В статье приведены данные по изучению напряженного состояния геологической среды методами геолого-структурного и геомеханического анализа. Выполнено сопоставление полученных данных с результатами прямых инструментальных наблюдений по материалам других авторов. Выявлено близкое сходство роз-диаграмм, построенных на основании анализа геологической карты г. Екатеринбурга, карты новейшей тектоники города, типовой розы-диаграммы ориентировки водоносных структур и розы-диаграммы, построенной на основании карты аварийности на городском водопроводе. Сделаны выводы о современном напряженном состоянии геологической среды г. Екатеринбурга при реализации условий субширотного сжатия. Также показана существенная роль современного геодинамического фактора при формировании гидрогеологических и инженерно-геологических условий геологической среды, деформации зданий и возникновении аварийных ситуаций на инженерных коммуникациях.

На сегодняшний день можно считать общепризнанным фактом, что земная кора на Урале находится в напряженно-деформированном состоянии. Установлено, что главные максимальные напряжения в породных массивах Уральского пояса имеют горизонтальную ориентировку [2-10]. Изучение напряженного состояния земной коры имеет важное научное и практическое значение.

В соответствии с представлениями [10, 6], изложенными в рамках относительно нового научного направления «гидрогеомеханика скальных массивов» процесс деформации породного массива, образования массовых трещин и тектонических разломов с той или иной кинематикой смещения полностью зависит от пространственной ориентировки векторов главных нормальных напряжений, действующих в приповерхностной части земной коры в настоящее время. Современное напряженное состояние оказывает существенное воздействие на состояние и подвижность геологической среды. В поле современных тектонических напряжений значительная часть разломов проявляет геодинамическую активность. Активность разломов выражается в периодических разнонаправленных подвижках по тектоническим швам [8]. Эти подвижки, как правило, хорошо проявляются и в приповерхностном слое земной коры.

Изучение напряженного состояния горных пород с помощью прямых измерений проводилось в районах рудных месторождений силами ряда организаций, но основные результаты были получены специалистами Института горного дела УрО РАН. Данные, приведённые в работах [2, 4], свидетельствуют о том, что массивы горных пород находятся под воздействием значительных напряжений. Средние значения горизонтальных напряжений составляют 10-30 МПа, а иногда, особенно с глубиной, превышают 50 МПа. Азимуты действия главных нормальных максимальных напряжений находятся в диапазоне 230-300º, чаще встречаются азимуты от 260 до 290º. В частности для месторождений г. Березовский, Дегтярска, которые расположены в окрестностях Екатеринбурга, эти значения составляют 260 и 270º.

На ряде месторождений Урала гидрогеологами применен геолого-структурный метод анализа полей напряжений [7, 9]. На основании этого метода в результате многолетних исследований, направленных на изучение проницаемости скальных массивов, установлена закономерность пространственной ориентировки активных водоносных зон и составлена типовая роза-диаграмма (рис. 1а) [7, 9]. Результаты исследований показывают, что деформационные структуры в породных массивах образуются под действием главного нормального максимального напряжения, ориентированного по двум сопряженным направлениям. Вероятно, это связано с тем, что главное нормальное максимальное напряжение периодически изменяет направление воздействия, переключаясь на угол 25-30º, соответствующий величине характерного угла скола для скальных пород (α = 45º - φ/2).

Рис. 1. Розы-диаграммы: а) типовая диаграмма ориентировки водоносных тектонических структур; б) диаграмма, построенная по данным геолого-структурной карты Левитана Г.М.; в) диаграмма по данным карты новейшей тектоники Гуляева А.Н.; г) диаграмма по данным карты аварийности на городском водопроводе.

На разных объектах азимуты двух направлений положения оси главного нормального максимального напряжения могут варьировать в пределах 10-20º, но всегда укладываются в два диапазона: 255-275º и 285-305º. Развитие сразу двух «наборов» деформационных структур (массовых трещин и разломов) с отклонением на угол 25-30º является установленной особенностью напряженного состояния скальных массивов. Предположительно, наличие двух «комплектов» структур, отстоящих на характерный угол скола 25-30º позволяет реализовать большее количество степеней свободы для смещения по разломам и трещинам в процессе деформации породных массивов и, следовательно, является более выгодным с позиций энергетических затрат при работе тектонических напряжений.

