитации, предопределяет бесконечность этого процесса. Тектонические напряжения в скальных массивах постоянно сбрасываются путем деформации, но при этом никогда не могут быть исчерпаны до конца. Отсюда вытекает важное условие существования породных массивов в состоянии предельного равновесия.

Тектонические разломы являются природными регуляторами напряженного состояния земной коры, обеспечивающими деформацию скальных массивов и сброс избыточных тектонических напряжений. Понимание такой геомеханической роли тектонических разломов является ключом к изучению их гидрогеологических и инженерно-геологических свойств.

Для изучения тектонических разломов в геотектонике, тектонофизике и гидрогеомеханике широко используются методы геолого-структурного анализа. Суть методов заключается в восстановлении действующего поля напряжений путем анализа пространственной ориентировки деформационных структур – трещин и разломов, которые были сформированы под действием этого поля напряжений. Либо наоборот, определение возможной ориентировки разрывных нарушений в породном массиве на основании известных данных о современном поле напряжений на изучаемом участке.

Напряженное состояние породного массива может быть описано через ориентировку трех векторов главных нормальных напряжений. В геомеханике три ортогональных вектора отражают ориентировку осей максимального (σ1), промежуточного (σ2) и минимального (σ3) главных нормальных напряжений. Принимается условие σ1 > σ2 > σ3, все напряжения рассматриваются как сжимающие.

Интересно, что при описании современного напряженного состояния земной коры многие исследователи допускают произвольную ориентировку трех векторов главных нормальных напряжений в пространстве (рисунок 1) [9-11]. Так, вектора могут располагаться под некоторым углом к горизонтальной плоскости и к вертикали. Такая расстановка сил представляется не корректной.


Круги напряжений

Рисунок 1. Различные способы отображения ориентировки осей главных напряжений, расположенных под углом к горизонтальной плоскости.


Цепь ошибочных представлений о произвольной ориентировке векторов главных напряжений в пространстве восходит к традиционному определению главных нормальных напряжений. Так, главными считаются нормальные напряжения к трем произвольным ортогональным плоскостям, касательные напряжения на которых равны нулю. Такое определение заставляет искать в напряженном массиве некий произвольный куб, соответствующий данным условиям. Таким образом, главные напряжения воспринимаются как некая абстракция.

Между тем, теория внутреннего трения базируется на законе Кулона. В своих рассуждениях великий французский учёный и инженер Ж.-О. Кулоном, прежде всего, оперировал понятиями силы. По результатам многочисленных опытов Кулон убедился, что сила трения не зависит от площади контакта двух плоскостей. Сила трения определяется весом тела и коэффициентом трения. Однако, площадь контакта определяет силу сцепления. Для того, чтобы учесть сцепление и перейти от точечного вектора, описывающего действие силы, к площади, Кулоном был вынужден ввести понятие напряжения, как силы, рассредоточенной по плоскости [2].

Таким образом, мы должны понимать, что напряжение – это не абстрактная величина. Напряжение возникает в результате реального силового воздействия и полностью зависит от величины силы и от ориентировки ее вектора.

Обратимся к простейшему опыту, на основании которого построены все методики определения ориентировки трещин скола в породных массивах и методики определения ориентировки осей главных напряжений по результатам геолого-структурного анализа. Это опыт одноосного сжатия/ растяжения, когда образец породы помещается под пресс и нагружается до момента образования трещины и разрушения (рисунок 2).


Одноосное сжатие, растяжение

Рисунок 2. При испытании на одноосное сжатие (а) или на разрыв (б, в) сила давления пресса соответствует ориентировке оси главного максимального напряжения σ1.


Всем известно, что в данном опыте направление основной действующей силы (сжимающей силы пресса) соответствует ориентировки оси главного максимального напряжения σ1. Плоскость скола, возникающая при разрушении образца, располагается под углом α к оси максимального главного напряжения σ1, параллельно оси промежуточного главного напряжения σ2. Плоскость самого угла скола α располагается в плоскости осей максимального и минимального главных нормальных напряжений σ1–σ3 [1].

Таким образом, когда мы проводим лабораторный опыт, на базе которого затем выстраиваем всю теорию внутреннего трения и из которого вытекает весь набор методических приемов по изучению структур деформации в породном массиве, мы видим и признаем, что ось главного напряжения строго совпадает с направлением основной действующей силы в системе. Однако, почему-то, когда мы переходим на изучение напряженного состояния породного массива, мы начинаем размещать оси главных напряжений произвольно, не пытаясь понять, как ориентированы основные действующие силы в земной коре.

Как уже говорилось выше, основной действующей силой в земной коре, определяющей ее существование в условиях напряженно-деформированного состояния, является сила тяжести. Как следствие, один из трех векторов главных нормальных напряжений всегда должен совпадать с вектором силы тяжести. Это, в свою очередь, предопределяет строго горизонтальную ориентировку двух других векторов.

В принципе, сама сила трения в базовой теории Кулона зависит именно от силы тяжести. Если мы игнорируем силу тяжести и размещаем оси главных нормальных напряжений под произвольным углом к горизонтальной плоскости, мы противоречим базовым теоретическим представлениям. Наши построения теряют физический смысл.

