WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

1. Основные представления гидрогеомеханики скальных массивов

В первой главе рассматриваются современные представления о напряженном состоянии земной коры. Приводятся взгляды различных авторов на проблему напряженно–деформированного состояния породных массивов, ориентировку главных напряжений в приповерхностной части скальных массивов, в зоне взаимодействия с инженерными сооружениями и объектами горных предприятий. В качестве основной теоретической базы показаны основные представления гидрогеомеханики скальных массивов. Рассмотрены механизмы образования трещин и тектонических разломов, причины и структура геодинамической этажности земной коры. Приведены данные об изменении трещиноватости скальных массивов с глубиной.

В настоящее время можно считать общепризнанным, что скальные массивы в большинстве регионов находятся в геодинамическом (тектоническом) напряженно–деформированном состоянии (НДС) (И.М. Петухов; И.М. Батугина, 1996; С.Н. Тагильцев, 2003). Отличительная особенность этого состояния заключается в том, что в приповерхностной части литосферы главное максимальное сжимающее напряжение (1) ориентировано горизонтально, а минимальное напряжение (3) в пределах определенной приповерхностной зоны имеет вертикальную ориентировку (С.И. Шерман; Ю.И. Днепровский, 1989; С.Н. Тагильцев, 2003; А.Б. Макаров, 2006).

Результаты прямых измерений напряженного состояния на Урале проводились сотрудниками ИГД УрО РАН. Данные, приведенные в монографиях Н.П. Влоха (1994) и А.Д. Сашурина (1999), 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. Практически не зафиксированы напряжения, которые соответствуют геостатическим закономерностям распределения напряжений. Известны случаи проявления напряженного состояния, начиная с глубины 50–100 м (А.Б. Макаров, 2006).

Трещиноватость скальных массивов является результатом воздействия напряжений. Массовые трещины представляют собой структуры предразрушения, образование которых происходит в результате дилатансионного разуплотнения пород при протекании процессов хрупкой деформации. Тектонические разломы являются структурами разрушения скального массива и могут рассматриваться в качестве укрупненной сколовой трещины. Мощность тектонического шва разлома и степень проработки пород зависят от соотношения хрупкой и пластичной деформации, имевших место при образовании и активизации разлома.

Направление тектонических движений определяется ориентировкой осей главных напряжений. Положение швов разломов относительно горизонтальной плоскости (субвертикальное или наклонное) предопределяется взаимной ролью главных напряжений. Формирование тектонических структур определенной кинематики связано с геодинамической этажностью земной коры.

Применительно к вопросам геоэкологии, наибольший интерес представляет верхний геодинамический этаж и приповерхностная зона хрупкой деформации. Мощность зоны хрупкой деформации, в зависимости от геомеханических свойств массива, составляет от 300 до 600 м. Ниже этой глубины в массивах горных пород начинают проявляться элементы пластической деформации. Для зоны хрупкой деформации характерно образование массовых трещин предразрушения. Эти трещины при определённых условиях формируют проницаемую взаимосвязанную сеть. Взаимосвязанная сеть трещин является основой для существования водоносных горизонтов в скальных массивах.

В массивах, залегающих вблизи поверхности, происходит хрупкая деформация горных пород, которая сопровождается образованием массовых трещин. Изменение напряженного состояния с глубиной приводит к изменению условий образования трещин, их характера и количества. Таким образом, геодинамическое напряженное состояние предопределяет фильтрационную структуру массивов скальных горных пород.

2. Фильтрационная структура скальных массивов

Рассматриваются особенности образования проницаемого пространства и формирования фильтрационной структуры скальных массивов. Описаны условия существования проницаемой среды трещинных коллекторов, указаны основные параметры проницаемого трещинного пространства. В рамках гидрогеомеханики скальных массивов приводятся данные о закономерном изменении фильтрационных свойств с глубиной. Рассмотрено влияние активных тектонических нарушений на проницаемость массивов скальных горных пород и изменение фильтрационных свойств в зоне тектонического шва в зависимости от возраста, амплитуды смещения и пространственной ориентировки разлома.

