Ключевые слова

Вопросы для самопроверки

1. Почему нормальное залегание горных пород чаще всего горизонтальное?

2. Что такое пласт?

3. Чем отличается почва пласта от его подошвы?

4. Какое положение занимает висячий и лежачий бок относительно наклонного пласта?

5. Чем отличаются слойчатость и слоистость горных пород?

6. Как определить азимут направления?

7. Существует ли связь между азимутом простирания и углом падения пласта?

8. На какой угол отличаются азимуты падения и простирания любого пласта?

9. Что такое стратоизогипса?

10. Чем отличается горный компас от туристического?

11. Чем обусловлена группировка пластов по углам падения?

12. Как соотносятся различные виды мощностей пласта?

13. Чем обусловлена группировка пластов по мощности?

14. Какие пласты считаются относительно выдержанными?

15. Какова природа структурных несогласий?

16. Как залегают силлы относительно вмещающей толщи?

17. Что такое зальбанд?

18. На какую площадь могут распространяться лавовые покровы?

19. Какой вид имеют тела метаморфизованных пород контактово-термального генезиса?

20. Как возникают будины?

6. НАРУШЕННОЕ ЗАЛЕГАНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД

Земная кора вследствие эндогенных и экзогенных процессов постоянно испытывает колебательные и дислокационные движения, в ходе которых составляющие ее геологические тела могут подвергаться упругим, пластическим и хрупким деформациям в виде растяжения, сжатия, изгиба, кручения и разрыва.

Колебательные движенияявляются обратимыми и вызывают кратковременную упругую деформациюгеологических тел. Планетарные колебательные движения земной коры носят характер ежесуточных приливных волн в литосфере с амплитудой порядка 0,4 м и длиной волны в сотни километров. Локальные колебательные движения ощущаются при сейсмособытиях.

Под деформацией геологического тела понимают изменение относительного положения отдельных частей тела относительно друг друга. Любую деформацию можно свести к растяжению (сжатию) и сдвигу. Деформация горных пород может явиться следствием фазовых превращений, связанныхс изменением объёма, теплового расширения, намагничивания, проявления пьезоэлектрического эффекта или же результатом действия внешних сил. Деформация представляет собой результат изменения междуатомных расстояний и перегруппировки блоков атомов. Обычно деформация сопровождается изменением величин междуатомных сил, мерой которого является упругое напряжение.

Деформация называется упругой, если она исчезает после удаления вызвавшей её нагрузки, и пластической, если после снятия нагрузки она не исчезает. Способность материала деформироваться в конкретных условиях характеризует модуль Юнга. Несмотря на то, что величина упругих деформаций не превышает 0,1%, энергия упругого сжатия кристаллических пород может вызвать образование открытых трещин (хрупкую деформацию) в массиве кристаллических пород при снятии напряжения.

Все горные породы при деформации в большей или меньшей мере проявляют пластические свойства. Горная порода является упругой, т. е. не обнаруживающей заметных пластических деформаций, пока нагрузка не превысит предельной величины, при достижении которой без увеличения нагрузки происходит микроперемещение минерального вещества по кристаллическим решеткам минералов, межзерновое проскальзывание и перекристаллизация. Характер пластической деформации зависит от свойств и водонасыщенности горной породы, температуры, продолжительности действия нагрузки, скорости деформации. Например, хрупкие породы, имеющие низкую начальную пористость, в условиях трехосного неравномерного сжатия расширяются, а пластичные могут приобрести складчатое залегание. Если сжимающая нагрузка будет возрастать за пределом пластичности, образуются сколовые и отрывные трещины (хрупкая деформация).

Пластические и хрупкие деформации являются необратимыми и реализуются в ходе дислокационных движений при этом геологические тела приобретают нарушенное (вторичное)залегание.

Складки – волнообразные изгибы пластов без нарушения их сплошности. Основной причиной образования складок являются дислокационные тектонические процессы.

Складки могут быть выпуклыми и вогнутыми. Область перегиба пластов называется замком складки. Стороны складки – ее крылья. Пространство между крыльями называется ядром складки. По относительному возрасту горных пород в ядре и на крыльях различают антиклинальные и синклинальные складки. В ядре синклинали всегда залегают более молодые породы, чем на крыльях. В ядре антиклинали всегда залегают более древние породы, чем на крыльях. Чаще всего в антиклиналях выпуклость обращена вверх, а в синклиналях вниз. В крест простирания антинклинали могут чередоваться с противоположными им по направлению изгибами пластов — сиклиналями (рис. 34).