В условиях напряженного состояния земной коры могут возникать, развиваться и активизироваться несколько основных типов тектонических нарушений - надвиги (взбросы), сдвиги, сбросы, раздвиги. Эти структуры имеют различную ориентировку (простирание) относительно направления действия главного максимального напряжения и различную кинематику смещения (см. здесь). Надвиги образуют с осью максимального напряжения прямой угол. Раздвиги и сбросы развиваются параллельно оси действия главного напряжения. При построении роз-диаграмм, лучи, отражающих простирание раздвигов (сбросов) и надвигов, образуют между собой угол в 90º. Это угловое соотношение является важным диагностическим признаком, позволяющим уточнять кинематический тип тектонических нарушений при анализе роз-диаграмм. Сдвиги, в зависимости от преимущественной реализации хрупкой или пластичной деформации могут образовывать с направлением действия главного максимального напряжения угол от 25 до 60º [9].

Результаты исследования сейсмической анизотропии в верхней части консолидированной коры Урала, представленные в работе [5] в целом, подтверждают субширотную ориентировку оси главных максимальных напряжений в массивах горных пород Урала.

Непосредственно на территории г. Екатеринбурга для выявления ориентировки осей главных максимальных напряжений были применены два метода геолого-структурного и геомеханического анализа, основанные на построении роз–диаграмм ориентировки разломов и построении круговых диаграмм трещиноватости. Оба метода учитывают тот факт, что главное максимальное напряжение может действовать по двум и более направлениям, отстоящим друг от друга на угол 25–35°.

В процессе исследований были проанализированы геологические карты города различных авторов, в том числе карта новейшей тектоники и схема современных активных тектонических нарушений. Необходимо отметить, что рисовка карт во многом отличается от широко используемой в Екатеринбурге геологической карты Кузнецова Б.И. (Рис. 2). Прежде всего, обращает на себя внимание большая загруженность карт элементами тектонических нарушений, в том числе ориентированных диагонально. Результаты геомеханического анализа ориентировки тектонических структур, показанных на данных картах, представлены в виде роз-диаграмм. Построение роз–диаграмм осуществлялось путём суммирования относительных длин линейных элементов в пределах одного диапазона азимутов простирания.

Результаты анализа ориентировки тектонических структур, показанных на геолого-структурной карте (авторы Г.М. Левитан, К.А. Ершова, Т.А. Кудрявцева, 1976) (Рис. 3) отражены на розе-диаграмме (рис. 1б) . На диаграмме можно выделить наиболее выраженные (длинные) лучи, а также слабо выраженные (короткие) лучи. Длинные лучи отражают простирание наиболее распространённых и протяжённых структур. Ориентировки этих пиков укладываются в диапазоны азимутов 305 - 325º, 355 - 15º, 35 - 55º. Слабо выраженный пик соответствует азимуту 285º. Изложенные выше закономерности напряжённого состояния геологической среды на Урале, а также угловые соотношения, характерные для различных типов разломов, позволяют выявить генезис структур. Следует полагать, что ось главного максимального напряжения ориентирована по азимуту 285º. Структуры, имеющие данную ориентировку, связаны с развитием таких тектонических разломов, как раздвиги (сбросы). С раздвигами (сбросами) образуют прямой угол надвиги (азимут линеаментов - 15º). Однако, основными структурами на данной розе-диаграмме являются сдвиги, имеющие среднее простирание 315 и 45º.

На карте новейшей тектоники г. Екатеринбурга (основной автор А.Н. Гуляев, 1998) (Рис. 4) [1], показаны предполагаемые зоны нарушения сплошности верхней части земной коры, выявленные по анализу рельефа дневной поверхности. Результаты анализа ориентировки этих структур представлены также в виде розы–диаграммы (рис. 1в) . Главное максимальное напряжение ориентировано по азимутам 265 и 295°. Основными структурами являются сдвиги, имеющие среднее простирание 305 и 45º. На диаграмме отразились также линеаменты, имеющие азимуты 335 и 355º.