Фильтрационные свойства скальных массивов имеют сложную пространственную структуру, которая тесно связана с механизмом образования открытых проницаемых трещин. Особенности формирования фильтрационной структуры массивов связаны также с условиями движения подземных вод в пространстве трещинных коллекторов.

Отдельная трещина не может существовать в раскрытом состоянии длительное время. Геостатическое и геодинамическое давление, осаждение минеральных солей, выпадение глинистых частиц являются основными факторами, которые способствуют закрытию трещин. Высокие фильтрационные свойства скальных пород сохраняются за счет образования новых трещин или постоянного подновления существующих в результате современного тектонического воздействия.

Хотя фильтрационные свойства скальных массивов связаны с открытыми трещинами, не следует предполагать наличие прямой связи между количеством открытых трещин и свойствами водоносных зон. Нередко можно наблюдать обратную зависимость между интенсивностью трещиноватости и фильтрационными свойствами пород. Главная причина этого состоит в том, что водопроводимость трещины определяется, прежде всего, степенью ее раскрытия. Водопроводимость зависит от кубической степени раскрытия. Влияние этой закономерности легко выяснить с помощью простого примера. Если сравнивать одну трещину и десять трещин, суммарное раскрытие которых равно раскрытию одной, то одиночная трещина обладает водопроводимостью, в 100 раз превышающей суммарную водопроводимость десяти трещин.

Взаимосвязанность отдельных трещин имеет важное значение для распределения гидродинамических свойств скальных массивов. Водопроводимость целого горизонта может определяться единичной устойчивой траекторией фильтрации воды в сложном трехмерном лабиринте трещин. Закрытие какой–либо одной проводящей трещины может изменить эту траекторию. При этом на первый план могут выходить другие траектории движения, ранее занимавшие подчиненное положение. Таким образом, незначительные изменения в структуре трещинного пространства могут привести к существенным изменениям фильтрационных свойств скальных пород. В целом водопроводимость такой сложной системы зависит от величины раскрытия трещин и скорости фильтрации воды в точках пережима.

Фильтрационная структура скальных массивов зависит от трех основных параметров трещинного пространства: количества открытых трещин, величины их раскрытия и степени взаимосвязи. Тектонические разломы оказывают существенное влияние на проницаемость скальных массивов. Они могут проявляться в виде линейных зон различной протяженности и мощности, обладающих как повышенной, так и пониженной проницаемостью относительно средних показателей массива. Проявление разломами водоупорных или водоносных свойств зависит от их возраста, пространственной ориентировки и степени активизации в поле современных напряжений.

Высокая проницаемость зоны тектонического разлома является важнейшим показателем его современной активизации. В этом плане методы гидрогеологических исследований проницаемости скальных массивов являются наиболее значимыми. Помимо фильтрационных аномалий, пространственное положение тектонических зон можно определить и по увеличению миграции других флюидов, например, по увеличению объемной активности радона и других радиогенных газов.

В последнее время появился целый ряд исследований, связанных с изучением процессов выделения радиогенных газов (Е.Н. Рыбаков; А.В. Климшин, 2008; И.А. Козлова, 2008). Важной особенностью метода является тот факт, что радон имеет короткий период полураспада. Это позволяет говорить о современной активности тектонических нарушений в масштабе не геологического, а реального времени.

3. Общие сведения о Петропавловском рудном поле

Общие сведения о месторождении включают описание физико–географических, геологических, инженерно–геологических, гидрогеологических и геоэкологических условий месторождения. Медно–цинковое колчеданное месторождение «Юбилейное» открыто в 1966 году Юго–Восточной ГРЭ ПГО «Башкиргеология». Месторождение находится на территории Хайбуллинского района Республики Башкортостан, районный центр – г. Акъяр.

Месторождение располагается в центральной части Петропавловского рудного поля и имеет сложное геологическое строение. Верхняя часть разреза до глубины 40–90 м сложена рыхлыми осадочными отложениями юрского возраста. Под осадочной толщей залегают вулканогенные скальные породы палеозойского возраста. Рыхлые отложения представлены глинами, песками и галечниками со значительным включением глинистой фракции. Скальные породы палеозоя представлены лавами, лаво–брекчиями и туфами кислого, среднего и основного состава, а также породами, подвергшимися гидротермальному изменению. По материалам инженерно–геологических изысканий под шахтные стволы (О.М. Гуман, 2008), скальный массив в пределах месторождения был охарактеризован как однородный по прочностным и деформационным показателям.