Крыло складки может одновременно принадлежать смежным синклинали и антиклинали.

Ядра складок являются зонами относительного сжатия массива горных пород, а замки зонами относительного растяжения (рис. 35). Условия ведения горных работ в замках и ядрах синклинальных и антиклинальных складок существенно различны. Условная поверхность, разделяющие напряжения разного знака в складке называется нейтральной поверхностью.

Рис. 35. Сопряженные складки в разрезе

Часто угольные месторождения приурочены к синклиналям, а нефтяные и газовые месторождения приурочены к антиклиналям.

По очертаниям в плане могут различаться: линейная антиклиналь (синклиналь), если длина её значительно превышает ширину; брахискладка, если длина несколько больше ширины; антиклинальный купол или синклинальная мульда, когда длина и ширина складки примерно одинаковы.

В горизонтальном срезе в местах замыкания (окончания) синклинальных и брахисинклинальных складок и в мульдообразных структурах слоистые толщи горных пород образуют дугообразные изгибы с наклоном слоев во все стороны к центру. Этот дугообразный изгиб носит название центриклиналь (рис. 36).

Рис. 36. Типы замыкания складок (В.Н. Павлинов)

В горизонтальном срезе в местах замыкания (окончания) антиклинальных и брахиантиклинальных складок и в куполообразных структурах слоистые толщи горных пород образуют дугообразные изгибы с наклоном слоев во все стороны от центра. Этот дугообразный изгиб носит название периклиналь (рис. 36).

Шарнир складки - линия, соединяющая точки перегиба слоя в замке складки. Если в складку смята серия слоев, то складка по каждому слою будет иметь серию шарниров. Поверхность, проходящая через серию шарниров, называется осевой поверхностью складки. Линия пересечения осевой поверхности с горизонтальной плоскостью – ось складки.Ось складки может быть криволинейной. Угол складки – двугранный угол, определяемый в плоскости перпендикулярной ее шарниру (рис. 37).

Рис. 37. Элементы складок

В зависимости от направления и наклона осевой поверхности и крыльев складка может быть прямой (осевая поверхность примерно вертикальна), а углы наклона крыльев примерно равны; косой (осевая поверхность наклонная, а крылья падают в разные стороны), опрокинутой (осевая поверхность наклонная, а крылья падают в одну сторону), лежачей (осевая поверхность примерно горизонтальна); симметричной или асимметричной; по углу складки остро- и тупоугольной, по форме замка коробчатой, веерообразной, килевидной; по соотношению мощностей слоев в замках и на крыльях концентрической (параллельной) (рис. 38). По положению осевой поверхности к крыльям складка может быть симметричной и асимметричной.

Рис. 38. Виды складок. 1-3 в разрезе. 1 – по наклону осевой плоскости: а – прямая, б – наклонная, в – опрокинутая, г – лежачая; 2 – по форме замка: а – острая, б – округлая, в – изоклинальная, г, сундучная (коробчатая), д – веерообразная; 3 – по соотношению мощности слоев на крыльях и в замках: а – параллельная (концентрическая), б – подобная, в – дисгармоничная.

4 – по форме в плане: а – линейная, б – брахиформная, в – изометричная, г – изогнутая и разветвленная

Геометрическими параметрами складок являются протяженность, ширина, высота оцененные по конкретному слою; двугранный угол, образованный крыльями складки; а также угол наклона осевой поверхности и крыльев (от едва заметного до вертикального). Линейные размеры складок колеблются от долей метра (волнистость) до многих километров.

Изменчивость залегания пластов в замках складок оценивают радиусом кривизны R складки, вычисленным по формуле:

R = (d² + t²)/2t, м,

где d – половина длины хорды изогнутой части складки, м;

t – стрела прогиба, м.

Складки могут образовываться как после, так и во время накопления осадков. Для складок возникших после накопления осадков характерна выдержанная мощность как толщи в целом, так и отдельных пластов. Конседигенная (синседиментационная) складчатость развивается одновременно с накоплением осадков в погружающихся морских и внутриматериковых бассейнах осадконакопления. Характерные признаки таких складок — уменьшение мощности слоев и переход от более глубоководных (глины, мергели, тонкозернистые известняки, кремнистые породы) к более мелководным (пески, обломочные или органогенные известняки) отложениям от замков синклиналей к сводам антиклиналей.