На схеме современных активных тектонических нарушений (авторы С.Н. Тагильцев, А.Ю. Осипова, 2009) отображены структуры, выявленные по результатам анализа аварий на линии городского водопровода (см. здесь) . Результаты анализа ориентировки данных структур отражены на розе-диаграмме (рис. 1г) . На диаграмме представлены пики: 260º, 285º, 305-325º, 355º, 150-25º. Можно предполагать, что главное максимальное напряжение ориентировано по азимуту около 260º. Существенно менее интенсивно проявляется вспомогательное направление действия напряжений ориентированное по азимуту 285º. По направлению, параллельному ориентировке главного напряжения, развиваются сбросо-раздвиги. Преобладающий азимут этих структур 255-265º, слабее выражена ориентировка этих структур по азимуту 285º. Активные сдвиги левой кинематики развиваются по направлению 305-325º. Сдвиги правой кинематики развиваются по направлению 15-25º. По направлению, перпендикулярному ориентировке главного напряжения, развиваются надвиги. Преобладающий азимут этих структур 355º.

При сравнении нескольких роз-диаграмм (см. рис. 1) становится очевидным, что полученные угловые соотношения ориентировки активных тектонических нарушений выполняются для всех четырех случаев. Основные пики на всех диаграммах имеют одни и те же азимуты простирания. Это означает, что наличие водоносных зон, также как и наличие подвижных линейных зон, в пределах которых происходит основная масса аварий на городском трубопроводе, связано исключительно с пространственным расположением активных (подвижных) тектонических разломов. Таким образом, фактор геодинамической активности во многом является определяющим при формировании гидрогеологических и инженерно-геологических условий скальных массивов.

Наравне с анализом пространственной ориентировки линейных элементов, связанных с тектоническими разломами, было выполнено изучение трещиноватости скальных массивов на территории г. Екатеринбург. На двух точках наблюдения в пределах Уктусского габбро-перидотитового массива и на одной точке наблюдения в пределах Шарташского гранитного карьера были выполнены массовые замеры пространственной ориентировки трещин (порядка 100 замеров на каждой точке наблюдения) и построены круговые диаграммы трещиноватости.

Обработка данных полевых измерений и анализ трещиноватости породных массивов выполнялись с использованием ряда специальных методических приемов. В основе этих методов лежат представления о генезисе трещин и геодинамической этажности земной коры [9]. Основной практический приём состоит в раздельном вынесении на круговые диаграммы субвертикальных (угол падения > 70°) и наклонных (угол падения < 70°) трещин. Элементы залегания субвертикальных трещин выносятся в азимутах простирания, а наклонных – в азимутах падения. При использовании этого методического приема системы трещин отрыва, скола и скольжения образуют на круговой диаграмме определенную генерацию (пояс трещин), совпадающую с направлением действия главного максимального напряжения. Особенность использования данных по субвертикальным трещинам состоит в том, что субвертикальные трещины представлены не только трещинами отрыва, но и трещинами сдвига, имеющими иные угловые соотношения с направлениями действующих напряжений. В связи с этим, достоверные определения следует производить по наклонным трещинам в диапазоне угла падения от 20° до 70°[9].

Анализ данных измерений трещиноватости, выполненный в соответствии с принятой методикой, позволяет сделать выводы об ориентировке главных нормальных максимальных напряжений.

Распределение трещин в породах Шарташского карьера и Уктусского массива имеет общие закономерности. На всех диаграммах можно выделить два направления действия главного нормального максимального напряжения σ₁ с азимутами порядка 255-260°, 285-295°. Им соответствует направления действия главного промежуточного напряжения σ₂ с азимутами соответственно около 345-350°, 190-200°. В данной статье приводится диаграмма трещиноватости гранитов Шарташского карьера (рис. 2).

Субвертикальные трещины образуют ряд отдельных генераций, которые могут быть как трещинами отрыва, так и трещинами сдвига. Следует полагать, что генерации субвертикальных трещин, совпадающие с направлениями максимальных действующих напряжений, такие как 260°–270°, 280°–290° в поле современных напряжений проявляются преимущественно как трещины отрыва. Трещины в генерациях 220°- 230°, 310°–330° отражают сдвиговые перемещения.