4. Определение ориентировки осей главных напряжений

Описаны основные методы определения ориентировки осей главных напряжений. Приведены результаты геомеханического и геолого–структурного анализа, определена ориентировка осей главных напряжений для территории Петропавловского рудного поля.

Поисковые работы на подземные воды на территории Петропавловского рудного поля проводились в 2006 г. Изначально было ясно, что осадочная толща юрского возраста малопригодна для устройства питьевого водозабора в виду низких фильтрационных свойств рыхлых отложений и низкого качества подземных вод. Поэтому основные поисковые работы велись в восточной части Петропавловского рудного поля на участке выхода на поверхность скальных пород палеозойского возраста. Основной объем гидрогеологических исследований выполнялся в долине р. Таналык и в примыкающем к ней с запада овраге «Скальный». Овраг «Скальный» представляет собой выраженную в рельефе тектоническую структуру и местами достигает глубины 8–10 м. Обнажения горных пород в стенках оврага несут многочисленные следы тектонических смещений в виде борозд и зеркал скольжения.

Методика поисковых работ на территории распространения скальных горных пород основана на выявлении проницаемых водоносных зон, связанных с участками повышенной трещиноватости тектонических разломов. Наиболее перспективными в гидрогеологическом отношении являются тектонические структуры, активные в современном поле напряжений. Для выявления активных тектонических нарушений необходимо знать ориентировку осей главных напряжений.

Геолого–структурные методы определения ориентировки осей главных напряжений базируются на изучении деформационных структур: трещин и разломов. В ходе исследований применялись два метода определения направления действия главного максимального напряжения, основанные на построении круговых диаграмм трещиноватости и построении роз–диаграмм ориентировки линейных элементов рельефа. Оба метода учитывают тот факт, что главное максимальное напряжение может действовать по двум и более направлениям, отстоящим друг от друга на угол 20–30°.

Построение круговых диаграмм трещиноватости проводилось на основании полевых данных, включавших 1022 замера пространственной ориентировки трещин на пяти обнажениях горных пород в пределах оврага «Скальный» и более 100 замеров в долине р. Бузавлык. При построении круговых диаграмм наклонные трещины (угол падения < 70°) следует наносить в азимутах падения, а субвертикальные (угол падения > 70°) – в азимутах простирания. В этом случае трещины отрыва, скола и скольжения образуют на круговой диаграмме прямолинейный пояс систем трещин, ориентировка которого совпадает с направлением современного силового воздействия на породный массив.

Результаты обработки круговых диаграмм трещиноватости показали, что главное максимальное напряжение (1) действует по двум основным направлениям, имеющим азимуты 260 и 285°. Нередко на диаграммах трещиноватости проявляется третье направление воздействия главного максимального напряжения с азимутом 240°, но оно, как правило, выражено более слабо.

Образование массовых трещин предразрушения может происходить при допредельном и предельном напряженном состоянии массива. В отличие от трещин, разломы являются структурами разрушения породного массива. Как и закономерности распределения трещин в массиве, ориентировка разломов также позволяет определить характер тектонического воздействия. Анализируя пространственное положение разрывных структур, можно определить направления воздействия основных тектонических сил.

Для определения ориентировки осей главных напряжений необходимо использовать разломы, которые по совокупности признаков можно рассматривать как образовавшиеся в современную геологическую эпоху или имеющие признаки современной активизации. Важнейшим показателем активизации древних тектонических структур и активности современных разломов является наличие повышенной проницаемости скальных пород для подземных вод и разнообразных флюидов.

Роза–диаграмма ориентировки линейных элементов рельефа восточной части Петропавловского рудного поля была построена с учетом данных маршрутного обследования. В ходе работ на поисковом участке был выделен ряд тектонических нарушений, имеющих признаки современной активизации. При помощи космического снимка были определены азимуты простирания и относительная длина каждого линейного элемента. Методика построения роз–диаграмм заключается в суммировании относительных длин линейных элементов, попавших на диаграмме в один диапазон азимутов простирания.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»