При литификации[114] и метаморфизме стратифицированной толщи из-за неравномерной усадки различных пород могут возникнуть складки нетектонической природы. Складки магматогенных и метаморфогенных толщ называют синформами (аналог синклинали) и антиформами (аналог антиклинали).

Кроме складок в ходе пластической деформации пласты горных пород могут сформировать флексуру. Флексура - тектоническая структура, в которой слой или слоистая толща претерпевают два резких взаимопротивоположных изгиба. Флексура состоит из 5 элементов: двух изгибов (колен) и трёх крыльев (двух крайних – опущенного и приподнятого за пределами изгибов и смыкающего – между изгибами). Крылья флексуры имеют наклон в одну сторону.

Каждый элемент флексуры характеризуется собственными параметрами залегания, соотношение которых определяет многочисленные разновидности флексур (рис. 39). Флексуры распространены на платформах и в складчатых областях.

Рис. 39. Ориентировка крыльев наклонной флексуры (БСЭ)

При наклонном положении пластов без перегибов говорят об их моноклинальном залегании.

При напряжениях, превышающих силы межатомного, молекулярного или ионного притяжения, механические микродефекты горных пород развиваются в системы закономерно ориентированных трещин скола и отрыва. Сколы в горных породах с амплитудой смещения крыльев более 10 см обычно относят к разряду разрывов.

Разрывное нарушение (дизъюнктив) – нарушение сплошности массива горных пород, фиксируемое по относительному перемещению разобщенных частей массива (крыльев) по поверхности скола (сместителю). Крыло разрыва расположенное под сместителем называется лежачим, а расположенное над сместителем висячим. Гладкая поверхность хрупкого разрушения горных пород, возникшая при тектонических движениях или оползнях – зеркало скольжения. На зеркале скольжения могут быть заметны штрихи (следы, борозды) скольжения, ориентированные по направлению перемещения крыльев разрывного нарушения и поперечно ориентированная ступенчатость и ребристость.

Характер проявления хрупкой деформации определяется с одной стороны составом, строением, свойствами и состоянием массива горных пород, а с другой стороны, величиной и длительностью действующих напряжений. Объемное напряженное состояние твердых тел предшествующее разрушению аппроксимируется эллипсоидом напряжений, отображающим соотношения и положения в пространстве т. н. главных нормальных сжимающих напряжений (ГНСН). Три разновеликие ортогональные оси ГНСН в геологии принято обозначать σ₃ (максимальное), σ₂ (среднее) и σ₁ (минимальное). Ориентировка осей σ₃ и σ₁ определяет положение сместителя нарушения в пространстве, направление относительного перемещения крыльев и кинематический тип разрывов. Различают следующие основные кинематические типы разрывов: сбросы, взбросы и сдвиги.

Сброс – разрывное нарушение, у которого опущенным, относительно лежачего, является висячее крыло. Сместитель падает в сторону опущенного крыла. При образовании сбросов главное нормальное сжимающее напряжение перпендикулярно поверхности крыльев, а минимальное горизонтально. Для сбросов в плане характерно разобщение крыльев (зияние) (рис. 38а).

Рис. 38. Связь ориентировки осей эллипсоида напряжений и кинематических типов разрывных нарушений (по Е. Андерсону с изменениями)

Взброс – разрывное нарушение, у которого поднятым, относительно лежачего, является висячее крыло. Сместитель падает в сторону поднятого крыла. При образовании взбросов главное нормальное сжимающее напряжение параллельно поверхности крыльев, а минимальное вертикально. Для взбросов в плане характерно сдвоение (перекрытие) крыльев (рис. 38б). Пологий взброс называют надвигом.

Сдвиг – разрывное нарушение с преимущественно горизонтальным смещением крыльев. При образовании сдвига главные нормальные сжимающее и растягивающее напряжения субгоризонтальны (рис. 38в).

При наклонном положении осей σ₃ и σ₁ образуются сбросо-сдвиги и взбросо-сдвиги. Кинематическая классификация разрывных нарушений является универсальной и может применяться для описания хрупкой деформации горных пород любого состава.