В целом, данные по ориентировке осей главных нормальных напряжений, полученные при изучении трещиноватости скальных массивов имеют высокую сходимость с данными, полученными при линеаментном анализе геологической карты, карты новейшей тектоники и карты аварийности на водопроводе. Анализ трещиноватости и линеаментный анализ тектонических разломов дополняют друг друга и создают возможность дополнительной проверки полученных результатов.

Таким образом, на основании полученных фактических данных были сделаны следующие выводы:

1. Породные массивы на территории Екатеринбурга в настоящее время находятся в геодинамическом напряженном состоянии с преобладанием субширотного сжатия. Главное максимальное напряжение ориентировано по одному из двух направлений с азимутами около 260 и 290°. Такая ориентировка оси главного напряжения полностью согласуется с данными прямых наблюдений в горных выработках [2, 4]. Уровень горизонтальных напряжений, по аналогии с изученными объектами, оценивается примерно в десятки МПа и более.

2. В условиях современного напряженного состояния земной коры в геологической среде города развиваются активные тектонические нарушения. По направлению, параллельному ориентировке главного нормального максимального напряжения, развиваются сбросо-раздвиги. Преобладающий азимут этих структур 255-265º, слабее выражена ориентировка этих структур по азимуту 285º. Активные сдвиги левой кинематики развиваются по направлению 305-325º. Сдвиги правой кинематики развиваются по направлению 195-220º. Ориентировка надвигов составляет прямой угол с осью действия главного нормального максимального напряжения. Преобладающий азимут этих структур 355º, направление 15-25º выражено слабее.

3. Тектонические нарушения представляют собой неблагоприятный фактор при эксплуатации зданий и сооружений на территории города [3,7,9]. Наиболее уязвимыми для воздействия активных разломов являются линейные инженерные сооружения, больше всего страдает городской водопровод. Установленные закономерности позволяют выработать методы анализа с определением кинематического типа структур, направления их движения и, вследствие этого, разработать рекомендации по минимизации воздействия активных тектонических структур на инженерные сооружения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Винокурова М.В., Кузьмин С.В., Чирков В.И., Васильева Л.Д., Лыжина Н.В. Экологический атлас г. Екатеринбурга / Администрация МО «Город Екатеринбург», комитет по экологии и природопользованию, Автономная некоммерческая организация «Уральский региональный центр экологической эпидемиологии», Екатеринбург, 2005. – С. 27-28. 2. Влох Н. П. Управление горным давлением на подземных рудниках. – М.: Недра, 1994. – 208 с. 3. Гуляев А.Н. и др. Современные активные зоны нарушения сплошности верхней части земной коры на территории Екатеринбурга. // Инженерная геология. – Март 2008. – С. 13–16. 4. Зубков А. В. Геомеханика и геотехнология. – Екатеринбург: УрО РАН, 2001. – 335 с. 5. Кашубин С.Н. Сейсмическая анизотропия и эксперименты по ее изучению на Урале и Восточно-Европейской платформе. Екатеринбург: УрО РАН, 2001. – 181 с. 6. Короновский Н.В. Напряженное состояние земной коры. // Соросовский Образовательный журнал. – 1997. - №1 – С. 50-56. 7. Лукьянов А.Е. Гидрогеомеханический анализ ориентировки водоносных тектонических структур в скальных породах Петропавловского рудного поля // Изв. Вузов. Геология и разведка. – 2008. - №6 – С. 84–85. 8. Сашурин А.Д., Боликов В.Е. Геодинамический фактор риска аварий и катастроф в комплексном освоении подземного пространства г. Екатеринбурга. // Труды Международной конференции. Екатеринбург, 18-20 мая 2004. – С. 90-93. 9. Тагильцев С.Н. Основы гидрогеомеханики скальных массивов. Учебное пособие. – Екатеринбург: Изд-во УГГГА, 2003. 10. Тагильцев С.Н., Дёмина А.Ю., Лукьянов А.Е. Оценка тектонической опасности геологической среды. // Материалы научно-практической конференции 16-17 июля 2009. – С. 116-120.

 

На главную