В свою очередь, правильное расположение осей главных нормальных напряжений создает широкие возможности для анализа пространственной ориентировки тектонических разломов в скальном массиве. Это позволяет избежать ошибочных представлений о том, что движение по разломам происходит хаотично и бессистемно и не подчиняется каким-либо закономерностям.

Построение роз-диаграмм на основании данных о простирании тектонических структур и линиаментов рельефа показывает, что набор тектонических структур в породном массиве образует сложную закономерную структуру. Такая деформационная структура является элементом самоорганизации скальных массивов в условиях постоянного воздействия избыточных напряжений и естественным условием их существования в состоянии предельного равновесия.

На основании розы-диаграммы пространственной ориентировки тектонических нарушений (рисунок 3) можно определить ориентировку оси главного максимального напряжения, как основной действующей силы в породном массиве, а также определить кинематику смещения по тектоническим разломам и степень их активизации в современном поле напряжений [12].


Рисунок 3. Роза-диаграмма пространственной ориентировки активных тектонических нарушений. Роза-диаграмма отражает азимуты простирания тектонических структур в горизонтальной плоскости, длинна пиков соответствует суммарной длинне тектонических разломов с соответствующим азимутом простирания в выбранном масштабе.
1 - Раздвиги и сбросы (соответствуют ориентировке оси главного максимального напряжения σ1); 2 - Левые хрупкие сдвиги; 3 - Левые хрупко-пластичные сдвиги; 4 - Правые хрупкие сдвиги; 5 - Правые хрупко-пластичные сдвиги; 6 - Надвиги (соответствуют ориентировке оси главного промежуточного напряжения σ2). Ось главного минимального напряжения σ3 ориентирована вертикально.


Если дополнить эти сведения данными полевых гидрогеологических исследований, можно с высокой долей вероятности прогнозировать проявление водоносных или, наоборот, водоупорных свойств тектоническим разломом с той или иной пространственной ориентировкой. Таким образом, зная азимуты простирания тектонических нарушений и характеристики напряженного состояния скального массива, можно выдвигать предположения о гидрогеологических свойствах разломов и строить прогнозные модели гидрогеодинамической структуры скальных массивов.


 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тагильцев С.Н. Основы гидрогеомеханики скальных массивов. Учебное пособие. – Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2003.

2. Тагильцев С.Н. Базовые понятия геомеханики – трение и деформация. // Геомеханика в горном деле: докл. науч.-техн. конф. 12 – 14 октября 2011г. – Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2012. – С. 3–12.

3. Влох Н.П. Управление горным давлением на подземных рудниках. – М.: Недра, 1994. - 207 с.

4. Макаров А.Б. Практическая геомеханика. Пособие для горных инженеров. – М.: изд-во «Горная книга», 2006. – С. 41–61.

5. Петухов И.М., Батугина И.М. Геодинамика недр. – М.: Недра, 1996. - 217 с.

6. Шерман С.Н., Днепровский Ю.И. Поля напряжений земной коры и геолого–структурные методы их изучения. – Новосибирск: Наука, 1989. – С. 41.

7. Катаев В.Н. Модель зональности деформационных режимов гидросферы. В кн.: Проблемы гидрогеологии XXI века: Наука и образование (к 50-летию каф. гидрогеологии МГУ), М., Изд. Российского университета дружбы народов, 2003. – С. 94–105.

8. Зубков А.В. Бирючев И.В. Криницын Р.В. Исследования изменения напряженно-деформированного состояния массива горных пород // Горный журнал. – 2012. - №1.

9. Сим Л.А., Жиров Д.В., Маринин А.В. Реконструкция напряженно-деформированного состояния восточной части Балтийского щита // Геодинамика и тектонофизика. – 2011. В. 2. № 3. – С. 219–243.

10. Гзовский М.В. Основы тектонофизики. – М.: Наука, 1975. – 375 с.

11. Ребецкий Ю.Л. , Михайлова А.В., Осокина Д.Н., Яковлев Ф.Л. Тектонофизика. В кн.: Планета Земля. Энциклопедиционный справочник. Том “Тектоника и геодинамика”. Под ред. Л.И.Красный, О.В.Петров, Б.А.Блюман. – СПб.: Изд-во ВСЕГЕИ, 2004. – 652 с.

12. Тагильцев С.Н., Лукьянов А.Е. Гесмеханическая роль тектонических разломов и закономерности их пространственного расположения. // Геомеханика в горном деле: докл. науч.-техн. конф. 12 – 14 октября 2011г. – Екатеринбург: ИГД УрО РАН, 2012. – С. 26–39.

 


При копировании материалов, представленных на сайте, ссылка на первоисточник обязательна.


НАШИ КОНТАКТЫ

КАРТА САЙТА

Наши публикации

На главную


Яндекс.Метрика
Форма входа
Поиск
Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz
  • Copyright MyCorp © 2017
    Создать бесплатный сайт с uCoz