Специфика инженерно-геологических изысканий, геологического картирования и разведки месторождений обуславливает фрагментарность наблюдений и документации разрывных нарушений и трассировку разрывов, как правило, на интуитивной основе. В большинстве случаев информация о разрывном нарушении сводится к графическому представлению главного элемента разрыва – сместителя в произвольном сечении как линии с указанием элементов залегания и амплитуды смещения. Иногда для крупных нарушений выполняют построение изогипс сместителей, что дает некоторое представление об их морфологии, но не позволяет судить об их форме, конечных размерах и характере изменения амплитуд смещения.

Особенности геологического строения угленосных толщ (многопластовость и выдержанность), а также широкий фронт горных работ в плане и разрезе позволили на фактическом материале эксплуатационной разведки шахтных полей угольных бассейнов России и ближнего зарубежья с высокой достоверностью провести моделирование разрывов различных типов и рангов.[115] Модельные представления о разрывных нарушениях, разработанные в лаборатории шахтной геологии института ВНИМИ прочно вошли в базовый курс обучения горных вузов[116], нашли признание у специалистов[117], стали классическими[118] и апробированы на рудных месторождениях[119].

За основу построения модели сместителя одиночного разрыва предложенной А.С. Забродиным были приняты изоамплитуды смещения, как основного параметра, физически определяющего наличие разрыва. Результаты геометризации сместителей разрывов на ряде шахт Прокопьевского и Анжерского районов Кузбасса приведены на рис. 39 и 40.

Рис. 39. Модель сместителя сдвига по данным отработки крутопадающих пластов ш. «Зенковские уклоны». а) – совмещенный план гор. 260 (1) и 220 (2); б) – часть модели, построенная по фактическим данным; в) – проекция фактической и прогнозной (пунктир) частей сместителя; 3 – линии скрещения пластов и сместителя; 4 – изоамплитуды. А, Б, С – нулевые амплитуды смещения

Обобщение опыта геометризации разрывных нарушений позволило сформулировать следующие постулаты: относительное перемещение крыльев разрыва происходит по сместителю в противоположных направлениях; изменение амплитуды смещения носит закономерный характер от максимума до нуля во всех направлениях; сместитель разрывного нарушения независимо от условий залегания и его кинематического типа может быть оконтурен нулевой изоамплитудой замкнутой по эллипсу (рис. 41); величина максимальной истинной амплитуды смещения ориентированной по штрихам скольжения тесно коррелирует с параметрами сместителя.

Рис. 40. Модели сместителей на шахтных полях: а), б) и г) – ш. «Коксовая», в) ш. им. Ворошилова, д) ш. им. Калинина, е - з) – ш. «Судженская»; пласты: I – I Внутренний, II - II Внутренний, III - III Внутренний, IV - IV Внутренний, Хар. – Характерный

Параметры сместителя определяются максимальной истинной амплитудой перемещения[120](R) и двумя ортогональными осями (большой L ималой H) (рис. 40). Величина максимальной истинной амплитуды смещения пропорциональна количеству энергии затраченной на хрупкое разрушение массива горных пород и пропорциональна суммарной деформации массива пород по направлению перемещения крыльев разрыва (ось Н).

Н = R/λ (1),

где λ - коэффициент предельной остаточной деформации массива пород.

Значения λ изменяются от 0,03 для слабых пород до 0,07 для прочных пород (среднее 0,05).

Между осями L и H сместителя выявлена следующая статистическая зависимость:

L = k H (2),

где k – коэффициент пропорциональности, изменяющийся от 2 для изотропного и до 6 для существенно анизотропного массива горных пород (среднее 3).

Рис. 41. Схематизированные структурно-геометрические модели сместителей сброса

(а - шахта «Судженская») и сдвига (б – шахта «Коксовая»)

Тогда:

L = (k/ λ) R (3)

H = 20 R (4)

L = 60 R (5)

R: H: L = 1: 20: 60 (6)

Соотношение (6) выдержано для разрывов различного ранга, что позволяет использовать его для оценки конечных размеров разрывных нарушений по величине максимальной амплитуды перемещения. Наиболее точно размеры сместителя устанавливаются в случае, если они вскрываются на нескольких горизонтах или пластах, а амплитуда прослеживается от нуля через максимум до нуля (рис. 38, 39).

Из модели сместителя следует, что амплитуда и протяженность разрыва в произвольном сечении зависит не только от ранга разрыва, но также от ориентировки и удаления сечения от центра сместителя. Максимальную протяженность имеет сечение, проходящее через центр сместителя. Направление развития и затухания сместителя определяется пространственной ориентировкой осей.

Наблюдениями установлено, что следы скольжения на сместителе располагаются параллельно оси H. У нормальных сбросов и взбросов ось H совпадает с линией падения–восстания, а ось L с линией простирания сместителя; у сдвигов ось L близка к вертикали, а ось H совпадает с простиранием сместителя. У взбросо- и сбросо-сдвигов оси сместителей занимают промежуточное положение между линиями падения и простирания. Зная направление перемещения крыльев и распределение амплитуд разрыва по сместителю, можно определить ориентировку его осей в пространстве и максимальное развитие нарушения на глубину.

По документации эксплуатационной разведки шахтных полей установлено, что у каждого разрывного нарушения существует зоны влияния, в пределах которой отмечено изменение состава, свойств, строения и состояния массива горных пород, а также характера связей фрагментов массива горных пород, слагающих крылья разрывов. Эти изменения на мезоуровне проявляются в динамометаморфизме пород (например, образовании тектонитов[121]), развитии приразломной трещиноватости, понижении прочности и изменении устойчивости пород, что обуславливает реализацию динамических явлений в горных выработках в пределах этих зон. Ширина зон влияния разрывов, выделяемых по этим показателям различна, наиболее широкую зону влияния образуют содизъюнктивные трещины.

Наличие зон влияния в крыльях разломов дает основание для выделения третьей оси системы разрыва, которая нормальна к сместителю и определяет ширину зоны влияния нарушения (B). По трем взаимно перпендикулярным осям модель разрывного нарушения можно представить в виде эллипсоида. Объемную модель разрыва принято называть эллипсоидом смещения(рис. 42).

Рис. 42. Эллипсоид смещения –

объемная модель разрывного нарушения

Соотношение ширины зоны содизъюнктивной трещиноватости (B_тр) по нормали к сместителю в обоих крыльях разрыва с максимальной амплитудой смещения (R) примерно составляет:

B_тр = 10R (7)

Конечные размеры эллипсоида смещения определяются из эмпирического отношения:

R:В_тр:H:L=1:10:20:60 (8)

Вследствие закономерного характера хрупкой деформации земной коры для одиночных разрывов разных кинематических типов и порядков отношение 8 является достаточно выдержанным. Частота содизъюнктивных трещин уменьшается по мере удаления от сместителя разрыва. Наиболее трещиновата зона на расстоянии примерно равная одной максимальной истинной амплитуде смещения, ориентированная по нормали к сместителю[122].

Так как механизм формирования разрывов не зависит от формационной принадлежности участка недр, можно полагать, что модельные представления, полученные при изучении тектоники ряда угольных месторождений, могут считаться типовыми. Приведенные выше формулы представляют собой математическую модель одиночного разрывного нарушения и не характеризуют линейную структурную зону разлома, представленного совокупностью кулисообразно расположенных единичных разрывов.[123] Наиболее надежным признаком одиночного разрывного нарушения является линейный характер изменения амплитуд смещения от максимума до нуля. Структурные зоны, образованные системой одиночных разрывов, часто имеют региональный характер, смещения в структурной зоне невыдержанны.

С учетом фрагментарности и ограниченности даже прямых наблюдений при геометризации нарушения существенен вопрос о длине, единичности или множественности и сопряженности разрывов. Увязка отдельных наблюдений и группировка разрывов в единую зону являются операциями экстраполяционного характера и генерализации, и в определенной степени субъективны. Масштабный уровень разрывного нарушения может быть оценен только в результате системной геометризации, т.к. конкретное сечение эпюры сместителя может не совпадать с главным сечением.

Зоны у разрывных нарушений относятся к участкам с особо сложными горно-геологическими, гидрогеологическими и горнотехническими условиями.

Системы разрывных нарушений, оконтуривающие блок земной коры (массива горных пород), образуют горсты и грабены.

Горст – относительно приподнятый блок земной коры, ограниченный субпараллельными сбросами (рис. 43). Длина горста значительно больше ширины.

Рис. 43. Горст

Грабен – относительно опущенный блок земной коры, ограниченный субпараллельными сбросами (рис. 44). Длина грабена значительно больше ширины. Морфологически крупные грабены выражены озерами (напр. оз. Байкал).

Рис. 44. Грабен

1. Колебательные движения 2. Дислокационные движения 3. Деформация 4. Складка 5. Моноклиналь 6. Флексура

Дата добавления: 2013-12-12